Подготовка металлургического сырья для доменной и бездоменной металлургии железа : в двух томах. Том 2. Теория, технология и практика термоупрочнения окомкованных шихт и металлургические характеристики окускованных материалов


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 2
ТЕОРИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ПРАКТИКА ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ ОКОМКОВАННЫХ ШИХТ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОКУСКОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ












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 2. Теория, технология и практика термоупрочнения окомкованных шихт и металлургические характеристики окускованных материалов / [Ф. М. Журавлев и др. ] - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 380 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0704-5 (общ.)
           ISBN 978-5-9729-0707-6 (Т.2)

      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 978-5-9729-0707-6 (Т.2) © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ВВЕДЕНИЕ


    В настоящее время самым актуальным и наиболее эффективным направлением развития доменного производства, является улучшение качества железорудного сырья. В настоящее время во всех промышленных странах быстрее всего окупаются капитальные вложения в подготовку сырья, которые в то же время значительно превышают затраты на другие направления развития доменного производства.
    В первом томе учебника обобщен обширный материал по подготовке компонентов и шихт для производства синтезированных неофлюсованных и офлюсованных окускованных железорудных материалов для доменной и бездомен-ной металлургии железа.
    Во втором томе на основе рассмотрения теории спекания и минералообразования в процессе термообработки окомкованных шихт обосновано положительное влияние введения в шихту флюсов в виде известняка и доломитизиро-ванного известняка на формирование начальной структуры материала; образование оптимального количества расплава с требуемыми физико-химическими характеристиками в период термоупрочнения материала и окончательными металлургическими характеристиками готового окускованного продукта.
    Применение соответствующих технологических приемов и основного технологического оборудования, используемых на разных стадиях термоупрочнения окомкованных шихтовых материалов (агломерационной шихты и сырых окатышей), конструктивные особенности современных агломерационных машин и агрегатов для спекания аглошихты и термообработки окатышей с экономичными тепловыми схемами газопотоков, обеспечивают получение качественной готовой продукции при максимальной удельной производительности и минимальных расходах энергоресурсов.
    Преимущество по удельной производительности, удельным расходам энергоресурсов и качеству готовой продукции имеют обжиговая конвейерная машина ОКМ-592 третьего поколения с двумя (один центральный и два боковых) переточными коллекторами рекуперируемого теплоносителя и спроектированная ОКМ-780 четвертого поколения с двухслойной укладкой сырых окатышей, зонами сушки сырых окатышей только прососом и двумя (один центральный и два боковых) переточными коллекторами рекуперируемого теплоносителя.
    Рассмотрены основные закономерности газодинамики при движении газа в газоходах и в слое обжигаемых окатышей, а также тепло- и массообмен между газом и окатышами в агрегатах для их термоупрочнения. Приведены материальный и тепловой балансы процесса термоупрочнения окатышей.
    В связи с распространением, по разным причинам, использования в доменной плавке неофлюсованных окатышей, необходимо учитывать влияние минерального состава нерудной части концентрата на металлургические характеристики на разных стадиях переработки окатышей: перегрузки, хранение, транспортирование и восстановление в печи.

3

    В случае использования в доменной плавке офлюсованных окатышей, решающее влияние на их производство и свойства при восстановлении оказывают глубина обогащения концентрата, величина основности и вид применяемого флюса.
    Разработаны новые технологии производства железорудных окускованных материалов для доменной плавки, каждый из которых имеет комплекс положительных металлургических характеристик агломерата и окатышей, а также дополнительные (повышенное содержание железа или остаточный углерод) полезные для доменной плавки свойства.
    Разработана новая технология получения железорудного окускованного моносырья для доменной плавки, со всеми положительными металлургическими характеристиками агломератов и окатышей, повышенным содержанием железа и остаточным углеродом.
    Разработанные и испытанные Воронежским университетом и Уралмеха-нобром технологии получения безобжиговых окатышей открывают возможность, в случае их успешного использования в доменной плавке, получать офлюсованный окускованный материал без использования в агрегатах высоколегированных термостойких сталей.
    Возможность использования в одностадийных и двухстадийных процессах восстановления в агрегатах бездоменной металлургии недефицитных и относительно дешевых видов железорудного сырья и топлив, позволяет им конкурировать с доменными печами.
    Большой вклад в создание и развитие отечественных научных исследований и разработок в технологии получения офлюсованных железорудных агломератов и окатышей, создания и совершенствования основного технологического оборудования, а также промышленного освоения производства окускованного сырья для доменной плавки внесли ученые научно-исследовательских и учебных институтов: Механобр, Механобрчермет и его Белгородский филиал, Уралмеханобр, ВНИИМТ, ИЧМ НАНУ, НМетАУ, МИСИС, ИМет им. А.А. Байкова АН СССР, Уральский политехнический институт; создатели основного технологического оборудования в УЗТМ и работники цехов по производству агломератов и окатышей металлургических и горно-обогатительных комбинатов. Основной вклад в разработку, совершенствование и наладку работы теплотехнических схем отечественных обжиговых конвейерных машин и агломашин всех поколений внесли ведущие Уральские теплотехники.
    Приведенные в двух томах технологические и конструктивные разработки, выполненные авторами книги, посвящены рассмотрению и решению важных проблем в производстве окускованного железорудного материала для доменной плавки.

4

1.   ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ СПЕКАНИЯ АГЛОШИХТЫ
И ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ ОКАТЫШЕЙ

    Окомкованная аглошихта или сырые окатыши не могут использоваться в доменной плавке, так как при транспортировке полностью разрушатся до крупности исходных компонентов.
    Поэтому, каждый из них должен пройти термическое упрочнение по соответствующему способу ввода тепла, режиму нагрева материала, максимально достигаемой температуре, времени обработки при этой температуре и требованиям к физическому состоянию и химическому составу получаемого готового продукта.
    Процессы спекания аглошихты и термоупрочнения сырых окатышей относятся к термическим высокотемпературным технологиям, позволяющим при достаточно высоких скоростях проходить физическим, химическим, минералогическим и структурным превращениям, способствующим достижению готовым окускованным продуктом (агломератом и обожженными окатышами) требуемых для доменной плавки металлургических характеристик.
    Обеспечение показателей, соответствующих требованиям доменной плавки к металлургическим характеристикам готового окускованного продукта (в частности обожженным окатышам) определяют его химический состав и полнота прошедших в процессе термоупрочнения физических (сушка), химических, фазовых и структурных преобразований.
    Таким образом, фазовый состав и микроструктура определяют металлургические характеристики обожженных окатышей. Получение агломерата и окатышей с требуемыми металлургическими характеристиками невозможно без понимания процессов их формирования.
    Проблема управления формированием качества конечного продукта может быть решена только путем оптимизации фазового состава и микроструктуры агломерата и окатышей.

1.1. Температурно-временные параметры спекания аглошихты и термоупрочнения сырых окатышей

    Процесс спекания аглошихты и термоупрочнения сырых окатышей протекает при разных температурно-временных параметрах в четыре этапа: сушка, нагрев до максимальной температуры, выдержка при максимальной температуре и охлаждение.
    В каждом этапе в аглошихте и окатышах протекают определенные физические, химические, фазовые и структурные превращения, способствующие приобретению ими микроструктуры, гарантирующей им получение металлургических характеристик необходимых для доменной плавки. Причем, не смотря на принципиально разное формирование и конечные структуры, требования доменной плавки к металлургическим характеристикам железорудных окускованных материалов (при транспортировке и плавке) одинаково высоки.


5

1.1.1. Температурно-временные параметры спекания аглошихты


    Принятые в современной промышленной практике температурно-временные параметры спекания аглошихты (рассмотренные В.И. Коротичем с соавторами), методом просасывания через неё теплоносителя содержащего кислород, предусматривают получение основного необходимого количества теплоты для процесса спекания за счет сгорания внутри шихты определенного количества мелкого (0-3 мм) твердого топлива, закатанного в гранулы или находящегося между ними.
    Первоначальным источником теплоты для развития высокотемпературных процессов в слое аглошихты является зажигание и горение под зажигательным горном твердого топлива в верхнем поверхностном слое аглошихты. За счет выгорания твердого топлива, в этом участке шихты образуется узкая (15-40 мм) зона максимальных температур, перемещающаяся в направлении движения газового потока по высоте слоя шихты сверху вниз. В этой зоне происходит размягчение и плавление аглошихты, а также жидкофазное (в расплаве) взаимодействие составляющих её минералов.
    Засасываемый за счет разрежения в слое воздух, проходя через образовавшийся высокотемпературный слой агломерата, нагревается до высоких температур, передает теплоту в нижележащие слои, инициируя последовательную подготовку влажной аглошихты к прохождению процессов сушки, нагрева с твердофазным взаимодействием минералов, зажиганием и горением твердого топлива (рис. 1).


Воздух

Рис. 1. Принципиальная схема расположения зон агломерируемого слоя в поперечном сечении конвейерной агломашины:
1 - готовый охлаждающийся агломерат; 2 - плавление и формирование структуры агломерата; 3 - интенсивный нагрев;
4 - сушка; 5 - переувлажнение; 6 - конденсация влаги;
7 - исходная шихта

6

    За счет высокой удельной поверхности компонентов аглошихты с момента начала горения твердого топлива в верхнем слое образуются все указанные выше зоны, так как процессы тепло- и массообмена между агломерируемым материалом и газом-теплоносителем проходят достаточно быстро и на малой высоте. В результате высота каждой из зон (15-40 мм) существенно меньше общей высоты (300-400 мм) слоя. Причем характерной особенностью агломерационного процесса методом просасывания является быстрое повышение температуры и малое время (около 1,5-2,0 мин) пребывания каждого элементарного объема шихты при высоких температурах. За это время должны осуществиться основные физико-химичес-кие и минералогические превращения, обеспечивающие получение агломерата с необходимыми характеристиками качества.
    В течение спекания, образовавшиеся в начале процесса зоны, опускаются вниз почти без изменения размеров (рис. 2), за исключением зон переувлажнения, конденсации влаги и исходной шихты, заканчивающихся существенно ранее (особенно зон конденсации и исходной шихты).


Рис. 2. Принципиальная схема расположения зон агломерируемого слоя в продольном сечении конвейерной машины: t г - температура отсасываемого газа; тн, т₀, тз - время, соответственно, начального, основного и заключительного периодов; 1-7 - см. рис. 1;
8 - зажигательный горн

    Общее время агломерации можно распределить на три периода: начальный - в котором формируются основные зоны спекаемого слоя; основной - в котором тепловой и газодинамический режимы стабилизировались; заключительный - в котором последовательно “выклиниваются” все зоны спекаемого слоя и остается только охлаждающийся агломерационный спек.


7

    Процесс считается законченным, когда зона формирования агломерата дойдет до донной постели или колосников (в случае работы без постели) спека-тельной тележки. При существующей средней вертикальной скорости спекания около 20 мм/мин слой аглошихты толщиной 300-400 мм превращается в агломерат через 1-20 мин.
    Таким образом, процесс спекания хорошо смешанной и окомкованной аглошихты в агломерат характеризуется следующими особенностями:
    -      относительно высокой газопроницаемостью слоя, позволяющей достигать высоких скоростей движения газового потока (до 0,5-0,6 м/с), при относительно небольших перепадах давлений (10-15 кПа) над и под слоем;
    -      интенсивным тепло- и массообменом в слое шихты благодаря ее высокой удельной поверхности, что объясняет относительно небольшую (15-40 мм) высоту высокотемпературных технологических зон с интенсивной скоростью (за 1,5-2,0 мин) протекания физико-химических и минералогических процессов;
    -      неоднородностью температурного поля в объеме спекаемого материала, из-за точечного распределения в объеме шихты частиц твердого топлива, образующих очаги горения и интенсивного выделения теплоты с локальным расплавлением окружающей шихты;
    -      окислительно-восстановительной газовой средой, образующейся за счет неполного сгорания углерода твердого топлива, способствующей частичному восстановлению оксидов железа шихты;
    -      высокой степенью использования теплоты от сгорания в шихте твердого топлива.

1.1.2. Температурно-временные параметры термоупрочнения сырых окатышей

    Принятые в современной промышленной практике температурно-временные параметры термоупрочнения сырых окатышей, в отличие от спекания аглошихты, заключаются в обработке слоя сырых окатышей только кислородсодержащим теплоносителем с заданной температурой, через неподвижный или подвижный просасываемый, продуваемый или пересыпающийся слои окатышей. При этом все тепло, необходимое для термоупрочнения окатышей, вносится газообразным теплоносителем, получаемым от сжигания топлива вне слоя окатышей или при рекуперации отработанного теплоносителя в процессе термоупрочнения и охлаждения окатышей.
    Последовательность операций термоупрочнения сырых окатышей аналогична операциям проходящим при спекании аглошихты: сушка, переувлажнение, окончание сушки, нагрев (формирование промежуточной структуры), обжиг при максимальной температуре (образование определенного контролируемого количества расплава), охлаждение (формирование конечной структуры).
    Основное различие при спекании аглошихты в агломерат и термоупрочнении сырых окатышей заключается в разграничении распространения фронта температур в слое и вводе теплоты в слой.


8

    Горение твердого топлива в слое аглошихты и достижение максимальной температуры осуществляется в узком (15-40 мм) по высоте участке и продвигается сверху вниз с определенной скоростью, зависящей от скорости просасыва-ния воздуха и скорости выгорания твердого топлива. Соответственно, все зоны процесса спекания (см. рис. 1, 2) перемещаются от верхнего слоя к нижнему, выклиниваясь по мере окончания каждого из этапов до окончания всего процесса спекания.
    При термоупрочнении же сырых окатышей, теплоноситель с температурой необходимой для каждого этапа подается в отведенную для этой цели зону (сушки, нагрева и обжига), длина которой ограничена временем необходимым для прогрева почти всей, с небольшим сдвигом температуры нижнего слоя в следующую зону, высоты слоя окатышей до заданной для окончания этапа температуры (рис. 3). После этого начинается следующий этап термоупрочнения окатышей.


Рис. 3. Принципиальная схема расположения зон термоупрочнения слоя окатышей на обжиговой конвейерной машине (ОКМ): 1-5 - зоны, соответственно, сушки, нагрева, обжига, рекуперации, охлаждения

    В течение основного периода агломерации (см. рис. 2) в слое существуют все зоны, которые постепенно перемещаются от верха слоя к колосниковой решетке. При термоупрочнении же окатышей в отдельные периоды времени весь слой представлен какой-то одной из определяющих зону режимов: сушки, нагрева, обжига или охлаждения (см. рис. 3). Это предопределяет возможность и необходимость разделения всего периода термоупрочнения на отдельные зоны в агрегате для термоупрочнения с оптимальными для каждой зоны: временем пребывания в них окатышей, температурными и газодинамическими параметрами. К окончанию процесса термоупрочнения (начало охлаждения) весь слой окатышей имеет среднюю температуру, аналогичную заданной максимальной температуре обжига в диапазоне от 1250 до 1350 ОС (рис. 4).
    Исходя из этого, рационально, но не обязательно, осуществлять охлаждение обожженных окатышей в том же агрегате, что и их термоупрочнение. В от


9

личие от термоупрочнения окатышей, при спекании аглошихты максимальную температуру (1350-1450 °C) имеет только самый нижний слой агломерата толщиной 15-40 мм, а вышележащие - в разной степени охлажденный просасываемым воздухом агломерат от максимальной температуры до 20 °C, при средней температуре слоя 550-700 °C. В этом случае при охлаждении агломерата в том же агрегате прососом воздуха сверху вниз будут перегреваться колосники и спекательные тележки.


Рис. 4. Среднее распределение температур в обжигаемом слое окатышей на обжиговых конвейерных машинах: (средняя площадь зон ОКМ: сушка - 20,0 %, нагрев - 13,5 %, обжиг+рекуперация - 25,5 %, охлаждение - 40,0 %) 1 - над слоем окатышей; 2, 3, 4 - соответственно, верх, середина, низ слоя; 5 - на границе слой-постель

     При охлаждении же продувом воздуха снизу вверх будет первоначально повторно нагреваться верхняя (над зоной спекания) часть слоя, которую необходимо будет повторно охлаждать. Это удлинит время охлаждения и снизит температуру нагретого воздуха. Поэтому, агломерат рациональней охлаждать в отдельном агрегате-охладителе.


1.2. Физико-химические реакции в процессах спекания аглошихты и термоупрочнения сырых окатышей

    Как отмечалось выше (см. разд. 1.1) смешанные и окомкованные влажные аглошихта и сырые окатыши подвергаются, соответствующей каждому материалу, высокотемпературной обработке, включающей их: высушивание, нагрев с определенной скоростью до максимальной температуры (характерной для каждого вида и состава окускованного материала), выдержке определенное время

10