Автореферат: Разработка технологических основ рациональной схемы производства железа прямого получения из качканарских титаномагнетитов

Влияние температуры обжига в «аглочаше» на прочность показано на рис.3.

По результатам опыта установлено, что предварительный обжиг окатышей при 900С позволяет получить необходимую прочность для их перегрузки во вращающуюся печь с минимальной потерей углерода. При этом степень восстановления составляет 13%, содержание Ств 18,6% при начальном 20%. С такой температурой окатыши перегружались во вращающуюся печь восстановительного обжига.

При этом окатыши в печи нагревались со скоростями от 60 до 130 град/мин. до температуры 1100С. Общее время восстановительной термообработки составляло 3 часа. Результаты представлены в табл.7.

Таблица 7. Зависимость степени металлизации и прочности окатышей с содержанием углерода в шихте 20% от скорости нагрева до 1100С (общее время обработки 3 часа)

Во вращающуюся печь также подавали кусковое твердое топливо в количестве 10-40% от массы окатышей для защиты атмосферы печи от кислорода воздуха.

Анализ результатов данного этапа исследований позволил установить, что:

- степень металлизации окатышей, содержащих в исходной шихте 20% углерода, составляет 72 - 91% в зависимости от скорости нагрева. С ее увеличением степень металлизации возрастает (увеличивается время выдержки при температуре обжига);

- прочность восстановленных окатышей также возрастает с интенсификацией нагрева;

- в процессе восстановительного обжига углеродсодержащие окатыши уменьшались в объеме на 60 - 70%.

Полученные результаты позволили рассчитать материальный и тепловой баланс восстановительного обжига и сформулировать исходные данные для расчета промышленной печи (табл.8), чему посвящена четвертая глава работы.

Таблица 8. Исходные данные для расчетов

Полученные данные позволили провести расчет печи с использованием известной методики Б.А.Боковиков, Ф.Р.Шкляр, В.Я.Рехтер и др. Математическая модель тепло- и массообмена во вращающихся печах. В кн. «Металлургическая теплотехника». М., Металлургия, 1974 г. . Результаты приведены в табл.9.

Таблица 9. Параметры работы вращающейся печи

Утилизация энергии отходящих газов предусматривается по схеме «топка дожигания - котел-утилизатор».

В пятой главе представлено обоснование выбора наиболее оптимальных для условий ОАО «Качканарский ГОК. Ванадий» технологических схем получения металлизованного продукта с использованием как газообразного, так и твердого восстановителя. В качестве одного из критериев рассматривается степень извлечения ванадия.

Нетривиальность выбора технологии металлизации определяется факторами экономического характера, которые связаны с капитальными и эксплуатационными затратами, а также с себестоимостью продукта, определяемой еще целым рядом технических аспектов (состав шихты, ее физические и металлургические свойства). С этой целью в работе проведен сравнительный технико-экономический анализ целесообразности использования различных технологий прямого получения железа на основе литературных данных о себестоимости и удельных капитальных затратах. При этом рассмотрены как технологии производства металлизованных окатышей (HYL, Midrex, SL/RN), так и получения чугуна (доменная печь, Corex, ITmk-3, Hysmelt и др.). Основные результаты анализа выделить три группы процессов:

1.С низкими капитальными затратами и низкой себестоимостью полупродукта (наиболее эффективная группа процессов в случае реализации): Мidrex, HYL -III

2.С высокими капитальными затратами и низкой себестоимостью полупродукта:

Corex, ITmk-3, SL/RN

3.С высокими капитальными затратами и высокой себестоимостью полупродукта:

доменный, HISmelt

Используя результаты проведенного анализа, предложено более детально рассмотреть в качестве базовых вариантов, имеющих производительность 1,0-2,0 млн.т/год, следующие (табл.10):

- производство металлизованных окатышей (брикетов) по технологии HYL-III производительностью 1,0 млн.т/год Здесь и в дальнейшем для анализа принимается максимально достигнутая производительность соответствующих установок;

- производство чугуна на установке Corex-C-3000 производительностью 1,5 млн.т/год;

- производство чугуна (2 млн.т/год) на 4-х последовательно вводимых установках ITmk-3;

- производство металлизованных окатышей (1 млн.т/год) на 4-х установках SL/RN (вращающаяся печь).

Кроме того, рассмотрен промежуточный вариант:

- производство чугуна (1,5 млн.т/год) на установке Corex C-3000 и металлизованного продукта (окатыши/брикеты) на установке Midrex (без реформера), работающей с использованием отходящих газов Corex.

Таблица 10 .. Основные показатели рассматриваемых вариантов (по литературным данным)

Пятый вариант, предусматривающий использование вращающейся печи (тип SL/RN). Такие установки, имея относительно низкие стоимости производства даже при высокой стоимости шихты, имеют низкую единичную мощность, обычно не превышающую 0,20 - 0,25 млн.т металлизованного продукта в год. Видно, что удельные капитальные затраты (400$ на тонну годового производства) превосходят все рассмотренные здесь варианты. Однако возможность полного исключения использования природного газа и более полного извлечения ванадия делает этот процесс привлекательным для условий ОАО «Качканарский ГОК. Ванадий»

Первые четыре варианта: HYL-III (1 млн.т/год), 4 модуля ITmk-3 (2,0 млн.т в год), Corex (1,5 млн.т в год) и Corex+Midrex (3 млн.т в год) и характеризуются примерно равными удельными капитальными затратами. Однако с позиции себестоимости производства вариант 2 (108 $/т) выгодно отличается от других. Хотя при всей расчетной привлекательности процесс ITmk-3 в промышленном масштабе еще не реализован, для анализа технологических схем процесса получения металла приняты все варианты

Расчетные показатели этих схем представлены на рис. 5,6,7,8,9.

К преимуществам схемы можно отнести сравнительно низкие капитальные и эксплуатационные затраты, качество конечного продукта, близкого по составу к доменному чугуну и достаточно высокую степень извлечения ванадия (65-70%)

Следующий вариант предусматривает использование установки Corex C-3000, работающей на шихте, состоящей из смеси исходной руды (Feобщ=16%) и окатышей в пропорции 0,3:0,7. Содержание железа в шихте составляет 50%. Окатыши производят на одной обжиговой машине из базового концентрата. Соответствующая схема материальных потоков приведена на рис.7

Рис. 7. Схема материальных потоков при использовании установки Corex С-3000. (Цифры отражают годовое потребление, тыс.т)

Газ из установки Corex может быть использован для отопления всех четырех машин ОК-228. Кроме того, его остаток может быть использован для производства электроэнергии. В этом варианте используется базовый концентрат (без его дообогащения) и задействована одна обжиговая машина, которая половину времени работает на склад для отгрузки окатышей потребителю.

Расчетный состав чугуна: 94,0-95,0 Fe, 4,7%C, 0,45-0,85 Si, 0,019 S

при содержании ванадия 0,5%.

Преимуществом такой схемы является использование базового концентрата (без дообогащения) и исходной руды (Feобщ=16%).

Следующим вариантом является схема «Corex - две обжиговые машины (228 м2) - Midrex», позволяющая производить1,5 млн.т чугуна в год и столько же металлизованных окатышей (брикетов). Это соотношение близко к реализованному при эксплуатации аналогичного комплекса на заводе «Solanha Steel» в ЮАР. Получение двух типов товарного продукта позволяет гибко реагировать на конъюнктуру цен, как на внутреннем рынке, так и на международном. Такая схема не предполагает использования природного газа обжиговые машины и модуль Midrex используют в качестве топлива отходящие газы установки Corex.

Рис.8. Материальный баланс комплекса Corex - ОКМ - Midrex по руде, окатышам, чугуну и шлаку при содержании железа в шихте установки Corex 50% (числитель) и 55% (знаменатель).(цифры - тыс.т/год)

Исходная шихта после смешивания окомковывается и поступает на сушку и упрочнение в установку «решетка», отапливаемую отходящими газами из вращающейся печи. На ее загрузку, кроме упрочненных окатышей, дополнительно подается уголь фракции 5 - 20 мм в количестве 90,7 тыс.т в год.

Преимуществом данного варианта является то, что, кроме сравнительно низких капитальных затрат, в этой схеме практически нет потребления природного газа.

Заключение и выводы

Представленная диссертационная работа посвящена решению ряда проблем, связанных с переработкой титаномагнетитовых руд. Существующая схема «доменная печь - конвертер» имеет ряд недостатков, состоящих в низкой степени извлечения ванадия и, главным образом, в высокой стоимости производства чугуна и ванадия. В связи с этим рассмотрены варианты эффективной переработки концентратов на основе результатов комплексных лабораторных, полупромышленных и расчетных исследований и предложены варианты технологий переработки титаномагнетитов методами бескоксовой металлургии с использованием как газообразного, так и твердого восстановителя. Объектом исследования явился дообогащенный концентрат (содержание железа 65,1%, мас.).

1. На основе результатов исследований особенностей окисления и спекания качканарских доообогащенных титаномагнетитовых концентратов и проведенных теплотехнических и технологических расчетов зон сушки, окисления (подогрева) и обжига, а также с учетом оптимизации высоты слоя сырых окатышей впервые разработан и опробован в промышленных условиях режим окислительной термообработки окатышей с достижением прочности на сжатие до 300 кг/окат. и содержанием FeO 1,0 - 1,5%. На этой основе составлена и опробована на обжиговой машине ОК-228 режимная карта термообработки окатышей, годных для последующей металлизации в шахтных печах.

2. Лабораторные исследования опытных окатышей показали, что при низких температурах восстановления (700С) они уступают базовым (ОЭМК), обработанным по опытному режиму: восстановимость неофлюсованных окатышей ниже на 10-15%, а прочность на 40%. При 900С соответствующие характеристики уступают на 25-30% и 45-50%, что определяется низкими скоростями окисления, спекания и восстановления титаномагнетитов. Тем не менее, полученные результаты определяют пригодность опытных окатышей для металлизации в шахтных печах. Однако металлургические свойства офлюсованных окатышей ниже требований, предъявляемых последующим переделом.

3. Установлено, что при моделировании условий технологии HYL-III, показатели металлургических свойств окатышей КачГОКа не уступают технологическим окатышам ОАО «Лебединский ГОК», а по некоторым показателям (степень усадки и индекс спекаемости) и превосходят их.