СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОДГОТОВКА ИХ К ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ

СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОДГОТОВКА ИХ К ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ. Цель доменного производства состоит в получении чугуна из железных руд путем их переработки в доменных печах.

Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные и марганцевые руды и флюс. Топливом для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении процесса теплом и восстановительной энергией.

Кроме того кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и облегчает прохождение газового потока в шихте доменной печи. Железные руды вносят в доменную печь химически связанное с другими элементами железо. Восстанавливаясь и науглераживаясь в печи, железо переходит в чугун. С марганцевой рудой в доменную печь вносится марганец для получения чугуна требуемого состава. Среди металлов железо занимает третье место по распространенности в земной коре 4,2 после кремния26 и алюминия7,4 . Железо в недрах земли в чистом виде не встречается.

Оно входит в состав горных пород в различных химических соединениях. В природе известно более 300 разновидностей горных пород, содержащих железо, но далеко не все они представляют собой железные руды. Железными рудами принято называть такие горные породы, из которых экономически выгодно извлекать железо методом плавки.

Экономическая целесообразность извлечения железа из руд зависит от уровня развития техники и характеристики месторождений. Среди известных видов руд наиболее распространены в природе руды осадочного происхождения. Из этих руд выплавляется более 90 чугуна. Железная руда состоит из минерала орудняющего вещества, пустой породы и примесей. Главной частью руды является рудный минерал, в состав которого входит железо. Чаще всего железо в минерале химически связано с кислородом, реже с другими элементами и соединениями.

Пустая порода состоит из кремнезема, глинозема, извести и магнезии, образующих сложные минералы. Примеси руд делятся на полезные и вредные. Полезными примесями считаются марганец, хром, никель, ванадий, вольфрам, молибден и др. Вредные примеси сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец и в большинстве случаев медь либо ухудшают качество металла, либо разрушающе действуют на огнеупорную футировку доменной печи. В зависимости от типа рудного минерала железные руды делятся на четыре основные группы 1. Красный железняк или гематитовая руда. Минерал гематит безводный оксид железа, в чистом виде содержит 70 железа и 30 кислорода.

Это наиболее распространенная железная руда. 2. Магнитный железняк или магнетитовая руда. Минерал магнетит 72,4 железа и 27,6 кислорода. 3. Бурый железняк представлен железосодержащими минералами водных оксидов железа, которые содержат от 59,8 до 69 железа. 4. Шпатовый железняк железная руда, основу которой составляет минерал сидерит, содержащий 48,3 железа.

Кроме перечисленных четырех разновидностей железных руд, железо в значительном количестве 46,6 содержится в серном колчедане или пирите. Однако пирит в доменную плавку не дают, его используют в качестве сырья в сернокислотной промышленности, а отходы в виде окисленного железа применяют при производстве агломерата. Также находят промышленное применение бедные железные руды магнетитовые и гематитовые кварциты, в которых содержится до 45 кремнезема в виде свободного кварца.

Кварциты обогащают, получая железнорудный концентрат, содержащий более 60 железа. Флюсами называются материалы, добавляемые к железной руде и загружаемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы, ошлакования золы кокса и получения жидкоподвижного шлака с высокой серопоглатительной способностью. В качестве флюса выбирают материал с химическими свойствами, противоположными химическим свойствам пустой породы.

Так как пустая порода руд преимущественно кремнеземистая кислая, то роль флюса выполняют основные оксиды CaO и частично MgO. Иногда в зависимости от состава пустой породы флюсы могут быть кислыми или глиноземистыми. Оксид кальция входит в состав минерала кальцита, называемого известняком. Кроме известняка, для руд с кислой пустой породой, в качестве флюса используют доломитизированный известняк, состоящий из смеси кальцита и доломита.

Доломитизированный известняк применяют для улучшения подвижности шлака, доводя содержание оксида марганца в шлаке до 6-8 . Важнейшим требованием, предъявляемым к основным флюсам, является низкое содержание в них кремнезема и глинозема и вредных примесей серы и фосфора. Необходимость подготовки руд к доменной плавке обуславливается стремлением улучшить технико-экономические показатели работы доменных печей и использовать для получения чугуна сравнительно бедные железные руды. Чем выше содержание железа в шихте и лучше ее газопроницаемость, тем выше производительность печи, ниже расход кокса и флюсов и лучше качество чугуна.

Повышения содержания железа в доменной шихте достигают обогащением железных руд, а улучшения газопроницаемости шихты в доменной печи окускованием мелких железных руд и концентратов. Расчетами и опытом установлено, что при повышении содержания железа в руде на 1 производительность печи возрастает на 2,0 2,5 , а расход кокса снижается на 1,4 2 . Развитие бескоксовой металлургии.

Тулин Н.А Кудрявцев В.С Пчелкин С.А. и др. Под ред. Тулина Н.А Майера К М. Металлургия, 1987 С.328. Руда может быть в виде кусков до 1500 мм при открытой добыче и до 300 мм при подземной добыче. Дробление руд применяется как самостоятельная операция для получения кусков руды требуемого размера и как вспомогательная операция при обогащении руд для разрушения механических связей между железосодержащим минералом и пустой породой.

В зависимости от крупности руды после дробления различают четыре стадии дробления 1. Крупное размер кусков после дробления 100-300 мм. 2. Среднее 40-60 мм. 3. Мелкое 8-25 мм. Грохочением называется разделение руды на классы по крупности. Для руд, поступающих на металлургический завод без обогащения, грохочение является самостоятельной и очень важной операцией, в процессе которой выделяют мелкую руду 0-10 мм для агломерации, а крупную более 10 мм сортируют на два класса доменную 10-30 мм и мартеновскую 30-80 мм. При обогащении руд на обогатительных фабриках грохочение является вспомогательной операцией, совмещаемой с дроблением руд. Это позволяет загружать в дробильные устройства только те фракции, которые подлежат дроблению, а следовательно, уменьшить расход электроэнергии на дробление, повысить производительность дробильных устройств и качество дробления.

Грохочение руд осуществляется на механических ситах. Железные руды по условиям залегания и добычи всегда имеют непостоянный химический состав.

Значительные и частые колебания содержания железа и пустой породы в рудах вызывают нарушение теплового состояния доменной печи и химического состава шлака. Это приводит к нарушению ровного хода печи, при котором неизбежны повышение расхода кокса, снижение производительности печи и ухудшение качества выплавляемого чугуна. Чтобы уменьшить отрицательное влияние непостоянства химического состава руд на показатели доменной плавки, руды подвергают усреднению.

Усреднением называют перемешивание железорудных материалов с целью выравнивания химического и гранулометрического составов. В связи с тем, что почти все добываемые руды подвергают окускованию, основное назначение усреднения состоит прежде всего в уменьшении колебаний содержания железа и кремнезема в рудах. Необходимо добиться такого усреднения руд, при котором колебания содержания железа и кремнезема в руде не превышали бы 0,5 от среднего значения. Обогащением называется процесс разделения рудного минерала и пустой породы с целью повышения содержания металла в руде и уменьшения содержания пустой породы, а в некоторых случаях и вредных примесей.

Все способы обогащения основаны на различии физических свойств рудных минералов и пустой породы. В результате обогащения руды получают 1. концентрат продукт, в котором содержится большая часть извлекаемого металла 2. хвосты отходы при обогащении руды, в которых содержится незначительное количество металла 3. промежуточный продукт, в котором содержание металла больше, чем в хвостах и меньше, чем в концентрате.

Промежуточный продукт подвергают повторному обогащению. В зависимости от метода обогащения и устройства аппарата степень извлечения железа при обогащении железных руд может изменяться от 60 до 95 . Различают пять основных методов обогащения руд 1. рудоотборка, основанная на различии цвета и блеска кусков рудного минерала и пустой породы 2. промывка, основанная на разной размываемости кусков рудного минерала и пустой породы 3. гравитационное обогащение разделение в жидкой среде рудных минералов и пустой породы в зависимости от плотности зерен 4. флотация метод обогащения, основанный на различии физико-механических свойств поверхности частиц рудного минерала и пустой породы 5. магнитная сепарация самый распространенный метод обогащения, основанная на различии магнитных свойств минерала и пустой породы.

Окускованием железных руд называются процессы превращения мелких руд и концентратов в кусковые материалы с целью улучшения хода металлургических процессов в печах различного типа для получения металлов из руд. Современные технологии производства чугуна, стали, ферросплавов и литья включают в себя окислительно-восстановительные процессы железосодержащего сырья и легирующих элементов с применением в качестве основного энергоносителя и восстановителя металлургического каменноугольного кокса в соответствующих тепловых агрегатах печах.

Богатое железосодержащее сырье представляет собой мелкую фракцию и ведение металлургичеких процессов в печах требует их окускование для обеспечения достаточной газопроницаемости. Традиционно шихтой для таких переделов является агломерат, окатыши, железо прямого восстановления, чушковый чугун, металлолом, ферромарганец, ферросилиций и т.д а также минеральное сырье в качестве флюсующих добавок.

Окускование является одной из актуальных задач в подготовке железосодержащих материалов к металлургическому переделу. Известны три способа окускования мелких руд и концентратов агломерация, грануляция окомкование и брикетирование.

Агломерация- процесс получения кусков агломерата методом спекания мелкой руды и концентрата с топливом при высокой температуре горения. Благодаря высокой температуре в процессе агломерации возгоняется часть вредных примесей например, сера. Грануляция окомкование-окатывание- процесс получения окатышей, основанный на свойстве увлажненных тонко-измельченных частиц руды или концентрата образовывать окатыш большей или меньшей крупности и прочности, которым окатыванием в специальных аппаратах придается необходимый размер и форма, последующим обжигом- повышенная прочность. Брикетирование - процесс получения кусков брикетов с добавкой и без добавки связующих веществ с последующим прессованием смеси в брикеты нужного размера и формы.

В России в настоящий момент производится около 52 млн. т. агломерата, 30 млн.т. окатышей и в промышленных объемах металлургические брикеты производит только одно предприятие.

Несмотря на давность использования брикетирования, его теория изучена слабо. Поэтому до настоящего времени брикетирование является искусством, требующим большого экспериментального и практического опыта. Равич Б.М. Брикетирование в цветной и черной металлургии М. Металлургия,1975г Брикетирование как перспективный метод окускования на современном этапе развития промышленности. Брикетирование в черной металлургии- это наиболее ранний способ окускования, который широко применяется для этой цели во второй половине 19 столетия. В начале 20 столетия брикетирование было вытеснено агломерацией по причинам неэкономичность окускования брикетированием при помощи маломощных прессов с низкой производительностью, в то время как в агломерации были созданы машины с производительностью 2000 т. и более агломерата в сутки возможность при агломерации удалить вредные примеси S, As, Zn, и др получать агломерат в офлюсованном виде. И в настоящее время производство металлургических брикетов в России не получило развитие в широких производственных масштабах по тем же самым причинам, хотя с точки зрения технологии и экономики производства оно имеет ряд преимуществ брикеты имеют одинаковую правильную форму и вес, в данном объеме содержат больше металла, они обладают более высокой прочностью и лучшей транспортабельностью обладают более высоким удельным весом количество оборотного продукта на агломерационной фабрике составляет около 20-25, а иногда и выше от общего потока шихты, в то время как на брикетной фабрике - не более 2 весь кислород руды в брикете остается активным, в агломерате же он находится в связанном состоянии в виде силикатов, первое особенно важно для доменного производства экологическая безопасность брикетов безотходность, отсутствие высоких температур при изготовлении возможность применения в брикете в любом соотношении углеродосодержащего наполнителя для активизации процессов в металлургической печи карбюризатор, восстановитель, энергоноситель возможность использования всех видов тонкодисперсных железофлюсолигироуглеродосодержащих отходов металлургического передела.

Надо учесть, что попытки использовать брикетирование в металлургии для подготовки неметаллической шихты не прекращались никогда.

Особенно полно брикетирование как метод окускования отвечает требованиям утилизации мелких отходов метзаводов сравнительно небольшое воспроизводство, непостоянство физико-химических свойств и пр Металлургическими предприятиями Франции ежегодно перерабатывается в брикеты до 4 млн.т. железосодержащих шламов и уловленной в газоочистках пыли. В черной металлургии США и стран Западной Европы уже давно наряду с железосодержащими материалами брикетируются другие мелкие отходы известковая пыль, отходы ферросплавного производства, некондиционная мелочь плавикового шпата и прочие весьма ценные материалы.

На их основе получают шихтовые брикеты и флюсы для металлургического производства.

К основным причинам недостаточного использования брикетирования в отечественной практике следует отнести сегодня следующие неправильный выбор места и объема утилизации отходов упрощенный некомплексный подход к решению проблемы использование неэффективных способов технологий брикетирования Понятны пути решения этих трех проблем максимальное приближение изготовления брикетов к техногенным месторождениям и, соответственно, предприятиям потребителям создание металлургического самовосстанавливающегося и самоплавкого брикета с использованием нетрадиционного вяжущего и углеродистого наполнителя для всех видов металлургического передела, т.е. принципиально новой композиционной шихты использование резерва имеющегося вибропрессовального оборудования для производства строительных изделий и создание упрощенных вибропрессовальных автоматических линий для производства металлургического брикета.

Юзов О.В Исаев В.А. Анализ расхода основных ресурсов в черной металлургии России.

Сталь, 1999г 10 Экологические проблемы промышленности по утилизации отходов. При производстве чугуна и шихты для него агломерат, окатыши, кокс, при производстве стали и ферросплавов выделяется большое количество железоуглеродофлюсосодержащих отходов до 6 от конечного продукта каждого передела, в то время как доля использования образующихся металлургических отходов в настоящее время в России не превышает 5 от объема их образования.

Если учитывать накопление отходов в течение десятилетий, то речь идет о техногенных месторождениях, равноценных природным железоугольным месторождениям. По некоторым оценкам объем этих техногенных месторождений по России и бывших странах СНГ составляет 450-550 млн.т. Большие исследование по использованию брикетирования в металлургии проводились в СССР рядом институтов Московский горный и Грузинский политехнический институты, Воронежский госуниверситет, ЦНИИчермет, ДонНИИчермет и др и промышленными предприятиями ММК, БМК, заводы Коммунарский и Челябинский, Лисаковский ГОК, Бакальское рудоуправление и др. По опыту российских и зарубежных предприятий оптимальным местом утилизации отходов метзаводов является их собственное производство, поскольку по содержанию основных компонентов улавливаемые мелкие отходы в основном пыли и шламы близки к используемой в данном производстве шихте менее жесткие требования при использовании отходов в собственном производстве, чем в случае их отправки сторонним организациям наличие на метзаводах свободных мощностей и развитой инфраструктуры большие трудности и даже невозможность транспортировки мелкодисперсных и влажных отходов, шлама на далекие расстояния.

Только брикетирование, из-за особенности своего технологического цикла, способно вернуть отходы в металлургический передел, с достаточно высокой рентабельностью, улучшить экологию.

Лисин В.С. Тенденции реструктуризации черной металлургии Сталь, 1999г. 10 Способ изготовления холодное брикетирование Наиболее экономически выгодной и экологически безопасной является холодное брикетирование.

Недостатки ранее принятой технологии изготовления брикетов на штемпельных, револьверных, вальцевых прессах низкая производительность, сложность оборудования, ограниченность в размерах и т.д. полностью решаются на вибропрессовальных линиях.

Формование брикета производится способом вибропрессования, т. е. одновременным воздействием на формовочную смесь вибрации и прессования.

В зависимости от области применения металлургического брикета возможно получение любого, отвечающего требованиям каждого конкретного металлургического агрегата и его шихты, состава брикета, с добавлением различных легирующих и флюсующих добавок, с заданными механическими свойствами.

Технологичность данного вида шихты Композиционная окускованная шихта включают в себя основные составляющие металлургической шихты конкретного передела, является идеальной для ведения технологического процесса, т.к. включает в себя постоянство химического, гранулометрического состава, а также равномерное распределение энерготеплоносителя и химического восстановителя по всему пространству теплового агрегата.

Моношихта это максимальная технологическая и экономическая целесообразность каждого передела. Примерный состав предлагаемых железофлюсоуглеродосодержащих брикетов следующий подбирается под конкретный тепловой агрегат окисленный железосодержащий материалшламы, осадки на фильтрах и др. 5-57 углеродосодержащий наполнитель древесный уголь, отсев кокса, коксовая пыль, бой электродов и т.д. 10-50 связующее древесные смолы, минеральные связующие и т.д. 5-15 легирующие добавки 0-15 измельченный железоуглеродистый сплав 0-30 флюсующие добавки 1-10 пластификатор лигносульфонат, мелассу упаренная и т.д. в количестве 0.1-0.5 от массы связующего Использование относительно дешевых брикетов даст значительное снижение затрат на шихту в металлургическом производстве, позволит повысить качество, конкурентоспособность готового продукта.

Технологический брикет рекомендуется к применению в следующих металлургических переделах Доменное производство железотопливный брикет, как заменитель железосодержащего сырья агломераты, окатышей, металлодобавок и доменного кокса железооксидный брикет для промывки горна доменных печей FeO 40-60 железотопливный брикет с марганцем и кремнием для выплавки специальных марок чугуна специальный брикет для наращивания гарнисажа металлоприемника доменных печей.

Сталеплавильное производство железотопливный брикет, как заменитель чугуна, углеродистого скрапа, углеродосодержащих и флюсов железотопливный брикет с раскисляющими легирующими добавками Mn, Si,Al и т.п. рудноизвестковый брикет для шлакообразования и регулирования температуры металлической ванны.

Ферросплавное производство композиционный брикет для выплавки ферросплавов с FeSi, FeCr, FeS, Cr, SiMn, FeMn, Al и углеродом в виде коксовой и графитовой пыли и мелочи, порошкового древесного угля. Электросталеплавильное производство композиционный брикет с легирующими добавками, с древесным углем только в качестве восстановителя Литейное производство на машиностроительных заводах композиционный брикет с легирующими добавками, с древесным углем только в качестве восстановителя.

Булгаков В.П Булгаков Г.В. Исследование минералогического состава окалино-углеродистых брикетов в процессе восстановленияЧерная металлургия, 1998г. 7