Методы окускования железосодержащих материалов

Содержание:

• 1.Введение
• 1.1. Методы окускования железосодержащих материалов
• 1.2. Брикетирование как перспективный метод окускования на современном этапе развития промышленности
• 1.3. Экологические проблемы промышленности по утилизации отходов
• 2.Основная часть
• 2.1. Способ изготовления (холодное брикетирование)
• 2.2 Результаты испытаний на лабораторных установках
• 2.3. Поведение железоуглеродосодержащих брикетов в металлургических агрегатах
• 2.4. ТЭО замены традиционной доменной шихты железоуглеродосодержащим брикетом
• 3.Заключение
• 3.1. Технологичность данного вида шихты
• 3.2. Схема использования в условиях ОАО «Тулачермет»
• Список используемой литературы

Введение.

1.1. Методы окускования  железосодержащих материалов.

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.

Много и долго  в вопросе использования брикетирования для подготовки неметаллической  шихты металлургических процессов  и утилизации мелких отходов работает кафедра металлургии черных металлов Магнитогорского государственного технического университета. Были разработаны  технологии, предложено и апробировано изготовление с использованием мелких отходов самых различных брикетов для металлургического производства: шлакообразующих для выплавки стали, рудных для доменной плавки, на основе губчатого железа и ее мелочи, коксоугольных  и др.

Несмотря на давность использования брикетирования, его  теория изучена слабо. Поэтому до настоящего времени брикетирование является искусством, требующим большого экспериментального и практического  опыта. 
 

1.2. 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);

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.

1.3. 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. Тульская область  имеет на своей территории порядка 17 млн.т. железосодержащих отходов, включая  шламы аглодоменные ОАО «Тулачермет», шламы ОАО «Ванадий», Косогорские  шламы, пиритные огарки Новомосковска  и т.д.

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. 

2.Основная часть

2.1. 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. 

2.2 Результаты испытаний  на лабораторных установках.

Испытания проводились  на механические свойства, поведения  при термическом воздействии, а  также металлографические исследования железоуглеродосодержащих брикетов до и после термообработки.

По физическим свойствам  брикеты металлургически должны:

- обладать атмосфероустойчивостью (при хранении на воздухе не  подвергаться атмосферному влиянию,  не разрушаться от сырости,  тепла и холода);

- обладать механической  прочностью, то есть в достаточной  степени сопротивляться удару  и истиранию (выдерживать перевозку  и перегрузку с образованием  минимального количесва мелочи  и пыли);

- обладать достаточной  пористостью, так как от степени  пористости зависит скорость  восстановления руды, а в связи  с этим и производительность  печи (брикеты для доменной и  шахтной плавок);

- обладать плотностью  и большим удельным весом; 

- содержать минимальное  количество влаги, так как влажность  ухудшает газопроницаемость брикетов, а на испарение её требуется  дополнительный расход горючего;

- быть термоустойчивыми  и выдерживать в печи под  определенным давлением, не разрушаясь, температуру 800-1000°С.

В черной металлургии  к брикетам предъявляют специальные  требования в соответствии с их назначением, т.е. в зависимости от способов их передела.

Железоуглеродосодержащие  брикеты очень устойчивы к  атмосферным воздействиям и в  процессе хранения даже увеличивают  свою прочность в некоторых случаях  до 40% от первоначальной.Плотность и  прочность зависят от компонентного  состава и количества вяжущего.

Механическая прочность  брикетов высокая.Показатель, определяющий сопротивление брикета перевозкам и перегрузкам, называется осыпаемость. При 3-х кратном сбрасывании с 1.5 м на стальную плиту выход- 5мм составил 1.1% при требовании не более 10%, хотя определение прочности на удар и истирание по методике агломерата показал более худшую прочность  по сравнению с последним, здесь  можно поставить под сомнение соответствие методики к новому виду доменной шихты.

Пористость железоуглеродосодержащего  брикета более 40%, при требовании не менее 10%.

Гигроскопическая  влажность зависит от условий  хранения, в представленных образцах она находится на уровне 2-3%. Брикет выдерживает , не разрушаясь, температуру  до 1300°С, т.е. более высокую, чем предъявляется  к такому виду шихты (800-1000°С). Размягчаемость брикета близка к размягчаемости Михайловских окатышей.

Степень восстановления железа из окалины за счет углеродной составляющей составляет 83-85%, однако неравномерный  фракционный состав используемой коксовой мелочи, а так же неравномерное  перемешивание ( данные металлографических исследований) дают направление по увеличению контактной поверхности  коксовой мелочи с окалиной и пути повышения степени металлизации. Это также подтверждается несоответствием  степени металлизации с остаточным углеродом в продуктах после  термообработки брикета. Металлизированное  железо находится в виде чугуна. Наличие в продуктах плавки тугоплавкого светло-серого немагнитного порошка  с черными вкраплениями до 15-20% - это  зола кокса и модификационно измененный цементный клинкер, говорят о  возможном выносе этой пыли в месте  с колошниковой пылью, хотя термостойкость брикета возможно позволит перевести  эту составляющую в шлак, тем не менее снижение количества цемента  и повышение качества углеродосодержащего  наполнителя позволит уменьшить  этот негатив.

Полученные образцы  по своим механическим свойствам  удовлетворяют, а в некоторых  случаях и превышают те требования, которые были определены к металлургическому  брикету.

Для сравнения был  частично (из-за отсутствия достаточного количества образцов ) исследован Волгоградский  металлургический железоуглеродосодержащий брикет.  
 
 
 

ФОРМА БРИКЕТА: куб (120*120) 

ВНЕШНИЙ ВИД: серый  с точечными белыми вкраплениями, углы отколотые, мажет руку, крошится.

ПРОЧНОСТЬ: 37.6 кгс/см2

ПЛОТНОСТЬ: 1839 кг/см3

ПОРИСТОСТЬ: 18%-11-

ПРИМЕРНЫЙ СОСТАВ ПО КОМПОНЕНТАМ:

45% - окалина (- 8 мм)

40% - бой графитовых  электродов (-3 мм)

15% - жидкое стекло  с отвердителем. 

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ:

По всем механическим показателям, а также химическим составляющим (Fe, CaO/SiO2), он явно уступает брикету «ЭкоМашГео».

Способ изготовления Волгоградского брикета основан  на обычном прессовании, т.е. вибропрессование в данном случае более правильное и технологичное направление  производства металлургического брикета  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3. Поведение железоуглеродосодержащих  брикетов в металлургических  агрегатах.

Железоуглеродосодержащий  брикет «ЭкоМашГео» - это самоплавкая, самовосстанавливающаяся шихта  для металлургических переделов.

Химический состав исследуемых брикетов.

Химический состав:

Если взять среднегодовую  шихту доменной печи №3 ОАО «Тулачермет» за 2000 год, то получим содержание железа в шихте 42.33%, углерода в шихте  –21.8%, основность шлака –1.08, т.е. это  косвенно подтверждает указанную выше технологичность брикета ( самоплавкость  и самовосстанавливаемость)

На Таганрогском метзаводе в сентябре 2001года проведено  было 9 плавок стали в Мартеновском цехе с использованием брикетов.В 285 тонной мартеновской печи использовалось до 20 т брикетов в шихте.

Брикет оказался технологичен, т.е. механически прочен, термостоек, сохранил свою форму при  температуре 1450-1500 °С. При снижении температуры плавления данного  брикета до 1250-1400 °С и повышение  основности до 2-3 единиц, он вполне становится экономичной шихтой мартеновского  передела в условиях «Тагмета». 
 
 
 
 

2.4. ТЭО замены  традиционной доменной шихты  железоуглеродосодержащим брикетом

Как отмечалось выше, брикет –это самоплавная и самовосстанавливающаяся  шихта, соответствующая среднегодовому составу шихты д.п №3 ОАО "Тулачермет"

Если условно принять, что брикет на 100% заменяет шихту  доменной печи, тогда себестоимость  брикета должна быть не выше этой цены.

Расчет:

537 руб. х 0.968 т/т.чуг.= 520 руб.- стоимость агломерата в  шихте

502 руб. х 0.679 т/т.чуг  = 341 руб.- стоимость окатышей в  шихте 

1759 руб. х 0.592 т/т.чуг  = 1041 руб.- стоимость кокса в шихте

 где 0.968; 0.679; 0.592 т/т.чуг.- расходные коэффициенты, соответственно, агломерата, окатышей, кокса, а 537, 502, 1759 руб. – цена, соответственно, этих материалов.

Тогда стоимость  доменной шихты на 1 т. чугуна (цены и  расходные коэффициенты летних месяцев 2001 года) составит:

Общий расход шихты  на 1 т. чугуна составляет:

0.968+ 0.679+0.592 = 2.268 т/т.чуг.

А стоимость 1 т. шихты:

1902руб.: 2.268= 838.6 ~ 840 руб/т

Т.е. 840 руб/т –  это цена, тонны традиционной доменной шихты или тонны железоуглеродосодержащего  брикета с «0» рентабельностью.

Ожидаемая себестоимость  брикета 721руб./тн.

Т.е. в условиях первоначальных повышенных затрат при изготовлении опытно-промышленной партии брикета (цена передела взята 200 руб./т)- себестоимость  железоуглеродосодержащего брикета  можно условно принять за 725 руб./т, в дальнейшем передел должен снизиться  до 100 руб./т, и себестоимость брикета  составит 625 руб/т.

Разница между реальной стоимостью и себестоимостью составит:

840руб./т – 625руб./т  =215 руб./т (или на 25% меньше)

При замене 10% традиционной шихты, т.е.

0.1 х 2.268 т/т.чуг  = 0.2268 т/т.чуг.

Ожидаемая экономия составит:

215 руб./т х 0.2268т./т.чуг  = 48.762 ~ 49 руб/ т.чуг. 
 

3.Заключение

3.1. 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 материал(шламы, 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. 

3.2. Схема использования  в условиях ОАО «Тулачермет»

По составу рационально  использовались следующие виды брикетов

заменитель железосодержащей шихты и доменного кокса (20-25% коксовая пыль Кемерово, 65-70%- окалина, концентрат, шлам, 10% -вяжущего; основность 1.1, самовосстанавливающийся, самоплавкий брикет)

композиционный железосодержащий брикет с промывочным эффектом (брикет из окалины и кремнесодержащего  материала с небольшими добавками  коксовой пыли 5-10%

заменитель металлодобавки и доменного кокса (отсев метализованных брикетов Лебединского ГОКа и 5-10% коксовой пыли)

композиционный железосодержащий брикет с марганцовистой добавкой (отсев  марганцовой руды, менее 10 мм).

В случае реализации замены части (до 20%) железосодержащей шихты доменного цеха реально  уменьшить основность агломерата (до 1.2-1.4) приближалась к моношихте, получая  от этого технологическую и экономическую  выгоду.Учитывая низкую энергоемкость  производства брикетов при систематическом  их применении затраты у производителей будут постоянно уменьшаться  и стоимость, в конечном итоге, должна быть не выше стоимости агломерата и окатышей. 
 

Список используемой литературы:

Б.М.Равич Брикетирование в цветной и черной металлургии  М. «Металлургия» 1975г

Л.А.Лурье Брикетирование в металлургии М. «Металлургия», 1963г

В.П. Булгаков, Г.В. Булгаков Исследование минералогического состава  окалино-углеродистых брикетов в процессе восстановления «Черная металлургия» 1998г. №7