автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Физико-химические основы процессов восстановления окускованных углеродсодержащих железорудных материалов, используемых в доменной плавке с целью получения кокса

ДЕРЖАВНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

га ОД

На правах рукопису

ВАНЮКОВА Наталія Дмитрівна

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ОСНОВИ ПРОЦЕСІВ ВІДНОВЛЕННЯ ОКУ СКОВАНИХ ЗАЛІЗОРУДНИХ МАТЕРІАЛІВ, ЩО МІСТЯТЬ ВУГЛЕЦЬ,

ДЛЯ ВИКОРИСТАННЯ У ДОМЕННІЙ ПЛАВЦІ З МЕТОЮ ЕКОНОМІЇ КОКСУ

Спеціальність 05.16.02 “Металургія чорних металів’

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеїш кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 1995

Дисертацією є рукопис Роботу виконано у Держанні» металургійній академії України

Науковий керівник - кандидат технічних наук,

доцент Костьолов О.Л.

Офіційні опоненти: засл. діяч науки України,

д.т.и. професор Казачков Є.А. к.т.н. Можаренко Н.М.

Провідне підприємство: Мет. комбінат “Запоріжсталь”

Захист відбудеться

год.

на засіданні с еціалізованої вченої ради ¿''при Державній металургійній академії України за адресою: 320635, лі. Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державної металургійної академії України.

Автореферат розіслано

Вчений секретар спеціалізованої ради, кандидат технічних науі

- з -

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Останнім часом одним із провідних напрямків науково-технічного прогресу в чорній металургії є підвищення якості залізорудної сировини для доменної плавки. Приорітет при цьому віддається підвищенню механічної міцності і зниженню вмісту дрібних фракцій в агломераті і окотишах. Це забезпечує більш якісне використання відмов-лювальної властивості горнових газів і, як наслідок, зниження витрати коксу. Аналіз відновлювальних процесів, які відбуваються в окремому окотиші, вказує на їх топохімічниіі характер, і за цих умов центр окотиша не встигає відновитися. Відбувається перехід до первинного шлаку значної кількості закису заліза, якліі в подальшому відновлюється з розплаву прямим шляхом в умовах високих температур. За цих обставин, розвиток газово-вутлетермічного відновлення у шахті доменної печі в інтервалі температур 900-1000 °С за рахунок використання залізорудних окотишів, які містять вуглець, буде сприяти зниженню ступеню прямого відновлення в горні доменної печі і зниженню витрати коксу.

Мета роботи. Розробка рекомендацій що до вмісту залишкового вуглецю в залізорудних окотишах на основі дослідження відновлювальних

4

процесів і розробленої математичної моделі газово-вуглетермічного відновлення залізорудних окотишів, які містять вуглець.

Наукова новизна:

- вперше було досліджено закономірності газово-вуглетермічного відновлення обпалених окотишів різної пористості, ядро яких являло собою суміш магнетиту з матеріалами, які містили вуглець, мали різну круииість і кількість яких змінювалася у широких межах;

- розроблено математичну модель, яка дозволяє розраховувати ступінь комплексного відновлення і ступінь прямого відновлення у залежності від вмісту і розміру часток вуглецю, а також пористості окотишів;

- обгрунтовано вимога до технологічних показників вироблення залізорудних окотишів, що містять вуглець, на конвеіієрних обпалювальних машинах;

- методами мінералогічного і петрографічного аналізу вивчено структуру обпалених окотишів, що містять вуглець, а також їх металургійні властивості.

Практична цінність роботи визначається:

- розробкою технологічних параметрів роботи обпалювальної конвейєрної

машини для термічної обробки залізорудних окотншів, що містять вуглець, в окислювальному середовищі з метою одержання заданого вмісту залишкового вуглецю в кінцевій структурі окотиша;

- дослідженням металургійних властивостей нового виду залізорудної сировини і відповідності її властивостей вимогам доменної плавки;

До захисту винесено наступні положення:

- результати дослідження газово-вуглетермічного і вуглетермічного відновлення залізорудних окотншів, що містять вуглець, з метою встановлення закономірностей процесів у залежності від вмісту залишкового вуглецю, ступеню обпалешія окотншів, складу газу, тривалості і температури відновлення;

- результати дослідження окислювально-відновлювальних процесів у рудовугільиому окотиші в умовах обпалешія в окислювальному середовищі;

- результати промислового виробництва окотншів, які містять залишковий вуглець, і доменної плавки з використанням цих окотншів.

Особистий внесок у розробку наукових результатів полягає у тому, що автором самостійно організовано і проведено дослідження газово-вуглетермічного і вуглетермічного відновлення; на основі експериментальних даних розроблено математичну модель процесів відновлення залізорудних окотншів, які містять залишковий вуглець; в лабораторних умовах розроблено рекомендації по технології промислового виробництва; здійснено контроль за промисловим виробництвом і використанням окотншів у доменних плавках з подальшою обробкою одержаних виробничих даних.

Методи дослідження, використані для вирішення питань дисертаційної роботи, базуються на сучасній теорії відновлговальних процесів, фізико-хімічних і балансових розрахунках, статистичній обробці експериментальних даних, застосуванні сучасних методів моделювання.

Експериментальні дослідження доповнювалися натурними дослідженнями на пілотній установці, обпалювальних машинах і доменних печах шляхом порівняння з базовими періодами роботи цих агрегатів. Застосування цих методів дозволило встановити ефективність вироблення і використання залізорудних матеріалів, що містять вуглець.

Реалізація результатів у промисловості.

На досліднііі фабриці Центрального і обпалювальній машині Ла!

Північного гірничозбагачувальних комбінатів вироблено промислові партії

залізорудних окотишів, що містять вуглець, які в подальшому проплавлялися у доменних печах Костянтинівського і ім. Петровського металургійних заводів. Використання від 25 до 50% дослідних окотишів у шихті доменних печей дозволило зменшити витрати коксу на 2,-1 кг/т чавуну (у середньому по цеху). Економічний ефект склав 13,1 тис. крб. (за цінам» 1990 р.).

Апробація роботи. Матеріали дисертації доповідалися і обговорювалися на Всесоюзній науково-технічній конференції “Фізико-хімія процесів відновлення металів”, м.Дніпропетровськ, 1988 р.; Всесоюзній науково-технічній конференції “Проблеми теорії і технології підготовки залізорудної сировини для доменного процесу і безкоксової металургії”, м.Дніпро-петровськ, 1990 р.; Всесоюзній науково-технічній конференції “Шляхи розвитку науки і техніки при підготовці руд чорних металів до металургійної переробки”, м. Кривий Ріг, 1991 р.; Всеукраїнській науково-технічній конференції “Теорія і практика вирішення екологічних проблем у гірничовндобувній і металургійній промисловості”, м.Дніпропетровськ, 1993 р.; Українсько-німецькому симпозиумі “Заміна коксу шляхом вдування вугільного пороху і використання інших енергоносіїв у доменному процесі з урахуванням екологічних вимог”, м.Донецьк, 1992 р.; VIII Міжнародній науково-технічній конференції “Теорія і практика киснево-конверторних процесів” , м.Дніпропетровськ, 1994 р.; Міжнародній конференції “Теорія і практика аглодоменного виробництва”, м.Дніпропетровськ, 1995 р.; III Міжнародному конгресі доменщиків, м.Новокуз-нецьк (Росія), 1995 р.

Публікації. Основний зміст дисертації відображено у 9 наукових статтях. Одержано І авторське свідоцтво на винахід.

Стркутура і об’єм роботи. Дисертація складається із вступу, 5 глав, які .містять 105 сторінок друкованого тексту, з урахуванням 14 малюнків і 35 таблиць, переліку літературних джерел із 82 найменувань і додатків на О сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

1. Сучасні уяви про відновлювальні процеси.

Шихтові матеріали, які знаходяться у доменній печі, поступово знижуючись, обробляються відновлювальшши газами і зазнають значних перетворень. Інтенсивна робота доменної печі з низькою витратою коксу можлива за умов високої якості залізорудних матеріалів. Останнім часом під цим розуміють, як правило, фізико-механичні властивості. З іншого боку, витрата коксу суттєво залежить від фізико-хімічішх властивостей залізорудної сировини і, в першу чергу, від її спроможності до відновлення.

Сучасні уяви про відновлювальні процеси пов’язані з теорією A.A.Байкова. Великий внесок у розробку механізму реакцій відновлення було зроблено С.Т.Ростовцевші, Г.Н.Чуфаровим, П.В.Гельдом, О.А.Єсі-ним, Д.І.Рижонкошш, Ю.С.Юсфіїшм та іншими. '

Процес відновлення у куску відбувається топохімічно. На певній стадії відновлення в центрі куску знаходиться оксид, ще не займаний відновленням, а зовні - металеве залізо. За цих умов відбувається транспорт газу у відповідності із законами Кнудсеновської дифузії, тобто по каналах, діаметр яких не перебільшує довжини вільного пробігу молекул, що ускладнює пересування газів. У зонах доменної печі з високою температурою, де на поверхні куска утворюється шар металевого заліза значної товщини, процес відновлення повністю визначає дифузія. У цих же зонах набуває розвитку процес вуглетермічного відновлення заліза, перебіг якого відбувається у газовій фазі. Реакції, що відбуваються у зоні контакту вуглецю з оксидами заліза в центрі куска, можуть значною мірою впливати на розвиток реакції прямого відновлення і ініціювати її. Поява газообраз-ного продукту (СО) сприяє розвитку відновлення оксиду заліза з утворенням диоксиду вуглецю (СО2), подальша взаємодія якого з вуглецем (С) призводить до виникнення відношиовального газу (СО). Реалізація вказаних процесів вуглетермічного і газово-вуглетермічного відновлення рудних матеріалів у зонах доменної печі з помірним рівнем температур сприятиме інтенсифікації процесу відновлення.

Фундаментальні дослідження комплексного відновлення, проведені під керівництвом С.Т.Ростовцева, показали, що кінетика комплексного відновлення заліза і міра участі в ньому різних газів і вуглецю визпа-

чається низкою факторів: температурою, швидкістю газового потоку і його складом, реакційною спроможністю і вмістом вуглецю, розміром і формою часток, рівнем досконалості контакту вуглецю і оксидів заліза, фізичною структурою і мінералогічним складом вихідних матеріалів.

У проведених свого часу дослідженнях комплексного відновлення дослідні матеріали містили твердиіі вуглець, розподілений по всьому об’ємові зразка. В дослідженнях, які проведено в межах дисертаційної роботи, розроблено технологію термічної обробки, що забезпечуйте одержання рудовугільних окотишів, ядро яких містить твердиіі вуглець. У дисертаційній роботі проведено дослідження відновлення таких окотишів газами, твердим вуглецем, а також процесів їх комплексного відновлення.

2.Методика досліджень.

Для одержання дослідних окотишів використовувався зачізоруднші концентрат Центрального, Північного і Полтавського гірничозбага-чувальннх комбінатів, доломітизований вапняк, бентонит, коксик, антрацитовий штаб. В лабораторних умовах були одержані окотнші з різноманітною основністю і різним вмістом твердого вуглецю. Для одержання окотишів, які містять залишковий вуглець, з участю автора було розроблено нову технологію обпаленіія рудовугільних гранул, яка складається із сушки, підігріву, запалення і агломерації з просисанням повітря. Для запобігання спіканню окремих окотишів між собою регулюється швидкість фільтрації газів, передбачена рециркуляція газів з пониженим вмістом кисню. Були досліджені окислювально-відновлговаїьні процеси, які відбуваються під час обпалешія рудовугільних окотишів в окислювальній атмосфері.

Кінетику відновлення окотишів, які містять залишковий вуглець, було досліджено на термогравіметричній установці з періодичним контролем вмісту Н2 і СО за допомогою хроматографу “ГАЗОХРОМ 3101”. Було проведено чотири серії експериментів: визначення температури початку вуглетермічного відновлення; визначення ступеню контактного відновлення оксидів заліза твердим вуглецем; визначення ступеню газового відновлення для окотишів, які пройшли вутлетермічне відновлення; дослідження комплексного відновлення затаорудних окислених окотишів, які містять залишковим вуглець. Для окремих партій дослідно-промислових окотишів проводилися випробування гарячої міцністі і спроможності до відновлення

(ДержСТ 19575-74 та ДержСТ 17212-71).

Для дослідження процесів комплексного відновлення і їх подальшого математичного опису було обрано композиційний, симетричний, трьохрівневий план експерименту.

Розрахунок ступеню відновлення газом і твердим вуглецем проводився иа основі схеми A.A.Байкова. В експериментах здійснювався безперервний контроль втрати маси зразку і концентрації СО у визначені інтервали часу. Результати вимірювання використовувалися як вихідні дані для розрахунків ступеню газового і вуглетермічного відновлення.

3. Дослідження ошслювально-відновлювальних процесів у рудовугільному окотиші під час його термічної обробки в окислювальній атмосфері.

Аналіз складу газової фази та окислювально-відновлювальних процесів під час агломерації показує, що горіння вуглецю відбувається з участю кисшо із складу шихти, тобто, мають місце реакції відновлення оксидів заліза. Було проведено досліди по вивченню кінетики вигоряння із суміші з інертним додатком (А120з). Вміст антрациту у суміші складав 20 %. Процес вигоряння мав топохімічшій характер. Збільшення витрати повітря від 180 до 1400 см3/хв призвело до затухання процесу горіння, що пов’язано з охолоджуючою дією повітря. Вміст вуглецю в рудовугільних окотишах змінювали в межах від 5 до 20 %. Перебіг процесу оцінювався по тому, як змінюється температура в центрі окотиша і маса зразку. Результати експерименту зображено на мал.1.

Спочатку спостерігається швидкий нагрів окотиша до температури 1000°С, пізніше - повільне розігрівання окотиша за рахунок горіння вуглецю у зовнішньому шарі і подальше зниження температури, пов’язане з розвитком ендотермічних реакцій вуглетермічного відновлення. Збільшення температури для окотишів, які містять 20, 10 та 7 % вуглецю складає відповідно 100, 60 та 30 °С, а інтервал часу 67, 40 та 34 хвилини.

Обробка даних, які характеризують кінетику зміни маси зразку, показала, іцо спочатку відбувається різке зменшення маси, далі незначне зростання і повільне її зменшення, яке вказує на розвиток процесу вугле-тсрмічного відновлення. Останнє підтверджується тим, що центр о коти-ша мав значінні ступінь відновлення. Збільшення розміру часток вугілля призводить до зменшення загальної втрати маси, а відповідно, і ступеню

Температура

Зміна температури в нетрі рудовугільиого окопіша і ного маси під час нагрівання в окислювальному середовищі

Тривалість нагріву, хв.

' і

Втрата маси, кг -106

підношення. Так, збільшення розміру часток вугілля від -0,005 мм до

0,063-1,0 мм зменшує втрату маси у 7 разів.

Таким чином, для нормального протікання технологічного процесу термічної обробки рудовутільннх окоташів в окислювальній атмосфері, тобто, без спікання окремих окоташів між собою і із збереженням залишкового вуглецю, а також для отримання необхідних фізичних і фізпко-хімічшіх властивостей окотишів, необхідно використовувати тверде паливо з певним розміром часток. Проведено експерименти, в яких для виготовлення сирих окотишів використовувалося тверде паливо різноманітної крупності. Встановлено, що для одержання сирих окотишів необхідної якості розмір часток палива не повинен перебільшувати 1,25 мм. Під час лабораторних досліджень найбільш сталий процес спостерігався для око-тншів розміром 10-15 та 15-20 мм з висотою шару 200 мм і такому режимі термічної обробки: сушка 320±10°С; підігрій 600-750°С; запалення 1130±30“С. Середня тривалість термічної обробки складала 23 хвилини. Хімічний склад обпалених окотишів наведено у табл.1.

Таблиця 1.

Хімічний склад обпалених окотишів.

Ло серій Діаметр окотишів, мм Висота шару, мм X м і ч II и й склад, %

^сзаг ^<емет FeO СаО MgO SiOa А120з Сост

1. 10-15 150 62,44 - 14,6 1,79 0,39 7,78 0,29 2,31

2. 10-15 200 62,86 сл 13,78 1,45 0,54 8,01 0,29 1,68

3. 10-15 250 63,98 - 18,70 0,49 0,43 8,75 0,33 2,57

4. 10-15 200 63,28 0,84 15,9 0,6 0,3 7,89 0,51 4,36

5. 15-20 200 63,28 - 22,4 4,15 0,74 7,82 0,36 1,62

6 10-15 200 02,44 сл 31,58 4,36 0,74 8,52 0,43 2,17

Прим. №1-5 - паливо - кокенк, „М>6 - коксик-антрацпті: 1. Крупність --1,25 мм, витрата - 7%.

Укрупнені лабораторні дослідження по вдосконаленню технології одержання окотишів, які містять вуглець, було проведено з використанням шихтових матеріалів, які застосовуються на фабриці огрудкування Північного гірничо-збагачунального комбінату. Для зменшення кількості експериментів застосовувався симгілскс-метод з одержанням моделі типу У = 1 (Х|, Х2, Хи ...Хм) = іпах.

У дисертаційній роботі наведено вихідний симплекс, робоча таблиця експериментів симплекс-планувашш із заміною кожного досліду новим і результати експериментів по одержанню окотишів, які містять вуглець

- вихідні дані для побудови математичної моделі. За допомогою корс-ляційно-регресійігого аналізу були одержані поліиоміальні моделі у вигляді множинних рівнянь регресії.

Визначення зміни вмісту вуглецю і закису заліза в окотишах проводилося па всих стадіях термічної обробки. Вихідний вміст вуглецю в окотишах складав 7,5% (мал. 2). Експериментальні дані свідчать, що зниження вмісту вуглецю в окотишах відбувається на всих стадіях їх термічної обробки: 0,5% - нагрів; 2% - запалювання; 1% - агломерація і

0,3% - охолодження. Залишковий вміст вуглецю - 2,2% . У відповідності із витратою вуглецю змінюється вміст закису заліза: сушка - 27% , нагрів -19% , запалення і агломерація - 33-35% , охолодження - 20-22% . Таким чином, проведені експерименти підтверджують розвиток окислговально-відновлговальних реакцій заліза в умовах шарової термообробки рудо-вугільних окотишів.

Проведено мікроскопічне дослідження зразків окотишів, які містили залишковий вуглець, з використанням прибору “Епікваит”. Встановлено, що структура окотишів уявляє собою чітко виражену послідовність зон: периферія (0,8-1,0 мм), яка характеризується гематитовою структурою; перехідна (2,4-3,0 мм) - містить 53,4% шоститу і до 0,5% металевого заліза з включеннями часток твердого палива; цент]) (2,4-3,0 мм) - твер-дофазие спікання, висока пористість і вміст вуглецю до 21,1% •

Досліджено металургійні властивості окотишів, які містять вуглець (табл.2). В умовах високотемпературного відновлення до 1000'С спостерігається повільна усадка без порушення газопроникливосгі шару. При підвищенні температури відновлення на 50-100°С розміри усадки і перепад тиску в шарі значно зростають при незначному збільшенні ступеню відновлення.

Вміст вуглецю,

Кінетика зміни вмісту вуглецю і закису заліза в окотіїшах під час їх термічної обробки

■6

с ■ч^н \ н “ЯЛ д

'/ ■ ‘ - . ' і ; ч^н ^Чч чЛ ч N

с * Ч ^ 0

» **

/ . о <2 • /=еО V д \ ч о ч

—- »

о з б д іг ?з ' ■ ¿1 ¿4

Тривалість нагріву, хв. ' . •

%

/<(■

;/с

зо

2о

С - сушка Н - нагрів З - займання А - агломерація

О - охолодження

. Таблиця 2.

Результати випробувань вироблених на “ОК-278” окотпшів, які містять _________________вуглець, у порівнянні із звичайними.__________'________

Звичайні Які містять вуглець

1. Вміст вуглецю у вихідному матеріалі, % 0,0 0,67

2. Вихід фракцій після випробування

за ДержСТ 137-77 +5 мм, % 82,7 80,2

0-5 мм, % 15,3 17,6

3. Густина матеріалу, г/см3 - позірна 3,33 2,27

- істинна 4,06 4,63

4. Пористість, % - загальна 28,54 38,01

- відкрита 27,82 37,88

5. Вихід класів після випробування

за ДержСТ 19575-84 + 10 мм, % 67,6 44,8

+ 7 мм, % 21,8 6,2

+ 5 мм, % 4,5

+ 3 мм, % 3,9

+ 1 мм, % 4,0 3,9

+■ 0,5 .мм, % 1,7

0 - 0,5 мм, % 6,0 10,3

Середнє зважений діаметр часток, мм 10,3 12,0

Ступені: відновлення 40,98 48,17

металізації 14,24 19,24

б. Вміст вуглецю після обробки

за ДержСТ 19575-84, % 0,0 0,22

7. Показники випробувашіь

за ДерясСТ 21707-76, - перепад піску, Па 141 804

- усадка шару, % 37,5 51,5

Ступені: відновлення, % 65,08 68,34

металізації, % 50,36 50,61

8. Вміст вуглецю після обробки

за ДержСТ 21707-76, % 0,0 0,0

9. Високотемпературні характеристики

- температура початку утворення рідини "С 1305 1370

- температура формування первинного шлаку (Т;,). "С 1400 1460

- температура краплинного стікання (Тм.ф. ), •с . 1440 1480

- температура закінчення утворення рідшш (Тж), ’С 1480 1520

- маса витікаючого розплаву, % . 80 80

у тому числі псрішшюго шлаку, % 17 9

4. Кінетичні закономірності газово-вуглетермічного відновлення залізорудних окотишів, що містять вуглець.

Відомо, ідо швидкість комплексного відновлення не є сумою швидкостей реакцій відновлення заліза твердим вуглецем і газом. На ступінь відновлення заліза в значній мірі впливають реакції генерації мопоокенду вуглецю за рахунок твердого вуглецю.

Експериментально визначена температура початку взаємодії залишкового вуглецю з оксидами заліза (температурний інтервал - 1000-1100°С, швидкість нагріву -50 град/хв, нитрата аргону - 150 см3/хв). Помітне відновлення починається в інтервалі температур 800-1000°С (за розрахунками - 682 °С }. Дані з кінетики вуглетермічного відновлення наведено на мал.З. ■

Експериментальні дані показують: при підвищенні вмісту залишкового вуглецю зростає ступінь відновлення, що вказує на прямий зв’язок між кількістю підновленого закису заліза і кількістю вуглецю, використаного для відновлення.

Окотиші, які містять вуглець (Смл= 2,97, 2,38 та 2,22% ), відновлювали воднем (температура - 1000°С, витрата водшо - 5 % 10'3 м3/хв). Встановлено, що наявність вуглецю в окотиші прискорює процес комбінованого відновлення. '

Для відновлення окотишів, які містять вуглець, в струмені мопоок-енду вуглецю, були одібрані проби під час промислового освоєння нової технології. їх властивості задовольняли вимоги доменної плавки. Вміст залишкового вуглецю змінювався від 0,2 до 2,1%, а закису заліза від 10,5 до 54,2% . Збільшення вмісту залишкового вуглецю різко інтенсифікує процес відновлення. Так, для окотишів з вмістом залишкового вуглецю С:ил=0,2% тривалість відновлення до ступеню 80% складала 100 хвилин, а при підвищенні С.КІЛ до 2% - лише 20-25 хвилин.

Під час розвитку комплексного відновлення парціальним тиск СО у середині окотнніа іяицііі, піп; парціальним тисі; СО горнового газу. За цих умов зовнішня оболонка і ядро окотнша відновлюються з зовнішньої і внутрішньої сторін, що інтенсифікує процес.

Досліджено основні параметри (вміст вуглецю, крунність палива і пористість окотпшиї), які впливають на ступінь вуглетермічного і комплексной) відновленим. Виходячи із умов процесу, кількості факторів і

Кінетика вуглетермічного відновлення і газифікації вуглецю в окотишах у

ізотермічному режимі

2$

)

vP

о4'- '

З 15

еГ-

Ц ю.

-Я

о.

.31 ■

Й • л 5

■а

20

40

О, ■

Я"

ч>

І бо.

сз

З -

сз •

з 80.

сЗ

Н

сі

Q+

£ юо.

■—- —oJL

G>\ 1 \ 1 —.д .

\ 'й Z <2>—» —©— _ -

■ & 4s'4 Ч®^

. с 's'<2

20 40 60 80^ ■ 100. 120

Тривалість відновлення, Т , хв. ‘

цілей дослідження, з метою розробки статистичної моделі комплексного відновлення залізорудних о коти тіл було обрано композиційний, симетричний, трьохрівневий плац експерименту, який дозволяє підібрати найбільш оптимальні сполучення вмісту вуглецю, розміру його часток і пористості окотишів.

' Для цілей дослідження одержували окотиші розміром 15 мм, а тривалість огрудкувашш змінювали в певних межах з метою одержання окотишів різноманітної пористості. Окотиші розрізали навпіл, висвердлювали ядро і утворену порожнину заповнювали коксиком різної круп-иості у суміші із матеріалом окотишів. Половинки окотишів склеювали за допомогою суміші концентрату з рідким склом. Відновлення зразків і розрахунки проводили за методикою, про яку згадувалося раніше.

Розробку статистичної математичної моделі комплексного відновлення проводили за допомогою програми “БТАТСИАРН”, використовуючи матрицю факторів експерименту і результатів досліджень. У відповідності з обраним планом булл одержані рівняння множинної регресії:

- рівняння комплексного відновлення

У = 52,247 -1- 7,ШХ} - 28,773Х2 + 0,842Х3 ;

- рівняння вутлетермічного відновлення

У = 1,028 4- 3,871Х] - 2,66Х2 + 0,42Х3 , де Х1 - «міст вуглецю, % ; Хг - крупиість вуглецю, мм; Х;! - пористість, %.

Результати розрахунків комплексного і вутлетермічного відновлення зображені на мал. 4.

Використовуючи для обробки даних рівняння вутлетермічного відновлення, змінювали значення одного з факторів при фіксованих на мінімальному рівні значеннях двох інших. У такни же спосіб досліджували рівняння комплексного відновлення з тією різницею, що значення незмінних факторів були зафіксовані на середньому рівні.

Аналіз одержаних даних свідчить, що підвищення ступеню вутле-термічнот відновлення за умов збільшення вмісту вуглецю і пористості, а також зниження крупності вуглецю, відповідно складає: 3,87% на 1% вуглецю, 0,04% на 1% пористості і 7,27% на І мм крупиості. Відповідні значенії и дли комплексного відновлення: 7,87%, 0,84% та 28,7% . Таким чином, наявність в окотшпах тонкоподрібненого вуглецю інтсисифікус процес їх підновлення.

Ступінь комплексного відновлення, % . Ступінь вуглетермічного відновлення,

Залежність ступеню відновлення від основних факторів, розрахована за допомогою математичної моделі

С - вміст вуглецю, %; Г - крупиість палива, мм; Є - пористість, %

5. Вироблення промислових партій залізорудних офлюсованих окотишів, які містять залишковий вуглець

і доменна плавка з їх використанням.

Вперше виробництво окотишів, які містять вуглець, було здійснено на' дослідній фабриці огрудкуваїшя Центрального гірішчозбагачувального комбінату. Обсяг впровадження склав 3000 тонн. Ці окотиші були використані для виплавки ливарного чавуну на Костянтинівському металургійному заводі. Зниження витрати коксу під час їх використання склало 3,68-6,99 % , а продуктивність зросла на 8,7-11,1 % . Аналіз відновлю-вальшіх процесів за результатами роботи доменної печі покачан, що використання окотишів, які містять вуглець, сприяє зростанню ступеню прямого відновлення.

В подальшому промислова партія окотишів, які містять залишковий вуглець, об’ємом 21870 тонн була вироблена на Північному гірничо-збагачувальному комбінаті на обпалювальній машині ОК-278. Шихта складалася із залізорудного концентрату - 64,5% заліза, доломітизованого вапняку - 7,5% оксиду магнію, бентониту, коксового дріб’язку з розміром часток менше за 1 мм (96,7%). Крупність сирих окотишів характері-зувалася класом більше 16 мм - 64,5%.

Параметри термообробки характеризувалися такими показниками (база-дослід): сушка - 430-316°С ; температура горна - 1230-1095°С ; питома витрата природного газу - 21,8-16,5 м3/т; продуктивність - 252223 т/год. Відповідно якість окотишів: вміст заліза- 58,9-59,5%; закис заліза - 1,6-9,56%; вуглець - 0,0-0,39%; опір стисненню - 218-120 кг/ок; міцність на удар - 90,1-81,9%; пористість - 24-38%; ДержСТ 19575-84: ступінь відновлення - 47-57%; вихід фракції +5 мм - 95,4-87,8%; вихід фракції -0,5 мм - 3,0-4,6%; ДержСТ 21707-76: усадка .- 71-84%; перепад тиску - 600-560 Па; ступінь відновлення - 85-98%.

Таким чином, було одержано промислову партію окотишів, якість яких задовольняла вимоги доменної плавки. Слід відзначити зниження механічних характеристик сировини, що пов’язано із збільшенням пористості у і ,6 рази. У той же час, новий вид сировини мав набагато кращі фізико-хімічпі характеристики у порівнянні з окотишами, які виготовляються за традиційною технологією.

Доменна плавка з використанням окотишів, які містять задишко-

виіі вуглець, проводилася на заводі і.м. Петро псі.кого. Доля дослідних окотишів у шихті складала від 47 до 57% . В баловому періоді використовувалися окотиші Північного гірничозбагачувальпого комбінату поточного виробництва. Для достовірного аналізу ефективності використаним окотишів, які містять вуглець, розглянуто дослідним і базовії/і періоди роботи цеху і окремих печей. Зміни шихтових умов, дуттьового режиму, якості коксу і хімічного складу чавуну скореговані шляхом зведення показників роботи цеху у дослідному періоді до одшгакових умов з базовим періодом за показниками, які не залежать від якості дослідних окотишів. Вцілому по цеху фактичне зниження витрати коксу склало 15 кг/т чавуну, після зведення - 2,4 кг/т чавуну.

Наіібільш стало на протязі 8 діб працювали доменні печі №2 та №6. Фактична зміна витрати коксу склала відповідно 04 кг/т та 32 кг/т, а зведена - 6 та 14 кг/т чавуну. Одною з причті зниження показників по цеху була наявність пастилі у доменних печах №3 та №5.

Таким чином, проведена доменна плавка показала доцільність виробництва і використання в домешіііі плавці окотишів, які містять залишковий вуглець.

В И С II О В К И.

1. Розроблена технологія виробництва окотишів, що містять залишковий вуглець, до якої входять одержання рудовугільинх гранул розміром 15-20 мм, їх сушка, підігрів і подальша термообробка методом агломерації із заданого швидкістю фільтрації. Експериментально встановлений ступінь вигоряння вуглецю на кожній стадії процесу, враховуючи охолодження. Методом термогргшіметрії досліджені окііслювально-иідног.ліовальпі процеси, що відбуваються в рудовутільпому окотпші в струмені повітря. Встановлено, що при вихідному вмісгі вуглецю 7,5% обпалений о котиш може містити від 1,6 до 2.2% залишкового вуглецю. За цих умов вміст закису заліза зростає до 20-22%.

2. Досліджені кінетичні закономірності вуглетермічного і газово-вуглетермічного відновлення окотишів, які містять залишковий вуглець у кількості від 0,37 до 9,57% у ізотермічних і пеізотермічних умовах у струмені водшо та мопоокенду вуглецю. Експериментально встановлений температурний інтервал початку взаємодії залишкового вуглецю з оксидами заліза, якиіі знаходиться у межах 800 - 1000”С. Розвиток від-

новлювальних гіроцесіи у значнім мірі визначається вмістом вуглецю, крупністю ного часток та пористістю окотпші». Збільшення вмісту залишкового вуглецю прискорює процес відновлення у 4-5 разів.

3. Розроблена статистична математична модель для розрахунків вуглетермічного і комплексного відновлення окотншів, які містять залишковий вуглець. З цією мстою використовувався композиційний, симетричніш, трьохрівпевий план експерименту. Розроблена методика підготовляння проб сирих окотіїшів, які містять задану кількість вуглецю різноманітної крупності і мають різну пористість.

Встановлено, що підвищення ступеню вуглетермічного відновлення за умов збільшеним вмісту вуглецю і пористості, а також зниження крупності вуглецю, відповідно складає: 3,87% на 1% вуглецю, 0,04% на 1% пористості і 7,27% на І мм крупності і для комплексного відновлення 7,87% , 0,84% та 2,87% відповідно.

4. Вироблені промислові партії окотншів, які містять залишковий вуглець у кількості від 0,39 до 1,1%, на дослідно-промисловій фабриці огрудкувшшя Центрального і промислові» обпалювальній машині ОК-278 Північного гірнпчозбагачувальпнх комбінатів. Визначені їх фізнко-хімічиі та механічні властивості. Встановлено, що окотпші, які містять залишковий вуглець, містять також понад 10% ^закису заліза, мають підвищену спроможність до підновлення, підвищену пористість і сприятливі високотемпературні властивості, що дозволяє характеризувати їх як сировину, яка відповідає до вимог доменної плавкії.

5. Досліджена структура окотншів, які містять залишковий вуглець, на “Енікваиті”. Встановлено, що структура окотншів являє собою чітко виражену послідовність зон: периферія (0,8-1,0 мм), яка характеризується гематитовою стуктурою; перехідна (2,4-3,0 мм) - містить 53,4% вюсгнту і до 0,5% металевого згіліза з включеннями часток твердого палива; центр (2,4-3,0 млі) - тиердофазне спікання, висока пористість і вмісг вуглецю до 21,1%. '

6. Проведена доменна плавка з використанням окотншів, які містять залишковий вуглець. Доля дослідних окотншів у шихті склала 47-57%. За умов середнього вмісту залишкового вуглецю 0,39%, фактичне зниження витрати коксу в середньому по цеху склало 15 кг/т чавуну, а збільшення продуктивності - 37 т/добу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ НАДРУКОВАНО У ТАКИХ РОБОТАХ

1. Дослідження процесу відновлення термічно зміцнених залізорудних окотншів, які містять вуглець/Н.Д.Ваїнокова, Н.А.Колбін//”Фізико-хімія процесів відновлення металів”. - Тези доповідей Всесоюзної науково-технічної конференції. - Дніпропетровськ. -1988. - с.120.

2. Дослідження окисліовально-відновлювальшіх процесів у рудовугіль-ному окотиші під час його термічної обробки в окислювальній атмосфері /Н.Д.Ванюкова, Н.А.Колбін, О.О.Гогенко//”Фізико-хімія процесів відновлення металів”. -Тези доп. Всес. наук.-техіг. коиф. -Дніпропетровськ. -1988 р. - с.122.

3. Одержання офлюсованих окотншів, які містять залишковий вуглець /Д.А.Ковальов, О.Л.Костьолов, О.О.Гогенко, К.В.Шмат, Н.Д.Вашокова// Проблеми металургійного виробництва (Респ.міжвід. наук.-техн. зб.). -№104. -1991. -с.70-73.

4. Дослідження структури обпалених окотишів, які містять вуглець /Г.С.Васильєв, Н.Д.Вашокова, Н.А.Колбін//”Проблеми теорії і технології підготовки залізорудної сировини для доменного процесу і безкоксової металургії”. -Тез. доп. . Всес. наук.-техії. конф. -Дніпропетровськ. -1990 р. -с.194.

5. Дослідження закономірностей використання залишкового вуглецю у складі окотишів в умовах відновлювально-теплової обробки/Д.А.Ковальов, О.Л.Костьолов, Н.Д.Ванюкова и др.//’’Шляхи розвитку науки і техніки при підготовці руд чорних металів до металургійної переробки”. -Тез. доп. Всес. наук.-техн. коиф. - Кривий Ріг. -1991. - с.11.

6. Металургійні властивості обпалених залізорудних окотишів, які містять вуглець/Д.А.Ковальов, І.Й.Дишлевич, М.А.Гладков, Н.Д.Ваїиоко-ва//”Теорія і практика киснево-конверторних процесів”. -Тез. доп. VIII Міжнародної наук.-техн. конф. -Дніпропетровськ. -1994. -с.133.

7. Економія витрати коксу за рахунок розвитку комплексного відновлення під час використання термічно зміцнених залізооксидних флюсовугільшіх композицій /Д.А.Ковальов, С.Т.Пліскаповський, О.Д.Кос-тьолов, О.О.Гогенко, Н.Д.Вашокова, Ф.М.Журавльов, М.А.Гладков// Матеріали українсько-німецького симпозіуму “Заміна коксу шляхом вдування пиловугільного пороху і використання інших енергоносіїв у доменному процесі з урахуванням екологічних вимог” 9-10 грудня 1992 р.,

. - 22 -м. Донецьк. У 2-х томах. -Том 2. -с.27-34.

8. Вплив виду твердого палива на якість окотіїшів, що містять вуглець/ Д.А.Ковальов, І.Й.Дишлевич, Н.Д.Вапюкова//”Теорія і практика киснево-конверторних процесів". -Тез. доп. VIII Міжнародної наук.-техн. коиф. -Дніпропетровськ. -1994. -с.129.

9. Розробка статистичної математичної моделі комплексного вщнов-леїшя окотіїшів із залишковим вуглецем/ Д.А.Ковальов, І.Й.Дишлевич, Н.Д.Ванюкова //III конгрес доменщиків. -Тез. доп. -Новокузнецьк. -1995. -с. 73-75.

10. Спосіб обпалешгя рудно-паливних окопішів/Г.Г.ЄфЬіенко, Д.А.Ко-вальов, В.А.Овсянников, Н.Д.Вашокова//А.с. №1388442, МКВ С22В 1/04. Надрук. 15.04.88. Б.И. №14.

Vanukova ¡4.0. Physikoclictnical Fundamentals of the Reduction Proccss of (lie sintered Ironbearing Materials containing Carbon using for saving Koke in the Blast Furnace Melt.

The dissertation for the degree competition of the candidate of technical sciences on the spesiality 05.16.02 - Metallurgy of Ferrous Metals, state Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1905.

Nine research works and one patent are defended wicli are devoted to solution of actual problem of the blast furnace coke rate reducing. This paper contains theoretical and experimental investigations of (he iron ore pellets production wich contain carbon. It is determined and proved experimentally that it is possible to produce pellets wich contain carbon. This carbon makes it possible to develop the comptese reduction in the blast furnace. The obtained results provided a basis for the new technology of the carbonbearing pellets production and their put into practice. ,

Key words: carbonbearing peltets, reduction, coke, blast furnace.

Ванюкова Н.Д. Физико-химические основы процессов восстановления окускопанных углеродсодержащих железорудных материалов, используемых а доменной плавке с целыо полу tenu л кокса.

Диссертация на соискание ученой степей» кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - Металлургия черных металлов, Государственная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 1995.

Защищается девять научных работ и одно авторское свидетельство, которые посвящены решению актуальной проблемы снижения расхода доменного кокса. Диссертация содержит теоретические и экспериментальные исследования производства и использования окатышей, содержащих остаточный углерод. Экспериментально подтверждена возможность производства углеродсо-держащнх окатышей. Остаточный углерод способствует развитию комплексного восстановления в доменной печи. Полученные результаты обеспечивают базу для повой технологии производства углеродсодержащнх окатышей и нх практическому использованию.

Ключевые слона: carbonbearing pellets, réduction, coke, bhist furnace.

Ключевые стопа: углеродсодсржащне окатыши, восстановление, кокс, доменная печь.