CC BY
71
УДК 621.745.4
НОВАЯ ФУНКЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
Г.А. Дорофеев, П.Р. Янтовский, Е.Ю. Барсукова, Я.М. Степанов
Показана перспективность использования синтетических композиционных материалов вида синтиком в энергометаллургических комплексах нового поколения ORIEN. Разработаны технология производства брикетов синтикома и новый способ получения сталей с их использованием.
Ключевые слова: руда, сталь, брикет, синтиком, ORIEN, брикетирование, сталь, электропечь, синтетические композиционные материалы.
В настоящее время сложилось явное противоречие: с одной стороны, требования к эксплуатационным характеристикам стали и сплавов невероятно выросли в связи с интенсивным развитием космоса, авиастроения, кораблестроения, автомобильной промышленности и производства военной техники. С другой стороны, технология выплавки продолжает развиваться в русле традиционного металлургического цикла «руда - чугун - сталь». Ведущими металлургическими компаниями мира ведутся широкие научные и опытно-конструкторские исследования по разработке принципиально новой технологии производства стали. В её основе лежит отказ от традиционных аглококсодоменных процессов, утративших к настоящему времени потенциал развития и не способных ответить на требования XXI века в отношении качества стали, её себестоимости, экологич-ности и энергоэффективности процесса.
Научно-производственным коллективом ГК «ФЕРРО-ТЕХНО-ЛОДЖИ» разработан и запатентован принципиально новый энерготехнологический комплекс для получения стали по технологии ORIEN («ore -iron - energy» или «руда - железо - энергия»). Данный комплекс объединяет в единое целое подготовку исходных материалов из сырья природного и техногенного происхождения, технологию выплавки из первичного металлургического сырья (первородной шихты) в электропечи, выпуск прокатной продукции, а также выработку электрической и тепловой энергии из вторичных энергоресурсов с полным обеспечением технологического процесса собственной электроэнергией. Таким образом, сделан шаг в дальнейшем развитии бездоменных процессов производства стали.
Производство стали по технологии «ORIEN» представляет собой цепочку «руда - БРИКЕТ - сталь». Одним из основных элементов, на которых базируется технология «ORIEN», является подготовка специальных шихтовых материалов - брикетов синтетических композиционных (или брикетов синтикома).
Брикетирование пылеватых руд и концентратов было изобретено в 1880 г. в период освоения брикетирования мягких бурых углей в Германии. В процессе развития металлургии, когда объем доменных печей вы-
3 3
рос с 200...300 м до 4...5 тыс. м , а суточная производительность -с 200.300 т до 10.12 тыс. т., брикетирование было вытеснено более производительными на тот момент производствами агломерата и окатышей. Брикетирование рассматривалось в большей степени как инструмент ре-циклинга техногенных отходов.
Значительный вклад в развитие брикетирования внесли российские ученые и инженеры НИТУ «МИСиС», ООО «ЭкоМашГео», Волгоградского технического университета, НПМП «Интермет-Сервис», ПАО «Северсталь», ОАО «НЛМК», ЗАО «Спайдермаш», Уральского института металлов, Санкт-Петербургского государственного политехнического университета и др.
Новаторская технология выплавки стали "ОШЕК" превращает процесс окускования (или брикетирования) в одну из главных составляющих технологии выплавки стали. Данный композит становится уже не добавкой к шихте, а основой металлургического процесса и инструментом для формирования физико-механических характеристик стали. Это открывает огромные перспективы для совершенствования технологии выплавки стали.
Брикет синтикома представляет собой искусственно созданный композит, составом и свойствами которого возможно управлять в широком, практически беспредельном, диапазоне. В каждом маленьком объеме брикета синтикома работает система «железо-углерод-кислород-флюс», представляя собой своеобразную или мини-доменную печь внутри сталеплавильного агрегата, или, по меньшей мере, ее модель. Поэтому наиболее эффективной областью использования брикетов синтикома становится производство стали в электродуговых печах.
К преимуществам искусственного композита (брикетов синтикома) перед традиционным кусковым материалом можно отнести следующие факторы:
- возможность использования богатых мелкофракционных материалов;
- возможность изготовление продукта любой конфигурации: четырех-; шести-, восьмигранной призмы, цилиндра и др.;
- возможность изготовления изделий различных геометрических размеров: от 30 до 300 мм в зависимости от требований металлургической плавки и конструкции загрузочных агрегатов;
- частицы различных компонентов шихты - оксидов и восстановителя - находятся в непосредственном контакте, что существенно ускоряет скорости протекания реакций взаимодействия;
- в состав брикетов синтикома могут вводиться самые разные компоненты (в том числе флюсы и легирующие);
- возможность использования «бедных» руд; при этом окончательный химический состав корректируется введением требуемых составляющих;
- возможность регулировки «горячей прочности» путем изменения типа и количества вводимых связующих компонентов;
- высокая механическая прочность брикетов синтикома (по сравнению с традиционными шихтовыми материалами) обусловлена технологией их изготовления и возможностью её регулирования;
- морозостойкость и атмосфероустойчивость брикетов синтикома обеспечивают возможность их транспортировки на значительные расстояния в открытых полувагонах без опасения смерзания и «слипания» и быструю разгрузку вагонов.
Создание искусственного композита - многогранный процесс, который имеет свои особенности и требует грамотного подхода. Только в этом случае возможно получение действительно эффективного заменителя традиционных шихтовых материалов.
Организация в ООО «НПП «Инновационные технологии и материалы» (ГК «Ферро-Технолоджи») научно-производственной базы по изготовлению брикетов синтикома позволила провести широкие научные и практические исследования по подборам оптимальных составов брикетов для электродуговой плавки, а также определить требуемые технические характеристики композита.
Безусловно, необходимо обозначить спектр возможных сырьевых материалов, которые рационально использовать для изготовления брикетов при выплавке стали в электродуговой печи.
В первую очередь, это компоненты, содержащие в своем составе окислы железа. Важнейшая роль среди железосодержащих материалов для брикетирования будет принадлежать мелким рудам и концентратам, которые имеют наиболее высокое содержание оксидов железа и относятся к первородным. Эффективно в составе брикетов применять вторичные материалы, такие как прокатная окалина, магнитная фракция, образующаяся при сепарации шлаков, отсевы окатышей, пыль аспирационных установок. Значительный интерес представляет использование в составе брикетов замасленной окалины. Специалисты ГК «Ферро-Технолоджи» провели комплекс исследований по созданию многокомпонентного самовосстанавливающегося брикета на основе замасленной окалины. Результаты данных работ позволят эффективно вернуть в оборот ценный металлургический материал, который относится к отходам III класса опасности и представляет собой бремя для всех металлургических заводов и экологов.
В качестве материала-восстановителя в брикетах приоритет - за материалами с высоким содержанием углерода, такими, как, например, коксовая мелочь и коксовая пыль. Особо необходимо отметить появление но®
вого углеродистого восстановителя - термококса , который производится
из низкозольных бурых углей. Этот продукт принципиально отличается от кокса по трем основным показателям: он многократно дешевле кокса, имеет на порядок более высокую реакционную способность и является мелкозернистым, что является неоспоримым преимуществом при изготовлении брикетов синтикома. В перспективе необходимо определиться с возможностью применения в составе брикетов мелких фракций различных видов углей.
Дальнейших исследований требует изучение влияния на восстановительные процессы в брикете углеводородов и летучих веществ. В некоторых публикациях приводятся данные об интенсивном протекании восстановительных процессов в брикете с использованием в качестве восстановителя материалов, содержащих значительное количество углеводородов (например, нефтешламов или масла в замасленной окалине).
Значительная роль при производстве брикетов принадлежит связующему материалу. Наиболее важными критерием выбора связующего являются следующие факторы:
- внесение в состав брикета минимального количества негативных химических элементов, спообных снизить металлургическую ценность готового продукта;
- способность связующего при минимальном расходе обеспечивать требуемую механическую прочность брикета;
- способность связующего обеспечивать «горячую» прочность брикетов;
- способность связующего обеспечивать атмосфероустойчивость и морозостойкость брикетов;
- связующее должно отвердевать при невысоких (до 500С) температурах;
- связующее должно быть недефицитным и недорогостоящим материалом.
Практически всем вышеуказанным требованиям соответствуют портландцементы и глинозёмистые цементы. Портландцемент - это гидравлическое вяжущее, твердеющее на воздухе и в воде, способное сохранять свои свойства как на воздухе, так и в воде. Основными составляющими портландцемента являются: СаО - 62.67 %; 8Ю2 - 20.23 %; А12О3 -4.8 %; Бе2О3 - 1.4%; МяО - 0,5.5 %; 8О3 - 1.3 %; ^О+^О -0,5.1 %. Таким образом, химический состав портландцемента позволяет рассматривать это связующее как компонент-флюс.
Глинозёмистый цемент представляет собой измельчённый в тонкий порошок продукт плавления или спекания глинозёмистых и известковых материалов, взятых в соответствующих пропорциях. Глинозёмистый цемент относится к типу гидравлических вяжущих. Основными составляющими глинозёмистых цементов являются: СаО - 35.42 %;
8Ю2 - 3,5.9 %; А12О3 - 36.44 %; Бе2О3 - 4.8 %; МяО - 0,3.1,5 %; 8О3 - 0,03.2,0 %; Ка2О - 0,1.0,4 %. Глинозёмистый цемент характеризуется очень быстрым твердением без тепловой обработки и высокой прочностью, которую он приобретает в первые сутки. Кроме того, по сравнению с портландцементом содержание 8О3 в глинозёмистом цементе существенно ниже.
Целесообразность применения того или иного вида связующего при изготовлении брикетов должна определяться не только стоимостью связующего, но и его химическим составом и теми физико-механическими характеристиками, которые получает брикет на данном связующем.
Потенциальные возможности создания брикетированных композиций для различных металлургических агрегатов поистине огромны. Так, например, апробированы композиции брикетов для промывки горна доменной печи, композиции на основе боя огнеупоров и каменноугольной препарированной смолы для ремонта футеровки конвертеров.
Также необходимо отметить композиционные материалы для производства ферросплавов. Нашими специалистами выполнены научно-исследовательские работы по созданию брикетов на основе мелкофракционных марганцевых, хромовых руд и концентратов в композиции с пыля-ми аспирации и углеродосодержащим восстановителем. Были исследованы отсевы хромовой руды ЗАО «ТФЗ», ОАО «Казхром», марганцевые руды Селезеньского месторождения, окисленные и карбонатные марганцевые концентраты Усинского месторождения, марганцевые руды ЮАР, Турции и др. В результате исследований было установлено, что восстановительные процессы внутри искусственного композита проходят существенно быстрее и при сравнительно низких температурах по сравнению с традиционной технологией.
Значительный интерес представляют собой брикеты синтикома на основе отсевов ферросплавов - марганцевые и хромовые лигатуры - дешевые заменители ферросплавов.
В настоящее время исследуются композитные материалы на основе отсевов ферросплавов и отсевов руды, содержащей окисленный материал (например, ферромарганца и отсевов марганцевой руды) с карбюризатором или без него. Данный материал способен стать альтернативой традиционным ферросплавам при легировании стали в печи-ковше.
Достаточно сложно описать всевозможные направления создания композиционных материалов. Главное в этом следующее: металлургам дается новый технологический инструмент. В зависимости от особенностей технологии плавки могут вноситься коррективы в составы брикетов синти-кома, чем регулируется качество стали.
Отдельное внимание необходимо уделить технологии производства брикетов синтикома. Какие технологические операции требуют наиболее пристального внимания?
Схематично процесс производства брикетов синтикома можно представить следующим образом: мелкие материалы, взятые в определенном соотношении в соответствии со стехиометрическими коэффициентами, перемешаны со связующим и отформованы в куски определенного размера. Если химический состав брикетов синтикома определяется пропорциями исходных компонентов, то какими физико-механическими характеристиками определяется качество готового продукта? Это механическая прочность, пористость, водопоглощение, термическая стойкость («горячая прочность»), атмосфероустойчивость, способность сохранять свои свойства при длительном хранении.
На каких стадиях изготовления брикетов синтикома формируется при помощи технологических приемов тот или иной показатель?
При перемешивании исходных компонентов ставится задача достижения высокого уровня гомогенизации смеси. При этом обеспечивается наилучшее распределение связующего между компонентами основных материалов брикета, а также увеличение точек контакта основных материалов между собой. На этапе перемешивания смеси создаются предпосылки для необходимого сцепления частиц между собой и обеспечения механической прочности брикетов синтикома. Также при перемешивании компонентов смесь должна быть равномерно увлажнена водой или раствором связующего. Равномерность увлажнения обеспечивает удобоукладывае-мость смеси при формовании и, как следствие, создание структуры брикета, от чего зависят механическая прочность, пористость, «горячая прочность» и атмосфероустойчивость.
Таким образом, приготовление формовочной смеси - это наиважнейший этап, на котором закладываются все потенциальные свойства брикетов.
В настоящее время в мире производится большое количество типов конструкций для перемешивания материалов. Наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к приготовлению формовочной смеси для производства брикетов синтикома, конструкция планетарного смесителя тарельчатого типа со встроенными дополнительными активаторами. Такие смесители серийно производятся фирмами «EIRICH», «SCHLOSSERPFEIFER», «SIKOMA» и др.
Далее на этапе формования необходимо уплотнить готовую формовочную смесь до определенного (желательно максимального) уровня. Именно в процессе уплотнения (формования) смеси определяются все физико-механические характеристики брикетов синтикома.
С точки зрения авторов наиболее универсальным, экономически целесообразным и экологически безупречным является способ вибропрессования. Это процесс формования, когда на формовочную смесь одновременно воздействуют вибрация и незначительное давление (подпрессовка). Формование брикетов синтикома осуществляется на вибропрессовых ус-
тановках. Под воздействием вибрации частички материалов в композиции находят своё оптимальное положение без возникновения каких-либо напряжений и упругих деформаций. Кроме того, под воздействием вибрации формовочная смесь на цементном связующем получает структурные изменения «твёрдое тело - жидкость - твёрдое тело». Форма и размеры брикетов, изготавливаемых способом вибропрессования, могут изменяться в достаточно широком диапазоне. Так размеры брикетов могут варьировать от 30 до 300 мм. Брикеты могут изготавливаться в виде цилиндра, четырех-, шести-, восьмигранной призмы с любым заданным соотношением длина:ширина:высота. Удельное давление на смесь при формовании очень незначительно и не превышает 0,1 МПа. То есть понятно, что с точки зрения энергозатрат данный способ наиболее экономичный. Данный способ производства в полной мере соответствует требованиям, предъявляемым к организации производства XXI века. Главные преимущества данного способа формования - при высокой производительности (до 50 т/ч) безотходность, экологичность, низкая энергоёмкость, полная автоматизация всех технологических процессов (от приёма сырья до отгрузки готовой продукции) и короткий производственный цикл изготовления (не более 24 часов). Данная технология является более универсальной.
Возможность производства брикетов синтикома с требуемыми физико-механическими свойствами и в требуемых объемах (сотни тысяч тонн в год) появилась с развитием отечественного машиностроения. Необходимо заметить, что проблема подъема черной металлургии на иной технологический уровень возможна только при консолидации усилий металлургов, машиностроителей, экологов. Совместными усилиями специалистов ГК «Ферро-Технолоджи» и НПП «ГЕВИТ» созданы стационарный и мобильный комплексы производительностью до 50 т/ч для переработки мелкофракционных материалов в брикеты синтикома способом вибропрессования. Оборудование наиболее полно отвечает требованиям по надёжности конструкций, обеспечивая непрерывный график работы. При создании данных комплексов реализованы следующие задачи:
- возможность быстрого монтажа оборудования непосредственно в месте накопления мелкофракционных материалов, транспортировка которых затруднена (особенно в зимнее время);
- 100 %-ная автоматизации всех технологических процессов;
- возможность переработки мелкофракционных материалов с ми-нимализацией процессов подготовки;
- компьютерное управление всеми технологическими процессами с визуализацией происходящих операций;
- компьютерная самодиагностика технологических процессов;
- оснащение технологической линии несколькими типами формовочных агрегатов, способных перерабатывать материалы различного агрегатного состояния;
- быстрое (не более 15 мин) переоснащение формовочного агрегата для перехода на производство иного типа брикетов синтикома;
- обеспечение требуемой остаточной влажности готовых брикетов не более 3 %;
- обеспечение точности дозирования материалов при приготовлении брикетов +1 %;
- обеспечение экологичности (безотходности) производства.
В заключение можно сказать, что в настоящее время сложились необходимые и достаточные условия для перехода технологии выплавки стали на принципиально иной уровень, а именно, с одной стороны, разработана инновационная технология выплавки качественных сталей «ORIEN» с использованием брикетов синтикома, с другой стороны, всесторонне исследованы характеристики брикетов синтикома, разработана технология их изготовления и апробировано технологическое оборудование для серийного производства. Результатом реализации комплекса данных инновационных технологий является совершенно новая инновационная технология производства сталей.
Список литературы
1. Дорофеев Г. А., Барсукова Е.Ю. О выборе рационального способа окускования мелкофракционных материалов техногенного и природного происхождения // Черная металлургия: бюллетень научно-технической и экономической информации. 2015. №12.
2. РУП «Белорусский металлургический завод». Опыт использования железоуглеродосодержащих брикетов в электросталеплавильном производстве / В.И. Котенёв [и др.] // М., Металлург. 2003. № 1. С.45-47.
3. Исламов С.Р., Степанов С.Г. О возможности замены коксовой парадигмы // Черные металлы. 2014. Сентябрь. С.17-21.
Дорофеев Генрих Алексеевич, канд. техн. наук, доц., imsk@,list.ru, Россия, Тула, ООО «НПМП Интермет-Сервис»,
Янтовский Павел Рудольфович, генеральный директор, smtikom@,mail.ru, Россия, Тула, ГК «Ферро-Технолоджи»,
Барсукова Елена Юрьевна, главный технолог, smtikom@,mail.ru, Россия, Тула, ООО «НПП «Инновационные технологии и материалы»
Степанов Ярослав Михайлович, генеральный директор, smtikom@,mail.ru, Россия, Тула, ООО «НПП «Инновационные технологии и материалы»
A NEW FEATURE OF COMPOSITE SYNTHETIC MATERIALS FOR STEEL PRODUCTION
G.A. Dorofeev, P.R. Yantovskiy, E. Y. Barsukova, Y.M. Stepanov
57
The prospects of using synthetic composite materials of the kind sinticom in energy and metals complexes of a new generation of ORIEN. The technology of production of briquettes sinticoma and a new method of producing steels with their use.
Key words: ore, steel, briquettes, sinticom, ORIEN, briquetting, steel, electric, synthetic composite materials.
Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, imsk@ list.ru, Russia, Tula, LLC «NPMP Intermet-Service»,
Yantovskiy Pavel Rudolfovich, general director, sintikomamail. ru, Russia, Tula, Ferro-Technology Group,
Barsukova Elena Yurevna, chief industrial engineer, sintikom@,mail. ru, Russia, Tula, Production Enterprise «Innovative technologies and materials» LLC
Stepanov Yaroslav Mihajlovich, general director, sintikom@,mail. ru, Russia, Tula, Production Enterprise «Innovative technologies and materials» LLC
УДК 658.511.2
НОВЫЕ КОНЦЕПЦИИ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛИ
Г. А. Дорофеев, В.М. Паршин
Рассмотрены достижения и проблемы современного производства стали с позиций ресурсосбережения. Одной из перспектив развития является электрометаллургический процесс ОШЕЫ, разработанный в России.
Ключевые слова: производство стали, ресурсосбережение, процесс ОШЕЫ, синтиком, экология, энергозатраты, качество стали.
1. Достижения и проблемы
Черная металлургия достигла впечатляющих результатов в своем развитии, решив задачу поистине исторического масштаба - обеспечение потребностей мировой экономики в чугуне, стали и прокате. Это достижение является эпохальным и подтверждает эффективность процессов, лежащих в основе металлургии и основанных на использовании углерода в качестве базового источника энергии и восстановителя. Естественной платой за это является «парниковый эффект», главным «поставщиком» которого является тот самый углерод.
