научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ УГЛЯ НА ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА ИЗ КОНЦЕНТРАТОВ Математика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ УГЛЯ НА ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА ИЗ КОНЦЕНТРАТОВ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 463, № 5, с. 556-558

== ХИМИЯ

УДК 544.337

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ УГЛЯ НА ВОССТАНОВЛЕНИЕ

ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА ИЗ КОНЦЕНТРАТОВ

© 2015 г. А. М. Амдур, академик РАН Н. А. Ватолин

Поступило 30.03.2015 г.

Экспериментально с помощью дифференциального сканирующего калориметра STA 449C Jupiter, оборудованного масс-спектрометром QMC 230, изучено влияние процесса термической деструкции угля на параметры восстановления оксидов железа из концентратов. Установлено, что термическая деструкция увеличивает скорость восстановления и снижает температуру начала процесса из-за повышения восстановительного потенциала газовой фазы и увеличения удельной поверхности угля. Показано, что продукты термической деструкции угля практически не участвуют в науглероживании продукта восстановления.

Б01: 10.7868/80869565215230140

Производство металлизованного железорудного сырья для выплавки стали — одно из перспективных направлений развития черной металлургии в мире. Опережающими темпами развиваются технологии металлизации, использующие в качестве восстановителя уголь.

Уголь содержит значительное количество летучих компонентов, которые выделяются в период нагревания: от 4—6 мас. % в антрацитах, 14—16 мас. % в тощих углях и до 35—40 мас. % в бурых. Роль продуктов термической деструкции угля в процессах восстановления железных руд и науглероживания металла изучена недостаточно.

Согласно полученным с помощью химического анализа экспериментальным данным (табл. 1), присутствие летучих компонентов в угле повышает степень металлизации фм магнетитового железорудного концентрата (общее содержание Бе 64 мас. %) при прочих равных условиях. Результаты опытов также показали, что восстановительная способность бурого угля, имеющего в составе большое количество летучих компонентов, намного выше, чем эта способность у тощего (табл. 2). Состав газовой фазы при термической деструкции угля с различной степенью метаморфизма, определенный нами с помощью масс-спектрометра, приведен в табл. 3.

Уральский государственный университет, Екатеринбург

E-mail: engineer-ektb@rambler.ru Институт металлургии

Уральского отделения Российской Академии наук, Екатеринбург

Для выявления роли летучих компонентов угля в процессе восстановления оксидов железа использовали прецизионный дифференциальный сканирующий калориметр STA 449C Jupiter, оборудованный масс-спектрометром QMC 230.

На рис. 1 приведены данные по кинетике восстановления магнетитового железорудного кон-

Таблица 1. Влияние летучих компонентов угля на степень металлизации (фм) при различных температурах и временах выдержки (т)

С/Сст = 1, т = 60 мин

Т, °C 800 1000 1100 1150

Фм, % 44.3/35.5 94.6/93.0 96.2/92.2 92.7/87.2

С/Сст = 1, Т = 1000°C

т, мин 30 50 60 90

Фм, % 94.3/82.1 96.3/91.3 94.6/93.0 98.6/95.7

Примечание. Числитель — бурый уголь с летучими компонентами, знаменатель — тот же уголь со специально удаленными летучими при термической обработке в токе аргона при 1000°С в течение 1 ч.

Таблица 2. Степень металлизации (фм, %) при восстановлении магнетитового концентрата бурым и тощим углями при 1000°С (С/Сст = 1)

Уголь фм при времени восстановления (мин)

30 50 90

Бурый уголь 94.3 96.3 98.6

Тощий уголь 29.6 47.6 61.7

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОИ ДЕСТРУКЦИИ УГЛЯ

557

1200

800 1000 1200 Температура, °C

Рис. 1. Восстановление магнетитового концентрата бурым углем.

а — DSC-кривая восстановления, б — DTG-кривая восстановления, в — DTG-кривая термической деструкции угля. Скорость нагревания 10 град/мин.

центрата и термической деструкции использованного для этого бурого угля. Из рисунка видно, что на кривых скорости изменения массы образца (ЭТО, рис. 1б) в процессе восстановления оксидов железа из концентрата бурым углем имеется несколько пиков скорости. Пик при 440°С относится, как показали отдельно поставленные опыты, к термической деструкции использованного бурого угля (рис. 1в): его деструкция начинается при 360°С, а скорость приближается к нулю при ~900°С.

Картина восстановления оксидов железа углем после специально проведенного удаления из него летучих компонентов меняется. Температура начала восстановления возрастает до 855°C. Максимальная скорость уменьшается примерно в 2 раза и сдвигается в область более высоких температур. Раздвоенность пиков DSC и DTG (рис. 1а и 1б) в области максимальной скорости сохраняется, но появляется дополнительный пик при 730°C. Меняется и состав газовой фазы.

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 463 № 5 2015

558

АМДУР, ВАТОЛИН

Таблица 3. Состав газовой фазы при термической деструкции углей с различной степенью метаморфизма

Температурны максимум (°С) содержания компонентов

Н2О СН4 мн3 С02 СО Н2

Бурый 119, 400 525 525 400 450, 700 725

Тощий, Красногорский разрез, Кузбасс 120 525 - 450, 700 700 800

Тощий, шахта Краснокаменская, Кузбасс 120 575 - 475 - 775

Антрацит 120, 700-800 440-500 - 475 - 800

Мы установили, что термическая деструкция угля начинается и имеет максимальную скорость (440°С) при более низких температурах, чем восстановление оксидов железа (начинается при 680°С). Ее газообразные продукты (табл. 3) повышают восстановительный потенциал газовой фазы и участвуют в восстановлении оксидов железа концентратов. Кроме того, деструкция угля приводит к росту пористости, удельной поверхности и соответствующему увеличению реакционной способности. Измерения на приборе СОРБИ N 4.1 показали, что удельная поверхность угля резко возрастает с 2.04 ± 0.20 до 161.3 ± 4.26 м2/г в период удаления летучих компонентов, т.е. более чем в 80 раз.

Важной задачей является регулирование содержания углерода в губчатом железе, которое в зависимости от марки выплавляемой из него стали меняется от 0.5 до 2.5%.

Результаты опытов показали, что содержание углерода в восстановленном железе (степень металлизации изменялась от 44.3% при 800°С до 92.7% при 1150°С) не зависит от того, содержит ли уголь летучие компоненты или нет, и от времени выдержки, поскольку их выделение завершается на ранних стадиях восстановления железа. Следовательно, продукты термической деструк-

ции угля практически не участвуют в науглероживании восстановленного железа. Установлено также, что на содержание углерода в таком железе мало влияет масса угля в исходной смеси, выраженная в виде отношения С/Сст (отношение содержания углерода в смеси концентрат—уголь к стехиометрическому, необходимому для полного восстановления оксидов железа). Это отношение остается низким (0.27%) даже при С/Сст = 1.2. Поэтому регулирование количества углерода в металлизованном продукте в период восстановления неэффективно и должно проводиться, вероятно, при его охлаждении в токе природного газа, как это реализуется, например, в технологии М1ёгех.

Таким образом, установлено, что при выделении летучих компонентов угля при восстановлении им оксидов железа из концентратов увеличивается скорость этого процесса, что косвенно подтверждает теорию восстановления оксидов металлов твердым углеродом через газовую фазу, но не оказывает влияния на содержание углерода в конечном продукте.

Работа выполнена в рамках проектной части государственного задания Министерства образования и науки России.

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 463 № 5 2015

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком