Прямое восстановление железорудного концентрата антрацитом Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Металлургия и материаловедение

УДК 669.127.44

д.т.н. Новохатский А. М., Филиппенко Д. Г., Иванишкин Д. С.

(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР, [email protected])

ПРЯМОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО КОНЦЕНТРАТА

АНТРАЦИТОМ

Рассмотрено восстановление железа из железорудного концентрата углеродом антрацита в твёрдофазном виде. Представлена схема производства стали, исключающая различные металлургические переделы (коксохимический, агломерационный, доменный, конвертерный).

Ключевые слова: концентрат, твёрдый углерод (антрацит), прямое восстановление железа, губчатое железо, переплав.

Процессы восстановления твёрдых оксидов металлов, как правило, классифицируются в зависимости от типа восстановителя. Взаимодействие оксида металла с газообразным восстановителем принято называть реакцией косвенного восстановления, а с твёрдым углеродом — реакцией прямого восстановления. Возможность осуществления твёрдофазных реакций, по заключению ряда исследователей [1], весьма ограничена, поэтому к отличительным признакам прямого восстановления оксидов обычно относят, во-первых, протекание процесса в области высоких температур, во-вторых, образование в качестве продукта реакции монооксида углерода. Однако механизм прямого восстановления до сих пор не имеет однозначного объяснения; не существует и чётких критериев различия между прямым и косвенным восстановлением, так как твёрдофазное восстановление объясняется опять же посредством косвенного восстановления с участием промежуточных газофазных реакций.

За девяносто лет, прошедших с тех пор, как в 1926 г. А. А. Байков высказал фундаментальную идею о решающей роли газообразных восстановителей (СО, Н2) в процессе прямого восстановления оксидов металлов, механизм этого самого «прямого восстановления» так и остался неизвестным, несмотря на то, что отдельно взятые реакции восстановления оксидов металлов твёрдым угле-

родом, оксидом углерода и водородом изучены вдоль и поперёк и многократно описаны в металлургической литературе.

Прямое восстановление осуществляли во всех мыслимых условиях (в вакууме, под давлением, изменяя составы сырьевых смесей, применяя положения механохимии и электрохимии и т. д. и т. п.), но основные принципы течения процесса, а точнее условия, благоприятствующие его интенсификации, так и остались неразрешимой загадкой двадцатого века, о чём свидетельствуют цитаты из классиков отечественной металлургии: «Механизм восстановления окислов металлов твёрдым углеродом является одним из наименее экспериментально разработанных в теоретической металлургии. Не только детали, но и макроскопические этапы этого важнейшего технологического процесса не имеют ещё должного опытного обоснования» [2].

Использование твёрдого топлива в качестве восстановителя при получении металлизированных продуктов является перспективным направлением металлургии. По сравнению с традиционными способами металлизации, основанными на применении в качестве восстановителя конвертируемого природного газа, использование твёрдого топлива позволяет значительно снизить себестоимость продукции за счёт более низкой стоимости сырья и возможности создания компактных промышленных агрегатов [3].

ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2018. № 9 (52)

_Металлургия и материаловедение_

После успешного проведения экспериментов с использованием химически чистых материалов, таких как гематит и древесный уголь, получения крицы и переплава её в сталь [4] решено было перейти на производственные материалы, такие как концентрат и антрацит.

Цель научной работы — провести опытные исследования восстановления мелкодисперсного железорудного концентрата, смешанного с измельчённым антрацитом, при температуре 1100 °С. В качестве угля-восстановителя выбиралось наиболее химически чистое вещество от серы, основная составляющая которого — углерод. Этим требованиям соответствует уголь марки А.

Технический анализ антрацита производился в лаборатории кафедры МЧМ. Согласно ГОСТ 11014-2001 [5] определялась влажность аналитической пробы антрацита. Сущность метода заключается в высушивании навески аналитической пробы топлива с максимальным размером зёрен 0,2 мм в сушильном шкафу при температуре (160±5) °С и вычислении массовой доли влаги по потере массы. Из аналитической пробы топлива во взвешенные бюксы отбиралась навеска топлива массой 100 г. После этого открытые бюксы с навесками были помещены в сушильный шкаф, предварительно нагретый до температуры (160±5) °С, и при этой температуре высушены в течение 5 минут. По окончании сушки бюксы вынимались из сушильного шкафа, закрывались крышками и охлаждались на воздухе в течение 5 минут, затем до комнатной температуры в эксикаторе, после чего навеска взвешивалась. Массовая доля общей влаги вычислялась по формуле:

W = т • 100, (1)

т

где т1 — потеря массы при сушке навески топлива, г; т — масса навески пробы топлива, г.

Общая влажность антрацита составила:

4 4774 W = —--100 = 4,47%.

100

Согласно ГОСТ 6382-91 [6] определялся выход летучих веществ из антрацита как разность потери массы и влаги при нагревании топлива в стандартных условиях без доступа воздуха. Определение влаги и выхода летучих веществ проводили одновременно, чтобы можно было ввести соответствующую поправку. Сущность метода заключается в нагревании навески антрацита без доступа воздуха при температуре (850±5) °С в течение 7 минут и определении выхода летучих веществ по разности общей потери массы навески и потери за счёт испарения влаги. Выход летучих веществ из аналитической пробы топлива Vя вычислялся по формуле:

уа = 100 ' (т2 ~ т3 ) _ ^ , (2)

т2 _ т1

где: т1 — масса пустого тигля с крышкой, г; т2 — масса тигля с крышкой и пробой до нагревания, г; т3 — масса тигля с крышкой и остатком после нагревания, г; Wa — массовая доля влаги в аналитической пробе топлива, определяемая по ГОСТ 11014, %.

Выход летучих веществ в антраците составил:

100 • (36,45 _ 35,36) „ „„

Vа =-^--—_ 4,47 = 4,92 %.

36,45 _ 24,84

Согласно ГОСТ 11022-95 [7] определялось количество зольности топлива. Зола, оставшаяся после сжигания угля на воздухе, образуется из неорганических соединений, входящих в состав угольного вещества, и из присутствующих минеральных веществ. Сущность метода заключается в сжигании пробы топлива в муфельной печи при температуре (815±5) °С. Зольность в процентах рассчитывалась по массе остатка после прокаливания. Для определения зольности угля использовалась аналитическая проба, измельчённая до 0,2 мм. Тигель с навеской помещался в муфельную печь при комнатной температуре. В течение 60 минут температура повышалась

Металлургия и материаловедение

до 500 °С и выдерживалась в течение 30 мин. Далее нагрев продолжался до температуры 815 °С, которая выдерживалась в течение 90 мин. После этого несгоревший остаток доставался из печи и взвешивался. Зольность аналитической пробы А (% по массе) вычислялась по формуле:

A = m3 - mi . 100.

m2 - m1

(3)

Зольность антрацита составила:

A =

19,84 -19,76 20,81 -19,76

100 = 7,61%.

Содержание серы в антраците 0,74 %.

В качестве железорудного сырья использовался взятый на Енакиевском металлургическом заводе ковдорский концентрат. Химический состав концентрата и его гранулометрический состав представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.

В лабораторных условиях были спланированы и проведены опытные эксперименты по восстановлению концентрата антрацитом. Первый эксперимент проводился в шахтной печи, в которую загружался алун-довый тигель, заполненный концентратом и измельчённым антрацитом. Шихта тщательно перемешивалась. Крупность измельчённого восстановителя составляла 0,2 мм. Известно, что реакции восстановления идут на границах соприкосновения материалов, поэтому для крупной шихты целесообразно использовать в качестве

восстановителя водород, поскольку газ лучше проникает в поры материала, однако внутри материала реакции не идут. Используя же в качестве восстановителя углерод антрацита, необходимо иметь достаточно мелкий материал, тем самым обеспечить большую площадь контакта между окислами железа и частицами угля, чем ускорить реакции прямого восстановления.

Целью данного эксперимента было получение восстановленного губчатого железа, которое дальше можно было бы переплавить в сталь. Стехиометрически рассчитано, что на восстановление 800 г железорудного концентрата необходимо 200 г антрацитовой мелочи. Алундовый тигель нагревался в печи до температуры 1100 °С, после чего данная температура выдерживалась в течение 2 часов. По истечении времени полученный материал извлекался из печи и взвешивался. В результате было получено губчатое железо, диаметр которого составил 50 мм, а высота 130 мм (рис. 1). Расчётным путём определялась степень металлизации (фмет) по формуле:

Ф мет

Fe,

Fe

х 100.

(4)

общ

Расчёт степени восстановимости проводился с учётом потери массы навески с поправкой на содержание влаги выхода летучих веществ. Расчётная степень восстановления железа из оксидов составляла 94 %.

Химический состав концентрата

Таблица 1

Элемент S1O2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO FeO P C S П.П.П Feo6rn;

% 0,8 1,86 64,34 0,6 5,6 25,1 0,03 0,24 0,035 1,9 64,56

Таблица 2

Гранулометрический состав концентрата

Размер материала, мм >0,63 0,63-0,515 0,515-0,2 0,2-0,16 0,16-0,1 0,1-0,063 0,063-0,05 <0,05

Количество фракции, % 2,68 1,62 9,96 13,87 34,9 34,08 2,61 0,28

Металлургия и материаловедение

Рисунок 1 Губчатое железо, полученное из железорудного концентрата и антрацита

Дальнейшей задачей было получить из восстановленного губчатого железа металл путём переплава. Поскольку полученный материал слишком пористый, переплав его в индукционной печи невозможен, так как токи Фуко не возникают в нём, а материал попросту не нагревается. Губчатое железо, восстановленное прямым путём, загружалось в графитовый тигель и помещалось в индукционную печь, тем самым все тепло забирал на себя тигель, нагревая материал.

При разогреве «губки» до температуры выше температуры плавления химически чистого железа (1539 °С), а именно 1600 °С, объём материала существенно уменьшился, что говорит о расплавлении железа. После остывания полученного слитка замерялась усадка железа, которая составила 75 %. На рисунке 2 изображено переплавленное губчатое железо. В таблицах 3 и 4 представлен химический состав шлака и полученного металла соответственно.

а)

б)

а — металл, полученный при переплаве губчатого железа; б — шлак, полученный при переплаве губчатого железа

Рисунок 2 Металл и шлак, полученный при переплаве

ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2018. № 9 (52)

_Металлургия и материаловедение_

Таблица 3

Химический состав шлака

Элемент MgO S1O2 AI2O3 Fe2O3 CaO T1O2 MnO K2O V2O5

% 38,2 19,5 12,5 4,78 6,87 9,22 1,08 0,36 0,14

Таблица 4

Химический состав переплавленного губчатого железа

Элемент Fe Si S Al Mn Ti V P C

% 90,9 0,05 0,32 0,13 1,13 0,12 0,11 0,16 3,9

Из химического анализа металла видно, что в переплавленном губчатом железе имеется большое количество серы. Дабы избежать этого, стоит нагревать расплав металла до большей температуры, тогда кальций, переходящий в шлак, будет больше забирать на себя серы.

Наличие высокого уровня углерода связано с тем, что материал расплавлялся в графитовом тигле, из-за чего шло насыщение им металла. Подобный метод неприемлем для переплава губчатого железа. Дальнейшие исследования необходимо повторить, осуществляя переплав в электродуговой печи с использованием основной футеровки. Расплав всё равно будет насыщаться углеродом от

Библиографический список

сгорающих графитовых электродов, но по сравнению с графитовым тиглем это насыщение будет существенно снижено.

Данную технологию производства металла можно воплотить и в металлургическом производстве. В качестве агрегата-восстановителя можно использовать установку, подобную коксовой батарее. Очень важным параметром является повторное использование отходящих газов для обогрева самой печи.

Производство металла по данной схеме позволит отказаться от коксохимического, агломерационного, доменного и конвертерного производства и тем самым снизить себестоимость металла.

1. Будников, П. П. Реакции в смесях твёрдых веществ [Текст] / П. П. Будников, А. М. Гинстлинг. — М. : Стройиздат, 1971. — С. 488.

2. Гельд, П. В. О взаимодействии окислов и их соединений с твёрдым углеродом [Текст] / П. В. Гельд, В. Г. Власов, Н. Н. Серебренников //Журнал прикладной химии. — 1952. — Т. 25, № 2. — С. 121-133.

3. Новые процессы получения металла [Текст] /Ю. С. Юсфин и др. — М. : Наука, 1976. — 278 с.

4. Новохатский, А. М. Экстракция железа из гематита твёрдым углеродом [Текст] / А. М. Новохатский, Д. Г. Филиппенко // Сборник научных трудов ДонГТУ. — 2017. — № 4. — С. 49-56.

5. ГОСТ 11014-2001. Угли бурые, каменные, антрацит и горючие сланцы. Ускоренные методы определения влаги [Текст]. — Введ. 2003-01-01. — М. : Изд-во стандартов, 2002. — 8 с.

6. ГОСТ 6382-91. Топливо твёрдое минеральное. Методы определения летучих веществ [Текст]. — Введ. 1993-01-01. — М. : Изд-во стандартов, 1992. — 8 с.

7. ГОСТ 11022-95. Топливо твёрдое минеральное. Методы определения зольности [Текст]. — Введ. 1991-01-01. — М. : Изд-во стандартов, 1996. — 11 с.

© Новохатский А. М.

© Филиппенко Д. Г.

© Иванишкин Д. С.

Металлургия и материаловедение

Рекомендована к печати к.т.н., проф. каф. ММК ДонГТУ Ульяницким В. Н., консультантом по вопросам качества кокса и технологии доменной плавки Филиала № 12 ЗАО «ВНЕШТОРГСЕРВИС», к.т.н. Кузьменко В. Ф.

Статья поступила в редакцию 05.03.18.

д.т.н. Новохатський О. М., Фшшенко Д. Г., ¡вашшкш Д. С. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР, tafadimas@mail ru)

ПРЯМЕ В1ДНОВЛЕННЯ ЗАЛ1ЗОРУДНОГО КОНЦЕНТРАТУ АНТРАЦИТОМ

У cmammi розглянуто в1дновлення зал1зорудного концентрату вуглецем антрациту в твердому вигляд1. Подано схему виробництва металу, що виключае рiзнi металургтт передти (кок-сохiмiчний, агломерацШний, доменний, конвертерний).

Ключовi слова: концентрат, твердий вуглець (антрацит), пряме вiдновлення залiза, губчас-те залiзо, переплав.

Doctor of Tech. Sc. Novohatskiy A. M., Philippenko D. G., Ivanishkin D. S. (DonSTU, Alchevsk, LPR, tafadimas@mail. ru)

DIRECT REDUCTION OF IRON-ORE CONCENTRATE BY ANTHRACITE

There has been examined the iron reduction from iron-ore concentrate by carbon of the hard-phase state anthracite. There has been presented the steelmaking flow diagram which eliminates the various metallurgical process stages (coke-chemical, agglomeration, blast-furnace, converter process). Key words: concentrate, hard carbon (anthracite), direct iron reduction, sponge iron, remelting.