Кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей
Исследовано влияние интенсивности теплообмена на кинетику восстановления железа в процессе плавки рудоугольных окатышей. Показано, что с ростом интенсивности теплообмена повышается скорость восстановительных процессов. Вследствие роста коэффициента теплообмена увеличивается глубина восстановленного...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Процессы литья |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2010
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49774 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей / В.Н. Костяков, Е.Б. Полетаев, Е.А. Ясинская, А.Н. Сушков // Процессы литья. — 2010. — № 3. — С. 3-8. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860141242820591616 |
|---|---|
| author | Костяков, В.Н. Полетаев, Е.Б. Ясинская, Е.А. Сушков, А.Н. |
| author_facet | Костяков, В.Н. Полетаев, Е.Б. Ясинская, Е.А. Сушков, А.Н. |
| citation_txt | Кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей / В.Н. Костяков, Е.Б. Полетаев, Е.А. Ясинская, А.Н. Сушков // Процессы литья. — 2010. — № 3. — С. 3-8. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Процессы литья |
| description | Исследовано влияние интенсивности теплообмена на кинетику восстановления железа в процессе плавки рудоугольных окатышей. Показано, что с ростом интенсивности теплообмена повышается скорость восстановительных процессов. Вследствие роста коэффициента теплообмена увеличивается глубина восстановленного слоя окатыша, существенно изменяются его структура и химический состав образующейся металлической фазы.
Досліджено вплив інтенсивності теплообміну на кінетику відновлення заліза в процесі плавки рудовугільних окатишів. Показано, що при зростанні інтенсивності теплообміну підвищується швидкість відновлювальних процесів. Внаслідок зростання коефіцієнту теплообміну збільшується глибина відновленого шару окатиша, суттєво змінюються його структура та хімічний склад металевої фази, що утворюється.
Influence of intensity of heat exchange is investigational on kinetics reduction of iron in the process of melting ore-coal pellets. It is rotined that speed of reduction processes rises with growth of intensity of heat exchange. Because of growth of coefficient of heat exchange the depth of the recovered layer of pellet is increased, his structure and chemical composition of appearing metallic phase changes substantially.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:49:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 3 (81) 3
ПОЛУЧЕНИЕ И ОБРАБОТКА РАСПЛАВОВ
УДК 669.173:66.046.5
В. Н. Костяков, Е. Б. Полетаев, Е. А. Ясинская,
А. Н. Сушков
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
КИНЕТИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА
ПРИ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАВКЕ РУДОУГОЛЬНЫХ
ОКАТЫШЕЙ
Исследовано влияние интенсивности теплообмена на кинетику восстановления железа в про-
цессе плавки рудоугольных окатышей. Показано, что с ростом интенсивности теплообмена
повышается скорость восстановительных процессов. Вследствие роста коэффициента тепло-
обмена увеличивается глубина восстановленного слоя окатыша, существенно изменяются
его структура и химический состав образующейся металлической фазы.
Ключевые слова: железо, рудоугольные окатыши, восстановительные процессы, тепло-
обмен, металлические формы.
Досліджено вплив інтенсивності теплообміну на кінетику відновлення заліза в процесі плавки
рудовугільних окатишів. Показано, що при зростанні інтенсивності теплообміну підвищується
швидкість відновлювальних процесів. Внаслідок зростання коефіцієнту теплообміну
збільшується глибина відновленого шару окатиша, суттєво змінюються його структура та
хімічний склад металевої фази, що утворюється.
Ключові слова: залізо, рудовугільні окатиші, відновлювальні процеси, теплообмін, металеві
фази.
Influence of intensity of heat exchange is investigational on kinetics reduction of iron in the proc-
ess of melting ore-coal pellets. It is rotined that speed of reduction processes rises with growth
of intensity of heat exchange. Because of growth of coefficient of heat exchange the depth of the
recovered layer of pellet is increased, his structure and chemical composition of appearing metallic
phase changes substantially.
Keywords: iron, ore-coals pellets, heat exchange, heat transfer, metallic phase.
Известно, что при восстановительной плавке оксидных материалов протекают слож-
ные физико-химические процессы, завершенность которых зависит от многих факто-
ров, в том числе от температуры процесса и внешнего воздействия на расплав.
В работе [1] показано, что при плавке оксидосодержащих материалов восста-
новление металлов происходит в твердожидкой фазе кипящего шлака. Интенсивное
перемешивание продуктов восстановления в кипящем шлаке существенно влияет
на процессы тепло- и массопереноса в плавильной ванне печи и, как следствие,
завершенность восстановительных процессов.
Исследованиями [2, 3] установлено, что перемешивание шлака при жидкофаз-
ном восстановлении металлов существенно повышает интенсивность теплообмена
4 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 3 (81)
Получение и обработка расплавов
между шлаком и рудоугольным окатышем и увеличивает скорость нагрева его в
шлаковой фазе.
В данной работе исследована кинетика восстановления железа при восста-
новительной плавке рудоугольных окатышей. Химический состав рудоугольных
окатышей был следующий (массовая доля, %): 1,33 FeO; 58,6 Fe
2
O
3
; 7,34 SiO
2
;
0,82 Al
2
O
3
; 10,92 CaO; 0,6 MgO; 0,02 TiO
2
; 16,34 C; 0,34 K
2
O; 0,06 P
2
O
5
; 0,63 S.
В опытах использовали известково-кремнеземистый шлак (55,5 % СаО;
44,5 % SiO
2
): с температурой плавления 1475 0С. Масса шлака во всех опытах
была постоянной и составляла 0,3 кг.
При изготовлении рудоугольных окатышей в качестве исходных материалов
использовали железорудный концентрат, углеродосодержащий восстановитель и
цемент. Содержание компонентов в смеси составляло (в %мас.): рудный концен-
трат – 66,7; восстановитель – 19; цемент – 14,3.
Рудоугольные окатыши диаметром и длиной 20 мм изготавливали из подготовлен-
ной смеси путем набивки ее в специально изготовленную пресс-форму. В центр бри-
кета помещали спай вольфрамо-рениевой термопары ВР20/5. Для предохранения
спая термопары от непосредственного контакта с оксидами железа и металлическим
железом на его поверхность наносили защитную обмазку из электрокорунда.
Методика проведения опытов предусматривала следующее: в начале опыта ти-
гель со шлаком устанавливали в изотермической зоне печи Таммана, включали печь
и расплавляли шлак. После расплавления шлака и перегрева его до температуры
1550±5 0С тигель приводили во вращение с заданной скоростью и погружали окатыш
в шлак. Скорость вращения тигля составляла 0; 0,01; 0,02 и 0,04 м/с.
В процессе проведения опытов температура центра окатыша с момента погруже-
ния в расплавленный шлак регистрировалась переносным универсальным прибором
УПИТ конструкции ФТИМС НАН Украины. Временной интервал между предыдущим
и последующим измерениями температуры был постоянным и составлял 5 с.
Продолжительность нагрева окатыша определялась его стойкостью. Разруше-
ние нагреваемого образца наблюдалось при высоких температурах и обуслов-
лено, по-видимому, интенсивным выделением газообразных продуктов реакции
восстановления железа во внутренних слоях окатыша, а также разбуханием и
разупрочнением окатыша в результате фазовых и структурных превращений при
восстановлении [4].
Исследованиями установлено, что условия теплообмена влияют на характер
протекания восстановительных процессов внутри окатыша. Вследствие повышения
интенсивности теплообмена в кипящем шлаке существенно возрастает скорость
восстановления оксида железа. Об этом свидетельствует увеличение глубины
восстановленной зоны окатыша (рис. 1).
Из приведенных данных видно, что с ростом коэффициента теплоотдачи во
вращающемся шлаке за один и тот же промежуток времени (τ
нагр
= 50 с) глубина
восстановленного слоя окатыша
увеличивается примерно в 6 раз.
Так, при нагреве окатыша в не-
подвижном шлаке глубина восста-
новленного слоя составила лишь
1,3 мм, а при нагреве в шлаке,
вращающемся со скоростью
0,04 м/с, она увеличивается до
7,8 мм. При этом существенно
меняются структура и фазовый
состав окатыша.
Исходный окатыш включает 4
фазы (рис. 2). Первая фаза состо-
ит в основном из рудного концен-
Рис. 1. Влияние интенсивности конвективного тепло-
обмена на глубину восстановленного слоя окатыша
Гл
уб
и
н
а
во
сс
та
н
о
вл
е
н
н
о
го
с
ло
я,
δ
, м
м
Коэффициет теплоотдачи, α Дж/(м2 · с · 0С)
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 3 (81) 5
Получение и обработка расплавов
трата и связующего материала. Содержа-
ние в ней восстановителя незначительно.
Вторая и третья фазы – это смесь рудного
концентрата, цемента и восстановителя с
различным содержанием оксида железа и
компонентов пустой породы и цемента.
Четвертая фаза практически состоит
из восстановителя. Это свидетельствует
о некоторой неоднородности смеси, под-
готовленной для изготовления окатыша,
несмотря на тщательное перемешива-
ние входящих в ее состав компонентов.
По-видимому, это связано с различием
плотностей углерода, рудного сырья и
связующего материала.
При нагреве окатыша изменяются
микроструктура и фазовый состав (рис.
3-6). Формируется восстановленный слой,
характеризующийся наличием металличе-
ской 1, шлако-металлической 2, шлаковой
3 фаз и большого количества пор 4. Поры
появляются в процессе восстановления
оксидов железа твердым углеродом с об-
разованием металлического железа и вы-
деляющихся из окатышей газообразных
продуктов реакции восстановления, а также
в результате протекания реакции газифи-
кации углерода в периферийных слоях вос-
становительной зоны окатыша, имеющих
более высокую температуру.
Следует отметить, что восстановлен-
ная зона имеет фронтально-слоевой вид,
распространяясь сферическими слоями
от периферии к центру. Такой характер
протекания восстановительных процессов
обусловлен внешними условиями подвода
тепла и теплопередачи внутри окатыша.
С ростом коэффициента теплоотдачи (α)
восстановительные процессы интенсифи-
цируются, что приводит к заметному увели-
чению глубины восстановленного слоя (δ).
При этом его периферия приобретает вид металлического каркаса, а внутренняя
область представляет собой восстановленное железо в виде железистой губки,
хаотично расположенной в шлаковой фазе (рис. 4).
При дальнейшем повышении интенсивности теплообмена скорость процессов
восстановления возрастает и происходит постепенное укрупнение отдельных вос-
становленных частиц железа с образованием достаточно плотной и практически не
загрязненной шлаковыми включениями металлической фазы в виде бесформенных
сгустков (рис. 5-6).
На протекание процесса восстановления оксидов железа в любой точке или
участке окатыша всегда будут оказывать влияние два эффекта, идущие с по-
глощением тепла. Подводимое тепло будет затрачиваться на нагрев окатыша
в данной точке сферы и на передачу тепла теплопроводностью внутренним
слоям; при достижении температуры около 600 0С и выше развитие получают
Рис. 2. Структура исходного окатыша, в %: 1
– 45,7 Fe
2
O
3
, 3,9 SiO
2
, 25,8 CaO, 5,0 S; 2 – 80,8
Fe
2
O
3
, 3,5 SiO
2
, 15,5 CaO, 0,17 S � восстано-CaO, 0,17 S � восстано-, 0,17 S � восстано-S � восстано-� восстано-
витель; 3 – 34,9 Fe
2
O
3
, 56,3 SiO
2
, 8,8 CaO �
�восстановитель; 4 – восстановитель
2
1
4
3
Рис. 3. Фазовый состав и микроструктура
восстановленной зоны окатыша после на-
грева (α = 73,26 Дж/(м2 ⋅ с ⋅0С): 1 – метал-
лическая фаза; 2 – шлакометаллическая
фаза; 3 – шлаковая фаза; 4 – поры, ×60
4
3
2
1
6 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 3 (81)
Получение и обработка расплавов
процессы прямого восстановления окси-
дов железа.
Поэтому быстрое повышение темпера-
туры в данной точке рудоугольного окатыша
возможно только до начала процесса вос-
становления оксидов железа. На рис. 7 при-
ведено изменение скорости нагрева окатыша
при различных значениях коэффициента
конвективного теплообмена.
Анализ данных, приведенных на рис. 7, по-
казывает, что независимо от интенсивности
кипения шлака кривые изменения скорости
нагрева рудоугольного окатыша носят одина-
ковый характер. В начальный период времени
наблюдается резкое повышение скорости
нагрева окатыша, что связано с большим
перепадом температур по его сечению. В
этот период восстановительные процессы
развиты слабо и основное количество тепла
расходуется на прогрев окатыша.
Резкое повышение скорости нагрева ока-
тыша происходит в среднем в течение 20 с.
В этот период времени поверхность окатыша нагревается до температуры 600 0С и
выше в зависимости от интенсивности теплообмена. При этом получают развитие
восстановительные процессы, протекающие с поглощением тепла, и скорость на-
грева окатыша в дальнейшем уменьшается.
Влияние температуры на характер протекания восстановительных процессов
исследовано при нагреве окатыша в неподвижном шлаке с постоянной температу-
рой. При этом окатыш нагревали до заданной температуры в интервале 700-1100 0С
(температура центра окатыша), рис. 8.
При достижении центром окатыша температуры 600 0С и выше получают раз-
витие эндотермические процессы прямого восстановления оксидов железа. При
температуре центра 700 0С глубина восстановленного слоя составила 1,4 мм.
Дальнейшее повышение температуры центра окатыша выше 900 0С приводит к
Рис. 4. Фазовый состав и микроструктура
восстановленной зоны окатыша после
нагрева (α = 85 Дж/(м2 · с · 0С)): 1 – метал-
лическая фаза; 2 – шлакометаллическая
фаза; 3 – шлаковая фаза; 4 – поры, ×60
1
3
4
4
2
Рис. 5. Фазовый состав и микрострук-
тура восстановленной зоны окатыша
после нагрева (α = 102 Дж/(м2⋅ с ⋅ 0С)):
1 – металлическая фаза; 2 – шлако-
металлическая фаза; 3 – шлаковая фаза;
4 – поры, ×60
3 2
4
4
1
Рис. 6. Фазовый состав и микрострук-
тура восстановленной зоны окатыша
после нагрева (α = 143 Дж/(м2 ⋅ с ⋅ 0С)):
1 – металлическая фаза; 2 – шлакоме-
таллическая фаза; 3 – шлаковая фаза;
4 – поры, ×60
2
4
1
3
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 3 (81) 7
Получение и обработка расплавов
резкому повышению скорости процес-
са восстановления, в периферийном
слое происходит сваривание отдель-
ных зерен восстановленного железа в
пористый металлический каркас. В ре-
зультате этого глубина восстановленной
зоны увеличивается примерно в 4 раза
(при t
ц
= 1100 0С δ = 5,46 мм). В процессе
восстановления во внутренних участках
окатыша (при относительно низких тем-
пературах) получает развитие реакция
FeO + 1/2С = Fe + 1/2СО
2
, а в перифе-
рийном слое – FeO + С = Fe + СО [5].
При нагреве рудоугольных окатышей
в кипящем шлаке в результате восста-
новительных процессов изменяется
химический состав образующейся ме-
таллической фазы, о чем свидетельствуют данные, приведенные в таблице.
Номер
образца
Температура центра
окатыша, 0С
Содержание элементов, %мас.
Al Si Ca Mn Ti S Fe
1 700 0,60 5,65 28,2 0,14 - - 65,34
2 800 0,17 1,11 4,25 - 0,02 - 94,45
3 900 0,34 0,11 0,43 - - 0,30 98,82
4 1000 - 0,36 0,86 0,02 - 0,32 98,44
5 1100 0,10 0,36 2,77 0,06 - 0,31 96,39
Состав металлической фазы восстановленной зоны окатышей
Рис. 8. Изменение глубины восстановленного
слоя окатыша с повышением температуры
Рис. 7. Изменение скорости нагрева окатыша при различных
значениях коэффициента теплопередачи α: 1 – α = 73,26;
2 – α = 85; 3 – α = 102; 4 – α = 143 Дж/(м2 · с · 0С)
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80
С
ко
ро
ст
ь
на
гр
ев
а,
?
t/?
, 0 С
/с
1
4
3
2
Время, с
С
ко
р
о
ст
ь
н
аг
р
е
ва
, ∆
t/
τ
, 0
C
/c
4
3
2
1
30
25
20
15
10
5
0 10 20 30 40 50 60 70 80
8 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 3 (81)
Получение и обработка расплавов
При температуре центра окатыша 700 0С металлическая фаза характеризуется
повышенным содержанием алюминия, кремния и кальция. Содержание железа при
данной температуре составляет 65,34 %. С повышением температуры центра ока-
тыша процессы восстановления интенсифицируются и при t
ц
= 900 0С содержание
металлического железа достигает 98,82 %.
При дальнейшем повышении температуры до 1100 0С наблюдается уменьшение
содержания металлического железа. Очевидно, это объясняется неоднородностью
исходного состава окатышей, оплавлением поверхностного слоя, а также частичным
окислением уже восстановленного железа. Причиной окисления железа в перифе-
рийном слое, очевидно, является поступление из внутренних слоев СО2, содержание
которого может превышать 20 % [5].
Таким образом, установлено влияние теплообмена на характер протекания вос-
становительных процессов внутри рудоугольных окатышей. Показано, что с ростом
интенсивности теплообмена скорость протекания реакций восстановления железа
возрастает. При этом существенно меняется структура восстановленного слоя ока-
тыша: с увеличением коэффициента теплообмена происходит укрупнение отдельных
металлических частиц железа с образованием достаточно плотной и практически
не загрязненной шлаковыми включениями металлической фазы.
1. Механизм восстановительной плавки / В. Н. Костяков, В. Л. Найдек, Н. И. Тарасевич
и др. // Процессы литья. – 2005. – № 2. – С. 3-10.
2. Теплообмен в жидкой ванне при плавке рудоугольных окатышей / В. Н. Костяков,
Е. Б. Полетаев, Г. М. Григоренко и др. // Современная электрометаллургия. – 2008.
– № 1. – С. 47-52.
3. Теплопередача в кипящем шлаке при жидкофазной плавке рудоугольных окатышей /
Костяков В. Н., Полетаев Е. Б., Шевчук Е. А. и др. // Процессы литья. – 2008. – № 2.
– С. 29-33.
4. Бескоксовая переработка титаномагнетитовых руд / В. А. Ровнушкин, Б. А. Боковиков,
С. Г. Братчиков и др. – М.: Металлургия, 1988. – 247 с.
5. Кожевников И. Ю. Исследование кинетики восстановления рудно-угольных окатышей
// Изв. АН СССР. ОТН Металлургия и топливо. – 1962. – № 6. – С. 12-26.
Поступила 27.10.2009
УДК 669.14.046.55:621.3.035.4
Ю. Я. Скок
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСКИСЛИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ
КОМПЛЕКСНЫХ СПЛАВОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЩЗМ И РЗМ*
Методом ЭДС с твердым электролитом изучено влияние комплексных сплавов, содержащих
ЩЗМ и РЗМ, на активность кислорода в железе и сталях при 1600 оС.
* В работе принимали участие В. М. Бабенко, А. Ю. Довбыш
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-49774 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0235-5884 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:49:36Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Костяков, В.Н. Полетаев, Е.Б. Ясинская, Е.А. Сушков, А.Н. 2013-09-27T23:45:03Z 2013-09-27T23:45:03Z 2010 Кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей / В.Н. Костяков, Е.Б. Полетаев, Е.А. Ясинская, А.Н. Сушков // Процессы литья. — 2010. — № 3. — С. 3-8. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49774 669.173:66.046.5 Исследовано влияние интенсивности теплообмена на кинетику восстановления железа в процессе плавки рудоугольных окатышей. Показано, что с ростом интенсивности теплообмена повышается скорость восстановительных процессов. Вследствие роста коэффициента теплообмена увеличивается глубина восстановленного слоя окатыша, существенно изменяются его структура и химический состав образующейся металлической фазы. Досліджено вплив інтенсивності теплообміну на кінетику відновлення заліза в процесі плавки рудовугільних окатишів. Показано, що при зростанні інтенсивності теплообміну підвищується швидкість відновлювальних процесів. Внаслідок зростання коефіцієнту теплообміну збільшується глибина відновленого шару окатиша, суттєво змінюються його структура та хімічний склад металевої фази, що утворюється. Influence of intensity of heat exchange is investigational on kinetics reduction of iron in the process of melting ore-coal pellets. It is rotined that speed of reduction processes rises with growth of intensity of heat exchange. Because of growth of coefficient of heat exchange the depth of the recovered layer of pellet is increased, his structure and chemical composition of appearing metallic phase changes substantially. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Получение и обработка расплавов Кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей Article published earlier |
| spellingShingle | Кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей Костяков, В.Н. Полетаев, Е.Б. Ясинская, Е.А. Сушков, А.Н. Получение и обработка расплавов |
| title | Кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей |
| title_full | Кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей |
| title_fullStr | Кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей |
| title_full_unstemmed | Кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей |
| title_short | Кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей |
| title_sort | кинетика восстановления железа при восстановительной плавке рудоугольных окатышей |
| topic | Получение и обработка расплавов |
| topic_facet | Получение и обработка расплавов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49774 |
| work_keys_str_mv | AT kostâkovvn kinetikavosstanovleniâželezaprivosstanovitelʹnoiplavkerudougolʹnyhokatyšei AT poletaeveb kinetikavosstanovleniâželezaprivosstanovitelʹnoiplavkerudougolʹnyhokatyšei AT âsinskaâea kinetikavosstanovleniâželezaprivosstanovitelʹnoiplavkerudougolʹnyhokatyšei AT suškovan kinetikavosstanovleniâželezaprivosstanovitelʹnoiplavkerudougolʹnyhokatyšei |