автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Научные основы и практика совершенствования процесса получения железорудного агломерата с высокими потребительскими свойствами

З.С6 07

'У

министерство общего И профессионального образования российской федерации

уральский государственный технический

университет - УПИ

V м К

N у/ Г (

■УУ /V.

/ //

]: -Л

У

(ПК -- ». , -----------------

• * .; * /чачую

На правах рукописи

Г.."......

_ ' " УДК 669.162.12:622.785: 622.73

. Г.- .л а .. ,, "/Т"-—----II

' ^ УЛра.йЛ€Аия ВАК" »осс*^ ' I

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И ПРАКТИКА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО АГЛОМЕРАТА с ВЫСОКИМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.16,02. - Металлургия черных металлов

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Шумаков Николай Сергеевич

Екатеринбург -1999

содержание

Стр.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ................................ 5

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................... 7

1. СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО АГЛОМЕРАТА С ВЫСОКИМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ СВОЙСТВАМИ.............................. 15

1.1. Основные теоретические представления о прочности и разрушении железорудных аглоспеков................................ 15

1.1.1. Свойства и роль минерального скелета аглоспеков

в формировании их прочностных характеристик........... 15

1Л .2. Макроструктура аглоспеков и ее роль в формировании

свойств агломерата............................................................... 23

1.1.3. Влияние режима нагружения при разрушении на

гранулометрический состав агломерата............................ 36

1.2. Некоторые технологические аспекты формирования физических и физико-химических свойств агломерата...... 44

1.3. Выводы и задачи исследований............................................. 52

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ АГЛОСПЕКА В ПРОЦЕССЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.................................................................................. 55

2.1. Основные рабочие гипотезы и общая методология выполнения исследований...................................................... 55

2.2. Исследование разрушения аглоспека при квазистатическом деформировании.............................................................. 64

2.2.1. Характеристика объекта и методика проведения исследований........................................................................ 64

2.2.2. Результаты исследований и их обсуждение...................... 70

2.3. Закономерности изменения выхода мелочи 0-5 мм при разрушении аглоспека динамическим нагружением.......... 87

2.4. Изменение гранулометрического состава продуктов разрушения аглоспеков в процессе дезинтеграции............ 93

2.5. Особенности разрушения кусковых фрагментов аглоспека

в различных условиях нагружения....................................... 99

2.6. Обсуждение результатов исследований процесса разрушения и выводы по разделу........................................ 106

3. КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СВОЙСТВ ГОТОВОГО АГЛОМЕРАТА ОТ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРЫ АГЛОСПЕКА И РЕЖИМА СПЕКАНИЯ.. 123

3.1. Режим спекания и свойства опытных агломератов........... 123

3.2. Исследование макроструктурных характеристик

аглоспеков............................................................................... 137

3.2.1 .Методика структурных исследований и количественной

оценки структурных характеристик...................................... 137

3.2.2. Структурные характеристики аглоспеков....................... 140

3.2.3. Структурные характеристики фрагментов

аглоспеков........................................................................... 144

3.3. Исследование вещественного состава агломератов........... 149

3.3.1. Вещественный состав агломератов из гидрогетитового концентрата.............................................................................. 150

3.3.2. Вещественный состав агломератов из магнетитовых концентратов............................................................................ 157

3.3.3. Анализ дисперсии минерального состава аглоспеков..... 161

3.4. Анализ зависимости свойств аглоспека от структуры....... 162

3.5. Анализ роли трещинообразования в формировании гранулометрического состава и свойств агломерата......... 175

3.5.1. Исследование упругих и прочностных характеристик минеральных фаз аглоспеков............................................ 175

3.5.2. Исследование процессов трещинообразования при охлаждении аглоспеков...................................................... 189

3.5.3 Исследование трещинообразования при нагреве и

восстановлении агломерата.............................................. 201

3.6. Статистические модели связи режима спекания и структуры аглоспека с его разрушаемостью и свойствами агломерата.. 208

3.7. Выводы по разделу.................................................................. 221

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ЕГО УЛУЧШЕНИЯ................................................ 223

4.1. О рациональной крупности твердого топлива для агломерации............................................................................ 223

4.2. Исследование прочностных свойств и закономерностей разрушения твердого топлива................................................ 224

4.2.1. Методика проведения исследований................................. 225

4.2.2. Результаты исследований разрушения твердого топлива

в режиме жесткого нагружения........................................... 228

4.2.3. Разрушение твердого топлива в режиме мягкого нагружения............................................................................. 235

4.3. Промышленные испытания и внедрение мероприятий по совершенствованию измельчения твердого топлива........... 240

4.3.1. Анализ существующих технологий подготовки твердого топлива и опробование новых режимов измельчения..... 240

4.3.2. Совместное измельчение коксовой мелочи с мягкими рудными добавками.............................................................. 251

4.4. Выводы по разделу.................................................................. 255

5. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ШИХТЫ ПРИ

ОКОМКОВАНИИ.......................................................................... 259

5.1. Основные требования к качеству окомкованной шихты.. 259

5.2. Закономерности формирования гранул агломерационной шихты в барабанах.................................................................. 264

5.2.1. Структурно- механические изменения в гранулах и механизм окомкования агломерационной шихты в барабанах.. 265

5.2.2. Теоретические основы расчета параметров процесса окомкования агломерационной шихты во вращающихся барабанах.................................................................................. 279

5.2.2.1. Образование и рост зародышей...................................... 280

5.2.2.2. Формирование гранулометрического состава окомкованной шихты........................................................... 282

5.2.2.3. Уплотнение гранул окомкованной шихты..................... 290

5.3. Выводы по разделу.................................................................. 293

6. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЖИМОВ СПЕКАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ УЛУЧШЕНИЕ

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА И СВОЙСТВ

АГЛОМЕРАТА.............................................................................. 295

6.1, Технологические возможности улучшения гранулометрического состава доменного агломерата.............................................295

6,2. Промышленные испытания и освоение технологии получения агломерата с пониженной массовой долей монооксида железа из шихты на основе гидрогетитового концентрата.. 306

6.3. Совершенствование системы загрузки агломашин при спекании грубозернистой шихты на аглофабрике № 1

КарМК..................................................................................... 319

6.4. Промышленные испытания технологии получения агломерата с рециркуляцией части отходящего газа......... 324

6.5. Выводы по разделу.."............................................................... 337

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................. 338

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................... 341

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................ 370

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Рр, Рсж - прочность образцов на раскол и сжатие соответственно, кН; sP, 8сж - разрушающие деформации при расколе и сжатии, % (мм); АЭф - работа разрушения при расколе , Дж/м2; АцР - работа разрушения при сжатии, Дж/м3; N - суммарная акустическая эмиссия при разрушении, усл. ед. Кш - содержание топлива в шихте, %; Ven - вертикальная скорость спекания, мм/мин; Тшт - максимальная температура в слое, °С; Т0гш - максимальная температура отходящих газов, °С; FeO- массовая доля монооксида железа в агломерате, %; Сост -остаточное содержание горючего углерода в агломерате, %; Snop - объемная доля крупных пор - "пустот" в аглоспеке, %; FTB - объемная доля твердого вещества (макроблоков) спека в общей поверхности раскола, %; Lcp - средний размер макроблоков (хорд), мм; (TL - среднеквадратичное отклонение размера макроблоков, мм; Fck - относительная величина площади скола в поверхности раскола; Рп „общ - общий периметр пор, см;

Рп, Ртв - периметр структурных элементов (межблочных пор и макроблоков), см;

Vn - доля пор крупнее 3 мм (межблочных пор) в общей поверхности аншлифа, см;

Vtb - доля макроблоков вещества спеков в общей поверхности аншлифа, см;

dn.cp, dTB.cp - средние размеры пор и макроблоков соответственно, см; Fn, Ftb - средняя площадь пор и макроблоков соответственно, см2; Руд.п, Fyfl.TB - удельная поверхность пор и макроблоков соответственно, см2/см3;

fn, ire ~ форм-фактор пор и блоков вещества, д.ед;

ри - истинная плотность спека, кг/м3;

реп - кажущаяся плотность аглоспека, кг/м3;

Побщ, Поткр - общая и открытая пористость кусков стабилизированного агломерата, %;

Ge, Mt, FeCa, Св - массовая доля гематита, магнетита, ферритов кальция и связки (кристаллических силикатов и стекла) в агломерате соответственно, %;

o"Ge, <TMt, oTFeCa, сгсв - среднеквадратичное отклонение содержания гематита, магнетита, ферритов кальция и связки в агломерате соответственно, %;

Емь Eoe, EFeCa , Естекп - модуль упругости минеральных фаз аглоспека, ГПа;

Ное, Нмг , HFeCa , Нстекп - микротвердость минеральных фаз аглоспека,

ГПа;

Кое Каи КиеСа Кстакп - Коэффициент упругости МИНСраЛЬНЫХ фаз (отношение работы упругих к работе пластических деформаций) агло-спека, ед.:

Тм{ Тое ТгеСа Тстекп - трещиностойкость минеральных фаз аглоспека, усл. ед.

§.5, §5-40, §+40 - выход классов менее 5 мм, 5-40 мм. крупнее 40 мм после трехкратного сбрасывания аглоспека на стальную плиту с высоты 2 м, %;

Б+5, Б.о,5 - показатели механической прочности и истираемости (соответственно) кусковой части аглоспека при испытании в барабане по ГОСТ 15137-77. %;

Л+ю, Л5-о,5, Л-0,5 - показатели прочности, разрушаемости и истираемости (соответственно) стабилизированного агломерата при восстановлении по ГОСТ 19575-84, %;

К.ф, - показатель восстановимости агломерата по ГОСТ 19575-84, %.

ВВЕДЕНИЕ

История агломерации как метода окускования мелких фракций железных руд и концентратов насчитывает более 100 лет. Прошедший период характеризовался ее интенсивным развитием. В 1985 - 1990 годах металлургическая промышленность СССР имела 170 агломерационных машин с общей площадью спекания около 15800 м2. Объем производства агломерата в этот период достиг 143-151 млн. т в год. Несмотря на опережающее в последние десятилетия развитие производства железорудных окатышей, на большинстве отечественных и зарубежных металлургических предприятий агломерат остается наиболее массовым компонентом доменной шихты.

Применение в доменной плавке агломерата, особенно офлюсованного, позволило в свое время резко повысить ее технико-экономические показатели. Улучшение качества железорудного агломерата и сейчас остается одним из главных факторов уменьшения расхода кокса, увеличения производительности доменных печей и улучшения качества выплавляемого чугуна. В первую очередь это относится к нашей стране, где агломерационное производство развивалось оригинальным путем, характерной чертой которого является высокая степень использования тонких концентратов и, как следствие, спекание шихт с низкой газопроницаемостью. Несмотря на многолетний производственный опыт и большой объем научных исследований, производство высококачественного агломерата из таких шихт представляет собой еще весьма сложную, но в то же время важную и актуальную научно-техническую задачу.

Недостатки агломерации шихт с высоким содержанием концентратов проявляются, прежде всего, в том, что разрушение полученного из них аглоспека в процессе механической обработки и передачи к доменным печам сопровождается образованием значительного количества мелких (пылевидных) фракций. В то же время ровный ход доменной печи и, соответственно, ее высокая производительность при низком удельном расходе кокса возможны лишь при выполнении весьма высоких треоовании к крупности (кусковатости) шихтовых материалов [1-6]. Увеличение содержания мелочи 0-5 мм в железорудной части шихты доменной печи на 1 % (абс.) приводит к снижению производительности последней и увеличению расхода кокса на 0,4 -0,7 % и более [7,8].

Теоретические исследования и расчеты, а также практика работы доменных печей, показали, что крупность агломерата должна находиться в пределах 5-40(50) мм [9, 10]. Некоторые авторы называют и более узкие диапазоны требуемой крупности, например, 10-30 мм [11], 10-20 мм [12], 10-25 мм[13], 10-40 мм [14]. Авторы [15,16] считают, что для крупных и сверхмощных доменных печей оптимальной крупностью является 15-40 мм.

Получение агломерата с вышеуказанным гранулометрическим составом, безусловно, технически возможно путем организации дробления и многостадийного грохочения аглоспека на вибрационных грохотах, что и осуществлено на ряде современных предприятий [17-19]. Однако технология получения прочного, легковосстановимого агломерата с заданным верхним пределом крупности и практически полным отсевом класса 0-5 мм реализована только при спекании определенного класса шихт с низким содержанием кремнезема и высокой газопроницаемостью в слоях высотой 500-700 мм [18-23]. Предприятия некоторых японских фирм добились снижения выхода возврата до 90-150 кг/т агломерата и успешно продолжают работы по дальнейшему увеличению выхода годного[24-27].

При спекании мелкозернистых шихт с высоким содержанием концентратов аналогичных показателей получить не удается: доля мелких классов (0-5 мм, 5-10 мм) достигает значительной величины уже в процессе обработки спека на аглофабриках и существенно возрастает в процессе перегрузок при транспортировке агломерата в доменный цех. На мощных отечественных аглофабриках, предназначенных для агломерации тонкоизмельченных концентратов, в процессе механической обработки и транспортировки до половины спека переходит в класс 0-5 мм, причем доля последнего в агломерате, отгружаемом в доменный цех, даже в периоды стабильной работы в постоянных сырьевых условиях достигает 11-18 % [28-31]. Чем больше мелких (0-10 мм) классов образуется в процессе разрушения аглоспека, тем больше мелочи 0-5 мм остается в скиповом агломерате даже при наличии нескольких (двух и более) стадий грохочения.

Необходимо отметить, что дробление и грохочение аглоспека не гарантирует получения агломерата с прочностью, достаточной для того, чтобы противостоять высоким механическим нагрузкам непосредственно при загрузке в доменную печь и при низкотемпературном восстановлении в ее шахте [32-39]. Для этого наряду с получением требуемого гранулометрического состава агломерат должен быть механически стабилизирован [40,41]. Однако стабилизация, являясь эффективным средством снижения расхода кокса и повышения производительности доменных печей [40-43], приводит к дополнительному образованию мелочи 0-5 мм, повышению доли оборотных продуктов в агломерационной шихте, уменьшению выхода годного и снижению производительности агломашин [40,44]. При этом возрастают затраты на производство (в первую очередь, на энергоносители: газ, твердое топливо, электроэнергию) и увеличиваются выбросы вредных веществ в атмосферу [45], что существенно ухудшает результаты технологии [46-48].

Увеличение содержания топлива в шихте задачу стабилизации гранулометрического состава не снимает и приводит, как правило, к ухудшению восстановимое™ агломерата. В то же время известно, что

при работе доменных печей только на агломерате снижение его восстановимое™ на 1 % вызывает увеличение расхода кокса на 4 кг/ т чугуна [49], а уменьшение содержания РеО в агломерате на 1 % дает уменьшение расхода кокса на 5,6 кг/ т чугуна [50].

Таким образом, получение легковосстановимого, малоразрушающегося как при механической обработке и стабилизации, так и при восстановлении аглоспека является эффективным средством улучшения показателей как агломерационного, так и доменного процессов и, поэтому, представляет собой одну из наиболее актуальных задач совершенствования технологии агломерации.

Современная теория и практика агломерации имеет значительные достижения в области получения высококачественного агломерата [47,51]. 'Этому способствовали исследования многих отечественных и зарубежных ученых. Работами С.Т.Ростовцева, В Я .Миллера,

B.И.Коротича выявлены базовые закономерности формирования структуры аглоспека при жидкофазном спекании. В Л .Миллером,

C.В.Базилевичем, Б.Ф.Вегманом произведена системная классификация структур, изучены свойства агломератов с различной структурой. Г.В.Коршиковым установлены закономерности формирования агломерата из окомкованных шихт. Значительным вкладом в исследование зависимости свойств окускованных железорудных материалов от структуры являются работы Ю.С.Юсфина. С.В.Шаврина, И .П .Худорожкова, ВА.Уткова, ТЛ .Малышевой, В Л .Лядовой, Г.Г.Ефименко, С.В.Смирнова и, в последние десятилетия, работы японских исследователей. Значите