Металлургический

В.П. Тарасов, доктор техн. наук, профессор, В.Б. Семакова, кандидат техн.наук, доцент (ПГТУ), А.В. Зотов, М.Я. Васькевич, В.П. Лозовой, (МК „Азовсталь”), А.А. Томаш, кандидат техн. наук, доцент  (ПГТУ)

Металл и лтье Украины. - 2003. - № 7-8. - С 10-12.

Одним из важнейших металлургических свойств железорудного сырья является его восстановимость, т.е. способность с большей или меньшей скоростью отдавать связанный с железом кислород газу-восстановителю. Применение в доменной шихте более легковосстановимых железорудных материалов способствует улучшению технико-экономических показателей процесса выплавки чугуна. При работе доменных печей на моношихте предпочтение следует отдавать более легковосстановимому сырью.

         Особенностью шихтовых условий МК «Азовсталь» является многокомпонентность железорудной шихты. Значительную долю шихты составляют низкоосновные окисленные окатыши. Для сохранения необходимой основности шлака применяется высокоосновный агломерат  МК «Азовсталь». Наряду с этими материалами используют агломераты средней основности. Одновременно в доменные печи загружают три-четыре железорудных компонента. Для промывок горна используется сварочный шлак. Все рудные материалы различаются химическим и минералогическим составом, способом производства. Вследствие этого значительно отличаются их физико-химические свойства, в том числе восстановимость.

В этих условиях особенно актуальным является вопрос разработки рационального распределения рудных материалов и газов на колошнике, способствующего максимально высокому использованию восстановительной энергии газового потока.

Для обеспечения ровного хода печи шихта и газ в радиальном направлении распределяются с определенной степенью неравномерности. При этом в зонах с относительно развитым газовым потоком тепловая и восстановительная энергия газа используется недостаточно, содержание СО₂ в газе невелико. В районе рудного гребня, где максимально сосредоточены восстанавливающиеся материалы, и газовый поток наименьший, состав газа приближается к равновесному [1], процессы косвенного восстановления тормозятся. Избыток железорудных материалов, для восстановления которого поток доменного газа недостаточен, восстанавливается твердым углеродом, и степень прямого восстановления r_d в районе рудного гребня увеличивается [2, 3]. При применении многокомпонентной рудной шихты более полное использование восстановительной энергии газового потока должно обеспечиваться распределением шихтовых материалов по концентрическим окружностям доменной печи с учётом их восстановимости.

Исследования восстановимости железорудных материалов, применяемых в доменной шихте МК «Азовсталь», проводились массометрическим способом при расходе газа-восстановителя, содержащего 98 % СО, 4 дм³/мин и температуре 1000 ^оС. По потере массы пробы, равной массе перешедшего из оксида в газ кислорода О_в, и общему количеству кислорода в пробе до начала восстановления О_S рассчитывалась степень восстановления образца

R = 100 (О_в / О_S).                                         (1)

Для проведения исследований были отобраны шихтовые материалы: агломерат производства МК «Азовсталь», МК им. Ильича, Южного ГОКа,  окатыши Северного, Полтавского и Михайловского ГОКов, железная руда ЗЖРК, сварочный шлак. Содержание FеО  в отобранных шихтовых материалах приведено в таблице.

Изменение степени восстановления железорудных материалов во времени представлено на рисунке 1. Восстановимость рудного материала тем, выше, чем больше скорость его восстановления. Для сравнения была выбрана степень восстановления R⁴⁰, достигнутая шихтовыми материалами к 40-й минуте протекания процесса. В порядке убывания восстановимости железорудные материалы МК «Азовсталь» представлены в таблице.    

Большей восстановимостью обладают окатыши. Агломерат значительно уступает им в скорости восстановления. Такие различия обусловлены разным содержанием FеО: 1,35 - 2,28 % у окатышей и 11,32 - 14,54 % у агломерата. В целом очевидна тенденция уменьшения восстановимости железорудных материалов с увеличением содержания FеО (см. табл.). Самым трудновосстановимым является сварочный шлак, содержание FеО в котором достигает 42,7 %. Негативное влияние на восстановимость железорудных материалов оказывают трудновосстановимые соединения FеО: фаялит 2FеО×SiO₂ и железокальциевые оливины (FеО)_2-x×CaO _x×SiO₂. Среди агломератов легковосстановимыми являются агломерат МК «Азовсталь» и агломерат МК им. Ильича, содержание FеО в которых, соответственно, 11,32 и 12,36 %. Агломерат  ЮГОК  -  трудновосстановимый  материал  (содержание FеО – 14,54 %). Среди окатышей наиболее легко восстанавливаются окатыши СевГОК. Содержание FеО в них несколько больше, чем у Михайловских окатышей и окатышей ПГOК. Лучшая вссстановимость окатышей СевГОК обусловлена, по-видимому, большим содержанием СаО (4,2 % против 1,05 % у Полтавских и 1,82 % у Михайловских окатышей), т.к. при увеличении основности в минералогическом составе окатышей появляются ферриты кальция, обладающие значительно большей восстановимостью, чем силикаты железа. Железнaя руда по своей способности восстанавливаться близка к окатышaм при более высоком содержании FеО - 6,26 %. Объясняется этот факт тем, что в составе сырой руды, не проходившей стадию окускования, FеО не входит в состав трудновосстановимых соединений и содержится в составе магнетита, лучше поддающегося восстановлению, чем фаялит или железокальциевые оливины.

Таблица. Степень восстановления железорудных материалов МК «Азовсталь»

         Восстановимость может характеризоваться различными величинами: степенью восстановления, достигнутой к определенному моменту времени, скоростью восстановления в различные моменты времени и т.д. В зависимости от условий и выбранной системы оценки восстановимость одного рудного материала может принимать различные значения. Поэтому целесообразно представлять ее в относительных величинах, например, приняв за 100 % восстановимость сырой руды. Восстановимость остальных материалов представляет собой отношение величин R_i⁴⁰  характеризуемого материала и сырой руды и приведена в таблице (индекс соответствует порядковому номеру материала в таблице). Тесноту связи между величинами R_i⁴⁰ и содержанием FеО оценивали с помощью коэффициента парной линейной корреляции r, значение которого  составило  0,97, что свидетельствует о функциональной связи восстановимости и содержания FeO в рудном материале. Уравнение зависимости восстановимости y от содержания FеО (x) принимает вид

 y = 109 – 2,1 x.                                                   (2)

Уравнение (2) удобно преобразовать к виду, в котором  восстановимость материала, содержащего FeO, сравнивается с восстановимостью рудного компонента, содержащего только гематит R_г,

 R = R_г[1 – 0,0193(%FeO)].                                       (3)

Уравнение (3) позволяет оценивать восстановимость железорудной шихты при любом способе ее выражения как относительную величину, сопоставляемую с восстановимостью материала, не содержащего FеО, принимающей максимальное значение. В соответствии с лабораторными исследованиями наибольшей восстановимостью обладают окатыши. Однако, в доменной печи окатыши при нагревании и восстановлении разрушаются, что ухудшает условия контакта с газом-восстановителем. При движении шихты окатыши обычно быстрее других компонентов опускаются в горн, не успевая в достаточной степени восстановиться. В результате, несмотря на высокую восстановимость, степень  прямого восстановления окатышей велика, как и у трудновосстановимых материалов.

При использовании многокомпонентной шихты в тех зонах, куда подается трудновосстановимый материал, степень прямого восстановления будет увеличиваться, а в тех, куда загружают легковосстановимые компоненты, степень прямого восстановления уменьшится. Это касается прежде всего зон, где содержание CО₂ в колошниковом газе невелико и отсутствуют термодинамические условия для торможения реакций восстановления FеО. Загрузка трудновосстановимой шихты в район рудного гребня в меньшей степени скажется на развитии реакций косвенного восстановления, так как ход реакций восстановления газами лимитируется здесь термодинамическими условиями и степень восстановления рудных материалов в области низких температур невелика. Материалы в районе максимальной рудной нагрузки восстанавливаются медленно, независимо от их восстановимости. С другой стороны, подача в зону максимального сосредоточения рудной шихты легковосстановимого материала также не обеспечит ускорения восстановительных процессов и увеличения доли косвенного восстановления.

Таким образом, для снижения степени прямого восстановления r_d и соответствующего уменьшения расхода кокса целесообразно подавать трудновосстановимый материал в область рудногo гребня с максимальным содержанием СО₂ в колошниковом газе, где негативное влияние трудновосстановимого материала минимально. Легковосстановимый материал лучше подавать в зону с малым содержанием СО₂, где положительное влияние легковосстановимого материала будет наибольшим. В результате развитие восстановления оксидов железа газами в зонах с небольшим содержанием СО₂ увеличится, а в зоне с максимальным содержанием СО₂  развитие реакций косвенного восстановления практически не изменится.

         В условиях МК «Азовсталь» доменные печи периодически работают с достаточно развитым газовым потоком в периферийной зоне. В этом случае целесообразно к стенам доменной печи подавать агломерат МК «Азовсталь» или МК им. Ильича, отличающиеся высокой восстановимостью. Трудновосстановимый агломерат ЮГОК следует подавать вместе с окатышами в район рудного гребня. На доменных печах, оборудованных лотковыми загрузочными устройствами, подача легковосстановимого агломерата в периферийную зону может осуществляться за счет его выделения в состав рудной колоши одной из подач и ссыпания в печь через лоток, вращающийся под углом 45,5-50,0 град. к вертикальной оси. Трудновосстановимый агломерат и окатыши собираются в состав отдельных подач и загружаются с лотка, вращающегося под углом 40,5 - 42,5 град. к вертикальной оси. Цикл загрузки завершается подачей одного скипа кокса непосредственно в центр печи через лоток, опущенный в положение, максимально приближенное к вертикальному, с целью обеспечения устойчивого осевого газового потока.

Предложенный порядок распределения материалов с различной восстановимостью по радиусу колошника приемлем и для доменных печей, оборудованных типовыми загрузочными устройствами. Однако его осуществление с помощью типового засыпного аппарата менее эффективно. При загрузке с конуса к стенам колошника преимущественно попадают материалы из первого скипа подачи [4]. Порядок ссыпания компонентов шихты из 2 - 4 скипов зависит от ее расположения относительно поверхностей большого конуса и чаши. Рудные материалы из 2 - 4 скипов подачи перераспределяются по радиусу печи и в меньшей степени остаются на периферии, чем материалы из первого скипа. Для подачи легковосстановимого рудного компонента преимущественно к стенам печи, где скорость газового потока превосходит скорость газа в районе рудного гребня, необходимо весь легковосстановимый материал загружать в составе первых скипов прямых подач. Так, при цикле загрузки ААКК¯ - 3 КААК¯ - 2 легковосстановимый материал должен быть сосредоточен в первых скипах трех подач ААКК¯, вторые рудные скипы прямых подач и рудная колоша двух подач KAAK¯ должны преимущественно состоять из трудновосстановимых агломератов и окатышей.

         Для облегчения условий работы вагон-весов подача легковосстановимого агломерата к стенам может также производиться за счет его укладки последним в первые рудные скипы каждой подачи. При последующем ссыпании шихты в печь легковосстановимый агломерат будет загружен ближе к стенам колошника. При переходе к режиму загрузки доменной печи № 5 МК "Азовсталь" с подачей легковосстановимогo агломерата в периферийную зону с достаточно развитым газовым потоком наблюдалось увеличение содержания СО₂ в колошниковом газе у стен печи с 6,0 % до 17,0 % (рис.2) при общем увеличении степени использования доменного газа с 0,404 до 0,420 д.ед. Фактический расход кокса снизился с 622 до 600 кг/т чугуна. Снижение приведенного расхода кокса составило 2 кг/т чугуна.