Совершенствование шлакового режима доменной плавки за счет использования добавок

На правах рукописи

Тлеугабулов Борис Сулейманович

Совершенствование шлакового режима доменной плавки за счет использования добавок

Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург

2010

Работа выполнена в ОАО «Уральский институт металлов»

Научный руководитель: Доктор технических наук

Загайнов Сергей Александрович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук

Кашин Виктор Васильевич

Кандидат технических наук

Матюхин Владимир Ильич

Ведущая организация: ОАО «Уралмеханобр»

Защита состоится «26» марта 2010 г. в 15 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.285.05 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет – УПИ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина» в ауд. I (зал Ученого Совета) главного корпуса по адресу: г. Екатеринбург, ул. Мира, 19.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, УГТУ-УПИ, ученому секретарю совета.

Факс (343) 3743884.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина».

Автореферат разослан «___» __________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета С. В. Карелов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На эффективность доменной плавки большое влияние оказывают параметры шлакового режима. Уменьшение вязкости конечного шлака позволяет снизить потери чугуна, что является эффективным способом энерго и - ресурсосбережения. Улучшение шлакового режима достигается путем изменения состава пустой породы доменной шихты. Ввод флюсующих добавок на стадии агломерации позволяет обеспечить равномерное распределение свойств доменной шихты по всему сечению печи. Поэтому изучение влияния флюсующих добавок на качество агломерата и разработка технологии, позволяющей получать продукт высокого качества, а так же анализ работы доменных печей при использовании подобных добавок, изменяющих свойства шлака, является актуальной задачей.

Цель работы. Основная цель диссертационного исследования состояла в поиске путей улучшения шлакового режима при выплавке чугуна из руд Уральского региона.

Достижение поставленной цели потребовало:

- анализа особенностей доменной плавки магнетитовых руд Тагило-Кушвинского месторождения и качканарских титаномагнетитов;

- лабораторных исследований влияния магнийсодержащих добавок на качество агломерата;

- разработки рекомендаций по использованию магнезиальных добавок в доменной плавке магнетитовых руд Тагило-Кушвинского месторождения;

- разработки рекомендаций по использованию борсодержащих и марганецсодержащих добавок при выплавке ванадиевого чугуна из качканарских титаномагнетитов;

- проведения промышленных исследований и разработки рекомендаций по технологии выплавки чугунов.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. На основе экспериментальных исследований получены новые данные о влиянии магнийсодержащих и борсодержащих добавок на качество агломератов и изменение свойств доменных шлаков, которые дают возможность реализации гибких технологических режимов производства агломерата и выплавки чугуна при многокомпонентных шихтах.

2. Впервые экспериментально установлено и научно объяснено влияние MnO на процессы разрушения карбидов титана при плавке титаномагнетитов. Выведена зависимость требуемого расхода марганецсодержащей добавки от количества титана, находящегося в виде карбидов и карбонитридов.

3. Развиты представления о механизме восстановления кремния применительно к условиям доменного процесса и уточнена взаимосвязь между давлением и содержанием кремния в чугуне при плавке ванадийсодержащих титаномагнетитов.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанная технология производства железорудного агломерата с добавкой в шихту дунита периодически применяется на Высокогорском ГОК. Показано, что ввод в шихту борсодержащих материалов является эффективным мероприятием для совершенствования шлакового режима при плавке сырья с повышенным содержанием титана. Запатентованы и внедрены способы доменной плавки титансодержащего железорудного сырья с добавкой в шихту марганецсодержащих добавок. Разработан способ доменной плавки, по которому минимизация восстановления титана достигается за счет снижения содержания кремния в чугуне до минимально возможного уровня, определяемого в зависимости от давления газов в горне печи.

Достоверность полученных результатов основывается на использовании современных методик исследования и подтверждена опытно-промышленными испытаниями и работой доменных печей.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Уральская металлургия на рубеже тысячелетий» (г. Челябинск, 1999 г.), на I международной научно-практической конференции «ИНТЕХМЕТ-2008» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), на международной научно-практической конференции «Творческое наследие Б.И. Китаева» (г. Екатеринбург, 2009), на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы повышения качества металлопродукции по основным переделам черной металлургии» (г. Днепропетровск, 1989 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы теории и технологии подготовки железорудного сырья для доменного процесса и бескоксовой металлургии» (г. Днепропетровск, 1990 г.), на шестом всесоюзном совещании по химии, технологии и применению ванадиевых соединений (г.Н. Тагил-г.Свердловск, 1990 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Интенсификация металлургических процессов и повышение качества металлов и сплавов» (г. Тула, 1990 г.), на региональной научно-технической конференции «Наука – Образование – Производство»: Опыт и перспективы развития» (г. Нижний Тагил, 2009 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 24 печатных работах, в том числе в 7 патентах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 192 наименований; изложена на 162 стр. машинописного текста, включая 38 рисунков и 26 таблиц.

На защиту выносятся:

- результаты исследований влияния магнийсодержащих добавок на качество агломератов и шлаковый режим при выплавке передельных чугунов из магнетитовых руд Тагило-Кушвинского месторождения;

- результаты исследований влияния борсодержащих и марганцевых добавок на показатели выплавки ванадиевого чугуна из качканарских титаномагнетитов, а также технические решения по их использованию;

- практические результаты рекомендованного технологического режима выплавки ванадиевого чугуна на реконструированных доменных печах НТМК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика современного состояния доменного производства, обоснована актуальность и сформулирована цель диссертационной работы.

В первой главе представлен аналитический обзор исследований по влиянию свойств шлака на ход процессов доменной плавки и особенностей поведения оксидных (шлаковых) расплавов в аглодоменном переделе. Общепризнанно, что на эффективность доменной плавки большое, подчас определяющее, влияние имеет шлаковый режим, который может быть улучшен введением специальных добавок. Влияние добавок на ход процессов доменной плавки особенно эффективно, когда они вносятся в доменную печь с агломератом, что позволяет добиться, равномерного по сечению печи, протекания процессов шлакообразования.

В технологии окускования железорудного сырья и выплавке передельного чугуна широкое распространение получили магнийсодержащие добавки. Но оптимальное содержание MgO в доменном шлаке зависит от конкретных условий ведения процесса, а природа (генезис) магнийсодержащих добавок различным образом влияет на показатели агломерационного и доменного процессов и это влияние можно установить только экспериментальным путем.

Эффективность доменной плавки титансодержащего сырья определяется развитием процессов образования тугоплавких соединений титана (карбидов и карбонитридов), которые повышают кажущуюся вязкость шлаков. Снижение вязкости шлака в доменной плавке титаномагнетитов можно достичь применением шлакоразжижающих добавок. Оптимальный расход этих добавок определяется конкретными условиями плавки.

Системное исследование влияния добавок на агломерационный и доменный процесс является предпосылкой для совершенствования шлакового режима доменной плавки и разработки технологических режимов ведения процессов.

Во второй главе изложена методика проведения исследований. Концепция исследований схематично отражена на рис. 1.

Методика проведения исследований заключалась:

- в анализе технологических параметров работы аглофабрик и доменных печей НТМК;

- в определении показателей процесса спекания в лабораторных условиях при обеспечении технологических параметров (разрежение, температура шихты и т.д.), характеризующих работу агломашин;

- в исследовании металлургических свойств агломератов (холодная прочность по ГОСТ 15137 – 77, пористость агломератов по ГОСТ 25732 – 88, восстановимость и размягчаемость агломератов (по методикам МИСиС), прочность агломератов в процессе восстановительно-тепловой обработки по ГОСТ 27446 – 87);

- в исследовании свойств шлаковых расплавов, а именно определение фильтруемости их через коксовую насадку и вязкости;

- в обработке данных опытно-промышленных испытаний.

Рис. 1. Концепция сквозных исследований

В третьей главе приведены результаты исследований по влиянию различных видов магнезиальных добавок на агломерационный и доменный процесс при переработке руд Тагило-Кушвинского месторождения.

Первоначально была изучена вязкость реальных доменных шлаков НТМК и влияние на ее изменение добавок MgO. Установлено, что наиболее эффективное снижение вязкости происходит при повышении концентрации магнезии от 4,1 до 6,5 % (рис. 2): вязкость снижается при 1500 С на 0,08 Пас, при 1400 С на 0,16 Пас и при 1300 С на 0,49 Пас. С дальнейшим повышением концентрации MgO до 9,9 % вязкость снижается не более чем на 0,04 Пас при увеличении температуры кристаллизации шлаков на 35 С. Попутно установлено, что введение в шлак (с 6,1 % MgO) оксида стронция в количестве до 2 % не оказывает существенного влияния на вязкость расплава.

Рис. 2. Вязкость доменных шлаков с различным содержанием магнезии

Следует отметить, что промышленные опыты по введению магнезиальных добавок (сырой доломит, сырой и обожженный сидерит, сырой и обожженный дунит) непосредственно в доменную шихту, как минимум, не улучшали показателей плавки, что связано как с дополнительными затратами тепла и времени на разложение карбонатов, гидратов и формирование шлака, так и с ухудшением однородности шихты из-за локального размещения в ней добавок. Поэтому магнезиальные добавки не просто желательно, а необходимо вносить в доменную печь в составе агломерата.

В предварительных исследованиях дана сравнительная оценка эффективности сквозного воздействия на показатели аглодоменного производства необходимого количества добавок доломита, сидерита, стронцийсодержащего доломита, дунита, бишофита и карналлита. Особо следует отметить опыты по использованию магнийхлорсодержащих добавок, а также впервые проведенные промышленные испытания по введению в аглошихту стронцийсодержащего доломита, доказавшие возможность его использования для улучшения шлакового режима доменной плавки.

Стронцийсодержащий доломит (в виде хвостов обогащения целестиновой руды) 5-ти %-ной влажности имел крупность менее 1,25 мм и содержал, %: СаО – 31,8; MgO – 14,2; SrO – 5,2; SiO2 – 1,6; S – 2,7; п.п.п. – 38,7. Введение в шихту данной добавки (при среднем расходе 37,9 кг/т агломерата) снизило расход твердого топлива на 4 кг/т агломерата при сохранении прочности агломерата. Проплавка опытного агломерата (на доменной печи объемом 2700 м3 при доле его в железорудной части шихты – 59,4 %) способствовала снижению вязкости шлака (на 0,08 Пас) и потерь с ним металла (с 2,0 до 1,2 %), уменьшению содержания серы в чугуне с 0,020 до 0,019 % и экономии кокса на 0,9 кг/т чугуна.

В качестве магнийхлорсодержащих добавок были использованы бишофит (MgCl2·6H2O) и карналлит (KCl·MgCl2·6H2O). Данные соединения водорастворимы и при их подаче в поток шихты равномерно распределяются в его объеме. Обработка железной руды или концентрата рассолом таких добавок в зимнее время обеспечивает снижение смерзаемости материала, облегчение условий транспортировки и выгрузки.

Лабораторными спеканиями с бишофитом было установлено, что добавка его в пределах 1 % к обычной шихте лебяжинской аглофабрики повышает механическую прочность агломерата на 3 %. Промышленная апробация использования 0,5 % бишофита в аглошихте была осуществлена в рамках проведения профилактических работ против смерзаемости руды, что улучшило механические свойства агломерата (на 1 % по барабанной прочности) и повысило на 0,2 % содержания магнезии в нем.

Исследованиями влияния на процесс агломерации железорудного сырья добавок карналлита Соликамского месторождения установлено, что, при оптимальном его расходе, прочность агломерата по ГОСТ 15137 по показателю Х1 повышается на 2,0 %, а показатель истираемости снижается на 0,7 – 1,0 %. В агломерате на четверть снижается массовая доля цинка, степень удаления серы повышается на 30 %.

Таблица 1

Влияние магнийсодержащих добавок на показатели качества агломерата