CC BY
52
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. № 14
УДК 669.1. 054.83
Ожогин В.В.1, Климанчук В.В.2, Фентисов И.Н.3, Томаш A.A.4, Чернова С.Г.5
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЙ БРИКЕТ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА
Рассмотрены особенности получения железоуглеродистых брикетов оптимального состава, обеспечивающего заданную прочность и восстановимостъ металла
Дефицит металлолома, усилившийся в последнее десятилетие, отрицательно сказывается на работе сталеплавильного производства - основного передела, формирующего заданные свойства готового металла. Восполнение нехватки металлолома высококачественными, но дорогостоящими импортными металлизованными материалами существенно удорожает себестоимость продукции, а потому не эффективно.
В то же время в мировой и отечественной металлургической практике известны способы получения относительно недорогого металлизованного материала - самовосстанавливающихся железоуглеродистых брикетов [1-3]. Особого внимания заслуживает технология прямого получения стали в мартеновской печи из брикетированного рудно-топливного сырья в кипящем шлаковом слое (процесс КШС) [4]. Более раннему распространению этого способа препятствовало отсутствие проблемы с поставками металлолома, а также его невысокая стоимость и удовлетворительное качество.
Рыночная конъюнктура, изменив соотношение цен на металлосодержащие компоненты сталеплавильной плавки, привела к ситуации, когда получение и использование металлизованного полупродукта стало экономически выгодным, а их адаптация к новым условиям - заслуживающим внимания. В этих условиях важным направлением повышения эффективности производства стали является разработка простой и экономичной технологии замены металлолома самовосстанавливающимися железосодержащими материалами.
Более детальный анализ причин, по которым способы прямого восстановления твёрдым углеродом не получили должного развития, показал, что наряду со снижением качества металла из-за ввода золо- и серосодержащего восстановителя наблюдается также ухудшение эффективности технологии выплавки стали. При плавке на брикетах происходит вспенивание шлака, процесс становится неустойчивым; увеличиваются потери металла в результате его вторичного окисления. Кроме того, при пониженном содержании связующих брикеты обладают недостаточной механической прочностью, а увеличение доли связующего материала приводит к повышению содержания вредных примесей в железе и чрезмерному удорожанию брикетов.
Задача исследования состоит в том, чтобы определить оптимальный компонентный состав, обеспечивающий железоуглеродистым брикетам благоприятные химические и технологические свойства, минимальную стоимость и соответствие требованиям по их механической прочности. В частности, брикеты должны выдерживать термоудар при завалке их в печь, иметь степень восстановления 80-90 % и более, а также обладать высокой размягчаемостью и усадкой, минимизирующей вторичное окисление железа атмосферой печи.
За основу взят железо-коксовый брикет, состав которого имеет следующее соотношение компонентов, мае. %: железорудный концентрат (с содержанием окиси кремния - 14 %) - 70; коксик - 15; известь-пушонка - 15 [5]. Упрочнение брикетов осуществляли пропаркой в автоклаве под давлением 0,7 МПа и температуре 174 °С с образованием гидросиликата кальция. Не-
1 ПГТУ, ст. науч. сотр.
2 ОАО «ММК им. Ильича», инж.
3 ОАО «ММК им. Ильича», инж.
4 ПГТУ, канд.техн.наук, доц.
5 ПГТУ, мл. науч. сотр.
смотря на высокую механическую прочность брикетов (сопротивление удару -5-7 падений, сопротивление сжатию - 14 МПа, прочность на истирание - 93-87 %), наличие главной силикатной связки, распадающейся при 400-500 °С, приводит к преждевременному разрушению [6].
К тому же высокое содержание извести-пушонки, во-первых, вызывает повышение температуры размягчения и снижение образования жидких фаз, в результате чего брикет длительное время остаётся пористым, что в окислительной атмосфере мартеновской печи вызывает его вторичное окисление. Во-вторых, создаются условия для накопления в шлаке гидроксиль-ных групп ОН . приводящих к поглощению водорода металлом. Эти недостатки, а также выбор малопроизводительного способа упрочнения автоклавированием не способствует широкому промышленному освоению этого способа получения брикетов.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к мартеновскому сырью, железоуглеродистый брикет должен иметь следующие характеристики: прочность на раздавливание более 5,0 МПа; прочность на двукратное сбрасывание на стальную плиту с высоты 2 м, определяемая по выходу фракции -5 мм, - 10 %; содержание полезных компонентов в брикете - не ниже 62 %; пористость - не более 10 %; при нагревании до 1500 °С в течение 3 мин. не разваливается на куски [7]; брикет не должен способствовать вспениванию шлака.
Для соответствия требованиям по содержанию полезных компонентов были выбраны следующие материалы, см. табл.
Таблица - Химический состав исходного сырья и материалов для получения железоуглеродистых брикетов
Материал Химический состав, %
БЮг СаО МёО БеО Ре203 Р^общ
Концентрат железорудный 6,89 0,21 0,45 28,00 63,62 66,31
Шлам сталеплавильный 4,84 11,44 2,70 11,15 65,17 54,28
Зола коксика 43,90 1,94 0,62 - 22,53 15,77
Известь гидратированная 1,26 65,69 1,14 - 0,98 0,69
Жидкое стекло (по сухому) 51,71 0,41 - - - -
Необходимое соотношение компонентов, удовлетворяющих перечисленным требованиям, определяли исходя из их химического состава, предполагаемой степени восстановления, особенностей восстановления твёрдым компонентом, в т. ч. соотношения степени его прямого и непрямого действия, давления прессования, обеспечивающего заданную прочность и пористость брикетов, а также их температуры размягчения и степени усадки.
Расчётом получено, что соотношение между основным железосодержащим компонентом и восстановителем составляет 83 : 17 [8] При этом учли, что зольность кокса равна 16,5 %, принятая степень восстановления железа в концентрате более 80 % и поправочный коэффициент превышения фактического содержания углерода над стехиометрическим равен 10 %, .
Наличие известковой составляющей определяли из необходимости получения брикетов заданной прочности, связывания серы, остающейся в брикете при восстановлении, а также обеспечения основности не более 1,4, исключающей возможность вспенивания шлака.
Несмотря на то, что сталеплавильный шлам содержит повышенное количество серы, его добавки способствуют повышению прочности и снижению пористости продукта, обеспечивают более тесный контакт реагентов и быструю восстановимость, повышают термопрочность и способствуют образованию большого количества жидких фаз, приводящих к объёмной усадке брикета, которая способствует уменьшению вторичного окисления восстановленного железа. Опытами установлено, что предельное количество добавок сталеплавильного шлама в концен-тратно-коксовые смеси составляет 25 %. При снижении содержания серы в шламе это количество может быть доведено до 30 % и более.
Важнейшим фактором прочности и пористости брикетов является величина давления прессования и количество связующего. Исследование зависимости влияния давления прессования на прочность и пористость брикетов для концентратно-коксовых смесей со связующим жидким стеклом и добавками шлама показывают, что оптимальными являются давления в 50-60 МПа. При давлениях менее 50 МПа брикет получается излишне пористым, а при давлениях свыше 60 МПа происходит выдавливание части связующего по направлению усадки брикета, в
результате чего он получается менее прочным. Заданная механическая прочность брикета получается при добавках жидкого стекла в количестве 3-4 % в сухом весе.
Таким образом, железоуглеродистые брикеты оптимального состава, отвечающие предъявляемым к ним требованиям по механической прочности и металлургическим свойствам, содержат 55 % концентрата, 20 % сталеплавильного шлама, 16 % отсева кокса фракции -3 мм, 0-5 % гидратной извести и 4 % жидкого стекла (по сухому).
Для исследования механических и металлургических свойств брикетов на горизонтальном гидравлическом прессе Б6234Б производства Одесского ПО «Прессмаш». развивающем давления до 60 МПа, была изготовлена опытная партия брикетов цилиндрической формы диаметром 105 мм, высотой 50-80 мм массой 1-2 кг. Восстановление брикетов проводили в закрытом металлическом стакане при всаде его в термическую печь, нагретую до температуры 1100-1200 °С, до полного прекращения сгорания газа, выделяющегося из-под крышки стакана. Общий вид металлизованных брикетов приведен на рис. 1.
Рис. 1 - Внешний вид металлизованных брикетов: 1 - подготовленный к металлизации; 2 - восстановленный при 1100 "С (объёмная усадка 17 %, потеря массы 29 %); 3 - восстановленный при 1200 "С (объёмная усадка 30 %, потеря массы 34 %); 4 - то же, что и 3, но при медленном охлаждении; 5 - то же, что и 2, но с заменой 20 % концентрата отсевом агломерата.
Самовосстанавливающиеся брикеты оптимального состава содержат 47,8 % железа, имеют основность 0,72, ударную прочность на сбрасывание 16,4 %, прочность на раздавливание 6,1 МПа, пористость 9,2 %. После восстановления брикеты содержат 72,9 % железа общего, в том числе 63,6 % металлизованного, общее содержание флюсующих до 9 %. Объёмная усадка составляет 46,7 %, массовая 49-52 %. Пониженная прочность промышленных брикетов объясняется их большой массой, тогда так как лабораторные брикеты фракции 30 мм отвечают требованиям по ударной прочности. Ударную прочность можно повысить увеличением содержания связующего, однако это приводит к нежелательному увеличению количества шлака.
Для исследования восстановимости были изготовлены лабораторные брикеты диаметром 30 мм и высотой 16 мм с различным содержанием извести и сталеплавильного шлама. Восстановление проводили в тех же условиях, что и промышленные брикеты, см. рис. 2.
©
Рис. 2. - Аншлифы лабораторных брикетов различных составов, полученных при температурах восстановления 950-1250 °С:
верхний ряд (слева направо): 1 - исходный брикет оптимального состава; 2 - брикет, восстановлен при 1050 "С; 3 - то же, что и брикет 2, но повторно спрессованный под давлением 50 МПа; 4 - то же, что и брикет 2, но восстановлен при 1250 "С (степень металлизации 97,5 %): нижний ряд (слева направо): 1 - брикет с большими добавками извести, восстановленный при 950-1100 "С; 2 - то же, что и брикет 1, но при температуре восстановления 1200-1250 "С;
3 - брикет из сталеплавильного шлама с тонкодисперсным восстановителем, восстановлен при 1200 иС (степень металлизации 98,4 %); 4 - брикет из аглодоменного шлама с тонкодисперсным восстановителем, восстановлен при 1200 °С.
Как видно из рис. 2, плотная структура брикета образуется при минимальных количествах добавок извести и больших количеств тонкоизмельчённых материалов. При этом хороший эффект достигается при умеренных температурах восстановления 1100-1250 °С.
Выводы
Полученные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности промышленного производства самовосстанавливающихся железоуглеродистых брикетов, пригодных к использованию в мартеновском производстве. Установлено, что в брикеты, изготовленные с добавками тонкоизмельчённых сталеплавильных шламов при средних температурах восстановления имеют меньшую температуру размягчения и большую усадку, чем без таких добавок, или с добавками извести. Металлизованные брикеты содержат около 73 % железа общего, в т.ч. 63,6 % металлизованного железа, до 9 % флюсующего и по своим физико-механическим характеристикам вполне пригодны к использованию в конвертерном производстве.
Перспектива дальнейших исследований связана с решением возникающих проблем при использовании самовосстанавливающихся брикетов непосредственно в мартеновском производстве, минуя промежуточную стадию металлизации в специализированных установках металлизации, снижающих экономическую эффективность мероприятия по замене металлолома железоуглеродистыми брикетами.
Перечень ссылок
1. Кожевников И.Ю. Бескоксовая металлургия железа / И.Ю. Кожевников.- М.: Металлургия, 1970.- 336 с.
2. Тулин H.A. Развитие бескоксовой металлургии / H.A. Тулин, B.C. Кудрявцев, С.А. Пчелкин и др. - М.: Металлургия, 1987. - 328 с.
3. Юсфин Ю. С. Новые процессы получения металла / Ю. С. Юсфин, A.A. Гиммелъфарб, Н. Ф. Пашков - М.: Металлургия, 1994. - 320 с.
4. Князев В.Ф. Бескоксовая металургия железа / В.Ф. Князев, А.И. Гиммелъфарб, А.М. Пеме-нов. - М.: Металлургия, 1972. - 272 с.
5. Лурье Л. А. Получение железо-коксовых брикетов из дальневосточных руд и углей / Л. А Лурье, Б.М. Равич // Металлург - 1956. - № 8. - С. 4-6.
6. Вегман Е.Ф. Окускование руд и концентратов / Е.Ф. Вегман. - М.: Металлургия, 1984. - 256 с.
7. Равич Б.М. Брикетирование в цветной и чёрной металлургии / Б.М. Равич. - М.: Металлургия, 1975. -232 с.
8. Теория металлизации железорудного сырья / Ю.С. Юсфин, В.В. Даньшин, Н.Ф. Пашков и др. - М.: Металлургия, 1982. - 256 с.
Статья поступила 03.02.2004 г
