Технологии брикетирования в черной металлургии
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 256
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-0436-5
Артикул: 744515.01.99
Рассмотрены основные промышленные брикетные технологии черной металлургии, дана характеристика необходимого оборудования, раскрыты достоинства и недостатки каждой технологии. Исследованы металлургические свойства брикетов экструзии (брэксов), предложен анализ опыта экспериментальных и промышленных плавок с брэксами в шихте.
Для инженеров-металлургов, научных работников, преподавателей высших учебных заведений металлургического или политехнического профиля, аспирантов и студентов, обучающихся по специальности «Металлургия».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
А. М. Бижанов, С. А. Загайнов ТЕХНОЛОГИИ БРИКЕТИРОВАНИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ Монография Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020 1
УДК 669.1 ББК 34.32 Б59 Бижанов, А. М. Б59 Технологии брикетирования в черной металлургии : монография / А. М. Бижанов, С. А. Загайнов. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. – 256 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0436-5 Рассмотрены основные промышленные брикетные технологии черной металлургии, дана характеристика необходимого оборудования, раскрыты достоинства и недостатки каждой технологии. Исследованы металлургические свойства брикетов экструзии (брэксов), предложен анализ опыта экспериментальных и промышленных плавок с брэксами в шихте. Для инженеров-металлургов, научных работников, преподавателей высших учебных заведений металлургического или политехнического профиля, аспирантов и студентов, обучающихся по специальности «Металлургия». УДК 669.1 ББК 34.32 ISBN 978-5-9729-0436-5 А. М. Бижанов, С. А. Загайнов, 2020 Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 2
ПРЕДИСЛОВИЕ Брикетирование как способ безобжигового окускования природных и техногенных материалов черной металлургии не утрачивало своей актуальности на всем протяжении своей истории. Хронологически первая промышленно освоенная технология окускования имеет свое неоспоримое преимущество перед доминирующими в настоящее время агломерацией и производством окатышей, заключающееся в полном отсутствии высокотемпературной обработки и связанных с этим вредных выбросов атмосферу и высоких энергетических затрат. Известно, что пирометаллургия является одним из основных источников вредных выбросов в атмосферу, создавая серьёзные угрозы для самой жизни человечества. В структуре этих выбросов значительную часть (до 50 %) составляют выбросы аглофабрик. Основным фактором, сдерживавшим расширение масштабов использования брикетирования в черной металлургии, являлась до недавнего времени недостаточно высокая производительность брикетного оборудования, не позволявшая обеспечивать растущие потребности черной металлургии в окускованном сырье. К тому же основным промышленным брикетным технологиям присущи недостатки, обусловленные самим принципом действия прессующего оборудования. В валковом брикетировании это необходимость сушки шихтовых материалов, образование значительного объема возврата, дороговизна бандажей. В вибропрессовании – недостаточно высокая производительность оборудования, необходимость в специальных средствах транспортировки поддонов с сырыми брикетами и потребность в их тепловлажностной обработке. Ситуация радикально изменилась с появлением принципиально новой технологии холодного окускования – жесткой вакуумной экструзии. Высокая производительность экструдеров жесткой экструзии, снижение расхода связующих материалов и приемлемая для транспортировки и складирования прочность сырых брэксов обусловили растущий интерес к этой технологии. Книга посвящена изучению научных основ этого способа, исследованию металлургических свойств брикетов экструзии (брэксов) и анализу опыта экспериментальных и промышленных плавок с брэксами в шихте. Авторы благодарны исследовательским группам и исследователям, которые поделились в своих публикациях своими собственными идеями, их теоретическим обоснованием и инженерным воплощением, а также коллегам во всем мире, которые помогли авторам в их научной работе. Издание адресовано инженерам-металлургам, персоналу металлургических предприятий, исследователям и может быть полезным для преподавателей высших учебных заведений металлургического или политехнического профиля, аспирантов, магистрантов, студентов, обучающихся по специальности «Металлургия». Айтбер Бижанов, Сергей Загайнов 3
СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................... 3 ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 6 ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО БРИКЕТИРОВАНИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ ............................................................................. 11 ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ БРИКЕТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ .................................................... 57 2.1. Брикетирование с использованием валковых прессов ....................... 60 2.1.1. Физические процессы и конструкции прессов валкового брикетирования ............................................................................... 60 2.1.2. Методы моделирования процессов валкового брикетирования .............................................................................. 67 2.1.3. Основные производители валковых прессов для брикетирования в черной металлургии .................................. 73 2.2. Брикетирование методом вибропрессования ...................................... 82 2.2.1. Физическая сущность вибропрессования и структура брикета .............................................................................................. 82 2.2.2. Оборудование для вибропрессования, транспортировки, термообработки и хранения брикетов ........................................... 88 2.2.3. Основные производители вибропрессов для брикетирования в черной металлургии ......................................... 92 2.3. Брикетирование методом жесткой вакуумной экструзии (ЖВЭ) ..... 95 2.3.1. Технологический процесс окускования методом жесткой вакуумной экструзии ....................................................................... 99 2.3.2. Основное оборудование для брикетирования методом жесткой вакуумной экструзии ..................................................... 113 ГЛАВА 3. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БРИКЕТОВ ................... 117 3.1. Материалы – компоненты шихтовой смеси для брикетирования ... 117 3.2. Методики испытания брикетов ........................................................... 124 3.3. Механическая прочность брикетов .................................................... 136 3.4. Брикетирование природных и техногенных материалов в доменном производстве .................................................................... 161 4
3.4.1. Металлургические свойства вибропрессованных доменных брикетов ...................................................................... 163 3.4.2. Исследование металлургических свойств и оптимизация составов брикетов экструзии (брэксов) для доменного производства .................................................................................. 167 3.4.3. Исследование металлургических свойств промышленных брэксов, применяемых в качестве основного компонента шихты доменной печи .................................................................. 175 3.4.4. Опыт освоения технологии проплавки брикетов при увеличении их доли в шихте до 100 % ................................ 185 3.4.5. Оценка перспектив использования углеродсодержащих брикетов из железорудного концентрата .................................... 187 3.5. Брикетирование природного и техногенного сырья для производства ферросплавов ......................................................... 189 3.5.1. Брикеты на основе первично-окисленного марганцеворудного концентрата ................................................. 191 3.5.2. Брикеты на основе окисного марганцеворудного концентрата с добавлением пыли аспирации производства силикомарганца ..................................................... 193 3.5.3. Опытно-промышленная кампания по выплавке силикомарганца с брэксами в шихте руднотермической печи ................................................................................................. 203 3.5.4. Брикеты для выплавки феррохрома ............................................ 210 3.5.5. Брикеты на основе отсевов дробления ферросплавов ............... 219 3.6. Брикетирование в процессах производства железа прямого получения .............................................................................................. 223 3.6.1. Брэксы в шихте реактора прямого получения железа (процесс Midrex) ............................................................................ 223 3.6.2. Высокотемпературное восстановление рудоугольных брэксов ............................................................................................ 234 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 242 5
…время разбрасывать камни, и время собирать камни. Библия, Екклесиаст, 3 глава ВВЕДЕНИЕ Создание плотной массы из дисперсного материала – излюбленное занятие человека, начиная с нового каменного века (неолит, с 7000 года до н. э.). Почти столь же часто человеку приходится прибегать и к прямо противоположному действию – измельчению твердого материала. Важнейшей отраслью хозяйственной деятельности, в которой оба эти процесса имеют большое значение, является металлургия, зародившаяся в так называемом железном веке (с 1200 г. до н. э. до 340 г. н. э.). А, кстати, в каком веке мы живём сейчас? Судя по той роли, какую железо и сталь играют в нашей жизни, можно с уверенностью считать современную эпоху информационной цивилизации еще одним периодом… железного века. Стремление получить максимально ценное сырье для выплавки чугуна приводит к необходимости глубокого обогащения железной руды с получением концентратов столь тонких, что их введение в шихту, например, доменной печи без предварительного окускования попросту нарушило бы ее работу. Хорошо известно, что уменьшение содержания мелкой фракции (5–10 мм) в железорудной шихте доменной печи на каждый 1 % приводит к снижению расхода кокса на 0,5 % и к повышению производительности печи на 1 % [1]. А может все-таки можно каким-то образом доставить мелкодисперсный материал в печь, не окусковывая его вовсе, а, скажем, упаковав в некий контейнер из материала, который обеспечил бы целостность такого контейнера до температур достаточно высоких для спекания зерен концентрата? Ведь в таком случае отпала бы сама необходимость в окусковании дисперсного сырьевого материала. Именно по такому пути намеревались уже в наше время пойти специалисты одного из ферросплавных предприятий. Предлагалось упаковывать концентраты в …жестяные консервные банки. И даже лабораторные эксперименты, казалось, подтвердили принципиальную возможность такого введения в шихту руднотермической печи неокускованного материала, но простой расчет показал, что для подобного рециклинга всего образующегося объема дисперсного материала потребовалось бы строительство, рядом с ферросплавным заводом, отдельной консервной фабрики… Когда же специалисты попробовали ввести в шихту такой печи концентрат безо всякого окускования или, не упаковывая его, то это привело к глубокому расстройству технологии, к значительному росту образования пыли от газоочистных установок, к резкому росту аварийности на узлах и элементах печей и выводу их из строя. А самое главное то, что использование неокускованного концентрата привело к ухудшению технико-экономических показателей, а, следовательно, и росту производственной себестоимости. 6
Понятно, что для традиционных металлургических печей и реакторов, окускование является неизбежной стадией подготовки шихтовых материалов. Тем не менее, поиск способов выплавки металлов с использованием неокускованного сырья в черной металлургии практически не прекращается. Так, в изданной в 2013 году монографии с оригинальным названием «Несообразности металлургии» [2] предлагается, в частности, металлизировать пылегазовую взвесь из мелкого или пылевидного концентрата в смеси с угольной пылью в рекуператоре. По идее автора, когда «подобная пылегазовая взвесь концентрата и угольной пыли придёт в зону с температурой выше 720 °С, начнется интенсивное восстановление окислов железа углеродом. Газы (СО, СО2), нагретые в рекуператоре, прореагируют с пылевидными твёрдыми реагентами за 5–10 секунд, за время пребывания пылегазовой взвеси в рекуператоре. На выходе из рекуператора получится взвесь тонкого порошка железа в газах металлизации (СО). Металлизация пройдёт за счет дешёвого рекуперативного тепла. Далее такая пылегазовая взвесь порошка железа в СО может вдуваться в домну». К сожалению, автор этой концепции ограничился лишь общими рассуждениями и не подтвердил их ни лабораторным экспериментом, ни, тем более, опытно-промышленным испытанием. К тому же им предлагается направлять металлизированный материал, в том числе, «в завалку сталеплавильного агрегата в пакетах, мешках или в виде брикетов». Не упомянул автор также и об известном опыте Магнитогорского металлургического комбината (ММК), на котором еще в 1953 году разрабатывали различные способы прямого получения железа и даже запатентовали способ получения металла путем восстановления расплавов руд и непрерывно действующий агрегат для его осуществления [3–4]. Сущность способа ММК заключена в идее прямоточного двухкамерного агрегата, включающего вертикальную и горизонтальную камеры с организацией факела сверху вниз в вертикальной камере. В факел подается тонкоизмельчённый железорудный концентрат. Использованный принцип «прямоточности» позволил, по мнению авторов, исключить стадии агломерации и окомкования шихты. Проведенные в 1962 г. 30 плавок показали, что принципиально металлизация железорудного концентрата имеет место в условиях экспериментальной печи. Для каждой плавки применяли железорудную мелочь, полученную измельчением кусковой железной руды в количестве 135–170 кг до фракции 0–0,5 мм. Кокс и уголь фракции 5–40 мм смешивали и соответственно на плавку расходовали 30 и 60 кг. Отмечено, что применение более крупных фракций угля (кокса) замедляет процесс восстановления FеО в расплаве, а более мелкие фракции выносятся из печи газовым потоком. Эксперименты подтвердили, что в вертикальной камере на футеровке с интенсивным охлаждением и при сжигании природного температура достаточна для расплавления железорудной части шихты, догрева углерода угля (кокса) до 900–1000 °С и восстановления оксидов железа на 80–85 % до FeO. Однако в горизонтальной камере на футеровке с интенсивным охлаждением для создания гарнисажа и при сжигании природного газа через сводовые горелки для завершения процессов восстановления и 7
нагрева расплава до 1400–1450 °C тепла не хватало. В некоторых плавках изза больших теплопотерь степень восстановления FeO не превышала 70 %. Выявленные проблемы не позволили перейти в то время к стадии практической реализации запатентованного способа ММК. Не реализован он и поныне. Если говорить о коммерциализированных металлургических процессах, в которых применяется металлизация неокускованного сырья, то следует, в первую очередь, упомянуть аппараты с кипящим слоем [5]. В таких агрегатах, в отличие от шахтных печей, частицы шихты хаотично перемещаются в определённом объеме и, при правильно подобранных величинах скорости потока газа, не покидают рабочую камеру. И если в шахтной печи частицы шихты находятся в непосредственном контакте друг с другом, что и определяет специфику тепло-массообменных процессов в плотном слое, то в условиях кипящего слоя такие процессы проистекают для каждой частицы индивидуально. Оговоримся сразу, что практика эксплуатации известных установок металлизации в кипящем слое, показала, что существуют ограничения по гранулометрическому составу железных руд. Так в известном процессе FINMET [6] доля частиц руды с размером менее 0,15 мм не должна превышать 20 %. Степень металлизации, достигавшаяся на введённых в промышленную эксплуатацию в 1999 и 2000 годах в Австралии и Венесуэле заводов, основанных на этом процессе, достигала 92 % при содержании углерода в среднем 1,3 %. Расход природного газа оказался на 13–16 % выше, чем в шахтных печах. В 2005 году завод в Венесуэле прекратил свое существование, а завод в Австралии так и не вышел до сих пор на проектную мощность. Еще одним, достойным упоминания, является процесс металлизации железа в кипящем слое CIRCORED, разработанный компанией Outokumpu (бывшая Lurgi Metallurgie) [7]. Однако и в этом процессе не обошлось без окускования. Для эффективной металлизации мелкодисперсных материалов (пылей газоочисток) оказалось необходимой их предварительное окускование, для чего компания Outokumpu разработала и запатентовала процесс производства микрогранул. Единственная промышленная установка, работающая по процессу CIRCORED, была запушена в эксплуатацию в мае 1999 года в Тринидаде [8]. Фактическое годовое производство металлизированного продукта составило 360 тысяч тонн, при проектном – 500 тысяч тонн. Завод был остановлен в 2005 году. Процессу CIRCORED еще предстоит доказать свою состоятельность как процессу, работающему на рудной мелочи. По крайней мере, о его экономической привлекательности пока говорить не приходится. Известны также попытки избежать окускования сырья при выплавке феррохрома в реакторе кипящего слоя. К чему это привело? Экспериментальное исследование показало, что при восстановлении мелочи хромовой руды крупностью менее 75 мкм в лабораторной печи кипящего слоя с температурой не более 1200 °C в течение 7 часов отмечено полное восстановление хрома и железа до карбидов. Этот результат лёг в основу создания в 2010 году пилотной линии производительностью 1 т/час, включающей вращающуюся 8
обжиговую печь, реактор кипящего слоя для поддержания температуры материала на уровне 1150 °C и наклоняющуюся электропечь [9]. О дальнейшем развитии такого процесса и о его коммерциализации с тех пор так ничего и не сообщалось. Исследования металлизации мелочи хромовой руды в кипящем слое продолжаются и поныне, но, к сожалению, не приближают авторов к заветной цели получить рыночно привлекательный металлизированный материал из неокускованного сырья. Примером, иллюстрирующим сказанное, является известный проект строительства цеха № 4 на Актюбинском заводе ферросплавов (Актобе, Республика Казахстан. Строительство цеха было начато в 2010 году. Новое производство состоит из четырех печей постоянного тока нового поколения общей производительностью 440 тысяч тонн высокоуглеродистого феррохрома в год. В таких печах реализован иной, чем в печах переменного тока механизм восстановления рудных материалов углеродом, а именно преимущественно жидкофазный. Общая стоимость проекта около 843 миллиона долларов. За время эксплуатации печей были достигнуты следующие показатели – расход мелкой хромовой руды 3850 кг/1 т хрома, расход восстановителя (угля) – 950 кг /1 т хрома, что практически соответствует показателям процесса на переменном токе. Удельный расход электроэнергии оказался выше, чем на печах переменного тока – 7552 кВтڄч/1 т хрома против 6640 кВтڄч/1 т хрома. Это связано с открытым горением дуги на поверхности ванны и, соответственно, с большим потерями тепла излучением на стены и свод печи. К сожалению, до настоящего времени печи не вышли на проектную мощность, что говорит об отсутствии убедительных аргументов в пользу работы на неокускованном сырье. Попытка обойтись без окускования в рамках процесса жидкофазного восстановления была предпринята в связи с разработкой известного процесса Romelt [10], разработанного в 1979 году сотрудниками Московского института стали и сплавов (Роменец В. А. и другие) и реализованного в 1985 году в виде крупномасштабной опытно-промышленной установки на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК). Широкого распространения эта технология также не получила. Итак, понятно, что достигнутый на сегодня уровень развития новых процессов выплавки металла с использованием предварительной металлизации неокускованного сырья не позволяет рассматривать их в качестве серьезной альтернативы доменным и руднотермическим печам. Производительность большинства известных установок, реализующих такие процессы, не достигает заявлявшихся проектных уровней, обосновывавших их коммерциализацию. По данным World Steel Association суммарное производство чугуна и железа прямого получения бездоменным способом составляет всего около 6 % от общего объема чугуна, выплавляемого доменными печами [11]. Таким образом, окускование дисперсного желесодержащего сырья, природного и техногенного, для его последующего применения в качестве 9
шихтового компонента является необходимым этапом подготовки шихты для доменных и ферросплавных печей, которые в ближайшей обозримой перспективе будут оставаться основными металлургическими агрегатами для выплавки чугуна и ферросплавов. А можно ли обойтись при окусковании без обжига, существует ли альтернативы способам, описанным в предыдущих главах? Да, такие способы существуют, и, более того, исторически они предшествовали агломерации и производству окатышей. Это так называемое холодное или безобжиговое брикетирование. Далее мы подробно рассмотрим эту технологию, как в ее историческом развитии, так и сточки зрения свойств продуктов такого окускования. Но прежде, чем перейти к истории брикетирования, одно важное замечание. Необходимо четко понимать, что, как и всякая современная технология, брикетирование объединяет в себе «hardware» и «software». Первое, очевидно, это собственно оборудование, которое позволяет создать из мелкодисперсного материала твердотельную структуру, а второе – совокупность способов подготовки и обработки шихтовых материалов (со связующим или без такового), которые обеспечивают соответствие свойств брикетов требованиям того или иного металлургического процесса. Такие свойства получили в литературе название металлургических. 10