Технические науки/1. Металлургия

 

Аспирант Семаков В.В.

Приазовский государственный технический университет, Украина

Способы оценки восстановимости железорудной шихты доменной плавки

 

Восстановимость является одним из основных металлургических свойств железорудного сырья, которое характеризует способность материала отдавать кислород, связанный в оксиды, восстановителю. Согласно исследованиям [1] повышение восстановимости в большей степени влияет на снижение удельного расхода кокса доменной плавки, чем ухудшение прочности агломерата. Применение легковосстановимого железорудного агломерата является одним из аспектов разработки доменного процесса нового поколения, так как увеличение восстановимости шихты на 1 % (абс.) позволяет снизить расход кокса на 4 кг/т чугуна.

Восстановимость железорудных материалов оценивается различными показателями [2]. Так, согласно ГОСТ 28658–90 (ИСО 7215–85) под относительной (или фактической) восстановимостью понимается конечная степень восстановления, достигнутая после установленного периода времени и других определенных условий:

 

Rотн = ∆m / m, д. ед.,                                          (1)

 

где ∆m – потеря в массе кислорода в течение 3 ч восстановления, г;

m – масса кислорода, связанного с железом перед восстановлением, г.

С целью устранения влияния различной исходной окисленности железорудных материалов, изменение которой согласно исследованиям [3] от 435,9 (количество кислорода, отнимаемое от железорудной шихты при восстановлении, на 1 т чугуна) до 345,9 кг/т чугуна приводит к сокращению расхода кокса с 628,1 до 581,5 кг/т чугуна, предусматривается определение абсолютной степени восстановления согласно ГОСТ 28657–90 (ИСО 4895–84), характеризующей восстановимость относительно железа (ІІІ):

                                                                                                                    (2)

 

 

где  – абсолютная степень восстановления исходной пробы,

                                      (3)

 

 

m1 – исходная масса пробы до восстановления, г;

m2 – масса пробы после 4 ч восстановления, г;

FeO, Feмет и Feобщ – содержание монооксида железа, металлического и общего железа в исходной пробе, %.

Определение восстановимости по Rотн (или Rфакт) аналогично расчету степени косвенного восстановления в доменной печи Rі (по Банзену и Рейхардту) как отношения количества кислорода, отнятого непрямым путем от железа, к исходному количеству кислорода, связанного с железом. Кинетические кривые, построенные по фактической степени восстановления окатышей ЦГОК (кривая 1) и азовстальского агломерата (кривая 3), которое проводилось углеродом мелкого коксика при температуре 1050 оС, показаны на рис. 1а. По полученным результатам также построены кинетические кривые восстановления по Rабс (рис. 1а, кривые 2 и 4 соответственно), которая рассчитывалась как отношение количества отнятого кислорода к количеству кислорода, связанного с железом при его максимальной окисленности, т. е. предполагалось, что исследуемая проба содержит железо исключительно в виде Fe2O3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 – Кинетические кривые восстановления окатышей и агломерата (пояснения в тексте)

 

При анализе абсолютной восстановимости на рис. 1а можно выделить область металлизации материалов, а также определить их исходную степень восстановления, которая составила для окатышей  = 0,9 % (окисленность относительно Fe(III): 100 – 0,9 = 99,1 % при содержании Fe = 63,58 % и FeO = 2,02 %) и агломерата  = 5,4 % (окисленность 94,6 % при Fe = 52,0 % и FeO = 10,8 %). Как видно из рис. 1а, при относительно невысоких исходных значениях , кинетические кривые абсолютной и относительной степеней восстановления железорудных материалов близки, что затрудняет оценку влияния исходной степени окисленности шихты на ход восстановительных процессов в доменной печи.

Развитие реакции восстановления монооксида железа газами является определяющим для расхода кокса доменной плавки и оценивается степенью косвенного восстановления по М. А. Павлову ri, которая не зависит от окисленности шихты и рассчитывается аналогично степени металлизации: r = 100 Feмет / Feобщ, %.

Кинетические кривые восстановления окатышей ЦГОК (кривая 1) и азовстальского агломерата (кривая 2), построенные по степени металлизации, приведены на рис. 1б. Исходные степени окисленности θ относительно Fe(II) агломерата и окатышей составили 141,9 и 148,7 % соответственно. Из рис. 1б видно, что степени окисленности и металлизации связаны простой зависимостью θ = 100 – r, %, а область отрицательных значений степени металлизации соответствует окисленности железорудных материалов сверх 100 % (θ = 100 % принята для монооксида железа).

Индекс восстановимости согласно ГОСТ 28657–90 (ИСО 4895–84)

 

                                           (4)

 

где t30 и t60 – время, необходимое для достижения степени восстановления 30 и 60 %, мин;

показывает скорость восстановления оксида железа, выраженную в процентах степени восстановления, достигнутых в единицу времени. По результатам экспериментов  для азовстальского агломерата составил 11,5, а для окатышей ЦГОК – 7,7 % / мин. Лучшая восстановимость агломерата также подтверждается большей степенью восстановления, достигнутой за 9 мин: Rабс ≈ Rотн = 88, r = 81 %, по сравнению с окатышами: Rабс ≈ Rотн = 54, r = 31 %. Однако,  характеризует восстановимость материала лишь на некотором отрезке длительности процесса и предполагает линейное изменение скорости восстановления, что вносит погрешности при его использовании для построения математических моделей плавки. В ходе математического моделирования доменного процесса показатели восстановимости Rабс, Rотн,r,  непосредственно не применяются. Результаты лабораторных исследований восстановимости железорудных материалов являются базовыми для определения скорости их восстановления в условиях плавки.

Путем математического моделирования технологического режима доменной печи МК «Азовсталь» установлено, что изменению константы средней скорости восстановления монооксида железа доменной шихты  от 4,982∙10-5 до 7,952∙10-5 с-1 при прочих равных условиях соответствуют расчетные степени косвенного восстановления по М. А. Павлову, которые повышаются с 59,78 до 76,63 %, и степени использования газа при восстановлении FeO в зоне умеренного теплообмена hф, возрастающие  с 21,44 % до 31,52 %, при снижении удельного расхода кокса K с 510 до 423 кг/т чугуна. Следовательно, повышению  на 1 % (отн.) соответствует сокращение K на 1,5 кг/т чугуна, а росту степени металлизации на 1 % (абс.) – снижение K на 4,8 кг/т чугуна.

 

Литература:

1.       Влияние содержания FeO в агломерате на его восстановимость и расход кокса в доменной плавке / В. П. Лялюк [и др.] // Бюллетень «Черная металлургия» . – 2011 . – № 9 . – С. 25-30.

2.       Корнилова Н. К. Восстановимость как характеристика качества железорудного материала и способы ее измерения / Н. К. Корнилова, Ф. М. Журавлев, А. М. Чернышов // Сталь. – 1986. – № 1. – С. 9-12.

3.       Коробов В. И. Статистические исследования доменного процесса / В. И. Коробов. – М. : Металлургия, 1977. – 184 с.