РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ РАЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗА ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ
advertisement
1 На правах рукописи Рыбкин Виктор Сергеевич РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ РАЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗА ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ КАЧКАНАРСКИХ ТИТАНОМАГНЕТИТОВ Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Екатеринбург – 2009 2 Работа выполнена в Институте металлургии УрО РАН Научный руководитель доктор технических наук, профессор, академик РАН Леонтьев Леопольд Игоревич Официальные оппоненты: доктор технических наук Кашин Виктор Васильевич кандидат технических наук Жуков Юрий Сергеевич Ведущая организация ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина Защита диссертации состоится «30» октября 2009 года в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 004.001.01 при ГУ Институт металлургии УрО РАН по адресу: 620016, г.Екатеринбург, ул. Амундсена, 101. С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке УрО РАН. Автореферат разослан « 29 » сентября 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Дмитриев Андрей Николаевич 3 Общая характеристика работы Актуальность работы. Устойчивая тенденция увеличения производства высококачественной стали в электропечах и, соответственно, возрастание дефицита металлического лома требует вовлечения в производство его заменителей – железа прямого получения. Металлизация качканарских концентратов особенно перспективна в связи с содержанием в них ванадия, степень извлечения которого при внедоменной переработке почти в два раза выше, чем по схеме «доменная печь-конвертер». Использование в электропечах металлизованного продукта из базовых концентратов не столь эффективно вследствие низкого содержания железа. Решением этой проблемы является использование дообогащенного концентрата, однако при этом принципиально меняется состав пустой породы и закономерости минералообразования. Вместе с тем использование металлизованных концентратов также перспективно и в доменном переделе в связи с возможностью снижения расхода кокса на 5-7% на каждые 10% степени металлизации шихты в пределах до 0-50%. Основываясь на этом, можно надежно прогнозировать высокий спрос на металлизованный продукт из ванадийсодержащих качканарских титаномагнетитов. Поэтому разработка научных основ и технических решений подготовки и металлизации окисленных окатышей из дообогащенных концентратов КачГОК является весьма актуальной задачей. Целью диссертационной работы является проведение комплекса технологичекских и технико-экономических исследований и разработка на этой основе вариантов оптимальных технологий переработки качканарских титаномагнетитов, использующих как газовые восстановители, так и твердое топливо. Задачами исследования являются: 1. Выявление особенностей формирования качественных показателей обожженных окатышей из дообогащеных (Fe>65%) титаномагнетитовых концентратов КачГОКа. 2. Разработка режима термообработки окатышей на существующих обжиговых машинах ОК-228 3. Исследование процессов металлизации окатышей из дообогащеных титаномагнетитовых концентратов КачГОКа с использованием различных типов восстановителей. 4. Разработка и обоснование вариантов технологических схем переработки качканарских титаномагнетитов с получением ванадийсодержащего продукта. 4 Научная новизна. 1. На основе комплекса теплотехнических и технологических исследований и расчетов определены основные требования к режимам термообработки окатышей из дообогащенных концентратов для последующей термообработки в шахтных печах. На этой основе разработана режимная карта для обжиговой машины ОК-228. 2. Впервые установлены закономерности формирования структуры и металлургических свойств обожженных окатышей из дообогащенных титаномагнетитовых концентратов КачГОКа с содержанием железа FeO65% и диоксида кремния SiO21,7%. Это определяет уменьшение количества и изменение состава связки при обжиге, что обеспечивает твердофазный характер спекания для неофлюсованных окатышей и большую долю расплава для офлюсованных. 3. Установлены закономерности металлизации окатышей КачГОК при восстановлении продуктами конверсии природного газа. При этом выявлено, что преимущества металлургических свойств окатышей из дообогащенного концентрата в большей степени проявляются при использовании технологии HYL-III по сравнению с технологией Midrex. 4. Развиты модельные представления металлизации окатышей КачГОК при использовании твердого топлива как в составе шихты для окомкования, так и при его подаче в восстановительный агрегат. 5. Проведен технико-экономический анализ процессов получения металлизованного продукта, как при использовании газового восстановителя, так и твердого топлива. На этой основе разработаны подходы к выбору оптимальных технологий переработки титаномагнетитов в условиях ОАО «Качканарский ГОК. Ванадий». Практическая значимость работы. Показана и подтверждена в ходе лабораторных и полупромышленных испытаний возможность прямого получения железа из дообогащенных титаномагнетитовых концентратов при использовании различных типов восстановителей. 1. Разработаны и обоснованы варианты технологических схем переработки качканарских титаномагнетитов с получением ванадийсодержащего продукта. 5 Автор защищает: 1. Результаты лабораторных исследований и полупромышленных испытаний технологий прямого получения железа из дообогащенных титаномагнетитовых концентратов с использованием, как продуктов конверсии природного газа, так и твердого топлива. 2. Технологию производства окисленных окатышей из дообогащенных концентратов на обжиговых машинах ОАО «Качканарский ГОК.Ванадий» для последующей металлизации. 3. Варианты технологических схем производства сырья и прямого получения железа из титаномагнетитовых руд. Апробация работы: Материалы диссертации обсуждены на международной научно-практической конференции «Творческое наследие Б.И.Китаева» 11-14 февраля 2009 г. УГТУ-УПИ г.Екатеринбург. Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, включая патенты на изобретения. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложена на 131 стр. машинописного текста и содержит 39 таблиц, 26 рисунков и список использованной литературы, содержащий 133 наименования. Содержание диссертации В первой главе приведен аналитический обзор литературных данных о существующих технологиях прямого получения железа с использованием газообразного восстановителя и твердого топлива. Показано, что по мере роста производства стали, наблюдается возрастание дефицита металлического лома и все большее несоответствие его качества требованиям современного сталеплавильного процесса. Проблема дефицита сырья может быть решена за счет развития производства заменителей лома и чугуна, одним из которых является железо прямого восстановления. При этом показано, что по приведенным энергозатратам процессы прямого получения железа находятся на уровне классической схемы «доменная печь–конвертер», однако по качеству конечного продукта, решению экологических проблем, а также с учетом стабильной тенденции удорожания металлургического кокса, железо прямого получения имеет существенные преимущества. Обзор всего многообразия существующих технологий прямого получения железа позволил выявить две основные группы – базирующиеся на восстановлении газом (продуктами конверсии природного газа) и твердым 6 топливом (углем или коксом). В каждой из них имеются технологии получения либо металлизованного продукта (окатышей или брикетов), либо чугуна. Однако отсутствие специальных исследований, в том числе и экономических, не позволяет определить выбор наиболее предпочтительной технологии переработки качканарских титаномагнетитов. Таким образом, на основе анализа существующих технологий не удается сформулировать критерии выбора оптимальной технологии переработки титаномагнетитов. Однако в трудах ученых Уральской школы металлургов установлено, что использование металлизованного качканарского сырья в сталеплавильных переделах позволяет повысить извлечение ванадия в 1,7 – 1,9 раза. Наиболее состоятельной стала попытка оценки пригодности окатышей КачГОК для процессов металлизации, предпринятая в 1998 году при проведении промышленных испытаний в шахтных печах «Мидрекс» ОЭМК. Обобщенные результаты приведены в табл.1. Таблица 1. Сравнительные технико-экономические показатели производства металлизованных окатышей в условиях ОЭМК Производство металлизованных № окатышей на ОЭМК Наименование показателей п.п. Из окисл.окат Из окисл.окат. ОЭМК (база) КачГОК (опыт) 1 Степень металлизации, % 94,0 – 95,0 92,0 2 Прочность металлизованных окатышей, кг/ок 80 - 100 43 3 Часовая производительность печи, т/ч 58 51 4 Удельный расход окисленных окатышей на 1 т 1,42 1,45* металлизованных, т/т 5 Удельный расход природного газа, нм3/ч 325 339 6 115 125 Удельный расход электроэнергии, кВтч/т *) Высокий удельный расход качканарских окисленных окатышей в условиях ОЭМК связан с большим выходом мелочи (менее 5 мм) после металлизации. Таким образом, испытания показали принципиальную возможность металлизации газом окатышей из качканарских титаномагнетитов. Однако низкие технико-экономические показатели процесса, а также недостаточное качество окатышей Качканарского ГОКа не позволяют эффективно использовать окисленные окатыши из базового концентрата для процессов газовой металлизации. Установлена возможность повышения содержания железа в качканарских концентратах выше 65% при снижении оксида кремния до 1,73% путем дополнительного обогащения концентрата. Это приведет к принципиальному изменению состава и свойств связки окатышей и характера их спекания. Однако данные о качестве окатышей, произведенных из такого концентрата, ограничены. 7 Во второй главе проведен расчетный и экспериментальный анализ процессов, протекающих при термообработке окатышей из дообогащенных концентратов КачГОК, и на этой основе разработан режим обжига опытных окатышей на действующей обжиговой машине ОК-228. Основными процессами, определяющими структуру и, соответственно, свойства окатышей, являются окисление и спекание. С этих позиций проведен анализ процесса окисления опытных окатышей в лабораторных условиях при различных пористости и размерах окатышей, содержании кислорода в газовой фазе, температурах. Следующим этапом исследований явилось определение максимальной температуры обжига и времени выдержки для получения требуемых свойств опытных окатышей. С этой целью на лабораторной установке с участием специалистов НПВП ТОРЭКС проводилось определение характерных температур спекания: t1 – температура начала твердофазного спекания за счет механизма объемной диффузии или диффузионного вязкого течения; t2 - температура начала жидкофазного спекания соответствующая интенсивному спеканию образцов в связи с появлением первых порций расплава; t3 - температура начала размягчения образца (потеря исходной формы). В табл.2 представлены значения этих температур для офлюсованных и неофлюсованных окатышей. Из нее видно, что увеличение количества шлакообразующих (за счет добавки известняка) снижает характерные температуры спекания. Таблица 2. Характерные температуры спекания качканарских окатышей Показатели Основность, СаО/SiО2 Характерные температуры спекания, С t1 t2 t3 Офлюсованные 1,3 1115 1225 1385 Неофлюсованные 0,29 1161 1260 1440 Получение окатышей высокого качества за относительно малое время их термообработки возможно при температурах, соответствующих области жидкофазного спекания (незначительно выше t2). Результаты проведенных исследований позволили определить основные требования к сырым окатышам и режиму термообработки опытных окатышей, обеспечивающие достижение максимальной степени окисленности (FeO1,01,5%) и оптимальное соотношение прочности и восстановимости: 8 сырые окатыши должны иметь средний размер 10 – 12 мм и пористость не менее 28-30%; скорость нагрева не должна превышать 100 град/мин; необходима выдержка длительностью 3 – 4 мин при температуре 1000 1100С; температура обжига не должна превышать 1250 - 1270С; содержание кислорода в газовой фазе не менее 14 – 18%. Эти требования, как правило, не реализуются при обжиге базовых (доменных) окатышей. Так, прежде всего, отсутствует выдержка при температурах 1000-1100С, скорость нагрева достигает 150-200С/мин., а содержание кислорода в зонах нагрева не превышает 10-12%. Для реализации этих требований были проведены расчеты необходимых изменений параметров работы технологических зон обжиговой машины, коллекторов, газоходов и тягодутьевых машин. Кроме того, была показана необходимость снижения производительности обжиговой машины на 8 – 10%. На основе этих расчетов разработана временная режимная карта (табл.3) Таблица 3. Временная режимная карта термообработки опытных окатышей для последующей их металлизации 1. Нагрузка машины по сырым окатышам, т/ч - 200-220 2. Высота донной постели, мм - 80-90 3. Высота сырых окатышей, мм - 340-360 4. Скорость движения тележек, м/мин - 1,15-1,25 5. Влажность сырых окатышей, % - не более 9,0 6. Среднемассовый диаметр окатышей, мм - 12-14 7. Температуры и давления по зонам: Наименование Номера Температура, °С Давление, кгс/м2 зон камер В горне В камерах В горне В камерах Сушка 1 1-4а 40-80 300-330 -5 ÷ -10 450 ÷ 500 Сушка 2 4б-5 450-550 ~150 -3 ÷ -5 -200 ÷ -250 Подогрев 6 550-650 ~100 -2 ÷ -4 -200 ÷ -250 7 650-750 120-150 -2 ÷ -3 -200 ÷ -250 Обжиг 1 8 800-900 160-180 -2 ÷ -3 -200 ÷ -250 9 1000-1050 180-200 -2 ÷ -3 -200 ÷ -250 10 1100-1200 200-220 -2 ÷ -3 -200 ÷ -250 Обжиг 2 11 1240-1280 240-280 -2 ÷ -3 -350 ÷ -400 12 1100-1200 300-340 -2 ÷ -3 -350 ÷ -400 Рекуперация 13 1000-1100 360-400 -1 ÷ -2 -350 ÷ -400 14-15а 900-1000 420-470 -1 ÷ -2 -350 ÷ -400 Охлаждение 1 15б-17 900-950 150-200 ~0 400 ÷ 500 Охлаждение 2 18-19а 600-800 20 Не более- 10 Не более 700 9 8. Положение дросселей (% открытия) 1 – 0 ÷ 100 13 – 10 30 15 – 100 19 (аспирационный) – 50 ÷ 100 3 0 – 0 44 – 0 9.Направляющие аппараты дымососов открыты на 100% за исключением 366 и 374 дымососов. 10.Управление газодинамикой горна осуществляется 1ым и 13ым дросселями, а также нагрузками 366 и 374 дымососов. 11. Поддержание заданных температур в камерах осуществляется нагрузкой машины. 12. Ожидаемое качество обожженных окатышей: Барабанный показатель +5 мм, % - 93-94 Истирание -0,5 мм, % - 4,0-4,5 Содержание FеО, % -1,3-1,6 Предлагаемый режим отличается от базового меньшей производительностью (на 10%) обжиговой машины, меньшей скоростью нагрева и выдержкой при температурах 1000-1100С, где обеспечено большее содержание кислорода в теплоносителе. Это определяет достижение требуемых показателей обожженных окатышей (п.12. табл. 3). Проведены комплексные лабораторные исследования свойств опытных окатышей из дообогащенного концентрата Качканарского ГОКа, обожженных в пробниках на обжиговой машине с использованием разработанного (опытного) режима обжига. Шихта для окомкования готовилась двух видов – неофлюсованная и офлюсованная (осн.0,5) с добавлением 0,6%мас. бентонита Зыряновского месторождения. Прочность сырых и сухих окатышей, как офлюсованных, так и неофлюсованных была идентична (сыр = 1,5 кг/ок; сух = 2,62,8 кг/ок), в то время как пластичность офлюсованных окатышей оказалась значительно выше (15,3) по сравнению с неофлюсованными (6,1). Свойства обожженных окатышей приведены в табл.4. Таблица 4. Усредненные показатели обожженных опытных окатышей Вид окатышей Химический состав, % Feобщ FeO CaO SiO2 MgO Al2O3 Неофлюсов 63,2 0,5 0,65 2,10 Офлюсов. 62,65 1,4 1,15 2,18 *) Значение основности по двум компонентам CaO/SiO2. 1,71 1,90 1,48 1,29 Основность СаО+MgO SiO2+Al2O3 0,66 (0,31*) 0,88 (0,53*) Р, кг/ок 386 256 Анализ данных табл.4 показывает, что более высокие прочностные показатели, а также степень окисленности имеют неофлюсованные окатыши из дообогащенного концентрата Качканарского ГОКа. 10 Для испытаний металлургических свойств опытных окатышей в сравнении с базой (окисленные окатыши ОЭМК) использовали лабораторную установку. Окатыши восстанавливались до 30% при 700 и 900С в атмосфере водорода с определением кинетических параметров восстановления и «горячей» прочности. Выбор температур восстановления 700 и 900С соответствует значениям температур начала зоны восстановления в шахтной печи и максимальной температуре в ее конце. Таблица 5. Характеристики частично восстановленных (до 30%) окатышей. Температура восстановления Характеристика пробы Константа скорости восстановления, k103, с –1 Прочность восстановленных окатышей, Ргор, кг/ок 700С КачГОК Неофл. Офл. 900С ОЭМК базовые КачГОК Неофл. Офл. ОЭМК базовые 1,0 0,8 1,4 1,8 1,2 2,3 105 65 120 50 40 95 Результаты, представленные в табл.5, свидетельствуют, что по своим характеристикам опытные офлюсованные окатыши значительно уступают неофлюсованным и, тем более, базовым окатышам ОЭМК. Причиной низкой восстановимости окатышей КачГОК является низкая реакционная способность титаномагнетитов, как при окислении, так и при восстановлении, что отмечено в работах ИМет УрО РАН. Офлюсование окатышей КачГОК приводит к изменению структуры пор. Это подтверждено микроструктурными исследованиями. а) б) Рис.2. Микроструктура краевой части окатыша а) – неофлюсованного; б)- офлюсованного (осн.0,5). Образование гематита (белое) по зернам титаномагнетита, силикатная связка – стекло (темно-серое), ферриты кальция (светло-серое), поры – черное. Отраженный свет 400 11 Их результаты свидетельствуют о том, что неофлюсованные окатыши имеют более развитую мелкопористую структуру, тогда как офлюсование приводит к формированию более плотной структуры с развитой связкой ферритного состава (рис.2), имеющей относительно низкую прочность. Этими особенностями можно объяснить как большую степень окисленности и восстановимости неофлюсованных окатышей, так и низкую прочность офлюсованных. В третьей главе приведены результаты исследований процессов металлизации окатышей из дообогащенных концентратов КачГОК. Оценка металлургических свойств окатышей при использовании схемы HYL-III проводилась на пилотной установке, моделирующей температурный и газовый режим промышленного реактора. Восстановительный газ подавался с действующего реформера. Температура газа 850С, состав газа: 75%Н2, 15%СО, 3%СН4, 3%СО2, 4%N2. В процессе испытаний на установке исследуемая проба металлизованных окатышей подвергалась механическому давлению 3,7 бар, что отражает давление столба шихты в промышленном реакторе HYL-III. Испытания на пилотной установке проводились в две стадии. На первой определялась деформация и степень трещинообразования окатышей, восстанавливаемых в монослое в течение 40 мин. Степень трещинообразования определялась как массовая доля окатышей, имеющих видимые трещины. На втором этапе определялась величина усадки окатышей (использовалась навеска массой 1200 г) по длине перемещения пневмопоршня, а также степень спекаемости - относительная массовая доля спекшихся окатышей после сбрасывания навески с высоты 2 м. Время восстановления при этих испытаниях составило 120 мин. После каждого эксперимента производился химический анализ металлизованных окатышей. Результаты исследований показали, что металлургические свойства окатышей, обожженных по разработанному режиму, предназначенному для получения окатышей для последующей металлизации, достаточно высоки. Так степень деформации при 40 минутных тестах составляет 14 и 12% соответственно у неофлюсованных и офлюсованных окатышей. При 120 минутных тестах усадка составляет соответственно до 10,1 и 11,2%, а индекс спекаемости 10,0 и 10,2%, что характерно для окатышей ЛГОК с защитными покрытиями (напомним, что опытные качканарские окатыши не имели покрытий). Степень восстановления исследуемых окатышей составила соответственно до 95 и 93%, а это уже уровень лучших показателей окатышей ЛГОК, поступающих на металлизацию (93%). 12 Таким образом, по комплексу показателей металлургических свойств, приоритетных для технологии HYL-III, окатыши КачГОКа, по крайней мере, не уступают технологическим окатышам ЛГОК, а по некоторым показателям (усадка и индекс спекаемости) и превосходят их. Менее оптимистичные результаты получены при испытаниях опытных окатышей по технологии Midrex, отличающейся, главным образом, другим составом восстановительного газа, меньшим давлением в реакторе и наличием в нем питателей шихты. Для испытаний металлургических свойств окатышей через промышленную шахтную печь Midrex пропускались трёх -четырёхсекционные сетчатые контейнеры, вмещающие 0,5 – 0,7 кг окисленных окатышей. При этом для сопоставимости условий восстановительно-тепловой обработки в каждый контейнер, разделённый на секции, одновременно загружали исследуемые (опытные) и базовые образцы окисленные окатыши ОЭМК с известными металлургическими свойствами. Результаты испытаний приведены в табл.6 Таблица 6. Физико-химические свойства опытных окатышей в сравнении с окатышами ОЭМК (база) после металлизации Al2O3 C S TiO2 V2O5 95,1 90,2 88,6 1,68 1,21 1,69 2,34 2,42 3,81 3,27 3,61 2,50 2,71 1,83 3,87 3,97 0,005 0,005 0,005 3,05 3,07 0,68 0,70 Кол-во целых, % 86,1 74,5 70,6 SiO2 Прочн. на сжат, кг/ок Офл. 90,5 82,6 81,5 MgO Трещины, % Неофл. CaO Пористость, % База Feобщ Feмет Степень металлизации, % ОБРАЗЕЦ Химический состав, % 56,7 51,0 47,7 32 37 44 73 28 15 100 74 65 Видно, что степень металлизации опытных окатышей несколько ниже, чем базовых, что подтверждает факт трудновосстановимости титаномагнетитового окускованного сырья. Корзиночные испытания также показали, что опытные окатыши характеризуются высокой степенью разрушения при восстановлении. Так, выход годного продукта в среднем составил порядка 70% (у базы - 100%). Склонность к трещинообразованию составляет 37% для неофлюсованных и 44% для офлюсованных окатышей, а величина общей пористости металлизованных окатышей - 51,0% и 47,7% для неофлюсованных и офлюсованных окатышей соответственно. В качестве положительного фактора особого внимания заслуживает повышенное содержание углерода в опытных окатышах (3,8 – 4,0%), 13 что практически в два раза превышает это значение для базовых окатышей. По содержанию серы опытные окатыши идентичны базовым. Таким образом, по прочности при восстановлении опытные окатыши ниже требований технологии Midrex. Следует отметить и их более низкую степень металлизации. Следующий этап исследований состоял в металлизации окатышей из дообогащенного титаномагнетитового концентрата с использованием твердого топлива. Исследования проводили на установке «аглочаша» (упрочнение окатышей) и лабораторной установке «вращающаяся печь» (восстановление). В шихту для окомкования добавляли углеродсодержащие материалы фракции <100мкм. Более крупные фракции подавали в шихту для металлизации во вращающейся печи для создания защитной атмосферы и восстановления. Влияние температуры обжига в «аглочаше» на прочность показано на рис.3. 100 прочность на сжатие, кг 90 80 70 60 50 40 30 20 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Температура обжига, град. С Рис.3.Зависимость прочности рудоугольных окатышей от температуры обжига. (Время выдержки 10 мин.) По результатам опыта установлено, что предварительный обжиг окатышей при 900С позволяет получить необходимую прочность для их перегрузки во вращающуюся печь с минимальной потерей углерода. При этом степень восстановления составляет 13%, содержание Ств 18,6% при начальном 20%. С такой температурой окатыши перегружались во вращающуюся печь восстановительного обжига. При этом окатыши в печи нагревались со скоростями от 60 до 130 град/мин. до температуры 1100С. Общее время восстановительной термообработки составляло 3 часа. Результаты представлены в табл.7. 14 Таблица 7. Зависимость степени металлизации и прочности окатышей с содержанием углерода в шихте 20% от скорости нагрева до 1100С (общее время обработки 3 часа) Скорость нагрева, град/час 60 85 100 130 Степень металлизации,% 72 76 81 91 Прочность на сжатие, кг/ок 62 67 71 82 Во вращающуюся печь также подавали кусковое твердое топливо в количестве 10–40% от массы окатышей для защиты атмосферы печи от кислорода воздуха. Анализ результатов данного этапа исследований позволил установить, что: степень металлизации окатышей, содержащих в исходной шихте 20% углерода, составляет 72 – 91% в зависимости от скорости нагрева. С ее увеличением степень металлизации возрастает (увеличивается время выдержки при температуре обжига); прочность восстановленных окатышей также возрастает с интенсификацией нагрева; в процессе восстановительного обжига углеродсодержащие окатыши уменьшались в объеме на 60 – 70%. Полученные результаты позволили рассчитать материальный и тепловой баланс восстановительного обжига и сформулировать исходные данные для расчета промышленной печи (табл.8), чему посвящена четвертая глава работы. Таблица 8. Исходные данные для расчетов Расход окатышей на входе во вращающуюся печь 20 т/ч Состав шихты окатышей (на сухую массу): железорудный концентрат 72,6 % углерод 18,6 % бентонит 0,7 % Влажность сырых окатышей 8,6 % Степень металлизации Fe в готовых окатышах 90 % р Топливо – природный газ Qн 8500 ккал/нм3 Температура окатышей на входе в печь 900 оС Температура окатышей во вращающейся печи (макс.) 1100 оС 15 Полученные данные позволили провести расчет печи с использованием известной методики1. Результаты приведены в табл.9. Таблица 9. Параметры работы вращающейся печи Наименование Габариты печи: Диаметр (в свету) Длина Производительность по готовым окатышам Годовая производительность Ед.измерения Степень металлизации Коэффициент избытка воздуха на горение Расход природного газа Расход воздуха горения Расход газов из вращающейся печи Расход угля во вращающейся печи Температура газов на выходе из печи Теплота сгорания отходящих газов Температура окатышей на выходе из печи Состав газа, уходящего из вращающейся печи СО2 Н2О N2 О2 СО Н2 м м т/ч 3,0 60 11,8 т/год % 150000 90 1,17 3300 36600 48200 1800 1050 695 1100 м3/ч м3/ч нм3/ч кг/ч о С Ккал/нм3 о С % 9,1 6,85 60,0 0 17,2 6,85 Утилизация энергии отходящих газов предусматривается по схеме «топка дожигания – котел-утилизатор». В пятой главе представлено обоснование выбора наиболее оптимальных для условий ОАО «Качканарский ГОК. Ванадий» технологических схем получения металлизованного продукта с использованием как газообразного, так и твердого восстановителя. В качестве одного из критериев рассматривается степень извлечения ванадия. Нетривиальность выбора технологии металлизации определяется факторами экономического характера, которые связаны с капитальными и эксплуатационными затратами, а также с себестоимостью продукта, определяемой еще целым рядом технических аспектов (состав шихты, ее физические и металлургические свойства). С этой целью в работе проведен сравнительный технико-экономический анализ целесообразности использования Б.А.Боковиков, Ф.Р.Шкляр, В.Я.Рехтер и др. Математическая модель тепло- и массообмена во вращающихся печах. В кн. «Металлургическая теплотехника». М., Металлургия, 1974 г. 1 16 различных технологий прямого получения железа на основе литературных данных о себестоимости и удельных капитальных затратах. При этом рассмотрены как технологии производства металлизованных окатышей (HYL, Midrex, SL/RN), так и получения чугуна (доменная печь, Corex, ITmk-3, Hysmelt и др.). Основные результаты анализа выделить три группы процессов: 1.С низкими капитальными затратами и низкой себестоимостью полупродукта (наиболее эффективная группа процессов в случае реализации): Мidrex, HYL -III 2.С высокими капитальными затратами и низкой себестоимостью полупродукта: Corex, ITmk-3, SL/RN 3.С высокими капитальными затратами и высокой себестоимостью полупродукта: доменный, HISmelt Используя результаты проведенного анализа, предложено более детально рассмотреть в качестве базовых вариантов, имеющих производительность 1,0–2,0 млн.т/год, следующие (табл.10): производство металлизованных окатышей (брикетов) по технологии HYLIII производительностью 1,0 млн.т/год2; производство чугуна на установке Corex–C-3000 производительностью 1,5 млн.т/год; производство чугуна (2 млн.т/год) на 4-х последовательно вводимых установках ITmk-3; производство металлизованных окатышей (1 млн.т/год) на 4-х установках SL/RN (вращающаяся печь). Кроме того, рассмотрен промежуточный вариант: производство чугуна (1,5 млн.т/год) на установке Corex C-3000 и металлизованного продукта (окатыши/брикеты) на установке Midrex (без реформера), работающей с использованием отходящих газов Corex. Здесь и в дальнейшем для анализа принимается максимально достигнутая производительность соответствующих установок 2 17 Таблица 10 .. Основные показатели рассматриваемых вариантов (по литературным данным) Вариант № 1 2 3 4 5 HYL-III ITmk-3 4 модуля Corex C-3000 Corex+Midrex Вращающаяся печь SL/RN 4 модуля Производительность, млн.т в год Удельная себестоимость, $ США /т Удельные капитальные затраты, $ США/т годового объема производства Ориентировочные капзатраты, млн.$ США 1,0 185 2,0 108,1 1,5 142,2 3,0 139,2 1,00 109,8 216 210,0 208,7 212,3 400 216 420 313 637 400 Пятый вариант, предусматривающий использование вращающейся печи (тип SL/RN). Такие установки, имея относительно низкие стоимости производства даже при высокой стоимости шихты, имеют низкую единичную мощность, обычно не превышающую 0,20 – 0,25 млн.т металлизованного продукта в год. Видно, что удельные капитальные затраты (400$ на тонну годового производства) превосходят все рассмотренные здесь варианты. Однако возможность полного исключения использования природного газа и более полного извлечения ванадия делает этот процесс привлекательным для условий ОАО «Качканарский ГОК. Ванадий» Первые четыре варианта: HYL-III (1 млн.т/год), 4 модуля ITmk-3 (2,0 млн.т в год), Corex (1,5 млн.т в год) и Corex+Midrex (3 млн.т в год) и характеризуются примерно равными удельными капитальными затратами. Однако с позиции себестоимости производства вариант 2 (108 $/т) выгодно отличается от других. Хотя при всей расчетной привлекательности процесс ITmk-3 в промышленном масштабе еще не реализован, для анализа технологических схем процесса получения металла приняты все варианты Расчетные показатели этих схем представлены на рис. 5,6,7,8,9. 18 Дообогащенный концентрат 1690,2 Бентонит 8,5 Смешивание и окомкование Сырые окатыши 1698,5 Обжиг Обжиговая машина 228 м2 Окатыши 1473,5 Грохочение Окатыши 1444 электродуговых печей. Покрытие на окатыши 6000 тонн Рис.5.Схема материальных потоков производства окисленных и металлизованных окатышей. Цифры отражают годовое потребление (выход), тыс.т Окисленные окатыши 1450 Металлизация HYL-III Вторым возможным вариантом переработки качканарских титаномагнетитов является технология ITmk-3. Использование одной установки позволяет получать 0,5 млн.т чугунных гранул в год. Металлизованный продукт 1000 Конц-т Первый вариант предполагает использование одной действующей обжиговой машины для производства окатышей и модуль HYL-III. для производства металлизованного продукта 1млн.т/год. Таким образом, производство окисленных окатышей из дообогащенного концентрата одной обжиговой машиной обеспечит получение 1 млн.т в год металлизованного продукта (окатышей или брикетов). Особенно важно подчеркнуть, что данная схема обеспечивает до 80-85% извлечения ванадия , что существенно повышает потребительскую стоимость металлизованного продукта как шихты для Рис.6.Схема материальных потоков производства чугунных гранул. (Цифры отражают годовое потребление материалов, тыс.т) 765 Уголь Бент-т 7 210 155 Смешивание и окомковнаие 55 927 Сушка окатышей 834 Печь с 630 Барабанный вращающимся охладитель подом 630 Сепарация и грохочение 500 Металл 50 Подовый уголь и др 80 Шлак 19 К преимуществам схемы можно отнести сравнительно низкие капитальные и эксплуатационные затраты, качество конечного продукта, близкого по составу к доменному чугуну и достаточно высокую степень извлечения ванадия (65-70%) Следующий вариант предусматривает использование установки Corex C3000, работающей на шихте, состоящей из смеси исходной руды (Feобщ=16%) и окатышей в пропорции 0,3:0,7. Содержание железа в шихте составляет 50%. Окатыши производят на одной обжиговой машине из базового концентрата. Соответствующая схема материальных потоков приведена на рис.7 Бентонит 10 Базовый концентрат 1750 Смешивание и окомкование Сырые окатыши 1760 Руда Кл.5-25 мм 650 Обжиг Обжиговая машина 228 м2 Окатыши Грохочение 1550 Corex Газ на производство э/энергии или на отопление обжиговой машины 1600 Мелочь 5 мм 150 Рис. 7. Схема материальных потоков при использовании установки Corex С-3000. (Цифры отражают годовое потребление, тыс.т) Шлак 750 Чугун 1500 Газ из установки Corex может быть использован для отопления всех четырех машин ОК-228. Кроме того, его остаток может быть использован для производства электроэнергии. В этом варианте используется базовый концентрат (без его дообогащения) и задействована одна обжиговая машина, которая половину времени работает на склад для отгрузки окатышей потребителю. Расчетный состав чугуна: 94,0-95,0 Fe, 4,7%C, 0,45-0,85 Si, 0,019 S при содержании ванадия 0,5%. Преимуществом такой схемы является использование базового концентрата (без дообогащения) и исходной руды (Feобщ=16%). Следующим вариантом является схема «Corex – две обжиговые машины (228 м2) – Midrex», позволяющая производить1,5 млн.т чугуна в год и столько же металлизованных окатышей (брикетов). Это соотношение близко к реализованному при эксплуатации аналогичного комплекса на заводе «Solanha Steel» в ЮАР. Получение двух типов товарного продукта позволяет гибко реагировать на конъюнктуру цен, как на внутреннем рынке, так и на международном. Такая схема не предполагает использования природного газа обжиговые машины и модуль Midrex используют в качестве топлива отходящие газы установки Corex. 20 Руда 13320 /16020 Две ОМ 228 м2 12180/15210 1140/810 3030/3530 Обогащение Потери 5% 1920/2100 Окомкование 1,4х104 м3/час 1110 / 1550 Corex Чугун Отходящие газы 2.44х105 м3/час Удаление СО2 Шлак Металлизованные окатыши (брикеты) 1420/1550 750/590 1500/1650 Midrex Рис.8. Материальный баланс комплекса Corex – ОКМ – Midrex по руде, окатышам, чугуну и шлаку при содержании железа в шихте установки Corex 50% (числитель) и 55% (знаменатель).(цифры – тыс.т/год) Кокс, уголь Бентонит 1,2 тыс.т/год 1,2 ттытыс.т/год Концентрат 30,8 тыс.т/год тыс.т/год 30,8 120 120 тыс.т/год тытыс.т/год Смешивание и окомкование Сырые окатыши 165,4 тыс.т/год Установка «РЕШЕТКА» Установка «Трубчатая печь» Металлизованные окатыши, 100 тыс.т/год Барабанный охладитель Теплоноситель Уголь 90,7 тыс.т/год Упрочненные окатыши 148,9 тыс.т/год Следующим, пятым предлагаемым вариантом является «решетка – трубчатая печь», который представляет собой развитие технологии SL/RN. Расчет такой комбинированной установки приведен в главе 3. Схема материальных потоков установки представлена на рис.9. На рисунке показано, что годовое производство металлизованного продукта в количестве 100 тыс.т в год со степенью металлизации 90% потребует 1,2 тыс.т бентонита, 30,8 тыс.т твердого топлива (фракции 0,1мм) и 120 тыс.т концентрата. Готовый продукт, 100 тыс.т/год Рис.9. Технологическая схема металлизации «решетка – трубчатая печь – барабанный охладитель» Исходная шихта после смешивания окомковывается и поступает на сушку и упрочнение в установку «решетка», отапливаемую отходящими газами из 21 вращающейся печи. На ее загрузку, кроме упрочненных окатышей, дополнительно подается уголь фракции 5 – 20 мм в количестве 90,7 тыс.т в год. Преимуществом данного варианта является то, что, кроме сравнительно низких капитальных затрат, в этой схеме практически нет потребления природного газа. Заключение и выводы Представленная диссертационная работа посвящена решению ряда проблем, связанных с переработкой титаномагнетитовых руд. Существующая схема «доменная печь – конвертер» имеет ряд недостатков, состоящих в низкой степени извлечения ванадия и, главным образом, в высокой стоимости производства чугуна и ванадия. В связи с этим рассмотрены варианты эффективной переработки концентратов на основе результатов комплексных лабораторных, полупромышленных и расчетных исследований и предложены варианты технологий переработки титаномагнетитов методами бескоксовой металлургии с использованием как газообразного, так и твердого восстановителя. Объектом исследования явился дообогащенный концентрат (содержание железа 65,1%, мас.). 1. На основе результатов исследований особенностей окисления и спекания качканарских доообогащенных титаномагнетитовых концентратов и проведенных теплотехнических и технологических расчетов зон сушки, окисления (подогрева) и обжига, а также с учетом оптимизации высоты слоя сырых окатышей впервые разработан и опробован в промышленных условиях режим окислительной термообработки окатышей с достижением прочности на сжатие до 300 кг/окат. и содержанием FeO 1,0 – 1,5%. На этой основе составлена и опробована на обжиговой машине ОК-228 режимная карта термообработки окатышей, годных для последующей металлизации в шахтных печах. 2. Лабораторные исследования опытных окатышей показали, что при низких температурах восстановления (700С) они уступают базовым (ОЭМК), обработанным по опытному режиму: восстановимость неофлюсованных окатышей ниже на 10-15%, а прочность на 40%. При 900С соответствующие характеристики уступают на 25-30% и 45-50%, что определяется низкими скоростями окисления, спекания и восстановления титаномагнетитов. Тем не менее, полученные результаты определяют пригодность опытных окатышей для металлизации в шахтных печах. 22 3. 4. 5. 6. 7. Однако металлургические свойства офлюсованных окатышей ниже требований, предъявляемых последующим переделом. Установлено, что при моделировании условий технологии HYL-III, показатели металлургических свойств окатышей КачГОКа не уступают технологическим окатышам ОАО «Лебединский ГОК», а по некоторым показателям (степень усадки и индекс спекаемости) и превосходят их. При испытаниях опытных окатышей в действующей шахтной печи Midrex выявлена их меньшая восстановимость и прочность при восстановлении, что определяется особенностями этой технологии – низкое давление восстановителя и низкое соотношение СО/Н2 по сравнению с процессом HYL-III. При исследовании процессов металлизации титаномагнетитов с использованием твердого топлива в качестве восстановителя показана принципиальная возможность реализации технологий на основе вращающихся печей типа SL/RN. Впервые проведены расчеты и предложена конструкция установки «решетка – трубчатая печь» для металлизации окатышей из дообогащенного концентрата. Определены ее типоразмеры и технико-экономические показатели работы. Проведен технико-экономический анализ основных коммерчески освоенных технологий бескоксового получения железа. Разработаны принципы выбора и предложены наиболее оптимальные для условий Качканарского ГОКа технологии прямого получения железа с учетом как технических, так и экономических показателей – удельных операционных и капитальных затрат, а также стоимости реализации проекта в целом. Рассчитаны материальные балансы производства и предложены его технологические схемы для пяти основных вариантов на основе: установка HYL-III (брикетов) в год; производительностью 1,0 млн.т окатышей установка ITmk-3 производительностью 0,5 млн.т чугунных гранул в год; установка Corex С-3000 производительностью 1,5 млн.т чугуна в год; установка Corex С-3000 (1,5 млн.т чугуна) и Midrex без реформера, работающий на отходящих газах установки Corex, (1,5 млн.т окатышей/брикетов в год); комбинированная установка «решетка – производительностью 250 тыс.т окатышей в год. трубчатая печь» 23 8. В качестве первого этапа освоения производства металлизованного продукта из дообогащенного ванадийсодержащего концентрата КачГОК следует рекомендовать вариант, предусматривающий использование комбинированной установки «решетка - трубчатая печь». Его преимуществом, кроме сравнительно низких капитальных затрат, является практическое отсутствие потребления природного газа. Другим преимуществом является возможность изготовления оборудования российским производителем. Основное содержание работы отражено в следующих публикациях: 1. Рыбкин В.С., Бруев В.П., Гриненко В.И. и др. Основные тенденции и практика совершенствования технологии и оборудования для производства окускованного сырья в России. //Сталь, 2006, № 6, с 5-9. 2. Евстюгин С.Н., Горбачев В.А., Рыбкин В.С. и др. Использование флюсов и новых связующих для улучшения качества окатышей ОАО «Качканарский ГОК. Ванадий» //Сталь, 2006, № 6, с 20-22. 3. Горбачев В.А., Евстюгин С.Н., Копоть Н.Н., Рыбкин В.С., Шаврин С.В. Принципы выбора технологии прямого получения железа. //Сталь, 2006, № 6, с 42-46. 4. Копоть Н.Н., Рыбкин В.С., Евстюгин С.Н., Горбачев В.А., Леонтьев Л.И. Пути снижения себестоимости железа прямого восстановления. //Сталь, 2008, №1, с.4-5. 5. В.С.Рыбкин В.С., Леонтьев Л.И., Леушин В.Н. и др. Разработка технологических схем металлизации качканарских окатышей. //Сталь, 2008, № 7, с 16-19. 6. В. С. Рыбкин, Е. Г. Подковыркин, Н. Г. Коршунова и др. Экспериментальное исследование металлизации железорудных окатышей во вращающейся печи, //Сталь, 2008, № 12. с.40-43. .. 7. Патент РФ на изобретение № 2347824 (Заявка № 2007134452 от 17.09.2007). Шихта для производства окатышей из титаномагнетитовых концентратов.Авторы: Горбачев В.А., Евстюгин С.Н., Рыбкин В.С. и др. Опубликовано 27.02.2009 Бюл. № 6.
