автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Особенности углетермического восстановления железа при использовании углей шубаркольского месторождения



Химико-металлурппескйй институт Национального Центра по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан

На правах рукописи

КАЛИАКПАРОВ Алтай Гиндуллинович

ОСОБЕННОСТИ УГЛЕТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УГЛЕЙ ШУБАРКОЛЬСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Караганда 1995 г.

Работа выполнена в Химико-металлургическом институте Национального центра по комплексной переработке- минерального сырья Республики Казахстан.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Г. Ы. Никитин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Е. Е Максимов

кандидат технических наук, с. н.с. Р. 3. Иалелев

Ведущая организация: Карагандинский металлургический

комбинат

Защита состоится " 17 " марта 1995г. в Ш час. на заседании специализированного совета К. 53.40.01. при Химико-металлургическом институте по адресу: 470032, г.Караганда, ух Ермекова, 63.

G диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Хнмико--металлургического института.

Автореферат разослан "/У" 1995г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, с. н. с. г* ЕЗ.Балтынова

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Одна из проблем перспективного развития черной металлургии, и особенно головной (восстановите лыю§) стадии металлургического цикла, заключается в снижении расхода металлургического кокса, а также в использовании дополнительных видов твердого и газообразного топлива. Поэтому актуальны вопросы поиска, научного обоснования и промышленного использования альтернативных видов твердого топлива.

Более приемлемой альтернативой для згой части металлургического передела являются процессы бескоксовой металлургии, включающие в качестве основного агрегата установку для прямого восстановления металла с использованием в качестве восстановителей различных видов некогазущихся углей.

Наличие в Казахстане месторождений железорудного сырья с благоприятными горно-геологическими условиями и углей Шу-баркольского ■ месторождения, характеризующихся высоким выходом летучих компонентов, низким содержанием золы и вредных примесей, создает предпосылки'для разработки способов и технологий производства порошкообразного металлизованного продукта на базе маломасштабного производства.

Для промышленной реализации последнего необходимы данные экспериментального и теоретического изучения параметров углетермического восстановления оксидов железа углем Щубар-кольскаго месторождения, которые на сегодняшний день отсутствуют.

Качественные металлизованные материалы (брикетированное железо, металлические порошки и т. д.), - это как обеспечение экологической безопасности, так и решение проблемы качества конечного металлопродукта.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - Экспериментальное и теоретическое изучение процесса восстановления тонкоизмельченных железорудных материалов углем Щубаркольского месторождения:

- разработка метода и установки для изучения процессов углетермического восстановления оксидов железа;

- сравнительная оценка реакционных характеристик твердого топлива и параметров процесса восстановления.

- экспериментальная проверка принципиальной возможности получения метанлизованиого продукта из руд Соколовско-С'арбайс • кого месторождения при использовании в качестве восстановители угля 11|убаркольс1шго месторождения;

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

- экспериментальная установи для изучения процесса углетермического восстановления оксидов желеаа;

- метод оценки реакционных характеристик шихтовых материалов;

- экспериментальные данные по изменению восстановительного потенциала углеродистого материала при его термической обработке;

- способ бескоксового 'восстановления оксидов железа в твердой фазе;

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ- в обнаружении и изучении особенностей углетермическо-го восстановления оксидов железа с учетом летучих компонентов угля Щуборкольского месторождения;

- в учете термического эффекта снимания температуры начала восстановления оксидов железа на стадии гематит-магнетит;

- в снижении величины энергии активации вследствие выхода и участия летучих .компонентов в процессе углетермического восстановления оксидов хелеэа;

- установлено, что при металлизации железорудного концентрата скорость восстановления возрастает за счет высокой (0,62) дол,, участия летучих веществ.

ПРАКТИЧЕСКУЮ ЦЕННОСТЬ СОСТАВЛЯЮТ:

- разработанный м-эгод позволяет проводить текущий производстве шшй конроль различных стадий восстановительного процесса;

- предложенный метод дифференциально-термического анализа позволяет определять восстановительный потенциал углеродистого материала в твердой фазе;

- показана возможность использования угля Шубаркольского месторождения в процессах получения металлизованного продукта;

- установленные особенности процесса восстановлении помогли определить продолжительность восстановления желез' "чудных концеитратов и предложить способ их металлизации;

- участие летучих веществ и стихшие температуры в процессе углетермического восстановления оксидов келеза позволяют уменьшить энергетические затраты в процессах получения метал-дизовашюго сырья;

- установлено, что полученный иеталлизовашшй продукт моявт бить использован в процессах порошковой металлургии и для выплавки качественной стали.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты работы доложены на Научно-технической конференции молодых специалистов и молодежи КарМК, профессорско-преподавательского состава и студентов Карагандинского металлургического института ( Темиртау, 1983г.);

Региональной научно-практической конференции "Интенсификация и повышение эффективности использования научно-производственного потенциала" ( Караганда, 1989г.);

1-ой Международной конференции "Научно-техническое развитие угледобывающей промышленности Республики Казахстан" С Караганда, 1993г.);

Междунардной конференции "Минеральные ресурсы Казахстана" ( Алматы, 1993г.).

ПУБЛИКАЦИИ.

Основное содержание диссертации опубликовано в 5'работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация изложена на 123 страницах машинописного текста, включая 17 рисунков и 23 таблицы, и состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 142 наименований отечественных и зарубежных авторов, приложения.

В первой главе приведен обзор работ, посвященных исследованиям процг^сов восстановления оксидов железа

Приведены имеющиеся в литературе сведения о влиянии тех или иннх факторов на процесс восстановления. Рассмотрены существующие методы и установки для изучения процессс ; восстановления. Отмечено определенное несоответствие мезду теоретическими и практическими результатами различных исследований, обусловленных особенностями применяемых методик, экспериментального оборудования и, как следствие, отсутствием единого мнения о теории восстановления (адсорбционно-каталитической, диссоционно-адсорбционкой, и т.д.).

Особое внимание уделено исследованиям процессов- угле-гермического восстановления оксидов железа с обоснованием их актуальности и значимости.

ь

Проведен анализ применяемых методик в исследования твердофазных процессов, имеющих причастность к газовому- восстановлению.

Отмечено, что от выбора метода и установки зависят результаты и достоверность исследований, которые, по сути» долины соответствовать результатам аналогичных исследований, проведенных в разных местах и в разное время, независимо от внешних факторов.

По результатам литературного обзора обоснован и предложен метод дифференциально-термического анализа, в качестве основы экспериментальной установки для исследования процессов углегермического восстановления оксидов жлеза.

По результатам литературного обзора сделаны соответствующие выводы и сформулированы цель и вадачи работы.

Вторая глава посвящена разработке нового метода для изучения процессов восстановления оксидов железа. В основу экспериментального изучения углетермического восстановления оксидов железа положен принцип дифференциально-термического анализа. Термограммы получены при помощи специальной термопары, которая состояла из двух хромель-алюмелевьгх термоэлектрических' термометров типа ТХА. Горячий спай одной термопары помещался в исследуемый образец, находящийся в кварцевой трубке диаметром 8 мм, спай другой термопары помещался во вторую кварцевую трубку в образец-эталон такого же диаметра, массы навески и эталона составляли 1г. Образец находился в идентичных условиях с эталоном. Для избежания помех, связанных с .различной теплопроводностью керамических чехлов для термопар, горячие спаи приводили в непосредственный контакт с исслед,гемым образцом и эталоном. Диаметр использованных термопар составлял 0,5 мм. В качестве эталона использовано термически инертное вещество А12С>з (глинозем).

В соответствие с задачей исследования, восстановлению твердым углеродом подвергался высший оксид лселеза, взятый в форме Ге^Од (гематит, чистый для анализа, состояние твердое).

Из реального металлургического сырья были опробованы концентраты из руд Соколовеко-Сарбайского и Лебединского горнообогатительных комбинатов и агломераты КарМК с различным химическим составом]

Б качестве углеродистых восстановителей использованы: металлургический кокс Карагандинского ыэгаллургического ¡сомбп-ната, уголь Шубаргальского месторогкдеиия и анграшнозый штыб.

Технический анализ и фазовый состав использованного вида твердого теплила прсдстоллсл ши»:

зола влага летучие

кокс 13,6 3,0 0,9

уголь 4,87 4,71 42,04

антрацитов!/:!

штыб 16,5 я. д. 5,1

«

Таблица 1.

Фазовый состав исходных материалов по результатам ренггенофаэошго анализа

Мпп

Материал

Фазовый состав

1. оксид железа ^ гематит)

2. 1сскс аморфный углерод гсо!соа

3. уголь аморфный углерод угля,

(кремнезем), каолшшт

-1. антрацитовый

итыб аморфный углерод

Исходная назеска являлась смесью оксидов железа с твердым восстановителем крупностью -0,25 ш. Образец для восстановления приготавливали путем тиателыюго перемешивания порошков оксида ?далеза н твердого восстановителя в сс тношелии Ре203 /С - 2/1, что соответствовало отношению С/О для кокса 1,4 И 1,0 - для угля. ' .

Лабораторное оборудование представляет собой установку, состоящую из трубчатой электропечи сопротивления, двухкоорди-натного регистрирующего прибора, хроматографа и двух потенциометров для регистрации температуры з пространстве печи и записи хроматограмм. ' •

Проведена оценка относительных погрешностей измерений, которые находились в пределах от 0,2 до 5 %. Наибольшую отно-

сительную погрешность (3 - 5%) имели анализ газовой фазы и расход инертного газа.

В целом лабораторная установка отвечала требованиям 'исследовательской практики, что позволило изучить параметры ут~ летермического восстановления оксидов железа различными восстановителями.

Третья глава посвящена изучению реакционной способности твердого восстановителя в процессах углетермического восстановления оксидов железа,

Одним из перспективных направлений повышения эффективности производства черных металлов является разработка и внедрение бескоксовых технологий, позволяюищ использовать в металлургических процессах более дешевые энергетические угли, вполне отвечающие требованиям, предъявляемым к технологическому топливу.

Отличительной особенностью исследуемой марки угля являлось высокое содержание летучих компонентов, низкое содержание золы и вредных примесей. Из практики использования их в пирометаллургических процессах в качестве восстановителей известно эффективное влияние летучих составляющих на восстановительные реакции.

Имеющиеся исследования в этом направлении о решающей роли газовой ( или жидкой ) фазы в -осуществлении взаимодействия оксидов металла с твердым углеродом, в том числе свойств твердого восстановителя, не исчерпывают всех особенностей этого сложного процесса

.В соответствие с поставленными задачами были проведены иследования по оценке вида твердого топлива (восстановителя), в частно "¡ти, влияния его летучих на процесс восстановления желеэа из гематита.

На первом этапе сырой уголь подвергался тершг;гской обработке в интервале 25 - ЦРО°с с целью удаления летучих_соединений и последующим формь,.-ванием исследуемой смеси.

Термограмма процесса термической обработки угля голучена с использованием лабораторной установки, описанной выше.

Если сравнить термограммы прокалки угля и кокса, то видно, что в процессе термообработки кокса не наблюдаются какие-либо

физико-химические превращения с соответствующими тепяобыуи э&Хоктми (пк."Л!.:!1), за исключением эядотерАгического пика около 1г0о0, связглс'огс' с процессом удаления гигроскопической влаги.

Напротив, на термографе сырого угля наблюдается 3 ярко вкрахешшх пика. Первый пик (120°С) связан с удалением гигроскопической влаги, второй эндотермический пик (380°С) и третий экзотерический (530сС) связаны, как уж отмечалось, с выделением летучих твердого топлива.

Состав газовой фазы продуктов тер?,«ческой обработки угля являлся многокомпонентным, и в ней практически отсутствовали окислители.

В целом надо отметить, что летучая часть твердого топлива имеет восстановительный потенциал, обусловленный присутствием в ней основных составляющих восстановительного газа в виде СО, СН4, С^Кр, К,. Причем, СО и ^ присутствуют во всем промежутке температурного интервала, повышая восстановительную способность газа. I

На втором этапе из полученного "коксового остатка" составлялась исследуемая навеска в соотношении С/0 для кокса -1,4 и прокаленного угля -1,0. После тщательного перемешивания исследуемая навеска подвергалась термографическому исследованию процесса углетермического восстановления оксидов железа прокаленным углем. Термограмма этого опыта представлена на рис.1.

Термограмма- имеет некоторую аналогию с термограммой процесса углетермического восстановления оксидов железа коксом. В таблице 2 -риведены температуры начала восстановления (Тнв) оксидсз железа.

Анализируя экспериментальные данные, можно сказать, что в результате термической обработки проба угля Щубь,. польского месторождения приобрела свойства, близкие к коксу. Рентгено-фазовый анализ (РФА) прокаленного угля показал следующий состав (см. таблицу 3).

В опытах с прокаленным углем ни один из исходных параметров эксперимента не изменялся и оставайся тем хе, что и для опытов с коксом. Поэтому показатели кинетичесгах параметров процесса'восстановления, а также степень ее протекания во времени и температуре нежно принять из опытов для кокса.

/V

№ ИХЗОО

«Л* Я

2:0 «5 Ый Ш !ССО Т/О

Рис.1. Термсграмиы углетерыического восстановления

оксидов аелеза: I - коксоц; 2 - Щубаркольским • углей; 3 - прокаленным Цубаркольскшл углем.

Рис.2. Изменение степени и скорости восстановления при использовании: 1,3- кокса; 2, 4 - угля Щубаркольского местороиздения; 5, 6 - антрацитового штыба. 1

Таблица 2.

Температура начала восстановления оксидов железа

I Температура начала восстановления (Тнв),°С

реакция I стадии

I-----------------------------------------------

I гематит- I магнетит- I вюстит-! -магнетит I -вгостит I -железо

е2°3+ Ск 580 915 1025

е2°3+Су 470 605 310

е203+ С" 460 900 1020

*2°3*т+ Са1П ' 1200

Ч Ре203т -.руда табачная; СК, Су, и Су - углерод кокса, штрацигового штыба и прокаленного угля.

Таблица 3.

Рентгенофазовый анализ продуктов термической обработки твердого топлива.

1пп Материал РФА

сырой у! мь (исх.) каолинит, ЗШ2 (кварц),

аморфный углерод прокаленный утоль С - графит

Таким образом, изменение исходного состояния восстанови-■еля (удаление летучих компонентов) показало явную эааиси-юсть реакционной способности твердого топлива от присутствия юследних.

Однако, .при сравнении температур начала восстановления ж'сидов железа коксом и прокаленным углем (см. таблицу 2) наб-[юдается некоторое снижение Тнв в опытах с прокаленным углем )тносительно Тнв с коксом.

Это, видимо, можно объяснить тем, что в процессе выхода [егучих компонентов при термообработке углеродистый материал

(уголь) приобрел высокую пористую структуру; следовательно, произошло изменение энергетического состояния его поверхности, а поскольку обновленные участки поверхности материала' часто обладают большой химической активностью, это увеличивает степень их взаимодействия.

Более низкую реакционную способность проявил антрацитовый штыб, только при температуре 1250 °С степень восстановления табачной руды достигает значений,, близких к таковым при использовании кокса и угля с высокий содержанием летучих веществ. Низкая восстановительная способность антрацитового штыба объясняется прочностью его кристаллической структуры, разрушение и активная газификация которой наступает только при температурах 1200-1300сС.

Из диаграммы равновессия системы Ре-О-СО, определяли равновесное отношение С0/С02 для данных условий.

Для 950°С отношение СО/СО^ -0,2, в го время, как опытное значение СО/СОг, =0,9. Таким же образом определили отношение СО/СО^ для стадии РеО - ре, которые превышали значения этого показателя для равновесных условий, что говорит о принципиальной осуществимости восстановления оксидов железа. в данных условиях и подтверждает достоверность полученных результатов методами ДТЛ и РФА.

Проведенный расчет объема выделившегося газа показал, что наименьший объем образовавшегося газа соответствует прокаленному углю (167,5 мл), газовую фазу которого составляли лишь продукты реакции прямого восстановления против 390 мл при восстановлении коксом. Объемы газа при восстановлении рассчитаны до температуры 1050°С.

Таким образом, можно заключить, что высокая реакционная способность угля и его положительное влияние на процесс восстановления оксидов железа обусловлены действием летучих соединений твердого топлива.

В четвертой главе изучены параметры углетермического восстановления оксидов железа.

Известное•химическое сродство кислорода к углероду широко используется для восстановления металлов из их оксидов. Чаще всего используется кокс, производимый из специальных

марок угля. Сложность производства кокса (особенно при жестких требованиях к охране окружающей среды), дефицитность коксующихся углей предопределяют проблему поиска иных углеродистых материалов для процессов бескоксовой металлургии.

Недостатками применяемых в^настоящее время твердых восстановителей в виде сажи, нефтекокса, термоштыба, антрацитового атыба является низкая восстановительная%способность в процессах прямого восстановления.

Антрацитовый штыб обладает "Наибольшей термохимической стойкостью, так как имеет плотнокристаллическую структуру углерода, разрушение и активная газификация • которой наступает только при температурах 1200-1300°С.

Опыты проводились на лабораторной установке, с дифференциально-термической записью диаграмм изменения термоэдс (ЛЕ) между исследуемым образцом и инертным материалом.

На диаграммах изменения Д Е наблюдаются три ярко выраженных пЪка для опытов с коксом и пять-для опытов с углем (рис.1). Для выяснения природы этих пиков проводились дополнительные опыты, после каждого пика опыт прерывался, а продукты реакции подвергались рентгенофазовому анализу, та)сим образом был определен качественный состав продуктов реакции (таблица 4).

Таблица 4.

Фазовый состав продуктов реакции восстановления Млл| Реакция | N пика | Ь, °С | Продукты реакции

ре2°3 + ск

ре2°3 + Су

ре2°3т + Саш 1

1 700 Ге203, Ге304 (мало)

2 950 Ре304, РеО

3 1050 РеО, «¿-Ре

1 500 Ре203, Ре304,оС-?е

2 650 Ре304, РеО (мало)

3 850 РеО, с^-Ре

4 950 РеО, сС-¥е

5 1050 РеО (шло), сС-Уе

850 Ре304, РеО, 3102

950 РеО, ¿¿-Ре, Ре23104,

1050 (¿-Те, РеО, Ре2ЗШ4

ре3°4

1

2

Из таблицы 4 видна последовательность восстановления от высших оксидов к низшим, что не противоречит принципу А. А. Байкова, т.е. до 570°С (Ре203- Ре304~ Ре) и выше 5?0РС

(Ре203 - Ре304 - РеО - Ре).

Обычно степень восстановления рассчитывается от исходного состава материала, который, в зависимости от способов обогащения и окускования руд, имеет различную окисленность (железорудный концентрат, гематитовые окатыши, магнетитовый агломерат). Поэтому целесообразно отсчитывать степень восстановления от одной, общей для всех оксидных материалов, точки, соответствующей максимально возможной степени окисления железа, независимо от вида реально содержащихся в сырье оксидов железа

" йх =(Оисх - Овост)/ Оисх * 100%. (1)

Этой точкой является гематит, имеющий степень окислен-

ности

Ех = 0 / ^е - 0,429. (2)

Преобразовав уравнение (1) с учетом (2), получим формулу для расчета степени восстановления:

Кх - 1 - 2,33 * (0/Ре)в; (3)

где (0/Ре)в - отношение 02 и Ге в восстановленном образце.

Эта | рмула позволила учесть то, что отобранная проба материала имеет определенную степень восстановления относительно гематита.

Сравнивая . результаты опытов с рассчитанными степенями восстановления (Ях) для каадого этапа, мозкно заключить. что в опытах восстановление протекает по классической трехступенчатой схеме, т. е. на первом этапе происходит восстановление Рв20д до Ред04, на втором -Рвд04 до РеО, и на третьем -РеО до металлического Ре. (см. таблицу 5).

По результатам опытных данных были построены зависимости Их=Г(1); и 1д\МЧ1/Т), которые представлены на рис.2, из'которых» видно, что скорость восстановления 2й серии опытов (восстановление углем) больше, чем для 1й серии (восстановление коксом и антрацитовым штыбом) при одних и тех же условиях, что объясняется особенностью состава восстановителя (количеством летучих).

Для анализа температурной зависимости 1?х в исследуемом интервале температур уравнение имеет вид: ■

Таблица 5.

Результаты экспериментов по всссгаковлегого оксидов л?лэ8а.

Инн реакция t,°C I RS, % I : '£ , мии| V, z/mm

1 Fe203+ Ск 700 0 6,4 0

ОБО 12 13,5 0,9

1050 35 17,0 2,0

2 FOgOg+ Су 500 • ' 0 3,7 0

650 11,8 5,6 2,1

'5 850 38,1 10,3 3,4

1050 93,4 17,0 5,9

3 ре2°3т* Саш 850 21 60 0,35

950 70 ео 1,16

1050 90 60 1.5

Rx - Ко * <зхр (-E/RT) (4)

или в обшзм виле

lgRx = к - В/Т, (5)

где Т изменяется от Тнв (температура начала восстановления) до Ткв (температура конца восстановления) для ¡саздого этапа восстановления; Ко - предэкспоненцкальный множитель. Логарифмируя соотношение (4), получили

1 ег К* -- lglto - E/RT. (6)

Сопоставляя уравнения (5) и (6), имеем

А = lßKo (7)

и

В E'/R. (8)

В соответствие с уравнением Аррениуса (рис. 2) в координатах lgV - f(l/T) наблюдается линейная зависимость,, свидетельствующая о постоянстве величины энергии активации и диффузионном лимитирующем факторе в исследуемом интервале температур.

Величину кажущейся энергии активации определяли по формуле:

. Е' - 2,3 * В * R, (9)

где R - универсальная газовая постоянная. Расчет кинетических параметров дублировался с помощью

математического пакета "EUREKA" на ГОШ типа 1БЫ, Результаты расчетов сведены в таблицу 6.

Таблица 6.

Кинетические параметры процесса восстановления

! I I Nnn| Реасция | t, °С |Rx, д. ед. i S Iсек 1 |К МО I Е ,кДк/ыоль I зксп. i лит.

1 FegOg-i- Ск 950 0,12 850 1.6 43,4 64.

1050 .0,35 1020 4,2 143,8 162,4

2 Fe203+ Cv 650 0,11 336 3,5 43,4

850 0,38 618 7,7 40,1

1050 0,S3 1020 26,6 64,8

3 Ре2°3г+Саш 850 0.03 618 0,4 23,7

* • 950 0,14 850 1.6 170,7

1050 0 25 ■ 1020 2,7 77,3

Результаты Р Ф А и расчета кинетических параметров процесса восстановления оксида Гс позволяют судить о высокой реакционной способности угля, которая оказывает значительное влияние на кинетику процесса восстановления Шесте с

тем, значения энергии активации в реакциях восстановления углем, коксом и антрацитовым шгкбом в данном случае, для стадии ре3°4 ~ Fet-), говорят1 0 большей вероятности протекания реакции восстановления углем, чем коксом и антрацитовым штыбом при одних и тех ке условиях (с коксом Е = 143,8 кДж/ыоль и антрацитовым штыбом 77,3 кДкДюль, относительно Е = 45,1 кДж/моль при восстановлении углем). Достигаемая степень восстановления до температуры 1050°С равна для кокса -0,35, антрацитового штыба -0,25 и угля Шубаркольского месторождения -0,93; соответственно выше и показатели константы скорости реакции. С точки зрения адсорбционно-каталитической теории восстановления, при использовании в качестве восстаног'теля Шубаркольского угля оптимизируются химический и внешнедиффу-зионный лимитирующие факторы аа счет присутствия летучих угля, равномерно распределенных в объеме образца. .

Результаты экспериментальной проверки полученных особенностей «а реально?? металлургическом сырье приведены в таблице 7.

Таблица 7.

Фазовый состав продуктов восстановления окатышей, агломератов и концентратов.

Мпп сырье вос-дь продукты восстановления Г?хД

1. окатыш ССИЮ к РеО, СаУзЗШ4, .Р$2ЗЮ4, 62,0

у РеО, Л~?&, Са1,ё3104, 68.0

2. - " - Леб.ГОН к РеО, с£-Ре, Са}^104,Ре2ЗШ4,ЗЮ2 62,0

У РеО, сб-Ре, Са^БЮ4, 68,0

3. агл-т КарМК к РеО, ¿¿-Ре, Ре2ЗЮ4, 62,0

У РеО, рС-Ре, Са^А^ЗЮг,, 68,0

4. - " - КарМК </.-?е, Сг^А^ЗШ^,

(50% ССГПО) У 99.5

5. - " - КарМК к оС-7е, Са^А^ЗЮу, 99,4

(70% ССГПО) У еС-Рв, Са2А123107, 99,5

6. - " - КарМК

(75-80% ССГПО) У ¡¿-Ре, Са^А^Юг^, 99,7

7. 1сонц-т ЛГЫК к Х-Ре, РеО (мало), Ре25104(мало) 82,5

8. - " - ЛГЫК У ¿-?е, РеО (оч. мало), 97,7

9. - " - ССГПО к «¿-Ре, РеО, Ре2ЗЮ4, 85^0

10. - " - ССГПО У о1-?е, РеО (мало), Ре2БЮ4 97,

К - токе; У - Щубаркольский уголь.

Из табл1щы следует, что достигаемая степень восстановления окатышей ССГПО и Лебединских окатышей, а также агломератов ИарМК примерно равны. Однако, при восстановлении Соколовских окатышей коксом установлено образование трудновосстановимого силиката железа, в отличие от случая восстановления углем, где оксид кремния связывался в СаМгБЮ^ (монтичеллит).

При восстановлении Лебединских окатышей наблюдается образование силикатов Ре в обоих случаях, однако, при восстановлении коксом имеется свободный кремнезем (ВШ?), который по-

18 .

выдает вероятность взаимодействия его со свежеЕосстаковленным железом и образования фаялита Ге?5Шд.

Восстановление агломерата КарМК протекает аналогично процессу восстановления окатышей ССГПО, но более благоприятным является восстановление углем, т.к. 31находится -в форме гелешгга (Са^АЬ^^Ц) благодаря присутствии в агломерате ферритов кальция, образованных в процессе агломерации.

Более предпочтительными выглядят процессы углетермичее-кого восстановления агломератов КарМК, полученных с различным содержанием концентратов ССГПО (50-80Х), достигаемая степень восстановления которых равна 99.7%, Пустая порода (по результатам РФА) находится в форме геленита, т. е. в обособленной от металлической части форме.

Исходя из сказанного, мокло отметить, что использование угля Щубаркольского месторождения для процессов восстановления окатышей ССГПО и агломерата КарМК. (текущего производства), оказалось более благоприятным, немели для Лебединских окатышей, где при одинаковой степени восстановления (62,0%) образуются трудновосстановимые силикаты железа.

Более эффективным является использование углей щубаркольского месторождения для восстановления агломератов КарМК с различны?., содержанием концентратов ССГПО (50-80%), степень восстановления которых высока при относительно небольшой температуре. Надо отметить, что окатыши и агломераты являются подготовленным железорудным сырьем, которое широко используется в традиционном металлургическом цикле. Для процессов бескоксовой металлургии важно использование тонкоизмельченных железорудных концетратов.

Углетермическое восстановление концетратов ССГПО и ЛГМК показало, что использование в качестве твердого восстановителя угля Щубаркольского месторождения выгодно отличается по сравнению с применением кокса. При этом их степень восстановления составляет 97,7% против 85% соответственно.

Таким образом, изучение углетермического восстановления оксидов железа и реального металлургического сырья показало, что летучие компоненты угля Щубаркольского месторождения способствуют интенсификации процесса восстановления, значительно ускоряя взаимодействие оксидов железа с твердым углеродом.

Доля участия летучих в процессе восстановления оксидов железа в интервале 6110 - 1050°С составила 0,62.

Проведенные исследования свидетельствуют о перспективности применение угля Щубаркольского месторождения в качестве твердого восстановителя в процессах получения металлизованного сырья как для традиционной, так и порошковой металлургии.

ОБЩЕ вывода.

1. Разработана новая методика для изучения процессов углетермического восстановления лжлеза. Проведена оценка относительных погрешностей измерений, которые- находились в пределах от 0,2 до 5 %. Проведены промышленные испытания на ' КарМК, которые показали приемлемость использования разработанного метода для текущего производственного контроля восстановительных процессов.

2. При использовании метода дифференциально-термического анализа для оценки реакционных характеристик твердого топлива в процессах углетермического восстановления железа уста-' новлеуа относительно высокая реакционная способность угля Щу-баркольского месторождения, обусловленная реализацией процесса з области сравнительно низких температур и высокими скоростными параметрами. Б качестве показателя, характеризующего реакционную способность, принималась температура начала восстановления оксидов железа тверда»,I восстановителем.

3. Экспериментально изучен процесс углетермического восстановления оксидов железа углем Шубаркольского месторождения в интервале температур (500-1050 °С). Определены параметры процесса взаимодействия оксидов мелеза с коксом, антрацитовым штыбом, сырым и прокаленным Щубаркольским углем. Проведен расчет степени восстановления, которая соответственно составила 35 %; 25,5%; 98,5 %; и 35 %. Значения константы скорости реакции соответственно равны 4,2*15 ; 2,7*10^; 26,6*10*; 4.2*10 . Величины кажущейся энергии активации для стадии восстановления магнетит-вюстит соответственно составили 143,8; 77,3; 46,1; 143,8 кДк/моль.

4. Установлена связь мезду реакционной способностью твердого топлива и содержанием летучих компонентов. Термическая обработка угля Шубаркольского месторождения привела к

снижению активности восстановителя в процессе металлизации. Достигаемая при этом степень восстановления при тепературе 1050 0С составила 35%, что соответствует показателям относительно низкореакционных кокса и антрацитового штыба. Наибольшее влияние термическая обработка угля оказала на стадию гематит-магнетит, где температура качала восстановления снизилась на 130°С. Установлена высокая (0,62) доля участия летучих компонентов в процессе углетермического восстановления оксидов железа Шубаркольским углем.

5. Хроматог рафический анализ летучих составляющих угля ШуСаркольского месторождения показал, что значительная часть (порядка 80%) состоит из монооксида углерода и водорода, придающих углю высокий восстановительный потенциал. Восстановительная способность летучих компонентов угля Щубаркольского месторождения и высокая доля участия в процессе углетермического восстановления позволяет принимать- расход углерода кик химического реагента ниже стехиометрического. С применением рен-тгенофазового анализа проведена кристаллохимическач идентификация фаз, образующихся в процессе взаимодействия оксидов железа и углерода, которая показала полное соответствие процесса восстановления принципу Л. А. Байкова о последовательности восстановительного процесса.

6. Использование угля Щубаркольского месторождения для процессов металлизации железорудных концентратов из руд Соко-ловско-Сарбайского месторождения оказывается целесообразным по степени восстановления и фазовому составу. Применение энергетических углей в процессах углетермического восстановления оксидов железа позволяет осуществить их в твердой фазе при относительно невысоких температурах (500-1050°С) и, как следствие, иметь экономичное, безопасное и экологически чистое производство.

7. Металлизованный продукт целесообразно получать путем восстановления железорудного сырья в измельченном состоянии (-0,25мм) в смеси с углем.Щубаркольского месторождения в агрегатах тигельного типа. Промышленная реализация возможна на базе КарШ, КАРГОРМАШ, имеющих необходимые условия (агрегаты, 1 рудный двор, транспортные коммуникации) для промышленного использования.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Калиакпаров А. Г., Никитин Г. М. , Рахметов Я 31 Угле-термическое восстановление железа из гематита. //Комплексное испльзование минерального сырья. 1993, N3, С. 38-42.

2. Калиакпаров А. Г. Реакционная способность углей Щубар-кольского месторождения. // Научно-техническое развитие угледобывающей промышленности. Республики Казахстан. Тез. докл. 1-ой Международной конф. Караганда, 1993, С. 82.

3. Калиакпаров А. Г., Никитин Г. М. Реакционная способность угля у кокса б восстановительных процессах. Информационный листок КАЗНИИНТИ, N60-93.

4. Калиакпаров А. Г. , Никитин Г. М. Угли Щубаркольского месторождения как твердый восстановитель для металлургических процессов. // Минеральные ресурсы Казахстана. Тез. докл. Международной конф. Алматы, 1993, С. 283-284.

5. Калиакпаров А. Г. , Никитин Г. М. Влияние летучих компонентов твердого топлива на процесс твердофазного восстановления жлеза. //Компле1ссное использование минерального сырья. 1994, N2, С. 84-85.

А. Р. Цалиэнпаров

"Шубаркэл кешшшц кешрлерИ! тем1рд1 тоты^саздыру процесс1нде колдану ерекшел1ктер1".

техника гылымдарыныц кандидаты рылыш дзрежее I н алуга байланысты диссертацыяныц авторефераты.

05.16.02. -"Дара металдар.металлургиясы" ТуЯ1НДЕМЕ

Дисеертацияныц нег^зп мадсагтары: тем1р тотщтарын кем1ртермиялы^ тотьа^сыздандыру процесстерш зерттеуге арнал-ган кондыррыыен ед1С1н жасау; Шубаркел кенШ1 кем1рлер1мен тешр тотьщтарын тоты^сыздандыру процесс шц параметрлер1н аныктау жэне агалган ироцеспц ерекшелзктер1н зерттеу.

Шубаркел кэм!рлершц салыстырмалы тотьи^сыздандыррыш биетшщ жорарылыгы аньп^галды. Нем1р курамындагы жен1л зле-ментердщ тоты^сыздандыру процессше ы^палы хаие олардьщ процесс отуше елеул1 (0,62) улес цосатыны дэлелдешлдь 9тк1з1-лген вертгеулер натшес1нде жасал^ан адю внд1р1ст1к сына^ан етк1з!лд1 жэне Шубарквл кем1рлер!н кокссыз металлургия сала-сында пайдалануга уеынылды.

Караганды 1995

A. ä Kai iakparov

Peculiarities of coal-thermal reduction of iron at utilization of Shubarckolsky deposit coals

(Authors) abstract of the thesis for a Candidate of Technical Sciences degree.

05.16.02.- Metallurgy of ferrous metals

ABSTRACT

The investigation-s subject was: the developement of a R^thod and plant to study the processes of coal-thermal reduction of iron oxides; the discovery of peculiarities and determination of parameters of the process of coal-thermal reduction of the iron by the coal of Shubarckolsky deposit.

There are established the relatively high redusibility of Shubarckolsky coal in coal-thermal processes, the positive effect of volatile natters and a high CO,62) share of their participation in the process of iron oxides reduction. On the base»of investigations results there are • carried on industrial tests of the offered method, and there are given recommendations by the use of Shubarckolsky coals in the processes of a free-of-coke metallurgy.

Karaganda 1995