IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Сырые материалы, составляющие агломерационную шихту, содержат некоторое количество вредных или нежелательных по условиям передела элементов, а также полезных примесей.

В природе, железной руде, а так же концетрате сера находится в сульфидных соединениях: пирита, сернистого железа (прирротина), а так же в виде сульфатов сернистого кальция или бария.

Превышение нормы в составе серы, в готовой стали приводит к его красноломкости, что значительно ухудшает его качество и его стоимость.

Поведение вредных примесей при обжиге окатышей - в обычных условиях окислительного упрочняющего обжига большинство вредных примесей (кроме серы): фосфор, мышьяк, цинк и другие из окатышей не удаляется. При получении неофлюсованных окатышей из сернистых концентратов, в которых сера находится в виде сульфидов железа, степень ее удаления составляет 95—99% [1].

Окислительная атмосфера обжига обеспечивает высокую степень окисления серы, перевода ее в газовую фазу в виде SO₂ и удаления из шихты. Однако в присутствии известняка степень десульфурации значительно снижается. Отмечено, что SO₂ и газообразная сера могут поглощаться оксидами железа, кальция, магния, ферритами и силикатами кальция. Таким образом, задача удаления серы при обжиге окатышей связана с условиями образования и разложения сульфатов (главным образом сульфата кальция).

Термодинамическим анализом найдено, что CaO в различном виде может поглощать SO₂ уже при 400—800 °С:

CaCO3 + SO2 + 0,5O2 = CaSO4 + СO2;

lg Кр = (-16 850/Т) + 5,68;

CaO + SO2 + 0,5O2 = CaSO4;

lg Кр = (26 120/7) + 13,93;

CaO-Fe2O3 + SO2 + 0,5O2 = CaSO4 + Fe2O3;

lg Kp = (2500/7) + 13,93.

Из этого следует, что при обжиге офлюсованных окатышей вероятно образование определённого количества сульфата кальция при этом итоговая степень десульфурации непосредственно зависит от его разложения серных соединений. При 1360 °С за 20 мин. возможно разложение лишь половины сернистых соединений, при этом при 1100—1300 °С без присутствия оксидов железа, алюминия и кремния сульфат кальция не разлагается совсем. Так же на содержание серы в окатышах будет оказывать влияние температурный режим обжига. Например при медленном нагреве происходит улучшение усвоения газообразной фазы будет возрастать и при достижении температуры обжига вся сера будет находиться в виде сульфата кальция. Скорость разложение кальция будет возрастать с повышением температуры. Например, повышение температуры с 1200 до будет приводить к снижению содержания серы 0,08 до 0,02%. [1].

С одной стороны при повышении температуры обжига приводит к увеличению степени десульфурации, а с другой стороны может образовываться оплавленная структура внутри окатыша с развитием процесса образования жидких и размягчённых фаз. В связи с этим уменьшается скорость десульфурации. Из этого следует, что эксремальное изменение зависимости серы в окатышах зависит от темперратуры, при этом положение максимуму определяется химическим составом.

Удаление серы в большей степени зависит от основности окатышей. Изменение SiO₂ от 0,51 до 1,56 приводит к увеличению содержания серы с 0,02 до 0,063%. Замена известняка в окатышах доломитом или доломитизированным известняком приводит к значительному снижению содержания серы в окатышах, так как сульфат магния как менее прочное, чем сульфат кальция, соединение начинает разлагаться на 100-150 °С раньше, обеспечивая более полное протекание процесса удаления серы [1].

Десульфурация зависит также и от других причин. Ее полноте способствуют большее время обжига, мелкий помол кусков известняка, уменьшение размеров окатышей и др. Кроме того, имеет значение состав газовой среды. По мере увеличения содержания кислорода в газе окисление сульфидов протекает интенсивнее. Разложение сульфатов, наоборот, при этом замедляется.

Современное направление в совершенствовании черной металлургии предусматривает повышенное внимание к качеству производимой продукции. На окончательный результат получаемого продукта прямое воздействие оказывают его шихтовые материалы. Для изготовления стали используют металлургические полупродукты – окатыши, нужного химического состава. Уже известно, что сера оказывается вредной примесью для металлургического производства. Попав в составе окатышей, она в дальнейшем оказывает влияние на качество продукции, образуется эффект красноломкости. Для упрочнения сырые окатыши проходят методические технологические зоны высокотемпературной обработки на обжиговой машине.

Чтобы исследовать десульфурацию окатышей при разной температуре, в лаборатории кафедры металлургии и металловедения СТИ НИТУ «МИСиС» были проведены эксперименты.

Сырые окатыши были получены по разработанной методике на лабораторном окомкователе. Целью исследований являлось установление температурной зависимости разложения пирита и пирротина, присутствующих в железорудном концентрате. Для исследований был взят железорудный концентрат АО «Лебединский ГОК», в котором сера присутствует в форме пирита и пирротина [2]. Шихта железорудных окатышей состояла из концентрата и бентонита.

Полученная проба сырых окатышей разделялась на 10 частных проб весом по 100г. Одна проба сырых окатышей была подвергнута сушке при температуре 100^оС для химического анализа с целью определения начальной серы. Остальные частные пробы были размещены в лабораторной печи СНОЛ. Нагрев печи осуществлялся до температуры 1200°С. Первая проба окатышей была извлечена из печи при прогреве до 400^оС, последующие пробы извлекались через 200^оС, а по достижении 1000^оС через 50^оС. После термической обработки, каждая проба окатышей охлаждалась, и определялся химический состав пробы с целью определения содержания серы. Полученные результаты представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Остаточное содержание серы в окатышах в процессе термической обработки

Реакции, протекающей при обжиге сульфидов железа в кислороде:

4FeS + 7O₂ → 2Fe₂O₃ + 4SO₂

4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂

Анализ полученной зависимости показывает, что пирит, присутствующий в руде Лебединского месторождения начинает окисляться с температуры 400^оС, и интенсивное его выгорание происходит в диапазоне от 400^оС до 900^оС. Далее в интервале температур от 900^оС до 1000^оС наблюдается некоторая стабилизация остаточной серы в окатышах, и после увеличения температуры термической обработки выше 1000^оС, выгорания серы интенсифицируется.

Если начальное содержание серы в окатышах принять за 100%, то расчеты показали, что при достижении 900^оС, выгорает около 60% серы, которая представлена пиритом. Пиротиновая сера начинает выгорать при температуре 1000^оС, при достижении 1200^оС окисляется практически 95% сульфидов.

Как известно окисление сульфидов железа происходит по поверхности минерального зерна, проникновение кислорода вглубь кристалла происходит за счет диффузионных процессов. [2] Снижение скорости окисления сульфидов объясняется несколькими факторам:

- постепенным снижением концентрации сульфидов по мере окислительного процесса;

- по мере окисления поверхностных минералов сульфида скорость химических реакций лимитируется диффузионными процессами, как кислорода в порах окатыша, так внутри зерна.

Вывод:

1. Содержание пирита и пирротина в рудах Лебединского месторождения примерно 50:50.

2. Пирит начинает активно взаимодействовать с кислородом воздуха при температуре выше 400^оС.

3. Пиротин начинает активно взаимодействовать с кислородом воздуха при температуре выше 1000^оС.

4. При достижении 1200^оС, при отсутствии оксидов кальция, окисляется около 95% сульфидов, присутствующих в шихтовых материалах.

5. Проводятся дальнейшие исследования по исследованию десульфурации окатышей.

Список литературы:

1. Вегман Е.Ф. Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман – Москва: - 3-изд., переработанное и дополненное. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004 - 774 с.

2. Определение минерального и химического состава сульфидов из рассевов дообогащенного концентрата Лебединского ГОКА. Отчет НИУ «БелГУ». 2011г. 116с.

3. Копырин, И.А., Борц Ю.М., Граур И.Ф. Производство окатышей различной основности. М.: «Металлургия». 1975. - 192 с.

Код для цитирования: Скопировать