автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Повышение прочности окатышей в процессе восстановления путем регулирования состава шихты и режима термообработки

\1 Ь 10 ^ "

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ .ИНСТИТУТ СТАЖ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

УДК 622.788

ЛИШЕНЫ) Татьяна Олеговна

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ОКАТЫШЕЙ В ПРОЦЕССЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПУТШ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТАВА ШИХТЫ И РЕЖИМА ТЕШООБРАБОТКИ

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

4 V.*

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1990

Работа выполнена на кафедре руднотермических процессов Московского ордена Октябрьской Революции я ордена Трудового Красного Знамени института стали и сплавов и Лебединском горно-обогатительном комбинате.

Научный руководитель - доктор технических наук,

доцент Н.Ф.ПАШКОВ Официальные оппоненты -доктор технических наук,

профессор Д.А.КОВАЛЕВ кандидат технических наук Л.И.АЛЕКСАНДРОВ Ведущее предприятие - институт "Механобрчермет"

Защита состоится " •/ " НРА&ТиЯ 1990 г. в час. на заседании специализированного совета К-053.08.01 по присуждению ученых степеней в области металлургии черных металлов при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан " 4 " ОмгиЯгПгЯ 1990 г.

Ученый секретарь

специализированного советя И.Ф.КУРУНОВ

канд. техн. наук

ВВЕДЕНИЕ

КТУАДЬНОСИЪ. 2елезорудные окахыпш, используемые в шахте доменно-о производства, обладая высокой холодной прочностью, в процессе осстановительно-тепловой обработки сильно разрушаются. Разруше-. ае окатышей приводит к ухудшению газодинамических услрвий домен-ой плавки, и, как.следствие, к снижению производительности до-, енной печи. В связи с этимоднойиз задач металлургического.пе-едела является повышение прочности окатышей в процессе восстано-ительно-тепловой.обработка.-Поведение окатышей-при восстановле-ии.зависит от многих факторов, в том числе от-типа концентрата; ак» для окатышей из концентратов осадочных железистых кварцитов реимущественным является разрушение по границам-зерен-. Следова--ельно, от фазового состава и структуры в области границы раздела плакатной связки с оксидами железа зависит интенсивность и сте-енъ разупрочнения окатышей яа начальных стадиях-восстановления» аким образом, изучение процессов фазо- и структурообразования на ранице раздела связки с оксидами железа, а также влияния различ-ых типов структур на поведение окатышей при-восстановлении имеет ольшое значение в прогнозировании уровня горячей прочности ока-ышей.

ЕЛЬ РАБОШ-состояла в повышении горячей прочности железорудных катышей путем формирования при окислительном обжиге-оптимальней, точки зрения поведения-окатышей при восстановлении, структуры онтакта силикатной связки с-оксидами-железа» ЛУЧНАЯ НОВИЗНА. .Одредедены основные требования х контакту связки .оксидами железа-в окатышах на основании найденной взаимосвязи^ ежду составом шихты окатышей, режимом их термообработки-и фазовым эставом и структурой контакта на границе раздела силикатная связ-э - оксиды железа..

Предложен комплексный показатель, отражающий структуру кон-акта связка.- оксиды-железа,.-включающий состав связки или окаты-ей, физико-химические-свойства образующегося при-обжиге елликат-ого расплава и режим термообработки окатышей.-Получена количест-енная связь между комплексным показателем и горячей прочностью катышей..

Предложен принцип управления процессом получения окатышей с аданными свойствами с помощью комплексных-показателей. РАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОШ. На основе установленной зависимости

горячей прочности окатышей от величины комплексного показателя, отражающего структуру контакта связки с оксидами.железа, предложен способ управления горячей прочностью окатышей путем формирования на стадии, окислительного обжига заданной структуры контакта связка- железорудная частица* Формирование заданной структуры-предлагается осуществлять путем регулирования состава, шихты окатышей на основе расчета физико-химических свойств ..образующегося при окислительном обжиге расплава и выбора режима термообработки, в соответствии с величиной комплексного показателя. На основании.рассчитанной величины комплексного показателя возможно прогнозирование горячей прочности окатышей. Опытно-промышленные-испытания, проведен ные на Лебединском горно-обогатительном комбинате, подтвердили результаты, подученные в лабораторных условиях, и показали возможность использования предложенного комплексного показателя для прогнозирования-прочностных свойств окатышей. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы доложены и обсуждены на 12-ом Международном конгрессе по микрорентгеноспектральному анализу (Польша, 1989. г.) и на Международной научно-технической конференции по теоретическим и технологическим проблемам обработ-ки.железных руд (Чехословакия, 1989 г.).

ПУБЛИКАЦИЯ..Основные положения диссертационной работы опубликованы -в -5.печатных работах.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, изложена на /^страницах, включает ^ рисунков, 36 таблиц, библиографию, содержащую ^/наименований, и приложения.

МЕТОДИКА ПРОВВДЕНЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

С целью исследования процесса минералообразования на границе раздела с оксидами железа при кристаллизации силикатных расплавов,а также влияния структуры контакта связка - оксиды железа на поведение окатышей.при восстановлении-были синтезированы, расплавы различной основности с различным содержанием железа и других элементов (табл. I, 2). Плавление шихты синтезированных связок проводили в тиглях из армко железа в токе аргона. Состав полученных синтезированных связок контролировали с помощью химического, рентгеновского анализов и ЯГРС. Изучение фазового состава и структуры вблизи

границы раздела связка с оксидами железа проводили с применением шшераграфического я микрорентгеноспектрального анализов. Получен-аые синтезированные связки использовали в качестве добавок в шихту экатышей.

В качестве железорудной часта пихты для изготовления окатышей юдользовали.концентраты Лебединского (2,1$ я 4,7£ 5¿0г ) и )ленегорского (0,4#$10г ) горно-обогатительных комбинатов. В ка-гестве добавок'в шихту окатышей попользовали также природные минералы и горные породы (оливин, перидотит, пяроксенит, кимберлит) см.табл.1); в качестве связующего - бентонит Саригохского место-ювденяя; флюсующими добавками служили СаСОдСчда), обычный (Яика-:евсклй) и фтореодержащий (Месторождения Солнечное) известняки.

Таблица I

Химический состав железосодержащих добавок

Содержание, %

> л»: дооавка • _ • • : общ.: РеО : сао : 5с02 { М30

Синтезированные

связки:

I» 10,0 4,3 43,1 43,1 -

2. 20,0 8,5 36,1 36,1 -

3. 30,0 12,8 29,3 29,3 -

4. 40,0 17Д 22,4 22,4 -

5. 50.0 21.4 15.5 15.5 —.

6. Пяроксенит 7,1 6,1 3,4 54,7 28,3

7. Кимберлит 5,3 2,2 7,6 33,3 21,4

8. Оливин 7,5 10,7 8,9 41,4 10,9

9. Перидотит 9,0 12,8 2,9 33,5 35,8

Восстановление окатышей проводили на установке Похвиснева-нчарезского'ыетодом непрерывного взвешивания образца. В качест-параые тров оптимизации были выбраны структура контакта связка -ояда железа и горячая прочность окатышей (минимальная прочность атышей в процессе восстановительно-тепловой обработки). При изу-аяи механизма восстановления окатыши исследовали с применением года ЯГРС.

Кинетику процессов окисления и восстановления образцов изуча-о применением метода дериватографии.

Изучение фазового состава и микроструктуры окатышей проводили в отраженном свете на микроскопах МИН-9, "Неофот-21", "Эпиквант" при увеличениях от 200х до-1000х.

В работе применяла метод математического планирования эксперимента на симплексе, а также элементы теории-размерностей.

Работа-выполнена на кафедре руднотермических процессов Московского института стали и сплавов я в институте металлургии Краковской горно-металлургической Академии (Польша).

Автор выражает глубокую благодарность профессору Краковской горно-металлургической Академии д.т.н. Ящияьской С и к.т.н. Баку-мовой НЗ. за научную консультацию при проведении исследований.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Ранее проведенными исследованиями на железорудных окатышах из Лебединского концентрата была установлена связь константы скорости пропитки, отражающей свойства расплава.и его взаимодействие с твердой фазой, с ходом упрочнения окатышей:

и вм-алд „г пп/г >

где 6^.- поверхностное наяяжение, эрг/см^;

0 - угол контакта "расплав-твердое тело", град;

1 - эффективный радиус пор, см;

1 - вязкость расплава, пуаз.

Однако количественной-связи между прочностью окатышей после обжига и -свойствами расплава найдено не било.

В дальнейших-исследованиях при разработке модели жидкофазно-го упрочнения окатышей из богатых-железорудных концентратов было установлено,-что-меаду-константами скорости спекания и пропитки существует взаимосвязь,.позволяющая прогнозировать прочностные свойства обожженных окатышей, исходя из свойств образующегося рас

плава: к = В • К

лсп • йпр» где В - показатель степени жидкофазности процесса.

В данной работе была сделана попытка прогнозирования поведен окатышей в процессе восстатавления и нахождения количественной ев, зи между горячей прочностью окатышей и физико-химическими свойств ми расплава, образующегося.в процессе .обжига-железорудных окатыше

Работа состояла из четырех основных частей:

1. Моделирование процессов, имеющих место на границе раздела силикатная связка - -железорудная частица при окислении и последующем восстановлении.

2. Установление оптимальных, о точки зрения поведения окаты-пей при восстановлении, фазового состава и микроструктуры контак-га связки с оксидами железа я способа их получения.

3. Нахождение количественной зависимости между, торячей прочностью окатышей и комплексным показателем, включающим-вязкость -

I'поверхностное натяжение силикатного расплава, образующегося, при экислительном обжиге, а также основность окатышей и режим их термообработки^

. 4. Проверка полученной модели, в лабораторных и опытно-проыыш-хенных условиях.

Полученный комплексный показатель может со-временем усложняться (дополняться новыми факторами), тогда разброс.экспериментальна точек относительно расчетной кривой уыеньшитря. Показатель

/ Са.0 СаО+МаО ч юновности ^¿р +М Оъ ыожет ь заыенен на ДРУгие показа-

:ели основности« Методы расчета вязкости и поверхностного натяже-ая могут, применяться любые и быть заменены на более совершенные.

Таким образом, в данной работе защищается принцип 'правления процессом получения окатышей с заданными свойствами с юмощью комплексных показателей.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ, ИМЕЮЩИХ МЕСТО, НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СИЛИКАТНАЯ СВЯЗКА - ЖЕЛЕЗОРУДНАЯ ЧАСТИЦА

На первом этапе исследования в составе синтезированной силикатной связки менялось только содержание железа №в0бщ.) (сы.табл. ). Основность связки (СаО/ составляла-1,0 , поскольку, как ыло установлено ранее', расплав с такой основностью обладает наи-учшей жидкоподвижностью я смачивающей способностью по отношению оксидам железа.

Расплавленные силикатные связки охлаждали с>высокой скоростью целью получения минимальной степени их раскристаллизации. После хлаадения синтезированные связки (0,2-0,3 г).помещались на поли-овэнные брикеты из природного магнетита (Яковлевсвого местороаде-ия) и-подвергались.сначала окислительному обжигу при температуре В00°С, а затем восстановительно-тепловой обработке при температу-е-800°С в токе Н2. Таким образом моделировался процесс, имеющий

место на границе раздела силикатная связка - железорудная частица в микрообъеме окатыша при окислении и последующей восстановлении. Минераграфический анализ образцов показал, что после обжига во всю образцах граница.связки с подложкой была сплошной. Степень сплошности контакта после восстановительно-тепловой обработки, которая определялась количественными подсчетами под микроскопом (рис.1а), для всех образцов оказалась различной. Из рис.1а следует', что'наименьшую протяженность трещин на границе связки с железорудным брикетом, а, следовательно, наибольшую.степень сплошности контакта наблюдали в случае содержания, в связке 20 и 40£ Ре. По данным ми-нераграфического анализа в указанных образцах в качестве избыточной фазы на подложке в процессе охлаждения после окислительного обжига выпадал магнетит.-При выпадении вблизи границы раздела (в процессе охлаждения) трудновоестановимых фаз - силикатов железа двухкальциевого феррита, которые практически не восстанавливаются, имело место нарушение сплошности структуры, образование трещин на границе железорудная частица - связка.

Таким образом, было установлено, что наилучшей, с точки зрения степени сохранения контакта связка - оксиды железа в процессе восстановительно-тепловой обработки, является такая структура контакта, когда у границы раздела с оксидами железа при кристаллизации связки выпадают легковосстановимые соединения. Если, например, вблизи границы раздела после обжига выпадает магнетит, то образовавшиеся в процессе восстановления так называемые общие элементы структуры, принадлежащие одновременно связке и подложке, препятствуют отрыву связки от подложки (рис.2).

С целью изучения влияния состава связки и структуры ее контак та с железорудными частицами на поведение окатышей в процессе восстановительно-тепловой обработки, синтезированные связки были добавлены в шихту окатышей из Лебединского (2,7$ 5сОг) и оленегорско-го (0,4£ ) концентратов. Наибольшие значения горячей прочности имели окатыши с добавками синтезированных связок с содержанием 20 и 40^-Ре (рис.1б). Как видно из рис.1б, существует корреляция между результатами, полученными- в модельных экспериментах (зависимост количества общих элементов структуры, трещин от содержания железа, в связке) я значениями горячей прочности окатышей с добавками синтезированных связок.

Необходимо при этом отметить, что горячая прочность окатышей

раздела "связка - оксид железа"

а

х иртш иричниить окатышей с добавкой синтезированной

Содержание железа в сбяжв, %

Горячая прочность окатышй из:

1- лебединского концентрата

2- оленегорского концентрата

Схема границы раздела связки с оксидами железа-

Поеме оИжига

После: /ссстано&ления

Ферриты кальция

Частично вссстанодленные рерриты кальция

Шзка

Подложка

т -ге,

'кет

Рис.2

зависит не столько от общего содержания железа-в связке на границе .раздела с-железорудными частицами, сколько.от того, в состав легке или трудновосстановимого соединения оно входит.

В связи с установлением тенденции роста горячей прочности окатшей с увеличением железа в связке.била сделана попытка с домощью увеличения после обжига скорости охлаждения "зафиксировать" железо в связке. Окатыши из Лебединского концентрата (4,7$ Sl03) основностью 0,1 и 1,0 обжигали-по базовому (режим I) Ц300°С; 12 мин - нагрев;.8 мин - выдержка; 12 мин - охлаждение) и двум опытным режимам, отличающимся от базового резким.охлаждением (~1000 град/мин) после изотермической.выдержки: от 1300 до 900°С"(режим 2) и от 1300 до 600°С (режим 3), после чего окатыши охлаждались-с. обычной скоростью (~ 100.град/мин). Суммарное время термообработки было-постоянным (32 мин).

Результаты проведенных исследований показали, что горячая прочность окатышей, обожженных по режимам 2 и 3, была выше по сра нению с окатышами, обожженными.по режиму-I (рис.За). Причем было отмечено, что .повышение-прочности у офлюсованных 'окатышей (В=1,0) больше-по сравнению с неофяюсованнымя (В=0,1). Так, горячая прочность офлюсованных окатышей, обожженных по I я 3 режимам, состава

ла соответственно 480.и 930 Н/окатыш; для неофлюсованных окатышей-430 и 530 Н/окатыш:соответственно.

Таким образом, режим обжига окатышей, способствующий сохранению железа в связке, приводит к повышению горячей прочности окатышей.

ФОРМИРОВАНИЕ В ПРОЦЕССЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ОБЖИГА ЗАДАННОЙ

СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА СИЛИКАТНОЙ СВЯЗКИ

В модельных экспериментах в связке изменялось только общее содержание железа,-основность связки составляла 1,0. Однако, в реальных концентратах присутствуют.оксиды А^Од, -М^О я др., и, следовательно, на границе связка - оксиды железа будут образовываться более сложные, чем мы наблюдали в модельных экспериментах, соединения. Кроме того, структура контакта будет зависеть не только от скорости охлаждения, но я от скорости нагрева, температуры обжига я т.д. В.связи с этим.была сделана попытка найти способ формирования оптимального фазового состава и структуры контакта силикатной связки с железорудными частицами с учетом всех перечисленных факторов.

Поскольку процесс является многофакторным, в работе был применен метод математического планирования эксперимента, на основании которого были синтезированы силикатные связки различного состава. Факторами варьирования служили.состав шихты синтезируемых -силикатных связок и режим вторичной термообработки синтезированных связок, помещенных на пластины.из природного магнетита (см. табл.2). Параметрами оптимизации являлись структура контакта силикатной связки (1-ая серия экспериментов) и горячая прочность ока-тыщей из Лебединского концентрата (2,1% ^¿О,) с добавками синтезированных связок (2-ая серия экспериментов).

В табл. 3 приведен фазовый состав синтезированных связокгпо-мещенных на полированные пластины из природного магнетита,после окислительного обжига по различным режимам в соответствии с матрицей планирования (см.табл.2). В табл.4 приведен фазовый состав связок после восстановительно-тепловой обработки. Из табл.3 видно, что структура контакта синтезированных связок вблизи границы раздела с оксидами железа во всех случаях различна, и, кроме того, фазовый состав связок вблизи подложки отличается от фазового состава в объеме связки.

Было выделено три типа структуры контакта силикатной связки

-12-

Изменение прочности окатышей в процессе восстановления

I

&

* I

I

по 110 1 00 30 80 10 5О 50

90 10 50 70

1 '

£

160

120

¿0

50

30

10 О

\ Л а

\ \ // 2

\ ч 7

\ /5

\ > V

\

Ч

«— V 5

¿1

ч -к' Хп

—е К

'Н

4- \ >

[ 8 ¿А

V п

\ А Л

\

■11- У Ч1\ 25 Ч-

10 1Ь 18 22 25 50 54- 55 Степень 5осстанс9лений, %

1,2,3 - режим обжига окатышей: 10,14,15 - ^добавленной связки (см.табл.2): 22,25 - копыта (см.табл.6): А,В,С,С,Е - объяснение см. в тексте, с.25 Рис. 3

вблизи границы раздела с оксидами железа: вблизи границы раздела имеют место преимущественно:!) нераскристаллизованное стекло (см. табл.3, связки М 15, 16); 2) оксиды.железа (связки Ш 10, 13); 3) ферриты кальция (связки №№ 12, 14).

Фазовый состав'синтезированных'силикатных связок .вблизи границы раздела после обжига определял ход процессов на границе связка - оксиды железа при последующе! восстановительно-тепловой обработке. Установлено,-что, если основной фазовой составляющей связки у подложки- (железорудной частицы) после обжига было стекло, то после восстановления связка либо полностью отрывалась от подложки, либо на границе раздела имело место наибольшее количество пор и трещин. Когда основными фазовыми составляющими у границы раздела были магнетит и/яля ферриты кальция (полу-, однокальциевые, тройные ферриты), граница контакта связки с-подложкой после восстановления оставалась практически неразрушенной.

Для уточнения состава фаз, образующихся при охлаждении силикатной связки-после термообработки, было проведено ыикрозондя-рование образцов. Л табл.-5 представлены результаты микрозондирования синтезированных связок трех вышеуказанных типов структур контакта. По данным микрозондирования синтезированных связок оксиды в связках представлены фазами магнетита и вюсгита, причем чистых по составу оксидных фаз не наблюдается: в них присутствует в различных количествах примеси Са, А1, Бь .-Что касается фе.р-ритов, то все они .являются твердыми растворами также с примесями И и $1 . По мере приближения к подложке состав ферритов ыеняет-зд. У границы раздела синтезированной связки с подложкой образуются преимущественно твердые растворы-состава (Ре.Са^О^, а также тройные ферриты типа СаО'РеО-РвзОз (см.табл.5). Объясняется это гем, что-решетка магнетита служит матрицей, определяющей структуру образующихся железокальциевых соединений.

Таким образом, было выделено три типа структуры контакта ¡вязки с оксидами железа. Было установлено, что рт фазового сос-гава связки вблизи границы раздела с оксидами железа, формируемого при окислительном обжиге, зависят поведение образца при его дальнейшей восстановительно-тепловой обработке.

С целью изучения влияния различных структур контакта связки : оксидами.железа на горячую прочность окатышей, синтезированные ¡вязки использовали в качестве добавок (в количестве 55?) в шихту

Условия проведения опытов н свойства синтезированных связок

Таблица 2

Факторы варьирования':Свойства синтезированных связок**)

м п.п: • « • Содепжание. % :Основ-: Режим обжига*^ : /Г т«35 0 ^ : ; ■1«. °С ; Щ. ! Н/С

^обпи |М203 * • • :вость,: ИМ тобжг » я- • нагр,* : мин : £охл, мин . о -Ю,. С, ; т • •

10 40 5 0,1 0,5 1260 12 12 283 0,087 1217 1150 3,25

II 20 I 0,1 1,5 1300 12 12 316 0,054 1293 1213 5,85

12 20 5 0,02 1,5 1260 20 12 286 0,042 1236 1166 6,81

13 40 I 0,02 0,5 1300 20 12 286 0,065 1221 1154 4,40

14 40 I 0,02 1.5 1260 12 20 294 0,046 1252 1179 6,39

15 20 5 0,02 0,5 1300 12 20 312 0,125 1266 1191 2,50

16 20 I од 0,5 1260 20 20 308 0Д75 1263 1188 1,76

17 40 5 од 1,5 ¿300 20 20 294 0,048 1249 1176 6,13

Тобж ~ температура обжига; ^наГр. - время нагрева; ^охл. ~ вРеыя охлаждения.

6"- поверхностное натяжение; вязкость; Ть - температура ликвидно; Т^ - температура солидус.

* '

Со держание, % (об.)

10 55,6 0,8 32,6 52,3 0,9 20,3 21,2

II 27,8 0,3 2,3 42,8 ,22,7 29,0 1.0- 47,6 16,9

12 5,0 2,0 10,4 55,3 34,7 1,2 1,9 19,2 35,9

13 49,4 0,3 20,9 26,1 48,9 1,0 24,5 20,1 -

14 37,9 0,9 4,8 0,3 43,2 43,5 1,9 11,9 11,4 20,2

15 58,3 1,6 18,7 - 77,0 0,7 18,5

16 58,3 1,5 19,0 - 75,2 0,5 21,7

17 23,9 0,6 11,1 25,4 31,0 28,8 0,9 0,1 12,3 53,0

Таблица 4

Фазовый состав, связок на подножке яз магнетита после восстановления

Содержание,;? (об.)

л ;

здЯЗТ стекло

мет

10 53, S 1,0

11 37,0 0,4

12 27,2 0,9

13 58,2 1,0

14 66,1 1,1

15

7,9 29,5 49,9 0,2 10,5

51,9 2,2 16,8 66,3 2,3 0,7

63,1 42,0 0,9 47,7

64,8 30,4 1,0 - ! 33,5 49,4 0,8 41,4

24,5 40,8 0,1 58,4

59,7 22,2 0,5

37.4

71.5 58,4

21,9 5,9

16 63,5 2,3

17 34,0 0,3

ill - количество пор и трещин в образце в I -том опыте.

Таблица 5

Результаты микрозондирования образцов

№ овягки Расстояние от подложки, мкм Содержание элем е н т о в .% Соответствующие :фазн (наиболее ¡близкие по соо-:таву к имеющимся)*)

в стекле : в оксидах железа : в ферритах :, ; . кальция

Ре : 5с : Са : А1 : Ре : : Са : А1 : Ре : : Са : А1

10 0-50 50-100 100-200 9,2 18,0 15,0 1,6 14.3 15,0 12,8 1,5 15.4 12,4 13,0 1,4 65,9 0,3 1,0 0,7 68,2 0,3 0,4 0,5 67,7 0,3 2,5 0,5 — — т т (Ре,Са)304 Ре304 1

.14. 0-50 50-100 100-200 15,7 6,9 22,1 1,2 32,7 3,7 15,4 -1,1. 30.7 7.5 16.7 1.4 - - - 48.7 2,9 12,0 0,5. 44,6 1,4 8,1 0,4 58.8 1.6 5.8 0.5 Са0'Ре0.Ре203. К Са0.2Рв203 • ЗСа0.Ре0.7Рео0о

15 0-50 50-100 100-200 26,6 16,115,3 1,1 13.0 16,0 13,0 2,0 15.1 16,113,7 1,6 56,0 0,2 0,5 0,7 62,4 0,1 0Г7 0,4 63,7 0,2 1,3 0,7 _ *>3°4 Ре304 (Ре,Са)304

А13+ и замещающие Ре3+ в формулах не приведены.

окатышей. Окатыши обжигали по режимам в соответствии с матрицей планирования (см.табл.2), после чего подвергали восстановительно-тепловой обработке.

На рис.36 представлено изменение прочности окатышей в процессе восстановления с добавками трех типов синтезированной силикатной связки. Наименьшую горячую прочность имели окатыши с добавкой синтезированной связки Jfc 15, которая в модельных экспериментах в качестве основной фазовой составляющей у границы раздела с оксидами железа после обжига имела нераскристаллизованное стекло.

Таким образом, полученные, результаты еще раз подтвердили вывод о существовании связи ыевду структурой контакта связки с оксидами железа, формируемой в процессе окислительного обжига, на юведение окатышей в процессе восстановления.

НАХОЖДЕНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ЗАВИСИМОСТИ МЕВД7 СТРУКТУРОЙ

КОНТАКТА, ГОРЯЧЕЙ ПРОЧНОСТЬЮ ОКАТЫШЕЙ И КОМПЛЕКСНЫМ!

ПОКАЗАТЕЛЯМИ

Уравнение регрессии (линейная часть), описывающее зависимость 'орячей прочности окатышей от факторов варьирования (факторы ва->ьирования - кодированные значения), имело вид:

Ут =32,5-3,0THarp.-I,0f охлф+4,5Fe-6,5AI+I0-F+4,0 В & )

Однако, на основании проведенных ранее экспериментов, уста-овлено более сильное влияние на металлургические.свойства ока-кшей парных и более высокого порядка взаимодействий-различных акторов по сравнению с влиянием каждого фактора в отдельности, оэтому при обработке результатов эксперимента нами выбрана по-иномиальная регрессионная модель вида:

У^У(х<... Xk)=J-o Z HXi + Z iijXiXj *... ,

О нИкО niijSK 0 '

■е .¡- в.,- -

Причем в нашем случае имеет место совмещение планов на сим-1ексе доя смесевых переменных (определяющих состав) с факторными ганами для несмесевых переменных (определяющих режим термообра->тки), полученное по методу прямых произведений.

-В данной работе сделана попытка получить математическую моль, описывающую зависимость характеристик структуры контакта

связкя с железорудными частицами-и горячей прочности -окатышей от безразмерных комплексных .показателей, включающих, состав окатышей, физико-химические свойства расплава, образующегося при обжиге окатышей,и режим их термообработки.

С помощью-ЭВМ.были получены зависимости.степени, раскристал-лизации связки, определяемой как отношение количества.стекла к сумме фаз.гематита, магнетита и ферритов кальция, и горячей прочности окатышей от различных комбинаций факторов варьирования ( семи факторам варьирования соответствуют 256 их-комбинаций). Анализ полученных зависимосйей позволил выделить те комбинации факторов, от которых в наибольшей степени зависит значение исследуемой функции.

На рис.4 приведены . изолинии горячей прочности окатышей с учетом в уравнении (I) двух нелинейных членов:

Уг =32,5-3,0 «Г нагр."1«0 Г охл +4.558-6,541+1^44,О-В

сделано предположение, что в коэффициенты нелинейных членов ура! нения регрессии-(2) входят величины, отражающие физико-химическ! двойства силикатного.расплава, образующегося при обжиге окатыпе] вязкость и поверхностное натяжение. Экспериментальные данные по определению.горячей прочности окатышей.бьиш обработаны на ЭВМ с учетом-значений вязкости.и поверхностного натяжения силикатных связок, рассчитанных с позиции теории направленной химической связи. В результате обработка экспериментальных данных из всево можных комбинаций факторов, включающих режим термообработки ока тышей, химический состав связки и ее физико-химические свойства (вязкость ( 1 ), поверхностное натяжение ( 6" ) и отношение ( 6"/1 )), были выбраны те комбинация, при которых получены эв тремальные зависимости горячей прочности окатышей и степени рас кристаллизации связки от значений комплексных переменных:

В данной работе в качестве примера были рассмотрены завис] мости параметров оптимизации от комплексных переменных вида:

Поскольку ранее было установлено, что физико-химические свойства расплава .влияют..на процесс упрочнения окатышей, было

Изолинии горячей прочности окатышей

+1,0

-1,0

-1,0 О +т,Р

Осно&ность РИС.4

На рис.5 представлены зависимости степени раскристаллизациж связки и горячей прочности окатышей от значений комплексной пет ременной. Комплексная переменная включает состав связки (шихты) окатышей, от которого зависят физико-химические свойства'связки, режим термообработки (время нагрева ( Тн ) и температура обжига (ТО0Ж ), которая учтена при расчете вязкости и поверхностного натяжениями физико-химические свойства связки ). Из рис.56 видно, что зависимость горячей прочности-окатышей от типа структуры контакта связки.с железорудными частицами носит экстремальный характер. Структура контакта, при которой связка яа границе с оксидами-железа находится в виде.стекла, или, наоборот,.стекло полностью отсутствует, т.е. когда'у границы раздела образуются практически только оксиды железа и/шш феррита кальция, приводит к снижению горячей прочности окатышей. Определенное количество стекла в связке необходимо, т.к. оно играет положительную роль при релаксации термических-напряжений, возникающих при нагреве и охлаждении, а также.при знакопеременных напряжениях при перестройках решетки в процессе восстановления.

Комплексная переменная, представленная на рис.5 являвшаяся безразмерной за счет нормирования каждого из факторов, входящих в нее, по среднему значению, была-проанализирована с позиций теории размерностей.Для получения физически безразмерного.показателя в нее была включена протяженность контакта связки с оксидами железа: £0 - протяженность контакта связки (стекло + избыточная фаза)

Зависимость степени раскрястачлизадки связки (а) и горячей прочности окатышей (б) от значений комплексной переменной

У=2,82-%05Х *2Э5Хг-0,Ч5х3) К =0,97

\ а

X.

>

X X

2,4 1,6 0,8

V 0,5 0,9 1,Ъ 1.7 2+ 2,5 СаО <о г

______

Номера точек соответствуют номерам опйтов в табл.6. Рис. 5

О

с подложкой, и ¿я - протяженность контакта избыточных фаз - нагнетя та и -ферря*ов кальция, принадлежащих .связке, с оксидами железа подложки, нормированные по среднем; значение. С учетом этих вели-зин были получены .зависимости горячей прочности окатышей от комп-1ексных безразмерных показателей (рис.6):

Гн „ т> (лО & Гн

ггЦ я

з которые все факторы входит со своими физическими размерностями.

Из рис.6 видно, что величина комплексного показателя позво-шет прогнозировать структуру.контакта связка - оксиды железа: >т величины основности будет зависеть-количество ферритяой фазы ! связке, отношение, поверхностного натяжения к вязкости будет щределять жидкоподвяжность расплава и смачиваемость железорудных истиц, т.е. от величины этого отношения, определяемого составом ¡вязки и температурой, а также от времени термообработки будет 1авясеть протяженность контакта связка - оксиды железа.

Безразмерные показатели Р0 я Рк помогают понять физический ¡мысл полученных комплексных переменных. Однако, на практике для юдцержания горячей прочности окатышей не ниже определенного уров-■я удобнее пользоваться комплексной переменной вида :

:ри изменения состава шихты необходимо изменить режим терыообра-отки (или наоборот) таким образом, чтобы значение комплексной еременной не выходило за оптимальную область значений (см.рис.5).

ПРОВЕРКА КОЛИЧЕСТВЕННОЙ СВЯЗИ ГОРЯЧЕЙ ПРОЧНОСТИ ОКАТЫШЕЙ И КОМПЛЕКСНЫХ ПЕРЕМЕНИЛ

Полученные комплексные переменные позволили бы не только рогнозировать, но и управлять процессом получения окатышей с за-анными свойствами.

Задача состояла в проверке двух положений: I) если значение омплексной переменной не выходит за пределы установленной оптима-ьной области (для данного типа концентрата), то.гарантирует ли то получение обожженных окатышей с заданными металлургическими эойствами (в данном случае заданным уровнем горячей прочности); ) возможно ли поддержание заданного уровня свойств окатшей при эелячения одного (или нескольких) факторов я уменьшения ос таль-^х, входящих в комплексную переменную, если значение последней г выйдет за пределы оптимальной области.

Зависимость горячей прочности окатышей от значений безразмерных комплексных показателей

X

/ х tí

А

о 0,5 4,0 iS 2,0 п ч-Н y=4,58n22P0~5t55P^i2^- К- 0,89

X г ----

X X / X X \

£

<5

0,9 0,7 ОД 0,3

0,5

<0 <5"

п-СаО б тн SÍ02íTK

2,0

У= 0,68+0,02% +l/0P*-0,S6PK3; К--0,71

Рис. 6

Для проверки первого положения в лабораторных условиях были. олучены окатыши из Лебединского концентрата с добавками пироксе-ита основностью 0,5 я 1,0. После обжига по различным режимам бы-и определены величины'безразмерной .комплексной переменной для каж-ого опыта, исходя из условий окислительного обжига,,а также рас-читанных физико-химических свойств расплава (табл.6). При сравнена полученных величин,комплексной переменной было.сделано преддоло-8ние,.что наибольшие значения горячей прочности должны иметь о каши, значения комплексной переменной которых не выходят за преде-ы оптимальной области, найденной выше.(см.рис.5). Данное предпО-ожение было подтверждено в ходе реализации-серии экспериментов. катышиг значения.комплексной переменной-которых находились в.пре-елах 0,40...0,88, имели горячую прочность 770...950 Н/окатыш; для катышей со значениями комплексной переменной 2,08...4,14 горячая рочность составила 0...I50 Н/окатыш (см.табл.6, опыты М 18...25).

На рис.5 нанесены точки, отвечающие экспериментам по проверке редложенной модели.

Опыты по добавке оливинсодержащих пород оказались неудачными, точки зрения горячей прочности, из-за того, что не были взаимо-зязаны состав окатышей и режим их термообработки. В результате аачения комплексной переменной оказались вне оптимальной области , соответственно, значения горячей прочности - низкие.

Расчетные значения вязкости и поверхностного-натяжения образуются расплавов при учете пустой породы концентрата, возможно, не зответствуют реальным значениям, но на практике пользоваться дан-., ими кривыми удобно, т.к.«для расчета.требуются только состав исходах компонентов шихты и режим термообработки (температура и время агрева, изотермической выдержки, охлаждения) (см.рис.5).

Полученные кривые можно использовать при прогнозировании свойств поведения при восстановлении) окатышей,, полученных из Лебединского подобных емх концентратов. Для изоморфнозамещенных концентратов шпример, скарнового типа), соответствующие кривые, по-видимому, ?дут сдвинуты относительно приведенных.

Из результатов, представленных в.табл. 6,видно, что существуют эзыожности по вариациям величин факторов, входящих в комплексную эременную. Так, например, опыты Ш 20 и 26 отличаются по составу IXты величиной основности ( количество добавки пироксенита и темпе-атура обжига в обоих опытах одинаковые). Увеличение основности в

Условия проведения отлов и свойства окатышей с добавкой пироксенита

Таблица 6

Состав окатшей-

Режим термообработки

'Горячая

п.п. Основность,: Г> СоО+МдО 1 Шт нита, % '.Добавка ~ :бентони- т обь, °с Тнагр,! мин : Тавот,-мия ; мин • (кодир.) г :прочностьх 1 хЮ2, :кН/окатаа

18 0,5 1.0 0,5 1300 12 8 20 0,78 95'

19 1,0 1.0 0,5 1250 20 . 2 20 2,*49 0

20 0,5 2,0 0,5 1250 20 8 12 0,73 92

21 1.0 2,0 0,5 1300 12 2 12 2,08 3

22 0,5 1,0 1.0 1300 20 2 12 0,88 84 .

23 1,0 1,0 1,0 1250 12 8 12 2,23 I

24 0,5 2,0 1.0 1250 12 2 го: 0,40 77

25 1,0 2,0 1.0 1300 20 8 20 4,14 15

26 0,7 1,0 1.0 1250 12 2 12 1,22 71

го •й-

опыте № 26 (В=0,7) при одновременном уменьшении времени нагрева ( ^нагр.= 'мин) по сравнению с опытом № 20 (В=0,5, ^Яагр.= = 20 мин)'позволяет сохранить величину комплексной переменной в оптимальной области и,следовательно, высокий уровень горячей прочности окатышей. В случае необходимости снижения температуры обжига с 1300 до Х250°С (см.табл.6, опыты-Л» 18,20) при заданной основности (В=0,5) величину комплексной переменной можно регулировать увеличением добавки пироксенита и временем нагрева таким образом, что ее значение останется в пределах-оптимальной области. Значение горячей прочности ркатышей при этом в опытах №№18 и 20 составляют соответственно 950 и 920 Н/окатыш.

Полученные результаты подтверждают положение, о возможности управления горячей прочностью окатышей путем изменения факторов (состава шихты или режима термообработки) таким образом, чтобы значение комплексной переменной оставалось в пределах оптимальной области.

Необходимо отметить, что изменение факторов варьирования внутри комплексной переменной возможно лишь в тех пределах, в которых изменялись данные факторы при проведении эксперимента.

Было замечено, что кривые изменения прочности окатышей с добавкой пироксенита в процессе, восстановления (до.степени восста-новления~30/5) имеют два минимума (см.рис.Зв) ,.что совпадает о характером зависимости изменения прочности окатышей, обожженных по режимам 2 и 3 (см.рис.За), а также окатышей с добавками синтезированных связок Ссм.рис.Зб).

Для объяснения полученных результатов, окатыши с минимальной я максимальной прочностью в процессе восстановления (точки А,В,С, Р,Е на ряс.Зв) исследовались с помощью метода ЯГРС. Для анализа методом ЯГРС окатышей с добавками пироксенита были выбраны пробы, отличающиеся основностью и полученными значениями.прочности в процессе восстановления (см. рис.Зв и табл.7). В результате анализа данных ЯГРС было установлено, что в образце Л 22 образуется менее разупорядоченный магнетит по сравнению с образцом Л 25: отношение экта - и тетрапозивдй составляет соответственно 1,41 и 1,15 (см. габл.7). Это приводит к более сильному разупрочнению окатышей * 25 по сравнению с окатышами № 22. В ходе дальнейшего восстанов-1ения в окатышах № 22 интенсивнее протекают реакции восстановления магнетита и вюстята до металлического железа, чем, по-видимому,

можно объяснить подъем прочности окатышей (точка В на рас.Зв). К росту прочности приводит также процесс упорядочения магнетита, что характерно дал всех кривых с максимуШми: отношение окта- и хетра-позиций увеличивается по сравнению с образцами, соответствующим провалам (минимумам) прочности на кривых. В образце 1 25 увеличение количёства вюстита и.металлического железа-при переходе от точки Г) к точке £ происходит за счет уменьшения количества гематита (количество магнетита остается*на прежнем уровне,-а в образце # 22 количество магнетита даже-растет, что можно объяснить стабилизирующим действием М^ на решетку шпинели).

Столь раннее (на 4-6 мин восстановления) появление_в окатышах металлического железа, можно объяснить неоднородностью структуры офлюсованных окатышей: наличие относительно -большого количества расплава И-развитой поверхности контакта-железорудных частиц с.силикатной связкой приводит в образованию структуры, близкой к композитной. Наличие-такой структуры .приводит в. различному. поведению, пря восстановления.оэдельных-микрообъемов окатыша особенно на границе связка - железорудная частица, резко, отличающихся восстановимоетью. На характер разупрочнения окатышей также влияет-наличие границ раздела между силикатной связкой я оксидными частицами.

Таблица 7

Результаты мессбауэровского анализа окатышей

♦Найме- • ! Относительное содержание Фаз. %

* .фаз и 1 й образца

□ п •позиций: Ж- - - » .¡¿Ъ.

: »Г, время (мин)/ степень восстановления 1%)

• » 6/17 : 7/20 10/26 : 4/Г б 6/21

27 б 2,44 1,50 0,98 1,58 1Д4

28 29 М1 му 1,53 2,15 М1 2,50 1,96 1,98 2,27 1,98 2,29

30 зх 0,44 0,68 0,51 0,85

31 % 0,25 0,93 3,52 0,43 0,51

32 V 0,09 0,15

33 Ре 0Д5 0,47 0,59 0,26 0,28

34 I 0,137 0,125 0,186 0,158

х) С- гематит; М , М* - доля катионов железа, находящихся в тетр£ и окааэдрических.позициях соответственно; .5 »Ф-синглет я дублет, относящиеся к фазе вюстита в спектре; X-отклонение от стехиометрии вюстита Ре^О.

Аналогичные результаты были получены при анализе методом ЯГРС окатышей,'обожженных по режиму 2 (см.рис.За).

С целью проверки результатов лабораторных исследований на ЛебГОКе были.проведены опытно-промышленные испытания получения окатышей с добавками пирокеенита и кимберлита» В качестве флюса использовались фтореодержащий и обычный известняки. Состав шихт подбиралсяг исходя из существующего на ЛебГОКе режима обжига-окатышей с учетом.полученной зависимости изменения прочности окатышей в процессе восстановления от величины комплексной переменной. В качестве контрольных служили окатыши из-лебединског.о -концентрата естественной основности. Обожженные окатыши испытывали на прочность при восстановлении-согласно ГОСТ 19575-74 (табл.8).

Окатыши, полученные в промышленных условиях, восстанавливали также в лабораторных условиях. Горячая прочность окатышей составила 370...520 Н/окатыш. Окатыши.контрольной серии имели горячую прочность 260 Н/окатыш. Подобрав состав окатышей при имеющемся на фабрике режиме таким образом, чтобы.значение комплексной переменной не выходило за пределы оптимальной области, мы получили окатыши с высокой прочностью, что подтверждено и результатами испытаний по Линдеру (см. табл.8). Для окатышей с добавками пироксенита и кимберлита выход фракции -0,5 ым по сравнению с контрольными окатышами уменьшился в 3...5 раз; выход фракции 5-10 мм - уменьшился в 13... 26 раз; выход фракции +10 мм - увеличился в II...14 раз.

Таблица 8

Результаты восстановления окатышей, полученных в промышленных условиях

Состав шихты окатышей

Содержание добавок. %

.•Выход фракции после :восстановлендя.

1.П. Известняк : Пироксе-нит ■:Киыбер-| лит ; -о,5 : (мы) ; 5,0-1(10; : (км) : +10,0 (им)

обычный :фтореодер-: :жащяй :

}5 _ — _ — 4,55 59,25 7,1

¡6 3,7 2,0 - 1,7 4,6 78 ;б

$7 5,0 1,97 - 0,9 2,3 96,3

¡8 5,0 - 1,97 0,75 4,3 95,0

Опытно-промышленные испытания также подтвердили возможность управления металлургическими свойствами окатышей с помощью предаю-

женных - комплексных - переменных. - Полученные результаты позволяют рекомендовать дспользовать в качестве-добавки -В. шихту окатшей природные.соединения.кимберлит и пироксенит.. Ожидаемый экономический эффект при использовании данных железосодержащих добавок, рассчитанный для условий ЛебГОКа и НЛМК, составляет около 2-млн руб/год.

ВЫВОДЫ

I..Установлен-механизм влдяния структуры контакта силикатной связки с железорудными частицами на поведение окатышей в процессе восстановительно-тепловой обработки.

2. Определены основные требования, предъявляемые к контакту, связка - оксиды железа:- наличие на границе раздела стекла я железа в виде легковосстановимых соединений (магнетит, кальциевый магнетит, полу-, однокальциевый и тройные ферриты) в определенном соотношении.

3. Предложен комплексный показатель, отражающий структуру контакта 'связки с оксидами железа, который включает состав, режим термообработки я физико-химические свойства силикатного расплава.

4. .Найденная количественная связь между комплексной переменной- и"горячей прочноетъю окатышей позволяет.-управлять доведением окатышей при восстановлении путем формирования на стадии окислительного обжига заданной структуры контакта.

5,.Опытно-промышленные испытания получения.окатышей показали, что использование предложенных комплексных показателей позволяет получать-окатшш с высокими значениями горячей прочности. Расчет техникоггэкономической эффективности производства окатышей по разработанной технологии для условий ЛебГШа. и НЛМК показал, что-ее внед-рение.позволит получить экономический эффект в размере около 2- млн руб/год.

Основное.содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах»

1. Пашков Я.Ф., .Бакумова ДЗ.Делеченко Т.О. Влияние режима охлаждения на горячую прочность окатышей// Изв.вузов: Черная металлур гия. 1988. N 3. С. I30-I3I.

2. Повышение.горячей прочнбейи.железорудных окатышей.путем.формирования в процессе окислительного обжига заданной структуры и фагового .состава силикатной связки/ Н.Ф.Пашков, Н.В.Бакумова, Т.О. Лелеченко л др.// Моск. ин-т стали и сплавав. М.,1989.II с. Деп. в "ЧерыетинформацииМО.08.89, А 5211.

3. Пашков Н.Ф„, Бакумова Н.В., Лелеченко Т.О. Комплексное влияние состава шихты и режима термообработки на структуру контакта силикатной связки с железорудными частицами в окаты-max//Te.ozetici<é л technoto^Lcké pioótémy tepefaej úpiavij. Zetezngch vid: 2ёошк zml. CtCostatnej konfeientie so zaJiia.-

nicnou úidüou. CSSR. Vt/soxé Tcdiu- Siata Lesna. 9. a.i.12maja 1983. S. 86-91 d <3 У

4. Юсфлн-Ю.С.,Лелеченко Т.О., Бакумова HJ3. Изменение фазового состава силикатной связки на границе раздела с оксидами железа в процессе термообработки// Teoidccké a. technoCoqickí tnoSíému tepdnej úpxavy ulttníjch ZSoznLk zM- CtCcZíoinij konfk* ztncie so га.fiza/iicnou úcadou. CSSR. Vusoké Taitu- íúiía Lesna, 9. ai. 12 moja. /389. S /53-/58.

5.

Pcishkov ÑP baKumova.Ñ V, LefztschenkoTO. Reíearc/i of ¿be. ínfíutnce. of iht p ha se cUstuñution on a- Sehaviouz of pelttts, duzina izdudian Jj I2ih ¿ntemationol conozess on Х- гаи o piteé ancL miczoanalusii. Ctcuovc/, 28аид- /sept

1989. Vot.J. P. 857-859.

JljamxJá^

Черметинформация, зак.901, тир.100, уч.-издл.1,2, печ.л.2,0, усл.кр.-отт.2,25, подписано к печати 17.09.90 г.