ВОССТАНОВИТЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
RESTORATIVE FOR THERMAL-ELECTRIC METALLURGICAL PROCESSES

Изобретение относится к области металлургии, а именно к металлургическим электротермическим производствам с использованием углетермического восстановления, например к производству ферросплавов углетермическим восстановлением.
Широко известно использование в качестве восстановителя для электротермических металлургических процессов коксового орешка - продукта коксового производства крупностью от 10 до 25 мм (это назначение коксового орешка известно из ГОСТа 8935-77).
Недостатком восстановителя из коксового орешка являет его низкое удельное электрическое сопротивление и низкая реакционная способность.
Известен восстановитель (патент РФ №2171852), принятый за прототип, полученный путем брикетирования углеродсодержащего материала, при этом в качестве углеродсодержащего материала используют отходы мебельного производства - шлифовальную пыль или смесь шлифовальной пыли с коксовой шихтой.
В известном восстановителе используется коксовая шихта с толщиной пластического слоя 16-20 мм, измельченная до крупности 3-5 мм. Коксовая шихта, используемая в известном восстановителе, - смесь различных марок углей (Ж, К, ОС, Г и др.), используемых для получения кокса.
Недостатком известного восстановителя является то, что он имеет недостаточную реакционную способность и удельное электрическое сопротивление, кроме того, известный восстановитель дорог, т.к. требует осуществления карбонизации при температуре 700-900°С.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - повышение качества восстановителя для электротермических металлургических процессов за счет повышения электрического сопротивления и реакционной способности восстановителя, а также удешевление восстановителя; расширение сырьевой базы для получения прессованных восстановителей, а также утилизация коксовой пыли.
Поставленная задача решается за счет того, что в восстановителе для электротермических металлургических процессов, полученном путем прессования углеродсодержащего материала со связующим, в качестве углеродсодержащего материала используют коксовую мелочь, полученную при мокром тушении кокса, и каменный уголь при следующем массовом соотношении компонентов (по углероду), %:
Коксовая мелочь
10-90
Каменный уголь
Остальное
2
Восстановитель получен путем прессования углеродсодержащей смеси при давлении выше 50 кГ/см.
Восстановитель получен путем брикетирования или экструзии.
В качестве углеродсодержащего материала используют нефтяной полукокс замедленного коксования в количестве 8-50% мас.
Известно такое свойство каменноугольных коксов, как наличие у них электрического сопротивления (А.А.Агроскин. Тепловые и электрические свойства углей. Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии. - М., 1959 г., стр.148-158). При этом известна зависимость удельного сопротивления от размера частиц (фракций) кокса (А.А.Агроскин. Тепловые и электрические свойства углей. Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии. - М., 1959 г., стр.150). Известно также такое свойство кокса, как зависимость его удельного сопротивления от степени измельчения: чем выше степень измельчения кокса, тем выше его удельное электрическое сопротивление (А.А.Агроскин. Тепловые и электрические свойства углей. Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии. - М., 1959 г., стр.150, табл.31). Кроме того, из того же источника кокса (А.А.Агроскин. Тепловые и электрические свойства углей. - Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии. - М., 1959 г., стр.150) известно, что при повышении давления на прессуемый углеродсодержащий материал его удельное электрическое сопротивление понижается. Таким образом, формируя брикеты восстановителя при разном давлении, можно получать брикетированный восстановитель с заранее определенным электрическим сопротивлением.
Коксовая мелочь - продукт коксового производства. Коксовая мелочь образована фракциями крупностью от пылевидных до 13 мм.
Коксовая мелочь коксохимических производств потребляется главным образом в агломерации железных руд. Мелкие частицы (менее 0, 5 мм) при сгорании не дают достаточного количества тепла, обеспечивающего спекание рудных частиц, а крупные (крупнее 7 мм) требуют додрабливания, при этом кроме оптимальных частиц дополнительно образуется коксовая пыль (частицы менее 0,5 мм). Для оптимизации агломерационного топлива и снижения его расхода организуют отсев частиц менее 0,5 мм (обеспыливание) топлива. Коксовая пыль (частицы менее 0, 5 мм) в настоящее время не находит квалифицированного применения. Удельное электрическое сопротивление насыпных масс коксовой мелочи мокрого тушения в большинстве случаев составляет 60-100 Ом·см или более, а удельное электрическое сопротивление насыпной массы коксовой пыли, выделенной из коксовой мелочи мокрого тушения составляет 2-6 кOм·см или более. Именно эти свойства коксовой пыли позволили использовать в производстве прессованного восстановителя.
Известно использование в составе восстановителя фракции кокса крупностью от 10 до 25 мм (коксовый орешек).
Чем меньше фракция, тем выше электрическое сопротивление.
Продуктами коксового производства являются различные фракции. Путем отсева части продукта можно сразу выделить фракции 5-13 мм, которые можно использовать в качестве компонента восстановителя без дополнительной обработки (прессования).
Фракции продукта коксового производства выше 13 мм использовать в качестве компонента восстановителя нецелесообразно, т.к. у таких фракции электрическое сопротивление значительно ниже, чем у меньших фракций.
Фракции менее 5 мм для использования их в качестве компонента восстановителя необходимо укрупнять. Укрупнение фракций производят, например, прессованием с получением брикетов. В результате между спрессованными частицами брикета возникает контактное сопротивление (при пропускании тока), что ведет к повышению электрического сопротивления брикета, полученного в результате прессования коксовой мелочи, по сравнению с электрическим сопротивлением, присущим отдельной частице.
Известны значения удельного электрического сопротивления насыпных масс проб мелких фракций углеродистых материалов:
- коксовая мелочь кокса мокрого тушения с размером частиц менее 10 мм - 60 Ом·см и более;
- коксовая пыль с размером частиц менее 0,5 мм, выделенная из коксовой мелочи кокса мокрого тушения - 2-6 кOм·см и более;
- пекококсовая мелочь с размером частиц менее 10 мм - 8-10 Ом·см и более;
- коксовая мелочь кокса сухого тушения с размером частиц менее 10 мм - 10 Ом·см. Именно такие значения удельного электрического сопротивления обусловливают возможность использования коксовой мелочи (продукта коксового производства) в качестве компонента восстановителя для электротермических металлургических процессов.
Известна зависимость между усилием прессования и электрическим сопротивлением брикета. Зная о такой зависимости, можно, регулируя усилие прессования и путем включения добавок с высоким удельным электрическим сопротивлением (например, каменный уголь), получать брикеты с вполне определенным электрическим сопротивлением, необходимым для конкретного процесса.
Прессование можно осуществлять экструзией или брикетированием. При этом брикетирование можно осуществлять путем штамповки или в вальцовом прессе.
Следует отметить, что электрическое сопротивление кокса и его реакционная способность не связаны непосредственно друг с другом (А.А.Агроскин. Тепловые и электрические свойства углей. Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии. М., 1959 г., стр.154-155), т.к. реакционная способность кокса определяется величиной и состоянием реагирующей поверхности, в то время, как электропроводность в основном зависит от подвижности электронов связи.
Как показала практика, реакционная способность коксовой мелочи более чем в два раза выше, чем реакционная способность кокса и/или коксового орешка. Поэтому использование коксовой мелочи в заявляемом восстановителе является целесообразным и с точки зрения повышения реакционной способности восстановителя по сравнению с восстановителями на основе коксового орешка и/или кокса.
Кроме того, в заявляемом восстановителе для необходимой корректировки реакционной способности используют такую добавку, как известняк, в количестве от 0, 5% до 5%. В данном случае известняк выступает не как катализатор процесса, а как регулирующая добавка, т.к. при нагреве (что характерно для электротермических металлургических процессов) он участвует в химической реакции с выделением восстановительного газа.
Характер реакции представлен в следующих формулах:
3
2
СаСО→нагрев выше 900°→СаО+СO
2
СO+С→2СО,
3
где СаСО - известняк;
СаО - оксид кальция;
2
СO - углекислый газ;
С - углерод коксовой мелочи и/или угля;
СО - восстановительный газ.
При нагреве известняк разлагается с выделением углекислого газа, который взаимодействует с углеродом коксовой мелочи и/или угля, в результате чего выделяется восстановительный газ.
Связующее в заявляемом восстановителе может быть любым, которое традиционно используется при прессовании - минеральное (например, жидкое стекло), углеводородное (органическое). Связующее выбирается исходя из требований вида электротермического процесса, с учетом того, что распространенным требованием является нежелательность присутствия серы и/или фосфора.
В заявляемом восстановителе может содержаться каменный уголь. Данный компонент используется как добавка, т.к. наличие в восстановителе коксовой мелочи в составе углеродсодержащего материала в количестве 10% (от общей массы углеродсодержащего материала) достаточно для того, чтобы восстановитель выполнял свою функцию - повышал температуру процесса (за счет высокого удельного электрического сопротивления) при требуемой скорости реакции (за счет обеспечения соответствующей реакционной способности или за счет свойств самой коксовой мелочи, или путем добавления регулирующей добавки - известняка). Используемые фракции угля - от 3 до 13 мм, что соответствует фракции коксовой мелочи, используемой в заявляемом восстановителе. Разновидностью угля является антрацит, который также можно использовать в заявляемом восстановителе в качестве добавки.
Использование в качестве добавки (до 90%) каменного угля обусловлено снижением себестоимости восстановителя, т.к. уголь - природное сырье, не требующее для его использования в восстановителе специальной переработки (обработки). Уголь имеет высокое удельное электрическое сопротивление, поэтому использование его в качестве добавки обеспечивает повышение удельного электрического сопротивления восстановителя, а также обеспечивает снижение себестоимости восстановителя (т.е. снижает затраты, связанные с производством восстановителя за счет использования более дешевого исходного сырья).
Использование спекающихся углей может обеспечить резкое повышение термической прочности восстановителя.
Использование коксовой мелочи мокрого тушения является более предпочтительным, т.к. удельное электрическое сопротивление коксовой мелочи мокрого тушения более высокое чем у коксовой мелочи сухого тушения, кокса или коксового орешка, за счет того, что центральная часть частиц коксовой мелочи, полученной путем мокрого тушения, не подвергается тепловой обработке, как при сухом тушении, и остается в том виде, как и до термического воздействия.
Использование коксовой мелочи крупностью от менее 3 до менее 13 мм от пылевидной до 10 мм позволяет повысить удельное сопротивление восстановителя по сравнению с восстановителем, полученным из более крупной коксовой мелочи (10-13 мм).
2
2
Заявляемый восстановитель получен путем прессования при давлениях выше 50 кГ/см, т.к. при давлении 50 кГ/см обеспечивается прессование пылевидных фракций коксовой мелочи, а при более высоком давлении - всех остальных фракций. Прессование восстановителя можно осуществлять путем брикетирования или экструзии, но в обоих случаях давление прессования выбирается с учетом двух условий: обеспечение требуемого удельного электрического сопротивления восстановителя и с учетом обеспечения необходимой его прочности.
Повышение удельного электрического сопротивления восстановителя обеспечено также за счет связующего, которое обволакивает каждую частицу коксовой мелочи, повышая тем самым удельное электрическое сопротивление между частицами восстановителя.
Для получения восстановителя возможно в состав углеродсодержащего сырья включать нефтяной полукокс замедленного коксования с выходом летучих веществ 17…25%. Частицы нефтяного кокса способны переходить в пластическое состояние при нагреве. Поэтому в результате нагрева смеси, содержащей коксовую мелочь, уголь и нефтяной полукокс, частицы нефтяного полукокса, переходя в пластичное состояние, обволакивают частицы коксовой мелочи и угля, т.е. выполняют роль связующего, обеспечивая термическую прочность прессовок.
Свойства заявляемого восстановителя проверялись экспериментальным путем.
3
3
3
Пример 1. Коксовая мелочь кокса мокрого тушения с размером частиц менее 5 мм с удельным электрическим сопротивлением (УЭС) свободной насыпи 60 Ом·см и реакционной способностью (PC) 0,85 см/(г·с) смешивается с 10% жидкого стекла плотностью 1420 кГ/м и прессуется в брикеты диаметром 25 мм и длиной 25 мм. Брикеты имеют УЭС 4 Ом·см (это в 10 раз выше, чем у коксового орешка) и PC 1, 12 см/(г·с), т.е. в два раза выше, чем у коксового орешка.
3
2
3
Пример 2. Коксовая мелочь (по примеру 1) доизмельчается до крупности частиц менее 2 мм, смешивается с 10% жидкого стекла плотностью 1420 кГ/см и прессуется путем экструзии под давлением 50 кГ/см в изделия диаметром от 7 до 20 мм и длиной от 7 до 20 мм. УЭС изделий составляет 7,5 Ом·см, PC - 1,12 см/(г·с), т.е. показатели значительно лучше, чем у коксового орешка.
3
Пример 3. Коксовая мелочь, подготовленная по примеру 2, прессуется при давлении 700 кГ·см в изделия диаметром 20 мм и длиной 20 мм. УЭС изделий - 1,5 Ом·см, PC - 1,12 см/(г·с). Также показатели лучше, чем у коксового орешка.
2
3
Пример 4. Коксовая мелочь от 0 (пылевидная фракция) до 10 мм мокрого тушения при свободной насыпи имела УЭС 60 Ом·см. Коксовая мелочь и спекающийся уголь, измельченный до крупности частиц менее 3 мм в соотношении 3:7, смешиваются с 10% жидкого стекла и прессуются при давлении 500 кГ/см на вальцовом прессе в изделия размером 50×40×30 мм эллипсообразной формы. УЭС изделий - 40-60 Ом·см, PC - 5-8 см/(г·с), т.е. на порядок выше, чем у коксового орешка.
3
2
3
Пример 5. Коксовая пыль (частицы менее 0,5 мм), уголь спекающийся (0-3 мм) и связующее (жидкое стекло плотностью 1400 кГ/см) в соотношении (в процентах) 58:30:12 после смешения спрессованы способом экструзии при давлении 200-250 кГ/см в изделия диаметром 10 и 20 мм. УЭС изделий составило 65-110 Ом·см, PC - 5-8 см/г·с).
3
Пример 6. Коксовая пыль, уголь высокометаморфизированный - тощий уголь и углеводородное связующее (каменноугольный пек) в соотношении (%) 50:37:13 после перемешивания спрессованы в брикеты 25×25×15 мм. УЭС изделий составило 110 Ом·см, PC - 8 см/г·с).
3
Пример 7. Коксовая мелочь от кокса мокрого тушения (частицы менее 10 мм), нефтяной полукокс замедленного коксования (с содержанием летучих веществ 18-20% и величиной пластического слоя 22 мм) в крупности менее 10 мм и углеводородное связующее в соотношении 71:20:9 соответственно после смешивания сбрикетированы в брикеты чечевидной формы диаметром 50 мм. УЭС изделий - 55 Ом·см, PC - 6 см/г·с).
2
3
Пример 8. Коксовая мелочь кокса мокрого тушения в крупности менее 5 мм 10 частей, технологические отсевы сортовых антрацитов в крупности менее 5 мм - 70 частей с выходом летучих веществ менее 6,0% и 20 частей спекающегося угля с величиной пластического слоя 10 мм смешиваются с 10% от массы твердых компонентов каменноугольной смолы полуксования. Смесь прессуется на вальцовом прессе в брикеты размером 15×25×15 мм. Давление прессования составляет 400 кГ/см. УЭС брикетов составил более 100 кОм·см; PC - 10 6 см/г·с).
2
3
Пример 9. Коксовая мелочь кокса мокрого тушения в крупности менее 10 мм 90 частей и 10 частей спекающегося угля с величиной пластического слоя 10 мм в крупности менее 3 мм смешиваются с 12% от массы твердых углеродистых компонентов связующего (жидкого концентрата технического лигносульфоната) и прессуются в брикеты 50×40×16 мм при давлении прессования 300 кГ/см. УЭС брикета - 1,5 Ом·см; PC - 1,76 см/(г·с).
2
3
Пример 10. Коксовая мелочь кокса мокрого тушения 50 частей с размером частиц менее 5 мм, смесь мелких (менее 5 мм) отсевов восстановителей электротермических производств 15 частей, отсевы тощего угля с размером частиц менее 5 мм 20 частей и спекающийся уголь с толщиной пластического слоя 10 мм крупностью менее 3 мм - 15 частей смешивают с 12% от массы углеродистых компонентов связующего (жидкого концентрата технического лигносульфоната) и брикетируют в чечевицеподобные брикеты диаметром 50 мм и толщиной 20 мм. Давление прессования 350 кГ/см. УЭС прессованного материала -200 м·см; PC - 6 см/(г·с).
Использование отсевов восстановителей позволяет осуществлять более экономное их использование.
К достоинствам заявляемого восстановителя можно отнести следующее:
- высокое регулируемое (за счет крупности частиц и состава прессуемой шихты) электрическое сопротивление;
- высокая регулируемая (за счет состава углеродистых материалов - коксовой мелочи и угля, а также за счет возможности эффективного использования регулирующих добавок - известняка) реакционная способность.
Таким образом, заявляемый восстановитель имеет высокое удельное электрическое сопротивление, что предопределяет эффективность использования восстановителя в электротермических металлургических процессах. Характерная для коксовой мелочи реакционная способность позволяет осуществлять электротермический процесс с требуемой скоростью, которая может быть повышена за счет использования регулирующей добавки - известняка. Использование в заявляемом восстановителе коксовой мелочи решает задачу ее эффективного использования и утилизации. Следовательно, результатом разработки заявляемого восстановителя будет также расширение арсенала и полноты использования восстановителей для электротермических металлургических процессов.