Шихта для производства железорудного агломерата Российский патент 2020 года по МПК C22B1/16 

Изобретение относится к подготовке металлосодержащего сырья к металлургической переработке, в частности к производству железорудного агломерата.

Известна «Шихта для производства агломерата» [1] (патент на изобретение РФ № 2009221, МПК⁸ С22В 1/24, опубл. 15.03.1994), содержащая железорудный материал, топливо, известняк и отходы металлургического производства, включающие прокатную окалину, причем в качестве отходов металлургического производства она дополнительно содержит предварительно подготовленную смесь шламов доменного, сталеплавильного, прокатного производств и колошниковой пыли при следующем соотношении компонентов, мас. %: смесь шламов и колошниковой пыли 6,0 - 17,0; прокатная окалина 8,0 - 10,0; топливо 2,0 - 5,0; известняк 8,0 - 14,0; железорудный материал - остальное, при том, что шламы и колошниковая пыль взяты в соотношении 1,0: (0,8 - 1,8), соответственно.

В данной шихте в качестве флюсующей добавки используется известняк, для разложения которого на СаО и СО₂ требуются значительные энергозатраты, что приводит к перерасходу топлива.

Известна «Шихта для производства агломерата» [2] (патент на изобретение РФ № 2281976, МПК⁸ С22В 1/16, опубл. 20.08.2006), содержащая железорудный концентрат, железосодержащий материал, известняк, твердое топливо и дополнительно содержит ванадийсодержащий металлопродукт переработки металлургических шлаковых отвалов. Соотношение ингредиентов в шихте следующее, мас. %: железосодержащий материал 15-40; известняк 3-8; твердое топливо 4-7; ванадийсодержащий металлопродукт переработки шлаковых отвалов 4-12; железорудный концентрат - остальное. Крупность ванадийсодержащего металлопродукта до 10 мм. В качестве железосодержащего материала используют металлургические пыли, шламы доменные, возвраты агломерационный и доменный.

В данном аналоге использование ванадийсодержащего продукта позволяет повысить стоимость шлаковых продуктов, при этом снижен расход известняка, но использование в качестве флюса известняка все равно приводит к перерасходу топлива и снижению тепловой эффективности процесса агломерации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является «Шихта для производства агломерата» [3] (патент на изобретение РФ № 1529738, МПК⁵ С22В1/16, опубл. 27.09.1995), включающая химотходы, окалину, колошниковую пыль, шламы доменного производства, известняк, коксовую мелочь, дополнительно содержит ванадийсодержащий шлам тепловых электростанций с содержанием CaO 10% при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: химотходы 8-15; окалина 35-55; колошниковая пыль 10-15; шламы доменного производства 8-15; известняк 3,5-9,0; коксовая мелочь 4,2-4,6 и ванадийсодержащий шлам ТЭС 2-25, причем 40 60% ванадийсодержащего шлама ТЭС имеет размер частиц менее 0,1 мм.

В данном изобретении используются материалы, уже содержащие оксид кальция не в виде карбоната, что позволяет несколько снизить затраты на обжиг. Тем не менее, данного количества извести недостаточно для обеспечения флюсующего эффекта, поэтому в состав шихты все-таки вводится известняк, кроме того агломерат на основе такой шихты имеет недостаточную прочность, что приводит к ухудшению газопроницаемости столба доменной шихты из-за раннего разрушения кусков в верхних горизонтах.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание шихты для производства железорудного агломерата, которая обеспечивает повышение прочности агломерата при обжиге при одновременном снижении энергозатрат на его обжиг, что отражается в снижении расхода кокса.

Указанный технический результат достигается тем, что шихта для производства железорудного агломерата, содержит железосодержащие материалы, ванадийсодержащие материалы, флюсы и твердое топливо, отличающаяся тем, что, помимо известнякового флюса, в составе шихты дополнительно используется флюс на основе шлака внепечной обработки стали (ВОС) при следующем соотношении компонентов, мас.%: флюс на основе известняка 0,5 – 8,0; флюс на основе шлака ВОС 0,5-8,0; твердое топливо 1,0 – 4,0; ванадийсодержащие материалы 2,0 - 30,0; железосодержащие материалы остальное.

При этом в качестве железосодержащих материалов используют отсев агломерата, металлургические пыли и шламы, продукты переработки отвальных шлаков – металлопродукты, в качестве твердого топлива используют кокс, в качестве ванадийсодержащих материалов используют подготовленные конвертерные шлаки: шлак моно-процесса и/или ванадийсодержащий конвертерный шлак (ВКШ), и/или шлак дуплекс-процесса – стальной конвертерный шлак (СКШ) и/или смеси на их основе.

Известно, что разложение известняка наиболее энергоемкая статья агломерации. Энтальпия разложения 1 кг известняка по реакции

СаСО₃=СаО+СО₂ (1)

составляет 1782 кДж/кг [4] (Тейлор, Х. Химия цемента / Х. Тейлор ; пер с англ. - М. : Мир, 1996. С. 78). Теплотворная способность кокса по данным [5] (Севрюков, Н. Н. Общая металлургия: / Н.Н. Севрюков, Б. А. Кузьмин, Е. В. Челищев. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1976. - 468 с. : ил.) составляет в среднем 28000 кДж/кг. Это означает, что при использовании в качестве флюса известняка в количестве 160 кг/т агломерата, для его разложения потребуется не менее 10 кг/т кокса. Поскольку в шлаке ВОС известь находится в форме СаО и не требует энергозатрат, то при замене части известняка флюсом на основе шлака ВОС, будет снижаться расход кокса, пропорционально количеству известнякового флюса, замененного на флюс на основе шлака ВОС.

По данным [6] (Леонтьев Л.И. Технологические особенности переработки сталеплавильных шлаков в строительные материалы и изделия / Л.И. Леонтьев, О.Ю. Шешуков, М.А. Михеенков и др. // Строительные материалы. – 2014. – № 10. – С. 70-74.) в шлаках ВОС фиксируются в основном три фазы: майенит C₁₂A₇ (12CaO·7Al₂O₃), периклаз MgO и низкотемпературная модификация белита — шеннонит γ-C₂S (γ-2CaO·SiO₂) в количестве, масс. %: C₁₂A₇ - 30,0-40; MgO – 10,0-12,0; γ-C₂S – 30,0 - 40,0. Из перечисленных фаз, входящих в состав шлака ВОС вяжущими свойствами (способность твердеть при добавлении воды) обладает майенит C₁₂A₇, поэтому при замене части известняка в шихте флюсом на основе шлака ВОС агломераты приобретают значительную прочность.

При использовании в шихте флюса на основе известняка менее 0,5 мас. % приводит к снижению расхода кокса при агломерации, а при увеличении содержания более 8,0 мас. % приводит к увеличению расхода кокса.

Улучшение процесса формирования связи способствует уменьшению расхода топлива на производство агломерата, повышения его качества в целом.

Пределы содержания в шихте твердого топлива обусловлены прочностью и восстановимостью агломерата.

При использовании в шихте твердого топлива менее 1,0 мас. % приводит к изменению газодинамического и температурного режима агломерации, а при увеличении в содержания в шихте твердого топлива более 4,0 мас. % приводит также к изменению газодинамического и температурного режима агломерации.

Шлак внепечной обработки стали (ВОС) образуется при обработке чугуна на установке «печь-ковш». Введение его в шихту для производства железорудного агломерата в количестве 10-120 кг/т агломерата позволяет снизить расход флюсов, улучшить технико – экономические показатели процесса агломерации: снизить расход топлива, увеличить производительность агломашин, повысить прочность агломерата.

Содержание шлака внепечной обработки стали (ВОС) в количестве 10-120 кг/т агломерата в шихте для производства железорудного агломерата является оптимальным и имеет следующий состав, мас %: Fe 5,0 – 10,0; CaO 45,0 – 60,0; SiO₂ 10,0 – 20,0; MgO 5,00 – 10,0; FeО 5,0 – 10,0; S 0,1 – 0,5.

При использовании шлака внепечной обработки стали (ВОС) менее 10 кг/т агломерата отсутствует эффективность его использования, а при использовании его более 120 кг/т значительно снижается содержание железа в готовом агломерате.

Пределы содержания шлака внепечной обработки стали (ВОС) 0,5 – 8,0% получены опытно-экспериментальным путем, т.к. именно при таких соотношениях были получены наилучшие показатели производства агломерата. При использовании шлака (ВОС) менее 0,5 мас. % приводит к отсутствию эффективности его использования, а при увеличении его расхода более 8,0 мас. % приводит к получению агломерата с высоким содержанием марганца и магнезии.

Ванадийсодержащие материалы вводятся в состав шихты для производства железорудного агломерата с целью повышения прихода ванадия в аглодоменный передел, а также для корректировки содержания химических элементов в агломерате до требуемых значений. Пределы содержания ванадийсодержащих материалов 2,0 – 30,0 мас. % получены опытно-экспериментальным путем, т.к. именно при таких соотношениях были получены наилучшие показатели производства агломерата.

При использовании ванадийсодержащих материалов менее 2,0 мас. % приводит к незначительному привлечению ванадия в аглошихту, а при использовании более 30,0 % возникает необходимость (например, из-за содержания марганца) вывода из состава шихты других составляющих, что не позволяет с максимальным эффектом использовать их преимущества.

В качестве ванадийсодержащих материалов используются подготовленные конвертерные шлаки (шлак моно-процесса – ванадийсодержащий конвертерный шлак (ВКШ), шлак дуплекс-процесса – стальной конвертерный шлак (СКШ)) и смеси на их основе.

Пример

Предложенную шихту для производства железорудного агломерата изготавливают следующим образом: флюс на основе известняка, флюс на основе шлака внепечной обработки стали (ВОС), твердое топливо, ванадийсодержащие и железосодержащие материалы смешивали, увлажняли, окомковывали и спекали на агломашине. Высота слоя шихты составляла 300 мм. Подача в аглошихту шлака ВОС осуществлялась в виде смеси с ванадийсодержащими материалами СКШ и ВКШ путем совместного дробления данных компонентов в соотношении 5:2 с целью снижения нагрузки на дробильное оборудование. Химический состав смеси ВКШ/СКШ и шлаков ВОС приведены в таблице 1. Смесь шлаков ВКШ/СКШ и ВОС в количестве 21,7 % крупностью до 10 мм привлекалась в состав шихты с условием полного замещения известняка. Зажигание шихты проводили продуктами горения пропан-бутановой смеси в воздухе с температурой 1100-1200°С. После охлаждения агломерат подвергали испытаниям в барабане для определения механической прочности. После обработке в барабане материал рассеивали на ситах для определения количества фракции +5,0 и -0,5 мм. Прочность агломерата оценивали по выходу фракции более 5 мм, характеризующую показатель сопротивления истиранию. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

На основании опытно промышленных испытаний были определены оптимальные объёмы участия смеси шлака ВОС и СКШ/ВКШ в шихте агломерата (железофлюса), которые составили 21,7%, (совместное использование шлака ВОС – 6,2% и СКШ/ВКШ – 15,5% в виде смеси, в соответствии с таблицей 2) при этом увеличение механической прочности железофлюса от базововго периода составило 0,3% (в соответствии с таблицей 2). При снижении доли участия данной смеси соответственно снижается механическая прочность железофлюса (при замене смеси шлака ВОС и СКШ/ВКШ, в рамках достижения заданной основности железофлюса, известняком – снижение механической прочности железофлюса от достигнутых значений по результатам опытно промышленных испытаний составили 0,3%). Также изменения, в рамках достигнутых значений, касаются и расхода кокса при производстве железофлюса. В базовом периоде расход кокса составлял 25 кг/т железофлюса.

По результатам опытно промышленных испытаний, приведенных в таблице 3 было достигнуто снижение на 7,5 кг/т расхода кокса при производстве агломерата за счёт замещения сырого известняка в шихте железофлюса материалами (шлаки ВОС, СКШ, ВКШ), которые прошли высокотемпературную обработку и не требуют затрат тепла для разложения карбонатных соединений, которые составляют основу известняка.

Кроме того, по результатам испытаний снижен расход окатышей в доменную плавку, увеличен объем извлечения и производства ванадия на других переделах на 139,23 кг/т.

Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию «новизна».

Анализ патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом решении. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Использование заявленной шихты с использованием шлака внепечной обработки стали позволяет обеспечить:

1) снижение расхода кокса;

2) повышение содержания V₂О₅ в агломерате на 0,271% абс. (таблица 2 и 3);

3) повышение производительности агломашины на 6,3%;

4) увеличение показателя прочности Б_+5мм на 0,3% абс.

Опытная проработка на ОАО «Высокогорский горно-обогатительный комбинат» и использование предлагаемого технического решения на АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» подтверждает соответствие критерию «промышленная применимость изобретения».

Источники информации

[1] Патент на изобретение РФ № 2009221, МПК⁸ С22В 1/24, 2006 опубл. 15.03.1994);

[2] Патент на изобретение РФ № 2281976, МПК⁸ С22В 1/16, опубл. 20.08.2006);

[3] Патент на изобретение РФ № 1529738, МПК⁵ С22В1/16, опубл. 27.09.1995);

[4] Тейлор, Х. Химия цемента / Х. Тейлор ; пер с англ. - М. : Мир, 1996. С. 78;

[5] Севрюков, Н. Н. Общая металлургия: / Н. Н. Севрюков, Б.А. Кузьмин, Е. В. Челищев. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1976. - 468 с. : ил.;

[6] (Леонтьев Л.И. Технологические особенности переработки сталеплавильных шлаков в строительные материалы и изделия / Л.И. Леонтьев, О.Ю. Шешуков, М.А. Михеенков и др. // Строительные материалы. – 2014. – № 10. – С. 70-74.).

Таблица 1 Химический состав смеси ВКШ\СКШ и шлака ВОС Соотношение смеси (ВКШ\СКШ) к шлаку ВОС Fe S CaO SiO2 MgO FeO 5:2 27,0 0,12 31,7 8,8 10,54 18,1

Таблица 2 Результаты испытаний шихты Пример Состав шихты, мас.% Показатели прочности агломерата основность,ед Содержание V2O5 известняк шлак ВОС твердое топливо
(коксовая мелочь_ колошниковая пыль ванадий-содержащий материал
(конвертерные шлаки: СКШ и ВКШ) Хим.
отходы Шламы доменного производства железосодержащий материал ванадий
содержащий шлам ТЭЦ Сопротивление удару, выход фракции +5 мм,% Сопротивление истираемости- 0,5мм,% плановая основность 2,4 ед 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 прототип 5,5 - 4,3 12,0 - 10,0 12,0 38,4 17,8 60,8 8,1 0,535 1 0,0 6,2 1,75 - 15,5 - 76,55 - 74,6 4,4 2,4 0,806 2 2,6 3,1 2,13 - 7,9 - - 84,27 - 74,4 4,4 2,4 0,606 3 4,2 - 2,5 - 5,7 - - 87,6 - 74,3 4,4 2,4 0,535 4 5,2 0,5 2,6 - 1,3 - - 62,9 - 74,2 4,4 2,4 0,455 5 0,0 8,0 1,65 - 20,0 - - 62,9 - 74,6 4,4 2,54 0,921

Таблица 3 Сопоставительный анализ результатов испытаний Показатели единица измерения прототип Опыт Δ Вывод Производство (железофлюса) агломерата т/месяц 62000 72000 10000 Доп. затраты Расход коксовой мелочи кг/т агломерата 25 17,5 -7,5 Снижение расхода кокса при производстве агломерата Расход известняка кг/т агломерата 47 0 -47 Снижение объемов использования известняка при производстве агломерата Расход шлака ВОС кг/т агломерата 0 69 69 - Расход СКШ, кг/т агломерата 15 125 110 - Содержание Fe в агломерате % 52,36 48,86 -3,5 - Внесение Fe с агломератом в ДЦ, т/месяц 32463,2 35179,2 2716 - Снижение расхода окатышей ЕВРАЗ КГОК в ДЦ, т/месяц 4452,5 Экономия окатышей в ДЦ Содержание V₂O₅ в агломерате % 0,535 0,806 0,271 - Внесение V с агломератом в ДЦ, т/месяц 185,8 325,0 139,23 Повышение объемов извлечения и производства ванадия в других переделах.

Изобретение относится к подготовке металлосодержащего сырья к металлургической переработке, в частности к производству железорудного агломерата. Шихта содержит железосодержащие материалы, ванадийсодержащие материалы, флюс на основе известняка, флюс на основе шлака внепечной обработки стали (ВОС) и твердое топливо при следующем соотношении компонентов, мас. %: флюс на основе известняка 0,5-8,0; флюс на основе шлака ВОС 0,5-8,0; твердое топливо 1,0-4,0; ванадийсодержащие материалы 2,0-30,0; железосодержащие материалы - остальное. Изобретение обеспечивает повышение прочности агломерата при спекании с одновременным снижением энергозатрат, что отражается в снижении расхода кокса. 5 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 пр.

1. Шихта для производства железорудного агломерата, содержащая железосодержащие материалы, ванадийсодержащие материалы, флюс на основе известняка и твердое топливо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит флюс на основе шлака внепечной обработки стали (ВОС) при следующем соотношении компонентов, мас. %:

флюс на основе известняка 0,5-8,0;

флюс на основе шлака ВОС 0,5-8,0;

твердое топливо 1,0-4,0;

ванадийсодержащие материалы 2,0-30,0;

железосодержащие материалы остальное.

2. Шихта по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве железосодержащих материалов она содержит отсев агломерата, металлургические пыли и шламы и продукты переработки отвальных шлаков в виде металлопродуктов.

3.  Шихта по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве ванадийсодержащих материалов она содержит подготовленные конвертерные шлаки в виде шлака моно-процесса и/или ванадийсодержащего конвертерного шлака (ВКШ), и/или шлака дуплекс-процесса – стального конвертерного шлака (СКШ) и смеси на их основе.

4. Шихта по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве твердого топлива она содержит кокс.

5. Шихта по п. 1, отличающаяся тем, что шлак внепечной обработки стали (ВОС) содержится в количестве от 10-120 кг/т агломерата.

6. Шихта по п. 1, отличающаяся тем, что шлак внепечной обработки стали (ВОС) имеет следующий состав, мас. %: Fe 5,0-10,0; CaO 45,0-60,0; SiO₂ 10,0-20,0; MgO 5,00-10,0; FeО 5,0-10,0; S 0,1-0,5.