Разработка технологических основ рациональной схемы производства железа прямого получения из качканарских титаномагнетитов

На правах рукописи

Рыбкин Виктор Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ

РАЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА

ЖЕЛЕЗА ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ

ИЗ КАЧКАНАРСКИХ ТИТАНОМАГНЕТИТОВ

Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2009

Работа выполнена в Институте металлургии УрО РАН

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

академик РАН

Леонтьев Леопольд Игоревич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Кашин Виктор Васильевич

кандидат технических наук

Жуков Юрий Сергеевич

Ведущая организация ГОУ ВПО Уральский государственный

технический университет – УПИ имени

первого Президента России Б.Н. Ельцина

Защита диссертации состоится «30» октября 2009 года в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 004.001.01 при ГУ Институт металлургии УрО РАН по адресу: 620016, г.Екатеринбург, ул. Амундсена, 101.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке УрО РАН.

Автореферат разослан « 29 » сентября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук Дмитриев Андрей Николаевич

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Устойчивая тенденция увеличения производства высококачественной стали в электропечах и, соответственно, возрастание дефицита металлического лома требует вовлечения в производство его заменителей – железа прямого получения. Металлизация качканарских концентратов особенно перспективна в связи с содержанием в них ванадия, степень извлечения которого при внедоменной переработке почти в два раза выше, чем по схеме «доменная печь-конвертер». Использование в электропечах металлизованного продукта из базовых концентратов не столь эффективно вследствие низкого содержания железа. Решением этой проблемы является использование дообогащенного концентрата, однако при этом принципиально меняется состав пустой породы и закономерости минералообразования. Вместе с тем использование металлизованных концентратов также перспективно и в доменном переделе в связи с возможностью снижения расхода кокса на 5-7% на каждые 10% степени металлизации шихты в пределах до 0-50%. Основываясь на этом, можно надежно прогнозировать высокий спрос на металлизованный продукт из ванадийсодержащих качканарских титаномагнетитов. Поэтому разработка научных основ и технических решений подготовки и металлизации окисленных окатышей из дообогащенных концентратов КачГОК является весьма актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является проведение комплекса технологичекских и технико-экономических исследований и разработка на этой основе вариантов оптимальных технологий переработки качканарских титаномагнетитов, использующих как газовые восстановители, так и твердое топливо. Задачами исследования являются:

1. Выявление особенностей формирования качественных показателей обожженных окатышей из дообогащеных (Fe>65%) титаномагнетитовых концентратов КачГОКа.
2. Разработка режима термообработки окатышей на существующих обжиговых машинах ОК-228
3. Исследование процессов металлизации окатышей из дообогащеных титаномагнетитовых концентратов КачГОКа с использованием различных типов восстановителей.
4. Разработка и обоснование вариантов технологических схем переработки качканарских титаномагнетитов с получением ванадийсодержащего продукта.

Научная новизна.

1. На основе комплекса теплотехнических и технологических исследований и расчетов определены основные требования к режимам термообработки окатышей из дообогащенных концентратов для последующей термообработки в шахтных печах. На этой основе разработана режимная карта для обжиговой машины ОК-228.
2. Впервые установлены закономерности формирования структуры и металлургических свойств обожженных окатышей из дообогащенных титаномагнетитовых концентратов КачГОКа с содержанием железа FeO65% и диоксида кремния SiO21,7%. Это определяет уменьшение количества и изменение состава связки при обжиге, что обеспечивает твердофазный характер спекания для неофлюсованных окатышей и большую долю расплава для офлюсованных.
3. Установлены закономерности металлизации окатышей КачГОК при восстановлении продуктами конверсии природного газа. При этом выявлено, что преимущества металлургических свойств окатышей из дообогащенного концентрата в большей степени проявляются при использовании технологии HYL-III по сравнению с технологией Midrex.
4. Развиты модельные представления металлизации окатышей КачГОК при использовании твердого топлива как в составе шихты для окомкования, так и при его подаче в восстановительный агрегат.
5. Проведен технико-экономический анализ процессов получения металлизованного продукта, как при использовании газового восстановителя, так и твердого топлива. На этой основе разработаны подходы к выбору оптимальных технологий переработки титаномагнетитов в условиях ОАО «Качканарский ГОК. Ванадий».

Практическая значимость работы.

Показана и подтверждена в ходе лабораторных и полупромышленных испытаний возможность прямого получения железа из дообогащенных титаномагнетитовых концентратов при использовании различных типов восстановителей.

1. Разработаны и обоснованы варианты технологических схем переработки качканарских титаномагнетитов с получением ванадийсодержащего продукта.

Автор защищает:

1. Результаты лабораторных исследований и полупромышленных испытаний технологий прямого получения железа из дообогащенных титаномагнетитовых концентратов с использованием, как продуктов конверсии природного газа, так и твердого топлива.
2. Технологию производства окисленных окатышей из дообогащенных концентратов на обжиговых машинах ОАО «Качканарский ГОК.Ванадий» для последующей металлизации.
3. Варианты технологических схем производства сырья и прямого получения железа из титаномагнетитовых руд.

Апробация работы: Материалы диссертации обсуждены на международной научно-практической конференции «Творческое наследие Б.И.Китаева» 11-14 февраля 2009 г. УГТУ-УПИ г.Екатеринбург.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, включая патенты на изобретения.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложена на 131 стр. машинописного текста и содержит 39 таблиц, 26 рисунков и список использованной литературы, содержащий 133 наименования.

Содержание диссертации

В первой главе приведен аналитический обзор литературных данных о существующих технологиях прямого получения железа с использованием газообразного восстановителя и твердого топлива. Показано, что по мере роста производства стали, наблюдается возрастание дефицита металлического лома и все большее несоответствие его качества требованиям современного сталеплавильного процесса. Проблема дефицита сырья может быть решена за счет развития производства заменителей лома и чугуна, одним из которых является железо прямого восстановления. При этом показано, что по приведенным энергозатратам процессы прямого получения железа находятся на уровне классической схемы «доменная печь–конвертер», однако по качеству конечного продукта, решению экологических проблем, а также с учетом стабильной тенденции удорожания металлургического кокса, железо прямого получения имеет существенные преимущества.

Обзор всего многообразия существующих технологий прямого получения железа позволил выявить две основные группы – базирующиеся на восстановлении газом (продуктами конверсии природного газа) и твердым топливом (углем или коксом). В каждой из них имеются технологии получения либо металлизованного продукта (окатышей или брикетов), либо чугуна. Однако отсутствие специальных исследований, в том числе и экономических, не позволяет определить выбор наиболее предпочтительной технологии переработки качканарских титаномагнетитов. Таким образом, на основе анализа существующих технологий не удается сформулировать критерии выбора оптимальной технологии переработки титаномагнетитов. Однако в трудах ученых Уральской школы металлургов установлено, что использование металлизованного качканарского сырья в сталеплавильных переделах позволяет повысить извлечение ванадия в 1,7 – 1,9 раза.

Наиболее состоятельной стала попытка оценки пригодности окатышей КачГОК для процессов металлизации, предпринятая в 1998 году при проведении промышленных испытаний в шахтных печах «Мидрекс» ОЭМК. Обобщенные результаты приведены в табл.1.

Таблица 1. Сравнительные технико-экономические показатели производства

металлизованных окатышей в условиях ОЭМК

№ п.п.	Наименование показателей	Производство металлизованных окатышей на ОЭМК
		Из окисл.окат ОЭМК (база)	Из окисл.окат. КачГОК (опыт)
1	Степень металлизации, %	94,0 – 95,0	92,0
2	Прочность металлизованных окатышей, кг/ок	80 - 100	43
3	Часовая производительность печи, т/ч	58	51
4	Удельный расход окисленных окатышей на 1 т металлизованных, т/т	1,42	1,45*
5	Удельный расход природного газа, нм3/ч	325	339
6	Удельный расход электроэнергии, кВтч/т	115	125

*) Высокий удельный расход качканарских окисленных окатышей в условиях ОЭМК связан с большим выходом мелочи (менее 5 мм) после металлизации.

Таким образом, испытания показали принципиальную возможность металлизации газом окатышей из качканарских титаномагнетитов. Однако низкие технико-экономические показатели процесса, а также недостаточное качество окатышей Качканарского ГОКа не позволяют эффективно использовать окисленные окатыши из базового концентрата для процессов газовой металлизации. Установлена возможность повышения содержания железа в качканарских концентратах выше 65% при снижении оксида кремния до 1,73% путем дополнительного обогащения концентрата. Это приведет к принципиальному изменению состава и свойств связки окатышей и характера их спекания. Однако данные о качестве окатышей, произведенных из такого концентрата, ограничены.

Во второй главе проведен расчетный и экспериментальный анализ процессов, протекающих при термообработке окатышей из дообогащенных концентратов КачГОК, и на этой основе разработан режим обжига опытных окатышей на действующей обжиговой машине ОК-228. Основными процессами, определяющими структуру и, соответственно, свойства окатышей, являются окисление и спекание. С этих позиций проведен анализ процесса окисления опытных окатышей в лабораторных условиях при различных пористости и размерах окатышей, содержании кислорода в газовой фазе, температурах.

Следующим этапом исследований явилось определение максимальной температуры обжига и времени выдержки для получения требуемых свойств опытных окатышей. С этой целью на лабораторной установке с участием специалистов НПВП ТОРЭКС проводилось определение характерных температур спекания:

t1 – температура начала твердофазного спекания за счет механизма объемной диффузии или диффузионного вязкого течения;

t2 - температура начала жидкофазного спекания соответствующая интенсивному спеканию образцов в связи с появлением первых порций расплава;

t3 - температура начала размягчения образца (потеря исходной формы).

В табл.2 представлены значения этих температур для офлюсованных и неофлюсованных окатышей. Из нее видно, что увеличение количества шлакообразующих (за счет добавки известняка) снижает характерные температуры спекания.

Таблица 2. Характерные температуры спекания качканарских окатышей

Показатели	Офлюсованные	Неофлюсованные
Основность, СаО/SiО2	1,3	0,29
Характерные t1 температуры t2 спекания, °С t3	1115	1161
	1225	1260
	1385	1440

Получение окатышей высокого качества за относительно малое время их термообработки возможно при температурах, соответствующих области жидкофазного спекания (незначительно выше t2).

Результаты проведенных исследований позволили определить основные требования к сырым окатышам и режиму термообработки опытных окатышей, обеспечивающие достижение максимальной степени окисленности (FeO1,01,5%) и оптимальное соотношение прочности и восстановимости:

• сырые окатыши должны иметь средний размер 10 – 12 мм и пористость не менее 28-30%;
• скорость нагрева не должна превышать 100 град/мин;
• необходима выдержка длительностью 3 – 4 мин при температуре 1000 - 1100°С;
• температура обжига не должна превышать 1250 - 1270°С;
• содержание кислорода в газовой фазе не менее 14 – 18%.

Эти требования, как правило, не реализуются при обжиге базовых (доменных) окатышей. Так, прежде всего, отсутствует выдержка при температурах 1000-1100°С, скорость нагрева достигает 150-200°С/мин., а содержание кислорода в зонах нагрева не превышает 10-12%.

Для реализации этих требований были проведены расчеты необходимых изменений параметров работы технологических зон обжиговой машины, коллекторов, газоходов и тягодутьевых машин. Кроме того, была показана необходимость снижения производительности обжиговой машины на 8 – 10%.

На основе этих расчетов разработана временная режимная карта (табл.3)

Таблица 3. Временная режимная карта термообработки опытных окатышей

для последующей их металлизации

1. Нагрузка машины по сырым окатышам, т/ч - 200-220
2. Высота донной постели, мм - 80-90
3. Высота сырых окатышей, мм - 340-360
4. Скорость движения тележек, м/мин - 1,15-1,25
5. Влажность сырых окатышей, % - не более 9,0
6. Среднемассовый диаметр окатышей, мм - 12-14

7. Температуры и давления по зонам:

Наименование зон	Номера камер	Температура, °С		Давление, кгс/м2
		В горне	В камерах	В горне	В камерах
Сушка 1	1-4а	40-80	300-330	-5 -10	450 500
Сушка 2	4б-5	450-550	~150	-3 -5	-200 -250
Подогрев	6	550-650	~100	-2 -4	-200 -250
	7	650-750	120-150	-2 -3	-200 -250
Обжиг 1	8	800-900	160-180	-2 -3	-200 -250
	9	1000-1050	180-200	-2 -3	-200 -250
	10	1100-1200	200-220	-2 -3	-200 -250
Обжиг 2	11	1240-1280	240-280	-2 -3	-350 -400
	12	1100-1200	300-340	-2 -3	-350 -400
Рекуперация	13	1000-1100	360-400	-1 -2	-350 -400
	14-15а	900-1000	420-470	-1 -2	-350 -400
Охлаждение 1	15б-17	900-950	150-200	~0	400 500
Охлаждение 2	18-19а	600-800	20	Не более- 10	Не более 700