Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ СИДЕРИТОВОГО СЫРЬЯ С ПОЛУЧЕНИЕМ ГРАНУЛИРОВАННОГО ЧУГУНА И ЖЕЛЕЗИСТОМАГНЕЗИАЛЬНОГО ШЛАКА

Изобретение относится к области черной и цветной металлургии и может быть использовано при производстве гранулированного чугуна и комплексного флюса для сталеплавильного производства.

Известен способ металлизации сидеритовой руды во вращающихся трубчатых печах в пересыпающемся рудно-угольно-флюсовом слое с последующим отделением металлизованного продукта магнитной сепарацией от пустой породы и золы топлива [1].

Недостатком данного способа является низкое качество металлизованного продукта. Степень металлизации не превышает 95%, потери железа с хвостами достигают 5,5%, содержание железа в концентрате металлизованного сырья колеблется в пределах от 67 до 95%, при этом рост содержания железа сопровождается увеличением содержания магнезии. Такой механизм объясняется тем, что основными рудными минералами сидеритовых руд являются сидероплезит и пистомезит, которые представляют собой изоморфную смесь карбонатов железа, магния, марганца и частично кальция. Поэтому при обогащении механическим путем невозможно выделить в чистом виде оксиды железа или другого элемента, входящие в кристаллическую решетку минерала, что ограничивает использование металлизованного продукта с высоким содержанием магнезии как в доменном производстве, так и в сталеплавильном производстве вследствие формирования «коротких» шлаков, резко теряющих текучесть при незначительном снижении рабочих температур в агрегатах.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения гранулированного чугуна в печах с вращающимся подом, включающий дозирование железосодержащего сырья, твердого топлива, связующего и флюсующих добавок, смешивание и окомкование полученной шихты, сушку, металлизацию окатышей, охлаждение, дробление и отделение гранулированного чугуна от шлака [2].

Заложенные температурно-временные параметры термической обработки не охватывают весь спектр минералогических типов железных руд. Например, при обжиге в указанном режиме окатышей из шпатовых (сидеритовые руды) и бурых железняков идет существенное замедление восстановительных процессов из-за спонтанного выделения соответственно углекислого газа и паров воды, кристаллохимически связанных с оксидами железа в отмеченных видах железных руд. В результате снижается степень металлизации, а в окатышах образуется каркас из тугоплавких соединений, что затрудняет отделение чугуна от шлака, приводя к потерям металла.

Задачей изобретения является снижение энергетических затрат и потерь железа в процессе получения гранулированного чугуна за счет оптимизации технологических параметров при термической обработке руднотопливных окатышей из сидеритового сырья.

Поставленная задача решается тем, что в способе металлизации сидеритового сырья с получением гранулированного чугуна и железистомагнезиального шлака, включающем дозирование сидеритового сырья, твердого топлива, связующего и флюсующих добавок, обеспечивающих заданную температуру плавления первичного шлака, смешивание и окомкование полученной шихты, сушку и термическую обработку руднотопливных окатышей, охлаждение, дробление и отделение гранулированного чугуна от шлака, в отличие от ближайшего аналога термическую обработку руднотопливных окатышей осуществляют в два этапа при температурах 560-570°С и 1350-1450°С соответственно, при этом продолжительность первого этапа составляет 10-20% от общей длительности термообработки.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является учет химического и минералогического состава сидеритовых руд, содержащих CO₂ в карбонатах до 30% и выше. Карбонаты железа (FeCO₃), марганца (MnCO₃), магния (MgCO₃) и кальция (CaCO₃), входящие в основные минералы сидероплезит и пистомезит, разлагаются последовательно при температурах химического кипения 360-490, 450-530, 570-650 и 910-925°С соответственно. При этом с той же последовательностью выделяется CO₂: 70, 3, 20 и 7% от общего содержания CO₂ (30% и выше) соответственно в зависимости от исходного химического состава. Известно [1], что повышение скорости нагрева (даже с 10 до 80°С/мин) сдвигает в область высоких температур температуры начала (до 520-600°С) и конца (>1300°С) диссоциации сидерита (FeCO₃), увеличивая продолжительность термообработки из-за наложения процессов диссоциации сидерита на процессы восстановления и металлизации железа, поскольку выделяющийся при диссоциации CO₂ снижает восстановительный потенциал газовой фазы.

Разделение процессов диссоциации карбонатов железа и марганца от процесса металлизации железа обеспечивается проведением термической обработки в два этапа: при температурах 560-570°С и 1350-1450°С соответственно.

При этом высокая упругость диссоциации отмеченных оксидов при температурах 560-570°С обеспечивает удаление до 73% содержащегося в сидеритовом сырье CO₂ за период, составляющий не более 10-20% от общей продолжительности термической обработки. Предложенная продолжительность термообработки и профиль температур (560-570°С) на первом этапе обеспечивают разложение наименее прочных карбонатов железа и марганца до вюстита (FeO) и закиси марганца (MnO).

Снижение временных и температурных параметров ниже указанных пределов ведет к переводу процесса разложения части карбонатов железа и марганца в зону восстановления и металлизации железа, замедляя ход этих процессов из-за роста окислительного потенциала газовой фазы. Превышение указанных временных и температурных параметров первого этапа термической обработки приводит к снижению производительности агрегата для получения гранулированного чугуна и увеличению энергетических затрат на его производство.

На втором этапе диссоциация карбонатов магния и кальция протекает при высоких температурах (1350-1450°С) с выделением до 27% CO₂, который, реагируя с углеродом твердого топлива по реакции CO₂+C=2CO при 1000-1100°С образует восстановительный реагент CO. Образовавшаяся CaO после диссоциации карбоната кальция и свежевосстановленное железо являются катализаторами указанной реакции газификации углерода, т.е. наступает явление автокатализа. В этих условиях оксиды железа восстанавливаются, металлизуются, а восстановленное железо науглероживается с высокими скоростями.

Таким образом, предложенные температурно-временные параметры термической обработки руднотопливных окатышей из сидеритового сырья обеспечивают завершенность процессов восстановления железа и в сочетании с необходимым уровнем науглероживания железа позволяют легко разделять чугун от шлака, снижая потери железа.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Известным способом контролируют химический состав компонентов шихты для производства руднотопливных окатышей. Задаются определенным экспериментальным путем расходом твердого топлива и связующего материала. Расчетным путем определяют расход флюсующей добавки, обеспечивающий заданную температуру плавления первичного шлака. Дальнейшее смешивание, окомкование шихты, сушку и термическую обработку окатышей, охлаждение, дробление и отделение гранулированного чугуна от шлака ведут с тем различием, что термическую обработку руднотопливных окатышей из сидеритового сырья осуществляют в два этапа при температурах 560-570°С и 1350-1450°С, при этом продолжительность первого этапа поддерживают в пределах 10-20% от общей длительности термообработки

Исследования по получению гранулированного чугуна из сидеритового сырья (как из сырой сидеритовой руды, так и из концентрата после ее обогащения) проводили в камерной нагревательной печи «Nabertherm», позволяющей контролировать заданный темп нагрева до 1800°С.

Результаты исследований приведены в таблице.

Анализ представленных результатов показывает не только принципиальную возможность получения гранулированного чугуна из сидеритового сырья по предлагаемому решению (А), но и улучшения технико-экономических показателей процесса получения гранулированного чугуна по сравнению с прототипом (Б):

- снизить энергетические затраты на производство гранулированного чугуна;

- увеличить производительность агрегата по производству гранулированного чугуна за счет снижения потерь железа со шлаком и сокращения продолжительности периода восстановления и металлизации железа.

Выход за заявленные пределы ухудшает технико-экономические показатели процесса получения гранулированного чугуна.

Дополнительный эффект получается в сталеплавильном производстве за счет увеличения срока службы футеровки конверторов и ускорения процесса шлакообразования при использовании комплексного флюса, сырьем для которого является железистомагнезиальный шлак, получаемый при производстве гранулированного чугуна из сидеритового сырья.

Источники информации

1. Металлургическая оценка разновидностей сидеритовых руд Бакальского месторождения и разработка вариантов их подготовки к металлургическому переделу. Отчет о НИР. Институт металлургии УО АН СССР. Пастухов Э.А., Леонтьев Л.И., Шаврин С.В., Свердловск, 1990 г., 129 с.

2. O.Tsuge, Sh.Kikuchi, k.Tokuda, Sh.Ito, I.Kobayashi, A.Uragami. Successful iron nugget production at ITmk3 pilot plant. 61-st Ironmaking Conference Proceeding. March 10-13, 2002, Nashvill, Tenn., USA, p.511-519.