Новые процессы получения металла (металлургия железа)

ных и фактических результатов окисления соответствует температурным интервалам 300—500 и 600—800 °С.

6 6. СПЕКАНИЕ ЧАСТИЦ

Для всех шахтных печей металлизации характерно ограни­ чение максимальных значений температуры, связанное с явлением спекания гранул, и образование гроздей и конгло­ мератов кусков. Это явление иногда характеризуют термина­ ми слипание или сваривание гранул. Образование спеков кусков резко нарушает газопроницаемость слоя шихты,

свою очередь приводит к неоднородности тепловой и хими­ ческой обработки слоя шихтовых материалов. Практика рабо­ ты шахтных печей показала, что при возникновении в печи спеков интервал колебания степени металлизации в отдель­ ных участках на выходе из восстановительной зоны печи возрастает в несколько раз и может составлять 10—98%.

При возникновении этого явления и движение шихты зна­ чительно нарушается, возникают зависания, образуются отдельные застойные зоны, где шихта практически не дви­ гается вовсе. Технологи постоянно контролируют темпера-

122

турный режим процесса, исходя из определенных заранее предельных температур, при которых шихта данного химичес­ кого и фракционного состава еще не подвержена спеканию.

достигнутая в промышленных шахтных печах восстановления, составляет 950 °С. Это вызывает пониженные скорости про­ цессов и , следовательно, снижение производительности агрегатов. Между тем, по данным фирмы ХиЛ (Мексика), каж­ дым 7 °С газа-восстановителя соответствует прирост произ­ водительности шахтной печи в размере 1 %. Это характери­ зует важность обсуждаемой проблемы. К сожалению, изучение процесса спекания гранул в шахтной печи начато недавне, х процесс исследован недостаточно глубоко.

Поверхность слипшихся частиц представляет собой плот­ ную корку толщиной до 1,5—2,0 мм, состоящую преимущест­ венно из металлического железа. Спекшихся гранул с оксид­ ной перемычкой между ними в шахтных печах восстановления не обнаружено. Можно считать, что основными факторами, определяющими процесс спекания гранул, являются темпера­ тура, механическая нагрузка на гранулу и свойства гранул (восстановимость, состав пустой породы, размер и др.).

Учитывая, что в шахтной печи восстановление рудных кусков происходит под нагрузкой, обусловленной давлением слоя вышерасположенных шихтовых материалов, наиболее ве­ роятен механизм самопроизвольного слипания гранул при приложении извне силы, вызывающей течение вещества в приконтактной области. Термодинамическая целесообразность переноса вещества в область контактного перешейка между двумя гранулами обусловлена тем, что происходящее при этом перемещение поверхности перешейка сопровождается

надо также иметь в виду, что слипание гранул сопровож­ дается уменьшением расстояния между центрами гранул. Спе­ кание частиц происходит в два этапа: перенос вещества в область контакта гранул и пластическое течение вещества в приконтактной области и деформация гранул с образованием конгломерата частиц.

Следует также иметь в виду, что в слое непрерывно дви-

жушихся гранул спекание их зависит от соотношения межяу силами сцепления и силами обрыва. Наиболее полно процесс спекания гранул при восстановлении их в шахтной печи исследован в МИСиС (Ю.С.Юсфин, В.Р.Гребенников, В.В.Даньшин). В качестве критерия для описания явления спекания приняли температуру спекания — максимально возможную тем­ пературу газа-восстановителя, при которой доля спекшихся под нагрузкой гранул равна нулю при достижении ими степе­ ни восстановления 93—95%.

Изучение аншлифов спеков гранул показало, что слипание происходит в результате спекания металлических частиц в соприкасающихся окатышах. При этом в месте контакта обра­ зуется очень плотная шейка, пористость которой на 30—50% ниже средней по окатышу. Изучение кинетики процесса спе­ кания показало, что наиболее интенсивно процесс начинает протекать после достижения окатышами степени восстановле­ ния 70—80%. Причем возможны два механизма спекания: ког­ да не происходит деформация окатыша и когда идет деформа­ ция, при этом резко увеличивается диаметр шейки и проч­

т.е. когда прикладываемая нагрузка превышает предел теку­ чести окатыша. Очевидно, что для исключения слипания ока­ тышей надо стремиться к тому, чтобы процесс спекания на протяжении всего времени шел только по первому механиз­ му. Решение этой задачи возможно, когда нагрузка не пре­ вышает предела текучести. Исходя из этого, становится актуальной задача определения влияния свойств окатышей и газа-восстановителя на предел текучести окатыша. Необхо­ димо также отметить, что предел текучести материалов су­ щественно уменьшается с ростом температуры.

Деформация гранул может характеризоваться диаметром

D — коэффициент диффузии диффундирующего вещества; т - время контакта; R - размер гранулы; / З и л - коэффициенты, связанные со свойствами и структурой кристаллического ве­ щества.

На процесс спекания гранул влияет ряд технологических

роста пористости гранул на увеличение температуры спека­ ния и уменьшение склонности гранул к слипанию объясняется тем, что поры являются концентраторами напряжений и уве­ личение их количества способствует повышению предела те­ кучести кусков. Кроме того, с ростом пористости уменьшается число точечных контактов между веществом различных кусков.

уменьшается протяженность контактов между кусками. Во вторых, как показало изучение микроструктуры спеков, с ростом размера гранул в приконтактной области растет ко­ личество невосстановленных оксидов, препятствующих дефор­

мации гранул.

Изучение влияния на процесс слипания нагрузки и соста­ ва окатышей (содержание пустой породы и флюса) показало, что увеличение нагрузки приводит к снижению температуры спекания, так как процесс спекания начинает преимущест-

венно протекать по второму механизму при более низких

температурах.

Ввод флюса оказывает обратное действие, позволяя су­ щественно повысить температуру спекания. Причем уменьше­ ние склонность гранул к спеканию наблюдается только при вводе соединений кальция и магния (рис. 34).

t°c

ввода флюса обусловлен образованием после восстановления гетерогенной структуры из металлического железа и оксидов кальция или магния, которые являются концентраторами напряжений и повышают предел текучести. Источником появ­ ления такой структуры служат ферриты кальция и магния, образующиеся в ходе окислительного обжига при окусковании концентрата. Кроме этого, надо учитывать, что в случае использования в качестве флюса карбонатов образуются до­ полнительные поры, которые также повышают предел текучес­ ти. Необходимо подчеркнуть, что эффект от ввода флюса оп­ ределяется не степенью офлюсования, а его общим содержа­ нием.

ния SiOz. Эффект от ввода различных флюсов падает в ряду СаС03; СаО; MgC03; MgO. Положительный эффект влияния флю­ са на рост температуры слипания открывает новые возмож­ ности для интенсификации процесса восстановления окатышей в шахтных печах. Использование офлюсованных окатышей позволяет поднять температуру газа-восстановителя и, сле­ довательно, обеспечивает более высокую производительность печей, без изменения конечных свойств получаемого продук126

та, в первую очередь содержания углерода. Это приводит к- снижению удельных капитальных затрат в цехе, а также рас­ ходов по переделу.

Офлюсование шихты имеет еще одно преимущество при ме­ таллизации гранул в шахтных печах. Очень высокое содержа­ ние железа и низкое (< 3—3,5%) содержание пустой породы в шихте создают определенные трудности при окусковании этих шихт. Так, при производстве окатышей из богатых кон­ центратов и их окислительном обжиге в них образуется ог­ раниченное количество расплава, оказывающего решающее влияние на горячую прочность окатышей. Снижение прочност­ ных свойств окатышей из-за низкого содержания пустой по­ роды вынуждает увеличить время обжига, следовательно, сни­ зить производительность обжигового агрегата (на 10—20 %). Добавление СаО (в виде известняка или извести) значитель­ но повышает холодную и горячую прочности окатышей, что позволяет не снижать производительности обжиговых агрега­ тов без ухудшения свойств окатышей.

Введение СаО в виде извести вносит дополнительный по­ ложительный эффект, позволяя вывести из шихты (частично или полностью) связующее вещество — бентонит, так как известь обладает вяжущими свойствами. Вывод бентонита из шихты означает повышение в ней содержания железа (на 0,3—1%), снижение доли шлакообразующих веществ в металлизованном материале и, следовательно, снижение затрат на переработку шлака в электросталеплавильном производстве.

Содержание в шихте кислых компонентов пустой породы оказывает некоторое влияние на температуру спекания гра­ нул, несколько ее снижая за счет снижения контактов металл—металл при соприкосновении гранул, а также за счет роста предела текучести. Состав газа-восстановителя влия­ ет на процесс спекания гранул косвенно, через скорость восстановления кусков и время появления на поверхности металлического Железа. Сажистый углерод, который мог бы препятствовать спеканию, при степени восстановления 70—80 %, необходимой для проявления спекания, в значи­ тельном количестве отсутствует. Кроме того, сажистый уг­ лерод в основном выделялся в порах гранул.

Таким образом, максимальное влияние на процесс спека­ ния гранул оказывают доля флюса в шихте, нагрузка на гра­ нулу, структура ве (размер и пористость). Для лебединско127

существенно снижая степень его удаления, которая, видимо, не превышает 10—20%.

Более сложным при металлизации является поведение се­ ры. Сера попадает в восстановительный агрегат с железо­ рудным материалом и (если оно используется) с твердым восстановителем в виде, главным образом, сульфидов железа и органической среды. Среди сульфидов железа наиболее часто встречающимися соединениями серы являются пирит или марказит (FeS2) и пирротин (FeS1+*). Троилит (FeS) в сво­ бодном состоянии в природе практически не встречается. При нагреве пирит диссоциирует на свободную серу и твер­ дый раствор серы в троилите. В окислительной атмосфере, начиная с 300-400 °С, пирит переходит в оксиды серы. Ниже

Выше 600-650 °С одновременно идут процессы диссоциации пирита и горения пирротина:

FeS2 = FeS + 0,5S2; 0,5S2 + 0 2 = S02;

оксидной теории первоначальными продуктами окисления пи­ рита являются оксиды, которые, сульфатизируясь посредст­ вом S02, переходят в сульфаты. По сульфатной теории сна­ чала образуются сульфаты, которые, реагируя с остаточным сульфидом, переходят в оксид железа и сернистый ангидрид.

при хемосорбции кислорода на поверхности сульфида. При низких температурах и высоком содержании кислорода в га-

род- и водородсодержащих восстановителей сера, переходя в

в присутствии извести сера из газовой фазы активно погло­ щается шихтой. В других исследованиях было показано, что диоксид серы и газообразная сера могут поглощаться окси­ дами железа, кальция, магния, ферритами и силикатами кальция и другими соединениями с образованием трудно раз­ лагаемых сульфатов. При металлизации офлюсованных окаты­ шей, изготовленных из сернистых концентратов, сера нахо­ дится в основном в виде сульфатов. Приводимые отдельными авторами температуры начала разложения сульфатов сильно различаются: 480—510 °С для FeS04; 940—970 °С для MgS04; 960-1200 °С для CaS04.

отсутствие оксидов железа, кремния и алюминия сульфат кальция не разлагается совсем. Однако все эти рассуждения относятся к окислительным условиям. При восстановительном

В этом случае общий итог десульфурации связан с величина­ ми скоростей реакций металлизации железа и разложения сульфата. Первые порции металлического железа активно поглощают серу. Учитывая, что разложение сульфата кальция протекает при повышенных температурах, при проведении восстановления в шахтных печах, где верхний уровень тем­

всей поступающей серы переходит в конечный продукт.

В связи с вышеизложенным железорудный материал, под­ вергаемый металлизации в шахтных печах, должен иметь строгие ограничения по содержанию серы (как и по фосфору, меди и мышьяку). При проведении металлизации в других 130