Брикет металлургический:
История брикетирования, предлагаемый способ и поведение железоортоуглеродосодержащих брикетов в металлургических агрегатах.

Введение.

1.1. Методы окускования железосодержащих материалов.

Современные технологии производства чугуна, стали, ферросплавов и литья включают в себя окислительно-восстановительные процессы железосодержащего сырья и легирующих элементов с применением в качестве основного энергоносителя и восстановителя металлургического каменноугольного кокса в соответствующих тепловых агрегатах (печах).

Богатое железосодержащее сырье представляет собой мелкую фракцию и ведение металлургичеких процессов в печах требует их окускование для обеспечения достаточной газопроницаемости. Традиционно шихтой для таких переделов является агломерат, окатыши, железо прямого восстановления, чушковый чугун, металлолом, ферромарганец, ферросилиций и т.д., а также минеральное сырье в качестве флюсующих добавок.

Окускование является одной из актуальных задач в подготовке железосодержащих материалов к металлургическому переделу.

Известны три способа окускования мелких руд и концентратов: агломерация, грануляция (окомкование) и брикетирование.

Агломерация- процесс получения кусков (агломерата) методом спекания мелкой руды и концентрата с топливом при высокой температуре горения. Благодаря высокой температуре в процессе агломерации возгоняется часть вредных примесей (например, сера).

Грануляция (окомкование-окатывание)- процесс получения окатышей, основанный на свойстве увлажненных тонко-измельченных частиц руды или концентрата образовывать окатыш большей или меньшей крупности и прочности, которым окатыванием в специальных аппаратах придается необходимый размер и форма, последующим обжигом- повышенная прочность.

Брикетирование - процесс получения кусков (брикетов) с добавкой и без добавки связующих веществ с последующим прессованием смеси в брикеты нужного размера и формы.

В России в настоящий момент производится около 52 млн. т. агломерата, 30 млн.т. окатышей и в промышленных объемах металлургические брикеты производит только одно предприятие.

Много и долго в вопросе использования брикетирования для подготовки неметаллической шихты металлургических процессов и утилизации мелких отходов работает кафедра металлургии черных металлов Магнитогорского государственного технического университета. Были разработаны технологии, предложено и апробировано изготовление с использованием мелких отходов самых различных брикетов для металлургического производства: шлакообразующих для выплавки стали, рудных для доменной плавки, на основе губчатого железа и ее мелочи, коксоугольных и др.

Несмотря на давность использования брикетирования, его теория изучена слабо. Поэтому до настоящего времени брикетирование является искусством, требующим большого экспериментального и практического опыта.

1.2. Брикетирование как перспективный метод окускования на современном этапе развития промышленности.

Брикетирование в черной металлургии- это наиболее ранний способ окускования, который широко применяется для этой цели во второй половине 19 столетия. В начале 20 столетия брикетирование было вытеснено агломерацией по причинам:

  • неэкономичность окускования брикетированием при помощи маломощных прессов с низкой производительностью, в то время как в агломерации были созданы машины с производительностью 2000 т. и более агломерата в сутки;
  • возможность при агломерации удалить вредные примеси (S, As, Zn, и др);
  • получать агломерат в офлюсованном виде.

И в настоящее время производство металлургических брикетов в России не получило развитие в широких производственных масштабах по тем же самым причинам, хотя с точки зрения технологии и экономики производства оно имеет ряд преимуществ:

  • брикеты имеют одинаковую правильную форму и вес, в данном объеме содержат больше металла, они обладают более высокой прочностью и лучшей транспортабельностью;
  • обладают более высоким удельным весом;
  • количество оборотного продукта на агломерационной фабрике составляет около 20-25%, а иногда и выше от общего потока шихты, в то время как на брикетной фабрике- не более 2%;
  • весь кислород руды в брикете остается активным, в агломерате же он находится в связанном состоянии ( в виде силикатов), первое особенно важно для доменного производства;
  • экологическая безопасность брикетов (безотходность, отсутствие высоких температур при изготовлении);
  • возможность применения в брикете в любом соотношении углеродосодержащего наполнителя для активизации процессов в металлургической печи (карбюризатор, восстановитель, энергоноситель);
  • возможность использования всех видов тонкодисперсных железофлюсолигироуглеродосодержащих отходов металлургического передела.

Надо учесть, что попытки использовать брикетирование в металлургии для подготовки неметаллической шихты не прекращались никогда. Особенно полно брикетирование как метод окускования отвечает требованиям утилизации мелких отходов метзаводов (сравнительно небольшое воспроизводство, непостоянство физико-химических свойств и пр.). Металлургическими предприятиями Франции ежегодно перерабатывается в брикеты до 4 млн.т. железосодержащих шламов и уловленной в газоочистках пыли. В черной металлургии США и стран Западной Европы уже давно наряду с железосодержащими материалами брикетируются другие мелкие отходы: известковая пыль, отходы ферросплавного производства, некондиционная мелочь плавикового шпата и прочие весьма ценные материалы. На их основе получают шихтовые брикеты и флюсы для металлургического производства.

К основным причинам недостаточного использования брикетирования в отечественной практике следует отнести сегодня следующие:

  • неправильный выбор места и объема утилизации отходов;
  • упрощенный (некомплексный )подход к решению проблемы;
  • использование неэффективных способов (технологий) брикетирования

Понятны пути решения этих трех проблем:

  • максимальное приближение изготовления брикетов к техногенным месторождениям и, соответственно, предприятиям потребителям;
  • создание металлургического самовосстанавливающегося и самоплавкого брикета с использованием нетрадиционного вяжущего и углеродистого наполнителя для всех видов металлургического передела, т.е. принципиально новой композиционной шихты;
  • использование резерва имеющегося вибропрессовального оборудования для производства строительных изделий и создание упрощенных вибропрессовальных автоматических линий для производства металлургического брикета.

1.3. Экологические проблемы промышленности по утилизации отходов.

При производстве чугуна и шихты для него (агломерат, окатыши, кокс), при производстве стали и ферросплавов выделяется большое количество железоуглеродофлюсосодержащих отходов: до 6% от конечного продукта каждого передела, в то время как доля использования образующихся металлургических отходов в настоящее время в России не превышает 5% от объема их образования Если учитывать накопление отходов в течение десятилетий, то речь идет о техногенных месторождениях, равноценных природным железоугольным месторождениям.

По некоторым оценкам объем этих техногенных месторождений по России и бывших странах СНГ составляет 450-550 млн.т. Тульская область имеет на своей территории порядка 17 млн.т. железосодержащих отходов, включая шламы аглодоменные ОАО «Тулачермет», шламы ОАО «Ванадий», Косогорские шламы, пиритные огарки Новомосковска и т.д.

Большие исследование по использованию брикетирования в металлургии проводились в СССР рядом институтов (Московский горный и Грузинский политехнический институты, Воронежский госуниверситет, ЦНИИчермет, ДонНИИчермет и др) и промышленными предприятиями (ММК, БМК, заводы Коммунарский и Челябинский, Лисаковский ГОК, Бакальское рудоуправление и др.)

По опыту российских и зарубежных предприятий оптимальным местом утилизации отходов метзаводов является их собственное производство, поскольку:

  • по содержанию основных компонентов улавливаемые мелкие отходы (в основном пыли и шламы) близки к используемой в данном производстве шихте;
  • менее жесткие требования при использовании отходов в собственном производстве, чем в случае их отправки сторонним организациям;
  • наличие на метзаводах свободных мощностей и развитой инфраструктуры;
  • большие трудности( и даже невозможность) транспортировки мелкодисперсных и влажных отходов, шлама на далекие расстояния.

Только брикетирование, из-за особенности своего технологического цикла, способно вернуть отходы в металлургический передел, с достаточно высокой рентабельностью, улучшить экологию.

2.Основная часть

2.1. Способ изготовления (холодное брикетирование)

Наиболее экономически выгодной и экологически безопасной является холодное брикетирование. Недостатки ранее принятой технологии изготовления брикетов на штемпельных, револьверных, вальцевых прессах (низкая производительность, сложность оборудования, ограниченность в размерах и т.д.) полностью решаются на вибропрессовальных линиях.

Формование брикета производится способом вибропрессования, т.е. одновременным воздействием на формовочную смесь вибрации и прессования.

В зависимости от области применения металлургического брикета возможно получение любого, отвечающего требованиям каждого конкретного металлургического агрегата и его

шихты, состава брикета, с добавлением различных легирующих и флюсующих добавок, с заданными механическими свойствами.

2.2 Результаты испытаний на лабораторных установках.

Испытания проводились на механические свойства, поведения при термическом воздействии, а также металлографические исследования железоуглеродосодержащих брикетов до и после термообработки.

По физическим свойствам брикеты металлургически должны:

  • - обладать атмосфероустойчивостью (при хранении на воздухе не подвергаться атмосферному влиянию, не разрушаться от сырости, тепла и холода);
  • - обладать механической прочностью, то есть в достаточной степени сопротивляться удару и истиранию (выдерживать перевозку и перегрузку с образованием минимального количесва мелочи и пыли);
  • - обладать достаточной пористостью, так как от степени пористости зависит скорость восстановления руды, а в связи с этим и производительность печи (брикеты для доменной и шахтной плавок);
  • - обладать плотностью и большим удельным весом;
  • - содержать минимальное количество влаги, так как влажность ухудшает газопроницаемость брикетов, а на испарение её требуется дополнительный расход горючего;
  • - быть термоустойчивыми и выдерживать в печи под определенным давлением, не разрушаясь, температуру 800-1000°С.

В черной металлургии к брикетам предъявляют специальные требования в соответствии с их назначением, т.е. в зависимости от способов их передела.

Железоуглеродосодержащие брикеты очень устойчивы к атмосферным воздействиям и в процессе хранения даже увеличивают свою прочность в некоторых случаях до 40% от первоначальной.Плотность и прочность зависят от компонентного состава и количества вяжущего.

Механическая прочность брикетов высокая.Показатель, определяющий сопротивление брикета перевозкам и перегрузкам, называется осыпаемость. При 3-х кратном сбрасывании с 1.5 м на стальную плиту выход- 5мм составил 1.1% при требовании не более 10%, хотя определение прочности на удар и истирание по методике агломерата показал более худшую прочность по сравнению с последним, здесь можно поставить под сомнение соответствие методики к новому виду доменной шихты.

Пористость железоуглеродосодержащего брикета более 40%, при требовании не менее 10%.

Гигроскопическая влажность зависит от условий хранения, в представленных образцах она находится на уровне 2-3%. Брикет выдерживает , не разрушаясь, температуру до 1300°С, т.е. более высокую, чем предъявляется к такому виду шихты (800-1000°С). Размягчаемость брикета близка к размягчаемости Михайловских окатышей.

Степень восстановления железа из окалины за счет углеродной составляющей составляет 83-85%, однако неравномерный фракционный состав используемой коксовой мелочи, а так же неравномерное перемешивание ( данные металлографических исследований) дают направление по увеличению контактной поверхности коксовой мелочи с окалиной и пути повышения степени металлизации. Это также подтверждается несоответствием степени металлизации с остаточным углеродом в продуктах после термообработки брикета. Металлизированное железо находится в виде чугуна. Наличие в продуктах плавки тугоплавкого светло-серого немагнитного порошка с черными вкраплениями до 15-20% - это зола кокса и модификационно измененный цементный клинкер, говорят о возможном выносе этой пыли в месте с колошниковой пылью, хотя термостойкость брикета возможно позволит перевести эту составляющую в шлак, тем не менее снижение количества цемента и повышение качества углеродосодержащего наполнителя позволит уменьшить этот негатив.

Полученные образцы по своим механическим свойствам удовлетворяют, а в некоторых случаях и превышают те требования, которые были определены к металлургическому брикету.

Для сравнения был частично (из-за отсутствия достаточного количества образцов ) исследован Волгоградский металлургический железоуглеродосодержащий брикет.

ФОРМА БРИКЕТА: куб (120*120)

ВНЕШНИЙ ВИД: серый с точечными белыми вкраплениями, углы отколотые, мажет руку, крошится.

ПРОЧНОСТЬ: 37.6 кгс/см2

ПЛОТНОСТЬ: 1839 кг/см3

ПОРИСТОСТЬ: 18%-11-

ПРИМЕРНЫЙ СОСТАВ ПО КОМПОНЕНТАМ:

  • 45% - окалина (- 8 мм)
  • 40% - бой графитовых электродов (-3 мм)
  • 15% - жидкое стекло с отвердителем.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ:

Fe2O FeO Feмет Feобщ K2O Na2O CaO Al2O3 SiO2 P2o5 MgO C MnO S
13.88 37.62 3.63 42.50 1.05 0.40 1.50 1.75 13.70 0.030 0.50 19.30 0.45 0.25

По всем механическим показателям, а также химическим составляющим (Fe, CaO/SiO2), он явно уступает брикету «ЭкоМашГео».

Способ изготовления Волгоградского брикета основан на обычном прессовании, т.е. вибропрессование в данном случае более правильное и технологичное направление производства металлургического брикета

2.3. Поведение железоуглеродосодержащих брикетов в металлургических агрегатах.

Железоуглеродосодержащий брикет «ЭкоМашГео» - это самоплавкая, самовосстанавливающаяся шихта для металлургических переделов.

Химический состав исследуемых брикетов.

Химический состав:

Feобщ - 43.28
FеOист - 30.06
Feмет - 1.01
Fe2O3 - 27.15
CaO - 10.78
Al2O3 - 1.48
SiO2 - 9.7
P2O5 - 0.06
S - 0.24
C - 19.65
MgO - 0.6
MnO - 0.28
TiO2 - 0.08
K2O - 0.26
Na2O - 0.09
п.п.п - 20.0
CaO/SiO2 - 1.11

Если взять среднегодовую шихту доменной печи №3 ОАО «Тулачермет» за 2000 год, то получим содержание железа в шихте 42.33%, углерода в шихте –21.8%, основность шлака –1.08, т.е. это косвенно подтверждает указанную выше технологичность брикета ( самоплавкость и самовосстанавливаемость)

На Таганрогском метзаводе в сентябре 2001года проведено было 9 плавок стали в Мартеновском цехе с использованием брикетов.В 285 тонной мартеновской печи использовалось до 20 т брикетов в шихте.

Брикет оказался технологичен, т.е. механически прочен, термостоек, сохранил свою форму при температуре 1450-1500 °С. При снижении температуры плавления данного брикета до 1250-1400 °С и повышение основности до 2-3 единиц, он вполне становится экономичной шихтой мартеновского передела в условиях «Тагмета».

2.4. ТЭО замены традиционной доменной шихты железоуглеродосодержащим брикетом

Как отмечалось выше, брикет –это самоплавная и самовосстанавливающаяся шихта, соответствующая среднегодовому составу шихты д.п №3 ОАО "Тулачермет"

Если условно принять, что брикет на 100% заменяет шихту доменной печи, тогда себестоимость брикета должна быть не выше этой цены.

Расчет:

537 руб. х 0.968 т/т.чуг.= 520 руб.- стоимость агломерата в шихте
502 руб. х 0.679 т/т.чуг = 341 руб.- стоимость окатышей в шихте
1759 руб. х 0.592 т/т.чуг = 1041 руб.- стоимость кокса в шихте
где 0.968; 0.679; 0.592 т/т.чуг.- расходные коэффициенты, соответственно, агломерата, окатышей, кокса, а 537, 502, 1759 руб. – цена, соответственно, этих материалов.

Тогда стоимость доменной шихты на 1 т. чугуна (цены и расходные коэффициенты летних месяцев 2001 года) составит:

Общий расход шихты на 1 т. чугуна составляет:

0.968+ 0.679+0.592 = 2.268 т/т.чуг.

А стоимость 1 т. шихты:

1902руб.: 2.268= 838.6 ~ 840 руб/т

Т.е. 840 руб/т – это цена, тонны традиционной доменной шихты или тонны железоуглеродосодержащего брикета с «0» рентабельностью.

Ожидаемая себестоимость брикета 721руб./тн.

Т.е. в условиях первоначальных повышенных затрат при изготовлении опытно-промышленной партии брикета (цена передела взята 200 руб./т)- себестоимость железоуглеродосодержащего брикета можно условно принять за 725 руб./т, в дальнейшем передел должен снизиться до 100 руб./т, и себестоимость брикета составит 625 руб/т.

Разница между реальной стоимостью и себестоимостью составит:

840руб./т – 625руб./т =215 руб./т (или на 25% меньше)

При замене 10% традиционной шихты, т.е.

0.1 х 2.268 т/т.чуг = 0.2268 т/т.чуг.

Ожидаемая экономия составит:

215 руб./т х 0.2268т./т.чуг = 48.762 ~ 49 руб/ т.чуг.

3.Заключение

3.1. Технологичность данного вида шихты

Композиционная окускованная шихта включают в себя основные составляющие металлургической шихты конкретного передела, является идеальной для ведения технологического процесса, т.к. включает в себя постоянство химического, гранулометрического состава, а также равномерное распределение энерготеплоносителя и химического восстановителя по всему пространству теплового агрегата. Моношихта – это максимальная технологическая и экономическая целесообразность каждого передела.

Примерный состав предлагаемых железофлюсоуглеродосодержащих брикетов следующий (подбирается под конкретный тепловой агрегат):

  • окисленный железосодержащий материал(шламы, осадки на фильтрах и др.) ~ 5-57%
  • углеродосодержащий наполнитель (древесный уголь, отсев кокса, коксовая пыль, бой электродов и т.д.) ~ 10-50%
  • связующее ( древесные смолы, минеральные связующие и т.д.) ~5-15%
  • легирующие добавки ~ 0-15%
  • измельченный железоуглеродистый сплав ~ 0-30%
  • флюсующие добавки ~ 1-10%
  • пластификатор (лигносульфонат, мелассу упаренная и т.д.) в количестве 0.1-0.5 от массы связующего

Использование относительно дешевых брикетов даст значительное снижение затрат на шихту в металлургическом производстве, позволит повысить качество, конкурентоспособность готового продукта.

Технологический брикет рекомендуется к применению в следующих металлургических переделах.

Доменное производство:

  • железотопливный брикет, как заменитель железосодержащего сырья( агломераты, окатышей, металлодобавок) и доменного кокса;
  • железооксидный брикет для промывки горна доменных печей (FeO 40-60%);
  • железотопливный брикет с марганцем и кремнием для выплавки специальных марок чугуна;
  • специальный брикет для наращивания гарнисажа металлоприемника доменных печей.

Сталеплавильное производство:

  • железотопливный брикет, как заменитель чугуна, углеродистого скрапа, углеродосодержащих и флюсов;
  • железотопливный брикет с раскисляющими легирующими добавками (Mn, Si,Al и т.п.);
  • рудноизвестковый брикет для шлакообразования и регулирования температуры металлической ванны.

Ферросплавное производство:

  • композиционный брикет для выплавки ферросплавов (с FeSi, FeCr, FeS, Cr, SiMn, FeMn, Al и углеродом в виде коксовой и графитовой пыли и мелочи, порошкового древесного угля).

Электросталеплавильное производство:

  • композиционный брикет с легирующими добавками, с древесным углем только в качестве восстановителя

Литейное производство на машиностроительных заводах:

  • композиционный брикет с легирующими добавками, с древесным углем только в качестве восстановителя.

3.2. Схема использования в условиях ОАО «Тулачермет»

По составу рационально использовались следующие виды брикетов

  • заменитель железосодержащей шихты и доменного кокса (20-25% коксовая пыль Кемерово, 65-70%- окалина, концентрат, шлам, 10% -вяжущего; основность 1.1, самовосстанавливающийся, самоплавкий брикет)
  • композиционный железосодержащий брикет с промывочным эффектом (брикет из окалины и кремнесодержащего материала с небольшими добавками коксовой пыли 5-10%
  • заменитель металлодобавки и доменного кокса (отсев метализованных брикетов Лебединского ГОКа и 5-10% коксовой пыли)
  • композиционный железосодержащий брикет с марганцовистой добавкой (отсев марганцовой руды, менее 10 мм).

В случае реализации замены части (до 20%) железосодержащей шихты доменного цеха реально уменьшить основность агломерата (до 1.2-1.4) приближалась к моношихте, получая от этого технологическую и экономическую выгоду.Учитывая низкую энергоемкость производства брикетов при систематическом их применении затраты у производителей будут постоянно уменьшаться и стоимость, в конечном итоге, должна быть не выше стоимости агломерата и окатышей.

Список используемой литературы:

  • Б.М.Равич Брикетирование в цветной и черной металлургии М. «Металлургия» 1975г
  • Л.А.Лурье Брикетирование в металлургии М. «Металлургия», 1963г
  • В.П. Булгаков, Г.В. Булгаков Исследование минералогического состава окалино-углеродистых брикетов в процессе восстановления «Черная металлургия» 1998г. №7
  • Реферат И.М.Мищенко «Утилизация окускованной углеродосодержащей металлургической пыли» «Производство чугуна», 1998г.
  • О.В.Юзов, В.А.Исаев Анализ расхода основных ресурсов в черной металлургии России. «Сталь» №10, 1999г
  • В.С.Лисин Тенденции реструктуризации черной металлургии «Сталь» №10, 1999г.

Контактная информация:
тел./факс: +7 (4872) 45-81-16,(4872) 40-42-98, моб. +7 (910) 941-78-05 Котенёв Василий Ильич
E-mail: mashgeo@tula.net, briket@briket.ru

Создание: MAXiMaster  

©2002-2009 ЭкоМашГео