ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БРИКЕТОВ ДЛЯ ДОМЕННОГО И ВАГРАНОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА
CHARGE TO OBTAIN BRIQUETTES FOR BLAST-FURNACE AND CUPOLA PRODUCTION OF CAST IRON

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления металлургических брикетов, являющихся эффективным углероджелезосодержащим шихтовым материалом в процессах доменного и ваграночного производства чугуна.
Использование в металлургических процессах углероджелезосодержащих брикетов является одной из основ устойчивого развития современных ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих эффективную переработку и утилизацию различных техногенных материалов и отходов.
В настоящее время все большее значение придается переработке железосодержащих побочных продуктов, в том числе мелкофракционных: рудной мелочи, колошниковой пыли, других мелкозернистых железосодержащих веществ. Процесс утилизации данного вида сырья возможен после их окомкования, обезмасливания, обезвоживания, что требует значительных энергетических, производственных затрат, связанных, в том числе, с процессом спекания агломерата. Наиболее эффективным по уменьшению затрат на изготовление шихты для металлургических процессов является технологический процесс брикетирования мелкодисперсных, тонкодисперсных металлосодержащих отходов. В результате окускования получают товарный продукт - брикет, который наиболее пригоден для реализации на рынке вторичного сырья, предназначенного для доменного и ваграночного производства чугуна.
В этом отношении приготовление брикетов из мелкофракционных и тонкодисперсных компонентов - отходов металлургического производства - представляется одним из рациональных способов подготовки шихты. Брикетирование - процесс получения кусков (брикетов) с добавкой связующих веществ с последующим прессованием смеси в брикеты нужного размера и формы [Катинев В.И., Барсукова Е.Ю и др. Брикеты из мелкодисперсных отходов металлургического и коксохимического производств - экономически выгодная замена традиционной шихты для доменного и ваграночного производства чугуна [см. ж.Металлург, 2002, №10].
Известны различные технические решения по составам шихты, предназначенным для получения брикетов металлургического передела, используемых при доменном и ваграночном производстве чугуна (см., например, патенты RU №№2083681, публ. 10.07.1997 г., 2187563, публ. 20.08.2002 г., 2228377, публ. 10.05.2004 г.).
В соответствии с известными техническими решениями шихта для получения брикетов содержит:
железосодержащие компоненты, например, на основе смеси оксидов железа природного или промышленного происхождения, железной руды, железорудного концентрата, окалины; металлических производственных отходов: чугунная стружка, металлоотсев, отходы производства чугунной дроби;
углеродсодержащие компоненты, например, на основе отходов производства графитовых электродов, электродный бой, коксовая мелочь, антрацит, уголь, графитовая спель, нефтяной кокс;
связующее, например, на основе строительного цемента, гидроокиси кальция (магния), лигносульфоната, а также другие технологические добавки.
Однако использование в составе шихтового материала выше указанных углеродсодержащих компонентов и связующих ухудшает качество брикетов из-за наличия в них повышенного содержания серы, фосфора, примесей цветных металлов, газов и неметаллических включений.
3
Для снижения содержания вредных примесей в составе шихты предлагаются технические решения, согласно которым в качестве углеродсодержащего компонент в составе шихтового материала используют порошкообразный карбид железа (FeC) (см. патент RU №2103377, публ. 27.01.1998 г.).
Данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения.
Шихта для получения брикетов для доменного и ваграночного получения чугуна по данному изобретению содержит мелкодисперсный металлсодержащий компонент, порошкообразный не содержащий серы углеродсодержащий компонент и связующее.
3
Как следует из данного технического решения, в качестве порошкообразного не содержащего серы углеродсодержащего компонента используют карбид железа (FeC), получение которого связано с технологией, основанной на газовом восстановлении мелких частичек железорудного концентрата в кипящем слое, что существенно усложняет процесс получения шихтового материала и увеличивает затраты на него.
Кроме того, вследствие присущих для данного углеродсодержащего материала свойств: высокой текучести, твердости и абразивности, ухудшается возможность его прессования обычными методами, что ограничивает технологические возможности получения компонентного состава шихтовых материалов по выбору для них связующего.
Задача настоящего изобретения состояла в создании состава шихты для получения брикетов металлургического передела, обеспечивающей достижение технического результата:
снижение затрат на получение брикетов металлургического передела на основе шихтового материала с углеродсодержащим компонентом, не имеющим в химическом составе вредных для металлургического процесса серосодержащих соединений;
расширение технологических возможностей по подбору в составе шихты связующих материалов, в том числе традиционных для целей получения металлургических брикетов для доменного и ваграночного производства чугуна;
обеспечение прочности получаемого брикета металлургического передела на основе шихты при использовании в ее составе не содержащего серы углеродсодержащего компонента.
3
Для решения поставленной технической задачи предложена шихта для получения брикетов для доменного и ваграночного производства чугуна, содержащая мелкодисперсный металлсодержащий компонент, порошкообразный не содержащий серы углеродсодержащий компонент и связующее, в котором, согласно изобретению, в качестве углеродсодержащего компонента используют древесный уголь фракции 50-250 мкм с кажущейся плотностью 0,7-0,9 г/см при следующем составе компонентов, мас.%:
мелкодисперсный металлсодержащий компонент
65-85
древесный уголь
10-30
связующее
5-15
Согласно изобретению, в качестве мелкодисперсного металлсодержащего компонента используют смесь железной руды, и/или железорудного концентрата, и/или окалины, и/или металлических производственных отходов, предпочтительно чугунная стружка, металлоотсев, отходы производства чугунной дроби, при фракционном составе их не более 1,5 мм.
Согласно изобретению, в качестве связующего используют строительный цемент.
Согласно изобретению, состав дополнительно содержит мелкодисперсные флюсующие добавки, предпочтительно доломитовый клинкер и/или известь в количестве 0,5-2 мас.% на металлсодержащий компонент.
При реализации изобретения обеспечивается:
снижение затрат на получение брикетов на основе шихтового материала с углеродсодержащим компонентом, не имеющим в химическом составе вредных для металлургического процесса серосодержащих соединений, за счет использования в составе шихты древесного угля, в том числе получаемого из отходов деревообработки путем их пиролиза;
расширение технологических возможностей по подбору в составе шихты связующих материалов за счет синергетической совместимости древесного угля с различными вяжущими, как природного, так и техногенного происхождения;
обеспечение прочности получаемого брикета металлургического передела на основе шихты при использовании в ее составе не содержащего серы углеродсодержащего компонента на основе древесного угля с заданным по изобретению размером фракций, его плотностью и количественным содержанием в составе.
При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений с совокупностью признаков, соответствующих заявляемому техническому решению и обеспечивающих описанный выше результат.
Приведенный анализ известного уровня техники свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критериям «новизна», «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение может быть промышленно реализовано при использовании известного технологического оборудования, предназначенного для изготовления брикетов для доменного и ваграночного производства чугуна из различных сырьевых материалов.
Для реализации настоящего изобретения используют:
традиционно известные для шихтовых материалов, предназначенных для получения брикетов для доменного и ваграночного производства чугуна, мелкодисперсные металлсодержащие компоненты в виде смесей железной руды, и/или железорудного концентрата, и/или окалины, и/или металлических производственных отходов, предпочтительно чугунная стружка, металлоотсев, отходы производства чугунной дроби, при фракционном составе их не более 1,5 мм.
Заданное по настоящему изобретению количественное содержание мелкодисперсных металлсодержащих компонентов, их фракционный размер в составе шихты для получения брикетов технологически рекомендованы по условиям процессов доменного и ваграночного производства чугуна.
При реализации настоящего изобретения в качестве металлсодержащего компонента предпочтительно использовали смесь окалины и чугунной стружки.
В качестве связующего в составе шихты по настоящему изобретению используют строительный цемент, традиционно известный компонент для получения брикетов для доменного и ваграночного производства чугуна.
Введение вяжущего менее 5% не обеспечивает достаточной прочности получаемого брикета, а более 10% снижает процентное содержание окислов железа и древесного угля в брикете, что приводит к ухудшению его качественных характеристик для процесса доменного и ваграночного производства чугуна.
В качестве углеродсодержащего материала по изобретению используют древесный угль по ГОСТ 7657-84.
Данный продукт при реализации настоящего изобретения измельчали до размера фракции 50-250 мкм, что оптимально по условиям:
синергетической совместимости данного материала с используемым вяжущим;
трудозатрат на измельчение данного сырьевого продукта;
обеспечения заданной по изобретению кажущейся плотности полученных фракций.
При получении размеров фракций менее 50 мкм резко увеличиваются трудозатраты на измельчение сырьевого продукта, при этом кажущаяся плотность получаемых фракций существенно не меняется.
При использовании древесного угля с размерами фракций более 250 мкм ухудшается синергетическая совместимость данного материала с используемым связующим, кроме того, кажущаяся плотность получаемых фракций уменьшается, что приводит к ухудшению физико-механических показателей получаемого брикета по плотности. В результате снижается производительность металлургического оборудования.
Для определения кажущейся плотности используемого по настоящему изобретению углеродсодержащего компонента с заданным размером фракций использовали методику, согласно ГОСТ 2409-95, которая основана на определении отношения массы свободно засыпаемого и уплотненного вибрацией в течение определенного времени порошка к занимаемому им объему.
При дроблении исходного сырьевого материала происходит снижение суммарного объема пор угля за счет разрушения макропор и в результате увеличивается кажущаяся плотность получаемого древесного компонента. При исследовании была определена кажущаяся плотность для углеродсодержащих материалов с размером фракций от 0,05 мм до 10 мм:
10
3
Размер фракций 10 мм, кажущаяся плотность ρ=0,45 (г/см);
1
3
1 мм, кажущаяся плотность ρ=0,48 (г/см);
0,5
3
0,5 мм, кажущаяся плотность ρ=0,51 (г/см);
0,3
3
0,3 мм, кажущаяся плотность ρ=0,55 (г/см);
0,3
3
0,25 мм, кажущаяся плотность ρ=0,7 (г/см);
0,2
3
0,2 мм, кажущаяся плотность ρ=0,82 (г/см);
0,1
3
0,1 мм, кажущаяся плотность ρ=0,83 (г/см);
0,1
3
0,05 мм, кажущаяся плотность ρ=0,88 (г/см).
Заданное по изобретению количественное содержание углеродсодержащего компонента в количестве 10-30% оптимально. Уменьшение количественного содержания древесного угля не обеспечивает необходимой степени восстановления железа в процессе доменного и ваграночного производства чугуна. Повышение количественного содержания углеродсодержащего компонента приводит к снижению механической прочности брикета, что нецелесообразно.
Использование древесного угля в качестве углеродсодержащего компонента в составе шихтового материала для получения брикета позволяет исключить внесение серы (S) и фосфора (Р) с углеродом, что способствует улучшению качественных характеристик получаемого при металлургическом процессе продукта.
При реализации настоящего изобретения в составе шихты можно использовать флюсующую добавку, предпочтительно, на основе известняковой или доломитизированной известняковой мучки, что соответствует технологическим требованиям доменного и ваграночного производства чугуна.
Предлагаемый по изобретению шихтовый материал в виде механической смеси всех перечисленных выше компонентов используют для получения брикетов с использованием технологического процесса прессования (традиционно известная методика, широко используемая для получения топливных брикетов, брикетированных строительных материалов).
Приводим примеры конкретного получения брикетов для металлургического производства.
Порошки древесного угля, окалины и чугунной стружки и цемента по ниже приведенной их рецептуре загружаются в смеситель и тщательно перемешиваются, подается вода. Перемешанная шихта дозатором подается в вибропресс. Прессование осуществляется при помощи гидравлики. Давление передается на пуансоны, конфигурация которых повторяет конфигурацию ячеек матрицы.
Изготовлены брикеты прямоугольной формы размером 10X10Х 10 (см), брикеты складируются, подсушиваются в течение одних суток, происходит процесс естественного твердения брикетов.
В таблице приведены составы рецептуры шихты для получения брикетов для доменного и ваграночного производства чугуна.
Компоненты
Содержание компонента в составе брикета, % маc.
1
2
3
4
5
6
Смесь окалины и чугунной стружки фракционный состав 1-1,5 мм
65
70
75
80
85
80
Древесный уголь смесь фракций от 50 до 250 мкм, кажущаяся плотность 0,85 г/см<sup>3</sup>
30
20
15
15
10
15
Цемент (Портландцемент ГОСТ 31108-2003)
5
10
10
5
5
5
Полученные брикеты после естественного твердения (1 сутки) подвергли механическим испытаниям. Прочность брикетов на сжатие определяли путем раздавливания брикетов на гидравлическом прессе.
Результаты испытаний прочности брикетов на сжатие (являющиеся средним значением трех опытов для каждого из составов) и плотность брикетов по приведенным составам №1-6:
2
3
Состав №1 прочность на сжатие {кг/см (МПа)} -230 (2,3); плотность {кг/м}-2340
2
3
Состав №2 прочность на сжатие {кг/см (МПа)} -250 (2,5); плотность {кг/м}-2530
2
3
Состав №3 прочность на сжатие {кг/см (МПа)} -270 (2,7); плотность {кг/м}-2810
2
3
Состав №4 прочность на сжатие {кг/см (МПа)} -240 (2,4); плотность {кг/м}-2795
2
3
Состав №5 прочность на сжатие {кг/см (МПа)} -235 (2,35); плотность {кг/м}-2924
2
3
Состав №6 прочность на сжатие {кг/см (МПа)} -240 (2,4); плотность {кг/м}-2786
Таким образом, при использовании рецептуры шихты в соответствии с настоящим изобретением получены брикеты с улучшенными качественными характеристиками их в части, касающейся:
снижения количества серо- и фосфорсодержащих компонентов за счет использования в рецептуре шихты древесного угля при заданных по изобретению его физико-механических характеристиках;
обеспечения достаточной плотности и высокой прочности, что соответствует технологическим требованиям получения брикетов для доменного и ваграночного производства чугуна.