автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему: Исследование металлургических свойств железосодержащих брикетов из техногенного и природного сырья с целью повышения эффективности их проплавки в доменной печи
Автореферат диссертации по теме "Исследование металлургических свойств железосодержащих брикетов из техногенного и природного сырья с целью повышения эффективности их проплавки в доменной печи"
На правах рукописи
БОЛЬШАКОВА ОЛЬГА ГЕННАДЬЕВНА
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ БРИКЕТОВ ИЗ.ТЕХНОГЕННОГО И ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ПРОПЛАВКИ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Металлургия черных, цветных и редких металлов
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена на кафедре экстракции и рециклинга черных металлов Государственного технологического университета «Московский институт стали и
доктор технических наук, профессор
Курунов Иван Филиппович
доктор технических наук кандидат технических наук
Валавин Валерий Сергеевич Плешков Виктор Иванович
Защита диссертации состоится « 40 » апреля 2008 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212 132 02 при Государственном технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» по адресу 119049, Москва, Ленинский проспект, д 6, ауд
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов»
Автореферат разослан "_" марта 2008 г
Контактная информация Тел +79162152355 Факс +7(495)2304526 e-mail kanaeva_olga@mail ru
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор, Семин А Е
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Накопление дисперсных отходов, содержащих железо, углерод и другие полезные элементы, в шламохранилищах и отвалах на территории металлургических предприятий при ощущающемся дефиците доступных природных ресурсов требует комплексного подхода в решении этой проблемы В настоящее время рециклинг большинства видов таких отходов осуществляется путем их использования в составе агломерационной шихты Однако применение отходов в качестве компонентов аглошихты ограничено, а некоторых из них вовсе невозможно по технологическим и экологическим аспектам Кроме того, применение техногенного сырья различного генезиса без возможности дозирования на аглофабриках, не имеющих усреднительного склада, негативно отражается на стабильности состава агломерата
В части рециклинга железосодержащих дисперсных отходов альтернативой агломерации может быть процесс брикетирования, являющийся более универсальным и менее энергозатратным способом окускования Благодаря совершенствованию и диверсификации техники и технологии брикетирования, в настоящее время она находит все более широкое применение для утилизации отходов и подготовки сырья для доменной плавки на металлургических заводах как не имеющих аглофабрики, так и имеющих В связи с этим такое решение проблемы обращения с железосодержащими отходами требует углубления знаний о металлургических свойствах брикетов В первую очередь это касается получаемых методом вибропрессования брикетов на цементной связке, применение которых в шихте доменных печей ранее широко не практиковалось и их поведение в высокотемпературных восстановительных условиях доменной плавки не изучалось Назрела настоятельная необходимость изучения превращений, происходящих в брикетах в этих условиях и определяющих их металлургические свойства, как компонентов доменной шихты обычного или специального назначения
Цель работы. Диссертационная работа посвящена изучению металлургических свойств брикетов на цементной связке из дисперсных железосодержащих техногенных и природных материалов с целью повышения эффективности их проплавки в доменной печи за счет оптимизации их состава
Для этого необходимо было изучить факторы, определяющие прочность брикетов при восстановлении, проанализировать влияние брикетов на показатели доменной плавки, а также оценить энергетические затраты на рециклинг дисперсных железосодержащих отходов по альтернативным технологиям
1. Установлено, что необходимая холодная прочность брикетов из техногенных и природных дисперсных железо- и железоуглеродсодержащих материалов на цементной связке достигается при использовании 8-10 % минерального связующего в шихте и сохраняется вплоть до полного разложения гидросиликатов цементного камня
2. Показано, что при нагреве брикетов в восстановительной атмосфере их
прочность сохраняется вплоть до их размягчения Объяснен механизм сохранения прочности брикетов, включающий твердофазное спекание частиц компонентов брикета, последующее формирование оливиново-вюститной матрицы в теле брикета и образование, в результате восстановления железа газом, поверхностного металлического каркаса
3 Выявлена и объяснена необходимость обеспечения оптимального содержания углерода в брикетах, при котором достигается максимальный коэффициент замены кокса углеродом брикетов при их проплавке в доменной печи Теоретически показано и опытными плавками на доменной печи 2000 м3 подтверждено, что превышение оптимального содержания углерода в брикетах за счет коксовой мелочи при высоком удельном расходе брикетов ухудшает показатели доменной плавки
1 Результаты исследования использованы при разработке технологического задания на проектирование в ОАО «HJIMK» участка по производству брикетов из металлургических железоуглеродсодержащих дисперсных отходов
2 Изготовлением и проплавкой в доменных печах брикетов из окалины показана эффективность их применения и возможность замены ими промывочного агломерата с прекращением периодического его производства, ухудшающего показатели работы аглофабрики и стабильность состава агломерата Предложено оптимизировать состав промывочных брикетов за счет применения кремнеземистых и магнезиальных добавок
3 Показано энергетическое и экологическое преимущество брикетирования перед альтернативными технологиями утилизации железосодержащих отходов
По материалам диссертации опубликовано 8 статей Результаты доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах
• Симпозиум «Познание процессов доменной плавки» (Днепропетровск, Украина, июль, 2006)
• Materials Science & Technology (MS&T) 2006 Conference and exhibition (USA, Cincinnati, Ohio, October, 2006)
• International conference «Advances m metallurgical processes and materials» (Dnipropetrovsk, Ukraine, may, 2007)
• V молодежный научно-практический форум "Интерпайп-2007" (г Днепропетровск, Украина, июнь, 2007г)
• Научно-практическая конференция «Современные вопросы доменного производства» (Днепропетровск, Украина, январь 2008 г )
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных литературных источников из 104 наименований и 5 приложений Общий объем работы составляет 121 страница, в том числе 33 таблицы и 28 рисунков
1. Современные технологии рециклинга дисперсных железосодержащих
Выполненный анализ применяемых технологий утилизации мелкодисперсных отходов металлургических производств показывает, что рециклинг большинства из них осуществляется с использованием агломерационного процесса При этом их применение в аглошихте ограничено Расход «непроблемных» железосодержащих отходов в аглошихту может достигать до 100-150 кг/т агломерата Часть железосодержащих отходов (шламы, замасленная окалина) вообще не может быть использована в составе аглошихты без предварительной обработки Ограниченная возможность рециклинга отходов в аглопроцессе накладывает определенные трудности в сфере обращения с отходами В то же время, отказ от утилизации ряда техногенных материалов в составе аглошихты позволяет улучшить показатели аглодоменного производства и повысить качество агломерата
Помимо агломерации рассмотрен опыт утилизации подобных отходов с использованием альтернативных способов рециклинга В качестве такой технологии все шире применяется метод холодного брикетирования вибропрессованием с использованием минерального связующего -портландцемента В зависимости от технологического предназначения в составе таких брикетов можно использовать материалы, содержащие только железо, железо и углерод, углерод, металлоотходы, и флюсующие добавки
2. Образцы материалов, методики и аппаратура, используемые в работе
В исследованиях использовали образцы лабораторных и промышленных брикетов различного компонентного состава и промышленного агломерата (табл 1,2) Лабораторные брикеты изготавливались на лабораторной вибрационной площадке (частота 50 Гц, амплитуда колебаний 0,35 мм) в форме куба размером 70x70x70 мм, 100x100x100 мм Промышленные брикеты изготавливались на вибропрессе для производства бетонных изделии в ОАО «НЛМК» (давление 10 кПа, частота 50 Гц) в форме цилиндра размером 120x90 мм
Оценку восстановимости и размягчаемости материалов выполняли по методикам и на установках МИСиС и на аппарате Бургхардта в лаборатории ОАО «ОЭМК» Исследование поведения предварительно частично восстановленных (по ГОСТ 21707-76) железорудных материалов при высокотемпературном нагреве в слое кокса проводили на установке и по методике Института черной металлургии HAH Украины
Для исследования минералогического состава брикетов применялись оптическая микроскопия, термографический метод STA и мессбауэровская спектроскопия
Прочность на сжатие брикетов определяли в соответствии с ГОСТ 10180-90 в лаборатории ОАО «НЛМК»
Для оценки эффективности применения промывочных брикетов из окалины проведены опытные плавки с их использованием на двух доменных печах объемом 2000 м3 ОАО «НЛМК» Эффективность применения коксорудных
Таблица 1 Компонентный состав образцов, исследуемых в работе
№№ образца «Г и ы О Пыль ГсЙ!, % Магнезиальный порошок, % [ Гематито-^ вая руда, % Магнети-товый конц-т, % Колошниковая пыль, % Доменный шлам, % Конвертерный шлам, % Коксовая мелочь, % Портландцемент, %
2-5* 90 - - - - - - - - 10
6-7 промышленный промывочный агломерат двух составов
8 офлюсованный апоме! эат
9 88 4 - - - - - - - 1 8
10 80 7,9 2,1 - - - - - - 10
И 80 8,5 3,5 - - - - - - 8
12 80 6,8 3,2 - - - - - - 10
13 80 7,4 4,6 - - - - - - 8
14 80 5,9 4,1 - - - - - - 10
15 80 6,5 5,5 - - - - - - 8
16 - - - 73 - - - - 17** 10
17 - - - - 71,7 - - - 16,6 11,7
18 - - - - 65 - - - 20 15
19 70 - - - - 8 - - 12 10
20 68 - - - - 8 - - 14 10
21 27 - - - - - 50 - 13 10
22 - - - - - - 90 - - 10
23 - - - - - - 92 - - 8
24 - - - - - - 65 25 - 10
25 - - - - - - 66 26 - 8
26 - - - - - - 55 35 - 10
27 - - - - - - 56 36 - 8
28 - - - - - - 45 45 - 10
29 - - - - - - 46 46 - 8
30 - - - - - - - 90 - 10
31 - - - - - - - 92 - 8
*образец №2- лабораторный брикет образец №3-5 -промышленные брикеты **древесный уголь
брикетов оценивали с использованием метода пофакторного анализа по результатам опытных плавок, проведенных ранее на доменной печи объемом 1000 м3 ОАО «НЛМК»
3. Исследование металлургических свойств брикетов на цементной связке Исследование прочности брикетов в холодном состоянии
Проведенные по стандартной методике испытания лабораторных брикетов на раздавливание показали, что при содержании 8-10 % цемента брикеты из различных техногенных и природных дисперсных компонентов показали высокие значения прочности на сжатие (табл 3) Наиболее прочными оказались брикеты, содержащие окалину Введение в шихту брикетов колошниковой пыли несколько снижает их прочность вследствие ее дисперсности и плохой комкуемости (№19,20) При неизменном содержании цемента в шихте (8%) добавка к брикетам
Таблица 2 Химический состав исследуемых в работе образцов
№№ образца Ре0бщ, % РеО, % Рс2Оз, % СаО,% БЮг, % МёО,% С,% Основность СаО/ ЭЮг
1 66,93 49,16 | 40,99 5,48 2,47 0,40 0 2,22
2 65,51 48,10 40,14 6,75 2,86 0,47 0 2,36
3 58,4 58,8 18,14 9,8 8,1 0,44 0 1,21
4 53,2 49,8 20,7 13,2 10,8 0,58 0 1,22
5 59,7 58,4 20,3 9,15 6,35 0,68 0 1,44
6 60,23 44,31 36,81 7,05 8,57 1,07 0 0,82
7 59,95 41,48 39,56 7,27 8,85 1,02 0 0,82
8 58,5 13,5 68,6 8,15 7,33 1,55 0 1,11
9 64,03 47,03 39,22 5,47 6,43 0,39 0 0,85
10 58,24 42,75 35,70 6,77 10,73 2,31 0 0,63
И 58,22 42,75 35,66 5,54 10,97 3,47 0 0,6
12 58,24 42,75 35,70 6,80 9,67 3,28 0 0,7
13 58,22 42,75 35,66 5,54 9,87 3,55 0 0,56
14 58,24 42,75 35,70 6,83 8,79 4,07 0 0,78
15 58,22 42,75 35,66 5,60 10,51 5,23 0 0,53
16 46,12 0,00 65,88 8,84 7,79 0,52 12,62 1,14
17 47,99 17,96 48,61 7,67 5,63 0,72 14,28 1,36
18 43,39 16,05 44,15 9,56 6,00 0,82 17,20 1,59
19 52,81 36,70 34,67 7,02 3,21 0,45 10,96 2,19
20 51,32 35,57 33,78 7,01 3,19 0,53 12,68 2,2
21 39,88 16,30 38,87 11,55 6,11 1,13 20,48 1,89
22 40,35 6,76 50,13 13,05 8,30 1,46 15,75 1,57
23 41,22 6,91 51,20 11,92 8,02 1,41 16,10 1,49
24 44,05 21,61 38,92 14,44 7,29 1,48 11,93 1,98
25 45,07 22,35 39,55 13,37 6,98 1,43 12,12 1,92
26 45,53 27,55 34,44 15,00 6,89 1,49 10,40 2,18
27 46,55 28,29 35,06 13,93 6,57 1,4 10,60 2,12
28 47,01 33,48 29,96 15,56 6,48 1,50 8,87 2,40
29 48,03 34,23 30,58 14,49 6,17 1,45 9,07 2,35
30 53,68 60,21 9,78 18,07 4,67 1,54 1,99 3,87
31 54,84 61,55 9,96 17,06 4,32 1,49 2,03 3,95
Таблица 3 Результаты испытаний брикетов на сжатие
№№ образца 1 2 9 10 11 12 13 14 15 19
Прочность, кг/см'' 93,3 118 112 48 81 68 49 34,2 33 87,5
№№ образца 20 21 24 25 26 27 28 29 30 31
Прочность, кг/шг 84,3 148,4 10 7,3 9 6 10,8 9,7 2 2
из окалины микрокремнезема (пыль газоочистки печи для производства Ре81) в количестве до 5% увеличивала прочность брикетов (№№1,9) Увеличение добавки пылевидной ЗЮг свыше 5% и добавка магнезии (в виде порошка с содержанием 85% М§0) снижала прочностные характеристики брикетов (№№10-15) вследствие образования медленно гидратирующих низкоосновных силикатов кальция и снижения гидратационной активности трехкальциевого силиката
Минимальную прочность на сжатие имели брикеты из конвертерного шлама (№№30-31) Низкая прочность данных брикетов обусловлена повышенным содержанием СаО в составе шлама в виде трехкальциевого силиката ЗСа0*И\02
(алита), имеющего зернистую микроструктуру, а также сохранением в структуре брикета шламовых гранул, образующихся при сушке шлама Частичная замена конвертерного шлама доменным приводила к некоторому увеличению значений прочности брикетов на сжатие (№№24-29) При использовании конвертерного шлама в составе шихты для брикетирования необходимо увеличивать расход цемента на их изготовление При промышленном производстве брикетов из конвертерного шлама с содержанием цемента 15 % достигалась их достаточная прочность (25-40 кг/см2), обеспечивающая целостность брикетов при транспортировке и перегрузках с образованием мелочи (-10 мм) не более 5-7 %
Поведение брикетов при нагреве в восстановительной атмосфере
С целью оценки поведения брикетов из оксидных железосодержащих материалов при их нагреве в восстановительной атмосфере лабораторные брикеты (размером 70x70x70 мм) из прокатной окалины, железорудного концентрата Стойленского ГОКа, конвертерного шлама и кварцевого песка (содержание цемента М500 6,6%, 8,8%, 9,0 % и 10,7 %, соответственно) были подвергнуты нагреву до Т=1150 "С со скоростью 500 "С/час в трубчатой печи (внутренний диаметр - 100 мм) в токе водорода с последующим охлаждением до комнатной температуры путем продувки печи азотом
После термообработки все брикеты полностью сохранили свою форму Брикет из кварцевого песка в результате термообработки потерял прочность по причине дегидратации гидросиликатов цементного камня, которая, по результатам термографического анализа, завершается при температуре 700-750 °С Оптический анализ образцов этого брикета после термообработки выявил лишь следы незначительного взаимодействия между зернами песка и компонентами цементного камня, не повлиявшего на прочность брикета
Брикеты из железосодержащих материалов в результате термообработки в восстановительной атмосфере значительно упрочнились за счет формирования плотной микроструктуры из вюстита и железистых оливинов, образовавшейся в результате спекания дисперсных частиц компонентов брикета, реакций восстановления оксидов железа и твердофазных реакций между вюститом, оксидами пустой породы железосодержащих компонентов и оксидами цементного камня Кроме того, в поверхностном слое этих брикетов образовался своеобразный металлический каркас, толщина которого (от 3-5 до 10-15 мм) определялась крупностью частиц и восстановимостью железосодержащего материала, а также исходной (после изготовления) плотностью брикета
Во всем объеме брикета из железорудного концентрата оксиды железа восстановились до вюстита, а в поверхностном слое толщиной 3-5 мм - до металлического железа (рис 1) Металлическое железо по границам зерен вюстита присутствует в теле брикета на расстоянии 20-25 мм от поверхности Плотная структура железосиликатной фазы между зернами вюстита в центральной части брикета (рис 2) свидетельствует о том, что она прошла через жидкое, либо вязко-пластичное состояние Образование оливинов обусловлено содержанием БЮг в концентрате (6,3%), СаО в цементе и развитой поверхностью контакта дисперсных частиц концентрата (70-120 мкм) и цемента Брикеты из железорудного концентрата могут служить эффективным промывочным
материалом для доменных печей, так как восстановление большей части железа в доменной печи будет происходить только твердым углеродом после расплавления брикета.
Рисунок 1. Микроструктура поверхности брикета из магнетитового концентрата: металл (1), вюстит(2), оливиновая фаза (3) (отраженный свет, увеличение х500)
Рисунок 2. Микроструктура центральной части брикета из магнетитового концентрата: вюстит (1), оливиновая фаза (2) (отраженный свет, увеличение х500)
В брикете из окалины оксиды железа в поверхностном слое (10-15 мм) практически полностью восстановились до металла (рис.3), а в остальной части тела брикета, занимающей 50-60 % объема - до вюстита, местами оконтуренными металлическим железом (рис.4).
Незначительное содержание оксидов пустой породы в окалине, особенно БЮг, а также не столь развитая (по сравнению с концентратом) поверхность контакта между частицами окалины размером 0-5 мм и продуктами дегидратации цементного камня (СаО, 8Юг) обусловили образование в структуре брикета лишь небольшого количества силикатов оливинового состава и увеличение поверхностного слоя металлизованного железа.
В брикете из конвертерного шлама, содержащем до 2-3 % углерода, металлическое железо, кроме поверхностного слоя толщиной 6-8 мм, в небольшом количестве образовалось во всем объеме брикета. Между зернами
Рисунок 4. Микроструктура центральной части брикета из окалины:
вюстит (1), металл (2) (отраженный свет, увеличение х200)
вюстита присутствует небольшое количество оливиновой фазы и трехкальциевого силиката (алита).
Рисунок 3. Микроструктура поверхностного слоя брикета из окалины:
металлическое железо (1), оливиновая фаза (2) (отраженный свет, увеличение хЮОО)
Таким образом, полученные результаты позволяют заключить, что цементная связка способствует сохранению формы и прочности брикетов из железосодержащих материалов при их нагреве в восстановительной атмосфере до полной дегидратации гидросиликатов цементного камня. Процессы спекания дисперсных железосодержащих частиц, последующее образование плотной структуры из железистых оливинов и вюстита во всем объеме брикетов и упрочняющего металлического каркаса в поверхностном слое, который при нагреве до 1150 °С может занимать в зависимости от вида железосодержащего компонента брикета до 10-45 % его объема, способствует сохранению формы брикетов вплоть до их размягчения в зоне когезии. Ни прочность брикетов в холодном состоянии, ни их поведение при нагреве в восстановительной атмосфере не ограничивают применение брикетов на цементной связке в качестве окускованного сырья для доменных печей.
Исследование металлургических свойств брикетов из окалины
Брикеты из окалины исследовали как возможный альтернативный промывочному агломерату материал, производство которого позволит исключить периодическое спекание промывочного агломерата, сопровождающееся снижением технико-экономических показателей агломашин и стабильности состава обычного агломерата в переходные периоды
Объектами исследования были (табл 1,2) лабораторные брикеты №№1,2, промышленные брикеты №№ 3,4, промышленный промывочный агломерат №№ 6,7
Пробы лабораторных и промышленных брикетов из окалины (размер кусочков 30-35 мм) показали более высокую восстановимость по сравнению с промывочным агломератом (размер кусочков 10-25 мм) (табл 4) При Т=800°С брикеты с равномерной скоростью достаточно интенсивно восстанавливаются и по истечении опыта (50 минут) достигают относительно высоких значений степени восстановления Промывочный агломерат восстанавливается также с равномерной скоростью, но достаточно медленно и к моменту окончания опыта развитие процессов восстановления в агломерате ограничено.
Характеристики размягчаемости проб промышленного агломерата и лабораторных брикетов сопоставимы (табл 5), а исследованные пробы промышленных брикетов имели значительно более широкий интервал и более низкую температуру начала размягчения по сравнению с промывочным агломератом, что обусловлено большим различием химического состава этих брикетов из-за несовершенной технологии их изготовления
Таблица 4 Степень восстановления испытанных образцов
Ю,% 72,8 70,7 73,0 68,9 15.8 55,6 18.6 51,1
Примечание степень восстановления образцов при нагреве
* -в числителе - кусочки 20-25 мм с оплавленной структурой , -в знаменатече - кусочки 10-15 мм с пористой структурой
Таблица 5 Результаты испытаний образцов промывочных материалов на размягчаемость в восстановительной атмосфере____
№№ образца 1 2 3 4 6 7
Т °Г 1 нач , 1150 1160 920 990 1180 1180
т °г А кон , 1315 1300 1150 1200 1335 1320
д т,°с 165 140 230 210 155 140
Испытания исследуемых материалов в аппарате Бургхардта (восстановление водородом при температуре 900°С под нагрузкой 1,5 кг/см2 пробы массой 800-1000 г, крупность кусочков 8-20 мм , 2 опыта с каждым материалом) выявили различный характер восстановления проб промышленных брикетов из окалины и промывочного агломерата (рис 5) Восстановление пробы брикетов первые 30 минут шло более интенсивно, чем восстановление агломерата, затем оно замедлилось и через 45 минут практически прекратилось Потеря массы агломерата примерно с одинаковой скоростью продолжалась в
течение всех трех часов и, в результате, итоговая степень металлизации агломерата (93,9 %) несколько превысила степень металлизации кусочков брикета (89,7 %).Усадка пробы брикетов (6,7 %) при восстановлении в аппарате Бургхардта превышала усадку пробы агломерата (2,1 %), а количество спекшегося материала составило 78,5 %, тогда как доля спекшихся кусочков агломерата составила только 6,6 %.
—А—Брикеты из окалины ■—ш—Промывочный агломерат
Рисунок 5. Характер процесса восстановления проб брикетов из окалины и промывочного агломерата в аппарате Бургхардта при Т=900°С
Исследования поведения предварительно восстановленных промышленных брикетов из окалины (№5) и двух видов агломерата (№№6,8) при высокотемпературном нагреве от 1000 до 1600 "С в слое кокса под нагрузкой 1 кг/см2 проводили на установке ИЧМ