УДК 669.01:622.788.32
ВЛИЯНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО СВЯЗУЮЩЕГО НА ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА ИЗ ОКСИДОВ В ОКАЛИНОУГЛЕРОДНОМ БРИКЕТЕ
© Зюбан Николай Александрович, д-р техн. наук, проф., e-mail: tecmat49@vstu.ru; Гоник Игорь Леонидович, канд. техн. наук, доцент, e-mail: donik@vstu.ru; Новицкий Никита Александрович
ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет». Россия, г. Волгоград Статья поступила 21.11.2013 г.
Производство брикетированного шихтового материала из железосодержащих отходов предполагает применение связующего вещества, которое обеспечивает необходимую механическую прочность. Разработанное многокомпонентное связующее вещество, помимо требуемых механических свойств, позволяет интенсифицировать процессы восстановления в окалиноуглеродном брикете. Представлены результаты исследований многокомпонентного связующего, подтверждающие теоретические представления о протекающих при нагреве процессах внутри брикета.
Ключевые слова: шихтовые материалы; металлургия; шихта; брикет; восстановление железа; прокатная окалина; отходы; деривато-грамма; связующее; жидкое стекло.
В настоящее время в условиях удорожания энергетических ресурсов и сырьевых материалов одним из перспективных видов металлошихты для выплавки стали являются брикетированные материалы, производимые из железосодержащих отходов. По данным Федеральной службы государственной статистики РФ наблюдается постоянный рост цен на сырьевые материалы. Так, с сентября 2011 г. по февраль 2013 г. отмечено увеличение стоимости металлизованных окатышей на 13,3% - с 3048 до 3455 руб/т, что вызывает определенные экономические трудности в обеспечении предприятий качественной шихтой [1].
Преимущество использования железосодержащих отходов в альтернативных шихтовых материалах - существенное содержание в них ценных компонентов [2]. К примеру, прокатная окалина содержит до 75% железа, шламы электросталеплавильного производства - до 35% цинка и 2075% железа [3, 4]. Важным является и тот факт, что такие отходы имеют низкое содержание вредных примесей - серы и фосфора. Использование железосодержащих отходов в металлургическом производстве также позволяет сократить транспортные расходы ввиду расположения полигонов для их хранения в непосредственной близости от предприятий [5].
Объектом исследований, проведенных на кафедре «Технология материалов» ВолгГТУ, являлся оксидоуглеродный брикет (ОУБ), который представляет собой смесь окалины с углеродом и многокомпонентным веществом в качестве
связующего. Применение такого связующего в условиях нагрева ОУБ до 600-1000 °С обеспечивает процессы восстановления железа из оксидов внутри брикета без его разрушения в процессе нагрева [6]. Ранее проведенные исследования показали, что оксидоуглеродный брикет (ОУБ) по механическим свойствам соответствует требованиям, предъявляемым к брикетированным шихтовым материалам [4].
Свойства многокомпонентного связующего, представляющего собой смесь оксидов ЯЮ2-В203-Са0-К20 и натриевого жидкого стекла, в условиях нагрева исследовали на образцах цилиндрической формы, полученных прессованием. Нагрев исследованных образцов проводили в муфельной печи до 900 °С.
Процессы, происходящие при нагреве связующего, представлены на рис. 1. На начальных этапах нагрева (при температурах 200-400 °С) происходило удаление остаточной влаги, что приводило к частичному растрескиванию образцов (см. рис. 1, б). При дальнейшем повышении температуры (до 600 °С) начиналось оплавление поверхности образцов (см. рис. 1, в). При 840 °С наблюдалось полное расплавление и растекание образцов связующего по стальной подложке (см. рис. 1, г). После расплавления образцы отделяли от подложки для изучения их структуры.
На внутренней поверхности (рис. 2) одного из образцов, отделенного от подложки после расплавления, можно наблюдать четкие округлые границы пор. Причиной образования пор, по на-
Рис. 1. Внешний вид образцов связующего после нагрева в исследованном интервале температур:
а - до нагрева; б - 400 °С; в -600 °С; г -840 °С
шему мнению, является удаление влаги из водного раствора жидкого стекла при нагреве образцов.
В опубликованной ранее работе [7] было сделано предположение о механизме протекания процессов восстановления железа в ОУБ при нагреве, а также была предложена следующая схема процесса (рис. 3, а):
- на ранних стадиях нагрева (от 400 °С) происходит реакция газификации твердого углерода кислородом воздуха, находящегося в порах ОУБ, а также начинается восстановление
Рис. 3. Модель внутреннего состояния брикета в процессе нагрева (а) и макроструктура ОУБ после обжига при 900 °С (б), х7: 1 - углерод; 2 - пространство, заполненное смесью СО и СО2; 3 - окалина; 4 - стеклообразное связующее вещество; 5 - восстановленное железо; 6 - поры
Рис. 2. Образование пор при нагреве многокомпонентного связующего (800 °С):
а - внешний вид образца; б - поры в структуре образца, х20
железа из оксидов монооксидом углерода. Ввиду дефицита кислорода, из-за герметизации внутренних объемов брикета, которая, вероятно, создается при 600 °С в связи с оплавлением многокомпонентного связующего, преобладает реакция газификации углерода с образованием монооксида. Эта реакция экзотермическая, что приводит к ускорению нагрева брикета изнутри;
- после расплавления связующего (800 °С) ОУБ «закупоривается» и представляет собой гете-рофазную систему, состоящую из окалины, твердого углерода, расплава связующего и газов - СО и СО2. На данном этапе происходит интенсивное восстановление оксидов железа монооксидом углерода, присутствующим в порах брикета.
Результаты исследования макроструктуры брикета после металлизирующего обжига при 900 °С представлены на рис. 3, б.
Состав смесей для дифференциально-термического анализа
Компоненты смеси Номер образца
1 2 3 4
Содержание компонентов, мас., %
Железосодержащие отходы (прокатная окалина) 90 80 90 80
Электродный бой (восстановитель) 10 20 10 20
Многокомпонентное связующее (сверх 100%) - - 5 5
риватографе Q-1500D, исследовали образцы смесей, применяемых для компактирования ОУБ. Состав смесей приведен в таблице.
В проведенных ранее исследованиях предполагали, что многокомпонентное связующее вещество в температурном интервале 600-1200 °С обеспечивает газоплотность ОУБ, предотвращает проникновение воздуха в поры брикета и разрушение брикета при нагреве [7, 8].
В результате проведения исследований с применением ДТА были получены дериватограммы (рис. 4), анализ которых подтвердил предположе-
г «Ж - 1 ♦с I, - ' 'г II Т.« - 1>ТА.*С Т, сек- ОТО, га/ни а
1,11 22,2 .0 1,11 1,0 'огог
■щ } ■Г ЫА _
30-
1ПЛ 40 ?|>-
350 30 т 35
300 Ж
м» Т*- и в-
«ю Ы) Я»
650 -то —' У^-
с ос -во 50/ сЛ ю
-30;
Тс
-10
350 130 -15 .50"
31*1 ни -го г.ч -
?ъа ■ [50 ■г5
¿00 -1Ы1 -30
)£0 -1Т0 \ / 35 яо-
100 -18*1 1 у 40 «1-
|
00:011:01.1,0 ВОНЬгООД) иогмлю.о 00(4500,0 Время, ч 0):ОО сэнн 00,0 01:15:00,0 ек 01:30:00,0 01:45:00,0
л р..» -ЕЧк, В
™ г«. Глгш,* [ »м»
«X «и К1Я Ш£-
Ш'
-1
- - / _- - - Е=§ -
IV* у -3
НИ и
1
Й 1 1 -- ■
|1н 1 ■ ■я!1 1
.пи
—. .4. . ■
— -
— 1 :
— н "•1
ж I»- ^^- ш-
; т ' л* "шищ из ■■■»¿м^Ф
Т. с« - »ТА. *с
¡[7.0 ]-в,01
Т, сак - ОТП. пг/жи ¡1,0
000 0
450 10
900 -20
350 30
Й00 -40
750 -50
ТОО -ЬО
650 -ТО
ын -во
550 ■40
500 ИХ)
450 110
41И 120
350 -1М
ЗГИ -140
250 150
200 -К.0
150 ■1Т0
100 -100
АО 1ЧО
П Яш
Т(г 11- т-
щ
* &Т6- <Ь7?г
/
/
/
/
И 00,0 ОНЫМИ).!! 00:311 110,0 00:45:(М1,0 01:1X1:00,0 01:15:00,0 01:30:00,0 01:45;
б
:
Рис. 4. Дериватограммы образцов №1 (а), № 2 (б), № 3 (в), № 4 (г)
Исследования макроструктуры металлизо-ванного брикета косвенно подтверждают соответствие предложенной схемы реальным процессам металлизации ОУБ.
На основе данных о кинетике восстановительных процессов был проведен дифференциально-термический анализ (ДТА) оксидоуглеродного брикета для подтверждения влияния связующего на свойства ОУБ. Исследования проводили на де-
ния о процессах, протекающих в ОУБ при нагреве. На основе полученных зависимостей можно утверждать следующее:
- кривая изменения энтальпии при ДТА (см. рис. 4, а, б) с максимумом в области 790 °С свидетельствует о преобладании экзотермических процессов в начале нагрева образцов № 1, 2. Теоретически обосновано и экспериментально выявлено, что в этом интервале температур происходит ин-
тенсивное окисление углерода за счет остаточного кислорода воздуха в порах этих образцов [9];
- вторым этапом является взаимодействие твердого углерода с образующимся диоксидом углерода в порах брикета, о чем свидетельствует плавное снижение кривой ДТА вследствие преобладания эндотермических процессов.
Одновременно с этими процессами нагрев до 790 °С (образец №1) и 760 °С (образец № 2) приводит к изменению массы образца, о чем свидетельствует наклон кривой ТО (см. рис. 4, а, б). С увеличением содержания углерода в составе образцов увеличивается потеря их массы. Так, при 10% углерода в смеси потеря массы навески составляет 5,3%, а при 20% углерода - 11,7% от первоначального значения.
Исследования образцов смесей ОУБ (№ 3 и 4, см. таблицу) с многокомпонентным связующим наглядно демонстрируют изменение характера ДТА-кривых:
- при содержании углерода 10% выявлено смещение точки начала изменения массы исследуемой смеси до 460 °С (см. рис. 4, в),
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.