8.3. Качество окатышей и добавок

Качество окатышей определяется их прочностью, гранулометричес­ким и химическим составом. На прочность окатыши испытывают в таком же барабане (рис. 8.5) и по той же методике, что и агломерат, но при крупно­сти исходной пробы окатышей 5-25 мм. Прочность окатышей характеризу­ется также усилием на раздавливание. Готовые окатыши должны выдержи­вать усилие не менее 1,25-1,5 кН на окатыш.

Содержание железа в окатышах зависит от богатства концентрата (см. табл. 8.3). Основность офлюсованных окатышей пока не превышает 1,0 вследствие низкой прочности высокоофлюсованных окатышей. Стоимость окускования концентрата методом окомкования на 20-30% выше стоимос­ти агломерации, однако наиболее точным критерием эффективности этих методов может быть лишь себестоимость выплавляемого чугуна.

В настоящее время разрабатываются методы получения частично вос­становленных (металлизованных) железорудных материалов для доменной плавки, т. е. ставится задача удалить из руды в процессе ее подготовки не только пустую породу, но частично и кислород оксидов железа. Для этого в шихту окатышей добавляют тонкоизмельченный уголь с целью создания внут­ри окатыша при обжиге восстановительной атмосферы.

При использовании в доменной плавке металлизованных материалов рост производительности составляет 4-8%, а снижение расхода кокса 1,5-10% на каждые 10% металлизации шихты. Загрузка в доменную печь окатышей, содержащих 1,2-1,4% остаточного углерода, позволяет интенсифицировать процесс восстановления в химически резервной зоне. В результате к моменту расплавления такие окатыши содержат металлическое железо (10-12%) и тем самым снижают расход углерода кокса, идущего на прямое восстановление.

Окатыши с остаточным углеродом получают на обжиговых машинах добавкой к шихте 4-6% твердого топлива. При доменной плавке таких ока­тышей (Сост = 3,9%) приведенный расход кокса снизился на 10 кг/т чугуна.

Другим направлением получения металлизованных материалов явля­ется предварительная обработка их восстановительными газами СО, Н₂ и СН₄ в шахтных или трубчатых печах, или на конвейерных машинах в процес­се окусковывания. Качество окатышей некоторых горно-обогатительных комбинатов Украины, России и Казахстана приведено в табл. 8.4.

Качество флюсующих материалов, используемых как для производ­ства офлюсованного агломерата и окатышей, так и добавок флюса в сыром виде для подшихтовки доменной печи, имеет большое значение в обеспече­нии устойчивого протекания технологического процесса производства чу­гуна.

В качестве флюса выбирают материал с химическими свойствами, про­тивоположными химическим свойствам пустой породы железосодержащих материалов. Так как пустая порода руд преимущественно кремнеземистая (кислая), то роль флюса выполняют основные оксиды СаО и частично MgO Их роль в доменной печи состоит в основном в понижении температуры плавления пустой породы, ошлакования золы кокса и получения жидкоподвижного шлака с высокой серопоглотшельной способностью. Иногда, в за­висимости от состава пустой породы флюсы могут быть кислыми или глиноземистыми.

Оксид кальция входит в состав минерала кальцита СаСО₃, называемо­го известняком. В кальците содержится 56% СаО и 44% СО₂. Кроме извест­няка, для руд с кислой пустой породой в качестве флюса используют доломитизированный известняк, состоящий из смеси кальцита СаСО₃ и доломита СаСО₃ MgCO₃. Содержание оксида магния в доломитизированном извест­няке может достигать 14%. Доломитизированный известняк применяют для улучшения подвижности шлака, доводя содержание MgO в шлаке до 6-8%.

Важнейшим требованием, предъявляемым к основным флюсам, явля­ется низкое содержание в них кремнезема и глинозема и вредных примесей -серы и фосфора.

Количество свободных оксидов СаО и MgO в флюсе, выраженное в процентах, получающееся после вычета количества оснований, пошедшего на ошлакование кремнезема флюса, пустой породы железосодержащих мате­риалов и золы кокса, называется флюсующей способностью Иногда флюсу­ющую способность выражают процентным содержанием свободных угле­кислых солей. Удобнее выражать флюсующую способность в виде процент­ного содержания свободных оксидов СаО и MgO. При расчете исходят из содержания в основном флюсе СаО, MgO и SiO₂ и заданной основности шлака. Например, флюсующая способность Ф известняка, содержащего 52,3% СаО; 1,7 MgO и 1,8% SiO₂ при основности шлака 1,2 составит:

Ф = СаО + MgO - 1,2 SiО₂ = 52,3 + 1,7 - 1,2 1,8 = 51,84%

Сера в основном флюсе содержится в незначительных количествах, и ее обычно при расчетах не учитывают. Содержание фосфора не должно пре­вышать 0,01%.

Обычно флюс - прочный кусковый материал. В зависимости от того, вводят ли флюс в железосодержащие материалы при окусковывании, или загружают в доменную печь в сыром виде, к его качеству по физическим свойствам (прочность, кусковатость) предъявляют различные требования. Флюс для агломерации желательно иметь непрочный, мелкий, а для домен­ных печей, наоборот, он должен быть в виде кусков (25-40 мм), обладающих высокой прочностью. Флюсы для агломерационного производства измель­чают до крупности 0-3 мм.

Технические условия на известняки большинства месторождений при­ведены в табл. 8.5.

В Украине наиболее мощное месторождение известняка - Еленовское - находится вблизи г. Донецка. Разрабатывается оно открытым спосо­бом. Толщина пласта превышает 200 м и делится на 9 зон. В четных зонах сосредоточен известняк с низким содержанием нерастворимого остатка (в среднем 1,8 %), а в нечетных зонах - известняк с содержанием кремнезема до 5%. Кроме обычного, здесь имеется и доломитизированный известняк. Из других месторождений известняка в Украине промышленное значение имеют Ново-Троицкое, Каракубское, Балаклавское и Камыш-Бурунское.

Кислые флюсы применяются очень редко, в основном, при использо­вании руд с высоким содержанием глинозема. Для получения нормальных по содержанию Аl₂О₃ шлаков в качестве флюса в доменную печь загружают высококремнистую железную руду, например, при плавке руд Курской маг­нитной аномалии.

Глиноземистые флюсы применяют еще реже. Иногда это вызывается необходимостью получения тугоплавких шлаков при выплавке высококремнистого чугуна.

Сейчас практически весь флюс вводится в процесс производства агломе­рата и окатышей, и лишь незначительное количество его загружается в домен­ную печь в сыром виде для корректирования требуемой основности шлака.

К добавкам, используемым в доменном производстве, относятся и марганцевые руды. Частично марганец вводят в чугун, загружая в доменные печи некоторое количество марганцевой руды, чаще в составе агломерата. Содержание марганца в передельном чугуне может быть различным и изме­няться от 0,15 до 2%.

В доменных печах выплавляют и марганцевые ферросплавы - зеркаль­ный чугун (10-25% Мn) и ферромарганец (72-75% Мn), используемые в ста­леплавильном производстве для раскисления стали и доведения содержания в ней марганца до заданных пределов.

Наиболее распространенными в природе минералами, в состав которых входит марганец, является пиролюзит (МnО₂), псиломелан (nМnО∙МnО₂∙/mН₂О) и родохрозит МnСО₃. В зависимости от типа минерала марганцевые руды делят на оксидные и карбонатные. В состав пустой породы марганцевых руд входят оксиды SiO₂, Аl₂О₃, СаО и MgO, образующие сложные минералы. Преобладающими оксидами являются кремнезем и глинозем.

Вредные примеси - сера и фосфор - в рудах различных месторожде­ний распределены по-разному. Сера содержится в незначительных количе­ствах и, как правило, содержание ее в рудах не нормируется. Содержание фосфора иногда достигает 0,5%, что учитывается, особенно, при выплавке ферросплавов.

По содержанию железа марганцевые руды делят на три основных класса: марганцевые, железомарганцевые и марганцовистые железные руды. Для выплавки высокомарганцовистого сплава используют только марганцевые руды, в которых содержание железа не превышает установленного предела. Это объясняется тем, что в доменной печи марганец из руд восстанавлива­ется лишь на 50-70%, а железо практически полностью. При выплавке, на­пример, 75%-ного ферромарганца количество железа, вносимое марганце­вой рудой на I т сплава, не должно превышать 160-170 кг. Поэтому, чем беднее марганцевая руда, тем выше ее расход, и тем ниже должно быть в ней содержание железа. В рудах для выплавки ферромарганца обычно нормиру­ют отношение содержания марганца к содержанию железа (не менее 6-Ю) и содержание фосфора (не выше 0,15-0,2%). Содержание марганца в оксид­ных никопольских рудах, используемых для выплавки ферромарганца, дол­жно быть не ниже 30%.

Железомарганцевые руды используют для выплавки зеркального чу­гуна; из этих руд нельзя получить высокопроцентный ферромарганец. Мар­ганцовистые железные руды могут быть использованы только для получе­ния высокомарганцовистого передельного чугуна.

Содержание марганца в марганцевых рудах при выплавке передельно­го чугуна ограничивается нижним пределом 20-22%. В таких рудах содер­жится до 35% пустой породы, что, в значительной мере, ухудшает технико-экономические показатели плавки. По этой причине в последние годы пере­шли на выплавку маломарганцовистого чугуна, содержащего 0,15-0,6% Мn.

Сокращается и выплавка ферромарганца в доменных печах, так как эконо­мически более выгодно его получать в электрических ферросплавных печах.

Марганцевые руды для производства передельного чугуна обычно вводятся в агломерационную шихту и в доменную печь поступают в составе агломерата.

Украина по запасам марганцевых руд занимает одно из первых мест в мире, ее марганцевые руды - стабильный источник валютных поступлений. Важнейшее месторождение марганцевых руд в Украине - Никопольское, рас­положенное в Днепропетровской области.

Предпринимаются попытки использовать в качестве топлива для до­менных печей смесь кокса и антрацита (каменного угля), однако вследствие растрескивания антрацита при высоких температурах образуется большое количество мелочи, резко уменьшается газопроницаемость столба шихты, нарушается ход печи.

Давно уже высказывалась идея о применении в доменной плавке железококса - продукта, получаемого из смеси коксующихся углей и мелкой же­лезной руды. Предполагалось, что в процессе коксования руда в значитель­ной мере восстановится, а кокс будет прочнее. Однако эти предположения на практике не подтвердились. Каменноугольный кокс продолжает оставать­ся основным видом твердого топлива.

В гораздо больших масштабах в доменных печах используются дру­гие виды топлива - природный и коксовые газы, мазут, пылеугольное топ­ливо и угольно-мазутные смеси, сокращающие расход дорогостоящего кок­са на 5-25%, а иногда и больше.

Природный газ получают из недр земли и по газопроводам транспор­тируют на металлургические заводы. Впервые в истории металлургии при­родный газ в широких масштабах применили на металлургическом заводе им. Петровского (г. Днепропетровск) в 1957 г. Природный газ в основном состоит из метана (90-95%), тяжелых углеводородов типа С_mH_n (4-14%) и иногда содержит незначительное количество диоксида углерода и азота. Это очень высококалорийное газообразное топливо. Теплота сгорания его со­ставляет 34000-38200 кДж/м³ (8100-9100 ккал/м³). Однако в горне доменной печи природный газ сгорает не полностью. Происходит это потому, что в горне печи углерод природного газа сгорает только до оксида углерода СО, водород же, образующийся при разложении природного газа, используется как активный восстановитель оксидов железа. Поэтому расход воздуха на полное сжигание 1 м³ природного газа составляет в среднем 10 м³, а в до­менной печи - 3 м³.

Подача природного газа в доменные печи осуществляется без приме­нения специальных газодувок, так как он подается из месторождения под высоким давлением. Применение природного газа в количестве 70-150 м³/т чугуна позволяет уменьшить удельный расход кокса на 70-140 кг. Однако в связи с дефицитом природного газа, добываемого в Украине, и резким уве­личением цен на импортируемый газ, дальнейшее его использование в до­менном производстве Украины в прежних количествах становится пробле­матичным.

Разновидностью природного газа является попутный газ, получаемый на нефтепромыслах. Химический состав его отличается более высоким со­держанием углеводородов типа C_mH_n и более высокой теплотой сгорания по сравнению с природным газом.

Имеется опыт Макеевского металлургического завода по использова­нию в доменной печи коксового газа, для вдувания которого требуется со­оружение газодувок и аппаратов для предварительной очистки от смолы. Полезными составляющими коксового газа в доменной печи являются Н₂, СН₄, СО и C_mH_n. При вдувании коксового газа в доменную печь на одном из заводов России в количестве 92,8 м³/т чугуна эквивалент замены кокса кок­совым газом составил 0,41 кг/м³.

Мазут является остатком после отгонки из нефти бензина и керосина, составляющим 40-50% от массы исходной нефти. Мазут содержит в среднем 86% углерода, 10 водорода, 0,3 золы, 6% влаги и незначительное количество кислорода и азота. Содержание серы в мазуте изменяется от 0,7 до 4,0%. Подают мазут в доменную печь через фурмы при помощи напорных насосов с предварительным подогревом для уменьшения вязкости. Расход воздуха на неполное сгорание мазута в горне печи составляет 3,4—3,6 м³/кг мазута.

Пылевидное топливо представляет собой тонкоизмельченный уголь, вдуваемый в горн печи сжатым воздухом. Состав угольной пыли определя­ется исходным углем. Важнейшими требованиями, предъявляемыми к каче­ству пылевидного топлива, являются возможно низкое содержание золы и серы и тонкость помола. Затруднения, возникающие при вдувании пылевид­ного топлива, состоят в абразивном действии пыли на узлы и детали систе­мы пылепроводов. Для уменьшения абразивного износа предпринимаются попытки использования угольно-мазутной суспензии, подаваемой в горн печи насосами.

Опыт использования пылеугольного топлива в Германии, Японии и дру­гих странах подтверждает высокую эффективность этого вида топлива. Так, на отдельных доменных печах расход пылеугольного топлива достигает 250 кг на т чугуна с эквивалентной заменой дорогостоящего кокса (0,841,1 кг кокса на 1 кг угля).

С развитием безотходных технологий все большее значение приобре­тает использование отходов производства в шихте доменных печей. К числу отходов производства относятся:

1. Колошниковая пыль, получаемая при очистке доменного газа, со­держание железа в которой находится в пределах 43-50% и зависит от содержания железа в исходной шихте. Кроме того, в колошниковой пыли содержится 5-10% углерода При производстве агломе­рата колошниковую пыль используют как заменитель железной руды и частично топлива.

2. Пиритные или колчеданные огарки, которые получают в виде отходов сернокислотной промышленности при обжиге серного колчедана FeS₂, содержат окисленное железо в виде Fe₂O₃ и Fe₃O₄ в количестве 48-51%. Содержание серы в огарках достигает 2,5-3,5%. Поэтому пиритные огарки можно использовать в доменной печи, предварительно подвергнув их агломерации с целью удаления серы.

3. Шлак кислородно-конверторного передела содержит 14-20% Fe, 4-8 Мn; 0,2-0,5 Р; 45-54 СаО; 2-4 MgO и 16-20% (SiO2+Аl₂O₃). При проплавлений его в доменной печи утилизируется железо, частично марганец, а оксиды кальция и магния используются как замени­тели флюса, особенно в составе задувочной шихты

4 Окалина, которая образуется вследствие окисления металла при на­греве и прокатке и содержит 68-72% Fe в виде Fe₃O₄, используется при производстве агломерата.

5. Сварочный шлак, образующийся в нагревательных печах при взаимодействии оксидов железа (окалины) с футеровкой печи с содержанием железа до 50-55%. В доменной печи используется чаще как технологическое средство для разжижения и активации шлака.

6. Чугунный скрап получают в виде отходов при выпуске чугуна из печи и разливке его на разливочных машинах. Значительное количество чугунного скрапа получают при разработке шлаковых отвалов методом магнитной сепарации шлака. После дробления скрап загружают в доменные печи в виде металлодобавки.