автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка научных основ и определение технологических режимов углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере

На правах рукописи

Строкина Ирина Владимировна

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УГЛЕРОДОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ОКИСЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА В ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ АТМОСФЕРЕ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких

металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ноя 2013

Новокузнецк - 2013

005538906

Работа выполнена на кафедре металлургии цветных металлов и химической технологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель Якушевич Николай Филиппович

Официальные Рожихина Ирина Дмитриевна, оппоненты доктор технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», кафедра металлургии черных металлов, стандартизации и сертификации, профессор

Носов Юрий Николаевич, кандидат технических наук, доцент, ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», техническое управление, ведущий инженер — технолог

Ведущая Открытое акционерное общество «Научно-

организация исследовательский институт металлургии»,

г. Челябинск

Защита состоится «17» декабря 2013 г. в 13— часов в аудитории ЗП на заседании диссертационного совета Д212.252.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк Кемеровской области, ул. Кирова, 42. Факс: (3843) 46-57-92, e-mail: ds21225201@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

Автореферат разослан « ¿г» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор ^ /Мф У О.И. Нохрина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современной структуре потребления конструкционных материалов 94 % составляют железоуглеродистые сплавы, главным образом стали различного назначения. По данным ассоциации World Steel Association в 2012 г. мировое производство стали составило 1,548 млрд. т. В среднесрочной перспективе прогнозируется сохранение достигнутых темпов роста ее производства и потребления. Однако в ближайший период мировая металлургия будет развиваться в условиях ужесточения национальных экологических законодательств, истощения разведанных железорудных и углеродсодержащих ресурсов, повышения стоимости электроэнергии и природных энергоносителей, тарифов на грузоперевозки. В связи с этим все более актуальной становится задача повышения эффективности металлургического производства за счет разработки и освоения ресурсо- и энергосберегающих технологий, расширения сырьевой базы.

В настоящей работе в качестве объекта для анализа и исследования выбраны следующие металлургические технологии, основанные на процессах, протекающих в системе железо - углерод - кислород - водород и параметрически чувствительных к газовой атмосфере в печном пространстве: производство металлизованных окатышей углеродотермическим восстановлением из оксидов железа; нагрев стальных заготовок перед обработкой давлением; получение декоративно-защитных эмалевых покрытий на чугунных изделиях; синтез феррошпинелей различного назначения.

Металлизованные окатыши, востребованные в бездоменной металлургии для частичной или полной замены лома при выплавке электростали, получают, в основном, газофазным восстановлением с использованием продуктов конверсии природного газа в шахтных печах (процесс Midrex) или углеродотермическим восстановлением во вращающихся обжиговых барабанных печах. Главный недостаток процесса Midrex - высокий расход природного газа, постоянно растущая стоимость которого обуславливает необходимость поиска новых технологических решений, в том числе с использованием более доступных твердых углерод-водородсодержащих восстановителей.

Стальной прокат является основным видом конечной металлопродукции металлургических предприятий. Его объем достигает 80 % от общего производства стали. Основная доля стального проката производится с предварительным нагревом слитков или заготовок перед обработкой давлением. При этом существенным фактором, влияющим на ресурсоемкость производства, являются потери металла вследствие высокотемпературного окисления (угара). В зависимости от применяемой технологии и оборудования они могут достигать 1 - 2 %. Для ряда производств, например производств рессор и пружин, не менее важным фактором, является обезуглероживание стали. Необходимость удаления обезуглероженного слоя, например, с помощью шлифовки, помимо увеличения трудоемкости производства, приводит к до-

полнительным потерям полезной массы металлоизделий. Потери от угара и обезуглероживания могут быть минимизированы при достижении и поддержании рационального состава газовой атмосферы нагревательных печей.

Эмалирование - одна из широко распространенных технологий получения декоративно-защитных покрытий металлических поверхностей, качество которых во многом зависит от характеристик переходного между металлом и эмалью слоя (грунта), подвергаемого перед эмалированием окислительному обжигу.

Феррошпинели тонкодисперсные и крупнокристаллические достаточно востребованы в современных технологиях. Однако получение их твердофазным синтезом до сих пор не имеет научно-технологического обоснования и требует конкретизации параметров (интервала температур, значений кислородного потенциала газовой фазы).

Диссертационная работа выполнена при грантовой поддержке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (НИР №ГР 01201150646 в 2010 г.) в соответствии с перечнем приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации от 2011 г. - «Рациональное природопользование», «Энергоэффективность, энергосбережение».

Цель работы. Разработка научных основ и определение технологических режимов углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере, осуществляемых в выбранной для анализа и исследования группе металлургических процессов (восстановительный и окислительный обжиги, тепловая обработка металлоизделий, синтез ферро-шпинелей).

Задачи работы.

1. Разработка научных основ углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере.

2. Оценка возможности практического применения результатов теоретического анализа для оптимизации параметров технологических процессов, реализуемых в исследуемой системе.

3. Экспериментальные исследования и определение технологических режимов углеродотермического восстановления железа из железорудного сырья полукоксом из бурого угля в водородсодержащей атмосфере.

4. Разработка технологической схемы получения металлизованных окатышей.

5. Экспериментальные исследования и определение оптимальных режимов окислительного обжига чугунных отливок в технологии эмалирования.

Научная новизна.

1. Разработаны научные основы углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере, включающие: построение и анализ диаграммы фазово-химических равновесий системы Ре-С-02-Н2,

исследование изменения кислородного потенциала системы в зависимости от температуры и состава газовой фазы.

2. Определены параметры газификации твердого углерода в системе Ре-С-02-Н2 и предложена методика многовариантного расчета кислородного потенциала кислород-углерод-водородсодержащей газовой фазы в зависимости от ее состава и температуры, а также количества выделяющегося углерода при ее охлаждении.

3. Определены по результатам термодинамического анализа оптимальные равновесные условия и показатели восстановительного обжига железорудных окатышей: соотношение железо-кислород-углерод, температура, содержание водорода в газовой фазе, степень металлизации.

4. Установлены температурно-временные условия получения и исследованы физико-химические свойства углеродистого восстановителя — полукокса из бурых углей.

5. Обоснован состав шихты и исследованы условия получения восстановительным обжигом металлизованных окатышей, определены их качественные показатели.

6. Определены по результатам теоретических и экспериментальных исследований условия окислительного обжига чугунных отливок в технологии эмалирования (состав газовой фазы, ее кислородный потенциал, температура, продолжительность).

Практическая значимость и реализация результатов.

1. На основе интерпретации результатов теоретических и экспериментальных исследований определены технологические режимы углеродотерми-ческого восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования технологических параметров процессов, чувствительных к составу печной атмосферы: упрочняющий и восстановительный обжиги рудоугольных окатышей, окислительный обжиг чугунной отливки перед эмалированием, тепловая обработка металлических изделий, получение тонкодисперсных и крупнокристаллических шпинелей.

2. Разработана технологическая схема производства металлизованных окатышей из природных ресурсов Томской области (железорудного концентрата Бакчарского месторождения и полукокса бурого угля Таловского месторождения).

3. Разработаны технологические рекомендации по управлению фазовым, химическим составами и толщиной поверхностного слоя чугунных отливок, обжигаемых перед эмалированием. Подтверждены и приняты к внедрению в условиях ОАО «Завод Универсал» оптимальные условия обжига (температура, продолжительность, состав газовой фазы и ее кислородный потенциал). Экономический эффект от снижения брака составил в 2013 г. 3 млн. руб.

4. Научные и технологические результаты диссертационного исследо-

вания внедрены ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ) в учебный процесс студентов, обучающихся по направлению 150400 - Металлургия.

Методы исследования. Работа выполнена с привлечением современных методов теоретических и экспериментальных исследований: математического моделирования и термодинамических расчетов с реализацией на ПЭВМ при построении и анализе диаграммы состояния системы Fe-02-C-H2, термогравиметрического метода при исследовании процессов восстановления железа и полукоксовании бурого угля, химического и физико-химического анализов (рентгенография, спектроскопия, термогравиметрия) при физико-химической аттестации продуктов восстановления, окисления, полукоксования.

Полученные результаты обрабатывались с использованием стандартного пакета прикладных программ Microsoft Office и системой компьютерной алгебры Mathcad.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается совместным использованием современных методов теоретического анализа и экспериментального исследования углеро-дотермического восстановления и окисления железа в присутствии водорода, опирающихся на качество измерений и статистическую обработку результатов; применением апробированных методов исследований; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; достаточной эффективностью предложенных технологических решений, подтвержденной результатами промышленных испытаний.

Предмет защиты.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа фазово-химических равновесий в системе Fe-C-02-H2.

2. Результаты термодинамического анализа равновесных условий угле-родотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере.

3. Результаты исследования процесса восстановительного обжига железорудных окатышей с использованием полукокса и показатели качества ме-таплизованных окатышей.

4. Технологическая схема получения металлизованных окатышей из железорудного концентрата Бакчарского месторождения и полукокса бурого угля Таловского месторождения.

5. Технологические параметры обжига чугунных отливок перед эмалированием.

Автору принадлежит: постановка задач теоретических и экспериментальных исследований; проведение теоретических и экспериментальных исследований процессов: углеродотермического восстановления железа в водородсодержащей атмосфере и окисления железа в кислород-

углеводородсодержащей атмосфере; разработка технологической схемы производства металлизованных окатышей в условиях Томской горнодобывающей компании; определение технологических режимов обжига чугунных отливок перед эмалированием в условиях ОАО «Завод Универсал»; обработка полученных результатов, анализ, обобщение, систематизация, научное обоснование, формулировка выводов и рекомендаций.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов п. 3 «Твердофазные процессы в металлургических системах», п. 4 «Термодинамика и кинетика металлургических процессов», п. 5 «Металлургические системы и коллективное поведение в них различных элементов», п. 10 «Твердофазные процессы в получении черных, цветных и редких металлов», п. 17 «Материало- и энергосбережение при получении металлов и сплавов».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество, материалы» (Новокузнецк, 2008, 2011, 2013 гг.); XIV Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 2010 г.); VII Международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2010 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов» (Иркутск, 2012 г.); Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии металлургического производства» (Днепропетровск, 2012 г.); X Международной научно-технической конференции молодых специалистов (Новокузнецк, 2012 г.); X Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Энергосбережение. Экология. Новые технологии» (Старый Оскол, 2013 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и семи приложений. Изложена на 154 страницах, содержит 37 рисунков, 29 таблиц и список литературы из 135 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулированы цель и задачи проведенных исследований, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы, а также приведены сведения об ее структуре и апробации.

В первой главе на основе проведенного анализа сформулированы цель, задачи и методы диссертационного исследования.

В настоящее время в металлургии России сформированы основные направления ее модернизации, которые должны обеспечивать: совершенствование действующих металлургических технологий, решение экологических проблем, проблем энерго- и ресурсосбережения, улучшение качества металлопродукции. Развитие современной металлургии приводит к расширению группы процессов, реализуемых в системе Ре-02-С-Н2. Примерами таких металлургических процессов, основанных на углеродотермическом восстановлении и окислении железа, а также параметрически чувствительных к газовой печной атмосфере, могут служить: производство металлизованных окатышей, нагрев стальных заготовок перед обработкой давлением, эмалирование металлических поверхностей, синтез феррошпинелей. При этом наиболее востребован процесс металлизации железорудного сырья, о чем свидетельствуют возникшие за последние 20 лет различные технологии его производства. В качестве восстановителя, в основном, используют продукты конверсии природного газа. Однако, в настоящее время активно развиваются способы получения металлизованного железа с применением твердого восстановителя.

В производстве стального проката при нагреве заготовок угар металла достигает 2 % от полезной массы изделий. Потери металла могут быть минимизированы при оптимизации технологических параметров тепловой обработки и состава газовой атмосферы печи. При эмалировании чугунных изделий качество покрытия может быть улучшено при соблюдении определенного режима окислительного обжига грунтованной отливки. Технологии получения феррошпинелей (тонкодисперсных и крупнокристаллических) также нуждаются в настоящее время в конкретизации параметров синтеза.

Во второй главе разработаны научные основы углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере.

Изучены термодинамические показатели систем Ре-С-0 и Ре-Н-О, построены диаграммы фазово-химических равновесий в системе Ре-02-С-Н2, которые представляются на треугольнике концентраций с вершинами С-Н2-02 (%, мол.). В зависимости от температуры и состава газовой фазы выделены объёмные области существования твердых фаз (Ре2Оэ, Ре304, РеО, Ре и Ств). Поверхности, разделяющие эти области, представляют трехфазные равновесия (рисунок 1).

Рассчитаны изменения составов газовой и конденсированных фаз поверхностей трехфазных равновесий при углеродотермическом восстановлении в водородсодержащей атмосфере в зависимости от температуры при исходном соотношении Ре:02:С:Н2 = (1):(1):(1,345):(1,103). Установлено, что степень металлизации железа 90% достигается при температуре 1100 К в системе с содержанием водорода и 40 % (рисунок 2), тогда как в системе с 10 % Н2 аналогичная степень металлизации наблюдается при 1170 К.

< , %М0,'1Ь II)

а - Ре304-Ре20з-газ; б - Ре0-Ре304-газ; в - Ре-РеО-газ; г - Ре-Ств-газ; пунктир - проекции изотерм на треугольнике концентраций Рисунок 1 - Диаграммы фазово-химических равновесий оксидов железа и твердого углерода в системе Ре-02-С-Н2

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 Н00 1500

Температуря, К

Рисунок 2 - Содержание газообразных (-) и конденсированных веществ

(—) равновесной поверхности РеО—>РеМе в зависимости от температуры при содержании 40 % Н2 в системе Ре-02-С-Н2 и исходном мольном соотношении Ре:02:С:Н2 = (1):(1):(1,345):(1,103)

Исследованы изменения кислородного потенциала системы Ре-02-С-Н2 в зависимости от температуры и состава газовой фазы. Установлено, что добавки водорода в газовую фазу смещают равновесие исследуемой системы в сторону более низких значений температур, кислородных потенциалов и соответственно больших значений отношения СО к С02, тем самым, ускоряя восстановительный процесс.

На треугольнике концентраций С-Н2-02 выделена область составов, в которой интенсивно протекают физико-химические взаимодействия, возможные в четырехкомпонентных газовых смесях системы С0-С02-Н2-Н20 (рисунок 3).

л - равновесная трехфазная поверхность Fe203-Fe304-ra3 (справа), 1 - проекция ее изотермы (слева); - равновесная трехфазная поверхность Fe304-Fe0-ra3 (справа), 2 - проекция ее изотермы (слева); - равновесная трехфазная поверхность FeO-Fe-газ (справа), 3 - проекция ее изотермы (слева); — равновесная трехфазная поверхность Fe-CTB -газ (справа), 4 - проекция ее изотермы (слева); ... - равновесные поверхности ig р„2 = const

Рисунок 3 - Диаграмма фазово-химических равновесий системы Fe-02-C-H2 (справа) и ее изотермический разрез при 1200 К (слева)

На диаграмме (рисунок 3) представлены фрагменты поверхностей одинаковых равновесных значений ^ Ро2 (-10, -12, -14, -16, -18). Эти поверхности пересекают двухфазные области существования твердых фаз, трехфазные поверхности и линии четырехфазных равновесий оксидов железа и твердого углерода с газовой фазой.

Изотермические сечения объемной диаграммы показывают необходимые соответствия параметров технологических процессов: температуру, состав газовой фазы и ее кислородный потенциал (например, на рисунке 3 (слева) выделено изотермическое сечение 1200 К).

Для практического применения результатов термодинамического анализа углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсо-держащей атмосфере трехфазные равновесия системы представлены как функции кислородного потенциала от температуры (рисунок 4).

14 16 18

О

22 24 26

850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 Температура, К

1 - поверхность выделения углерода; 2 - равновесная поверхность FeO-FeMe, 3 - равновесная поверхность Fe0-Fe304, 4 - равновесная поверхность

Fe304-Fe203

Рисунок 4 - Фазово-химические равновесия в системе Fe-02-C-H2 в зависимости от температуры и кислородного потенциала

Кривая пересечения S-L поверхностей 1 и 2 показывает, что при 935 -969 К и пределах lgPo2 от -23,8 до -21,9 происходит начало твердофазного

FcO i

FotOj ¿Л ^Г

/ FÍ304 Fesi.

N L 3" лак

1 / / . f / Ста.

i & S

восстановления вюстита до железа металлического. Параметры начала восстановления магнетита до вюстита отслеживаются по кривой К-Ы: 878 -920 К при значениях ^ ро2 от -24,4 до -22,2. При получении феррошпинелей составы газовых смесей по кислородным потенциалам должны располагаться в области существования магнетита, то есть между равновесными поверхностями перехода магнетита в вюстит 3 и перехода гематита в магнетит 4.

Для удобства использования полученных результатов, значения кислородных потенциалов газовой фазы ^ Ро2 в зависимости от состава гомогенной газовой смеси и температуры представлены в табличном виде (таблица 1).

Таблица 1 — Кислородный потенциал газовой фазы в зависимости от состава гомогенной газовой смеси и температуры (фрагмент)

Состав газовой фазы, % мол. СО 10 10 Значение (- ^ Ро2 ) при соответствующих составах и температуре, К

Ш2 хс хо2 со+со2 я, + я,о

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

10 44 46 1 1 21,6" 18,6" 16,0" 13,5" 11,0" 9,0' 7,0'

10 46 44 2 2 22,2" 19,0" 16,3" 13,8" 11,3' 9,4* 7,5*

10 48 42 3 3 23,0" 19,5" 16,6" 14,1' 11,6* 9,8' 8,0'

10 50 40 4 4 23,5" 20,1' 17,0' 14,5" 12,0' 10,3' 8,5'

10 52 38 5 5 табл.2 21,0* 17,5" 15,0' 12,5' 10,9' 9,0"

10 54 36 6 6 табл.2 21,6 18,0 15,5' 13,2* 11,6' 9,6"

10 56 34 7 7 табл.2 22,3 18,5 16,0 14,0 12,4 10,3'

10 58 32 8 8 табл.2 табл.2 19,0 16,5 14,7 13,2 11,0

10 59 31 9 9 табл.2 табл.2 табл.2 17,0 15,4 14,0 11,8

10 60 30 10 10 табл.2 табл.2 табл.2 табл.2 16,0 14,8 12,5

20...

30...

Примечание: - Ро" ■ - ^ Ро2'; -^Р о2 равновесные значения кислородных потенциалов газовой фазы в области существования Ре304; РеО; РеМе соответственно. Кислородные потенциалы газовых фаз насыщенных углеродом приведены в таблице 2.

Состав газовой фазы представлен, как в координатах треугольника концентраций (С, Н2, 02, % мол.), так и в координатах системы С0-С02-Н2-Н20, в виде базовых отношений С0/(С0+С02)хЮ=1-Ю и Н2/(Н2+Н20)хЮ=1-10. Определены также условия выделения из газовой фазы твердого углерода при охлаждении до 800 К в зависимости от содержания водорода в системе (таблица 2).

Результаты анализа фазово-химических равновесий системы Ре-02-С-Н2 могут быть использованы для прогнозирования технологических режимов

процессов, чувствительных к составу газовой фазы печного пространства. Рекомендованы оптимальные параметры для таких технологических процессов, как упрочняющий и восстановительный обжиги рудоугольных окатышей, окислительный обжиг чугунной отливки перед эмалированием, тепловая обработка металлических изделий, получение тонкодисперсных и крупнокристаллических шпинелей (таблица 3).

В процессах магнетизирующего обжига железорудных концентратов или упрочняющего обжига окатышей или брикетов, осуществляемых при температурах 1050 - 1100 К значение ^ Ро2 должно поддерживаться в узких пределах от -18 до -21 при 1000 К и от -16 до -18 при 1100 К, что может быть обеспечено при сжигании углеводородного топлива с коэффициентом избытка воздуха менее 1.

Таблица 2 - Условия выделения углерода из газовой фазы при охлаждении до 800 К (фрагмент)

Состав исходной газовой фазы, % мол. Температура начала выделения углерода, т„,к Количество углерода, выделившегося от Тц до 800 К, (ХС+ хн2+хо2) Состав конечной газовой фазы, % мол. Изменения значений (- ро2) при охлаждении исходных газовых смесей от Тц до соответствующей температуры, К

ХНг ЕС ЕО2 £Н2 ЕС £02

900 1000 1100 1200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 и 12

10 52 38 940 0,108 10 47 43 23**+24* табл. 1 табл.1 табл.1

10 54 36 960 0,149 11 47 42 23**4-24,4 табл.1 табл.1 табл.1

10 56 34 990 0,176 12 47 41 23**4-24,8 табл.1 табл.1 табл. 1

10 58 32 1050 0,216 13 46 41 23**4-25,3 - табл.1 табл. 1

11 54 35 - 22,34-22,7

10 59 31 1150 0,243 13 46 41 23**+25,8 - - табл.1

11 54 35 - 22,34-23,2 -

10 57 33 - - 19,54-20

10 60 30 1373 0,284 14 45 41 23**4-25 - - -

13 54 33 - 22,34-23,6 - -

12 55 33 - - 19,54-20,5 -

11 58 31 - - - 174-17,7

20...

30...

При восстановительном обжиге рудоугольных окатышей или брикетов для достижения максимальной степени металлизации необходимо при температурах процесса (1100 - 1200 К) обеспечить поддержание в реакционной зоне в газовой фазе значение ^ ро2 от -21 до -24 при 1100 Ки ^ ро2 от -19 до -22 при 1200 К, что в присутствии твердого углерода может достигаться при

невысоких концентрациях С02 в газовой фазе С0/(С0+С02)хЮ=6-Ю и концентрациях водорода до 40 % мол. При повышении температуры процесс может осуществляться при более высоких значениях р„2 (при 1373 К Ро2 ~ -15), минимальных (практически нулевых концентрациях С02 и Н20) и любых концентрациях водорода в газовой фазе.

При обжиге грунтованной поверхности чугунной заготовки перед нанесением эмалевого порошка для образования оксидной пленки, состоящей, в основном, из магнетита, температура процесса должна быть 1200-1250 К при значении ^Ро2 от -13 до -14 и соотношениях в газовой фазе С0/(С02+С0)х 10=2-3.

При нагреве стали с целью обработки изделий или заготовок давлением на поверхности металла образуются пленки из оксидов железа. При этом, угар заготовок, нагреваемых в методических печах, достигает 1,5 %. Окисление металла возможно в значительной степени уменьшить, обеспечив оптимальный режим нагрева, и в том числе состав продуктов сгорания топлива.

Таблица 3 - Прогнозируемые параметры технологических процессов

№ п/п Технологические процессы Температура, К Интервал MgPo2) % Н2 в г.ф. Условия успешного протекания процессов

1. Упрочняющий обжиг окатышей (брикетов) из железорудного концентрата 1000 1100 18-21 16-18 00-40 Сжигание углеводородного топлива с коэффициентом избытка воздуха менее 1

2. Восстановительный обжиг рудоугольных окатышей (брикетов) 1100 1200 21-24 19-22 00-40 Присутствие твердого углерода в газовой фазе, соотношения С0/(С0+С02)хЮ = 6-Ю

3. Обжиг чугунной поверхности перед эмалированием 12001250 13-14 00-40 Соотношения С0/(ССН-С02)х 10=2-3

4. Нагрев стальной заготовки перед обработкой давлением 1400 1500 11-14 00-40 Ввод части твердого углерода в топливную смесь (коэффициент избытка воздуха менее 1)

5. Получение тонкодисперсной железистой шпинели для пигментов не более 1000 18-21 00-40 Любые соотношения С0/(С0+С02)хЮ в газовой фазе

6. Получение крупнокристаллической железистой шпинели 14001500 7-12 00-40 Любые соотношения С0/(С0+С02)х 10 в газовой фазе

При рекомендуемых для большинства марок стали температурах нагрева перед обработкой давлением (1400 - 1500 К) значения lgPo2 должны составлять не более значений от -11 до -14, что может быть достигнуто лишь при достаточно высоких концентрациях СО и Н2 в продуктах сгорания. При

снижении до значений о2 от -12 до -14 возможно выделение из газовой фазы углерода, что предохраняет поверхностные слои стальной заготовки от окисления и обезуглероживания. С этой точки зрения для поддержания низкого кислородного потенциала целесообразно в топливную смесь вводить часть твердого углерода или использовать наряду с газовыми пылеугольные горелки. Во всех случаях необходимые значения ^ ро2 могут быть получены только при коэффициенте избытка воздуха ув < 1.

Для получения тонкодисперсной шпинели для пигментов очевидно необходимо осуществлять процесс при минимальных температурах (1000 К) в области термодинамически стабильного существования магнетита (с целью ограничения скорости роста образовавшихся из исходного сырья кристаллических зародышей) при значениях ^Ро2 от -18 до -21, что может быть реализовано практически при любых соотношениях С0/(С02+С0), Н2/(Н20+Н2) и концентрации водорода в газовой фазе 0 - 40 % мол. При этом размеры образующихся кристаллитов регулируются кинетическим режимом синтеза, а окислительно - восстановительный потенциал газовой фазы (^ ро2) непрерывно контролируется.

При получении крупнокристаллической шпинели для достижения высоких скоростей роста кристаллов твердофазный синтез необходимо осуществлять при максимально высоких температурах (1400 - 1500 К) при значениях Рс>2от -7 до -12, достижимых практически при всех соотношениях С0/(С0+С02), Н2/(Н20+Н2) и концентрациях водорода, и что может обеспечиваться, например, присутствием в реакторе твердого углерода.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований и определения технологических режимов восстановительного обжига железорудного сырья и окислительного обжига поверхности чугунной отливки.

Проведены исследования по получению металлизованных окатышей из железорудного концентрата (Реобщ = 58,8 %) Бакчарского месторождения Томской области, являющегося перспективным сырьевым источником Сибири с запасами ~ 38 млрд.т железной руды (содержание Ре0бщ ~ 38 - 42 %).

Проведенный теоретический анализ углеродотермического восстановления железа подтверждает технологическую целесообразность проведения процесса в водородсодержащей атмосфере. Такой режим может быть обеспечен при использовании полукоксов бурого угля - наиболее доступного материала с большим содержанием водородсодержащих летучих веществ (углеводородов). Водород и углерод в этом случае могут использоваться не только в качестве восстановителей, но и как топливо в виде горючих газов, образующихся при восстановлении. В качестве углерод-водородсодержащего твердого восстановителя выбран полукокс бурого угля Таловского месторождения Томской области с запасами 3,6 млрд.т (технический анализ бурого угля, %: 46,90 Ств.; 10,62 А*1; 47,55 У^; 38,00 ,\УГ; 0,32 8а; 18 % смолы). Разработан

оптимальный режим полукоксования бурого угля (30 - 40 мин. при температуре 848 - 853 К), при котором происходит полное удаление смолистых веществ, а остаточное количество летучих веществ (7 - 15% УёаГ) достаточно для обеспечения углеродотермического восстановления железа в водородсо-держащей атмосфере с концентрацией водорода в газовой фазе 10-12 %.

Из концентратов железной руды Бакчарского месторождения и полукокса бурого угля изготовлены окатыши, имеющие следующий химический состав, %: 35,13 Реобщ.; 28,28 РеО; 37,52 Ре203; 9,85 8Ю2; 5,05 А1203; 0,74 СаО; 0,28 К^О; 0,96 Р205; 13,66 Ств; 0,01 8; и основность 0,1. Восстановительным обжигом получены металлизованные окатыши со следующим химическим составом, %: 70,87 Рео6щ.; 64,71 РеМе; 7,92 РеО; 14,48 8Ю2; 7,41 А12Оэ; 1,09 СаО; 0,41 МиО; 1,41 Р205; 1,32 Сост.; 0,01 в; основностью 0,1 и степенью металлизации 91,3 %. Экспериментальное изучение процесса обжига железорудного концентрата показало, что оптимальные условия для достижения степени металлизации железа 90 — 92 % следующие: продолжительность порядка 1 часа, температура - 1223 К. Следует отметить, что использование окатанной шихты в восстановительном обжиге более эффективно, чем порошкообразной (рисунок 5).

с; ш

з;

О

40

50

60 70 80 90 100 Продолжительность обжига, мин.

110

120

- -1073К(х)=(43,3-39,5)±(1,3-0,8), П73К (о)=(68,2-50,3)±(1,6-1,1),

1223К(Д)=(93,4-71,8)±( 1,9-1,5);-1073К(х)=(38,4-37,2)±(0,9-0,5),

1173К(о)=(46,8-41,2)±( 1,1-0,7), 1223К (Д)=(80,7-62,4)±(2,4-1,7) Рисунок 5 - Зависимость степени металлизации железорудного сырья от продолжительности обжига и температуры в окатанной (--) и порошкообразной шихте (-)

Предложена технологическая схема получения металлизованных ока-

тышей с твердым восстановителем - полукоксом бурого угля. Восстановительный обжиг производится при температуре 1200 — 1250 К в шахтной печи (рисунок 6), с учетом, что нагрев шихты может осуществляться за счет сжигания газов (СО+Н2), образующихся в процессе восстановления.

Технологическая схема предусматривает производство полукокса при температуре 850 - 900 К продолжительностью 40 мин. в шахтной печи полукоксования с последующим принудительным охлаждением и измельчением. Реализация предлагаемой технологической схемы позволяет снизить себестоимость на 350 - 400 руб./т металлизованных окатышей.

металл шовлнные окатыши

1,14- бункера, 2 - питатели, 3 - смеситель, 4 - окомкователь, 5 - сушильный агрегат, 6 - транспортер, 7 — многоподовая шахтная печь, 8 — вал печи, 9 и 10 - коллекторы воздуха и отходящего газа, 11,21- пылеуловители, 12, 22 -дымовые трубы, 13, 24 - пластинчатые транспортеры, 15 - печь полукоксования, 16 - холодильник, 17 - скруббер, 18 - камера дожигания газа, 19 — шаровая мельница, 20 - грохот, В - воздух, ХГ — холодный газ, Г_Г_г горячий

газ, - процесс получения металлизованных окатышей, [__|—процесс

получения полукокса бурого угля

Рисунок 6 — Технологическая схема производства металлизованных окатышей

В условиях ОАО «Завод Универсал» проведены исследования по влиянию на качество эмалевого покрытия параметров обжига грунтованной поверхности чугунной ванны, проводимого в электропечи сопротивления. Для формирования прочного покрытия важное значение имеют состав и строение слоя, образующегося при обжиге грунтованной поверхности. При окислении железа оксидная пленка состоит из трех слоев: внутреннего, примыкающего к железу - РеО, наружного - Ре203 и среднего Ре304. Выше температуры

873 К начинается интенсивное окисление железа. Прочность сцепления грунта и эмали с металлом мала, если поверхность металла недостаточно окислена. Прочность сцепления также уменьшается с утолщением оксидной пленки, так как появляются разрушающие напряжения: она плохо удерживается на металле, растрескивается и отслаивается. Поэтому обжиг чугунных отливок должен осуществляться при строгом соблюдении оптимальных параметров процесса. Установлено, что достаточно хорошее сцепление эмали с металлом достигается при образовании в грунтовом слое оксидной пленки, содержащей порядка 60 % Ре304. Однако, в электропечах окисление чугунной поверхности ванны и насыщение грунта оксидом железа Ре304 при температуре 1173 — 1233 К в течение 15 — 18 мин. происходит медленно и, иногда, в недостаточном количестве. Для получения необходимой степени окисления осуществлена замена электропечи на газовую, а для проведения окислительного обжига предложен следующий режим: температура 1213 - 1233 К, продолжительность 6-8 мин., кислородный потенциал газовой фазы в печи 1§Ро2=(-13) - (-14) при соотношении С0/(С0+С02) = 0,2-0,3 иН2 = 10 -20 %, толщина грунтового слоя 0,15 - 0,20 мм. Кислородный потенциал атмосферы печи определяется соотношением расходов, подводимых к ней природного газа и воздуха, контролируемых установленными в печи датчиками. После ввода в эксплуатацию газовой печи обжига в эмальотделении возврат от потребителя продукции по дефекту «отслоение эмали» уменьшился на 63 %, по сравнению с возвратом ванн, обжигаемых в электропечи. Экономический эффект от внедрения научно-технологических разработок составил в 2013г. ~ 3 млн. руб., что подтверждено актом о технико-экономическом внедрении в производство на ОАО «Завод Универсал».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований выполнено научное, технологическое и экономическое обоснование процессов углеродотермического восстановления и окисления железа в присутствии водорода, показана эффективность и перспективность применения полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований, разработаны оптимальные режимы технологических процессов, протекающих в системе Ре-02-С-Н2. Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Установлена необходимость исследования фазово-химических равновесий в системе Ре-02-С-Н2. Определена группа металлургических технологий, основанных на протекающих в этой системе процессах и параметрически чувствительных к газовой атмосфере печей: производство металлизованных окатышей, тепловая обработка заготовок под прокатку, эмалирование металлических поверхностей, синтез феррошпинелей.

2. Разработаны научные основы углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере, включающие построе-

ние и анализ диаграммы фазово-химических равновесий Ре-02-С-Н2, исследование изменений кислородного потенциала системы в зависимости от температуры и состава газовой фазы, определение параметров газификации углерода, равновесных условий и показателей восстановления (соотношение железо-углерод-кислород, температура, содержание водорода в газовой фазе, степень металлизации). Установлено, что степень металлизации 90 % достигается при температурах 1100 К и 1170 К при содержании водорода в газовой фазе 40 и 10 % соответственно.

3. По результатам анализа системы Ре-02-С-Н2 выполнен прогноз оптимальных параметров для выбранной группы технологических процессов: температура, кислородный потенциал газовой фазы и содержание в ней водорода.

4. Обоснован состав шихты, условия получения железорудных окатышей из концентрата Бакчарского месторождения и полукокса бурого угля, определены технологические режимы восстановительного обжига и качественные показатели. Установлено, что степень металлизации 90 - 92 % достигается при температуре 1223 К и продолжительности порядка 1 часа.

5. Разработана технологическая схема производства металлизованных окатышей из природных ресурсов Томской области (железорудного концентрата Бакчарского месторождения и полукокса бурого угля Таловского месторождения).

6. Разработаны технологические рекомендации по управлению фазовым, химическим составами и толщиной поверхностного слоя чугунных отливок, обжигаемых перед эмалированием. Определены оптимальные условия обжига (температура 1213 - 1233 К, продолжительность 6-8 мин., значение 1ё Ро2 от -13 до -14, соотношение СО/(СО+СЮ2) = 0,2 - 0,3, содержание в газовой фазе Н2 = 10 - 20%, толщина грунтового слоя 0,15 - 0,20 мм). Экономический эффект от снижения брака составил в 2013г. 3 млн. руб., что подтверждено актом о технико-экономическом внедрении в производство на ОАО «Завод Универсал».

7. Научные результаты диссертационного исследования внедрены ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ) в учебный процесс студентов, обучающихся по направлению 150400 - Металлургия (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в учебный процесс).

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК

1. Строкина, И. В. Изменения окислительно-восстановительных свойств газовой фазы системы С-02-Н2 / И. В. Строкина, Н. Ф. Якушевич // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2011. - № 6. - С. 3-5.

2. Якушевич, Н. Ф. Определение параметров окислительно-восстановительных процессов в системе Ре-С-02-Н2 / Н. Ф. Якушевич, И. В. Строкина, О. А. Полях // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2011. - № 8. -С. 13-18.

3. Якушевич, Н. Ф. Термодинамические закономерности фазово-химических равновесий в системе Ре-С-02-Нг / Н. Ф. Якушевич, И. В. Строкина, О. А. Полях // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2012. - № 4. -С. 9-17.

Труды периодических изданий и научно-практических конференций

4. Якушевич, Н. Ф. Определение оптимальных режимов восстановления железорудных концентратов комбинированными восстановителями (Ств+Н2) / Н. Ф. Якушевич, И. В. Чужинова (И. В. Строкина) // Вестник горнометаллургической секции РАЕН. Отделение металлургии: сб. науч. тр. - Новокузнецк - Москва: Изд-во СибГИУ, 2007. - В.20. - С. 25-36.

5. Якушевич, Н. Ф. Выбор оптимального режима твердофазного восстановления Бакчарских железорудных концентратов полукоксом / Н. Ф. Якушевич, К. С. Елкин, И. В. Чужинова (И. В. Строкина) // Вестник горнометаллургической секции РАЕН. Отделение металлургии: сб. науч. тр. - Новокузнецк - Москва: Изд-во СибГИУ, 2008. - В.21. - С. 27-33.

6. Якушевич, Н. Ф. Возможности переработки высокофосфористых руд Бак-чарского железорудного месторождения / Н. Ф. Якушевич, И. В. Чужинова (И. В. Строкина) // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество: сб.тр. Всерос. науч.-практич. конф. - Новокузнецк: СибГИУ, 2008. - С. 13-16.

7. Якушевич, Н. Ф. Развитие новых процессов получения стали / Н. Ф. Якушевич, И. В. Строкина // Современные проблемы электрометаллургии стали: сб. тр. XIV Межд. конф. - Челябинск: ЮУрГУ, 2010 г. -С. 25-28.

8. Якушевич, Н. Ф. Оптимальный выбор железосодержащего сырья для металлургических заводов / Н. Ф. Якушевич, И. В. Строкина // Современная металлургия начала нового тысячелетия: сб.тр. VII Междун. науч.-техн. конф. - Липецк: ЛГТУ, 2010 г. - С. 36-39.

9. Якушевич, Н. Ф. Термодинамические параметры диссоциации оксидов железа до шпинелей в системе Ре-С-02-Н2 / Н. Ф. Якушевич, И. В. Строкина // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии: сб. науч. труд. - Новокузнецк - Москва: Изд-во СибГИУ, 2011. - В.21. - С. 27-33.

10. Строкина, И. В. Интенсификация процесса металлизации железорудного сырья / И. В. Строкина, Н. Ф. Якушевич, О. А. Полях // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество: сб. тр. XV Всерос. науч.-практ. конф. - Новокузнецк: СибГИУ, 2011. - С. 134-139.

П.Якушевич, Н. Ф. Повышение эффективности процесса металлизации железорудного сырья / Н. Ф. Якушевич, И. В. Строкина // Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междун. участием. - Иркутск: ИрГТУ, 2012. - С. 54-55.

12.Бондаренко, А. С. Использование термогравиметрического анализа для изучения углеродотермических процессов восстановления / А. С. Бондарен-ко, И. В. Строкина // Тезисы X Межд. науч.-техн. конф. молодых специалистов. Коксохимическая секция. ЕВРАЗ. - Новокузнецк: ЕВ РАЗ, 2012. -С. 8-10.

П.Якушевич, Н. Ф. Закономерности углеродотермического восстановления оксидов железа в присутствии водорода / Н. Ф. Якушевич, О. А. Полях, И. В. Строкина // Инновационные технологии металлургического производства: материалы Междун. науч.-практ. конф. - Днепропетровск, 2012. -С. 32-37.

14. Строкина, И. В. Использование природных ресурсов Томской области для получения высокометаллизованного сырья в сталеплавильном производством / И. В. Строкина, Н. Ф. Якушевич, В. В. Руднева // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество: сб.тр. Всерос. науч.-практ. конф. -Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2013. - С. 50-54.

15. Строкина, И. В. Определение технологических режимов углеродотермического восстановления в водородсодержащей атмосфере железорудных концентратов Бакчарского месторождения / И. В. Строкина, Н. Ф. Якушевич, В. В. Руднева // Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Энергосбережение. Экология. Новые технологии: материалы X Всерос. науч.-практ. конф. - Старый О скол, 2013. - С. 78-82.

Подписано в печать 13.11.2013г. Формат бумаги 60x84, 1/16. Усл. печ. л.1,22 Уч. Изд.л. 1,37 Тираж 80 экз. Заказ 513/1.

654007, г. Новокузнецк, Кемеровская область, ул. Кирова, 42, Издательский центр ФГБОУ ВПО «СибГИУ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УГЛЕРОДОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ОКИСЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА В ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ

АТМОСФЕРЕ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

На правах рукописи

04201455489

СТРОКИНА ИРИНА ВЛАДИМИРОВНА

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Якушевич Н.Ф.

Новокузнецк, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................4

1. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, ОСНОВАННЫЕ НА ПРОЦЕССАХ, ПРОТЕКАЮЩИХ В СИСТЕМЕ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД-КИСЛОРОД-ВОДОРОД............................................................................................12

1Л Тенденции развития черной металлургии...................................................12

1.2 Основные технологии прямого восстановления и восстановительной плавки железных руд...........................................................................................14

1.2 Л Газофазные процессы восстановления...............................................15

1.2.2 Твердофазные процессы восстановления...........................................18

1.2.3 Использование железа прямого восстановления в дуговых электропечах...................................................................................................19

1.2.4 Жидкофазное восстановление.............................................................21

1.3 Тепловая обработка стальных заготовок под прокатку.............................22

1.4 Эмалирование поверхностей чугунных заготовок.....................................23

1.5 Синтез феррошпинелей.................................................................................24

Выводы и постановка задач исследования........................................................26

2. РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ УГЛЕРОДОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ОКИСЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА В ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ АТМОСФЕРЕ............................................................28

2.1. Анализ термодинамических и кинетических характеристик систем Ге-О-СиЕе-О-Н...........................................................................................28

2.2 Построение диаграммы фазово-химических равновесий в системе Ре-02-С-Н2.............................................................................................................41

2.3 Построение поверхности газификации углерода в рамках системы Ре-02-С-Н2.............................................................................................................64

2.4 Определение кислородного потенциала при углеродотермическом восстановлении железа в водородсодержащей атмосфере..............................66

2.5 Параметры окислительно-восстановительных процессов в системе Ре-02-С-Н2.............................................................................................................74

2.6 Прогнозирование технологических режимов для выбранной группы металлургических процессов, чувствительных к составу газовой фазы

печной атмосферы................................................................................................83

Выводы..................................................................................................................91

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УГЛЕРОДОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ОКИСЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА В ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ АТМОСФЕРЕ.......................................93

3.1 Восстановительный обжиг железорудного сырья......................................93

3.1.1 Железорудное сырье.............................................................................93

3.1.2 Выбор восстановителя для осуществления углеродотермического восстановления в присутствии водорода.....................................................95

3.1.3 Изготовление окатышей из железорудного концентрата Бакчарского месторождения с полукоксом бурого угля Таловского месторождения.............................................................................................102

3.1.4 Исследование восстановительного обжига железорудных окатышей.......................................................................................................105

3.1.5 Технологическая схема производства металлизованных окатышей.......................................................................................................107

3.2 Обжиг чугунных отливок перед эмалированием......................................113

Выводы................................................................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................118

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ......................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ А............................................Ошибка! Закладка не определена.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.....................................................................................................136

ПРИЛОЖЕНИЕ В.............................................Ошибка! Закладка не определена.

ПРИЛОЖЕНИЕ Г.....................................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ Д....................................................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ Е.............................................Ошибка! Закладка не определена.

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж....................................................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

В современной структуре потребления конструкционных материалов 94 % составляют железоуглеродистые сплавы, главным образом стали различного назначения. По данным ассоциации World Steel Association в 2012 г. мировое производство стали составило 1,548 млрд. т. В среднесрочной перспективе прогнозируется сохранение достигнутых темпов роста ее производства и потребления. Однако в ближайший период мировая металлургия будет развиваться в условиях ужесточения национальных экологических законодательств, истощения разведанных железорудных и углеродсодержащих ресурсов, повышения стоимости электроэнергии и природных энергоносителей, тарифов на грузоперевозки. В связи с этим все более актуальной становится задача повышения эффективности металлургического производства за счет разработки и освоения ресурсо- и энергосберегающих технологий, расширения сырьевой базы.

В настоящей работе в качестве объекта для анализа и исследования выбраны следующие металлургические технологии, основанные на процессах, протекающих в системе железо - углерод - кислород - водород и параметрически чувствительных к газовой атмосфере в печном пространстве: производство металлизованных окатышей углеродотермическим восстановлением из оксидов железа; нагрев стальных заготовок перед обработкой давлением; получение декоративно-защитных эмалевых покрытий на чугунных изделиях; синтез феррошпинелей различного назначения.

Металлизованные окатыши, востребованные в бездоменной металлургии для частичной или полной замены лома при выплавке электростали, получают, в основном, газофазным восстановлением с использованием продуктов конверсии природного газа в шахтных печах (процесс Midrex) или углеродотермическим восстановлением во вращающихся

обжиговых барабанных печах. Главный недостаток процесса Млёгех - высокий расход природного газа, постоянно растущая стоимость которого обуславливает необходимость поиска новых технологических решений, в том числе с использованием более доступных твердых углерод-водородсодержащих восстановителей.

Стальной прокат является основным видом конечной металлопродукции металлургических предприятий. Его объем достигает 80 % от общего производства стали. Основная доля стального проката производится с предварительным нагревом слитков или заготовок перед обработкой давлением. При этом существенным фактором, влияющим на ресурсоемкость производства, являются потери металла вследствие высокотемпературного окисления (угара). В зависимости от применяемой технологии и оборудования они могут достигать 1-2 %. Для ряда производств, например производств рессор и пружин, не менее важным фактором, является обезуглероживание стали. Необходимость удаления обезуглероженного слоя, например, с помощью шлифовки, помимо увеличения трудоемкости производства, приводит к дополнительным потерям полезной массы металлоизделий. Потери от угара и обезуглероживания могут быть минимизированы при достижении и поддержании рационального состава газовой атмосферы нагревательных печей.

Эмалирование - одна из широко распространенных технологий получения декоративно-защитных покрытий металлических поверхностей, качество которых во многом зависит от характеристик переходного между металлом и эмалью слоя (грунта), подвергаемого перед эмалированием окислительному обжигу.

Феррошпинели тонкодисперсные и крупнокристаллические достаточно востребованы в современных технологиях. Однако получение их твердофазным синтезом до сих пор не имеет научно-технологического обоснования и требует конкретизации параметров (интервала температур, значений кислородного потенциала газовой фазы).

Диссертационная работа выполнена при грантовой поддержке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (НИР № ГР 01201150646 в 2010 г.) в соответствии с перечнем приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации от 2011 г. — «Рациональное природопользование», «Энергоэффективность,

энергосбережение».

Цель работы.

Разработка научных основ и определение технологических режимов углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере, осуществляемых в выбранной для анализа и исследования группе металлургических процессов (восстановительный и окислительный обжиги, тепловая обработка металлоизделий, синтез феррошпинелей).

Основные задачи.

1. Разработка научных основ углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере.

2. Оценка возможности практического применения результатов теоретического анализа для оптимизации параметров технологических процессов, реализуемых в исследуемой системе.

3. Экспериментальные исследования и определение технологических режимов углеродотермического восстановления железа из железорудного сырья полукоксом из бурого угля в водородсодержащей атмосфере.

4. Разработка технологической схемы получения металлизованных окатышей.

5. Экспериментальные исследования и определение оптимальных режимов окислительного обжига чугунных отливок в технологии эмалирования.

Методы исследования.

Работа выполнена с привлечением современных методов теоретических

и экспериментальных исследований: математического моделирования и термодинамических расчетов с реализацией на ПЭВМ при построении и анализе диаграммы состояния системы Fe-02-C-H2, термогравиметрического метода при исследовании процессов восстановления железа и полукоксовании бурого угля, химического и физико-химического анализов (рентгенография, спектроскопия, термогравиметрия) при физико-химической аттестации продуктов восстановления, окисления, полукоксования.

Полученные результаты обрабатывались с использованием стандартного пакета прикладных программ Microsoft Office и системой компьютерной алгебры Mathcad.

Научная новизна.

1. Разработаны научные основы углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере, включающие: построение и анализ диаграммы фазово-химических равновесий системы Fe-C--О2-Н2, исследование изменения кислородного потенциала системы в зависимости от температуры и состава газовой фазы.

2. Определены параметры газификации твердого углерода в системе Fe-С-О2-Н2 и предложена методика многовариантного расчета кислородного потенциала кислород-углерод-водородсодержащей газовой фазы в зависимости от ее состава и температуры, а также количества выделяющегося углерода при ее охлаждении.

3. Определены по результатам термодинамического анализа оптимальные равновесные условия и показатели восстановительного обжига железорудных окатышей: соотношение железо-кислород-углерод, температура, содержание водорода в газовой фазе, степень металлизации.

4. Установлены температурно-временные условия получения и исследованы физико-химические свойства углеродистого восстановителя -полукокса из бурых углей.

5. Обоснован состав шихты и исследованы условия получения

восстановительным обжигом металлизованных окатышей, определены их качественные показатели.

6. Определены по результатам теоретических и экспериментальных исследований условия окислительного обжига чугунных отливок в технологии эмалирования (состав газовой фазы, ее кислородный потенциал, температура, продолжительность).

Практическая значимость и реализация результатов.

1. На основе интерпретации результатов теоретических и экспериментальных исследований определены технологические режимы углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования технологических параметров процессов, чувствительных к составу печной атмосферы: упрочняющий и восстановительный обжиги рудоугольных окатышей, окислительный обжиг чугунной отливки перед эмалированием, тепловая обработка металлических изделий, получение тонкодисперсных и крупнокристаллических шпинелей.

2. Разработана технологическая схема производства металлизованных окатышей из природных ресурсов Томской области (железорудного концентрата Бакчарского месторождения и полукокса бурого угля Таловского месторождения).

3. Разработаны технологические рекомендации по управлению фазовым, химическим составами и толщиной поверхностного слоя чугунных отливок, обжигаемых перед эмалированием. Подтверждены и приняты к внедрению в условиях ОАО «Завод Универсал» оптимальные условия обжига (температура, продолжительность, состав газовой фазы и ее кислородный потенциал). Экономический эффект от снижения брака составил в 2013 г. 3 млн. руб.

4. Научные и технологические результаты диссертационного исследования внедрены ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ) в учебный процесс студентов,

обучающихся по направлению 150400 - Металлургия.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается совместным использованием современных методов теоретического анализа и экспериментального исследования углеродотермического восстановления и окисления железа в присутствии водорода, опирающихся на качество измерений и статистическую обработку результатов; применением апробированных методов исследований; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; достаточной эффективностью предложенных технологических решений, подтвержденной результатами промышленных испытаний.

Предмет защиты.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа фазово-химических равновесий в системе Бе-С-Ог-Нг.

2. Результаты термодинамического анализа равновесных условий углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере.

3. Результаты исследования процесса восстановительного обжига железорудных окатышей с использованием полукокса и показатели качества металлизованных окатышей.

4. Технологическая схема получения металлизованных окатышей из железорудного концентрата Бакчарского месторождения и полукокса бурого угля Таловского месторождения.

5. Технологические параметры обжига чугунных отливок перед эмалированием.

Автору принадлежит

- постановка задач теоретических и экспериментальных исследований;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований процессов углеродотермического восстановления железа в водородсодержащей

атмосфере;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований процессов окисления железа в кислород-углеводородсодержащей атмосфере;

- разработка технологической схемы производства металлизованных окатышей в условиях Томской горнодобывающей компании;

определение технологических режимов обжига чугунных отливок перед эмалированием в условиях ОАО «Завод Универсал»;

- обработка полученных результатов, анализ, обобщение, систематизация, научное обоснование, формулировка выводов и рекомендаций.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов п. 3 «Твердофазные процессы в металлургических системах», п. 4 «Термодинамика и кинетика металлургических процессов», п. 5 «Металлургические системы и коллективное поведение в них различных элементов», п. 10 «Твердофазные процессы в получении черных, цветных и редких металлов», п. 17 «Материало-и энергосбережение при получении металлов и сплавов». Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество, материалы» (Новокузнецк, 2008, 2011, 2013 гг.); XIV Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 2010 г.); VII Международной научно-технической конференции «Современная металлурги я начала нового тысячелетия» (Липецк, 2010 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов» (Иркутск, 2012 г.); Международной научно-технич�