Анализ эффективности использования сидеритов в доменной плавке

А.С. Вусихис, Д.З. Кудинов, Л.И. Леонтьев, О.Ю. Шешуков
Институт металлургии УрО РАН,
г. Екатеринбург

Бакальское месторождение – одно из крупнейших месторождений карбонатных железных руд в мире. Его запасы составляют порядка 1 млрд. тонн [1]. Доменная плавка – единственный реализованный способ переработки бакальских сидеритов. В шихте доменных печей используется сырой сидерит, концентрат, получающийся в результате декарбонизирующего обжига сырого сидерита, и агломерат с различной долей сидеритовой мелочи в агломерационной шихте.

Высокое содержание оксида магния в руде не позволяет вести плавку на моношихте. Сидериты могут использоваться только в качестве добавки, величина которой зависит от основности базовой шихты и содержания в ней оксидов магния и алюминия. Эффективность такой смеси будет тем выше, чем больше в последних оксида кремния. В этом случае оксид магния будет являться флюсующим компонентом, заменяющим часть оксида кальция.

Сырой сидерит представляет собой твердый раствор карбонатов железа, магния и марганца. Обладая хорошей восстановимостью и высокой исходной прочностью, в процессе нагрева он разлагается, что приводит к высокой степени его разрушения. Декарбонизация и разрушение сырого сидерита в процессе плавки обуславливает высокий расход кокса, поэтому целесообразность использования данного вида сырья определяется стоимостью железорудных материалов, которые он заменяет.

Обожженный сидерит используется шире, поскольку обладает более высокой прочностью при восстановлении, чем сырой [2]. Однако, обладая относительно низкой холодной прочностью, он разрушается с высокой степенью пылевыделения в процессе транспортировки.

Для исключения данного недостатка применяют различные методы. Например, упрочнение обожженного сидерита брикетированием, метод, предложенный НИИМ (г. Челябинск) [1] или упрочняющий обжиг, разработанный в ИМЕТ УрО РАН (г. Екатеринбург) [3].

Анализ эффективности использования сидеритов проведен на основании сопоставления показателей работы доменной печи №9 ММК (табл.1) с результатами аналитических расчетов, прогнозирующих их изменение при введении в шихту дополнительно от 5 до 20 % сидеритов. Использовались характеристики сидеритов, изготовленных по упомянутой выше технологии, а также восстановленных до степени металлизации 20-80 %. Химический состав рудных компонентов, использованных в расчетах, представлен в таблице 2.

Таблица 1

Показатели работы доменной печи № 9 ММК

Расчеты проведены с помощью балансовой логико-статистической модели, разработанной в Институте металлургии УрО РАН (ИМЕТ УрО РАН) [4], основанной на использовании материальных и тепловых балансов доменной плавки, закономерностей тепло- и массообмена (с учетом кинетических факторов восстановления оксидов железа, температур чугуна и шлака), а так же статистических данных о влиянии различных факторов на показатели работы доменной печи.

Таблица 2

Химический состав рудных компонентов

Расчет проводили как при заданном постоянном расходе флюса (рис. «а» и «б»), так и при поддержании постоянного содержании серы в чугуне за счет изменения расхода известняка (рис. «а'» и «б'»).

Расчеты показали, что показатели доменной плавки при увеличении количества добавленных сидеритов изменяются практически линейно. Подтверждено, что добавки сырого сидерита ухудшают показатели плавки. Так при добавке 20 % сидерита, наблюдается снижение показателей на 10-15 %.

Использование обожженного сидерита, изготовленного по стандартной методике, снижает показатели плавки незначительно (1-2 %). Использование концентрата, подготовленного по схеме, разработанной ИМЕТ УрО РАН из-за повышения его прочности, дает некоторое преимущество перед обожженным сидеритом. Однако, для реализации данного метода необходимы значительные капитальные вложения, которые логичнее использовать для организации производства металлизованных сидеритов, использование которых дает значительный эффект, возрастающий при увеличении степени металлизации.

При этом следует учесть, что одно из основных условий высокой эффективности доменной плавки - выбор оптимального шлакового режима. К конечным доменным шлакам, образующимся при выплавке передельного чугуна, предъявляются следующие требования: шлаки должны обладать низкой вязкостью, легкоплавкостью, низкой температурой начала кристаллизации.

Рис.1. Зависимость показателей доменной плавки от доли сидерита в шихте

см. табл.2

Исследования свойств высокомагнезиальных доменных шлаков [5] показали, что наиболее устой­чивы по физико-химическим свойствам шлаки с содержанием MgО ~ 10-15 % при основности (CaO/SiO₂) = 0,8-I,0. Данный состав шлака является оптимальным при ведении доменной плавки на бакальских си­деритах. Увеличение концентрации MgО до 15-20 % при той же ос­новности не должно вызывать больших затруднений в ходе плавки. Такие шлаки кристаллизуются при температурах ниже 1350°С и имеют низкую вязкость.

Вполне допустимыми для работы печей большого объема являются доменные шлаки, имеющие основность 0,8-1,0 при содержании оксида магния 10-15 %, а оксида алюминия – 10-13 % [6].

Все доменные печи Европы работают на магнезиально-глиноземистых шлаках, содержащих 5,3-17,1 % MgO, 8-12 % Al₂O₃ при основности 0,96-1,18 [1].

Как показывают расчеты (рис.2), содержание оксида магния увеличивается, в зависимости от роста доли сидеритов в шихте, с 8,72 до 19,5 %, а оксида алюминия – снижается с 13,85 до 11,5 % при изменении основности (CaO/SiO2) с 1,14 до 0,86.

Рис. 2. Зависимость содержания MgO в шлаке и его основности от доли сидерита в шихте. (Обозначения – как на рис. 1.)

Список литературы

1. Красноборов В.А. Эффективность и перспективы применения сидеритовых руд в доменной плавке /В.А. Красноборов, С.Л. Ярошевский, А.А. Денисов, В.С. Рудин, В.И. Бирючев, М.Ф. Полушкин – Донецк, 1996. 88 с.

2. Леонтьев Л.И. Пирометаллургическая переработка комплексных руд /Л.И. Леонтьев, Н.А. Ватолин, С.В. Шаврин, Н.С. Шумаков - М.: Металлургия, 1997. 432 с.

3. Патент РФ № 2041963 от 20.08.95. Способ подготовки кусковых сидеритовых руд к доменной плавке /А.С. Вусихис, Л.И. Леонтьев, В.И. Двинин, С.Г. Майзель.

4. Ченцов А.В. Балансовая логико-статистическая модель доменного процесса /А.В. Ченцов, Ю.А. Чесноков, С.В. Шаврин - М.: Наука, 1991. 92 с.

5. Жило Н.Л. Формирование и свойства доменных шлаков - М.: Металлургия, 1974. 120 с.

6. Вяткин В.П. Опытные плавки с участием в шихте Бакальских сидеритов /В.П. Вяткин, Л.Я. Гаврилюк, М.Я. Остроухов и др. //Шлаковый режим доменных печей - М.: Металлургия, 1961. 350 с. 

Назад к списку