Введение к работе
Актуальность работы. В современной структуре потребления конструкционных материалов 94 % составляют железоуглеродистые сплавы, главным образом стали различного назначения. По данным ассоциации World Steel Association в 2012 г. мировое производство стали составило 1,548 млрд. т. В среднесрочной перспективе прогнозируется сохранение достигнутых темпов роста ее производства и потребления. Однако в ближайший период мировая металлургия будет развиваться в условиях ужесточения национальных экологических законодательств, истощения разведанных железорудных и углеродсодержащих ресурсов, повышения стоимости электроэнергии и природных энергоносителей, тарифов на грузоперевозки. В связи с этим все более актуальной становится задача повышения эффективности металлургического производства за счет разработки и освоения ресурсо- и энергосберегающих технологий, расширения сырьевой базы.
В настоящей работе в качестве объекта для анализа и исследования выбраны следующие металлургические технологии, основанные на процессах, протекающих в системе железо – углерод – кислород – водород и параметрически чувствительных к газовой атмосфере в печном пространстве: производство металлизованных окатышей углеродотермическим восстановлением из оксидов железа; нагрев стальных заготовок перед обработкой давлением; получение декоративно-защитных эмалевых покрытий на чугунных изделиях; синтез феррошпинелей различного назначения.
Металлизованные окатыши, востребованные в бездоменной металлургии для частичной или полной замены лома при выплавке электростали, получают, в основном, газофазным восстановлением с использованием продуктов конверсии природного газа в шахтных печах (процесс Midrex) или углеродотермическим восстановлением во вращающихся обжиговых барабанных печах. Главный недостаток процесса Midrex – высокий расход природного газа, постоянно растущая стоимость которого обуславливает необходимость поиска новых технологических решений, в том числе с использованием более доступных твердых углерод-водородсодержащих восстановителей.
Стальной прокат является основным видом конечной металлопродукции металлургических предприятий. Его объем достигает 80 % от общего производства стали. Основная доля стального проката производится с предварительным нагревом слитков или заготовок перед обработкой давлением. При этом существенным фактором, влияющим на ресурсоемкость производства, являются потери металла вследствие высокотемпературного окисления (угара). В зависимости от применяемой технологии и оборудования они могут достигать 1 – 2 %. Для ряда производств, например производств рессор и пружин, не менее важным фактором, является обезуглероживание стали. Необходимость удаления обезуглероженного слоя, например, с помощью шлифовки, помимо увеличения трудоемкости производства, приводит к дополнительным потерям полезной массы металлоизделий. Потери от угара и обезуглероживания могут быть минимизированы при достижении и поддержании рационального состава газовой атмосферы нагревательных печей.
Эмалирование – одна из широко распространенных технологий получения декоративно-защитных покрытий металлических поверхностей, качество которых во многом зависит от характеристик переходного между металлом и эмалью слоя (грунта), подвергаемого перед эмалированием окислительному обжигу.
Феррошпинели тонкодисперсные и крупнокристаллические достаточно востребованы в современных технологиях. Однако получение их твердофазным синтезом до сих пор не имеет научно-технологического обоснования и требует конкретизации параметров (интервала температур, значений кислородного потенциала газовой фазы).
Диссертационная работа выполнена при грантовой поддержке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (НИР № ГР 01201150646 в 2010 г.) в соответствии с перечнем приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации от 2011 г. – «Рациональное природопользование», «Энергоэффективность, энергосбережение».
Цель работы. Разработка научных основ и определение технологических режимов углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере, осуществляемых в выбранной для анализа и исследования группе металлургических процессов (восстановительный и окислительный обжиги, тепловая обработка металлоизделий, синтез феррошпинелей).
Задачи работы.
1. Разработка научных основ углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере.
2. Оценка возможности практического применения результатов теоретического анализа для оптимизации параметров технологических процессов, реализуемых в исследуемой системе.
3. Экспериментальные исследования и определение технологических режимов углеродотермического восстановления железа из железорудного сырья полукоксом из бурого угля в водородсодержащей атмосфере.
4. Разработка технологической схемы получения металлизованных окатышей.
5. Экспериментальные исследования и определение оптимальных режимов окислительного обжига чугунных отливок в технологии эмалирования.
Научная новизна.
1. Разработаны научные основы углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере, включающие: построение и анализ диаграммы фазово-химических равновесий системы Fe-C-O2-H2, исследование изменения кислородного потенциала системы в зависимости от температуры и состава газовой фазы.
2. Определены параметры газификации твердого углерода в системе Fe-C-O2-H2 и предложена методика многовариантного расчета кислородного потенциала кислород-углерод-водородсодержащей газовой фазы в зависимости от ее состава и температуры, а также количества выделяющегося углерода при ее охлаждении.
3. Определены по результатам термодинамического анализа оптимальные равновесные условия и показатели восстановительного обжига железорудных окатышей: соотношение железо-кислород-углерод, температура, содержание водорода в газовой фазе, степень металлизации.
4. Установлены температурно-временные условия получения и исследованы физико-химические свойства углеродистого восстановителя – полукокса из бурых углей.
5. Обоснован состав шихты и исследованы условия получения восстановительным обжигом металлизованных окатышей, определены их качественные показатели.
6. Определены по результатам теоретических и экспериментальных исследований условия окислительного обжига чугунных отливок в технологии эмалирования (состав газовой фазы, ее кислородный потенциал, температура, продолжительность).
Практическая значимость и реализация результатов.
1. На основе интерпретации результатов теоретических и экспериментальных исследований определены технологические режимы углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования технологических параметров процессов, чувствительных к составу печной атмосферы: упрочняющий и восстановительный обжиги рудоугольных окатышей, окислительный обжиг чугунной отливки перед эмалированием, тепловая обработка металлических изделий, получение тонкодисперсных и крупнокристаллических шпинелей.
2. Разработана технологическая схема производства металлизованных окатышей из природных ресурсов Томской области (железорудного концентрата Бакчарского месторождения и полукокса бурого угля Таловского месторождения).
3. Разработаны технологические рекомендации по управлению фазовым, химическим составами и толщиной поверхностного слоя чугунных отливок, обжигаемых перед эмалированием. Подтверждены и приняты к внедрению в условиях ОАО «Завод Универсал» оптимальные условия обжига (температура, продолжительность, состав газовой фазы и ее кислородный потенциал). Экономический эффект от снижения брака составил в 2013 г. 3 млн. руб.
4. Научные и технологические результаты диссертационного исследования внедрены ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ) в учебный процесс студентов, обучающихся по направлению 150400 – Металлургия.
Методы исследования. Работа выполнена с привлечением современных методов теоретических и экспериментальных исследований: математического моделирования и термодинамических расчетов с реализацией на ПЭВМ при построении и анализе диаграммы состояния системы Fe-O2-С-H2, термогравиметрического метода при исследовании процессов восстановления железа и полукоксовании бурого угля, химического и физико-химического анализов (рентгенография, спектроскопия, термогравиметрия) при физико-химической аттестации продуктов восстановления, окисления, полукоксования.
Полученные результаты обрабатывались с использованием стандартного пакета прикладных программ Microsoft Office и системой компьютерной алгебры Mathcad.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается совместным использованием современных методов теоретического анализа и экспериментального исследования углеродотермического восстановления и окисления железа в присутствии водорода, опирающихся на качество измерений и статистическую обработку результатов; применением апробированных методов исследований; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; достаточной эффективностью предложенных технологических решений, подтвержденной результатами промышленных испытаний.
Предмет защиты.
На защиту выносятся:
1. Результаты анализа фазово-химических равновесий в системе Fe-C-O2-H2.
2. Результаты термодинамического анализа равновесных условий углеродотермического восстановления и окисления железа в водородсодержащей атмосфере.
3. Результаты исследования процесса восстановительного обжига железорудных окатышей с использованием полукокса и показатели качества металлизованных окатышей.
4. Технологическая схема получения металлизованных окатышей из железорудного концентрата Бакчарского месторождения и полукокса бурого угля Таловского месторождения.
5. Технологические параметры обжига чугунных отливок перед эмалированием.
Автору принадлежит: постановка задач теоретических и экспериментальных исследований; проведение теоретических и экспериментальных исследований процессов: углеродотермического восстановления железа в водородсодержащей атмосфере и окисления железа в кислород-углеводородсодержащей атмосфере; разработка технологической схемы производства металлизованных окатышей в условиях Томской горнодобывающей компании; определение технологических режимов обжига чугунных отливок перед эмалированием в условиях ОАО «Завод Универсал»; обработка полученных результатов, анализ, обобщение, систематизация, научное обоснование, формулировка выводов и рекомендаций.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов п. 3 «Твердофазные процессы в металлургических системах», п. 4 «Термодинамика и кинетика металлургических процессов», п. 5 «Металлургические системы и коллективное поведение в них различных элементов», п. 10 «Твердофазные процессы в получении черных, цветных и редких металлов», п. 17 «Материало- и энергосбережение при получении металлов и сплавов».
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество, материалы» (Новокузнецк, 2008, 2011, 2013 гг.); XIV Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 2010 г.); VII Международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2010 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов» (Иркутск, 2012 г.); Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии металлургического производства» (Днепропетровск, 2012 г.); X Международной научно-технической конференции молодых специалистов (Новокузнецк, 2012 г.); X Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Энергосбережение. Экология. Новые технологии» (Старый Оскол, 2013 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и семи приложений. Изложена на 154 страницах, содержит 37 рисунков, 29 таблиц и список литературы из 135 наименований.
