Качество железорудного сырья

Железорудные материалы контролируются по следующим параметрам.

1. Химический состав железорудных материалов.

2. Гранулометрический состав железорудных материалов.

3. Восстановимость железорудного материала.

4. Горячая и холодная прочность.

5. Температурный интервал вязкопластичного состояния.

Химический состав железорудных материалов. Химический состав железорудного сырья и его стабильность определяют все технико-экономические показатели доменной плавки: произ­водительность печи, удельный расход кокса, выход шлака, качество получаемого чугуна и др. Для постоянного контроля за работой доменной печи в обязательном порядке определяется содержание в нем следующих элементов и оксидов: Fe_общ, FeO, Mn, SiO₂, CaO. Лишь в отдельных случаях оговаривается определение содержания других соединений. Для осуществления нормального технологического режима плавки, оптимизации шлакового режима необходимо иметь информацию как минимум еще по содержанию двух оксидов: Al₂O₃ и MgO.

Эффективность доменной плавки в значительной степени зависит от постоянства химического состава и физических свойств загружаемых в печь шихтовых материалов. Колебания химического состава шихты значительно ухудшают работу доменной печи, так как его неконтролируемые изменения приводят к нарушению нормального хода процесса. Особенно важным является постоянство содержания железа: снижение его приводит к разогреву печи, а повышение – к похолоданию. Опасность похолодания заставляет вести процесс с резервом тепла, т.е. с перерасходом кокса. Изменения содержания кремнезема и основных оксидов приводят к изменению состава шлака и его физических свойств и расстройству процесса. Изменение гранулометрического состава шихты вызывает нарушение установившегося распределения материала на колошнике и изменяет распределение газового потока. На передовых предприятиях количество проб агломерата и руд с колебаниями содержания железа в пределах 0,5 % изменяется от 50 до 93 %, а в пределах 1,0 % - до 99 %. Пределы колебаний основности окускованных материалов составляют 0,05 абс.

Немаловажное значение для эффективности плавки имеет и стабильность содержания в шихтовых материалах MgO и Al₂O₃. Считают, что при содержании MgO 2 % колебания не должны превышать 0,1 % абс. Пределы колебаний МgO должны быть внесены в технические условия качества окускованного сырья. Когда окускованное сырье содержит значительное количество глинозема, оценка основности производится по отношению (CaO + MgO):(SiO₂ + Al₂O₃), а также по кремниевому модулю SiO₂ : Al₂O₃.

Механическая прочность железорудных материалов. Является одной из важных характеристик рудного материала. Под механической прочностью железорудного материала понимают сопротивление его дроблению и истиранию. Для испытания железорудного материала на механическую прочность применяют барабан (ГОСТ 15137-77) диаметром 1 м и длиной 0,5 м. Внутри барабана диаметрально привариваются два уголка 50х50х5 мм. Внутрь барабана загружается 15 кг агломерата крупностью 5-40 мм или окатышей размерами 5-25 мм. Барабан вращается в течение 8 минут с частотой 25 об/мин. После этого пробу рассеивают на ситах с размером ячеек 5 и 0,5 мм. Масса материала фракции более 5 мм в процентах от массы пробы является показателем прочности на дробление, а масса фракции менее 0,5 мм характеризует прочность на истирание. Первый показатель чаще применяется к агломерату и его численное значение меняется в пределах от 55 до 82 %, а второй – к окатышам, его значение для производимых окатышей составляет 5-11 %. Следует отме­тить, что определяемая таким образом механическая прочность железорудного материала далеко не отражает прочностные характеристики железорудных материалов в доменной печи, где эти материалы подвергаются не только механическим нагрузкам, но и восста­новительно-тепловой обработке. Установлено, к примеру, что механическая прочность окатышей в печи может быть значительно ниже определяемой описанным методом в связи с явлением разупрочнения, связанного с обработкой окатышей газом-восстановителем. Имеющаяся методика определения “горячей прочности” железорудных материалов (ГОСТ 19575-84) не нашла в настоящее время широкого практического применения.

Восстановимость железорудного материала. Под восстановимостью железорудного материала понимается его способность с большей или меньшей скоростью отдавать кислород от оксидов железа газу-восстановителю. Этот показатель относится к одно­му из важнейших, определяющих развитие процессов косвенного восстановления и расход кокса. Для определения восстановимости железорудных материалов используется методика согласно ГОСТ 17212-84. Восстановление производится в вертикальной реакционной трубе, помещенной в электропечь. Навеска рудного материала крупностью 12,5 - 10 мм массой 500 г загружается в реакционную трубу, которая подвешивается к весоизмерительному устройству. Навеска продувается газом с расходом 30 ± 1 кубических дециметров в минуту. Газ имеет следующий состав: СО = 33 %, N₂ = 65 %, остальное Н₂, СО₂, Н₂О. В процессе продувки навески газом печь нагревается в начале до 600 °С в течение 40 минут, а затем до 1100 °С в последующие 175 минут. В про­цессе нагрева навески и продувки ее газом-восстановителем производится регистрация потерь массы кислорода. Восстановимость определяется как отношение массы отнятого кислорода к массе первоначально связанного кислорода, выраженное в про­центах. Железорудные материалы хорошей восстановимости имеют этот показатель в пределах 60-70 %.

Гранулометрический состав железорудного сырья. Размер кусков железорудной шихты определяет газопроницаемость столба материалов, а также развитие восстановительных процессов в печи. Размер кусков железорудного материала, как было показано выше, должен быть оптимальным, поскольку чрезмерно большой размер, обеспечивая достаточно хорошую газопроницаемость слоя шихты, значительно ухудшает протекание восстановительных процессов и, наоборот, мелкий рудный материал, имея развитую реакционную поверх­ность и хороший контакт с газом-восстановителем, ускоряет процессы восстановления, но слой, составленный из мелких кусков, оказывает большое сопротивление движущемуся газовому потоку и ограничивает производительность печи. Несмотря на важность информации о полном ситовом составе железорудных материалов, чаще всего в нем определяют только содержание мелочи - фракции менее 5 мм. Полный гранулометрический анализ агломерата предполагает определение в нем следующих фракций: > 50 мм, 25-40 мм, 10-25 мм, 5-10 мм, < 5 мм.

Что касается гранулометрического состава окатышей, то в нем указывается только их средний размер (обычно от 9 до 25 мм) и содержание фракции менее 5 мм (для производимых в России окатышей - от 2,3 до 3,7 %).

Температурный интервал вязкопластичного состояния. Температурный интервал зоны вязкопластичного состояния определяет газодинамическую напряженность в нижней зоне доменной печи. Температурный интервал определяется температурами начала плавления железорудного материала (t_нп) и температурой расплавления (t_р).

Многочисленные экспериментальные исследования усадки материалов при их нагреве показали, что t_нп определяется минералогическим составом агломерата, а именно, наличием в агломерате оливинов и силикатного стекла. В процессе нагрева, образуются расплавы эвтектического состава. Существенное влияние на t_нп оказывает основность агломерата и содержание в нем MgO. Анализ диаграмм плавления системы CaO - SiO₂- Al₂O2₃ – MgO показал, что с ростом основности и содержания MgO в агломерате t_нп увеличивается. Данное явление отражается уравнением, предложенным В.З. Кацманом. Для расчета температуры начала плавления железорудных материалов используется уравнение В.З. Кацмана, которое имеет следующий вид.

t_н.пл.=1085,3+63,8*(CaO/SiO₂)+25,3*MgO-13,8*Al₂O₃-0,2*FeO-11,6*MnO,

где CaO,SiO₂,MgO, Al₂O₃, FeO, MnO.- содержание соответствующих оксидов в железорудном материале, %.

Под температурой расплавления понимается такая температура, при которой шлаковая составляющая железорудных материалов вытекает из лабораторной установки.

Целесообразнее принимать за температуру расплавления материала такую температуру, при которой возможно вытекание расплава из коксовой насадки, состоящей из кусков диаметром 25 мм. По имеющимся в литературе данным, расплав из коксовой насадки вытекает тогда, когда его вязкость достигает 2,5 Па*с.

Рассчитать данную температуру можно исходя из температурной зависимости вязкости шлака. В общем виде эта зависимость может быть представлена уравнением Ле-Шателье,

lg(lgh)=а₀+а₁*t.

Здесь а₀ и а₁- эмпирические коэффициенты;

t – температура шлака, ^оС.

Для определения коэффициентов а₀ и а₁ достаточно для каждого конкретного состава шлака знать вязкость при двух температурах.