Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 15 )

Примерно такая же прочность требуется и от кусков кокса. Чтобы обеспечить столь высокую прочность, выбирают более дорогие, но хорошо коксующиеся угли, и вводится еще один передел – коксование, также при высоких температурах, обычно около (1100-1300) 0С.

Сейчас для получения стали требуется минимум 4 цикла нагрева-охлаждения сырья, включая два энергоемких расплавления в доменном и в сталеплавильном процессах, а также коксование и агломерацию при подготовке сырья. При последующей обработке до получения готового изделия нередко требуется еще несколько раз нагревать металл при формовке, термообработке и др. С учетом дополнительных подготовительных циклов получается, например, 8 циклов нагрева–охлаждения.

Если порошок железорудного концентрата после металлизации тут же горячим прессуется в изделие, то можно получить изделие за один цикл нагрева–охлаждения как и в старой кричной металлургии с затратами энергии примерно на порядок величины меньше, чем в современной металлургии.

Если концентрат металлизуется в виде окатышей, которые затем охлаждаются, вновь дезинтегрируются (измельчаются) до порошка, далее этот порошок прессуется и спекается, то изделие получается за 2 цикла нагрева–охлаждения (металлизация и спекание). Тэлмеджа [18] показали, что подобная твердотельная металлургия с металлизацией окатышей требует примерно в 5 раз меньших энергозатрат по сравнению с современной металлургией. Открываются перспективы «освободить, наконец, нашу планету от огнедышащих производств, загрязняющих окружающую среду, отягощающих экономику…» [13].

Наша цель в данной главе состояла в следующем:

1. Показать, что многие металлоизделия можно успешно изготовлять прессованием – спеканием даже из рядовых железорудных концентратов, металлизованных обычными способами в окатышах, например, процессом «Мидрекс». Такие металлизованные окатыши производятся сейчас в количествах порядка десятков миллионов тонн. Из металлизованных суперконцентратов можно аналогично получать и более качественные изделия.

2. Показать что перспективны процессы металлизации концентрата в порошке без изготовления окатышей; реальны процессы металлизация–спекание за один цикл нагрева–охлаждения.

8.3. Прессуемость и спекаемость металлизованного концентрата

В нашей лаборатории выполнен ряд экспериментов по получению металлоизделий из рядового (Лебединского) концентрата, металлизованного в окатышах на Старо-Оскольском комбинате обычным способом «Мидрекс». Исследование выполнялось в порядке выполнения гранта РФФИ и «Программы приоритетных научных исследований».

Такие попытки ряда исследователей, а также некоторые наши предварительные эксперименты дали отрицательные результаты. При некоторых значениях параметров металлизации спекаемость и прессуемость порошка оказывались недостаточными, и в итоге получался плохо спеченный материал с низкими механическими свойствами. Иногда осыпались ребра и вершины прессовок. При других параметрах металлизации последующее спекание оказывалось достаточно глубоким и давало кондиционный металл.

В частности, при металлизации концентрата в лодочках их выдерживали в течение 4-х часов в закрытой кварцевой трубке, содержащей избыток графита. В первом случае температура составляла 1100 0С, во втором – 1300 0С. Металлизованный концентрат перемешивали, разрушали образующиеся спеки, прессовали давлением 500 МПа и спекали при 1100 0С в течение 4 часов. Второй режим металлизации давал плохо спекшийся материал с низкими физико-механическими характеристиками. Первый режим давал кондиционный металл, примерно соответствующий по механическим свойствам малоуглеродистой стали. Твердость по Бринелю составляла в среднем 900 МПа, прочность на сжатие – в среднем 550 МПа.

Рентгеновский микроанализ показал, что во втором образце металлизованного концентрата уже сами порошинки железа имели высокое содержание углерода (1 % и более). Выявились также большие отложения пленочного углерода на поверхностях крупинок железа, что понижает спекаемость. Очевидно, это делало их менее пластичными и понижало прессуемость и спекаемость порошка. В первом образце сами порошинки железа содержали около 0,1 % углерода и сохраняли пластичность.

В целом выясняется, что достигается удовлетворительная прессуемость-спекаемость, если сами частицы железа содержат не более (0,1-0,2) % углерода, а остальной углерод образует отдельную фазу. Прессуемость снижается от присутствия карбидов железа, а также от больших концентраций углерода, растворенного в крупинках железа, что делает их хрупкими и плохо прессуемыми, подобно порошкам чугуна или хрупкой стали. Стандартный железный порошок различных марок обычно должен содержать не более (0,03-0,012) % углерода, чтобы давать хорошее спекание. Эти цифры оказываются справедливыми и для металлизованных концентратов, но лишь применительно к углероду, растворенному в частицах железа. Так как растворимость примесей в твердом железе мала, то материал может содержать много вредных примесей, но в качестве инертных фаз включения они почти не влияют на свойства основной (материнской) фазы – железа. Концентрацию растворенного углерода и присутствие карбидов можно установить по данным рентгенофазового анализа на установке MS-46 «CAMECA».

Спекание получается лучше, если прессуется порошок несколько недовосстановленный с добавкой порошка углерода, и уже в процессе такого «реакционного спекания» идут реакции окончательного восстановления остаточных окислов железа. Достигается более высокая плотность и прочность металла, если после первого прессования и небольшой выдержки в горячем состоянии проводится еще одно обжатие и затем уже окончательное спекание.

В несколько стадий можно спечь даже плохо прессующиеся концентраты. Даже из бедного Качканарского концентрата с 14 % примесей получался плотный материал, если первую стадию обжатия-спекания проводили в форме, извлекали образец из формы после второго обжатия, затем выполняли окончательное спекание. Можно и окончательное спекание провести в две стадии. Такой многостадийный процесс похож на работу в кузнице, когда изделие несколько раз куют и затем возвращают в горн для выдержки. Подобным образом прокат в ряде случаев проходит поочередно обжатия на стане и прогревы в нагревательной печи.

8.4. Другие эксперименты

Известно мнение, что рядовые концентраты содержат слишком много неметаллических примесей и поэтому не поддаются глубокому спеканию. Правда, в прошлом из криц (то есть из спекающихся металлизованных кусков руды) выковывали качественные изделия; но считается, что в прошлом металлурги могли пользоваться особенно чистыми рудами. Прямые анализы металла древних металлоизделий, которые сейчас хранятся в музеях, не подтверждают это мнение; изделия древней или средневековой металлургии содержат, например, до (7-8) % неметаллических включений [1, 2].

Если изделие получается металлизацией – спеканием концентрата, то все примеси концентрата попадают в готовое изделие. Однако достаточно малые включения нередко не только не понижают прочность металла, но и повышают ее; такой металл называется дисперсионно–упрочненным. Упрочнение железа до характеристик стали при введении углерода тоже, в сущности, является упрочнением материала дисперсными включениями. В ряде случаев в металл специально вводят до 10 % и более таких дисперсионно-упрочняющих включений. Дисперсные включения (SiO2, Al2O3) появляются, в частности, при раскислении стали ферросилицием и алюминием.

На прочность металла качественно различно действуют малые и большие включения. При размерах примерно до 10 мкм включения упрочняют металл подобно тому, как прочность железа повышается включениями углерода подобных размеров. Более крупные включения понижают прочность, они как бы «надрезывают» матрицу.

Образцы металла, полученного прессованием–спеканием метализованного концентрата, испытаны в качестве мелющих тел в лабораторной мельнице при истирании угля. Их износостойкость (убыль веса при истирании в мельнице) соответствовала применяемым промышленным мелющим телам с отклонением плюс-минус 15 %.

Отмечено, что образцы металла из Лебединского концентрата давали более интенсивное истирание породы, чем аналогичные по составу образцы без включений. Металл, полученный спеканием Лебединского концентрата, содержит (как и исходный концентрат) примерно 5 % включений SiO2 – зерен кварца. Эти включения делают мелющее тело похожим на абразив, содержащий твердые кристаллы кварца, которые усиливают истирание породы, то есть улучшают работу мелющих тел.

Изучена зависимость механических свойств получаемого металла от содержания примесей в исходном концентрате. Пройден интервал от наиболее чистого суперконцентрата (Оленегорского, 0,1 % примесей) до рядового (Лебединского, 5 %) и концентрата с повышенным содержанием примесей (Качканарского, 14 %).

Исследовано влияние добавки углерода перед прессованием и спеканием в количестве 0,3; 0,7; 1; 2; 5 %, а также добавка 5 % FeO для получения окисленного металла. Наибольшую прочность на сжатие показали образцы с добавкой 1 % углерода.

Исследовано влияние добавки 0,6 % алюминиевой пудры (сверх обычного угара) в порошок металлизованного качканарского концентрата перед прессованием. Установлено 0,6 % алюминия стехиометрически достаточно для алюмотермического восстановления марганца, ванадия и хрома качканарского концентрата. Химический анализ полученного металла на ванадий показал, что ванадий в основном восстановлен при спекании.

Добавка алюминиевой пудры и алюмотермическое восстановление и усвоение легирующих при спекании дают простой и недорогой способ усвоения легирующих компонентов комплексной руды.

8.5. Металлизация концентрата в порошке

Металлизация железорудных концентратов в порошке в настоящее время еще не отлажена в промышленных масштабах. Известны эксперименты по металлизации этих порошков во взвешенно-фонтанирующем слое, в кипящем слое, вихревой камере, известен способ «Циклон». Известна также металлизация концентрата в аппаратах типа воронки, в которых частицы концентрата удерживаются во взвешенном состоянии на определенном уровне потоком газа снизу. В СССР такие работы проводились в Ленинградском университете, химико-металлургическом институте Казахской ССР, ЦНИИ «Прометей» [15]. Интерес к таким процессам понизился после резкого подорожания природного газа.