Содержание к диссертации
Введение
Глава I Состояние вопроса и постановка задачи исследований 11
1.1 Основные тенденции развития технологии производства стали 11
1.2 Структурная схема технологии производства горячебрикетированного железа по способу HYL-III 15
1.3 Основные требования к качеству металлизованных брикетов 25
1.4 Основные особенности технологии горячего
брикетирования восстановленных окатышей 26
1.5 Анализ и обобщение мирового опыта по достижению наилучших показателей в производстве горячее-брикетированного железа 35
1.6 Основные направления совершенствования технологии производства горячебрикетированного железа 40
1.7 Выводы и постановка задачи исследования 41
Глава II Статистический анализ производства металлизованных брикетов на установке HYL-III 43
2.1 Анализ и обобщение опыта работы промышленной установки HYL-III 43
2.2 Статистический анализ влияния химического состава металлизованных окатышей на прочность брикетов 51
2.3 Статистический анализ влияния температуры прессуемого материала и плотности брикетов на их прочность 60
2.4 Многофакторная зависимость показателя прочности брикетов 65
2.5 Выводы 69
Глава III Исследование влияния химического и гранулометрического составов металлизованных окатышей на технологию и качество брикетов 71
3.1 Методика исследований 71
3.2 Критерии оценки и методы измерения качественных характеристик брикетированного железа 77
3.3 Результаты исследований 79
3.3.1 Влияние различных факторов на скорость окисления металлического железа 79
3.3.2 Влияние химического состава флюсоупрочняющих добавок на качество металлизованных окатышей и прочность брикетов 88
3.3.3 Влияние гранулометрического состава металлизованных окатышей на прочностные характеристики брикетов 97
3.4 Выводы 100
Глава IV Исследование влияния технологических параметров брикетирования на качество брикетов 103
4.1 Влияние динамических параметров брикетирования на прочность брикетов 103
4.2 Экспериментальные исследования зависимости прочности брикетов от формы и размера ячеек на валковых прессах . 110
4.3 Выводы 113
Глава V Исследование влияния режима охлаждения брикетной ленты на качественные показатели брикетов 115
5.1 Технология охлаждения 115
5.2 Основные закономерности теплообмена в процессе охлаждения брикетной ленты водой 116
5.2.1 Охлаждение в проточной ванне 117
5.2.2 Охлаждение диспергированными струями 134
5.3 Влияние режима охлаждения брикетов на качество брикетированного железа 142
5.4 Обоснование оптимальных параметров охлаждения 144
5.5 Выводы 147
Заключение 149
Литература 152
- Структурная схема технологии производства горячебрикетированного железа по способу HYL-III
- Статистический анализ влияния химического состава металлизованных окатышей на прочность брикетов
- Влияние различных факторов на скорость окисления металлического железа
- Экспериментальные исследования зависимости прочности брикетов от формы и размера ячеек на валковых прессах
Введение к работе
Проведенные аналитические исследования перспектив производства металлопродукции позволяют сделать вывод о том, что к 2010 г. ожидается значительное увеличение количества стали, выплавляемой электросталеплавильным способом. В 2005 г 33,6% мирового объема производства стали, было произведено в электросталеплавильных печах, к 2010 г. значение данного показателя возрастет до 45%. [1-4] Доля электростали в России в 2005г. составила 22%, но по прогнозам ООО «Корпорации Чермет» к 2015г. увеличится до 35% от общего объема выплавки стали. [5]
Основными видами сырья в электрометаллургии является лом (78% в 2004г.), металлизованное сырьё (13%) и чугун (9%). [3]
Таблица 1 - Потребление основных видов металлосодержащего сырья в мировом электросталеплавильном производстве, млн. т
Рост производства стали в электропечах предопределяет существенное увеличение спроса на металлосодержащее сырьё. В 2004г. общий объем мирового потребления лома составил около 450 млн. т, свыше 70% от этого количества (304 млн.т) было использовано в электрометаллургии. Общий спрос на металлосодержащее сырьё в электрометаллургии в 2005 - 2010 гг. вырастет на 80 - 85 млн. т. При этом возможности по увеличению заготовки лома в мире ограничены. Более того, в начале 2010-х г. вполне вероятно снижение объемов заготовки лома вследствие активного расширения использования современных технологий (например, непрерывной разливки стали), что приводит к сокращению образования оборотного лома на металлургических
предприятиях [1]. По расчетам специалистов ОАО ММК доля лома, экономически целесообразного для сбора, в общем объеме запасов, начиная с 2011г., будет снижаться, а к 2018г. в России практически не останется запасов экономически целесообразных для сбора лома, рис. 1 [5].
Годы
І Общие запасы лома
Экономически целесообразный для сбора лом
Рис. 1 - Количество лома, экономически целесообразного для сбора
Это позволяет прогнозировать рост спроса на другие виды металлосо-держащего сырья, в первую очередь на металлизованные материалы, изготовленные из первородного железорудного сырья, например из железорудных концентратов. Кроме того, уже в настоящее время сталеплавильное производство испытывает ограниченное количество качественного лома.
Дополнительным фактором роста потребления металлизованного сырья является опережающий рост производства высококачественных сталей, в первую очередь специальных сталей, для производства которых металлизо-ванное сырьё с его низким содержанием примесей является наиболее оптимальным.
В России с 2005 по 2009 гг. уже одобрены и реализуются проекты по строительству и реконструкции электросталеплавильных мощностей общим
объемом 14,4 млн. т [2, 3], что обусловит резкое увеличение спроса на металлолом. Спрос на лом в российской черной металлургии вырастет с 28 млн. т в 2004г. до 30 - 35 млн. т в 2010г. Однако значительного увеличения заготовки лома с расчетом на экспорт и потребности внутреннего рынка не ожидается. Поэтому в среднесрочной перспективе возникает необходимость расширения использования металлизованного сырья в России. Целесообразность применения металлизованного сырья в шихте электропечей вместо лома обусловлена его высокой чистотой по вредным примесям и примесям цветных металлов, однородностью по химическому составу и стабильностью свойств. Указанные свойства предопределяют расширение сортамента высококачественных сталей. [6, 7, 8 ]
В связи с вышеизложенным, научные разработки, направленные на обеспечение электроплавильного производства первородной высококачественной металлошихтой, представляются весьма актуальными. Одним из таких направлении является производство металлизованных брикетов по технологии HYL-III.
Актуальность работы.
Для черной металлургии России производство горячебрикетированного железа (ГБЖ) представляет новое техническое направление подготовки металлизованного сырья для электросталеплавильного производства. В отличие от металлизованных окатышей металлизованные брикеты в меньшей степени подвержены вторичному окислению металлического железа и поэтому более безопасны для перевозок морским путем, лучше сохраняют металлургические свойства при хранении на открытых складах. Основной причиной, обусловливающей интенсивность окисления металлического железа при длительном хранении, является механическое разрушение брикетов, в результате которого образуются новые поверхности контактирования металлического железа с атмосферным кислородом. Разрушение брикетов с образованием мелких классов (менее 5 мм) вызывает резкое возрастание скорости окисления металлического железа. В связи с этим получение металлизованных брикетов с высокой механической прочностью составляет основное требование к технологии производства ГБЖ по способу HYI-III.
Практика производства горячебрикетированного железа из концентратов железистых кварцитов Лебединского ГОКа показала, что прочность брикетов зависит от параметров брикетирования, химического и гранулометрического составов металлизованных окатышей.
Углубленное изучение теории и технологии процесса брикетирования на начальном этапе освоения этой технологии обеспечит статус-кво и развитие её в промышленном масштабе. Научные результаты экспериментальных исследований в области металлизации окисленных окатышей, брикетирования металлизованных окатышей и вторичного окисления металлизованных брикетов дополняют и углубляют теоретический курс прямого восстановления железа.
Целью работы является разработка научно-обоснованных технологических решений по формированию высокой прочности горячебрикетированного железа из концентратов КМА по методу HYL-III путем оптимизации химического состава металлизованных окатышей, технологических параметров брикетирования и режима охлаждения горячих брикетов.
Научная новизна.
1. Впервые экспериментально исследована скорость вторичного окисления горячебрикетированного ж елеза. В результате экспериментов установлены факторы, влияющие на скорость вторичного окисления ГБЖ, наиболее значимым из которых является разрушение брикетов, вследствие чего происходит образования новых поверхностей контактирования металлического железа с кислородом воздуха. Скорость вторичного окисления целых брикетов и фрагментов крупностью более 25 мм в среднем составляет 0,1%(отн.)/сек, для металлизованной мелочи класса более 5 мм данный параметр увеличивается в 3 раза, а для металлизованной мелочи класса менее 5 мм - в 10 раз по сравнению с брикетами.
2. Установлена зависимость прочности брикетов от их химического состава. В качестве количественного критерия предложен комплексный показатель
т, MgO + Al203 FeMem
химического состава - К = —— , при этом прочность ме-
CaO +Si02 С F F
таллизованных брикетов линейно возрастает с увеличением значения данного показателя. Определено оптимальное значение комплексного показателя химического состава К= 26 — 31, соответствующее допустимому уровню усадки слоя окатышей в процессе восстановления.
Разработаны и применены оптимальные значения динамических и температурных параметров прессования горячих металлизованных окатышей, обеспечивающие повышение прочности брикетов (по кл. +25мм) с 55 до 70%.
Выявлены закономерности теплообмена брикетов при вибрационном движении в потоке воды. Установлены зависимости качества горячебрикетиро-ванного железа от скорости охлаждения. Расчетно-аналитическим путем определена оптимальная скорость охлаждения металлизованных брикетов -около 30С/с, позволяющая увеличить прочность брикетов на 10 - 15% при сохранении их степени металлизации. Указанная скорость охлаждения достигается путем применения способа охлаждения диспергированными струя-ми с плотностью орошения 0,65 л/(м -с)
Практическая значимость и реализация работы.
Определено, что при хранении горячебрикетированного железа в течение 30 суток его металлургическая ценность сохраняется при условии содержания в нём класса менее 5мм не выше 4%, а содержании класса более 25мм не ниже 75%о.
На основе исследований влияния гранулометрического состава брикетируемого материала впервые осуществлен возврат на брикетирование ме-таллизованной мелочи класса более 5 мм и менее 10мм путем её подачи в печь металлизации совместно с окисленными окатышами в количестве 0,2 -0,3%) от общей нагрузки.
Полученные результаты исследований формы брикетов на их прочность позволят производителям осуществить рациональный выбор пресс-форм для производства брикетов на валковых брикет-прессах.
Рекомендован режим охлаждения горячих брикетов диспергированными струями, обеспечивающий сохранение металлургической ценности брикетов при транспортировке, выбран тип разбрызгивающих форсунок (пневматические форсунки фирмы «ЛЕХЛЕР», с полноконусной формой
струи, углом раскрытия 60 и диаметром капель 1-2мм). Применение диспергированных струй для охлаждения брикетов позволит снизить расход воды
до 16 -20м /час.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных и промышленных исследований зависимости прочности брикетов от химического и гранулометрического состава восстановленных окатышей, полученных из концентрата КМА, позволяющие разработать рекомендации по повышению прочности брикетов.
закономерности влияния динамических и температурных параметров прессования горячих металлизованных окатышей на прочность брикетов;
закономерности влияния режима охлаждения металлизованных брикетов на их качество.
Апробация работы.
Материалы диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях и опубликованы в работах:
Тимофеева А.С., Никитченко Т.В., Чмель И.С., Гончарова Н.С. Влияние флюсующих добавок на металлургические свойства обожженных окатышей в условиях цеха горячебрикетированного железа Лебединского ГОКа. Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2003. №6. С. 5-7.
Тимофеева А.С., Никитченко Т.В., Рекун С.Н., Семина Ю.В., Руднов И.А. Исследования прочности брикетов, производимых Лебединским горнообогатительным комбинатом. Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2003. №10. С. 7-8.
Тимофеева А.С., Крахт Л.Н., Никитченко Т.В. Скорость окисления горячебрикетированного железа. Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2005. №4. С. 68-69.
4. Меркер Э.Э., Никитченко Т.В., Тимофеева А.С. и др. Интенсификация
охлаждения клинкера водовоздушными струями. Известия ВУЗов. Черная
металлургия. 1994. №2. С. 56-58.
Тимофеева А.С., Никитченко Т.В. Повышение прочности горячебрике-тированного железа. «Наука и технологии» Труды XXIII Российской школы. М: Российская академия наук. 2003. С. 217-223.
Тимофеева А.С., Никитченко Т.В., Руднов И. А. Цементация и спекооб-разование при получении металлизованных окатышей и прочность горя-чебрикетированного железа. Сборник научных трудов региональной научно-практической конференции 27-28 ноября 2003. г.Ст. Оскол. С. 143.
Тимофеева А.С., Никитченко Т.В. Исследование характеристик дисперсных струй, предназначенных для охлаждения высокотемпературных тел. Сборник научных трудов региональной научно-практической конференции 27-28 ноября 2003. г.Ст. Оскол. С. 140-142.
Тимофеева А.С., Никитченко Т.В. Исследование прочностных характеристик горячебрикетированного железа для получения стальной дроби. Материалы VI Международной научно-технической конференции. Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства, г. Череповец. 2003. С. 43-47.
Тимофеева А.С., Руднов И.А., Никитченко Т.В. Влияние прессуемого материала на прочность брикетов. Региональная научно-практическая конференция, г. Губкин. 2004. С. 88-91.
Тимофеева А.С, Никитченко Т.В., Крахт Л.Н., Велик Н.П. Исследование схода шихты в печи металлизации. Материалы третьей международной научно-технической конференции 31 октября - 3 ноября 2006. г. Липецк. Часть №5 С. 180-184.
Крахт Л.Н., Тимофеева А.С., Никитченко Т.В., Уразова Л.Ф. Исследование микроструктуры окатышей. Материалы третьей международной научно-технической конференции 31 октября - 3 ноября 2006. г. Липецк. Часть №5 С. 184-188.
Евстюгин С.Н., Кононыхин А.В., Калиненко Ю.Н., Никитченко Т.В., Крымов Ю.А., Каменев А.А. Пути повышения технико-экономических показателей установки HYL-III. Сталь. 2007. №4. С. 12-13.
Структурная схема технологии производства горячебрикетированного железа по способу HYL-III
В 90-х годах 98% стали производили традиционным методом с использованием кокса в доменной плавке и только 2% от всего объема выплавляли методом бескоксовой металлургии. Существенные изменения происходили на сталеплавильной стадии передела — интенсивно возрастала доля стали, выплавляемой в электроду говых печах. В настоящее время балансовая структура выглядит так: в 2004г. около 1/3 мировой выплавки стали приходится на сталь, выплавленную в дуговых электропечах и около 2/3 - это конвертерная сталь, к 2010г. доля электростали возрастет до 45% рис. 1.1 [9].
Как видно из диаграммы на рис. 1.1, развитие сталеплавильного производства происходит в направлении замещения мартеновского способа кислородно-конвертерным и электросталеплавильным способами, и главной причиной тому является снижение удельных расходов исходных материалов и энергии на единицу произведенной продукции. Основным показателем расхода материалов в сталеплавильном производстве является удельный расход металлошихты (чугуна, лома, ферросплавов) на 1 т стали. В таблице 1.1 приведены значения удельных расходов металлошихты и энергоемкости по видам сталеплавильных процессов.
Согласно данным, представленным в табл. 1.1, самым эффективным способом выплавки стали с точки зрения энергозатрат, является электросталеплавильный с использованием 100% металлолома. Однако следует учесть, что качество таких сталей уступает качеству сталей, произведенных конвертерным способом или при использовании металлизованного сырья, по причине «загрязнения» лома цветными металлами. Кроме того, переплав лома не сможет удовлетворить растущих потребностей стальной продукции.
Одним из решающих условий повышения качества стали наряду с усовершенствованием технологии выплавки является повышение чистоты металлической шихты. Исключение из шихты скрапа, являющегося источником загрязнения легирующими и вредными примесями, путем замены металлизованным сырьем наилучшим образом решает вопрос получения стали высокой и гарантированной чистоты [14-18]. Частичная замена лома горячебрикетированным железом позволяет несколько снизить удельные энергетические затраты. Это объясняется тем, что брикеты увеличивают насыпную плотность шихты, что интенсифицирует процессы передачи тепла теплопроводностью. Расход электроэнергии при оптимальном соотношении лома и ГБЖ снижается на 8 кВтч/т, при этом снижается время расплавления шихты на 4 мин, продолжительность плавки от выпуска до выпуска сокращается на 10 минут [19 - 22]. Наиболее значимые преимущества горячебрикетированного железа: - известный точный и постоянный химический состав; - отсутствие примесей цветных металлов, низкое содержание серы и фосфора; - возможность разбавления с недорогим ломом; - легкость транспортировки и разгрузки/погрузки; - возможность автоматической непрерывной загрузки; - увеличение производительности печи; - уменьшение шума во время переплавки по сравнению с ломом; - улучшение экологической обстановки за счет снижения объемов или полного исключения передела подготовки металлолома [17, 18]. Одной из сдерживающих причин развития бескоксовой металлургии стали являются высокие капитальные вложения в производство электроэнергии и низкий сквозной коэффициент использования первичного топлива [12, 21]. Однако время ввода завода бескоксовой металлургии требует меньшего времени до получения первой продукции, нежели заводы с доменным переделом. При учете эксплуатационных затрат и качества продукции срок окупаемости заводов бескоксовой металлургии значительно ниже, чем при традиционной схеме [12, 13]. Интенсивное развитие бескоксовой металлургии объясняется следующими причинами: 1. Ограниченностью запасов коксующихся углей, ухудшением их качества и технико-экономических показателей добычи и переработки. 2. Стремлением более рационально использовать топливно-энергетические ресурсы и необходимостью увеличения в черной металлургии доли наиболее экономичных видов топлива- газа, нефти, некоксующихся углей. 3. Ограниченностью ресурсов лома гарантированной чистоты и стабильного состава. 4. Постоянно растущими требованиями к качеству металла и возможностью достижения более высокого качества стали при использовании для её выплавки металлизованного сырья, отличающегося от лома повышенной чистотой по вредным примесям. 5. Возможностью улучшения технико-экономических показателей производства стали. 6. Уменьшением загрязнения окружающей среды. 7. Возможностью организации мелкомасштабной металлургии и расширения экономико-географических районов рентабельного металлургического производства [12, 13, 20]. Достигнутые технико-экономические показатели указывают, что производство стали по схеме установка прямого восстановления - электросталеплавильная печь более конкурентоспособна по сравнению со схемой доменная печь - конвертер, и ключевыми моментами являются охрана окружающей среды, качество стали, стоимость на единицу электроэнергии и капитальных инвестиций. В случае, когда несколько вариантов равнозначны с точки зрения затрат, необходимо особое внимание уделить таким аспектам, как гибкость системы в отношении выбора сырья, универсальность продукта, способность приспособления к конъюнктуре рынка [10-21].
Следует отметить, что эффективность схемы установка прямого восстановления - электросталеплавильная печь достаточно высока при рассмотрении вариантов прироста объемов производства металлов, связанных с новым строительством. Но при рассмотрении вариантов замены действующих агрегатов полного цикла производства стали, обладающих остаточной амортизационной стоимостью, экономический эффект становится отрицательным. Поэтому в перспективе на ближайшие 25-30 лет предприятия с доменным производством вряд ли будут заменены новыми процессами выплавки стали.
Статистический анализ влияния химического состава металлизованных окатышей на прочность брикетов
Большая пластичность свежевосстановленного железа стала одной из причин неудачных пусков установки до декабря 2000г. Другая причина заключалась в небольшой прочности окатышей при восстановлении в верхних горизонтах шахты. Переход на офлюсованные окатыши позволил увеличить прочность при восстановлении благодаря появлению ферритной связки, которая сохраняет целостность окатыша на первых стадиях восстановления Fe203 - Fe3C 4 и Fe30.j -» FeO. Однако дальнейшее восстановление в средних горизонтах шахты (последняя стадия FeO -» FeMeT) приводило к тому, что пластические свойства металлизован-ного продукта были те же, что и при работе на неофлюсованных окатышах. Таким образом, использование офлюсованных окатышей хотя и привело к положительным изменениям процесса металлизации, однако затрудненный сход металлизо-ванного продукта не позволил достигнуть проектных показателей работы установки. Поэтому дальнейшие работы по оптимизации состава шихты и режимов термообработки были направлены на поиск такой связки, которая обеспечивала бы прочный каркас окатыша на всех стадиях восстановительного процесса, вплоть до получения металлизованного продукта.
Анализ диаграмм состояний и свойств соединений показал, что наиболее тугоплавкие и трудно восстановимые фазы находятся в системе А1203 — Si02 — СаО. Поэтому следующим этапом работы было кардинальное изменение состава связки — замена системы Fe203 — СаО — Si02 на систему Fe203 — А1203 — Si02 — СаО путем добавок известняка и боксита в шихту для окомкования с одновременной корректировкой режима обжига [56, 69, 82, 89, 105, 107].
Промышленные испытания окатышей с добавкой флюсоупрочняющей смеси из 1 % боксита и 1 % известняка в количестве 2,4% показали их преимущества по сравнению с окатышами офлюсованными известняком. Работа печи была относительно стабильной - практически не было потерь времени брикетирования из-за канального хода печи. Это позволило увеличить температуру восстановительного газа до 920 - 930С. что способствовало увеличению производительно сти печи до ПО т/час. Однако нарушения в сходе шихты продолжались, о чем свидетельствует высокое количество dPs, табл. 2.1 (состав окатышей № 5-7).
На следующем этапе испытаний уменьшили флюсующую добавку (известняк) сначала до 0,5%, затем до 0 % при сохранении содержания боксита 1 % (8-й и 9-й составы окатышей в табл. 2.1). Целью такого изменения было увеличение содержания железа в окатышах. В этот период увеличилось количество нарушений схода шихты по сравнению с использованием окисленных окатышей с бокситом и известняком в соотношении 50/50; но улучшилось качество брикетов.
Замена известняка доломитом (10-й тип в табл. 2.1) так же не дала положительного результата. Сход шихты резко ухудшился даже при снижении температуры восстановительного газа, температурный профиль печи был не стабильным. Однако при отборе проб металлизованных окатышей по обводному конвейеру выход мелочи класса -5мм не превышал 7%. Прочность брикетов значительно увеличилась. Это дало основание заключить, что данный тип окатышей может быть использован при относительно не высокой температуре восстановительного газа — до 900С. Применение доломита требует корректировки режимов обжига, что не всегда возможно в условиях существующих обжиговых машин.
Возврат к флюсоупрочняющей добавке известняка с бокситом в соотношении 1:1 сопровождался корректировкой температурного режима обжига окатышей, заключающейся в увеличении средней температуры в зоне упрочняющего обжига с 1230С до 1262С, окатыши № И в табл. 2.1. Это позволило увеличить производительность печи металлизации до 120 т/час.
В целях снижения себестоимости металлизованного продукта была произведена замена известняка мелом, что дало положительные результаты. При соблюдении пропорции мела к бокситу 1:1 производительность печи металлизации возросла с 120 т/час (при использовании известняка) до 126 т/час, степень металлизации составляла выше 93% (окатыши №12, табл.2.1). Хотя ход печи несколько ухудшился - число dPs возросло с 17 раз/сутки до 18 раз/сутки.
В дальнейшем улучшение работы печи металлизации осуществлялось путем изменения технологии восстановления. Решающую роль в стабилизации схода шихты в печи металлизации сыграли два фактора - была усовершенствована система автоматического управления температурой в зоне фурм, и в конус печи был подан не холодный природный газ, а подогретый до температуры 270-300С. В результате ход печи металлизации был стабилизирован.
Так как офлюсование окатышей смесью мела с бокситом в соотношении 1:1 дало прирост производительности печи металлизации, было принято решение остановиться на данной флюсоупрочняющей добавке. В последующие годы с целью повышения производительности печи металлизации проводились промышленные испытания других добавок в шихту при производстве окатышей. Так была произведена попытка замены боксита сланцами, содержащими 30% А120з, но результат был отрицательным. Проводились испытания порообразующих добавок (кокса, полимера) с целью повышения восстановимое окатышей, но положительного эффекта достичь не удалось, так как при увеличении пористости окатышей, повышался их индекс истирания, что в итоге приводило к ухудшению схода шихты в печи металлизации.
При испытаниях различных флюсоупрочняющих добавок главной целью было стабилизировать сход шихты и добиться выхода установки металлизации на проектные показатели.
Пуско-наладочный период освоения новой технологии производства горя-чебрикетированного железа, изобилующий широким диапазоном варьирования практически всех основных технологических параметров, предоставляет большое поле выборки для статистических исследований. Это и было сделано в диссертации с целью определения (выбора) наиболее рационального направления совершенствования технологии производства горячебрикетированного железа.
На первом этапе исследовали влияние состава флюсо-упрочняющих добавок на прочность металлизованных брикетов. Выборка была сделана из базы данных за 2001 - 2002 гг., табл.2.1. Опыты включали результаты испытаний более двадцати составов флюсоупрочняющих добавок, различающихся между собой химическим составом и количеством.
Влияние различных факторов на скорость окисления металлического железа
Вторичное окисление металлического железа приводит к увеличению содержания окислов железа и снижению степени металлизации горячебрике-тированного железа. При этом за счет присоединения дополнительных масс кислорода происходят изменения процентного содержания остальных химических компонентов. В результате возникает несоответствие качественных характеристик отгруженного металлизованного продукта, результатам входного контроля потребителя.
Скорость реакции вторичного окисления рассчитывали по формуле: Выбирая за время протекания химической реакции окисления сутки, расчет скорости реакции вторичного окисления брикетов проводился по степени превращения металлического железа в оксид в размерности: [%/сутки]. Влияние плотности брикетов на скорость вторичного окисления представлено на рис. 3.2.
На указанном рисунке изображены два графика, отражающие изменение скорости окисления брикетов с плотностью 5,2 (1) и 5,0 (2) кг/дм . Брикеты были получены из одинаковых по химическому составу металл изо ванных окатышей, а разная плотность достигнута за счет изменения параметров прессования: скорости валков 8,7 и Поб/мин, скорости шнекового питателя 120 и I Юоб/мин, соответственно. Там же приведены аналитические уравнения трендов, в наибольшей мере соответствующих экспериментальным данным. Сравнение графиков и численных значений коэффициентов уравнений показывает, что увеличение плотности брикетов на 0,2кг/дм" снижает скорость их вторичного окисления в 1,36 раза за первые 15 - 20 дней, когда содержание железа металлического сохраняется на высоком уровне (около 85%). За пределами указанных сроков, особенно после 40 - 45 суток, сопротивляемость к окислению FeMe,- становится практически одинаковой для тех и других брикетов, что свидетельствует об изменении механизма окисления. ном этапе окисления, когда доступ атмосферного кислорода к металлическому железу свободен, скорость окисления определяется мерой открытых пор. После того как образовались пленки окислившегося железа, процесс окисления переходит в диффузионный режим, скорость взаимодействия чистого железа с кислородом снижается и становится постоянной.
На рис. 3.3 и 3.4 показано изменение содержания FeMCT в различных классах горячебрикетированного железа (рис. 3.3) и скорость окисления FeMeT в этих же классах при хранении на открытом воздухе.
Анализ графиков четко указывает, что большое влияние на вторичное окисление оказывает разрушение брикетов. Например, за 60 суток хранения на открытом воздухе содержание FeMeT в брикетах, не подверженных разрушению, снижается всего, на 1%, в то время, как во фрагментах крупностью более 25мм снижение содержания FeMeT становится заметным по истечении 40 суток хранения, а по истечении 60 суток составляет 5-6 % (абс). Еще более подвержены вторичному окислению фрагменты брикетов кл. -25 +5 и -5 +0 мм. Процесс окисления FeMeT во фрагментах кл. -5мм практически начинается с первых дней хранения на открытом воздухе, а за 60 суток содержание FeMCT в них снижается на 25 - 30 % (абс).
Скорость окисления разрушенных брикетов кл. -25 +5мм (3) возрастает в 3 раза, а кл. -5 +0 мм (4) - в 10 раз по сравнению с не разрушенными брикетами (1), рис. 3.4. Следует заметить, что скорость вторичного окисления целых брикетов с течением времени снижается, а мелкого класса мёталлизован-ного продукта - возрастает. Очевидно, в целых брикетах образующаяся окисная пленка, препятствует проникновению кислорода в глубь материала. В ме-таллизованной мелочи из-за повышения плотности слоя потери тепла в окружающее пространство на единицу массы окислившегося железа снижаются, что приводит к её «саморазогреву», и как следствие, к увеличению скорости окисления металлического железа.
Экспериментальные исследования зависимости прочности брикетов от формы и размера ячеек на валковых прессах
Судя по содержанию железа металлического, можно сказать, что наибольшей восстановимостью обладают неофлюсованные окатыши - проба №1 и окатыши с добавкой мела и боксита в соотношении 2:1 - проба №3. Для этих же окатышей характерны и самые высокие значения пористости. Но для неофлюсованных окатышей присуща высокая степень разрушаемости в начальной стадии процесса восстановления и низкая прочность брикетов по классу +25мм. Это объясняется тем, что в неофлюсованных окатышах гематитовая фаза упрочнена силикатной связкой, которая характеризуется высоким модулем упругости и легко восстанавливается.
Повышение восстановимое окатышей при увеличении содержания мела (пробы №2 и №3) объясняется тем, что мел в отличие от известняка не поглощает влагу, а выталкивает её на поверхность в процессе окомкования окатышей, в результате происходит формирование менее плотного сырого окатыша, нежели при использовании известняка. Сформированная в процессе окомкования пористость окатыша, в процессе обжига возрастает за счет диссоциации кальцита Са(СОз), в результате при повышении дозировки мела пористость окатышей увеличивается, табл. 3.2. Но при повышенных дозировках мела (проба №3) была получена сама низкая прочность брикетов, что объясняется увеличением содержания двухкальциевого силиката.
Наименьшая степень металлизации была получена при восстановлении окатышей с известняком и бокситом - проба №6. Добавка боксита способствует снижению восстановимости окатышей, что обусловлено формированием тугоплавкой связки в системе РегОз - А1203 - СаО. Низкая восстановимость такой связки и сохранение ее целостности в процессе восстановления при температурах 850 - 855С подтверждается минералогическими исследованиями металлизованных окатышей [103]. При этом была получена самая низкая усадка слоя в процессе восстановления и относительно высокая прочность брикетов по классу +25мм.
Наименьшей степенью трещинообразования в процессе восстановления обладают окатыши с добавкой доломита и боксита (проба №7), но для них ха рактерна высокая степень деформации, что свидетельствует о высокой пластичности окатышей в процессе восстановления, табл. 3.2. Это объясняется тем, что при температурах обжига 1250 - 1260С микрообъемы железосили-катного расплава образуются одновременно во всем объеме окатыша. В этом же интервале температур проявляется затормаживающее влияние оксида магния на формирование ферритной фазы, а образующаяся магнезиальная шпинель способствует движению дислокаций в процессе пластической деформации.
Для проб №2 и №6 показатели разрушаемости и деформации в процессе восстановления идентичны, для них характерны самые низкие значения деформации и невысокая склонность к разрушению в процессе восстановления. Пробы №1, 3, 4, 5 имеют высокие показатели разрушаемости и деформации в начальной стадии процесса восстановления. Причиной тому послужило как низкое содержание AI2O3, так и повышенное содержание СаО, что способствовало образованию ферритной фазы, снижающей горячую прочность окатышей.
Наибольшим значением усадки слоя окатышей в процессе восстановления обладает проба №7 - с повышенным содержанием оксида магния. Согласно теории пластической деформации физические свойства компонентов связки определяют свойства самой связки, пропорционально занимаемой доле. В результате добавка оксида магния способствует сохранению целостности окатышей в процессе восстановления, но при этом повышается их пластичность при воздействии давящих нагрузок.
Анализ представленных данных с позиции выявления факторов, оказывающих влияние на прочность брикетов, показал, что выделить влияние и значение какого-либо одного из исследуемых компонентов не представляется возможным. Например, не прослеживается влияние содержания Feo6u(, как и FeMeT. Более определенно прослеживается влияние комплексного показателя К (см. 2.3), выявленного ранее при статистическом анализе промышленных данных.
На рис. 3.9 представлены графики, отражающие влияние показателя К на прочность брикетов (1) и на усадку слоя окатышей в процессе металлизации (2). Зависимость прочности брикетов аналогична зависимости, отраженной на рис.2.5. Отличие в коэффициентах аппроксимирующего уравнения объясняется разницей в условиях брикетирования и, соответственно, в полученных значениях прочностных характеристик брикетов.
Оптимизация химического состава офлюсованных окатышей заключается в нахождении такого соотношения химических компонентов, при котором пластические свойства окатышей не будут нарушать равномерности схода шихты в процессе восстановления и в то же время позволят получить прочные брикеты. Сопоставление двух зависимостей на рис 3.9 показывает, что при достижении комплексного показателя значений выше 23 усадка слоя окаты шей в процессе восстановления начинает возрастать. По данным [56, 57] процесс восстановления окатышей в печи металлизации протекает без нарушений схода шиты при усадке слоя окатышей до 20 - 22%. Таким образом, наиболее рациональным значением комплексного химического показателя К можно считать значения, лежащие в диапазоне 26 - 31, что позволит повысить прочность брикетов и не нарушить равномерность движения столба шихты в печи металлизации.
Так как брикетирование экспериментальных образцов окатышей выполнялось при одинаковых условиях: температуре нагрева окатышей, усилиях сжатия, степени заполнения пресс-формы, то косвенно о пластических свойствах материала можно судить по объемной плотности брикетов. Зависимость прочности брикетов от объемной плотности представлена на рисунке 3.10.
