СПОСОБ ОЦЕНКИ АГЛОМЕРИРОВАННОЙ РУДЫ И АГЛОМЕРИРОВАННАЯ РУДА Российский патент 2024 года по МПК C21B13/02 C22B1/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу оценки агломерированной руды для оценки кластеризации агломерированной руды и к агломерированной руде.

Предшествующий уровень техники

Глобальное потепление, вызванное увеличением выбросов СО₂, считается проблемой международного масштаба, а снижение выбросов СО₂ превратилось в задачу, стоящую перед всем миром. Примерно из 1,9 млрд. тонн нерафинированной стали, производимой в мире, около 1,4 млрд. тонн производят доменно-конвертерным способом. Поскольку в доменно-конвертерном способе используют уголь, в атмосферу выбрасывается количество CO₂, равное 2 тоннам на одну тонну железа (т-CO₂ /т-Fe). Оставшиеся 0,5 млрд. т производят не доменным способом, а методом прямого восстановления. Метод твердофазного восстановления в шахтной печи в сочетании с применением электропечи, представленный компанией MIDREX®, при котором на долю прямого восстановления приходится 60% и более, позволяет снизить выбросы CO₂ примерно до 1,1 до 1,2 т-CO₂/т-Fe. Для снижения выбросов CO₂ в черной металлургии необходимо перейти от доменно-конвертерного метода к процессу прямого восстановления, а также увеличить долю восстановления водородом.

Сырье, применяемое в способе прямого восстановления, как правило, имеет высокое содержание железа по сравнению с сырьем, которое используется в доменно-конвертерном методе. В частности, для восстановления в шахтной печи в качестве сырья используют окатыши с однородным размером частиц, чтобы обеспечить газопроницаемость внутри печи. Известно, что в процессе восстановления, при спуске сырья вниз по печи, происходит кластеризация, в результате которой частицы восстановленного железа прилипают друг к другу под тяжестью сырья, накопившегося в высокотемпературной зоне перед фурмой в нижней части шахтной печи. Кластеризация осложняет процесс, поскольку она препятствует выгрузке восстановленного железа из шахтной печи. Для предотвращения кластеризации большое значение имеет контроль за свойствами сырья, загружаемого в шахтную печь.

Степень адгезии агломерированного сырья в процессе восстановления до сих пор оценивали методом определения температуры деформации под нагрузкой по технологии MIDREX, описанной в непатентном документе 1. Согласно непатентному документу 1, 2000 г образца загружают в печь, где его восстанавливают до степени восстановления 95% в изотермической среде при 850°C под действием газа, состоящего из 45% H₂ + 30% CO + 15% CO₂ + 10% N₂, протекающего со скоростью 40 л/мин. Через 60 минут после начала восстановления к поверхности загруженного слоя образца прикладывают нагрузку 147 кПа. После охлаждения кластер, образовавшийся в процессе восстановления, десять раз обкатывают во вращающемся барабане диаметром один метр, а затем долю частиц размером 25 мм и более, которые определяют как кластер, оценивают в качестве индекса кластера.

Список цитирования

Непатентная литература

Непатентный документ 1: L. Lu, J. Pan, D. Zhu, "Quality requirements of iron ore for iron production" Iron Ore, Elsevier Ltd., p. 475-504

Непатентный документ 2: Dentaro Kaneko and two others, "Clustering Phenomena during Iron Oxide Reduction in Shaft Furnace" Tetsu-to-Hagané, the 64th year (1978), No. 6, p. 681-690

Раскрытие сущности изобретения

Техническая задача

Описанный в непатентном документе 1 способ оценки кластеров, в котором газ содержит CO и CO₂, не позволяет в достаточной степени оценить способность загруженного материала к агрегации при его восстановлении чистым водородом. Этот способ не способен дать оценку дезинтегрируемости в случае, когда кластеризация материала, загруженного в печь, усиливается, поскольку из-за более высокой скорости реакции восстановления водородом восстановление завершается раньше и приводит к образованию большего количества металлического железа. В случае, когда газообразные компоненты включают CO и CO₂, восстановленное железо становится науглероженным и менее склонным к кластеризации (рис. 6 в непатентном документе 2). Поскольку кластеризация при этом снижается, использование обычного метода оценки не позволяет точно оценить явление кластеризации в шахтной печи при восстановлении водородом.

Восстановление оксида железа под действием CO является экзотермической реакцией, тогда как восстановление под действием H₂ - эндотермической реакцией. Поэтому при сокращении доли восстановления под действием СО и увеличения доли восстановления под действием Н₂, необходимо осуществить тепловую компенсацию системы. Одним из возможных способов такой тепловой компенсации является повышение температуры дутья и скорости потока дутья. В этом случае перед фурмой окажутся частицы, восстановление которых завершено, и частицы, температура частиц которых была повышена до температуры, близкой к температуре вдуваемого газа. Таким образом, при использовании традиционного метода в точке 95-процентного восстановления кластеризация происходит с меньшей вероятность из-за пониженной температуры частиц в результате поглощения тепла при восстановлении водородом и низкой температуры испытания, составляющей 850°C. Вследствие этого традиционный метод оценки не позволяет точно оценить кластеризацию внутри шахтной печи при восстановлении водородом в случае, когда доля восстановления H₂ велика, а тепловую компенсацию осуществляют за счет физического тепла дутья.

Настоящее изобретение было разработано с учетом описанных выше обстоятельств, и его целью является предоставление способа оценки агломерированной руды, позволяющего оценить кластеризацию восстановленного железа при его восстановлении с использованием высокой концентрации водорода, с учетом тепловой компенсации при использовании физической теплоты дутья, и получение агломерированной руды на основе этого способа оценки.

Решение задачи

Настоящее изобретение представляет собой способ оценки агломерированной руды, характеризующийся тем, что агломерированную руду восстанавливают под воздействием заданной нагрузки при температуре от 1000°C до 1200°C, включая границы диапазона, для получения восстановленного агрегированного материала; обрабатывают восстановленный агрегированный материал во вращающемся барабане; определяют кластерную прочность CS восстановленного агрегированного материала путем вычисления по приведенной ниже формуле (1); и оценивают свойство агломерированной руды к кластеризации на основании кластерной прочности CS:

CS = (W'/W) × 100 (1),

где CS обозначает кластерную прочность (мас.%); W - масса (г) восстановленного агрегированного материала, который больше или равен максимальному диаметру частиц агломерированной руды, а W' - масса (г) восстановленного агрегированного материала, который больше или равен максимальному диаметру частиц агломерированной руды, после обработки восстановленного агрегированного материала во вращающемся барабане.

В способе оценки агломерированной руды согласно настоящему изобретению, выполненному описанным выше способом, более предпочтительными решениями считаются следующие:

(1) восстановленный агрегированный материал получают с использованием газа-восстановителя, не содержащего соединения, включающего атом С; и

(2) восстановленный агрегированный материал получают с использованием газа-восстановителя, содержащего 70 об.% или более H₂.

Кроме того, настоящее изобретение представляет агломерированную руду, характеризующуюся тем, что кластерная прочность CS₃₀ составляет 0 мас. % при измерении в соответствии с описанным выше способом оценки агломерированной руды с использованием восстановленного агрегированного материала, восстановленного при 1000°C, и восстановленного агрегированного материала после обработки во вращающемся барабане, 30-кратном повороте восстановленного агрегированного материала во вращающемся барабане при скорости 30 об/мин.

В агломерированной руде согласно настоящему изобретению, реализованному описанным выше способом, более предпочтительными решениями считаются следующие:

(1) диаметр частиц составляет 8 мм или больше;

(2) общее содержание Fe составляет 64,5 мас.% или меньше; и

(3) соблюдается приведенное ниже условие (2):

Al₂O₃ + SiO₂ ≥ 3,5 мас.% …(2),

где Al₂O₃ обозначает концентрацию (мас.%) компонента Al₂O₃ в агломерированной руде, а SiO₂ обозначает концентрацию (мас.%) компонента SiO₂ в агломерированной руде.

Положительные эффекты изобретения

Согласно настоящему изобретению, реализованному описанным выше способом, можно получить способ оценки агломерированной руды, позволяющий оценивать кластеризацию при более высокой температуре по сравнению с обычным методом, и таким образом можно оценивать кластеризацию агломерированной руды с учетом тепловой компенсации, которую осуществляют за счет физического тепла дутья при восстановлении водородом. Таким образом, можно точно оценить кластеризацию внутри шахтной печи и получить агломерированную руду с благоприятными характеристиками на основе способа оценки по настоящему изобретению.

Краткое описание графических материалов

Фиг. представляет собой график, на котором показана кластерная прочность CS₀ (мас.%) и CS₃₀ (мас.%) примеров с 1 по 6 и сравнительного примера 1.

Осуществление изобретения

Далее подробно описан один из вариантов осуществления настоящего изобретения. Следующий вариант осуществления иллюстрирует устройство и способ осуществления технической идеи настоящего изобретения и не предназначен для ограничения конфигурации до описанной ниже. Таким образом, в техническую идею настоящего изобретения можно вносить различные изменения в пределах технического объема, описанного в формуле изобретения.

Способ оценки агломерированной руды согласно варианту осуществления изобретения

Что касается способа оценки агломерированной руды в данном варианте осуществления изобретения, далее будет описан конкретный способ оценки.

Сначала 500 г ± 5 г агломерированного сырья (агломерированной руды) для производства железа пропускают через сито для определения гранулометрического состава и определения максимального размера частиц агломерированной руды. Затем агломерированную руду помещают в атмосферу N₂ и нагревают до температуры 1000°C со скоростью 5°C/мин. (Эта температура представляет собой заданную температуру в диапазоне от 1000°C до 1200°C, и в данном случае составляет 1000°C). Тем временем постепенно прикладывают нагрузку, так что при достижении 1000°C нагрузка составляет 1 кг/см². Затем, все еще при воздействии нагрузки в 1 кг/см² при 1000°C, газ заменяют на газообразную смесь N₂-20 об.% H₂, и выдерживают агломерированную руду в течение трех часов в атмосфере этого газа, протекающего при расходе 24 л/мин. После этого атмосферу заменяют на атмосферу N₂, и охлаждают агломерированную руду до комнатной температуры. Таким образом получают восстановленный агрегированный материал.

Затем восстановленный агрегированный материал просеивают через сито с размером ячейки, соответствующей максимальному диаметру частиц агломерированной руды до восстановления, и взвешивают восстановленный агрегированный материал, находящийся на сите, и восстановленный агрегированный материал, прошедший через сито. При этом массу восстановленного агрегированного материала, находящегося на сите, обозначают W (г). Затем восстановленный агрегированный материал, находящийся на сите, переносят в I-образный барабан (132 мм ϕ × 700 мм) и вращают его 30 раз со скоростью 30 об/мин. Затем извлеченный восстановленный агрегированный материал пропускают через то же сито, взвешивают восстановленный агрегированный материал, находящийся на сите, и восстановленный агрегированный материал, прошедший через сито. При этом массу восстановленного агрегированного материала, находящегося на сите, обозначают W'₃₀ (г). После этого, используя полученные значения W и W'₃₀, определяют прочность кластера CS₃₀ (мас.%) по приведенной ниже формуле (3):

CS₃₀ = (W'₃₀/W) × 100 (3)

Число оборотов в минуту и количество оборотов вращающегося барабана I-типа можно отрегулировать в случае необходимости в соответствии с воздействием, оказываемым на спеченную руду в шахтной печи, используемой для восстановления. При обозначении кластерной прочности в случае, когда обработку осуществляют при скорости об/мин и количестве оборотов, соответствующих воздействию, как CS, кластерную прочность CS (мас.%) можно определить по приведенной ниже формуле (1) с использованием вышеупомянутых значений W и массы W' восстановленного агрегированного материала, находящегося на сите, подвергшегося обработке в I-образном вращающемся барабане:

CS = (W'/W) × 100 (1)

Таким образом, получение восстановленного агрегированного материала при температуре в диапазоне от 1000°C до 1200°C, включая границы диапазона, позволяет точно оценить кластеризацию в случае, когда восстановление водородом осуществляют при тепловой компенсации за счет физического тепла дутья.

Как упоминалось выше, когда газообразные компоненты включают соединения, содержащие атом С, такие как СО, СО₂ и метан, восстановленное железо становится науглероженным и менее склонным к кластеризации. В случае восстановления с использованием газа-восстановителя с низкой концентрацией соединения, содержащего атом С, и высокой концентрацией H₂, кластеризацию не всегда можно оценить точно. С другой стороны, в данном варианте осуществления изобретения кластеризацию оценивают с использованием газа-восстановителя, который представляет собой газообразную смесь N₂-20 об% H₂ и не содержит соединения, включающего атом C. Кроме того, при использовании такого газа-восстановителя оценку можно провести упрощенным способом, поскольку количество типов используемых газов меньше, чем в обычном методе. С этой точки зрения, в способе оценки агломерированной руды согласно данному варианту осуществления предпочтительно, чтобы восстановленный агрегированный материал был получен с использованием газа-восстановителя, не содержащего соединения, включающего атом С. Кроме того, предпочтительно, чтобы восстановленный агрегированный материал был получен с использованием газа-восстановителя, содержащего 70 об.% H₂ или более объемных процентов водорода. Таким образом, можно смоделировать восстановление агломерированной руды под действием газа-восстановителя, концентрация H₂ в котором увеличена до 70 об.% или более, чтобы оценить кластеризацию при таком восстановлении.

Агломерированная руда в данном варианте осуществления

Агломерированная руда в данном варианте осуществления изобретения характеризуется тем, что кластерная прочность CS₃₀, измеренная описанным выше способом оценки агломерированной руды согласно настоящему изобретению, составляет 0 мас.%. Когда кластерная прочность CS₃₀ составляет 0 мас.%, агломерированная руда имеет благоприятную дезинтеграцию при высокой температуре. Поэтому при использовании такой агломерированной руды для получения восстановленного железа в шахтной печи и т.д., кластеризацию можно соответствующим образом уменьшить даже при использовании газа-восстановителя с повышенной концентрацией H₂.

Предпочтительно, чтобы диаметр частиц агломерированной руды согласно данному варианту осуществления изобретения составлял 8 мм или больше. Если диаметр частиц составляет 8 мм или больше, площадь контакта между частицами можно уменьшить для дальнейшего снижения кластеризации. При этом диаметр частиц 8 мм или больше означает диаметр частиц агломерированной руды, которые остаются на сите с размером ячеек 8 мм. Предпочтительно, чтобы общее содержание Fe в агломерированной руде составляло 64,5 мас.% или менее. При этом общее содержание Fe относится к концентрации компонента (мас.%) Fe, содержащегося в металлическом Fe и соединениях Fe (оксид железа, феррит кальция, сульфид железа и т.д.). Использование сырья для производства железа, в котором общее содержание Fe составляет 64,5 мас.% или менее, может дополнительно уменьшить кластеризацию. Кроме того, предпочтительно, чтобы агломерированная руда соответствовала приведенному ниже условию (2):

Al₂O₃ + SiO₂ ≥ 3,5 мас.% (2),

в котором Al₂O₃ представляет собой концентрацию (мас.%) компонента Al₂O₃ в агломерированной руде, а SiO₂ представляет собой концентрацию (мас.%) компонента SiO₂ в агломерированной руде.

Кластеризация происходит при связывании металлических частиц железа друг с другом в твердой фазе. При увеличении концентрации компонентов пустой породы, таких как Al₂O₃ и SiO₂, содержащихся в агломерированной руде, концентрация железа на поверхности восстановленных железных частиц уменьшается, так что твердофазное связывание частиц металлического железа сокращается, и тем самым снижается кластеризация. Таким образом, агломерированная руда, содержащая большое количество компонентов пустой породы, удовлетворяющих условию Al₂O₃ + SiO₂ ≥ 3,5 мас.%, характеризуется меньшей степенью кластеризации по сравнению с обычной агломерированной рудой, к которой применимо условие Al₂O₃ + SiO₂ < 3,5 мас.%, и поэтому ее предпочтительно используют для производства восстановленного водородом железа.

Примеры

Далее подробно описаны примеры настоящего изобретения.

Оценку кластеризации агломерированных руд Примеров 1-6 и окатышей сравнительного примера 1 проводили в соответствии с описанным выше способом оценки агломерированных руд. В приведенной ниже таблице 1 представлены температуры спекания и содержание компонентов агломерированных руд из примеров 1-6 и окатышей из сравнительного примера 1. В качестве сравнительного примера 1 использовали окатыши, полученные из традиционно применяемого сырья.

Таблица 1

Температура спекания °C Общее Fe
мас.% CaO/SiO₂
мас.% SiO₂+Al₂O₃
мас.% Пример 1 1150 63,94 0,38 5,84 Пример 2 1250 64,12 0,37 5,87 Пример 3 1350 64,00 0,37 5,82 Пример 4 1150 63,40 0,75 5,72 Пример 5 1250 63,45 0,76 5,72 Пример 6 1350 63,47 0,77 5,68 Сравнительный пример 1 1350 65,22 0,27 2,72

Для оценки кластеризации были получены значения кластерной прочности CS₀ до оценки и кластерной прочности CS₃₀ после 30 оборотов во вращающемся барабане. CS₀ перед обработкой во вращающемся барабане составляет 100,0 мас.%. Результаты оценки представлены в табл. 2 ниже и на Фиг. Значения температуры восстановления и состав газа-восстановителя приведены далее в табл. 2.

Таблица 2

Температура восстановления °C Состав газа-восстановителя
(об.%) CS₀ (мас.%) CS₃₀ (мас.%) Пример 1 1000 N₂-20%H₂ 100,0 0 Пример 2 1000 N₂-20%H₂ 100,0 0 Пример 3 1000 N₂-20%H₂ 100,0 0 Пример 4 1000 N₂-20%H₂ 100,0 0 Пример 5 1000 N₂-20%H₂ 100,0 0 Пример 6 1000 N₂-20%H₂ 100,0 0 Сравнительный
пример 1 1000 N₂-20%H₂ 100,0 57,0

Как показано на Фиг. и в Табл. 2, по сравнению со сравнительным примером 1, в котором кластерная прочность CS₃₀ достигает 57,0 мас.%, все агломерированные руды примеров 1-6, удовлетворяющие условию Al₂O₃ + SiO₂ ≥ 3,5 мас.%, имеют кластерную прочность CS₃₀, составляющую 0 мас.% и, таким образом, обладают благоприятной дезинтегрируемостью. Исходя из этого, агломерированные руды примеров 1-6, удовлетворяющие условию Al₂O₃ + SiO₂ ≥ 3,5 мас.%, можно назвать агломерированными рудами, которые менее склонны к кластеризации, и данные агломерированные руды признаны в качестве предпочтительных для использования при восстановлении водородом в шахтной печи.

Промышленная применимость

Способ оценки агломерированной руды согласно настоящему изобретению позволяет оценить кластеризацию при более высокой температуре по сравнению с обычным способом и, таким образом, можно оценить кластеризацию агломерированной руды с учетом тепловой компенсации, осуществляемой за счет физического тепла дутья при восстановлении водородом, что делает настоящее изобретение промышленно полезным. Кроме того, таким образом можно точно оценить кластеризацию внутри шахтной печи и получить агломерированную руду с благоприятными характеристиками на основе способа оценки по настоящему изобретению, что также делает настоящее изобретение промышленно полезным.

Изобретение относится к способу определения способности агломерированной руды к агрегированию, позволяющему оценить кластеризацию восстановленного железа при его восстановлении с использованием высокой концентрации водорода с учетом тепловой компенсации при использовании физической теплоты дутья, и получению агломерированной руды на основе этого способа оценки. Агломерированную руду восстанавливают под воздействием заданной нагрузки при температуре от 1000°C до 1200°C, включая границы диапазона для получения восстановленного агрегированного материала. Обрабатывают восстановленный агрегированный материал во вращающемся барабане, определяют кластерную прочность CS восстановленного агрегированного материала и определяют способность агломерированной руды к агрегированию на основании кластерной прочности CS. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ определения способности агломерированной руды к агрегированию, характеризующийся тем, что агломерированную руду восстанавливают под воздействием заданной нагрузки при температуре от 1000°C до 1200°C, включая границы диапазона для получения восстановленного агрегированного материала; обрабатывают восстановленный агрегированный материал во вращающемся барабане; определяют кластерную прочность CS восстановленного агрегированного материала путем вычисления по приведенной ниже формуле (1) и определяют способность агломерированной руды к агрегированию на основании кластерной прочности CS:

CS = (W'/W) × 100 (1),

где CS обозначает кластерную прочность, мас.%; W - масса, г, восстановленного агрегированного материала, который больше или равен максимальному диаметру частиц агломерированной руды, а W' - масса, г, восстановленного агрегированного материала, который больше или равен максимальному диаметру частиц агломерированной руды после обработки восстановленного агрегированного материала во вращающемся барабане.

2. Способ оценки агломерированной руды по п. 1, в котором восстановленный агрегированный материал получают при использовании газа-восстановителя, в котором отсутствует соединение, содержащее атом С.

3. Способ оценки агломерированной руды по п. 1 или 2, в котором восстановленный агрегированный материал получают при использовании газа-восстановителя с содержанием 70 об.% или больше H₂.

4. Агломерированная руда, характеризующаяся тем, что кластерная прочность CS составляет 0 мас.% при определении ее в соответствии со способом оценки агломерированной руды по любому из пп. 1-3 при условии использования восстановленного агрегированного материала, который восстановлен при 1000°C, и восстановленного агрегированного материала после обработки во вращающемся барабане, полученного в результате 30-кратного поворота восстановленного агрегированного материала во вращающемся барабане при скорости 30 об/мин,

причем для агломерированной руды выполняется приведенное ниже условие (2):

Al₂O₃ + SiO₂ ≥ 3.5 мас.% (2),

где Al₂O₃ обозначает концентрацию, мас.%, компонента Al₂O₃ в агломерированной руде, а SiO₂ обозначает концентрацию, мас.%, компонента SiO₂ в агломерированной руде.

5. Агломерированная руда по п. 4, в которой диаметр частиц составляет 8 мм или больше.

6. Агломерированная руда по п. 4 или 5, в которой общее содержание Fe составляет 64,5 мас.% или меньше.