Подготовка металлургического сырья для доменной и бездоменной металлургии железа : в двух томах. Том 1. Теория, технология и практика подготовки компонентов и шихт для окомкования


Ф. М. Журавлев, В. П. Лялюк, Н. И. Ступник, В. С. Моркун, Е. В. Чупринов, Д. А. Кассим






ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ДОМЕННОЙ И БЕЗДОМЕННОЙ МЕТАЛЛУРГИИ ЖЕЛЕЗА

Учебник В двух томах

ТОМ 1
ТЕОРИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ПРАКТИКА ПОДГОТОВКИ КОМПОНЕНТОВ И ШИХТ ДЛЯ ОКОМКОВАНИЯ
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 669.162.26
ББК 34.323
     П44




Рецензенты:
заведующий кафедрой металлургии чугуна Национальной металлургической академии Украины доктор технических наук, профессор А. К. Тараканов; заведующий кафедрой металлургии черных металлов им. профессора В. И. Логинова Днепровского государственного технического университета
доктор технических наук, профессор Е. Н. Сигарев


П44        Подготовка металлургического сырья для доменной и бездоменной
      металлургии железа : учебник. В двух томах. Том 1. Теория, технология и практика подготовки компонентов и шихт для окомкования / [Ф. М. Журавлев и др. ] - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 300 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0704-5 (общ.)
           ISBN 978-5-9729-0706-9 (Т. 1)

      Изложены теоретические основы, показано современное состояние и перспективы производства окускованного железорудного материала для доменного и бездо-менного получения железа. Описаны методы определения металлургических характеристик железорудных материалов, требования к ним для дальнейшей плавки, положительные и отрицательные свойства для эффективного использования в металлургии. Освещены технологии производства агломерата и окатышей с металлургическими характеристиками, а также новых видов окускованных материалов для доменной плавки. Рассмотрены безобжиговые технологии производства окатышей, их металлургические характеристики.
      Для студентов и аспирантов металлургических специальностей. Учебник может быть полезен научным и инженерно-техническим работникам научноисследовательских институтов и предприятий металлургической промышленности.
УДК 669.162.26
ББК 34.323










ISBN 978-5-9729-0704-5 (общ.) © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
ISBN 978-5-9729-0706-9 (Т. 1) © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

    ВВЕДЕНИЕ


    Отрасль “Черная металлургия” включает в себя добычу железных, марганцевых и хромовых руд, их обогащение, окускование полученных концентратов, (производство агломерата и окатышей), доменную и бездоменную выплавку чугуна, стали и ферросплавов, производство сортового и листового проката.
    Выплавка чугуна в доменных печах - основной, наиболее массовый и экономичный в современных условиях первоисточник получения расплавленного и твердого металла (чугуна) для многих отраслей промышленности. Мировая выплавка стали из всего производства чугуна доменных печей составляет около 90 %. Остальные 10 % стали, в основном высококачественной легированной, выплавляются из железа полученного твердофазными или жидкофазными вне-доменными способами восстановления железорудных материалов.
    Технологическая и экономическая эффективность работы доменных печей обеспечивается следующими четырьмя основными факторами: качеством компонентов шихты (топливной и железосодержащей) соответствующим современным требованиям доменной плавки; высокой единичной производительностью агрегатов; современными технологическими процессами и параметрами ведения доменной плавки; современным технологическим оборудованием, обеспечивающим эффективное автоматическое поддержание и регулировку технологических процессов плавки.
    Качество кокса и последние три фактора доменного производства в настоящее время соответствуют современным требованиям процесса экономически целесообразной выплавки качественного чугуна в доменных печах. Металлургические же характеристики железосодержащей части доменной шихты нуждаются в улучшении.
    Учитывая разную степень технологической и экономической пригодности к металлургическому переделу добываемых железных руд, перед черной металлургией стоят актуальные задачи разработки как экономически целесообразных технологий доведения металлургических показателей этих материалов до требований современных металлургических агрегатов, так и создания технологий и агрегатов, обеспечивающих технологически и экономически целесообразную выплавку металла из материалов не пригодных в природном добываемом виде к их металлургическому переделу.
    Потребности современного уровня производства черных металлов не могут обеспечить объемы добываемых богатых железных руд, поэтому получили развитие способы обогащения бедных железных руд. Современные технологии (магнитное и флотационное обогащение) и оборудование позволяют из бедных (содержащих Ееобщ. = 25-35 %) магнетитовых и гематитовых руд получать высококачественные (содержащих Ееобщ. = 66-71 %) тонкоизмельченные железорудные концентраты, пригодные по своим физико-химическим характеристикам к производству качественных окускованных железорудных материалов. Количество и физико-химические характеристики компонентов шихты исполь

3

зуемых в производстве агломератов и окатышей различаются по разным объективным и субъективным причинам.
    Технологические процессы получения традиционных (агломератов, окатышей) окускованных железорудных материалов состоят из следующих основных этапов: обогащение железных руд, подготовка по крупности компонентов шихты и их автоматическое дозирование в заданном весовом соотношении, эффективное смешивание шихты, окомкование влажной шихты с получением заданного гранулометрического состава, термообработка окомкованной шихты включающая сушку, нагрев и высокотемпературное спекание или обжиг (термоупрочнение), охлаждение готового продукта. Причем, соответствующая требованиям дальнейшего термоупрочнения, подготовка компонентов и шихты с заданными физико-химическими и минералогическими характеристиками, способствует получению готового окускованного материала с заданными металлургическими характеристиками.
    Теоретические основы протекания процессов окомкования шихты, её сушки, минералообразования в процессах нагрева, высокотемпературного спекания (обжига) и охлаждения готового продукта (агломерата и окатышей) в значительной степени подобны. Существенно же различаются между собой технологические параметры протекания процессов, основное технологическое оборудование для их осуществления и особенно металлургические характеристики готового продукта. Причем, с точки зрения последующей выплавки из них чугуна в доменных печах, каждый имеет как положительные металлургические характеристики, так и отрицательные.
    Разработанные современные требования доменной плавки к металлургическим характеристикам агломератов и окатышей, обеспечивающие лучшие технико-экономические показатели работы доменных печей, а также стандартные методы определения этих характеристик, позволяют целенаправленно получать требуемые физико-химические характеристики компонентов шихты для их производства, режим термоупрочнения, формировать структуру и минеральный состав агломератов и окатышей, изготавливаемых из разного сырья, для получения ими требуемых металлургических характеристик.
    Технологии и агрегаты бездоменной металлургии железа различаются значительным разнообразием и существенно отличаются от доменных печей. Различаются также требования к физико-химическим и металлургическим характеристикам железорудных сырьевых материалов и топливу и возможности их использования в металлургических процессах.

4

    1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

    Все природные минералы, используемые человеком для своей жизнедеятельности, в том числе для производства черных металлов, добываются из земной коры для последующей переработки. Поэтому металлургу необходимо, хотя бы в общих чертах, знать строение Земли, образование рудных и топливных материалов и их месторождений.

    1.1. Строение и средний состав Земли

    Природные процессы минералообразования в Земле - самые сложные процессы. Они происходили в течение всех геологических эпох Земли и происходят в настоящее время. Они меняются во времени и во многом определяются тектоническими условиями существования Земли.
    Сложность условий рудообразования в том, что часть рудных месторождений образуется в глубинах магматических очагов Земли, другая - на ее поверхности, в земной коре, где со временем происходит последовательное разрушение, эволюционное изменение и рождение новых месторождений, которые в геологическом исчислении недолговечны.
    Все процессы минералообразования взаимосвязаны, и, тем не менее, поражает однотипность тех или иных месторождений. Для того чтобы ориентироваться в сложной геологической системе взаимосвязи процессов появления и исчезновения рудных месторождений, необходимо представлять внутреннее строение Земли и связанные с ним процессы, особенно физико-химические и геотектонические.
    Процессы рудообразования в первую очередь связаны с вулканической деятельностью. Полезные ископаемые выносятся на поверхность земной коры с магмой, газово-жидкими растворами. Все процессы рудообразования непосредственно связаны с геотектоническим состоянием Земли. О ее составе и свойствах имеются только предположительные сведения, поскольку непосредственному наблюдению доступна лишь самая верхняя часть земной коры. Наиболее достоверные данные получены при использовании сейсмического метода, основанного на изучении путей и скорости распространения в Земле сейсмических волн. С их помощью удалось составить представление о внутреннем строении Земли. Земля состоит из трех частей: земной коры, мантии и ядра (В.И. Смирнов). Земная кора (А - верхняя сфера) - самая сложная по составу, она делится на три слоя: верхний (осадочный, до 20 км), средний (гранитный, 10-40 км) и нижний (базальтовый, до 70 км). Под океанами осадочный слой имеет толщину всего в несколько сотен метров. Гранитный слой, как правило, отсутствует. Вместо него существует слой неясной природы (1,0-2,5 км). Глубина базальтового слоя под океанами в отличие от земной коры достигает только 5 км. Под базальтовым слоем залегает мантия (рис. 1). С помощью сейсмических методов четко установлено, что между земной корой и мантией существует поверхность раздела, названная поверхностью Махаровича.


5

Рис. 1. Современное представление о строении Земли

    Мантия состоит из трех слоев В, С, D и простирается от поверхности Ма-харовича до глубины 2900 км, где она граничит с ядром Земли. Слои В и С образуют верхнюю мантию толщиной 850-900 км, слой D - нижнюю мантию (около 2000 км). Верхнюю часть мантии (слой В), залегающую непосредственно под которой, называют субстратом.
    Кора вместе с субстратом образует литосферу. Нижняя часть верхней мантии (С) названа именем открывшего ее сейсмолога Б. Гутенберга. Скорость распространения сейсмических волн в пределах слоя Гутенберга несколько меньше, чем в выше- и нижележащих слоях, что объясняется повышенной текучестью его вещества. Этот слой является сейсмическим волноводом, поскольку сейсмические волны долгое время идут вдоль него. Лежащий ниже слой является зоной быстрого нарастания скоростей сейсмических волн, как продольных, так и поперечных.
    Земное ядро имеет средний радиус около 3,5 тыс. км и делится на внешнее ядро (слой Е) и субъядро (слой G) с радиусом ~1,3 тыс. км. Их разделяет переходная зона (слой F) толщиной около 300 км, которую относят обычно к внешнему ядру. На границе мантии и ядра наблюдается скачкообразное падение скорости продольных сейсмических волн. Внутри ядра скорость возрастает, увеличиваясь скачком вблизи границы с субъядром, где сейсмические волны распространяются с неизменной скоростью.
    Внешнее ядро, очевидно, находится в жидком (расплавленном) состоянии, поскольку поперечные сейсмические волны, не способные распространяться в жидкости, через него не проходят. С существованием жидкого внешнего ядра связывают происхождение магнитного поля Земли. Субъядро, по-видимому, твердое, т. к. продольные сейсмические волны, подходя к его границе, возбуждают в нем поперечные волны.
    Неодинаковы и физические характеристики различных слоев Земли. С увеличением глубины изменяются значения величин силы тяжести, плотности, давления, вязкости и температуры.

6

    В земной коре и верхней мантии температура повышается с глубиной залегающих слоев. Из мантии к поверхности Земли идет тепловой поток несколько меньший, чем поступающее тепло от Солнца.
    В мантии температура везде ниже температуры полного расплавления слагающего ее материала. Под материковой корой она предполагается близкой к 600-700 °С. В слое Гутенберга температура близка к точке плавления (15001800 °С). Оценка температур для более глубоких слоев мантии и ядра Земли носит предположительный характер. По-видимому, в ядре она не превышает 40005000 °С, адавление можетдостигать 3,5 млн. атм.
    Вязкость материала мантии выше и ниже слоя Гутенберга порядка 10²³ Пз (1 Пз = 0,1 Н-с/м²), вязкость же материала самого слоя понижена, около (10¹⁹-10²¹ Пз). Считается, что благодаря этому в слое Гутенберга, происходит медленное перетекание материальных масс в горизонтальном направлении, может быть, под влиянием неравномерной нагрузки со стороны земной коры. Считается, что вязкость внешнего ядра на много порядков меньше вязкости мантии.
    В составе Земли преобладают железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют более 90 % массы Земли. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода и более чем на четверть из кремния. Значительная доля принадлежит также алюминию, магнию, кальцию, натрию и калию (табл. 1). Кислород, кремний, алюминий образуют наиболее распространенные в земной коре соединения: с кремнеземом - SiO₂ и глиноземом - А1₂О₃.
    Предполагается, что ядро состоит из железоникелевого сплава, подобно металлической фазе хендритов (метеоритов).
    Мантия состоит преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом. Они образуют с SiO₂ силикаты. В субстрате, по-видимому, преобладает содержание форстерита Mg₂SiO₄, а ближе к ядру - фаялита Fe₂SiO₄. Предполагается, что в нижней мантии эти минералы под влиянием очень высокого давления разлагаются на отдельные оксиды (SiO₂, MgO, FeO).
    Агрегатное состояние вещества земных недр обусловлено наличием высоких температур и давления. Материал мантии был бы расплавлен, если бы не высокое давление, вследствие которого все вещество мантии находится в твердом кристаллическом состоянии, за исключением, вероятно, слоя Гутенберга, где влияние близкой к точке плавления температуры сказывается сильнее, чем действие давления. Полагают, что здесь вещество мантии находится либо в аморфном, либо частично в расплавленном состоянии.
    Вещество геосфер Земли находится в непрерывном движении и изменении. В различных слоях процессы превращения вещества происходят с различной скоростью. Быстрее всего изменения вещества происходят в геосферах с жидкой и газообразной фазами. Гораздо медленнее - во внутренних геосферах, состоящих преимущественно из твердых веществ.
    Именно изучение их природы и фазовых превращений необходимо для понимания закономерностей рудообразования. Для появления рудного месторождения в доступной части земной коры требуется длительный и сложный путь концентрации вещества. Поскольку и твердые и жидкие составляющие Земли всегда


7

находятся в бесконечном движении, следовательно, и процессы рудообразования представляют собой подвижную систему, поскольку основными поставщиками вещества на земную поверхность являются продукты извержения вулканов.


Таблица 1. Химический состав земной коры и ядра земли

Химический Массовое содержание, %  
 элемент   Земная кора    Ядро    
Кислород      49,12       29,5    
Кремний       26,0     н.д.       
Алюминий      7,25     н.д.       
Железо        4,20        34,6    
Кальций       3,25     н.д.       
Магний        2,35        12,7    
Никель        2,39     2,4        
Натрий        1,20     н.д.       
Калий         1,15        н.д.    
Водород       0,67        н.д.    
Титан         0,61     н.д.       
Углерод       0,35     н.д.       
Хром          0,26        н.д.    
Марганец      0,10     н.д.       
Хлор          0,20        н.д.    
Кобальт       0,13     н.д.       
Фтор          0,08     н.д.       
Барий         0,05        н.д.    
Фосфор        0,12     н.д.       
Сера        0,10-1,9   н.д.       
Азот          0,04     н.д.       
Остальное     0,21        20,8    
Всего         100,0       100,0   

    С самого начала выхода магмы из магматического очага в область земной поверхности резко меняются условия ее существования. За стадией образования следует разрушение, затем процессы растворения и экстракции вещества, его перенос и переотложение в земной коре.
    Здесь очень эффективным является гидротермальный процесс - высокоподвижный, часто агрессивный, способный разрушать минералы, экстрагированные металлы, переносить их на большие расстояния, отлагая на новых площадях, образуя месторождения полезных ископаемых. Необходимо отметить, что в приповерхностных частях земной коры формирование месторождений в большой степени зависит от процесса концентрации полезных ископаемых, находившихся ранее в рассеянном состоянии в горных породах.


8

    1.2. Процессы минерало- и рудообразования


     Все, что окружает нас, является производным самой Земли, которая в силу своего строения и геотектонического состояния всегда находится в движении. За многие миллионы и миллиарды лет меняли свое положение полюса Земли, перемещались материки, исчезали и образовывались новые острова. Земная кора, глубина нижней границы которой составляет порядка 130 км, целиком является продуктом вулканической и тектонической деятельности Земли. Все горные породы, минералы, руды - все это природные вещества, поднятые на поверхность земли силой вулканических извержений.
     Однако не вся магма поднимается до уровня жерла вулкана и вытекает в виде лавы наружу. Часть магмы образует магматические тела на глубине в земной коре. Такие породы называются интрузивными. Кристаллизация интрузивных пород протекает в условиях медленного понижения температуры вследствие плохой теплопроводности окружающих пород, в присутствии летучих компонентов магмы, которые способствуют образованию минералов и понижают температуру застывания магмы. Остывание интрузивных масс происходит при высоком давлении. В результате вещество магмы полностью раскристаллизовывается, а породы становятся полнокристаллическими. Все полезные элементы в их составе находятся преимущественно в рассеянном состоянии.
     Формированию рудных месторождений из интрузивных тел предшествует полное или частичное разрушение породы, перераспределение металлов с переходом от рассеяния к его концентрации (Л.Н. Овчинников).
     Географическое размещение вулканов указывает на тесную связь между поясами вулканической деятельности и подвижными зонами земной коры. Разломы являются каналами, по которым происходит движение магмы к земной поверхности, а магма - это начало длинной цепи процессов образования месторождений полезных ископаемых. Поэтому для металлурга интересны не столько сами вулканы, сколько продукты его деятельности - руды. Все процессы минералообразования горных пород и месторождений принято разделять на три большие группы, отличающиеся как по механизму их образования, так и по составу конечных продуктов: эндогенные, экзогенные и метаморфические (П. Рамфор).
     Эндогенные процессы формируются в мантии и глубинных сферах земной коры. Главным источником тепловой энергии при этом является энергия Земли. Месторождения являются результатом геохимических процессов, происходящих в магматических очагах, которые зависят от ряда переменных: глубины его залегания, состава первичного магматического расплава и явлений взаимодействия расплава с вмещающими породами. Эндогенные месторождения включают в себя различные минеральные группы, отличающиеся по характеру образования и составу конечных продуктов. К эндогенным относятся магматические, скарновые и гидротермальные группы месторождений. Кроме того, к ним причисляются группы: карбонатная, пегматитовая, альбитгрейзеновая. Все они связаны с реакциями взаимодействия (метасоматоза) магматических расплавов и растворов с вмещающими породами. Магматическая группа месторождений объединяет за

9

лежи полезных ископаемых, образовавшиеся при застывании магмы и, как правило, расположенные в глубинных частях магматического очага. Скарновая или, как ее называют, контактово-метасоматическая группа включает в себя месторождения, появившиеся под влиянием горячих магматических растворов на контакте интрузива с карбонатными или эффузивно-осадочными вмещающими породами. Гидротермальная группа месторождений образуется при участии горячих водных растворов, связанных с близостью к поверхности магматического очага. Минеральные вещества выкристаллизовываются из минерализованно-газовых растворов на разных глубинах земной коры.
    К экзогенной группе относятся месторождения коры выветривания, осадочные и россыпи. Экзогенные месторождения полезных ископаемых являются результатом физико-химических процессов, происходящих на поверхностных или приповерхностных слоях земной коры. Они связаны с источниками внешней энергии Земли. К ним относятся работа текущих рек, таящих ледников, прибрежной деятельности морей и океанов, ветра. Большой разрушительной силой обладают погодные условия, в основном перепады температуры воздуха. Все это приводит к разрушению поднятых на поверхность земли горных пород и залежей полезных ископаемых. Оказавшись в сфере водных потоков, обломки пород продолжают измельчаться, происходит их разрушение на отдельные минеральные составляющие с различными физико-механическими свойствами. Потоки воды сортируют и отлагают их на различных расстояниях от коренных месторождений. Таким путем происходит процесс осадконакопления с концентрацией минеральных масс в определенных геологических структурах. Месторождения экзогенного типа нередко возникают в результате подводного вулканизма, отлагая огромные массы полезных ископаемых и районах, подверженных вулканической деятельности. Все они в настоящее время недоступны для промышленного использования из-за глубинного залегания.
    Метаморфические процессы минералообразования объединяют большое количество месторождений полезных ископаемых, которые формируются при интенсивном преобразовании первичных и осадочных горных пород на различной глубине от поверхности Земли в обстановке различных температур и давлений. При метаморфических процессах происходит распад ранее существовавших соединений и образование устойчивых в данных физико-химических условиях новых минеральных ассоциаций. Меняются структурные характеристики новообразований, например, рыхлые осадочные породы, превращаются в кристаллические. В зависимости от преобладания тех или иных природных факторов в процессе метаморфизма существуют его различные типы: региональный, динамометаморфический и контактный, каждый из которых имеет еще свои подразделения.
    Так же разделены геологические процессы минералообразования земной коры. Не исключены случаи, когда процессы минералообразования на смежных территориях оказывают друг на друга существенное влияние. Происходит внедрение (внос извне) в магматический очаг посторонних веществ. Велика роль воды, перемещающаяся как с поверхности Земли вглубь ее горизонтов, так и минера

10