Исследование влияния минерального структурообразования на металлургические свойства железорудных агломератов

• Автор: Нечкин, Георгий Александрович
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 143 с. : ил.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время качество железорудного сырья оценивается только по стабильности химического состава, выходу мелочи и прочности в исходном состоянии. Эти показатели хотя и достаточно сильно влияют на газодинамику столба шихтовых материалов в печи, однако в полной мере не отражают особенностей физико-химических процессов, определяющих показатели работы доменных печей. Поведение материалов в доменной печи и, следовательно, технико-экономические показатели производства чугуна определяет совокупность металлургических свойств, используемого железорудного сырья.
Металлургические свойства железорудных материалов, определяющие ход доменной печи, производительность и расход кокса, включают наряду с показателями холодной прочности (прочность на удар и выход мелочи) также восстановимость, горячую прочность и высокотемпературные свойства - температуры размягчения-плавления и фильтруемость продуктов плавки через коксовую насадку. И практически все металлургические свойства материалов определяются его минеральной структурой.
Недостаток информации о комплексе металлургических свойств железорудного сырья ограничивает возможности технологов в оперативном управлении, предотвращении аварийных ситуаций и оптимизации технико-экономических затрат как при подготовке сырья к плавке, так н при производстве чугуна.
Учитывая возрастающую конкуренцию на российском и мировом рынке производителей чугуна, любая возможность интенсификации доменной плавки и оптимизации себестоимости по переделам является крайне важной.
Более глубокое исследование и понимание функциональных свойств железорудного сырья в доменной печи позволит отечественным производителям чугуна оставаться конкурентоспособными на глобальных рынках.
Целыо диссертационной работы является экспериментальное исследование влияния процессов минерального структурообразования на повышение комплекса металлургических свойств железорудных агломератов и показателей доменной плавки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- Разработать технологию упрочнения агломерата путем замещения силикатной связки связкой на основе феррита кальция;
- Разработать и освоить методологию оценки высокотемпературных свойств железорудного сырья;
- Изучить влияние минеральной формы оксидов магния и марганца на высокотемпературные свойства агломерата и процесс фильтрации промежуточного шлака через коксовую насадку;

- Исследовать поведение продуктов плавки доменной шихты на поверхности раздела фаз «кокс - промежуточный шлак»;
- Провести промышленную апробацию результатов диссертационного исследования в условиях агломерационного и доменного производств.
Методы исследования. В основу решения поставленных задач положены существующие стандартные методы, в т. ч. микрорентгеноспектральный анализ, и разработаны новые методики определения металлургических свойств железорудных материалов в сочетании с оригинальными установками, дающими возможность достоверно моделировать поведение материалов в доменной печи. Обработка результатов проведена с помощью корреляционного и регрессионного анализов в пакете MS Excel.
Научная новизна работы. В лабораторных и промышленных условиях получена структура агломерата с игольчатым ферритом кальция. Впервые проведены промышленные испытания ио полной замене в агломерационной шихте флюсов синтетическими ферритами кальция и значительно повышена прочность агломерата. Разработана методология комплексной оценки металлургических свойств железорудного сырья. Показано различное влияние оксида магния и положительная роль оксида марганца на комплекс высокотемпературных свойств железорудного сырья. Впервые экспериментально установлено распределение элементов в межфазовых процессах, проходящих в коксовой насадке на границе «кокс-шлаковый расплав», определены основные характерные фазы, осаждающиеся на поверхности кокса. Показано влияние карбидных и оксикарбидных фаз на процессы взаимодействия кокса и шлакового расплава. Впервые было рассмотрено взаимодействие коксовой насадки и промежуточных шлаков.
Основные защищаемые положения.
Положительное воздействие ферритнокальциевых смесей и синтетических ферритов кальция на металлургические свойства агломерата.
Возможность подавления процессов карбидообразования за счет титанатов кальция, образующихся в результате ферритнокальциевого структурирования агломерата.
Методика оценки фильтруемости продуктов плавки железорудного сырья через коксовую насадку.
Положительное воздействие оксида марганца на процессы агломерации и фильтрации продуктов плавки через коксовую насадку доменной печи.
Механизм распределения элементов в процессах, проходящих в коксовой насадке на границе «кокс-шлак», влияние карбидных и оксикарбидных фаз на процессы взаимодействия кокса и шлакового расплава.

Практическая значимость работы. Разработанный методологический комплекс позволяет оценивать металлургические свойства железорудного сырья, достоверно моделировать процессы в нижней части доменной печи. Показаны и промышленно подтверждены возможности улучшения металлургических свойств железорудного сырья, что, в конечном итоге, благоприятно отражается па технико-экономических показателях доменной плавки.
Личный вклад автора заключается в формулировании цели и задач исследований, участии в проведении лабораторных и промышленных исследований обработке результатов экспериментов, их обобщении и анализе.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации отмечены серебряной медалью лауреата международной выставки «Металл Экспо 2009» и дипломом на II научно-практической конференции с международным участием «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и ПИОКР», Екатеринбург, 2013 г. Результаты исследований и основные положения диссертации также докладывались и обсуждались на всероссийской научной конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР», Екатеринбург,2011 г.; V Международном Конгрессе по агло-коксо-домснному производствам «Проблемы доменного и смежных производств в современных экономических условиях работы горно-металлургического и топливно-энергетического комплексов», г. Ялта, Украина, 2012 г.; Международной научной конференции «Физико-химические основы металлургических процессов», посвященной 110-летию со дня рождения академика А.М. Самарина; г. Москва, 2012 г.; VI Международном Конгрессе по агло-коксо-доменному производствам «Проблемы доменного и смежных производств в современных экономических условиях работы горно-металлургического и топливно-энергетического комплексов», г. Ялта, Украина, 2013 г.; на международной выставке «Металл Экспо 2013».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 7 в журналах рекомендованных ВАК.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы обеспечиваются проведением большого объема лабораторных исследований на современном оборудовании. Использованы контрольно-измерительные приборы, прошедшие соответствующую поверку. Использованы метрологически достоверные методики и межметодный контроль. Результаты исследований подтверждены промышленными испытаниями.

Агломерат спекали в агломерационной лаборатории ОАО «УИМ» по следующей методике. Компоненты агломерационной шихты дозировались в барабанный смеситель, смешивались и окомковывались, после загружались в лабораторную агломерационную чашу. Диаметр чаши 300 мм, высота - 500 мм. После зажигания фиксировали параметры процесса: разряжение в коллекторе и температуру отходящих газов. После окончания агломерационного процесса определяли выход годного и механические свойства агломерата. Железорудная часть шихты состояла из магнетитового концентрата, металлургических отходов, флюсов и твердого топлива - коксовой мелочи (табл.2.1). Флюсовая часть включала известняк, доломит и известь. Гематито-доломито-известняковую смесь получали путем смешивания известняка и доломита в заданном соотношении с отсевами агломерата и окатышей и совместного измельчения в валковой дробилке. Измельченную гематито-доломито-известняковую смесь вводили в агломерационную шихту, смешивали, увлажняли и окомковывали по обычной методике.
Расчет шихты производили для получения агломерата с основностью 1,7 при расходе извести в шихту 35 кг/т агломерата. Расход коксовой мелочи в опытах изменяли в пределах 38-55 кг/т. Количество возврата во всех опытах составляло 25 % от массы шихты. Влажность шихты составляла 8,2 - 8,3 %. Состав компонентов шихты в опытах приведен в табл. 2.1.
Результаты испытаний гематито-доломито-известняковой добавки показывают, что ее применение позволяет повысить прочность агломерата с 71,8 до 73,5-76 %. Эффективность этого материала подтверждается тем, что при снижении расхода твердого топлива прочность агломерата сохраняется на высоком уровне.