Результат интеллектуальной деятельности: БРИКЕТ ЭКСТРУЗИОННЫЙ (БРЭКС) - КОМПОНЕНТ ШИХТЫ ШАХТНЫХ ПЕЧЕЙ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам окускования железорудного сырья, и может быть использовано при подготовке шихты для шахтных печей прямого получения железа.

Известно техническое решение - «Способ брикетирования железосодержащих отходов в виде окалины для плавки» (патент RU №2321647, д.пр. 06.07.2006), включающий смешивание предварительно подготовленной окалины с измельченным углеродсодержащим материалом и связующим, включающим кремнийсодержащей материал в виде спеченного и измельченного керамзита, карбонат щелочного металла и гидрокарбонат щелочного металла. Осуществляют обработку полученной смеси раствором, включающим жидкое стекло, кремнефтористый натрий (отвердитель) и наполнитель в виде пылевидного материала, например керамзитовой пыли, прессование и последующую сушку. При использовании замасленной окалины ее предварительно обрабатывают силикатно-известковым раствором, содержащим известь в количестве 0,5-2,5 мас. % на 1 мас. % масла, которую добавляют к водному раствору жидкого стекла плотностью 1100-1150 кг/м³, при их соотношении 1:2-1:3 с последующим гранулированием и сушкой при температуре от 200 до 250°C. Недостатками способа являются использование токсичного кремнефтористого натрия, добавляемого в качестве отвердителя для жидкого стекла при обработке смеси, что не отвечает экологическим требованиям при изготовлении брикетов, а также невысокая прочность полученных брикетов. Этому препятствует также наличие в брикете щелочных металлов (жидкое стекло), способствующих настылеобразованию в шахтных печах.

Указанный недостаток устраняется в другом известном техническом решении, которым является способ подготовки железорудного материала в виде брикетов для процесса прямого получения железа, в котором шихта для производства брикета изготавливается из железорудного материала и 3-5% глины путем смешивания, обработки полученной смеси водным раствором хлорида железа с добавкой энзима в количестве, обеспечивающем получение смеси с влажностью 15-20%. В качестве железорудного материала используют смесь обогащенных грохочением 85-90 мас. % железослюдковомартитовой руды и 10-15 мас. % гидрогематитовой руды, мелкодисперсных железосодержащих отходов, тонкоизмельченного углеродсодержащего материала и связующего, в качестве которого используется механическая смесь природных материалов - суглинка, глины или полевого шпата и карбоната натрия [патент РФ №2451096, МКИ С22В 1/242, 12.04.2010 г. Опубликован 20.05.2012. Бюл. №14]. Брикет для выплавки металла по известному техническому решению получают путем прессования смеси указанных материалов с последующей сушкой полученного брикета. Недостатком данного известного технического решения является то, что брикет для выплавки металла, получаемый по описанной технологии, не обладает достаточной горячей прочностью, что не позволяет его использовать в качестве компонента шихты в печах прямого получения железа.

Указанный недостаток устраняется в другом известном техническом решении [патент США №4597790, МКИ С22В 1/242, 21.05.85 г. Опубликован 01.07.1986 г.], в котором для производства безобжиговых брикетов из смеси, включающей от 5 до 30% железного порошка, окалины прокатного производства, мелочи окисленных железорудных окатышей, для шахтных печей прямого получения железа в качестве связующего применяется цемент или гранулированный доменный шлам. Недостатком данного известного технического решения является то, что такие брикеты проявляют аномальное разбухание в процессе их восстановления, что объясняется образованием сферических частичек железа, отделяющихся друг от друга, что и вызывает разбухание. Степень разбухания менее 20% способствует восстановлению вследствие увеличения пористости брикета. Аномальное разбухание (свыше 20% от объема), наоборот, приводит к значительному снижению прочности брикетов и к ухудшению их восстановимости. Тенденция к аномальному разбуханию усиливается в присутствии цемента (М. Singh, В. Bjorkman, “Effect of Reduction Conditions on the Swelling Behaviour of Cement-bonded Briquettes, ISIJ Int. Vol. 44 (2004), No. 2, pp. 294-303).

Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков известных технических решений - аналогов и обеспечение получения окускованного компонента шихты шахтных печей прямого получения железа, требуемого химического состава при минимальном расходе связующего, обладающего оптимальными для шахтных печей прямого получения железа размерами, высокой горячей прочностью и восстановимостью, а также возможностью использования в шахтных печах прямого получения железа совместно с другими компонентами шихты, т.е. окатышами с учетом их гранулометрии и химического состава, без разбухания и настылеобразования.

Решение данной технической задачи достигается тем, что в качестве компонента шихты шахтных печей прямого получения железа применяют брикет экструзионный (БРЭКС), получаемый методом жесткой вакуумной экструзии, изготовленный из смеси мелкодисперсных отходов шахтной печи прямого получения железа, окалины, мелочи окисленных железорудных окатышей, пыли аспирации электродуговых печей и гранулированного гептагидрата сульфата магния (MgS047H20) в качестве связующего.

Технология окускования дисперсных материалов методом жесткой вакуумной экструзии известна. Эта технология, в частности, широко применяется при производстве кирпичей из шихтовой смеси на основе глины (А.Я. Хавкин, Р.З. Берман. Кирпичные заводы малой мощности. Строительные материалы. 2000, №4, с. 18-19). Сущность ее заключается в приготовлении влажной шихтовой смеси на основе глины, в непрерывной подаче смеси в экструдер, в удалении воздуха из смеси вакуумированием и в продавливании смеси под давлением через прямоугольное одиночное отверстие в фильере экструдера сечением (40-50)×(60-80) мм, из которого непрерывно выходит плотный пластичный брус. Сырые кирпичи получают путем периодического мгновенного разрезания бруса, выходящего из фильеры, многопроволочным резаком на равные части длиной 160-200 мм. Таким образом, по принципу действия эта технология является непрерывной и обеспечивает прочность «сырых» кирпичей, необходимую для их многослойной укладки на поддоны и транспортировки в печи для упрочняющего обжига. Это принципиально отличает технологию жесткой вакуумной экструзии от дискретной технологии брикетирования методом вибропрессования.

Лабораторные исследования показали возможность применения технологии прессования методом жесткой вакуумной экструзии для окускования смеси минерального связующего, и/или железосодержащих дисперсных отходов.

Использование технологии окускования методом жесткой вакуумной экструзии по отношению к техногенным железосодержащим материалам в смеси с минеральным связующим с целью получения брикетов экструзионных (БРЭКСов) для применения их в качестве компонента шихты шахтных печей прямого получения железа, имеющего заданные размеры, химический состав и металлургические свойства, обеспечивающие его эффективное использование совместно с любыми другими известными компонентами шихты шахтных печей прямого получения железа, заявителю не известно.

Сущность изобретения заключается в следующем. Применение метода и технологии жесткой вакуумной экструзии для окускования смеси мелкодисперсных отходов шахтной печи прямого получения железа, окалины, мелочи окисленных железорудных окатышей, пыли аспирации электродуговых печей и гранулированного гептагидрата сульфата магния (MgSO₄7H₂O) в качестве связующего обеспечивает получение стержней с плотной и пластичной структурой, обеспечивающей высокую горячую прочность БРЭКСа и исключающей их разбухание при восстановлении.

В процессе лабораторных и полупромышленных исследований выявили новые, в том числе неожиданные, эффекты применения жесткой вакуумной экструзии для окускования техногенных железосодержащих материалов.

Так высокая плотность стержней, достигаемая удалением воздуха из рабочей камеры экструдера, сочетается с достаточно высокой пористостью БРЭКСов, сопоставимой по величине с пористостью окисленных окатышей, что и способствует хорошей восстановимости БРЭКСов.

Другим новым, обнаруженным в промышленном эксперименте, эффектом применения жесткой вакуумной экструзии для окускования техногенных железосодержащих материалов в смеси с гранулированным гептагидратом сульфата магния в качестве связующего является образование силикатной связки, упрочняющей тело БРЭКСа при его нагреве в восстановительной атмосфере до температуры 800-1000°C.

Таким образом, применение технологии брикетирования методом жесткой вакуумной экструзии по отношению к железосодержащим материалам обеспечивает получение БРЭКСа с высокой горячей прочностью, который сохраняет свою целостность в процессе восстановления до высокой степени металлизации, без какого-либо разбухания, что является следствием получения плотной и пластичной структуры стержней, выходящих из вакуумированной рабочей камеры экструдера через отверстия в фильере и применения гранулированного гептагидрата сульфата магния в качестве связующего.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

БРЭКСы для промышленной шахтной печи Мидрекс были произведены путем смешивания 5% (вес.) гептагидрата сульфат магния (MgSO₄7H₂O) в качестве связующего, 50% отсева железорудных окисленных окатышей, 25% шлама печей прямого получения железа, 15% окалины прокатного производства, 5% пыли ДСП. После перемешивания смесь подавали в жесткий вакуумный экструдер и продавливали через фильеру (диаметр отверстия 18,75 мм) под давлением 3,4 МПа. Значения прочности брикетов на сжатие, после упрочняющего вылеживания, находились в диапазоне 4,5-5,0 МПа. Образцы были доставлены на предприятие, оснащенное промышленной шахтной печью процесса Мидрекс, и были введены в состав ее шихты. Для этого БРЭКСы поместили в мягкую (деформируемую) стальную корзину, что благодаря наличию так называемой «холодной выгрузки» в печи позволило извлечь восстановленные БРЭКСы по завершении процесса. Все образцы сохранили целостность и практически не образовали мелочи. Также не наблюдалось видимого разбухания. Величина средней прочности на сжатие восстановленных БРЭКСов составила 131,2 кгс/см². Общее содержание железа в извлеченных образцах было в среднем 86.86%; металлического железа -84%; Металлизация - 96.71%.

Пример 2

БРЭКСы для промышленной шахтной печи Мидрекс были произведены путем смешивания 5% (вес.) портландцемента в качестве связующего, 50% отсева железорудных окисленных окатышей, 25% шлама печей прямого получения железа, 15% окалины прокатного производства, 4,75% пыли ДСП и 0,5% бентонита. После перемешивания смесь подавали в жесткий вакуумный экструдер и продавливали через фильеру (диаметр отверстия 18,75 мм) под давлением 3,4 МПа. Значения прочности брикетов на сжатие, после упрочняющего вылеживания, находились в диапазоне 4,5-5,0 МПа. Образцы были доставлены на предприятие, оснащенное промышленной шахтной печью процесса Мидрекс, и были введены в состав ее шихты. Для этого БРЭКСы поместили в мягкую (деформируемую) стальную корзину, что благодаря наличию так называемой «холодной выгрузки» в печи позволило извлечь восстановленные БРЭКСы по завершении процесса. Извлеченные корзины содержали достаточно большое количество мелочи, образовавшейся при восстановлении БРЭКСов. БРЭКСы имели низкие значения прочности на сжатии. Они также отличались выраженным разбуханием, приведшим к растрескиванию поверхности. Общее содержание железа в извлеченных образцах было в среднем 65,15%; металлического железа - 2,6%; металлизация 3,99% всего лишь.

Единственное различие в составах БРЭКСов в приведенных примерах - в использованных связующих. Применение гептагидрата сульфата магния (MgSO₄7H₂O) в качестве связующего помогло избежать набухания и привело к высокой степени металлизации конечного продукта.

Таким образом, применение БРЭКСа, получаемого методом жесткой вакуумной экструзии, в качестве компонента шихты шахтных печей прямого получения железа, в соответствии с изобретением, обеспечивает окускованным продуктам высокую горячую прочность и не сопровождается их разрушением и разбуханием в процессе нагрева и восстановления.