автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка технологических основ производства окатышей из гематитового концентрата для использования в процессе ITmk3

І (а правах рукописи

005051733

Вохмякова Ирина Сергеевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОИЗВОДСТВА ОКАТЫШЕЙ ИЗ ГЕМАТИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ГГткЗ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2013

005051733

Работа выполнена на кафедре «Теплофизика и информатика в металлургии ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Н ау ч н ы й ру ко вод ител ь:

кандидат технических наук, профессор

Гущин Сергей Николаевич

Официальные оппоненты:

Загайнов Сергей Александрович Доктор технических наук, профессор института материаловедения и металлургии ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.П.Ельцина», зав. кафедрой «Металлургия железа и сплавов»,

Чесноков Юрий Анатольевич Кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения РАН»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова»

Защита диссертации состоится «15» февраля 2013 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.285.05 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России К.Н.Ельцина» по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, Главный учебный корпус, ауд. I (зал Ученого совета), тел. (факс) (343) 374-38-84.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина».

Автореферат разослан «10» января 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук,

профессор

У і о

Карелов С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Несмотря на высокую производительность и степень освоенности доменной печи, а также возможности переработки практически любого вида железорудного сырья с использованием кокса, всё больший интерес проявляется к процессам бескоксовой металлургии.

Одним из перспективных процессов является технология 1ТшкЗ (Ironmaking Technology Mark Three), разработанная для производства чугуна без применения кокса в печах с вращающимся подом. 1ТшкЗ характеризуется высокими показателями качества конечного продукта (чугунные гранулы), малыми выбросами загрязняющих веществ и небольшими удельными капитальными затратами, а также возможностью производства чугуна в условиях горно-обогатительных комбинатов.

Исследования зарубежных ученых по переработке железорудного сырья в процессе ITmk3 (B.Anameric, S.K.Kawatra и др.) ориентированы в основном на переработку магнетитовых руд, являющихся также исходным сырьём для получения чугунных гранул на заводе в штате Минессота, США. Но в настоящее время наблюдается тенденция истощения месторождений магнетитовых руд и удорожания их переработки, в результате чего возникает весьма актуальная задача поиска и вовлечения в промышленное производство альтернативных железорудных материалов, в качестве которых могут быть использованы гематитовые руды. Мировые запасы гематитовых руд оценивают величиной 100 млрд. т., при этом их основное количество приходится на страны, у которых отсутствует природный газ, но имеются запасы углей, например, Украина, Индия, Бразилия и т.д.. Однако, в силу значительного отличия минералогического состава и свойств гематитовых руд от традиционных магнетитовых материалов, использование их для переработки в процессе ITmk3 требует разработки новых технологических режимов. Последнее обуславливает актуальность исследования особенностей процесса окомкования и сушки гематитовых руд с целью получения качественных чугунных гранул.

Целью диссертационной работы является разработка технологии производства рудоугольпых гематитовых окатышей для использования в процессе ITmk3 на основе изучения процессов окомкования, сушки и восстановления.

Для достижения поставленной цели выделены следующие задачи:

1. Определить условия окомкования гематитовой руды, позволяющие получать окатыши с высокими прочностными свойствами.

2. Установить тип и количество связующих добавок, обеспечивающих необходимые механические свойства сырых и сухих окатышей для использования в технологии ITmk3.

3. Определить оптимальные условия сушки гематитовых окатышей и исследовать закономерности их упрочнения в процессе сушки.

4. Определить условия, влияющие на формирование чугунных гранул при восстановительно-тепловой обработке рудоугольных гематитовых окатышей.

5. Исследовать влияние твёрдого восстановителя на формирование реакционных поверхностей при восстановительно-тепловой обработке рудоугольных окатышей на основе гематитового концентрата.

Объект исследования - технология 1ТткЗ с использованием гематитовой руды в качестве исходного сырья.

Предмет исследования - процессы окомкования, сушки и восстановления гематитовых окатышей с твёрдым топливом.

Методы исследования. Исследования процессов окомкования, сушки и восстановления гематитовых окатышей с твёрдым топливом выполнены в лабораторных условиях. Измерения технологических параметров осуществляли стандартными приборами, прошедшими государственную поверку по стандартным методикам, что определило достоверность полученных результатов.

При обработке экспериментальных данных использован расчетно-теоретический анализ, основу которого составили положения теории тепло- и массообмена, теории металлургических процессов и методы математической статистики.

Научная новизна результатов работы.

1. Выявлены закономерности окомкования гематитового концентрата с различной удельной поверхностью. Определены значения этого параметра, обеспечивающие получение требуемой технологией 1ТшкЗ показателей прочности сырых окатышей.

2. Проведена систематизация роли количества и типа связующих добавок в формировании прочностных свойств окатышей. Выявлено, что оптимальным связующим является мука в количестве 5 %, что обеспечивает необходимые качественные показатели окатышей, загружаемые в печь с вращающимся подом.

3. На основе анализа результатов исследований процессов сушки окатышей из гематитового концентрата с твёрдым топливом сформулированы основные технологические принципы - тип связующего и параметры сушильного агента.

4. Впервые разработаны и сформулированы модельные представления о закономерностях развития реакционных поверхностей при восстановлении рудоугольного окатыша гематитового состава до магнетита. При этом положено, что реакционные поверхности образуются не только за счёт релаксации возникающих напряжений, сопровождающих фазовый переход Ре203 —► Ре304, но и вследствие выгорания твёрдого топлива и связующего вещества.

5. Установлены факторы, определяющие закономерности формирования чугунных гранул при восстановлении гематитовых окатышей. Выявлено, что основными факторами являются температура и количество угольной подушки. При этом продолжительность восстановительно-тепловой обработки гематитовых окатышей зависит от типа твёрдого восстановителя.

Практическая значимость работы.

1. Показана и подтверждена возможность получения рудоугольных гематитовых окатышей для последующего получения из них чугунных гранул в процессе ГГткЗ.

2. Разработаны технологические условия для производства рудоугольных окатышей из гематитового концентрата, предназначенные для использования в процессе ГГткЗ.

3. Установлены факторы, влияющие на формирование чугунных гранул, их качество и гранулометрический состав.

Личный вклад автора. Личный вклад автора работы заключается в постановке цели и задач исследования, разработке его методологии, в личном участии при проведении лабораторных исследований, обработке экспериментальных, расчётных данных и их анализе.

Автор защищает:

1. Результаты лабораторных исследований процессов окомкования и сушки гематитовых окатышей с твёрдым топливом, предназначенных для процесса ITmk3.

2. Модельные представления о закономерностях развития реакционных поверхностей при восстановлении рудоугольных гематитовых окатышей.

3. Технологические основы, обеспечивающие получение качественных чугунных гранул при восстановлении рудоугольных окатышей из гематитового концентрата.

Реализация результатов. Результаты исследования использованы в разработке перспективных программ развития производства металлургического сырья Объединенной металлургической компании (ОМК).

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях «Творческое наследие Б.И.Китаева», УГТУ-УПИ (г.Екатеринбург, 2009 г.) и «Теория и практика тепловых процессов в металлургии», УрФУ им. первого Президента России (г.Екатеринбург, 2012 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 11 научных статьях, из них 3 опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 122 страницах машипописного текста и содержит 26 таблиц, 40 рисунков и список использованной литературы, включающий 86 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность темы диссертации, цель и задачи работы, дана характеристика ее научной новизны и практической значимости.

В первой главе проведен сравнительный анализ процессов по внедоменному получению чугуна, на основании которого выявлены их преимущества и недостатки, позволившие выделить технологию ITmk3, как одну из перспективных среди промышленно освоенных. Описана технология ITmk3 и представлены требования, предъявляемые к окатышам для их использования в печи с вращающимся подом (табл. 1).

Таблица 1 — Требования, предъявляемые к окатышам в технологии ITmk3

Окатыши Прочность на сжатие (min), кг/окатыш Прочность на сбрасывание (высота сбрасывания - 457,2 мм)

Сырые 2 5 раз до разрушения

Сухие 20 >10 раз до разрушения

Приведен обзор особенностей гематитовых руд и упрочняющих добавок, используемых для производства окатышей. Проведен анализ существующих

исследований по восстановлению гематитових окатышей, который показал, что влияние твёрдого восстановителя и упрочняющих добавок, содержащихся в шихте окатышей, на скорость восстановления и собственно на степень восстановления не учитывается.

На основании аналитического обзора сформулированы следующие выводы:

1. существующие модельные представления о восстановлении окатышей из гематитовых концентратов не могут в полной мере быть использованы для анализа процессов ІТткЗ;

2. вопросы выбора связующих добавок и условий окомкования шихт на основе гематитовых концентратов не нашли должного отражения;

3. отсутствует информация о закономерностях сушки окатышей из гематитовых концентратов с содержанием значительного количества твёрдого топлива;

4. сведения о результатах лабораторных и полупромышленных испытаний получения чугунных гранул из окатышей на основе гематитового концентрата в литературе не обнаружены.

Вторая глава посвящена изучению факторов, влияющих на качественные показатели сырых окатышей из гематитового концентрата, содержащих значительное количество твёрдого восстановителя.

Одним из факторов, влияющих на прочность окатышей, является удельная поверхность составляющих шихты, изучение влияния которой на свойства сырых окатышей осуществляли путем изменения гранулометрического состава концентрата. Концентрат с исходной удельной поверхностью ~ 420 см2/г измельчали на шаровой мельнице с разной продолжительностью помола. После чего были подготовлены шихты, состав которых приведён в таблице 2.

Таблица 2 - Состав шихт, изготовленных для опытов

№ опыта Удельная поверхность концентрата, см2/г Количество концентрата, % масс. Содержание бентонита, % масс. Содержание коксика, % масс. Содержание влаги, %

1 1260 79,2 0,8 20 7

2 78,8 1,2

3 1530 79,2 0,8 20 7

4 78,8 1,2

5 1800 79,2 0,8 20 7

6 78,8 1,2

7 2000 79,2 0,8 20 7

8 78,8 1,2

Количество твёрдого восстановителя в шихте обусловлено необходимостью восстановления Ре203 до Ремет. Удельная поверхность твёрдого восстановителя во всех опытах была постоянная и составляла ~ 2000 см2/г.

При определении расхода бентонита за основу принимали практические данные для производства окатышей, используемых в доменном переделе и процессах металлизации - 0,8 и 1,2 % масс. При этом ограничение расхода бентонита до 1,2 % обусловлено минимизацией снижения содержания железа в конечном продукте.

0.7

Влажность шихты составила 7 % ввиду отсутствия приемлемых данных для производства рудоугольных окатышей на основе гематитовой руды применительно для технологии 1ТткЗ. На следующих этапах исследования значение оптимальной влажности уточнено.

Из подготовленных шихт были накатаны окатыши с добавлением воды в процессе окомкования, с последующим рассевом и отбором узкого класса сырых окатышей диаметром 14-16 мм, у которых определяли прочность на сжатие и пластичность. Часть окатышей сушили в сушильном шкафу при 1= 105 °С с целью определения влажности и пористости. Полученные результаты представлены на рисунках 1 и 2.

Анализ данных рисунка 1 показывает, что увеличение удельной поверхности концентрата неоднозначно влияет на прочностные характеристики сырых окатышей. Так прочность сырых окатышей на сжатие возрастает с увеличением удельной поверхности до ~ 1600 см2/г, вследствие увеличения числа контактов между отдельными частицами. Но при дальнейшем увеличении удельной поверхности гематитового концентрата до 2000 см2/г наблюдается снижение прочности (от 2,01 до 1,84 кг/окатыш), независимо от содержания бентонита в окатышах, что можно объяснить высокой конечной влажностью окатышей (рис. 2). Совсем иной характер имеют кривые, описывающие зависимость пластичности Удельная поверхность, «Лг 0Т УДеЛЬНОЙ поверхности.

Рис. 2 Влияние удельной поверхности на влажность Пластичность сырых ока-окатышей (цифры у кривых - содержание бентонита) тышеи возрастает с увеличением удельной поверхности концентрата. Также, из анализа данных рисунка 1

£ /

TÍ / 0,8%

Г / 1,2%/"

/ _____ - —А 0,8%

---7 /____t

/

/

5.0

4,5 3 ш

4,0 §

X

35 i

3,0 -„

О

»S

о

2.0 & •о

D»

j С О

1.5 С «

м

го 1

х<

0,5 0.0

1150 1350 1550 1750 1950

Удельная поверхность, см!/г

сплошные линии - прочность на сжатие; пунктирные линии - пластичность Рис. 1 Влияние удельной поверхности концентрата на качественные показатели сырых окатышей (цифры у кривых - содержание бентонита)

следует, что окатыши, содержащие бентонит в количестве 1,2 %, характеризуются несколько более высокой прочностью на сжатие по сравнению с окатышами с 0,8 % бентонита. Такое поведение обусловлено тем, что с увеличением содержания бентонита в шихте увеличивается количество коллоидных частиц, и соответственно, образуется более устойчивый коллоидный раствор. Пластичность же окатышей с 1,2 % бентонита выше пластичности окатышей с 0,8 % только при удельной поверхности концентрата свыше 1800см2/г, что связано с более высокой влажностью окатышей (рис. 2).

Таким образом, анализ результатов опытов, позволил сделать вывод: влияние гранулометрического состава концентрата на механические свойства сырых окатышей проявляется через особенности межфазных взаимодействий частиц гематита с остальными составляющими шихты и влагой. При этом, поскольку действие удельной поверхности на прочностные свойства сырых окатышей неоднозначно, то её влияние учитывалось на следующих этапах исследования с целью выявления оптимального значения. Гематитовый концентрат с удельной поверхностью 1260 см2/г в следующих опытах не использовался, так как окатыши из него характеризовались наименьшими прочностными показателями.

Следующий этап исследования заключался в подборе упрочняющей добавки, поскольку, несмотря на тонкое измельчение составляющих шихты и тщательное их перемешивание, требуемыми механическими свойствами сырые окатыши для их использования в технологии 1ТшкЗ не обладали. Поэтому проведены опыты с использованием упрочняющих добавок, таких как интерполимерного (далее ИПС) и полимерминерального соединений (далее ПМС), активно применяемых в последнее время на горно-обогатительных комбинатах. При определении количества связующих добавок, вводимых в шихту на основе гематитового концентрата, исходили из опыта работы различных горно-обогатительных комбинатов, работающих на магнетитовых концентратах. Так, количество связующего вещества в шихте составляет: ИПС - 120 г/т концентрата и ПМС - 100 г/т концентрата. Результаты исследований свойств сырых окатышей с различными видами связующих добавок, в том числе и с бентонитом (1,2 %), представлены на рисунке 3 (а, б).

Анализ графиков показывает, что связующие добавки разного вида влияют на качественные показатели сырых окатышей неоднозначно. Например, сырые окатыши, содержащие ПМС, характеризуются высокими показателями прочности на сжатие (~ 2,3 кг/окатыш) и низкими значениями пластичности (1,2-1,8 раз). Аналогичные показатели и у окатышей, полученных с ИПС. В то время как окатыши с бентонитовой глиной характеризуются высокой пластичностью (до 5 раз) и более низкой прочностью на сжатие ~ 1,8-2 кг/окатыш.

Таким образом, полученные результаты не позволяют рекомендовать исследуемые связующие вещества к использованию в технологии 1ТшкЗ, поскольку последние не обеспечивают требуемых качественных показателей сырых окатышей.

Также анализ данных, представленных на рисунке 3, позволяет сделать вывод, что окатыши, выполненные из гематитового концентрата с удельной поверхностью 2000 см2/г, в большинстве случаев характеризуются более высокими показателями, чем окатыши с удельными поверхностями гематитового концентрата 1530 и 1800 см2/г.

2,4 2,3 2,2 2,1 2 1,9 1,8 1,7 1,6

" 1,5 ^

1500 1650 1800 1950 2100

Удельная поверхность, см2/г

а) Зависимость прочности на сжатие окатышей от удельной поверхности концентрата при различных связующих

.5 5

Поэтому на следующих этапах исследования использовали концентрат с удельной поверхностью только 2000 см /г. Для получения окатышей, удовлетворяющих требованиям технологии 1ТшкЗ, выполнены опыты с применением связующих веществ органического происхождения: муки и добавки на основе полиметилен-нафталинсульфаната (далее ПНС).

Содержание муки 3 и 5 % обусловлено следущим: во" 1500 1650 1800 1950 2100 ПерВЫХ, С уВвЛИЧв-

, нием его в шихте

Удельная поверхность, см /г

содержание железа в

б) Зависимость пластичности окатышей от удельной конечном продукте поверхности концентрата при различных связующих не уМеньшается в0_

Рис. 3 Качественные показатели сырых окатышей вторых, под действи-

ем высокой температуры мука выгорает и способствует формированию пористой структуры, увеличивая тем самым, реакционную поверхность для последующего восстановительного процесса и, соответственно, скорость восстановления. Количество ПНС добавки - 0,8 и 1,2 % рекомендовано производителем добавки фирмой «Полипласт», г. Новомосковск.

Результаты опытов по определению свойств сырых окатышей приведены в таблице 3, при этом содержание твёрдого топлива в шихте составляло 20 %.

Таблица 3 - Качественные показатели сырых окатышей, содержащих муку и ПНС в качестве добавки _

Бентонит^

ипс

пмс

№ опыта Вид связующей добавки Содержание связующей добавки,% Прочность на сжатие, кг/окатыш Пластичность, кол-во сбрасываний

1 Мука 3 2,11 4,53

2 5 2,25 7,8

3 ПНС 0,8 1,58 3,4

4 1,2 1,56 3,7

Из анализа данных, представленных в таблице 3, следует, что окатыши, изготовленные с мукой, удовлетворяют требованиям технологии 1ТткЗ. Увеличение содержания муки в шихте способствует повышению механических свойств сырых окатышей и существенно влияет на их пластичность. Можно предположить, что причиной высокой пластичности является наличие крахмала, содержащегося в муке. Крахмал, взаимодействуя с водой, набухает и клейстеризуется, в результате происходит заполнение им пространства между твёрдыми частичками и образование связей между ними, соответственно существенно повышается сцепление составляющих шихты.

Окатыши с ПНС не удовлетворяют требованиям технологии 1ТшкЗ, предъявляемым к сырым окатышам.

Влажность шихты для получения окатышей с высокими прочностными характеристиками должна быть на уровне 9,0-9,5 %, при использовании муки в качестве связующей добавки.

С целью определения влияния типа твёрдого топлива на процессы окомкования, сушки и восстановления рудоугольных окатышей проведена серия опытов с применением энергетического угля в качестве восстановителя.

На основании результатов, полученных для сырых окатышей с коксиком, для производства окатышей с углём использовали в качестве связующего компонента муку в количестве 3 и 5 %, а удельная поверхность железорудного концентрата и твёрдого восстановителя составила ~ 2000 см2/г. Результаты исследования приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты определения свойств окатышей с углём

№ опыта Содержание связующей добавки,% Прочность на сжатие, кг/окатыш Пластичность, кол-во сбрасываний Пористость, доли Влажность, %

1 3 1,91 8,6 0,34 9,9

2 5 1,91 10,3 0,37 10,0

Из анализа данных таблицы 4 следует, что увеличение содержания муки в шихте способствует увеличению пластичности сырых окатышей, а прочность на сжатие остаётся без изменений. Повышение содержания органического связующего способствует увеличению пористости окатышей.

В третьей главе приведены результаты исследования влияния температуры сушильного агента на продолжительность сушки и прочностные характеристики рудоугольных окатышей с различными связующими веществами и типами твёрдого топлива.

К сухим окатышам в процессе ITmk3 предъявляют высокие требования (табл.1), обусловленные необходимостью их транспортировки и загрузки в печь с вращающимся подом, но главным является обеспечение целостности окатышей при нагреве и восстановлении до начала процессов плавления и отделения шлака от металла. Так по результатам первого этапа исследования сушке подвергали окатыши из гематитового концентрата с удельной поверхностью ~ 2000 см2/г. Температура сушильного агента в опытах составила 150, 200 и 250 "С.

ю

Анализ полученных данных во всех опытах свидетельствовал, что механизм процесса сушки гематитовых окатышей, содержащих большое количество твёрдого топлива, не противоречит существующим данным для других одиночных окатышей, т.е. проходит в три стадии. Также и с повышением температуры теплоносителя продолжительность сушки сокращается для всех типов окатышей независимо от вида связующей добавки, исходной влажности (6,5-13 %) и пористости. При этом установлено, что на продолжительность сушки влияют тип и содержание связующего материала (рис.5).

85 75 65 55

х s

1 45 к

2 ш

0J 35

25

15 5

140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 Температура, °С

Рис. 5 Влияние температуры теплоносителя и типа связующего на

продолжительность сушки окатышей 1 - связующее ПНС 0,8 %; 2 - связующее ПНС 1,2 %; 3 - связующее мука 5 %;

4 - связующее мука 3 %; 5 - связующее ПМС; 6 - связующее ИПС; 7 - связующее бентонит

Так выявлено, что окатыши с ИПС, ПМС и бентонитом сушатся быстрее и характеризуются наименьшей зависимостью продолжительности сушки от температуры теплоносителя. В окатышах с мукой удаление влаги происходит медленнее, что связано с процессами клейстеризации (повышение вязкости) и декстринизации (растворение в воде) крахмала, а именно, при постепенном прогревании окатыша, начинающимся с периферии, крахмал клейстеризуется, частично растворяется и заполняет поры. При увеличении содержания муки в окатышах, количество образующегося крахмала увеличивается, и соответственно продолжительность процесса сушки также увеличивается. В окатышах с ПНС добавкой, независимо от её количества, удаление влаги при температуре теплоносителя 150 и 200 "С происходит медленно, но при повышении температуры до 250 °С время сушки значительно сокращается (до 10 минут). Поскольку ПНС связующее является синтетическим соединением, то в окатыше при низких температурах образуется гель, препятствующий удалению влаги, но который с повышением температуры легко разрушается.

и

Закономерности формирования прочности сухих окатышей исследовали в зависимости от температуры теплоносителя и вида связующего материала (рис. 6) с учетом влияния скорости сушки окатышей (рис. 7).

Анализ данных, приведенных на рисунке 6, показывает, что с повышением температуры теплоносителя прочность окатышей, содержащих муку, существенно возрастает, что связано с действием клейстерного вещества, являющегося продуктом взаимодействия воды и муки. Клейстерное вещество под действием тепла, коагулирует, соединяет частицы между со-

Бентонит ПНС 0,8% ПНС1,2%

1150 ■ 200 В 250

Мука 3% Мука 5% Тип связующего

Рис. 6 Влияние температуры на прочность сухих окатышей с разными связующими добавками (цифры внизу -температура газа теплоносителя)

бой, и по мере удаления влаги из окатыша и повышения его температуры, затвердевает. Но при этом окатыши с мукой характеризуются и низкой скоростью сушки по сравнению с другими исследуемыми образцами (рис. 7).

С ростом температуры прочность сухих окатышей, изготовленных с ПНС связующим, не увеличивается (рис. 6), что связано с разрушением связей, основанных на действии ПНС добавки.

Влияние температуры теплоносителя на прочность окатышей, изготовленных с ИПС и ПМС связующими, незначительно (рис. 6), что возможно связано с малым числом контактов из-за

:

1 /

! ' у /

1 / 2 з- ,4

4 Лг

»6

- ___ —;—

-— 1т 1 |

1" ! !

| \ 1 ■ ; |

Температура теплоносителя, *С

Рис. 7 Зависимость скорости сушки от температуры теплоносителя 1 - окатыши с ПНС 1,2%; 2- окатыши с ПМС; 3 - окатыши с ПНС 0,8 %; 4 - окатыши с бентонитом;5 - окатыши с ИПС; 6 - окатыши с мукой 3 %; 7 - окатыши с мукой 5%

недостаточного количества коллоидных частиц связующих веществ, влияющих на силы адгезии. Кроме того, окатыши характеризуются более высокой скоростью сушки (рис. 7), что, возможно, также приводит к уменьшению сил сцепления.

Прочность окатышей с бентонитом зависит от действия коллоидных частиц связующего, которые при высокой скорости сушки (рис. 7) разрушаются.

Влияние связующих добавок на прочностные показатели окатышей с коксиком тоже можно проследить из рисунка 6 и таблицы 5. Сухие окатыши характеризуются высокими показателями прочности при использовании в качестве связующего

Таблица 5 - Показатели пластичности сухих только МУКИ' Видно' что с окатышей, изготовленных с разными видами связующих

Температура теплоносителя, °С Концентрат, коксик, бентонит Концентрат, коксик, ПМС Концентрат, коксик, ИПС Концентрат, коксик, мука 3 % Концентрат, коксик, мука 5 % Концентрат, коксик, ПНС 0,8 % Концентрат, коксик, ПНС 1,2%

150 0 0 0 3 10 0 0

200 0 > 10 > 10

250 1 > 10 > 10

ІТткЗ, и поэтому

увеличением количества муки в шихте и ростом температуры прочность на сжатие сухих окатышей имеет тенденцию роста. При этом пластичность окатышей, изготовленных с 3 % муки, удовлетворяет требованиям технологии 1ТткЗ при температуре теплоносителя на уровне ~ 200 °С.

Сухие окатыши с бентонитом, ИПС, ПМС и ПНС связующими не соответствуют их использование является

требованиям технологии неэффективным.

Изучение особенностей процессов сушки окатышей с углём, а также зависимостей их прочностных характеристик от разных факторов, показало, что удаление влаги из окатышей с углём аналогично окатышам с коксиком. При этом выявлено, что с увеличением содержания муки в окатышах продолжительность их сушки увеличивается, а сравнительный анализ окатышей с коксиком и углём показал, что при одинаковой исходной влажности окатышей удаление влаги у окатышей с углём происходит быстрее (рис. 8).

Прочность и пластичность сухих окатышей с углём при ^епл > 200 °С соответствует требованиям технологии ГГткЗ независимо от содержания муки в окатышах. При этом с увеличением содержания муки в окатышах их прочностные свойства возрастают (рис. 8, табл. 6).

Однако окатыши с коксиком характеризуются более высокими показателями прочности, чем окатыши с углём. По-видимому, полученная

0.02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 Скорость сушки, %/сек

Рис. 8 Зависимость прочности на сжатие окатышей от

скорости сушки 1 - окатыши с коксиком и мукой 5 %; 2 - окатыши с коксиком и мукой 3 %; 3 - окатыши с тощим углём и мукой 5 %; 4 - окатыши с тощим углём и мукой 3 %

тенденция, обусловлена высокой скоростью сушки последних. Кроме того, окатыши с коксиком обладают более высокой прочностью при низких температурах. Таблица 6 - Пластичность сухих окатышей с углём

Состав Температура теплоносителя, °С

150 200 250

Концентрат, уголь, мука 3 % 3 10 > 10

Концентрат, уголь, мука 5 % 3 > 10 > 10

В работе отмечено, что, несмотря на тенденцию роста прочности сухих окатышей с увеличением количества связующего органического происхождения, 5 % муки в шихте достаточно, т.к. обеспечивается прочность сухих окатышей, удовлетворяющая требованиям технологии 1ТшкЗ.

В четвертой главе разработаны модельные представления о закономерностях развития реакционных поверхностей при восстановлении рудоугольного окатыша гематитового состава до магнетита. При этом учтено, что реакционные поверхности образуются не только за счет релаксации возникающих напряжений, сопровождающих фазовый переход Ре203 —> БезО^ но и вследствие выгорания твёрдого топлива и связующего. С этой целью постадийно проведены расчеты по определению величины свободной поверхности гематита, доступной для газа-восстановителя, которая пропорциональна скорости восстановительного процесса.

Для расчета по определению реакционных поверхностей предположена матрица из кристаллов гематита, твёрдого топлива, связующего и пор и кристаллов, претерпевающих фазовый переход в данный момент времени. Матрица должна быть: 1) однородной, изотропной и содержать большое для статистических усреднений количество кристаллов; 2) однородной по остаточным напряжениям первого рода. Этим требованиям удовлетворяет кубическая матрица объемом 1 мм3, содержащая 103 - 106 кристаллов. Неоднородность остаточных напряжений первого рода, максимальная в периферийных областях, и составляет не более 1 кг/мм2 образца, что не превышает погрешности экспериментального определения напряжения и составляет около 10% от предельных значений (10 кг/мм2). Кроме того, представляем матрицу упругой, что верно лишь в области температур до 600-800 °С. Напряжения при восстановлении данного зерна могут возникать при закреплении граней 5 и 6 одновременно (рис. 9).

° \

3

■у 1

5

Рис. 9 Формоизменение кубического кристалла гематита при его восстановлении

Сделанные предположения позволили использовать выражение для определения величины возникающих в матрице напряжений (10 кг/мм2), из которого при известном значении напряжений можно определить долю образованного магнетита:

о = ~Е-е-9-\У0 (1)

где Е - модуль нормальной упругости, кг/мм2; 9 - объемная доля образуемого магнетита, доли; е - величина свободной деформации зерна, доли; 1Уа - вероятность закренления нижней и верхней граней.

Полагая поры цилиндрическими каналами диаметром, равным размеру зерна, вероятность закрепления граней можно определить:

=

(2)

где 8„ - поверхность пор, - поверхность кристаллов гематита.

Поверхность пор, формируемую только гематитовыми зернами, равна:

а

где Р - пористость, доли; й- диаметр зерна, мм.

При этом поверхность кристаллов

(4)

а

Решая уравнения (1) - (4) можно определить долю образованного магнетита З, на первой стадии восстановления. При этом первая стадия заканчивается в момент превышения действующими напряжениями в матрице предельных для данной структуры значений, что приводит к формированию дополнительной поверхности (трещин) Бтр.

4-у-Е

где у - величина поверхностной энергии, Н/мм.

На второй стадии восстановления кроме свободных пор, формируемых зернами гематита, и образованных трещин в результате перехода БегОз—>Рез04, также выгорает связующее. Поверхность пор, образуемую при выгорании связующего (5'«с«о.)> определяем по формуле (3). Тогда, площадь реакционной поверхности после первой стадии восстановления составит:

(6)

где — - часть поверхности, занятая магнетитом; (1-5,) - множитель,

а

учитывающий, что концентрация магнетита на поверхности вновь раскрытой трещины равна его объёмной доле.

При определении поверхности кристаллов на второй стадии восстановления необходимо учитывать количество образованного магнетита:

S^MzZ).^,) (7)

Определяем вероятность закрепления граней в соответствии с формулой (2) и определяем долю образованного магнетита:

где - доля образованного магнетита после первого шага восстановления; Wo -вероятность закрепления граней на первом шаге восстановления; W\ - вероятность закрепления граней на втором шаге восстановления; Эг - доля образованного магнетита после второго шага восстановления.

На следующей стадии восстановления, кроме S.,r и SCBCB„. начинает выгорать твёрдое топливо. Поверхность пор, образуемую при выгорании твёрдого топлива (5са1твв0сст), определяем по формуле (1). При этом при определении свободной поверхности в окатыше на третьем этапе восстановления, необходимо учитывать, что свободная поверхность матрицы увеличилась на величину S,p2 и уменьшилась на

—. Также принимаем, что величина внутренних предельных напряжений не d

меняется в процессе восстановления и прочность всех контактов одинакова:

(9)

Общее количество шагов, при котором восстановление до магнетита будет

завершено, т.е. = 1, определено с помощью ПК в программе MS Excel. i=i

Результаты расчетов по определению доли образованного магнетита после каждого этапа восстановления приведены на рисунке 10. Также на рисунке приведена зависимость скорости восстановления от количества образованного магнетита для окатышей, не содержащих твёрдое топливо.

При этом принято, что скорость восстановления пропорциональна свободной поверхности. Из анализа данных, представленных на рисунке 10, следует, что на скорость восстановления при фиксированном размере зерна всех компонентов, входящих в состав окатышей, влияет пористость, как исходная, так и формируемая в процессе восстановления. Так на первых этапах восстановления наблюдается «автокатализ», за счет увеличения реакционной поверхности при образовании трещин, выгорания твёрдого топлива и компонентов связующего материала. На следующих этапах восстановления скорость восстановления снижается из-за уменьшения общей доли оставшегося гематита в окатышах. Однако кроме влияния выгорающего твёрдого топлива, способствующего росту скорости восстановления за счет образования дополнительных реакционных поверхностей, также оказывает влияние тип связующей добавки, о чем свидетельствует характер кривых 1-7.

Кроме того, тип связующей добавки, оказывает воздействие на скорость восстановления посредством времени его выгорания. Согласно практическим данным выгорание органических связующих происходит при температуре 200 -400 °С. Образование дополнительных реакционных поверхностей в результате выгорания связующего способствует увеличению скорости восстановления, о чем

0,03 0,13 0,23 0,33 0,43 0,53 0,63 0,73 0,83 0,93 Кол-во магнетита, доли

Рис. 10 Зависимость скорости восстановления от образованного магнетита для

окатышей с коксиком

I - мука 5 %; 2 - ПНС 0,8%; 3 - мука 3 %; 4 - ПНС 1,2 %; 5 - ИПС; 6 - бентонит; 7 - ПМС;

8 - без твёрдого топлива

свидетельствуют кривые 1 и 3. При этом необходимо отметить, что количество муки в окатышах наиболее высокое, как по объемному, так и по массовому содержанию. Таким образом, кроме природы связующего вещества на скорость восстановления также влияет его количество в окатышах.

Также выполнены расчеты для окатышей с углём, которые показали, что их скорость восстановления на первых этапах выше по сравнению с окатышами с коксиком, что, по-видимому, связано с высокой пористостью первых (рис 11).

2 ----------

0,04 0,14 0,24 0,34 0,44 0,54 0.64 0,74 0,84 0,94

Коп-во магнетита, доли

Рис. 11 Зависимость скорости восстановления от образованного магнетита для окатышей с разным типом твёрдого восстановителя

1 -уголь и мука 5%; 2 - коксик и мука 5%; 3 -уголь и мука 3%; 4 - коксик и мука 3%

Однако на следующих этапах восстановления окатыши с коксиком восстанавливаются быстрее (кривые 2, 4). При этом для обоих типов окатышей, скорость восстановления повышается с увеличением количества связующего материала.

В пятой главе приведены результаты исследования факторов, влияющих на закономерности получения чугунных гранул и их качественные показатели, таких как температура в рабочем пространстве печи, продолжительность выдержки образцов и количество угольной подушки. Восстановлению подвергали окатыши с мукой (3 и 5 %) и разным видом твёрдого топлива.

На основании полученных результатов по восстановлению окатышей с коксиком и углём при конечной температуре в печи 1300 - 1350 ° установлено, что температура 1300- 1350 °С является недостаточной, т.к. не обеспечивается разделение металлической составляющей и пустой породы. Восстановленное железо в значительной степени представлено металлическими частицами размером < 5 мм, при этом увеличение продолжительности выдержки образцов при температуре 1300 — 1350 °С незначительно способствует укрупнению металлических гранул. Кроме того, общее время тепловой обработки составило для окатышей с коксиком 25-30 минут, а для окатышей с углём до 40 минут, при этом продолжительномть нагрева и восстановления гематитовых окатышей в опытах составляло ~ 10 минут.

Для получения более крупных чугунных гранул и с целью сокращения продолжительности тепловой обработки температуру в печи повысили до 1450 °С, при этом также изменяли продолжительность выдержки для определения оптимального времени, необходимого для процессов плавления, коагуляции и разделения металла и шлака. С этой целью выполнены опыты с выдержкой 3, 5, 10 минут для окатышей с коксиком, а для окатышей с углём: 5, 10 и 15 минут.

Установлено, что для восстановления окатышей с углём требуется больше времени, чем для окатышей с коксиком даже при более высоких температурах. Так для окатышей с коксиком время выдержки должно быть не менее 5 мин, для окатышей с углём - не менее 10 минут (рис. 12). Данное обстоятельство связано с различной реакционной поверхностью твёрдого восстановителя, а также с более низким содержанием Сфикс в окатышах с углём, т. к. при определении необходимого количества угля для восстановления исходили из общего содержания углерода в нем, без разделения Сфикс и Слетуч. При этом температура на момент начала выдержки должна быть не ниже ~ 1400 °С.

а) окатыши с коксиком и мукой 3 % б) окатыши с углём и мукой 3 % время выдержки 5 минут время выдержки 10 минут

Рис.12 Гранулы металлического железа и шлака (температура в печи 1450 °С)

Таблица 7 - Химический состав чугунных гранул

№ п/п Состав окатышей Количество угольной подушки, % Общее время тепловой обработки, мин Время выдержки, мин Химический состав, % Степень металлизации, %

Количество связующего Тип твёрдого топлива (20 %) РСобщ. Рем С 8

1 3 % коксик 20 15 5 96,5 96,2 3,36 0,19 99,7

2 3% коксик 5 15 5 96,6 94,1 3,02 0,16 97,4

3 3 % уголь 20 20 10 94 93,3 4,62 0,11 99,3

4 3 % уголь 5 20 10 94,6 94,5 3,38 0,037 99,9

5 5% коксик 5 15 5 97 95,7 2,54 0,16 98,6

6 5% уголь 5 20 10 95,5 94,0 5,17 0,022 98,4

На основании сравнительного анализа доменного чугуна и чугунных гранул из гематитового концентрата (табл.8), можно сделать вывод, что чугунные гранулы, независимо от вида твёрдого восстановителя, не уступают по качеству доменному чугуну и могут быть использованы для производства стали в электродуговых печах.

Таблица 8 - Характеристики доменного чугуна и чугунных гранул

№ п/п Показатели Доменный чугун Чугунные гранулы

1 Рем, % 90-95,5 93-96

2 С,% 4-5 2,5-5

3 8,% 0,01 - 0,05 0,02 - 0,2

4 Степень металлизации, % - 97-99

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Результаты проведенного исследования, целью которого являлось изучение особенностей гематитовой руды с последующим получением рудоугольных окатышей для технологии ІТткЗ, позволили сформулировать следующие выводы:

1. Выявлены закономерности окомкования гематитового концентрата с различной удельной поверхностью. Определены значения этого параметра, обеспечивающие получение требуемой технологией ІТткЗ показателей прочности сырых окатышей.

2. Проведена систематизация роли количества и типа связующих добавок в формировании прочностных свойств окатышей. Выявлено, что оптимальным связующим является мука в количестве 5 %, что обеспечивает необходимые качественные показатели окатышей, загружаемые в печь с вращающимся подом.

3. На основе анализа результатов исследований процессов сушки окатышей из гематитового концентрата с твёрдым топливом сформулированы основные технологические принципы — тип связующего и параметры сушильного агента.

4. Впервые разработаны и сформулированы модельные представления о закономерностях развития реакционных поверхностей при восстановлении

рудоугольного окатыша гематитового состава до магнетита. При этом положено, что реакционные поверхности образуются не только за счёт релаксации возникающих напряжений, сопровождающих фазовый переход Ре203 —> БезО^ но и вследствие выгорания твёрдого топлива и связующего вещества.

5. Установлены факторы, определяющие закономерности формирования чугунных гранул при восстановлении гематитовых окатышей. Выявлено, что основными факторами являются температура и количество угольной подушки. При этом продолжительность восстановительно-тепловой обработки гематитовых окатышей зависит от типа твёрдого восстановителя.

6. Сформулированы технологические основы эффективной переработки гематитовых окатышей с получением чугунных гранул:

- для получения прочных рудоугольных окатышей удельная поверхность концентрата должна находится в пределах 1800-2000 см2/г;

- использование органического связующего (мука) в количестве 3 и 5 % обеспечивает требуемую в технологии 1ТткЗ прочность на сбрасывание и на сжатие для сырых и сухих окатышей.

- для получения сухих окатышей с соответствующими прочностными показателями температура сушильного агента должна быть на уровне 250350 °С.

- определено влияние твёрдого топлива на скорость восстановления гематитовых окатышей до магнетита, которая при выгорании последнего увеличивается при сравнении со скоростью восстановления окатышей без твёрдого топлива. Выявлено, что связующее также способствует увеличению скорости восстановления.

- для получения чугунных гранул из гематитовых окатышей температура в печи должна быть на уровне 1400-1450 °С, количество угольной подушки до 20 % от массы окатышей. Продолжительность восстановительно-тепловой обработки для окатышей с коксиком составляет 13-15 минут, для окатышей с углём - до 20 минут. Выявлено, что по качеству чугунные гранулы из гематитовых окатышей не уступают доменному чугуну.

7. Результаты исследования использованы при разработке перспективных программ развития производства металлургического сырья Объединенной металлургической компании (ОМК).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание работы отражено в следующих печатных работах в научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Исследование некоторых закономерностей процесса окомкования гематитовых концентратов / И.С.Вохмякова, С.И.Поколенко, Р.А.Полуяхтов [и др.] // Сталь, 2010, №9.-С. 30-32.

2. Закономерности окомкования и сушки окатышей из гематитового концентрата / И.С.Вохмякова, С.И.Поколенко, С.Н.Гущин [и др.] // Сталь, 2010, № 9. - С. 44 - 45.

3. Влияние удельной поверхности гематитового концентрата и типа связующего свойства сырых окатышей в технологии 1ТшкЗ / И.С.Вохмякова, Горбачева В.А., С.Н.Гущин, [и др.] // Сталь, 2012, № 10. - С. 35 - 37.

В других изданиях:

4. Исследование закономерностей прямого получения железа на базе технологии 1ТшкЗ с использованием гематитового концентрата / И.С.Вохмякова, В.А.Горбачев, С.Н.Гущин [и др.] // Труды международной научно-практической конференции «Творческое наследие Б.И.Китаева». - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. - С. 227 - 231.

5. Исследование некоторых закономерностей процесса окомкования гематитовых концентратов / И.С.Вохмякова, С.И.Поколенко, Р.А.Полуяхтов [и др.] // Сборник докладов научно-технической конференции «Металлургическая теплотехника как основа энерго- и ресурсосбережения в металлургии». - Екатеринбург: ОАО «ВНИИМТ», 2010. - С. 112 - 117.

6. Особенности прямого получения железа из гематитовой руды на базе 1ТшкЗ / И.С.Вохмякова, С.И.Поколенко, С.Н.Гущин [и др.] // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика нагревательных печей в XXI веке». -Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010. - С. 96 - 100.

7. Анализ процесса восстановления окатышей из гематитового концентрата на базе технологии 1ТшкЗ / И.С.Вохмякова, С.Н.Гущин, В.А.Горбачев // Труды XVI международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии». -Днепропетровск: Новая идеология, 2011 - С. 30 - 31.

8. Один из шагов на пути к модернизации российской металлургии / С.Н.Гущин, И.С.Вохмякова // Труды XVI международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии». - Днепропетровск: Новая идеология, 2011 - С. 75 - 76.

9. Исследование зависимости свойств сырых окатышей от удельной поверхности гематитового концентрата и применяемых связующих / И.С.Вохмякова, С.Н.Гущин, П.П.Орлов // Сборник докладов «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве». - Екатеринбург, УрФУ, 2012. - С. 28 - 32.

10. Особенности развития реакционных поверхностей при восстановлении окатышей из гематитового концентрата с твёрдым топливом / И.С.Вохмякова, В.А.Горбачев, С.Н.Гущин // Сборник докладов международной научно-практической конференции «Теория и практика тепловых процессов в металлургии». - Екатеринбург, УрФУ,2012. - С.72-75.

11. Закономерности получения окатышей из гематитового концентрата / И.С.Вохмякова, С.И.Поколенко, С.Н.Гущин [и др.] // Сборник докладов международной научно-практической конференции «Теория и практика тепловых процессов в металлургии». - Екатеринбург, УрФУ,2012. - С.75-79.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает благодарность за поддержку научному руководителю, проф. к.т.н. Гущину С.Н. и научным консультантам к.т.н. Горбачеву В.А. и д.т.н. Боковикову Б.А.

Автор благодарит сотрудников ООО «НПВП ТОРЭКС» и кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии» Уральского Федерального Университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина за ценные замечания и помощь в подготовке диссертации.

Подписано в печать Бумага 80 г/м2 Уч.-изд. л. 1,02

Цифровая печать Тираж 100 экз.

Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,39 Заказ №121

Отпечатано в учебной лаборатории полиграфических машин кафедры ДМ УрФУ им. первого Президента России Б.Н.Ельцина 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19, ауд. И-120. Тел.:(343)375-41-43

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1 Краткий сравнительный анализ технологий прямого получения железа с использованием твёрдого топлива.

1.2 Технология прямого получения железа на базе процесса ГГткЗ.

1.3 Особенности гематитового железорудного сырья и его переработки.

1.4 Связующие добавки, используемые для получения окатышей.

1.5 Закономерности восстановления гематита.

1.6 Выводы и постановка задач исследования.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОКОМКОВАНИЯ ШИХТ НА ОСНОВЕ ГЕМАТИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА.

2.1 Изучение влияния удельной поверхности концентрата на прочность сырых окатышей.

2.2 Изучение влияния упрочняющих добавок разного вида на свойства сырых окатышей.

2.3 Исследование свойств сырых окатышей с энергетическим углём.

2.4 Выводы.

3 ОСОБЕННОСТИ СУШКИ И УПРОЧНЕНИЯ РУДОУГОЛЬНЫХ ОКАТЫШЕЙ ИЗ ГЕМАТИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА.

3.1 Анализ факторов, определяющих продолжительность сушки окатышей

3.2 Закономерности формирования прочностных свойств сухих окатышей

3.3 Изучение свойств сухих окатышей, изготовленных с углём.

3.4 Выводы.

4 ВЛИЯНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА НА ФОРМИРОВАНИЕ РЕАКЦИОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ РУДОУГОЛЬНЫХ ОКАТЫШЕЙ.

4.1 Развитие реакционных поверхностей при восстановлении окатышей без твердого топлива.

4.2 Развитие реакционных поверхностей при восстановлении рудоугольных окатышей.

4.3 Выводы.

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУННЫХ ГРАНУЛ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ.

5.1 Методика и условия проведения исследований.

5.2 Влияние температуры на формирование чугунных гранул.

5.3 Влияние угольной подушки на формирование чугунных гранул.

5.4 Влияние времени выдержки на формирование чугунных гранул.

5.5 Химический состав чугунных гранул.

5.6 Выводы.

Актуальность работы. Несмотря на высокую производительность и степень освоенности доменной печи, а также возможности переработки практически любого вида железорудного сырья с использованием кокса, всё больший интерес проявляется к процессам бескоксовой металлургии, что можно объяснить следующими причинами:

- дефицитность кокса, обуславливающая его высокую стоимость;

- необходимость снижения выбросов в окружающую среду;

- ограниченность объёмов металлолома стабильного химического состава и чистоты;

- высокие требования к качеству стали;

- возможность маломасштабной организации производства чугуна и стали на базе местных ресурсов железорудного сырья и топлива.

Одним из перспективных процессов является технология ITmk3 (Ironmaking Technology Mark Three), разработанная для производства чугуна без применения кокса. ITmk3 характеризуется высокими показателями качества конечного продукта (чугунные гранулы), низкими показателями загрязняющих веществ и капитальными затратами, а также возможностью производства чугуна в рамках горно-обогатительных фабрик.

Исследования зарубежных ученых по переработке железорудного сырья в процессе ITmk3 (B.Anameric, S.K.Kawatra и др.) ориентированы в основном на переработку магнетитовых руд, являющиеся также исходным сырьём для получения чугунных гранул на заводе в штате Минессота, США. Но в настоящее время наблюдается тенденция истощения месторождений магнетитовых руд и удорожания их переработки, в результате чего возникает весьма актуальная задача поиска и вовлечения в промышленное производство, альтернативных железорудных материалов, в качестве которых могут быть использованы гематитовые руды. Мировые запасы гематитовых руд оценивают величиной 100 млрд. т., при этом их основное количество приходится на страны, у которых отсутствует природный газ, но имеются запасы углей, например, Украина, Индия, Бразилия и т.д. Однако, в силу значительного отличия минералогического состава и свойств гематитовых руд от традиционных магнетитовых материалов, использование их для переработки в процессе 1ТткЗ требует разработки новых технологических режимов. Последнее обуславливает актуальность исследования особенностей процесса окомкования и сушки гематитовых руд с целью получения качественных чугунных гранул.

Целью диссертационной работы является разработка технологии производства гематитовых окатышей для использования в процессе ГГткЗ на основе изучения процессов окомкования, сушки и восстановления.

Для достижения поставленной цели выделены следующие задачи:

1. Определить условия окомкования гематитовой руды, позволяющие получать окатыши с высокими прочностными показателями.

2. Установить тип и количество связующих добавок, обеспечивающих необходимые механические свойства сырых и сухих окатышей для использования в технологии ГГткЗ.

3. Определить оптимальные условия сушки гематитовых окатышей и исследовать закономерности их упрочнения в процессе сушки.

4. Определить условия, влияющие на формирование чугунных гранул при восстановительно-тепловой обработке гематитовых окатышей.

5. Исследовать влияние твердого восстановителя на формирование реакционных поверхностей при восстановительно-тепловой обработке рудоугольных окатышей на основе гематитового концентрата.

Объект исследования - технология ГГткЗ с использованием гематитовой руды в качестве исходного сырья.

Предмет исследования - процессы окомкования, сушки и восстановления гематитовых окатышей, содержащих твёрдое топливо.

Методы исследования. Исследования процессов окомкования, сушки и восстановления гематитовых окатышей с твердым топливом выполнены в лабораторных условиях. Измерения технологических параметров осуществляли стандартными приборами, прошедшими государственную поверку по стандартным методикам, что определило достоверность полученных результатов.

При обработке экспериментальных данных использован расчетно-теоретический анализ, основу которого составили положения теории тепло- и массообмена, теории металлургических процессов и методы математической статистики.

Научная новизна результатов работы.

1. Выявлены закономерности окомкования гематитового концентрата с различной удельной поверхностью. Определены значения этого параметра, обеспечивающие получение требуемой технологией ГГткЗ показателей прочности сырых окатышей.

2. Проведена систематизация роли количества и типа связующих добавок в формировании прочностных свойств окатышей. Выявлено, что оптимальным связующим является мука в количестве 5 %, что обеспечивает необходимые качественные показатели окатышей, загружаемые в печь с вращающимся подом.

3. На основе анализа результатов исследований процессов сушки окатышей из гематитового концентрата с твёрдым топливом сформулированы основные технологические принципы - тип связующего и параметры сушильного агента.

4. Впервые разработаны и сформулированы модельные представления о закономерностях развития реакционных поверхностей при восстановлении рудоугольного окатыша гематитового состава до магнетита. При этом положено, что реакционные поверхности образуются не только за счёт релаксации возникающих напряжений, сопровождающих фазовый переход Ре203 —>■ Ре304, но и вследствие выгорания твёрдого топлива и связующего вещества.

5. Установлены факторы, определяющие закономерности формирования чугунных гранул при восстановлении гематитовых окатышей. Выявлено, что основными факторами являются температура и количество угольной подушки. При этом продолжительность восстановительно-тепловой обработки гематитовых окатышей зависит от типа твёрдого восстановителя.

Практическая значимость работы.

1. Показана и подтверждена возможность получения гематитовых окатышей для последующего получения из них чугунных гранул в процессе ГГткЗ.

2. Разработаны технологические условия для производства рудоугольных окатышей из гематитового концентрата, предназначенные для использования в процессе ГГткЗ.

3. Установлены факторы, влияющие на формирование чугунных гранул, их качество и гранулометрический состав.

Личный вклад автора. Личный вклад автора работы заключается в постановке цели и задач исследования, разработке его методологии, в личном участии при проведении лабораторных исследований, обработке экспериментальных, расчётных данных и их анализе.

Автор защищает:

1. Результаты лабораторных исследований процессов окомкования и сушки гематитовых окатышей с твердым топливом, предназначенных для процесса ГГткЗ.

2. Модельные представления о закономерностях развития реакционных поверхностей при восстановлении рудоугольных гематитовых окатышей.

3. Технологические основы, обеспечивающие получение качественных чугунных гранул при восстановлении рудоугольных окатышей из гематитового концентрата.

Реализация результатов. Результаты исследования использованы в разработке перспективных программ развития производства металлургического сырья Объединенной металлургической компании (ОМК).

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях «Творческое наследие Б.И.Китаева», УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2009 г.) и «Теория и практика тепловых процессов в металлургии», УрФУ им. первого Президента России (г.Екатеринбург, 2012 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 11 научных статьях, из них 3 опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 122 страницах машинописного текста и содержит 26 таблиц, 40 рисунков и список использованной литературы, включающий 86 наименований.

7. Результаты исследования использованы при разработке перспективных программ развития производства металлургического сырья Объединенной металлургической компании (ОМК).

6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенного исследования, целью которого являлось изучение особенностей гематитовой руды с последующим получением рудоугольных окатышей для технологии ГГткЗ, позволили сформулировать следующие выводы:

1. Выявлены закономерности окомкования гематитового концентрата с различной удельной поверхностью. Определены значения этого параметра, обеспечивающие получение требуемой технологией ГГткЗ показателей прочности сырых окатышей.

2. Проведена систематизация роли количества и типа связующих добавок в формировании прочностных свойств окатышей. Выявлено, что оптимальным связующим является мука в количестве 5 %, что обеспечивает необходимые качественные показатели окатышей, загружаемые в печь с вращающимся подом.

3. На основе анализа результатов исследований процессов сушки окатышей из гематитового концентрата с твёрдым топливом сформулированы основные технологические принципы - тип связующего и параметры сушильного агента.

4. Впервые разработаны и сформулированы модельные представления о закономерностях развития реакционных поверхностей при восстановлении рудоугольного окатыша гематитового состава до магнетита. При этом положено, что реакционные поверхности образуются не только за счёт релаксации возникающих напряжений, сопровождающих фазовый переход Рег03 —► Рез04, но и вследствие выгорания твёрдого топлива и связующего вещества.

5. Установлены факторы, определяющие закономерности формирования чугунных гранул при восстановлении гематитовых окатышей. Выявлено, что основными факторами являются температура и количество угольной подушки. При этом продолжительность восстановительно-тепловой обработки гематитовых окатышей зависит от типа твёрдого восстановителя.

6. Сформулированы технологические основы эффективной переработки гематитовых окатышей с получением чугунных гранул:

- для получения прочных рудоугольных окатышей удельная поверхность концентрата должна находится в пределах 1800-2000 см /г;

- использование органического связующего (мука) в количестве 3 и 5 % в качестве упрочняющей добавки обеспечивает требуемую в технологии 1ТткЗ прочность на сбрасывание и на сжатие для сырых и сухих окатышей.

- для получения сухих окатышей с соответствующими прочностными показателями температура сушильного агента должна быть на уровне 250-350 °С.

- определено влияние твёрдого топлива на скорость восстановления гематитовых окатышей до магнетита, которая при выгорании последнего увеличивается при сравнении со скоростью восстановления окатышей без твёрдого топлива. Выявлено, что связующее также способствует увеличению скорости восстановления.

- для получения чугунных гранул из гематитовых окатышей температура в печи должна быть на уровне 1400-1450 °С, количество угольной подушки до 20 % от массы окатышей. Продолжительность восстановительно-тепловой обработки для окатышей с коксиком составляет 13-15 минут, для окатышей с углём - до 20 минут. Выявлено, что по качеству чугунные гранулы из гематитовых -окатышей не уступают доменному чугуну.

1. Зиновьева Н.Г. Статистика / Н.Г.Зиновьева // Черная металлургия. 2012. -№1. - С. 105-120.

2. Зиновьева Н.Г. Статистика / Н.Г.Зиновьева // Черная металлургия. 2012. -№7. - С. 122-137.

3. Шульц JI.A. Долгосрочный прогноз развития технологии массового производства стали / Изв. Вузов: Черная металлургия. 2008 - №11. - С.40-48.

4. Патент № 6 036 744 Method and apparatus for making metallic iron, март 20005. Новость о запуске ITmk3

5. Стратегия развития металлургической промышленности России. Утверждена Приказом Минпромторга России от 18 марта 2009 г. N 150

6. Гущин С.Н., Вохмякова И.С. Один из шагов на пути к модернизации российской металлургии / С.Н.Гущин, И.С.Вохмякова // Труды XVI международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии». Днепропетровск: Новая идеология, 2011 - С. 75 - 76.

7. Бонгданди Л.Ф. Восстановление железных руд Текст./ Л.Ф. Бонгданди, Г.Ю. Энгель Москва.: Металлургия, 1971. - 520 с.

8. Юсфин Ю.С. Металлургия железа Текст./ Ю.С. Юсфин, Н.Ф. Пашков -Москва.: Академкнига, 2007. 464 с.

9. Chatterjee A. Hot metal production by smelting reduction of iron oxide / A.Chatterjee New Delhi.: New Delhi-110001, 2010. - 240 c.

10. Gojic M., Kozuh S. Development of direct reduction process and smelting reduction process for the steel production, Kem. Ind. 55(1) 1-10, 2006

11. Chatterjee A. Sponge iron production by direct reduction of iron oxid /

12. A.Chatterjee New Delhi.: New Delhi-110001, 2010. - 353 c.

13. Anameric В., Kawatra S.K. The microstructure of the pig iron nuggets /

14. B.Anameric, S.K.Kawatra // ISUJ International, Vol. 47, № 1, 2007 C. 53-61.

15. H.Tanaka, K.Miyagawa, T.Harada. FASTMET, FASTMELT, and ITmk3: Development of New Coal-based Ironmaking Processes. // Direct from Midrex, RHF Technologies, 2007/2008, pp.8-13

16. Танака X. Промышленное освоение нового способа производства железа ГГткЗ Текст./ Танака X., Кобаяси И.// Новости черной металлургии за рубежом № 2. Япония, 2003. - с.52.

17. Negami Т. Premium Ironmaking Process for the New Millenium Текст./ T.Negami // Direct from Midrex 1st Quarter. США, 2001. - с. 7 - 9

18. H.Tanaka, K.Miyagawa, T.Harada. FASTMET, FASTMELT, and ITmk3: Development of New Coal-based Ironmaking Processes. // Direct from Midrex, RHF Technologies, 2007/2008, pp.8-13

19. S.K.Kawatra, B.Anameric, T.C. Eisele. Single-Step Ironmaking from Ore to Improve Energy Efficiency. Final Technical Report. October 2005

20. Kobayashi, Y.Tanigaki, A.Uragami. A New Process to Produce Iron Directly from Fine Ore and Coal. Iron and Steelmaker, Vol. 28, No. 9, 2001, pp. 19-22

21. Ghosh P.C. and Tiwari S.N., Reduction of Pellets of Iron ore Plus Lignite Coke,теп т-t----„„„i ОАОlit ос n imnioij ixiLciiiauvjiiai, v ui z-uo, yy. /, 1 z> /u.

22. Ironmaking Process Alternatives Screening Study. Lockwood Greene. Volume I: Summary Report, October, 2000, p. 153.

23. Sohn, RJ.Fruehan. The reduction of Iron Oxides by Volátiles in a Rotary Hearth Furnace Process: Part I. The Role and Kinetics of Volatile Reduction.// Metallurgical and Materials Transactions B, Vol.36B, October 2005, pp.605-612.

24. Шумаков H.C. Сырые материалы и топливо для доменной плавки (характеристика и методы подготовки) Текст. / Н.С.Шумаков, А.Н.Дмитриев, О.Г.Гараева Екатеринбург: УрО РАН, 2007. - 392 с.

25. Лазаренко Е.К. Курс минералогии / Е.К.Лазаренко. М.: Высшая школа, 1971.-607 с.

26. Щербина B.B. Основы геохимии / В.В.Щербина. М.: Высшая школа,1972. 269 с.

27. Федоров С.А. Производство окатышей из гематитовых руд и концентратов за рубежом / С.А.Федоров, Н.Н.Бережной, В.П.Шевченко / М.: 1974 (Обзорная информация/ин-т «Черметинформация», сер. Окускование руд, вып.З., 20 с.)

28. Витюгин В.М. Оценка комкуемости зернистых материалов / В.М.Витюгин,

29. A.С.Богма // Изв.вузов. Черная Металлургия. 1969. - №4. - с.18-22.

30. Бережной H.H. Производство железорудных окатышей / Н.Н.Бережной,

31. B.В.Булычев, А.И.Костин М.: Недра, 1977 - 240 с.

32. Маерчак Ш. Производство окатышей / Ш.Маерчак. М.: Металлургия, 1982. - 232 с.

33. Коротич В.И.Теоретические основы окомкования железорудных материалов / В.И.Коротич. М.: Металлургия, 1966. - 150 с.

34. Пузанов В.П. Структурообразование из мелких материалов с участием жидких фаз Текст. / В.П.Пузанов, В.А.Кобелев. Екатеринбург, 2001.-634 с.

35. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009; С. 227 - 231.

36. Спектор A.H., Марков А.Д. и др. Комкуемость железорудных концентратов в зависимости от их свойств. Информация ЦИНИПИ № 10, серия 3, 1969.

37. Бирюкова Н.И. Исследования влияния минералогического состава магнетитовых концентратов на эффективность процессов окомкования, сушки и обжига. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., Томск, 1974.

38. Юсфин Ю.С., Пашков Н.Ф., Соболев A.B. и др. Управление качеством обожженных окатышей изменением свойств концентрата и режима окомкования. Сталь, 3 12, 1985, с. 4 9.

39. Kestner D.W. Industrial trends in the pelleting and sintering of metalic ores, concentrates and reverts "Fine Particles Process.Proc. Iut. Symp., Las Vegas, Nev., 1980" New York, N.Y., 1980, 1494 1505.

40. Инновационные вспомогательные материалы для горнодобывающей, металлургической и огнеупорной промышленности / С.В. Маркова, И.В. Кормина, К.Г. Земляной // Сталь 2012, № 8. - С.16 - 18.

41. Кудрявцев B.C., Пчелкин С.А. Металлизованные окатыши / В.С.Кудрявцев, С.А.Пчелкин. -М.: Металлургия, 1974. 136 с.

42. Юсфин Ю.С., Пашков Н,Ф, и др. Интенсификация производства и улучшение качества окатышей / Ю.С.Юсфин, Н.Ф.Пашков [и др.]. М.: Металлургия, 1994. - 240 с.

43. Алексеев Л.Ф., Горбачев В.А. и др. Структура и разрушение окатышей при восстановлении/ Л.Ф.Алексеев, В.А.Горбачев [и др]. М.: Наука, 1983. -78 с.

44. R.L.Bleifuss Volumetric Changes in the Hematite-Magnetite Trans. Related to the Swilling of Iron Ores and Pellets during Reduction. Proc. Inst. Conf. Sci. and Technol. Iron and Steel, Tokyo, 1970, part 1, 1971, p.52.

45. Некоторые аспекты развития реакционных поверхностей в системе твердое тело-газ / Н.А.Ватолин, В.А.Горбачев, С.В.Шаврин // Доклады академии наук СССР, том 252, Ж 6. Москва: Металлургия, 1980 - С. 1418 - 1421

46. К вопросу о предельных скоростях охлаждения однофазных и двухфазных окатышей Значение. / А.П.Буткарев, В.А.Горбачев, Г.М.Майзель [и др.] // Известия вузов: Черная металлургия. 1979 - № 2. - С.21 - 24.

47. Кинжери У.Д. Введение в керамику Формула./ У.Д. Кинжери. Москва.: Стройиздат, 1967. - 499 с.

48. Горбачев В.А., Шаврин B.C. О механизме возникновения напряжения в процессе восстановления гематита / В.А.Горбачев, В.С.Шаврин // Известия академии наук СССР: Металлы. 1980 - № 2. - С. 19 - 21.

49. Griffith А.А. Congress for mechanics / A.A.Griffith. Delft, 1924. - 61 с.

50. Башлев А.И., Лепилов А.Н. Сырьевая база бентонитов СССР и их использование в народном хозяйстве / А.И.Башлев, А.Н.Лепилов. М.: Недра, 1972. - 219 с.

51. Витюгин В.М., Докучаев П.Н. К вопросу о механизме действия присадок бентонита в процессе окомкования железорудной шихты / В.М.Витюгин, П.Н.Докучаев. -М.: Металлургия, 1986. 157 с.

52. Мальцева В.Е. Исследование влияния бентонитов на формирование элементов структуры и свойств сырых и обожженных окатышей : дис. раб. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.16.02 / Мальцева В.Е.; УроРАН инст. металлургии Екатеринбург, 2002. - 146 с.

53. Абзалов В.М., Горбачев В.А., Клейн В.И. // Изв. вузов, Черная металлургия, 2000, № 11.-с. 61 -62.

54. Зинягин Г.А., Зорин С.Н., Вайнштейн P.M. и др. // Горный журнал, 2003, № 9. с. 41 - 44.

55. Юсфин Ю.С., Базилевич Т.Н. Обжиг железорудных окатышей / Ю.С Юсфин., Т.Н. Базилевич. — М.: Металлургия, 1973. — 273 с.

56. Harada Т. The Development of New Iron Making Processes Текст./ Т. Harada, О. Tsuge, I.Kobayashi, H.Tanaka, H.Uemura. // Kobelco Technology Review № 26. Япония, 2005. - c.92-97.

57. ГОСТ 21043-87 Руды железные и концентраты. Метод определения внешней удельной поверхности.

58. Zielinski Sil. а.о. «Prace inst, hutnicznych», 1969 № 2, p. 75 - 85.

59. Техническое задание на разработку технико-коммерческого предложения по изготовлению сушилок конвейерного типа.

60. ГОСТ 14 3 79. Окатыши железорудные. Метод определения прочности на сжатие - Введ. 1979 - 07 - 01. - М.: издательство стандартов, 1979 - 7 с.

61. Коротич В.И. Основы теории и технологии подготовки сырья к доменной плавке/ В.И Коротич. М.: Металлургия, 1678. - 208 с.

62. Ручкин Е.А. Производство железорудных окатышей / Е.А.Ручкин. М.: Металлургия, 1976. - 184 с.

63. Балес А. А., Салыкин А,А, Роль и поведение связующих добавок в окомковании / А.А.Балес, А.А.Салыкин // Материалы научно-технической конференции по применению глин в окомковании. Белгород, 1978. - 208 с.

64. Иванов Н.С. и др. Совершенствование технологии производства окатышей на фабриках окускования КМА, отчет, УДК 622.788, № 80012029, 1985. с. 62

65. Исследование некоторых закономерностей процесса окомкования гематитовых концентратов / И.С.Вохмякова, С.И.Поколенко, Р.А.Полуяхтов и др. // Сталь, 2010, № 9. с.30-32

66. Закономерности окомкования и сушки окатышей из гематитового концентрата / И.С.Вохмякова, С.И.Поколенко, С.Н.Гущин и др. // Сталь, 2010, №9.-С. 44-45.

67. Данилов А. И. Потребность черной металлургии в бентонитовых глинах и задачи геологоразведочных организаций по их выявлению. В кн.: Сырьевая база бентонитов ССР и их использование в народном хозяйстве / А.И.Данилов. М., Недра, 1972. - 226 с.

68. Определение роли удельной поверхности гематитового концентрата и типа связующего, в формировании свойств сырых окатышей, используемых в технологии ITmk-З / И.С.Вохмякова, Горбачева В.А., С.Н.Гущин, и др. // Сталь, 2012, № 10. С. 35-37.

69. Замуруев О.В., Костякова К.В. Материалы специального назначения ОАО "Полипласт", применяемые в производстве бетонных изделий / О.В.Замуруев, К.В.Костякова. // Строительная орбита, 2012, № 8

70. Лыков A.B. Теория сушки / А.В.Лыков. М.: Энергия, 1968. - 472 с.

71. Лыков A.B. Тепло- и массообмен в процессах сушки / А.В.Лыков. М.: Госэнергоиздат, 1956. - 464 с.

72. Физико-химические и теплотехнические основы производства железорудных окатышей / В.М.Абзалов, В.А.Горбачев, С.Н.Евстюгин и др..-Екатеринбург.УЦАО, 2012. -340 с. . . . .

73. Абзалов В.М., Евстюгин С.Н., Клейн В.И. Тепловая работа обжиговых конвейерных машин / В.М.Абзалов, С.Н.Евстюгин, В.И.Клейн. -Екатеринбург: дло УрО РАН, 2012. 278 с.

74. Бережной H.H., Губин Г.В., Дрожилов Л.А. Окомкование тонкоизмельченных концентратов железных руд / Н.Н.Бережной, Г.В.Губин, Л.А.Дрожилов. М.: Недра, 1971. - 174 с.

75. Некрасова Е.В. Разработка и внедрение теплотехнических способов интенсификации сушки железорудных окатышей: дис. раб. на соиск. учен, степ. канд. техн. наук: 05.16.02 / Е.В.Некрасова, ВНИИМТ Свердловск, 1983.-110 с.

76. Поляков В.М. Разработка мероприятий по интенсификации сушки железорудных окатышей на основе закономерностей процессов тепло- и массопереноса дис. раб. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.16.02 / В.М.Поляков, ВНИИМТ Свердловск, 1985. - 114 с.

77. Тепломассоперенос / А.С.Телегин, В.С.Швыдкий, Ю.Г.Ярошенко. М.: Академкнига, 2002. - 455 с.

78. Формирование оптимальной структуры окатышей / Г.М.Майзель,

79. B.М.Абзалов, В.И.Клейн // Известия АН СССР Металлы, 1981

80. Развитие бескоксовой металлургии / Н.А.Тулин, В.С.Кудрявцев,

81. C.А.Пчелкин и др.. М.: Металлургия, 1987. - 328 с.

82. Wei-Kao Lu. A New Process for Hot Metal Production at Low Fuel Rate. American Iron and Steel Institute, February 2006, pp. 12-14

83. Ironmaking Process Alternatives Screening Study. Lockwood Greene. Volume II: Summary Report, 2002, p. 132.