брикет для металлургического передела

Формула изобретения

1. Брикет для металлургического передела, включающий железосодержащий материал, углеродсодержащее вещество и связующее, отличающийся тем, что связующее изготовлено из смеси строительного цемента и пластифицирующей воздухововлекающей добавки - адипинового щелочного пластификатора, имеющего химическую формулу СООН(СН₂)₄СООNа, при этом в брикете следующее соотношение компонентов, мас.%:

Углеродсодержащее вещество 5-35

Строительный цемент 10-18

Пластификатор адипиновый щелочной 0,1-0,9

Железосодержащий материал Остальное

2. Брикет по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего вещества используют отходы производства графитовых электродов, содержащие менее 0,5% S, а отношение общего содержания углерода к общему содержанию оксидов железа в составе брикета поддерживают в весовом соотношении 1: 4,0-6,0.

3. Брикет по п.1, отличающийся тем, что в составе брикета доля углеродсодержащего вещества составляет 10-35 мас.%, а в качестве железосодержащего материала используют смесь оксидов железа природного или промышленного происхождения: железная руда, железорудный концентрат, окалина; с металлическими производственными отходами: стальная или чугунная стружка, металлоотсев, отходы производства чугунной или стальной дроби, имеющими фракционный состав 0-30 мм, причем доля металлического железа в железосодержащем материале составляет 0-95%.

4. Брикет по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего вещества используют измельченные каменный уголь, или кокс, или термоантрацит.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к подготовке шихтовых материалов для металлургического передела, и может быть использовано при получении жидкого чугуна и стали, в том числе для изготовления отливок различного назначения.

Известен способ переработки дисперсных железосодержащих материалов (патент 2147617 США) [1], предусматривающий смешивание их с углем и связующим из стирола или акронитрила с последующим брикетированием под высоким давлением. При этом количество полимерного связующего составляет 30-60% массы железа. Недостатком этого способа является относительно высокая стоимость полимерных связующих, удорожающая брикеты и приводящая к повышению себестоимости стали, выплавляемой с использованием в шихте указанных брикетов.

Наиболее близким к заявляемому способу является широко известный способ изготовления железо-углеродсодержащих брикетов на связующем - цементе [Л.А.Лурье. Брикетирование в черной и цветной металлургии, М., Металлургиздат, 1963, стр. 178] [2]. Цемент является достаточно дешевым и широко применяемым в промышленности и строительстве связующим, изготавливаемые на цементной связке брикеты имеют высокую механическую прочность, не требуют обжига для упрочнения.

Существенным недостатком данного способа является высокая температура плавления таких брикетов (t°1420-1500С) вследствие образования при их нагреве тугоплавких соединений типа n(CaO)SiO₂, обусловленных повышенным содержанием цемента.

Кроме того, из-за высокого содержания цемента, превышающего 10% от массы брикета, такой брикет представляет собой монолит с низкой пористостью, что затрудняет взаимодействие металлического расплава с компонентами брикета при t<1420-1500С, а пониженная по сравнению с Fe-C расплавом, удельная плотность брикета не дает ему погрузиться в расплав, в связи с чем усвоение компонентов брикета расплавом происходит с низкой скоростью, затягивая процесс плавки, снижая производительность сталеплавильного агрегата.

Техническая задача изобретения - получение простых по составу и экономичных в изготовлении железосодержащих брикетов, имеющих оптимальные теплофизические показатели, пригодные для выплавки различных железоуглеродистых материалов в различных агрегатах.

Технический результат достигается тем, что с целью обеспечения температуры размягчения и плавления брикетов в пределах 1100-1400°С; снижения формовочной влажности механической смеси компонентов перед брикетированием; повышения общей пористости готового брикета, а также вовлечения отходов производства капролактама в металлургическую технологию, брикет для металлургического передела, состоящий из углеродсодержащего вещества, железосодержащего материала и связующего, изготавливают с использованием в качестве связующего смеси цемента и пластифицирующе-воздухововлекающей добавки - пластификатор адипиновый щелочной, являющийся отходом производства капролактама, имеющий химическую формулу COOH(CH₂)₄COONa), при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углеродсодержащее вещество 5-35

Строительный цемент 10-18

Пластификатор адипиновый щелочной 0,1-0,9

Железосодержащий материал Остальное

Для обеспечения максимальной степени восстановления оксидов железа в расплаве при минимизации остаточного содержания серы брикет в качестве углеродсодержащего вещества содержит отходы производства графитовых электродов, в которых менее 0,5% S, при этом общее содержание углерода к общему содержанию оксидов железа в брикете поддерживают в весовом соотношении 1:(4-6).

Для получения повышенного содержания углерода в металле после расплавления брикет содержит 10-35 мас.% углеродсодержащего вещества, а в качестве железосодержащего материала - смесь оксидов железа природного или промышленного происхождения: железная руда, железорудный концентрат, окалина с металлическими производственными отходами (металлоотсев, стальная и/или чугунная стружка, отходы производства стальной и/или чугунной дроби), имеющими фракционный состав 0-30 мм, при этом доля металлического железа в железосодержащем материале составляет от 0 до 95%.

В процессе изготовления брикетов на брикет-прессах ввод совместно с цементом, используемым в качестве основного связующего, воздухововлекающей пластифицирующей добавки позволяет уменьшить формовочную влажность брикета и сократить срок "вылеживания" и время тепловлажностной обработки (пропаривания), требуемой для ускорения набора механической прочности брикетов. Добавка и связующий материал обеспечивают после формования брикета в пресс-форме получение в цементной связке микропор диаметром 0,1-0,5 мм, заполненных добавкой, которые являются исходными воздушными пузырьками в теле брикета. В процессе нагрева брикета, введенного в шихту плавильного агрегата при температурах выше 270-350С (температура кипения), добавка переходит в газовую фазу, увеличивая давление газа в исходных пузырьках, образовавшихся за счет ввода добавки в связующее. При нагреве брикета выше температур 1100-1200С давление газовой фазы в исходных пузырьках начинает превышать величину механической прочности брикета - брикет диспергируется на исходные компоненты (происходит "размягчение" и разрушение брикета), которые начинают растворяться в образующемся при этих температурах железоуглеродистом расплаве (в частности, чугуне).

Минимальное необходимое количество добавки составляет 0,1% от массы материала и определяется тем, что ниже этого количества добавки в готовом брикете доля образующихся пор недостаточна для обеспечения диспергирования брикета в интервале температур 1100-1400С, что подтверждено лабораторными экспериментами. Максимально допустимое количество добавки определено экспериментальным путем и составляет 0,9% от массы компонентов брикета. При превышении этого содержания добавки в брикете формируется ячеистая структура с выходом множества пор на поверхность брикета. Это приводит к повышению суммарной влажности брикета, особенно при хранении его на открытых складах и транспортировке без упаковки в открытом транспорте. Кроме того, при повышенной пористости брикета в случае избытка добавки диспергирование материала в расплаве в процессе нагрева начинается ниже температур 1100°С, и выделяющиеся при диспергировании частицы углеродсодержащего вещества не усваиваются металлом, бесполезно окисляются в атмосфере плавильного агрегата.

Если в качестве железосодержащего материала в брикетах используются оксиды железа (окалина, железорудные материалы), как правило, представляющие собой смесь химических соединений Fe₂O₃, Fe₃O₄ FeO, то по расчетам для 100%-ного восстановления Fе₂О₃ на единицу массы этого оксида требуется 0,225 единиц массы углерода, а для FeO соответственно 0,167 единиц массы углерода (предполагается, что углерод окисляется до СО). Поскольку часть углерода при нагреве брикетов может окислиться за счет атмосферы печи, а после расплавления брикета сформировавшийся жидкий металл должен иметь определенный "избыток" углерода, то в брикете необходимо поддерживать общее содержание углерода к общему содержанию оксидов железа в соотношении 1:(4,0-6,0).

Большинство углеродсодержащих веществ, применяемых в промышленности, содержат в качестве примесей серу, в частности в коксе может быть до 2,0% S. При выплавке большинства сталей сера является вредной примесью, трудноудаляемой в сталеплавильных агрегатах, поэтому предпочтительно минимизировать содержание серы в брикетах для металлургического производства. Использование в качестве углеродсодержащего вещества отходов производства графитовых электродов, в которых содержание серы не превышает 0,5%, обеспечивает получение в готовом брикете содержание серы 0,02-0,15%, что вполне приемлемо для большинства сталеплавильных агрегатов.

Для обеспечения повышенного содержания углерода в металле после расплавления брикетов следует увеличить в составе брикета долю углеродсодержащего вещества, поэтому ее можно рекомендовать в пределах 5-35 мас.%. Увеличение содержания углеродсодержащего вещества свыше 35 мас.% технически нерационально, поскольку при этом, во-первых, заметно снижается механическая прочность брикетов, что не позволяет обеспечить их транспортировку к потребителю, а, во-вторых, при доле углеродсодержащего вещества более 35 мас.% содержание углерода в брикете превышает 50%, что ведет к интенсивному поверхностному окислению углерода в брикетах при их нагреве в атмосфере печи и соответственно нерациональному использованию части вводимого углеродсодержащего вещества.

Углерод, вводимый в составе брикетов, при наличии в брикетах оксидов железа природного или промышленного происхождения в виде железной руды, железорудного концентрата, окалины, восстанавливает эти оксиды вплоть до получения металлического железа, уменьшение доли оксидов железа в брикетах "высвобождает" часть углерода, который в этом случае будет усваиваться металлическим расплавом. Поэтому замена части оксидов железа металлическими производственными отходами: стальная или чугунная стружка, металлоотсев, отходы производства чугунной или стальной дроби, уменьшит расход углерода на восстановление железа и увеличит его степень усвоения расплавом железа. Размер частиц отходов (0-30 мм) определяется техническими возможностями изготовления брикета (для большинства брикет-прессов частицы с характеристическим размером более 30 мм неприемлемы по техническим соображениям). Предпочтительно для формирования и выделения пузырей СО, способствующих при нагреве брикета его диспергированию, использовать в качестве железосодержащего материала смесь оксидов железа природного и/или промышленного происхождения: железная руда, железорудный концентрат, окалина; с металлическими отходами: стальная и/или чугунная стружка, металлоотсев, отходы производства чугунной и стальной дроби, имеющими фракционный состав 0-30 мм. При этом доля металлического железа в железосодержащем материале ограничена верхним пределом 95%, чтобы иметь в смеси достаточное для образования СО количество оксидов железа, выполняющих роль источника кислорода.

Для выплавки сталей и чугунов с нерегламентированными требованиями к содержанию серы либо при использовании брикетов в технологии плавки, обеспечивающей приемлемую степень удаления серы, в качестве углеродсодержащего вещества в брикетах экономически предпочтительно использовать мелочь каменного угля или кокса, или термоантрацита.

Для оценки предлагаемого и известного материала проведены серии плавок в мартеновской печи, работающей скрап-процессом, с применением брикетов, полученных без использования воздухововлекающей пластифицирующей добавки и с применением опытных брикетов, изготовленных согласно предлагаемому составу. Данные по составу брикетов, изготовленных по прототипу и по составу двух опытных партий брикетов предлагаемого состава приведены в таблице 1. Сравнительные данные плавок с применением в шихте брикетов разного состава приведены в таблице 2.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый брикет позволяет обеспечить уменьшение времени плавления шихты при получении низкого содержания серы в металле после расплавления шихты и высокого содержания углерода, обеспечивающего уменьшение расхода твердого чугуна на тонну стали, сокращение времени плавки с соответствующим увеличением производительности агрегата.

Список литературы

1. Патент США №2147617, МПК⁷ C 22 B 1/245, С 22 B 7/02, В 29 В 9/08, В 29 С 47/36, публ. 2000.20.04.

2. Л.А.Лурье. Брикетирование в черной и цветной металлургии. М., Металлургиздат, 1963, с.178.