Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів та їх узгодження з сучасними напрямами удосконалення доменного процесу
This paper summarizes current theoretical concepts and the results of the practical application of ore-carbon compos- ite materials (OCCMs) as partial substitutes for sinter, pellets, coke, and pulverized coal in blast furnace production. The aim of the study is to establish the physicochemical patt...
Gespeichert in:
| Datum: | 2026 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2026
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/333 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Metal and Casting of Ukraine |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1870287594327113728 |
|---|---|
| author | Мішалкін, А.П. Камкіна, Л.В. Петренко, В.О. Чистяков, В.Г. Бойко, М.М. Надточій, А.А. Ванюков, А.А. |
| author_facet | Мішалкін, А.П. Камкіна, Л.В. Петренко, В.О. Чистяков, В.Г. Бойко, М.М. Надточій, А.А. Ванюков, А.А. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "А.П. Мішалкін",
"institution": "Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна)"
},
{
"author": "Л.В. Камкіна",
"institution": "Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна)"
},
{
"author": "В.О. Петренко",
"institution": "Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна)"
},
{
"author": "В.Г. Чистяков",
"institution": "Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна)"
},
{
"author": "М.М. Бойко",
"institution": "Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна)"
},
{
"author": "А.А. Надточій",
"institution": "Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна)"
},
{
"author": "А.А. Ванюков",
"institution": "Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна)"
}
] |
| author_sort | Мішалкін, А.П. |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-09T11:02:55Z |
| description | This paper summarizes current theoretical concepts and the results of the practical application of ore-carbon compos- ite materials (OCCMs) as partial substitutes for sinter, pellets, coke, and pulverized coal in blast furnace production.
The aim of the study is to establish the physicochemical patterns of the influence of OCCM on the course of iron oxide reduction, carbon gasification, TRZ formation, and specific reducer consumption, as well as to determine promising compositions and methods for preparing composites, taking into account the possibility of using pyro-biocarbon.
The methodological basis of the work consists of a thermodynamic analysis of the equilibrium of the (Fe–O–C–CO–CO2) system and a synthesis of the results of kinetic and modeling studies. The peculiarities of the course of iron reduction and carbon gasification reactions under conditions of direct contact between iron oxides and carbon within the composite volume (when changing the type of carbon-containing material and its origin) are analyzed.
It has been confirmed that the spatial proximity of the ore and fuel-reducing components ensures: the formation of a locally high reducing potential and the intensification of indirect reduction; a decrease in temperature and a narrowing of the TRZ, accompanied by an increase in the degree of efficient CO utilization. A reduction in the TRZ by 50-150 ºC, according to recent studies, in turn contributes to: ensuring earlier development of the indirect reduction of iron oxides; a reduction in CO demand and intensification of the carbon gasification reaction, leading to a decrease in specific coke and PCI consumption per ton of pig iron, increased efficiency of CO reduction potential utilization, and a reduction in the carbon footprint of the blast furnace process as a whole.
Promising types of OCCMs are considered: hot-briquetted, cold-bonded briquettes, self-reducing briquettes, and composite briquettes/pellets. It is shown that the most promising for modern metallurgy are composites based on iron ore concentrate, blast furnace dust and sludge, petcoke, fine coal, and pyro-biocarbon. The influence of composite preparation methods – namely, hot briquetting, cold pressing, carbonization, and pelletizing of the feedstock – on their mechanical prop- erties, reactivity, and expected behavior in a blast furnace has been analyzed.
The scientific novelty of this work lies in demonstrating the feasibility of using pyro-biocarbon as a partial substitute for fossil carbon in the composition of OCCM. It has been established that pyro-biocarbon, due to its high porosity, developed surface area, and increased reactivity, ensures a further reduction in TRZ and specific reducer consumption, while simultaneously creating the conditions for reducing the carbon footprint of blast furnace production.
The theoretical significance of the work lies in the development of understanding regarding the mechanism of the combined process of iron oxide reduction and carbon gasification within the OCCM and their influence on blast furnace process parameters. The practical significance lies in identifying promising directions for the partial replacement of sinter, pellets, coke, and PCI with ore-coal composites to improve the energy efficiency of blast furnace production, reduce fossil carbon consumption, and cut greenhouse gas emissions. |
| doi_str_mv | 10.15407/steelcast2026.02.089 |
| first_indexed | 2026-07-10T01:00:42Z |
| format | Article |
| fulltext |
89ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
РЕСУРСО- ТА ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ НА ПІДПРИЄМСТВАХ
МЕТАЛУРГІЙНОЇ ГАЛУЗІ І У ЛИВАРНИХ ЦЕХАХ
RESOURCE AND ENERGY SAVING IN METALLURGY AND FOUNDRY
_____________________________________________________________________________________
Стаття опублікована на умовах відкритого доступу за ліцензією CC BY license
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026, № 2 (345), 89-106
https://doi.org/10.15407/steelcast2026.02.089
УДК 669.162.2:669.046:66.094.3
А.П. Мішалкін, канд. техн. наук, доц., доц. кафедри теоретичних основ металургійних процесів,
e-mail: meshalkin@ukr.net, https://orcid.org/0009-0002-7206-1809
Л.В. Камкіна, д-р техн. наук, проф., зав. кафедри теоретичних основ металургійних процесів,
e-mail: lydmila.kamkina@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-8329-0917
В.О. Петренко, д-р техн. наук, проф., зав. кафедри інтелектуальної власності та управління проєктами,
e-mail: petrenko_v@email.ua, https://orcid.org/0000-0001-5017-1674
В.Г. Чистяков, канд. техн. наук, доц., доц. кафедри металургії чавуну і сталі,
e-mail: chist.chvg60@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-4233-3797
М.М. Бойко, канд. техн. наук, доц., доц. кафедри металургії чавуну і сталі,
e-mail: m.m.boiko@ust.edu.ua, https://orcid.org/0000-0003-3557-9027
А.А. Надточій, канд. техн. наук, доц., доц. кафедри теоретичних основ металургійних процесів,
e-mail: Nadtochiy08@ukr.net, https://orcid.org/0000-0001-5077-0562
А.А. Ванюков, канд. техн. наук, доц., доц. кафедри теоретичних основ металургійних процесів,
e-mail: antonvanukov@gmail.com, https://orcid.org/0009-0002-5616-391X
Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна)
Розвиток теоретичних основ використання
рудовугільних композитів та їх узгодження з сучасними
напрямами удосконалення доменного процесу
У роботі узагальнено сучасні теоретичні уявлення та результати практичного використання рудовуглецевих
композитних матеріалів (РВКМ) як часткових замінників агломерату, окатишів, коксу і пиловугільного палива у
доменному виробництві.
Метою дослідження є встановлення фізико-хімічних закономірностей впливу РВК на перебіг процесів віднов-
лення оксидів заліза, газифікації вуглецю, формування TRZ та питомі витрати відновника, а також визначення
перспективних складів і способів підготовки композитів з урахуванням можливості використання піро-біовугле-
цю.
Методологічну основу роботи становлять термодинамічний аналіз рівноваги системи (Fe–O–C–CO–CO
2
),
узагальнення результатів кінетичних і модельних досліджень. Проаналізовано особливості перебігу реакцій від-
новлення заліза та газифікації вуглецю в умовах безпосереднього контакту оксидів заліза і вуглецю в об’ємі ком-
позиту (при зміні виду матеріалу, що містить вуглець та його походження).
Підтверджено, що просторове зближення рудної та паливно-відновлювальної складових забезпечує: форму-
вання локально-високого відновлювального потенціалу, інтенсифікацію непрямого відновлення; зниження тем-
ператури та звуження TRZ з підвищенням ступеня раціонального використання CO. Зниження TRZ на 50—150 ºC,
за результатами сучасних досліджень, в свою чергу, сприяє: забезпеченню більш ранньому розвитку непрямого
відновлення оксидів заліза; зменшенню потреби в CO та інтенсифікації реакції газифікації вуглецю, що зумовлює
зниження питомих витрат коксу і PCI та тонну чавуну, підвищення ефективності використання відновлювального
90 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
А.П. Мішалкін, Л.В. Камкіна, В.О. Петренко та ін.
потенціалу СО та скорочення вуглецевого сліду доменного процесу загалом.
Розглянуто перспективні типи РВКМ: гарячебрикетовані, холоднозв’язані брикети, самовідновлювальні бри-
кети та композитні брикети/окатиші. Показано, що найбільш перспективними для стійкого розвитку сучасної ме-
талургії можуть бути композити на основі залізорудного концентрату, доменних пилів і шламів, петкоксу, дрібного
вугілля та піро-біовуглецю. Проаналізовано вплив способів підготовки композитів, а саме: гарячого брикетуван-
ня, холодного пресування, карбонізації та окатування вихідної шихти на їх механічні властивості, реакційну здат-
ність і вірогідну поведінку в доменній печі.
Наукова новизна роботи полягає в обґрунтуванні доцільності використання піро-біовуглецю як часткового за-
мінника викопного вуглецю у складі РВКМ. Встановлено, що піро-біовуглець, завдяки високій пористості, розви-
неній поверхні і підвищеній реакційній здатності, забезпечує подальше зниження TRZ і питомих витрат відновни-
ка, одночасно створюючи передумови для зменшення вуглецевого сліду доменного виробництва.
Теоретичне значення роботи полягає в розвитку уявлень про механізм суміщеного перебігу відновлення окси-
дів заліза і газифікації вуглецю у складі РВКМ та їх вплив на параметри доменного процесу. Практичне значення
полягає у визначенні перспективних напрямів часткової заміни агломерату, окатишів, коксу і PCI рудовуглецеви-
ми композитами з метою підвищення енергоефективності доменного виробництва, зниження витрат викопного
вуглецю та скорочення викидів парникових газів.
Ключові слова: рудовуглецеві композити, відновлення заліза, газифікація вуглецю, формування TRZ, скоро-
чення викидів СО
2
.
Вступ. Рудовугільні композити (залізо-
рудно-вуглецеві композитні агломерати,
брикети, окатиші) — це клас сучасних
матеріалів, у яких дрібна залізорудна
складова мікроструктурно «зближена» з вуглецевим
відновником (вугілля, коксик, напівкокс, петкокс, піро-
біовуглець) і реалізована у вигляді брикетів/окатишів/
агломератів. Їх роль в доменному процесі — заміна
частини традиційних залізорудних компонентів ших-
ти з метою прискорення відновлення FeхОу за раху-
нок підвищення реакційної здатності вуглецю в зоні
контакту «FeхОу–C» через інтенсифікацію реакції
газифікації. Досягається шляхом: обґрунтування
раціональних фракційного, хімічного складу
компонентів РВК та визначення доцільної частки
їх в доменній шихті як замінників відповідних ча-
сток залізорудних та паливно-відновлювальних
компонентів.
За логікою еволюції напряму використання РВКМ
як замінника відповідних частин шихти, першим видом
композитів доцільно вважати самовідновлювальні
агломерати (self-reducing agglomerates) [1]. В них
дрібнодисперсні оксиди заліза поєднані із вуглецевим
відновником у межах одного брикету або окатиша.
Саме вони стали вихідною основою подальшого роз-
витку виробництва вуглецевих композитних брикетів,
вуглецево-залізних композитів та ферококсу.
Ідея їх застосування, згідно з [1] — вирішення
дифузійних обмежень газового відновлення у домні
шляхом наближення до «мікрорівня» відстані між
залізорудними компонентами (оксиди заліза) та
вуглецем коксу (відновник). При цьому, вірогідно,
реакції прямого відновлення + газифікація вугле-
цю «стартують» при більш нижчих температурах, їх
розвиток прискорюється, що дозволить досягти
більш значних рівнів їх завершеності та більш по-
вного раціонального використання корисних вла-
стивостей фізико-хімічного потенціалу композитного
матеріалу — замінника.
У Японії напрям, що розглядається, мав
аналогічну ціль: створити умови для зниження темпе-
ратури відновлення оксидів заліза (Thermal Reserve
Zone (TRZ) і вийти на режим доменної плавки з
мінімальною витратою коксу RAR та PCI на 1 т ча-
вуну) [2].
RAR, за даними [3] є сумарною витратою кок-
су, пиловугільного палива (ПВП-PCI) та інших аль-
тернативних матеріалів-відновників. А «low-RAR
operation is a blast furnace» — це режим роботи
доменної печі, що характеризується зниженою ви-
тратою відновників (коксу та ПВП, що вводиться в
піч з дуттям за технологією PCI) на тонну чавуну при
збереженні необхідного теплового та відновного ба-
лансу процесу. Фізичний зміст — зниження витрати
матеріалів, що містять вуглець (кокс, вугілля, ПВП,
піро-біовуглець), що зменшить витрати не тільки ви-
трати вуглецю, але й вихід CO₂ та здешевить вироб-
ництво чавуну. Тому RAR доцільно визначати одним
з головних показників ефективності роботи домни.
Аналіз результатів досліджень використання
РВК у доменній шихті та обмежень їх застосування.
З метою узагальнення результатів теоретичних і ек-
спериментальних досліджень використання рудову-
глецевих композитів (РВКМ) для часткової або повної
заміни залізорудних і паливно-відновлювальних
складових доменної шихти, розглянуто вплив РВКМ
на перебіг процесів відновлення, газифікації, фор-
мування температурно-газодинамічного режиму та
показники роботи доменної печі. Особливу увагу
приділено визначенню меж ефективного застосу-
вання композитів, факторам, що обмежують їх ви-
користання, зокрема міцності, реакційній здатності,
схильності до руйнування, впливу на проникність
шихти та стабільність ходу печі.
Типові значення RAR: звичайний — 500-550 кг/т ча-
вуну; вдосконалений — 450-500 кг/т; сучасний пере-
довий — 350-400 кг/т. Це критично важливо, тому, що
відновники в собівартості чавуну становлять ~ 60 %;
вуглець коксу або інші матеріали-відновники є голов-
ним джерелом CO2. Тому RAR визначають як один
з головних показників ефективності роботи домни.
Реалізація результатів досліджень напряму «РВКМ»
91ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів
дозволяють: знизити температуру TRZ; прискорити
розвиток і реалізацію процесів відновлення оксидів
заліза; зменшити показник RAR [3]. Найважливішим,
для обґрунтованої реалізації «ідеї», фактором є те,
що температура TRZ є ключовим параметром, що
визначає витрату відновників і ефективність домен-
ного процесу. Фактично, зона доменної печі з тем-
пературою ~950 ºC, де температура газу і шихти
вирівнюється, визначає питому витрату коксу.
TRZ як теплова резервна зона/область в
доменній печі, де температури газу та твердої ших-
ти майже зрівнюються та залишаються постійними
в інтервалі 900—1000 ºС, формує зону теплової
рівноваги в доменній печі [3]. За фізичною сут-
тю TRZ характеризує: завершеність теплообміну;
стабілізацію температури; створення умов для роз-
витку головної реакції відновлення оксидів заліза СО.
При цьому реалізується принцип: чим нижча темпе-
ратура TRZ, тим ефективніша робота домни. Авто-
рами дослідження [4] визначено раціональний вміст
вуглецю, який в залізовуглецевій композиції стано-
вить 20 %. За візуальною оцінкою, протяжність TRZ
в доменній печі, для якої характерною є температура
~950 ºC, складає ~ 35—40 % від загальної, що визна-
чена від колошника до рівня розташування дуттєвих
фурм.
За задумом авторів [2], який ґрунтується на
теоретичній основі, збільшення швидкості газифікації
коксу може знизити температуру «зони теплового ре-
зерву», що призведе до зменшення споживання ву-
глецю та швидкості СО в доменних печах. Відповідне
збільшення часу взаємодії СО з оксидами заліза в
шарі шихти, очевидно, підвищить рівень використан-
ня його хімічної енергії. Досягнуто значне зниження
температури відновлення оксидів заліза, що створи-
ло «резерв теплової та хімічної енергії» та збільшило
рівень використання відновлювального потенціалу
СО, продукту газифікації вуглецю коксу в шарі ком-
позитного матеріалу — агломерату. Як наслідок, був
розроблений RCA — «реактивний коксовий агломе-
рат», що має достатньо високий вміст вуглецю.
Випробуваннями RCA, що проведено в умовах
доменної печі, встановлено, що використання RCA
дозволяє знизити температуру TRZ та споживання
вуглецю в доменній печі [4]. Показано, що застосуван-
ня агломерату — композиту прискорює газифікацію
вуглецю, покращує кінетику відновлення та зменшує
споживання вуглецю приблизно на 0,36 кг/т чавуну
при застосуванні 1 кг/т вхідного вуглецю з RCA.
Найзручніше класифікувати РВК за способом
їх формування та носієм вуглецю — його типом та
походженням. В подальшому, дослідження були
спрямовані на вдосконалення складу та способів
підготовки та застосування вуглецево-композитних
матеріалів (РВКМ), за результатами яких розроблено
наступні технологічні рішення.
Ефективним напрямом на шляху еволюційного
розвитку РВКМ необхідно визнати CIC (Carbon Iron
Composite) [5]. Сутність визначається тим, що суміш
дрібної руди та вугілля ущільнюють гарячим брике-
туванням. При цьому використовують властивість
термопластичності вугілля, часто без зв’язуючого, з
проведенням наступної карбонізації в шахтній печі.
Реалізацію такої технології забезпечує за виснов-
ками дослідників достатню міцність композиту з ви-
сокою реакційною здатністю вуглецю. Опис підходу,
технологічний маршрут та основні результати
дослідження наведені у звіті JFE [5].
Для здешевлення при переході до масового ви-
робництва РВКМ з’являються також способи хо-
лодного брикетування/обкатування суміші вихідних
компонентів композитів (cement-bonded), розробля-
ються технологічні рішення щодо використання для
їх виробництва наявного обладнання. Наприклад,
концепція суміщення виробництва композитних
окатишів із агломератом на діючих агломашинах [6].
До альтернативних по відношенню до коксу, що
є традиційним компонентом-відновником доменної
шихти, необхідно віднести петкокс [7] (продукт коксу-
вання важких нафтових залишків при 450—550 ºC без
доступу повітря; С = 85 – 98 %) та деревне вугілля/
піро-біовуглець (ПБВ) [8] — продукти термічної
деструкції матеріалів рослинного походження при
300—1100 ºC з aО2 = 0,7 – 0,9, що містять 70—95 %
піролізного вуглецю. Ці альтернативні матеріали вико-
ристовують при виготовленні самовідновлювальних
брикетів/окатишів. Причому, петкокс є високовугле-
цевим побічним продуктом нафтової переробки,
характеризується підвищеною реакційною здатністю,
високою теплотворною здатністю (теплота згорян-
ня дорівнює 32—35 МДж/кг) та відносно низькою
вартістю, що обумовлює можливість його ефективно-
го використання як відновника та паливної складової
рудовуглецевих композитів.
Як джерело вуглецю застосовують доменний
шлам/пил (SRP із BF sludge) [9]. Оригінальною за
ідеєю, та перспективною при вирішенні ряду про-
блем щодо досягнення стабільності властиво-
стей та вмісту вуглецю є виробництво композитів
на агломераційному обладнанні з отриманням
матеріалу з вуглецевим ядром в захисній оболонці
[10]. Високий вміст сірки (0,5—7 %), низька механічна
міцність, яка не дозволяє використовувати петкокс в
умовах доменної печі як «опорний» кокс, обмежують,
згідно з висновками авторів [10], його використан-
ня як замінника коксу. Тому, поряд з використанням
ПВП та ПБВ, вірогідними напрямами застосуван-
ня петкоксу необхідно визнати їх інжекцію з дут-
тям (до 20—30 % як замінника ПВП при реалізації
PCI технології), або в композитах (до 20—50 % як
замінника коксу). Можливість використання петкок-
су ґрунтується на підвищеній реакційній, високій
теплотворній здатності та його низькій вартості, які
обумовлені вторинним походженням високовуглеце-
вого продукту нафтової переробки. Разом, складові
фізико-хімічного потенціалу петкоксу спроможні за-
безпечити ефективне використання відновлювальної
та паливної здатності в складі рудовуглецевих
композитів в умовах їх використання в доменній печі.
Перспективність рішень щодо формування
фізико-хімічного потенціалу вуглецево-залізорудних
композитів та ефективності використання йо-
92 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
А.П. Мішалкін, Л.В. Камкіна, В.О. Петренко та ін.
го складових властивостей в доменному процесі,
визначається, на нашу думку, можливістю керування
зниженням TRZ, підвищенням реакційної здатності
вуглецю, частковим заміщенням рудної частини
та коксу доменної шихти рециклінгу виробничих
відходів: пилу, шламів та інших матеріалів.
Введення до складу вихідної шихти ПБВ перед
формуванням брикетів для отримання CO2-ефекту
у доменному виробництві свідчить за даними [11]
про помітне скорочення CO2-викидів, особливо, при
збільшенні частки композитів, що визначає окремий
напрям оптимізації металургійних процесів.
На основі аналізу теоретичних положень та прак-
тичних результатів розробки раціональних складів,
способів виробництва та використання РВК визначені
основні задачі, вирішення яких сприятиме поширен-
ню їх застосування в доменному виробництві:
— оптимізація гранулометрії брикетів/окатишів,
щоб забезпечити стабільну газопроникність доменної
шихти;
— обґрунтування обмежень щодо дріб’язку як
наслідку використання РВКМ з забезпеченням кон-
тролю параметрів їх міцності;
— вирішення питань завантаження композитів в піч
(технологічні особливості: шарове/диференційоване
завантаження в певні зони колошника;
— паралельний контроль шкідливих домішок у
композитах: S, Zn, R2O3;
— вибір раціонального маршруту виробництва
на основі співставлення витрат на виробництво та
наслідків/ефектів застосування (гарячебрикетова-
ний, холоднозв’язаний).
Необхідно також визначити, що часткова або повна
заміна в складі композитів традиційних відновників,
що мають викопне походження (коксик, дріб’язок/
пил вугілля, петкокс) на піро-біовуглець (вуглець рос-
линного походження) доцільно розглядати як один
із найбільш перспективних напрямів декарбонізації.
Цьому сприяє його підвищена реакційна здатність,
нижча температура початку газифікації та менший
вміст сірки і золи, порівняно з коксом. Це забезпечує
інтенсифікацію непрямого відновлення оксидів
заліза, зниження TRZ і потенційне скорочення пито-
мих витрат відновника. Разом з тим, надмірний вміст
піровуглецю у композиті може, вірогідно, погіршити
гарячу міцність і газопроникність шихти.
На основі узагальнення результатів використан-
ня в основних металургійних процесах [5—7, 11, 12]
композитів (брикетів, агломерату, сумішей цільового
призначення) визначені вірогідні ефекти та обмежен-
ня використання РВКМ за способом виробництва та
їх складом, що наведено в табл. 1.
Таблиця 1
Характеристика піро-біовуглецевих рудовуглецевих композитів
Тип композиту Склад Спосіб отримання Доменний ефект Обмеження
Рудовугільний брикет
з піро-біовуглецем
Залізорудний
концентрат + (10—
30 % піролігніну) +
2—6 % зв’язуючого
Холодне
брикетування, сушіння
як спосіб зволоження
та зміцнення
Прискорення
відновлення FeO,
зниження TRZ, част-
кова заміна коксу і
PCI
Нижчі рівні холодної
та гарячої міцності
Самовідновлювальний
брикет з піро-
біовуглецем
Концентрат або
доменний пил
+ піролігнін із
деревини, соломи,
лушпиння
Холодне брикетування
або окатування
Висока швидкість
газифікації,
підвищення hCO,
зменшення RAR
Руйнування при
швидкому нагріванні,
підвищене утворення
дріб’язку
Композитний окатиш
з внутрішнім ядром з
піровуглецю
Ядро: піровуглець
+ Fe-концентрат;
оболонка з матеріалу
– захисника вуглецю
ядра від окислювання
та Fe концентрат або
Fe-відходи
Окатування і теплова
обробка вихідної
суміші компонентів
Часткова заміна
окатишів, локальна,
агломерату,
генерація CO
поблизу FeO
Складність одержання
і контролю структури
композитів
Композит на основі
пилу — продукту
виробництва чавуну,
сталі та піровуглецю
Доменний пил, шлам,
окалина, піровуглець,
цемент, бентоніт, інші
Холодне брикетування
Рециклінг Fe і C,
зменшення витрат
коксу та Fe-відходів
Небезпека
накопичення Zn, K,
Na, S
Висновки дослідження [12] практично повністю уз-
годжуються з проблемами використання техногенних
відходів у складі РВКМ і шлакоутворюючих сумішах.
Піролігнін у складі композитів виконує одночасно дві
функції: є локальним джерелом CO і каталізує перебіг
реакції:
C + CO2 = 2CO.
Завдяки високій пористості та аморфній структурі
піровуглець газифікується за нижчих температур,
ніж кокс, що сприяє ранньому початку непрямого
відновлення:
FeO + CO = Fe + CO2.
У результаті зменшується температура TRZ,
що сприяє зниженню питомої витрати коксового
відновника. Для піролігніну з відходів деревини та
переробки продуктів аграрної промисловості вста-
новлено, що їх реакційна здатність щодо CO2 істотно
перевищує аналогічний показник коксу.
Разом з тим, надмірна реакційна здатність піро-
біовуглецю має і негативну сторону: прискорена
газифікація може призводити до часткової втрати
структурної міцності композиту ще до завершення
93ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів
відновлення оксидів заліза. Це особливо характер-
но для матеріалів із високою пористістю і низькою
щільністю, отриманих з деревини або відходів пере-
робки продуктів рослинного походження (біомаси)
Тому, узгодженою з більшістю результатів роз-
глянутих в роботі досліджень, межею його вмісту в
композиті для доменного процесу доцільно вважати
20—30 % від маси загальної вуглецевої складової.
Специфічні умови виробництва та використання
шлакоутворюючих на основі піровуглецю рослинного
походження та залізомістячих компонентів вторин-
ного походження дозволяють отримувати кількість
піровуглецю відповідно до функціонального призна-
чення шлакоутворюючого [12].
Інтеграція РВКМ в сучасний доменний процес,
для якого характерною технологічною ознакою є
різноманіття видів залізорудних матеріалів — скла-
дових вихідної шихти, можлива при переході до їх
масового виробництва при використанні в якості
відновника піровуглецю [13]. Передумовою до їх за-
стосування, в свою чергу, є вирішення задач з визна-
чення найбільш ефективного способу виготовлення
композитів, який забезпечить високу металургійну
цінність РВК — стабільність хімічного складу та
фізичних властивостей.
В табл. 2 наведено характеристику основних типів
рудовуглецевих композитів за складом, способом,
умовами виробництва, ефектами та типовими обме-
женнями їх використання в доменному процесі.
Результати власних досліджень підтверджують
Таблиця 2
Характеристика піро-біовуглецевих рудовуглецевих композитів
Тип композиту Склад Спосіб отримання Доменний ефект Обмеження
Гарячебрикетований
композит (Carbon Iron
Composite, CIC)
Концентрат (60—
70 % Fe), кам’яне
вугілля або петкокс
(15—30 %)
Гаряче брикетування без
зв’язуючого з подальшою
карбонізацією
Зниження TRZ на 100—
150 °C, зменшення
RAR на 30—50 кг/т
Висока вартість
виробництва
Холоднобрикетований
композит
Концентрат, коксик
або петкокс, цемент
або бентоніт
Пресування і твердіння
Часткова заміна
агломерату (до 20 %),
зниження витрат коксу
Нижча гаряча
міцність
Самовідновлювальні
брикети (Self-Reducing
Briquettes)
Оксиди Fe
(концентрат, пил),
вуглець (вугілля,
біовуглець)
Холодне брикетування
або обкатування
Прискорення
відновлення,
підвищення hCO
Ризик руйнування
в шахті
Композитні окатиші
Концентрат,
внутрішнє або
зовнішнє джерело C
Обкатування з випалом
Часткова заміна
окатишів, підвищення
швидкості відновлення
Складність
реалізації
технології в
умовах печі
Брикети з
використанням
металургійних відходів
Доменний пил,
шлам, окалина,
вуглецеві відходи
Холодне брикетування
Рециклінг Fe і C,
зниження витрат
відновника
Домішки Zn, Pb, S
технологічну доцільність введення в склад вихідної
шихти РВКМ піро-біовуглецю. Дані, отримані експе-
риментальним шляхом, свідчать про раціональність
введення в шихту перед її брикетуванням/обкатуван-
ням двох видів матеріалів, що містять вуглець:
— ПБВ, що є продуктом теплової деструкції
матеріалів рослинного походження в умовах похилої
печі барабанного типу з aО2 ~ 0,85. Реалізуватися
теплова обробка може, на що звернено увагу вище,
двома способами: низькотемпературним піролізом
при 300—400 ºС або високотемпературним при 900—
1100 ºС в умовах похилої обертової печі;
— біомаса з вологістю w ≤ 5 %, яка досягається
шляхом сушіння вихідної біомаси, що містить, залеж-
но від умов застосування, ~ 30÷60 % летючих газів
(СО, Н2, СН4).
Здатність сухої біомаси переходити при певно-
му зовнішньому тиску до в’язко-пластичного стану
зумовлює ефективність її застосування, практично
мінімізуючи/виключаючи використання в’яжучих, що
згідно з [13] знижують металургійну цінність РВКМ.
Аналіз теоретичних результатів щодо
вірогідного впливу використання композитів на
показники доменного процесу. Вірогідні механізми
зниження TRZ з прогнозуванням їх очікуваного впли-
ву на баланс процесів в доменній печі досліджено
в роботі [4]. Якщо створено умови, при яких ву-
глець у РВКМ легше газифікується поруч із FeхOу,
відновлення починається раніше, а зона оптималь-
них для цього температур (TRZ) звужується, що, на
нашу думку, є одним із раціональних шляхів зниження
питомих витрат відновника. Для практичного викори-
стання результатів, що аналізуються в даній роботі,
необхідно розглянути суть та визначитись з резуль-
татами впливу фізико-хімічних ефектів в доменному
процесі при зниженні температури TRZ та звуженні
її інтервалу з встановленням їх вірогідних наслідків.
Ключовим принципом TRZ, на що було зверне-
но увагу при розгляді та уточненні фізико-хімічних
закономірностей впливу РВКМ на перебіг процесів
відновлення оксидів заліза, газифікації вуглецю,
формування TRZ та питомі витрати відновника [14],
є досягнення в системі (FeO–Fe–CO–CO₂) рівноваги
реакції FeO + CO ↔ Fe + CO2, яка визначає мінімально
необхідний потенціал відновника, тобто витрату кок-
су. В дослідженні встановлено, що зниження темпе-
ратури зони теплового резерву (TRZ) є фактором кон-
тролю умов рівноваги реакції відновлення FeO → Fe.
94 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
А.П. Мішалкін, Л.В. Камкіна, В.О. Петренко та ін.
На основі приведених результатів дослідження
впливу використання РВКМ на перебіг процесів і
показники доменного процесу, доцільно визначити
наступні, основні, що є найбільш вірогідними для
даних умов, механізми формування та особливості
TRZ.
За першим, згідно з [15], при зниженні темпера-
тури TRZ рівноважний газ містить менше CO, тобто
для відновлення відповідної кількості FeO буде ви-
трачено менше відновника. За другим — зниження
TRZ змінює рівновагу в системі та зменшує потребу
в CO, що підтверджено результатами експеримен-
тальних досліджень: «зниження температури зони
TRZ зміщує рівновагу реакції відновлення вюститу до
заліза, що, в свою чергу, сприяє зниженню рівня ви-
трати відновника».
На відміну від умов традиційної домни, в якій
кокс витрачається на реалізацію реакції C + CO2 =
= 2CO (реакція Будуара), що і складає головну стат-
тю витрат коксу, при використанні РВКМ газифікація
вуглецю та відновлення FeO в об’ємі брикетів
починається раніше, що і визначає зменшення по-
треби в генеруванні СО та, відповідно, в газифікації
додаткової кількості коксу. Результати дослідження
[16] свідчать, що завдяки високій реакційній здатності
відновника, початкова температура реакції Будуара
знижується. В результаті, зменшується і витрата па-
лива.
До важливих ефектів застосування РВКМ,
необхідно віднести наступні:
— підвищення ступеня використання CO (ηCO)
досягається за рахунок генерації СО безпосередньо
поруч і навколо часток FeO, що скорочує дифузійні
втрати, в результаті чого збільшується рівень вико-
ристання хімічної енергії СО, зменшуються втрати
відновлювального потенціалу СО. Підтверджено
результатами дослідження [17], які свідчать, що
зниження температури TRZ покращує ефективність
реакції відновлення, що дозволяє працювати з низь-
кою швидкістю відновника;
— зниження температури зони теплового резер-
ву (TRZ) прискорює відновлення FeO до Fe при ниж-
чих температурах, що підтверджено результатами
дослідження [18];
— економія коксу при використанні композитів:
TRZ ↓ на 150 °C; RAR ↓ на: 35 кг/т чавуну, що виз-
начено експериментально в дослідженні [16]. Таким
чином, фізичний зміст TRZ доцільно трактувати на
основі визначених ефектів, що позитивно впливають
на показники доменного процесу і мають синергетич-
ний зв’язок.
Роль рудовуглецевих композитів (брикетів) як до-
даткового/або основного залізорудного компонен-
та шихти, вихідний фізико-хімічний потенціал якого
підсилено відновлювальною складовою, доцільно
визначити наступним. РВКМ в умовах доменної
печі стають локальним джерелом СО через реакції:
FeO + CO → Fe + CO2 та C + CO2 → 2CO, які взаємно
підсилюються [19]. Встановлено, що висока реакційна
здатність вуглецю та взаємодія між відновленням ок-
сиду заліза та газифікацією вуглецю знижують TRZ
та зменшують RAR. Звуження TRZ також сприяє
зменшенню мертвого об’єму, підвищує інтенсивність
масо- та теплообміну, забезпечуючи ефективність
перебігу процесів відновлення в доменній печі зага-
лом.
Підсумковий причинно-наслідковий ланцюг
факторів впливу на доменний процес при використанні
РВКМ доцільно визначати як: рудовуглецеві ком-
позити → підвищення реакційної здатності C →
газифікація при нижчій температурі → зниження тем-
ператури TRZ → зміщення рівноваги (FeO → Fe) в
напрямку відновлення заліза → підвищення hCO →
менша потреба в CO та коксі → зниження питомих
витрат відновника (RAR).
Таким чином, зниження температури (TRZ), що є
наслідком використання рудовуглецевих композитів,
призводить до зміщення рівноваги реакції FeO → Fe
у бік її прямого розвитку при нижчих концентраціях
CO, що забезпечує підвищення ступеня використан-
ня СО та зменшення, відповідно, і необхідної витрати
відновника. Досягнення позитивного ефекту пов’язано
з підвищенням реакційної здатності вуглецю компо-
зиту, який газифікується при нижчих температурах,
інтенсифікує процеси непрямого відновлення та
знижує витрати коксу на реакцію газифікації вуглецю
діоксидом вуглецю, що супроводжується поглинан-
ням теплової енергії [19] тощо: нижчий TRZ → менше
потрібно CO → менша витрата коксу.
Кінетика основних реакцій в умовах за-
стосування РВКМ та результати моделюван-
ня їх використання в умовах доменної печі.
Під час випробувань, результати яких приведено
в дослідженні [4], зразки CCB (Carbon Composite
Briquette — рудовугільний композитний брикет для
самовідновлення оксидів заліза) після реалізації
реакцій відновлення оксидів заліза та газифікації
вуглецю, в якому відновлення заліза відбувалося
всередині брикету, використано для визначен-
ня кінетики реакцій на моделі, що наближена до
умов доменної печі. Визначена раціональна частка
заміщення частини руди композиту дослідного скла-
ду з визначенням рівня відновлення оксидів заліза
та конверсії вуглецю. В дослідженні використано
дослідні партії CCB, які були виготовлені методом
холодного брикетування та термічної обробки. За ре-
зультатами узагальнення промислових і модельних
даних визначено, що використання в якості компо-
нента доменної шихти РВКМ сприятиме:
— прискоренню кінетики відновлення, завдяки
скороченню дифузійної відстані між оксидом заліза і
вуглецем;
— підвищенню реакційної здатності вуглецевої
фази та початку газифікації вуглецю при більш
нижчих температурах. Використання РВКМ спро-
можне забезпечити зниження (TRZ) на 50—150 ºC
і, як наслідок, зменшити питомі витрати коксу та
пиловугільного палива на 20—50 кг/т чавуну (RAR);
підвищення ступеня використання CO; покращення
теплового і газодинамічного режиму доменної печі, а
також, скорочення питомих викидів CO2 на 5—15 %,
залежно від частки вуглецю коксу, що замінена ву-
95ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів
глецем РВКМ.
Отримання позитивних для розвитку і реалізації
доменного процесу ефектів, доцільно обґрунтувати
наступним. При нижчій температурі TRZ, що
забезпечується використанням РВКМ (брикетів),
рівновага реакції: FeO + CO ⇄ Fe + CO2 зміщується в
бік відновлення FeO при нижчому вмісті CO в газовій
фазі. Це означає, що для відновлення тієї ж кількості
оксидів заліза потрібно менше CO, а отже — менше
коксу і PCI. У результаті, згідно з [20], знижується
інтенсивність реакції газифікації вуглецю відновника
(C + CO2 = 2CO, ∆H1100 = 166 кДж/моль). Тому, одер-
жаний при цьому ефект сприятиме зменшенню пито-
мих витрат відновника, що практично підтверджено
результатами [4, 20]: зменшуються питомі витра-
ти коксу та PCI на 20—50 кг/т чавуну; підвищується
ступінь використання CO; знижуються на 5—
15 % питомі викиди CO₂; покращується стабільність
відновлення і газорозподілу в брикетах, що є складо-
вою часткою шихти; досягається звуження TRZ, що,
відповідно, зменшує «мертвий» об’єм шахти, в яко-
му процеси відновлення протікають більш повільно.
Разом, визначені фактори, сприяють підвищенню
продуктивності доменної печі, за рахунок:
— безпосереднього контакту оксидів заліза і ву-
глецю в об’ємі композиту, що скорочує дифузійну
відстань між реагентами, що утворюють активну зону
взаємодії;
— підвищеної реакційної здатності вуглецевої
складової композиту, особливо, при використанні
дрібного вугілля, петкоксу та піро-біовуглецю;
— початку реакції газифікації вуглецю при нижчих
температурах, що забезпечує раннє утворення CO
без додаткової витрати коксу;
— формування локального високого
відновлювального потенціалу в середині композиту,
коли CO утворюється безпосередньо біля FeO;
— підвищення пористості та реакційної поверхні
композиту, що інтенсифікує тепломасообмін —
дифузію CO і CO₂ та кінетику відновлення оксидів
заліза.
Особливо, значно більший позитивний ефект
можна очікувати при використанні ПБВ рослинно-
го походження, оскільки він має вищу пористість і
реакційну здатність порівняно з коксом, тому реакція
газифікації отримає розвиток на 50—150 ºC раніше
ніж при використанні вуглецю коксу, згідно з [20]. Та-
ким чином, зниження TRZ забезпечить більш раннє
та інтенсивне непряме відновлення оксидів заліза,
зменшення потреби в CO та в інтенсифікації реакції
газифікації вуглецю. Знизяться питомі витрати кок-
су і PCI, підвищиться ефективність використання
відновлювального потенціалу газу та скоротиться ву-
глецевий слід доменного процесу.
За результатами дослідження [2] встановлено,
що шар доменної шихти з домішкою CCB виконує дві
функції: перша — висока внутрішня відновлюваність, а
інша використовується для посилювання відновлення
навколишнього агломерату. В результаті реалізації
цих двох функцій вуглецю, що містять РВКМ, при їх
застосуванні в доменному процесі, досягнуто знач-
не зниження температури TRZ та збільшення рівня
використання хімічної енергії СО за рахунок домішок
до загальної маси доменної шихти відповідної частки
дослідних брикетів.
При визначенні впливу використання CCB [21]
встановлено, що заміна дослідними брикетами частки
руди, на рівні ~10 % від рудної складової, може покра-
щити тепло-відновлювальний режим, але потребує
контролю міцності та їх впливу на газопроникність
шару при їх введенні в піч. Використані CCB містили
29,70 мас.% Fe3O4, 39,70 мас.% FeO, 1,57 мас.%
заліза, 8,73 мас.% пустої породи та 20,30 мас.% ву-
глецю. Кінетика їх реакції в печі досліджена за допо-
могою неізотермічних випробувань і змодельована.
Чисельне моделювання доменної печі з заміною
10 % руди на CCB показало, що заміна 10 % руди на
CCB ефективно покращила роботу доменної печі, за-
безпечивши економію коксу.
Для уточнення фізико-хімічної структури процесів
в РВКМ щодо вкладу у відновлення заліза С та
СО, розглянемо результати наступних досліджень.
Для композитів (рудовугільних брикетів, окатишів,
композитних матеріалів, що самоущільнюються)
основна частина відновлення, за даними з [22]
реалізується не безпосередньо твердим вуглецем, а
через проміжне утворення СО за реакцією Будуара:
CO2 + C → 2CO. Далі, саме СО відновлює оксиди заліза:
FexOy + CO → Fe + CO2.
Тому, в брикеті РВКМ, «пряме» відновлення
твердим вуглецем, згідно з [22], матиме обмежений
розвиток, тоді як непряме відновлення через СО —
домінуючим. Типові оцінки співвідношення для рудо-
вуглецевих композитів наведено в табл. 3.
Аналіз даних, наведених в табл. 3, свідчить, що
найбільша частка прямого відновлення припадає ли-
ше на завершальну стадію FeO → Fe, коли оксид і
вуглець вже контактують через тонкий прошарок ме-
талу або коли вуглець розчиняється у відновленому
залізі. В цих умовах, на ранніх стадіях перевагу має
СО — практично весь кисень видаляється через ви-
користання відновлювального потенціалу СО. Для ти-
пових рудовуглецевих композитів з високореакційним
вуглецем (ПБВ, напівкокс, дрібний вуглець) сумарна
Таблиця 3
Характеристика піро-біовуглецевих рудовуглецевих композитів
№ Стадія відновлення Частка непрямого відновлення СО Частка прямого відновлення C
1 Fe₂O₃ → Fe₃O₄ 90—100 % 0—10 %
2 Fe₃O₄ → FeO 80—95 % 5—20 %
3 FeO → Fe 50—80 % 20—50 %
4 Загалом по всьому процесу 70—90 % 10—30 %
96 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
А.П. Мішалкін, Л.В. Камкіна, В.О. Петренко та ін.
частка непрямого відновлення зазвичай становить
близько 75—85 %, а прямого — 15–25 % [23].
Для сучасної традиційної доменної печі з агломе-
ратом, окатишами та коксом практично-доцільним
вважають наступну схему: непряме відновлення ~60–
75 %, а пряме ~25–40 % від сумарного відновлення
оксидів заліза; при цьому зниження ступеня прямого
відновлення навіть на кілька відсоткових пунктів дає,
згідно з результатами [24] помітну економію коксу.
Зокрема, для промислової печі в роботі показано, що
зменшення ступеня прямого відновлення з 27 % до
21 % знижує витрату коксу приблизно на 24 кг/т чаву-
ну. Як цільовий орієнтир — наведено співвідношення:
60 % відновлення за рахунок CO; 20 % — H₂ та 20 %
— прямого відновлення C, що добре показує сам
напрям розвитку: чим більше газового відновлення
у шахті, тим нижчий «коксовий тягар» у горні печі.
Раціональний режим доменної плавки, за висновками
авторів, досягається через максимізацію непрямого
відновлення газом CO (і частково H₂), з часткою пря-
мого відновлення, як процесу, що термодинамічно й
теплотехнічно обов’язково реалізується в нижній зоні
печі при використанні коксу.
Для рудовуглецевого композиту характерними є
інші наслідки його використання. Усередині компози-
ту контакт «оксид–вуглець» дуже тісний, але навіть
в таких умовах основний механізм буде реалізовано
не стільки прямою твердофазною реакцією
FeO + C, скільки через ланцюг C + CO₂ → 2CO і
далі FeO + CO → Fe + CO₂. Тобто найефективнішим
для РВКМ, автори [21] визначають режим, коли не-
пряме, внутрішнє локалізоване, відновлення через
СО домінує, а пряме, через твердий C, виконувати-
ме роль підсилювача, насамперед, завершальної
стадії FeO → Fe. Практично для композитів доцільно
орієнтуватися на CO-опосередкований внесок близь-
ко 70—90 % та прямий через C — близько 10—30 %.
Зростання прямого внеску понад цей рівень позна-
чатиме наступні за впливом негативні наслідки: ло-
кальний дефіцит газової фази; вищу ендотермічність
і гіршу теплову ефективність.
У помірному діапазоні збільшення частки РВКМ у
доменній шихті ефект, як правило, позитивний: ком-
позит починає відновлюватися раніше, зміщує ча-
стину роботи з нижньої зони у верхню, знижує тем-
пературу TRZ і підвищує рівень використання CO.
Для прикладу, за результатами [21, 23], при заміні
10 % рудної частини на CCB на моделі BF отрима-
но: повне відновлення оксидів у брикеті вище зони
когезії, ступінь конверсії вуглецю ~ 85 %, зниження
температури колошникового газу на 8 K, зростання
рівня використання відновлювального потенціалу СО
на 1,3 %, зменшення витрати коксу на 52,2 кг/т чаву-
ну та зменшення витрати рудної частини на 101 кг/т
чавуну, хоча продуктивність трохи знизилась — на
17 т/добу для розрахункової печі 6250 т/добу.
Наведені дані свідчать, що застосування РВКМ мо-
же суттєво економити кокс, створювати реальний
екологічний ефект, але їх надмірна частка в шихті
негативно впливає на тепловий і газодинамічний ба-
ланс печі.
Тому зі зростанням частки РВКМ у шихті слід
очікувати подвійний ефект. З одного боку, менша ви-
трата коксу, нижчі питомі викиди CO₂, краща утилізація
дрібних відходів, можливість частково замістити
агломерат/окатиші та введення біо-піровуглецю. З
іншого боку, при їх надмірному введенні: погіршення
газопроникності, зсув розподілу газового потоку,
підвищення утворення дріб’язку, ризик нестійкого хо-
ду, більша чутливість до міцності брикетів і до тем-
ператур їх розм’ягчення, плавлення в умовах печі.
Саме через це більшість робіт розглядає РВКМ не
як повний замінник традиційного грудкового рудного
матеріалу і коксу, а як добавку в помірній частці, яка
повинна працювати разом із міцним коксовим «ске-
летом» шихтового стовпа.
При розгляді умов досягнення загального
екологічного ефекту від використання композитів,
необхідно визначити три його основні складові: зни-
ження потреби в коксі та, частково, в агломераті;
можливість утилізувати дрібні рудні та вуглецевмісні
техногенні відходи металургійного походження;
по-третє, використання ПБВ або торрефікованої
біомаси з вологістю ≤ 2% зменшує частку викопної
складової вуглецю коксу. Але екологічний виграш
буде нижчим за очікуваний, якщо при зниженні
механічної міцності брикетів зросте винос пилу, а по-
рушення технологічного регламенту плавки потребує
виправляти тепловий стан печі шляхом додаткової
витрати палива. Це означає, що екологічний ефект
стає реальним лише тоді, коли брикети не руйнують
проникність стовпа шихти і не збільшують утворення
дріб’язку.
Підсумковий технологічний висновок щодо визна-
чення раціонального режиму доменної плавки: для
традиційної ДП найбільш раціонально тримати пря-
ме відновлення на помірно-низькому рівні, умовно
~20—30 % як бажаний орієнтир, не допускаючи його
зростання до 35—40 % без крайньої на то потреби;
для рудовуглецевого композиту раціонально забез-
печувати домінування внутрішнього CO-відновлення
при достатній реакційності вуглецю, щоб внесок
прямого відновлення лишався допоміжним. За цих
умов, використання РВКМ реально призведе до
економії коксу і зменшить CO₂, але лише тоді, ко-
ли його частка в шихті буде узгоджена з міцністю
брикету, гранулометрією, газопроникністю та те-
пловим режимом печі. Для менш реакційного щодо
газифікації вуглецю (антрацит, коксик) частка прямо-
го відновлення може дещо зростати, як стверджують
автори, через уповільнення газифікації та локальний
контакт FeO–C. Автори [25] для випадку використан-
ня самовідновлювальних брикетів на основі руди й
вугілля наводять, що до 80—90 % кисню видаляється
через газову фазу СО, а безпосередня твердофазна
реакція: FeO + C → Fe + CO є повільною й забезпечує
лише 10—20 % загального ефекту. Причина полягає
в тому, визначають автори, що твердофазний кон-
такт між частинками руди й вуглецю є обмеженим,
тоді як СО швидко дифундує через пористу структуру
композиту.
Обмеження, компроміси та технологічні ризи-
97ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів
ки використання рудовуглецевих композитів у
доменному процесі. Пов’язані з протиріччями між
реакційною здатністю та стабільністю механічних
властивостей РВКМ. Щодо обмежень технологічного
характеру, які впливають на ефективність викори-
стання РВКМ, необхідно навести наступні факти. Не-
зважаючи на наведені переваги використання рудо-
вуглецевих композитів як часткових замінників агло-
мерату та окатишів, їх застосування у доменній печі
супроводжується рядом обмежень та технологічних
ризиків використання в доменному процесі [21,
26]. Обумовлені вони особливостями їх фізико-
механічних властивостей, поведінкою при нагріванні
та впливом на газодинаміку шахти печі. Практичний
досвід і результати дослідження [26] показують, що
при впровадженні таких композитних матеріалів
необхідно забезпечити компроміс між реакційною
здатністю композиту і його механічною та термічною
стабільністю в умовах доменної печі.
Ще одним обмежуючим використання РВКМ
фактором є недостатня холодна і гаряча міцність
композитів, порівняно з традиційними залізорудними
матеріалами, що є проблемою, ефективне вирішення
якої дозволить збільшити їх частку в шихті доменного
процесу, наблизивши її до оптимальної. Пов’язують
її виникнення автори [27] з більш пористою струк-
турою, наявністю вуглецевої фази і використанням
неефективних зв’язуючих компонентів, що може
призвести до втрати міцності при нагріванні РВКМ.
Автори звертають увагу також на те, що глобальні
вимоги істотного скорочення викидів CO₂ змушують
доменні печі споживати менші обсяги коксу. З огля-
ду на це, вони визначають необхідність пошуку інших
способів компонентного розподілу шихти для забез-
печення найбільш оптимальної проникності шару
шихти в печі як фактора, що має вирішальне значен-
ня для її стабільної роботи. А в забезпеченні таких
умов, очевидно, ключове значення має контрольова-
ний розподіл класифікованої за хімічним та грануло-
метричним складом компонентів вихідної доменної
шихти. Встановлено, що при температурах 200—
600 ºC в верхній частині печі композити піддаються
інтенсивному термічному впливу, внаслідок чого, при
їх опусканні в шарі шихти, можуть виникати термічні
напруження, пришвидшена дегідратація зв’язуючих,
розтріскування брикетів з утворенням дрібної фракції.
Особливо, це характерно для холоднозв’язаних
брикетів із цементними або бентонітовими
зв’язуючими, які при швидкому нагріванні, згідно з
[27], втрачають механічну цілісність. В свою чер-
гу, неконтрольоване руйнування композитів у шахті
печі призводить до утворення дріб’язку (<5 мм), що
негативно впливає на газодинамічний режим через
погіршення фільтраційних властивостей шару. На
основі практичних результатів дослідження показа-
но, що фільтраційні властивості шару доменної ших-
ти, які характеризують проникність шихти, є одним із
ключових параметрів, що визначають стабільність
роботи печі, ефективність відновних процесів і
продуктивність доменного агрегата [28].
Крім того, в інтервалі температур 800—1100 ºC
отримують розвиток реакції газифікації вуглецю, які
додатково знижують механічну міцність композиту,
оскільки вуглець виконує роль структурного каркаса.
Втрата вуглецевої фази призводить до ослаблення
структури і можливого руйнування матеріалу до за-
вершення процесу відновлення оксидів заліза. Це є
важливим, тому що газопроникність шару доменної
шихти є одним із визначальних факторів стабільності
роботи печі, ефективності відновних процесів і пито-
мих витрат відновника, що підтверджено фундамен-
тальними дослідженнями [26].
За висновком, що зроблено в [27], фільтраційні
властивості, що визначають газопроникність шару
доменної шихти є одним із ключових параметрів,
що впливають на стабільність ходу печі, визна-
чаючи ефективність відновлювальних процесів і
продуктивність доменного агрегата в цілому. В цьому
плані, рудовугільні композити мають, за даними, що
проаналізовано, як правило, нижчу механічну міцність
і більшу схильність до утворення дріб’язку порівняно
з агломератом і окатишами [29]. Накопичення дрібної
фракції в шихтовому стовпі призводить до: зменшен-
ня міжкускового простору; підвищення гідравлічного
опору шару; нерівномірного розподілу газового по-
току та виникнення зон застою газу і нерівномірного
відновлення оксидів в шарі. Це може викликати ло-
кальне переохолодження або перегрів матеріалу,
погіршення відновлювальних умов і збільшення ви-
трат коксу.
Особливо критичним фактором, необхідно визна-
ти можливе руйнування композитів в TRZ-зоні шахти
доменної печі з температурою газу і шихти, яка стано-
вить приблизно 900—1000 ºC, де газодинамічні умо-
ви визначають ефективність непрямого відновлення.
Надлишкове накопичення в цій зоні, яка розташо-
вана в середній частині шахти доменної печі між
зонами непрямого відновлення і когезійною зоною,
дрібної фракції може призвести до зміщення тем-
пературного профілю печі та викликати порушення
стабільності процесу [28, 29]. Тому, при введенні в
склад композитів вторинних матеріалів, таких як до-
менний пил, шлам, прокатна окалина необхідно звер-
тати увагу на вибір зв’язуючого, тепловий режим об-
робки та вплив на механічні характеристики брикетів.
Окрім того, використання металургійних відходів
техногенного походження супроводжується вве-
денням до брикету небажаних домішок, які можуть
негативно впливати на доменний процес. Особли-
ву небезпеку становлять: сірка (S), що призводить
до погіршення якості чавуну та підвищення витрат
флюсів (вапна) та палива (коксу); лужні метали (Na,
K) — викликають утворення циркуляційних потоків у
печі, руйнування вогнетривів футерівки та погіршення
структури шихти; цинк (Zn) може випаровуватися і
конденсуватися у верхній частині печі; спричиняти
утворення настилів і наростів; порушувати нормаль-
ний хід печі. Накопичення цих елементів у домен-
ному циклі обмежує можливу частку використання
композитів, особливо виготовлених із використанням
вторинних матеріалів без їх попередньої підготовки.
Оцінюючи взаємозв’язок реакційної здатності і
98 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
А.П. Мішалкін, Л.В. Камкіна, В.О. Петренко та ін.
стабільності механічних властивостей, необхідно
підкреслити, що однією з ключових особливостей ру-
довуглецевих композитів є протиріччя між ними. Так,
одночасне підвищення реакційної здатності вуглецю,
що є бажаним для інтенсифікації відновлення і зни-
ження температури TRZ, призводить до прискореної
газифікації вуглецю; втрати структурної міцності
та підвищеного ризику руйнування брикетів. Висо-
ка швидкість нагрівання у верхній частині доменної
печі може спричиняти інтенсивне виділення газів і
руйнування структури композиту. Тому, при розробці
композитів необхідно забезпечити оптимальний ба-
ланс між: реакційною здатністю, механічною міцністю
та їх термічною стабільністю.
На основі аналізу протиріч між реакційною
здатністю та стабільністю механічних властиво-
стей РВКМ визначено основні, вірогідні, обмежен-
ня застосування в доменному процесі РВКМ, до
яких необхідно віднести: їх недостатню холодну і
гарячу міцність; утворення дрібної фракції (<5 мм) і
погіршення газопроникності шихти; введення з ком-
понентами РВКМ небажаних, шкідливих домішок;
негативний вплив вологи і зв’язуючих; та втрата їх
механічної стабільності при газифікації вуглецю.
Саме ці фактори, очевидно, визначають допусти-
му частку використання композитів у доменній шихті,
яка, за даними промислових і експериментальних
досліджень [10, 12], становить 5—20 % від маси
залізорудної складової брикетів.
Компромісне узгодження визначених протиріч
доцільно досягати комплексним способом через ке-
руванням наступними параметрами: складом, струк-
турою, гранулометрією, способами підготовки, бри-
кетування та режимом теплової обробки, а, в подаль-
шому, розподілом РВКМ при їх завантаженні в піч.
Суть вирішення протиріч між реакційною здатністю
та стабільністю механічних властивостей композитів
та мінімізації обмежень їх використання в тому, щоб
композит був достатньо реакційним для раннього
відновлення FeO через зниження TRZ, але при цьо-
му не руйнувався у верхній і середній частині шах-
ти, не утворюючи, згідно з [25], надлишок дріб’язку
і не погіршуючи газопроникність шару доменної
шихти. На практиці цей компроміс може бути забез-
печений при взаємодії наступних, на наш погляд
раціональних, технологічних підходів, сутність та
ефекти від їх реалізації наведено в табл. 4.
Для ефективного вирішення протиріч з забезпе-
ченням компромісу між відновлювальними можливо-
стями РВКМ та їх механічними властивостями з ціллю
раціональної мінімізації обмежень щодо їх викори-
стання в шихті доменного процесу проаналізовано
особливості поведінки РВКМ в умовах печі та визна-
чено основні складові фізико-хімічного змісту такого
компромісу:
1. Підвищення реакційних властивостей потрібне
для того, щоб вуглець композиту почав газифікуватися
за нижчих температур, швидше генерував CO і при-
скорював відновлення FeOₓ. Саме тому CCB і компо-
зити, отримані гарячим брикетуванням, здатні, згідно
з [21—25], знижувати TRZ і RAR.
2. Але надмірна реакційна відновлювальність
Таблиця 4
Технологічні підходи до вирішення протиріч, суть та результати їх застосування
№ Підхід Суть/зміст Результат
1 Оптимізація вмісту вуглецю
в композитах (С/FexOy)
Відповідність частки C та значення
параметра Fe/C очікуваній швидко-
сті самовідновлення
Достатня реакційна здатність без передчасної
втрати міцності
2
Керування гранулометрією
компонентів вихідного
складу композитів
Контроль гранулометрії дрібних
FeOₓ та C, мінімум надлишку
ультрадисперсної фракції
Скорочення дифузійного шляху при збереженні
структурної цілісності
3
Обґрунтування/вибір типу,
складу вуглецьмістячого
матеріалу
Коксик/вугілля/петкокс/біо-
піровуглець у змішаному варіанті їх
використання
Забезпечення заданого рівня відновлювальної
здатності: біо-піровуглець підвищує її, а коксик/
вугілля підсилює стабільність механічних
властивостей
4
Обґрунтування адекватного
за результатами
використання зв’язуючого
Цемент, силікати, бентоніт,
органічні зв’язуючі — за
призначенням без зниження
металургійної цінності
Отримання достатньої холодної міцності, опору
удару й менший ризик розпаду РВКМ
5 Застосування гарячого
брикетування/карбонізації
Термопластичность вугілля при
нагріванні
Вища гаряча міцність і краща поведінка в
умовах доменної печі
6
Обмеження рівня
раціональної пористості
композитного матеріалу
Регулювання тиску при пресуванні,
вологості та режиму сушіння РВКМ
Баланс між швидкою газифікацією і опором
руйнуванню брикетів
7 Контроль вологості РВКМ
при їх тепловій обробці
Недопущення залишкової вологи в
РВКМ перед їх завантаженням в піч
Зменшення ризику тріщиноутворення і
руйнування при нагріванні брикетів
8 Обмеження в складі РВКМ
вмісту шкідливих домішок
Контроль вмісту Zn, K, Na, S,
Pb у вторинній сировині, що
використають
Зниження небажаних для умов доменного
процесу циркуляції домішок, їх впливу на
стійкість вогнетривів і деградацію шихти
9
Раціональне обмеження
частки композитів як
складової вихідної шихти
Обґрунтування алгоритму
завантаження та розподілу РВКМ
без перевантаження
Збереження раціональної газопроникності
шихти та стабільності ходу печі
99ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів
композитів — брикетів означає також й швид-
шу втрату вуглецевого «каркаса»: якщо вуглець
газифікується занадто інтенсивно, композит втрачає
несучу здатність, тріскається, що стає причиною
збільшення дріб’язку і погіршує газопроникність шару
шихти. Саме механічну міцність визначають одним з
ключових обмежень для пилових/шламових брикетів
— складової шихти [30].
3. Тому на практиці потрібен не максималь-
ний, а найбільш раціональний, для умов викори-
стання, рівень реакційної здатності: композит має
інтенсивно працювати після прогріву і в зоні активно-
го відновлення, але не руйнуватися у верхній частині
шахти, на що було звернено увагу вище. Такий підхід
може бути реалізовано через обґрунтований вибір
зв’язуючого, режиму формування РВКМ і типу вугле-
цю [31].
З використанням складових основи для знайден-
ня компромісного рішення, яка характеризується
фізико-хімічною спрямованістю, визначені найбільш
раціональні для умов доменної печі практичні
рішення:
— для досягнення максимальної стабільності
доцільним може бути використання гарячебрикето-
ваних композитів на термопластичному вугіллі з по-
дальшою їх карбонізацією, що, очевидно, забезпе-
чить їх високу відновлювальну здатність при кращій,
за даних умов, механічній стійкості РВКМ;
— при застосуванні холоднобрикетованих
композитів необхідно підвищити рівень контролю во-
логи, типу зв’язуючого та наслідків їх гарячої, в умо-
вах печі, деградації властивостей, що забезпечують
стабільність ходу доменної печі;
— для декарбонізації необхідно забезпечити
часткове введення біо-піровуглецю без його над-
лишку, тому що його висока реакційна здатність мо-
же погіршувати гарячу міцність композитів та істотно
знижувати якість вуглецю як носія навантаження в
доменній печі.
Проведений аналіз фізико-хімічних особливостей
та сучасних поглядів на виробництва, застосування
та можливі його наслідки, дозволяють стверджувати
наступне.
Компроміс між реакційною здатністю рудовугле-
цевого композиту та його механічною та термічною
стабільністю в умовах доменної печі доцільно забез-
печувати шляхом оптимізації співвідношення FeOₓ/C,
визначення раціональної гранулометрії компонентів
РВКМ, обґрунтування типу вуглецевого матеріалу,
зв’язуючого, пористості, вологості, режимів бри-
кетування та частки композитів у шихті доменного
процесу. Метою такої оптимізації є досягнення до-
статньо високої швидкості газифікації, з забезпе-
ченням самовідновлення без передчасного руйну-
вання композиту, утворення дріб’язку та погіршення
газопроникності стовпа шихтових матеріалів. Та-
ке трактування компромісу та визначені шляхи
вирішення його протиріч та обмежень використан-
ня РВКМ повністю узгоджується з результатами
дослідження [32].
Сучасний стан ресурсів, а саме залізорудних
концентратів (Кривбас, Полтавський ГЗК, Північний
ГЗК); наявність вторинних металургійних відходів
(доменні шлами, пил газоочистки, прокатна окали-
на); вуглецевих матеріалів (петкокс, газове вугілля,
антрацит, піро-біовуглець), створюють основу для
розвитку і впровадження в металургійну практику
інноваційних рішень щодо подальшого вдоскона-
лення доменного виробництва. Одним з них є вико-
ристання в процесі виробництва чавуну РВКМ. Осо-
бливо важливим та перспективним для підприємств
чорної металургії України це питання стає у зв’язку
з дефіцитом коксу, високою вартістю енергоносіїв та
необхідністю рециклінгу відходів поточного вироб-
ництва.
В цьому плані, РВКМ є перспективним класом
залізовмісних матеріалів, що поєднують у собі
функції носія оксидів заліза та локального джерела
відновника. Їх використання у доменній печі дозво-
лить частково замінити агломерат і окатиші, а також
знизити витрати коксу в шихті та пиловугільного па-
лива, що вводиться в піч з дуттям. Науково-дослідну
та дослідно-конструкторську діяльність в дано-
му напрямі, згідно з [33], необхідно спрямувати на
одержання нових знань, а на їх основі, створювати
інноваційні замінники традиційних матеріалів та вдо-
сконалювати технології виробництва металургійної
продукції.
Обґрунтування доцільності використання ко-
рисних властивостей вихідного фізико-хімічного
потенціалу біогенних відходів як компонента
РВКМ. На основі теоретично-експериментально-
го обґрунтування та практичного підтвердження в
промислових умовах ефективності використання
відходів рослинного походження, як вторинного дже-
рела ресурсів сировини та енергії, що мають біогенне
походження, розроблено рекомендації щодо їх засто-
сування як компонента РВКМ.
Розглянемо один з матеріалів-відходів рослинно-
го походження, що містить вуглець, — рисове луш-
пиння. У брикеті рисове лушпиння (РЛ) або його
карбонізований продукт можуть виконувати одразу
кілька функцій: відновник — біопіролізний вуглець
реагує з FeO/Fe₂O₃; джерело CO — через реакції
C + CO₂ → 2CO та C + FeO → Fe + CO; кремнезе-
мистий компонент — SiO₂ бере участь у формуванні
первинної шлакової фази; структуроутворю-
вач пор в РВКМ — як наслідок піролізу, підвищує
газопроникність брикету; частково паливо — за ра-
хунок окиснення піровуглецю. Якщо використовувати
карбонізований продукт з лушпиння — це відповідає
дійсності. В разі використання сухого рисового луш-
пиння (з вологістю приблизно 1—5 %) з’являється
ще одна його складова фізико-хімічного потенціалу
— паливно-відновлювальна спроможність летких
газів, які виділяються при нагріванні і можуть, при
створенні певних умов, бути використані як додатко-
ве паливо та, вірогідно, й відновника.
При використанні сухого рисового лушпин-
ня (СРЛ) можна очікувати, що до функціоналу
«C + SiO₂» додається потужне джерело корисних
властивостей СРЛ — леткі, які можуть працюва-
100 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
А.П. Мішалкін, Л.В. Камкіна, В.О. Петренко та ін.
ти як внутрішнє паливо і частково як відновник в
брикеті. Нижче наведено фахову оцінку ймовірності
та доцільності використання цього потенціалу для
різних сценаріїв металургійного напряму. Визначимо
ефективність використання вторинного енергетич-
ного потенціалу летких газів в умовах застосування
сухого рисового лушпиння в брикетах, мономатеріалі
для введення з дуттям в піч та ін. В умовах обертової
печі леткі, що містять біогенні відходи, виконують
роль джерела вторинної теплової енергії (палива),
яка використовується для проведення термічної їх
деструкції матеріалів на основі відходів рослинного
походження.
Тому вторинний енергетичний потенціал летких
РЛ доцільно максимально використовувати саме в
брикетах (РВКМ) як внутрішнє паливо й частково як
відновник; у фурмених умовах — переважно як пали-
во; у мономатеріалах — як фактор активації газофаз-
них реакцій і зниження ефективної температури.
До практичних орієнтирів/рекомендацій і як умови
забезпечення ефективності впровадження даного
технічного рішення в промислових умовах доменного
процесу, необхідно віднести наступне: раціональний
вміст біо-піровуглецю в РВКМ становить 10—30 %
(залежно від зв’язки і міцності брикетів — холодної та
гарячої); швидкість нагріву в інтервалі 300—600 ºC,
в разі попередньої карбонізації брикету, необхідно
контролювати для уникнення руйнування брикетів з
утворенням дріб’язку; комбінування раціонального
співвідношення в брикеті (СРЛ: карбонізований про-
дукт) для досягнення ефективного балансу в брикеті
між вмістом летких та стабільного піровуглецю; до-
давання компонентів, що містять CaO та Al₂O₃ з за-
безпеченням їх співвідношення, як стабілізації струк-
тури, властивостей брикетів, а в подальшому і шла-
кового режиму доменного процесу.
Під час нагрівання сухого рисового лушпиння, або
інших біогенних компонентів, у брикеті відбувається
піроліз з утворенням піровуглецю та суміші летких
газів: CO, H₂, CH₄, C₂ – C₄ та смол. Ці компоненти ма-
ють високу теплоту згоряння: CH₄ ≈ 35 – 50 МДж/м³;
CO ≈ 12 – 13 МДж/м³; H₂ ≈ 10 – 12 МДж/м³. Тобто цей
матеріал є повноцінним паливом, яке формується
при нагріванні композитного матеріалу в умовах
доменної печі. Необхідно також відзначити, що
енергія летких через дифузійне обмеження в брикеті
(ефект мікро-реактора) переважно реалізується саме
в об’ємі брикету, для якого характерними ознаками
є: пористість середовища; обмежена проникність та
значна внутрішня поверхня. В цих умовах леткі не
одразу виходять назовні, а затримуються в порах;
контактують із твердою оксидною фазою та частково
реагують локально.
Наявність в брикеті окислювача (Fe₂O₃/FeO, CO₂ з
газової фази, H₂O як продукту дегідратації) дозволяє
реалізувати реакції відновлення з виділенням/
перерозподілом між ними теплоти хімічних реакцій:
CO + FeO → Fe + CO₂,
H₂ + FeO → Fe + H₂O,
CH₄ + FeO → Fe + CO + H₂.
Таким чином, частина вторинної теплової енергії
використовується для відновлення оксидів заліза,
інша — на нагрів брикету. Окислювання летких при
виході частки летких за межі брикету, якщо є навіть
невелика кількість O₂, реалізується через наступні
реакції:
CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + Q,
CO + ½O₂ → CO₂ + Q.
В результаті — створюються локальні
мікросередовища з підвищеною температурою,
характерні для автотермічного (наближеного до ав-
тогенного) режиму.
Щодо крекінгу смол, що входять до складу
матеріалів біогенного походження. При 600—900 ºC
вони стають джерелом додаткової енергії, роз-
кладаючись на гази та твердий вуглець: частково
виділяють фізичну теплоту та формують додатковий
активний вуглець без втрати енергії назовні. Таким
чином, в брикеті формується замкнений мікроцикл:
піроліз → утворення газів → часткове окиснення/
відновлення → виділення теплоти → нагрів твердих
фаз → прискорення хімічних реакцій, що, загалом,
доцільно визнати як важливу складову внутрішньої
енергетичної самопідтримки — леткі працюють як
мікро-нагрівач — відновник.
Як фізико-хімічний підсумок, визначаємо, що
можливість використання летких як внутрішнього
енергетичного ресурсу базується на: утворенні горю-
чих газів при піролізі; їх затримці в пористій структурі
брикету; взаємодії з FeO, CO₂, H₂O та (частко-
во) O₂; локальному виділенні теплоти без значних
втрат; самоприскорювальному характері процесу,
забезпечується термохімічним зворотним зв’язком
складових процесу.
Можливість реалізації внутрішнього енергетич-
ного ресурсу летких у рудовуглецевих брикетах не
є «гіпотезою», а прямо визначається поєднанням
ефектів кінетики піролізу, тепломасообміну в
пористому тілі та локального окислювально-
відновлювального балансу газової фази, що дозволяє
енергії летких та частини піровуглецю генеруватися і
споживається в об’ємі брикету, практично без втрат в
навколишнє середовище доменної печі, де її викори-
стання є менш ефективним за результатами впливу
на процес.
Висновки
Кінетично рудовуглецеві композити в умовах до-
менного процесу працюють як інтенсивно зв’язана
система «газифікація вуглецю ↔ відновлення окси-
ду». Для брикетів із піро-біовуглецем швидкість про-
цесу в інтервалі 1000—1200 ºC вища, ніж для кок-
сових композитів, за рахунок: швидшої газифікації
піролізного вуглецю; більшої відкритої пористості; ко-
ротших дифузійних шляхів та швидшого формування
відновлювального потенціалу CO.
Незважаючи на доведені переваги рудовугле-
цевих композитів як часткових замінників агломе-
рату та окатишів, їх використання у доменній печі
супроводжується рядом обмежень, обумовле-
101ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів
них особливостями їх фізико-механічних власти-
востей, поведінкою при нагріванні та впливом на
газодинаміку шахти печі. Практичний досвід і резуль-
тати досліджень показують, що при впровадженні та-
ких матеріалів необхідно забезпечити компроміс між
реакційною здатністю композиту та його механічною
та термічною стабільністю.
Суть вирішення протиріч між реакційною здатністю
та стабільністю механічних властивостей композитів
та мінімізації обмежень їх використання в тому, щоб
композит був достатньо реакційним для раннього
відновлення FeO через зниження TRZ, але при цьо-
му не руйнувався у верхній і середній частині шахти,
не утворюючи надлишок дріб’язку і не погіршуючи
газопроникність шару доменної шихти.
Компроміс між реакційною здатністю рудовугле-
цевого композиту та його механічною і термічною
стабільністю в умовах доменної печі забезпечу-
ють шляхом оптимізації співвідношення FeхOу/C,
гранулометрії, типу вуглецевого матеріалу,
зв’язуючого, пористості, вологості, режимів бри-
кетування та частки композитів у шихті. Метою
такої оптимізації є досягнення достатньо високої
швидкості газифікації і самовідновлення без перед-
часного руйнування композиту, утворення дріб’язку
та погіршення газопроникності шихтового стовпа.
Рудовуглецеві композити є ефективним
інструментом підвищення енергоефективності до-
менного процесу і можуть частково замінювати агло-
мерат і окатиші. Їх використання забезпечує знижен-
ня температури TRZ, підвищення ступеня викори-
стання відновлювального газу і зменшення питомих
витрат відновника. Україна має значний ресурсний і
технологічний потенціал для широкого впроваджен-
ня таких матеріалів у доменному виробництві.
Наступним завданням дослідження визначено
створення структурованої фізико-хімічної моделі
контактної взаємодії компонентів рудовуглецевого
брикету на основі залізорудного концентрату + піро-
біовуглецю в інтервалі 1000—1200 ºC для умов шах-
ти доменної печі.
ЛІТЕРАТУРА
1. Gandra B.F, Junior G.E. de P., Bagatini M.C., Osório E. Analysis of self-reducing composites with different iron ore-carbon
ratio. Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 26. Р. 6433—6445. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.08.289
2. Yokoyama H., Higuchi K., Ito T., Oshio A. Decrease in Carbon Consumption of a Commercial Blast Furnace by Using Carbon
Composite Iron Ore. ISIJ International. 2012. Vol. 52. Iss. 11. P. 2000—2006. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.2000
3. KOBELCO Group’s CO2 Reduction Solution for Blast Furnace Ironmaking. Kobe Steel, Ltd. URL: https://www.kobelco.co.jp/
english/releases/files/20210216_e.pdf (дата звернення: 28.04.2026).
4. Tang H., Sun Y., Rong T. Experimental and Numerical Investigation of Reaction Behavior of Carbon Composite Briquette in
Blast Furnace. Metals. 2020. Vol. 10(1). 49. https://doi.org/10.3390/met10010049
5. Takashi A., Kiyoshi F., Hidekazu F. Development of Carbon Iron Composite Process. JFE Technical Report. 2009. No. 13.
P. 1—6. URL: https://www.jfe-steel.co.jp/en/research/report/013/pdf/013-02.pdf (дата звернення: 28.04.2026).
6. Yokoyama H., Ito T., Chiba M., Higuchi K., Oshio A., Sato H. Development of Carbon Composite Iron Ore Production and
Improvement in Blast Furnace Reduction Efficiency. Nippon Steel Technical Report. 2020. No. 123. Р. 90—99. URL: https://
www.nipponsteel.com/en/tech/report/pdf/123-14.pdf (дата звернення: 28.04.2026).
7. Gandra B.F., Oliveira A.F.L., Bagatini M.C., Osório E. Iron ore-petcoke briquettes as complementary burden for blast furnaces.
Journal of Materials Research and Technology. 2025. Vol. 35. Р. 1556—1564. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.01.123
8. Pascoal A. da Luz, Rossoni H.A.V., Kaffash H., Tangstad M., Henriques A.B. Study of the Physical Behaviour and the
Carbothermal Reduction of Self-Reducing Briquettes Developed with Iron Ore Fines, Charcoal and Silica Fume Residues.
Sustainability. 2022. 14(17). 10963. https://doi.org/10.3390/su141710963
9. Vaniukov A.A., Ivashchenko V.P., Ivanova L.Kh., Kovalov M., Tsybulia Ye. Complex solid-phase reduction in a blast furnace
of self-healing pellets of cold agglomeration containing by-product carbon materials of metallurgical production. Theory and
Practice of Metallurgy. 2025. No. 2. Р. 124—129. https://doi.org/10.15802/tpm.2.2025.15
10. Iwase K., Higuchi T., Yamamoto T., Murakami T. Design for Carbon Core Pellet toward Co-production with Sinter. ISIJ
International. 2022. Vol. 62. Iss. 6. P. 1178—1188. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2021-590
11. Mousa E., Lundgren M., Ökvist S.L. et al. Reduced Carbon Consumption and CO2 Emission at the Blast Furnace by Use of
Briquettes Containing Torrefied Sawdust. Journal of Sustainable Metallurgy. 2019. Vol. 5. Р. 391—401. https://doi.org/10.1007/
s40831-019-00229-7
12. Мешалкин А.П., Камкин В.Ю., Колбин Н.А., Турищев В.В., Бабенко А.В. Проблемные вопросы использования техноген-
ных отходов промышленного происхождения в процессах рафинирования стали. Теория и практика металлургии.
2017. № 3—4. С. 47—53.
102 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
А.П. Мішалкін, Л.В. Камкіна, В.О. Петренко та ін.
13. Мішалкін А.П., Камкіна Л.В., Ковальов Д.А., Камкін В.Ю., Синицин Я.С., Колбін М.О. Розробка умов попередньої
підготовки і параметрів теплової обробки сумішей техногенних відходів на основі оксидів кальцію, заліза і вуглецю.
Теорія і практика металургії. 2018. № 3—5. С. 37—42. URL: https://nmetau.edu.ua/file/ktmp_11597.pdf (дата звернення:
28.04.2026).
14. Ariyama T., Sato M., Nouchi T., Takahashi K. Evolution of Blast Furnace Process toward Reductant Flexibility and Carbon
Dioxide Mitigation in Steel Works. ISIJ International. 2016. Vol. 56. Iss. 10. Р. 1681—1696. https://doi.org/10.2355/
isijinternational.ISIJINT-2016-210
15. Zhao Z., Yu X., Shen Ya. Effects and mechanism of using ferro-coke in an ironmaking blast furnace – A virtual experiment.
Fuel. 2025. Vol. 382. Part A. 133726. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.133726
16. Kasai A., Matsui Y. Lowering of Thermal Reserve Zone Temperature in Blast Furnace by Adjoining Carbonaceous Material and
Iron Ore. ISIJ International. 2004. Vol. 44. Iss. 12. Р. 2073—2078. https://doi.org/10.2355/isijinternational.44.2073
17. Higuchi K., Kunitomo K., Nomura S. Reaction Behaviors of Various Agglomerates in Reducing the Temperature of the
Thermal Reserve Zone of the Blast Furnace. ISIJ International. 2020. Vol. 60. Iss. 11. P. 2366—2375. https://doi.org/10.2355/
isijinternational.ISIJINT-2020-115
18. Naito M., Okamoto A., Yamaguchi K., Yamaguchi T., Inoue Y. Improvement of Blast Furnace Reaction Efficiency by Temperature
Control of Thermal Reserve Zone. Nippon Steel Technical Report. 2006. No. 94. Р. 103—108. URL: https://www.nipponsteel.
com/en/tech/report/nsc/pdf/n9417.pdf (дата звернення: 28.04.2026).
19. Higuchi K., Matsumura M., Uebo K. Innovative Technologies to Mitigate CO2 Emissions during Ironmaking. Nippon Steel
Technical Report. 2022. No. 127. Р. 15—20. URL: https://www.nipponsteel.com/en/tech/report/pdf/127-05.pdf (дата звернен-
ня: 28.04.2026).
20. Lei Z., Yan J., Xie R., Yao Z., Xue Ch., Tian Yu., Cui P. Catalysis mechanism of solution loss reaction of metallurgical coke
in blast furnace: Experimental and modeling study. Fuel. 2021. Vol. 290. 120025. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.120025
21. Wang Q., Liu Z., Tang H., Guo Zh. Experimental and Numerical Investigations on Charging Carbon Composite Briquettes in a
Blast Furnace. Metals. 2021. Vol. 11(11). 1669. https://doi.org/10.3390/met11111669
22. Ogbezode J.E., Ajide O.O., Oluwole O.O., Ofi O. Recent Trends in the Technologies of the Direct Reduction and Smelting
Process of Iron Ore/Iron Oxide in the Extraction of Iron and Steelmaking. Iron Ores and Iron Oxides – New Perspectives / ed.
by B. Kumar. IntechOpen. 2023. https://doi.org/10.5772/intechopen.1001158
23. Ning X., Ren Z., Zhang N., Wang G. et al. Reduction Study of Carbon-Bearing Briquettes in the System of Multiple Reductants.
Materials. 2025. № 18(18). 4408. https://doi.org/10.3390/ma18184408
24. Bahgat M., Halim Kh.S.A., Kelesh H.A.E., Nasr M.I. Blast Furnace Operating Conditions Manipulation for Reducing Coke
Consumption and CO2 Emission. Steel Research International. 2012. Vol. 83. Iss. 7. Р. 686—694. https://doi.org/10.1002/
srin.201200001
25. Bagatini M.C., Fernandes T., Silva R.T., Galvão D.F., Flores I.V. Mill scale and flue dust briquettes as alternative burden
to low height blast furnaces. Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 276(7). Art. 124332. https://doi.org/10.1016/j.
jclepro.2020.124332
26. Babich A., Senk D., Solar J., Marco I. de. Efficiency of Biomass Use for Blast Furnace Injection. ISIJ International. 2019.
Vol. 59. Iss. 12. P. 2212—2219. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2019-337
27. Chakrabarty A., Raju A.B., Pani S. et al. Effect of Selective Pellet Loading on Burden Distribution and Blast Furnace Operations.
ISIJ International. 2023. Vol. 63. Iss. 2. P. 271—281. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2022-373
28. Lu Ch.-Yu., Du Sh.-W., Kuo Sh.-K. Development of an Online Blast Furnace Burden Profile Measuring System. China
Steel Technical Report. 2010. No. 23. P. 25—30. URL: https://www.csc.com.tw/csc_c/ts/ena/pdf%5Cno23%5C05--
Development%20of%20an%20Online%20Blast%20Furnace%20Burden%20Profile%20Measuring%20System.pdf (дата
звернення: 28.04.2026).
29. Wei H., Zhang C., Han J., Wang Zh., Ren W., Zhang J., Chen Z., Lu P. Effect of Pellet Proportion and Charging Sequence on
Burden Distribution in Blast Furnaces According to Discrete Element Method Simulation. Processes. 2025. Vol. 13(1). 237.
https://doi.org/10.3390/pr13010237
30. Ye L., Zhang J., Yu J., Xu R., Dang H. Evolution behavior and kinetic analysis of vacuum-extruded iron-rich dust briquette in
blast furnace. Journal of Cleaner Production. 2023. Vol. 433. 139753. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.139753
31. Asadi A.H., Hashemi S.M., Sazvar A. Effect of carbon content as reducing agent on the reduction behavior and crushing
strength of iron ore composite pellets. Materials Chemistry and Mechanics. 2023. Vol. 1. Iss. 1. P. 24—29. https://doi.
org/10.22034/mcm.2023.1.2
32. Pal J., Rajshekar Y., Kumar S., Venugopolan T. Development of carbon composite iron ore slime briquettes for using in
ironmaking. Journal of Metallurgy and Materials Science. 2021. Vol. 63. No. 1—2. P. 1—11. URL: https://jmms.nmlindia.org/
wp-content/uploads/2022/01/1st.pdf (дата звернення: 28.04.2026).
33. OECD, Frascati Manual: Guidelines for Collecting and Reporting Data on Research and Experimental Development,
The Measurement of Scientific, Technological and Innovation Activities. Paris. OECD. 2015. 398 p. https://dx.doi.
org/10.1787/9789264239012-en
103ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів
1. Gandra, B. F, Junior, G. E. de P., Bagatini, M. C., & Osório E. (2023). Analysis of self-reducing composites with different iron
ore-carbon ratio. Journal of Materials Research and Technology, 26, 6433-6445. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.08.289
2. Yokoyama, H., Higuchi, K., Ito, T., & Oshio, A. (2012). Decrease in Carbon Consumption of a Commercial Blast Furnace by
Using Carbon Composite Iron Ore. ISIJ International, 52(11), 2000-2006. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.2000
3. KOBELCO Group’s CO2 Reduction Solution for Blast Furnace Ironmaking. Kobe Steel, Ltd. https://www.kobelco.co.jp/english/
releases/files/20210216_e.pdf
4. Tang, H., Sun, Y., & Rong, T. (2020). Experimental and Numerical Investigation of Reaction Behavior of Carbon Composite
Briquette in Blast Furnace. Metals, 10(1). 49. https://doi.org/10.3390/met10010049
5. Takashi, A., Kiyoshi, F., & Hidekazu, F. (2009). Development of Carbon Iron Composite Process. JFE Technical Report, (13),
1-6. https://www.jfe-steel.co.jp/en/research/report/013/pdf/013-02.pdf
6. Yokoyama, H., Ito, T., Chiba, M., Higuchi, K., Oshio, A., & Sato, H. (2020). Development of Carbon Composite Iron Ore
Production and Improvement in Blast Furnace Reduction Efficiency. Nippon Steel Technical Report, (123), 90-99. https://www.
nipponsteel.com/en/tech/report/pdf/123-14.pdf
7. Gandra, B. F., Oliveira, A. F. L., Bagatini, M. C., & Osório, E. (2025). Iron ore-petcoke briquettes as complementary burden
for blast furnaces. Journal of Materials Research and Technology, 35, 1556-1564. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.01.123
8. Pascoal, A. da Luz, Rossoni, H. A. V., Kaffash, H., Tangstad, M., & Henriques, A. B. (2022). Study of the Physical Behaviour
and the Carbothermal Reduction of Self-Reducing Briquettes Developed with Iron Ore Fines, Charcoal and Silica Fume
Residues. Sustainability, 14(17), 10963. https://doi.org/10.3390/su141710963
9. Vaniukov, A. A., Ivashchenko, V. P., Ivanova, L. Kh., Kovalov, M., & Tsybulia, Ye. (2025). Complex solid-phase reduction in a
blast furnace of self-healing pellets of cold agglomeration containing by-product carbon materials of metallurgical production.
Theory and Practice of Metallurgy, (2), 124-129. https://doi.org/10.15802/tpm.2.2025.15
10. Iwase, K., Higuchi, T., Yamamoto, T., & Murakami, T. (2022). Design for Carbon Core Pellet toward Co-production with Sinter.
ISIJ International, 62(6), 1178-1188. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2021-590
11. Mousa, E., Lundgren, M., Ökvist, S. L. et al. (2019). Reduced Carbon Consumption and CO2 Emission at the Blast Furnace
by Use of Briquettes Containing Torrefied Sawdust. Journal of Sustainable Metallurgy, 5, 391-401. https://doi.org/10.1007/
s40831-019-00229-7
12. Meshalkin, A. P., Kamkin, V. Yu., Kolbin, N. A., Turishchev, V. V., & Babenko, A. V. (2017). Problemnyie voprosyi ispolzovaniya
tehnogennyih othodov promyishlennogo proishozhdeniya v protsessah rafinirovaniya stali [Problematic issues of using
industrial waste in steel refining processes]. Theory and practice of metallurgy, (3-4), 47-53 [in Russian].
13. Mishalkin, A. P., Kamkina, L. V., Kovalov, D. A., Kamkin, V. Yu., Sinitsin, Ya. S., & Kolbin, M. O. (2018) Rozrobka umov
poperednoi pidhotovky i parametriv teplovoi obrobky sumishei tekhnohennykh vidkhodiv na osnovi oksydiv kaltsiiu, zaliza i
vuhletsiu [Development of pre-treatment conditions and thermal processing parameters for mixtures of industrial waste based
on calcium, iron, and carbon oxides]. Theory and practice of metallurgy, (3-5), 37-42. https://nmetau.edu.ua/file/ktmp_11597.
pdf [in Ukrainian].
14. Ariyama, T., Sato, M., Nouchi, T., & Takahashi, K. (2016). Evolution of Blast Furnace Process toward Reductant Flexibility
and Carbon Dioxide Mitigation in Steel Works. ISIJ International, 56(10), 1681-1696. https://doi.org/10.2355/isijinternational.
ISIJINT-2016-210
15. Zhao, Z., Yu, X., & Shen, Ya. (2025). Effects and mechanism of using ferro-coke in an ironmaking blast furnace – A virtual
experiment. Fuel, 382, part A. 133726. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.133726
16. Kasai, A., & Matsui, Y. (2004). Lowering of Thermal Reserve Zone Temperature in Blast Furnace by Adjoining Carbonaceous
Material and Iron Ore. ISIJ International, 44(12), 2073-2078. https://doi.org/10.2355/isijinternational.44.2073
17. Higuchi, K., Kunitomo, K., & Nomura, S. (2020). Reaction Behaviors of Various Agglomerates in Reducing the Temperature of
the Thermal Reserve Zone of the Blast Furnace. ISIJ International, 60(11), 2366-2375. https://doi.org/10.2355/isijinternational.
ISIJINT-2020-115
18. Naito, M., Okamoto, A., Yamaguchi, K., Yamaguchi, T., & Inoue, Y. (2006). Improvement of Blast Furnace Reaction Efficiency
by Temperature Control of Thermal Reserve Zone. Nippon Steel Technical Report, (94), 103-108. https://www.nipponsteel.
com/en/tech/report/nsc/pdf/n9417.pdf
19. Higuchi, K., Matsumura, M., & Uebo, K. (2022). Innovative Technologies to Mitigate CO2 Emissions during Ironmaking. Nippon
Steel Technical Report, (127), 15-20. https://www.nipponsteel.com/en/tech/report/pdf/127-05.pdf
20. Lei, Z., Yan, J., Xie, R., Yao, Z., Xue, Ch., Tian, Yu., & Cui, P. (2021). Catalysis mechanism of solution loss reaction of metallurgical
coke in blast furnace: Experimental and modeling study. Fuel, 290, 120025. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.120025
REFERENCES
104 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
А.П. Мішалкін, Л.В. Камкіна, В.О. Петренко та ін.
21. Wang, Q., Liu, Z., Tang, H., & Guo, Zh. (2021). Experimental and Numerical Investigations on Charging Carbon Composite
Briquettes in a Blast Furnace. Metals, 11(11), 1669. https://doi.org/10.3390/met11111669
22. Ogbezode, J. E., Ajide, O. O., Oluwole, O. O., & Ofi, O. (2023). Recent Trends in the Technologies of the Direct Reduction
and Smelting Process of Iron Ore/Iron Oxide in the Extraction of Iron and Steelmaking. Iron Ores and Iron Oxides – New
Perspectives / ed. by B. Kumar. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.1001158
23. Ning, X., Ren, Z., Zhang, N., Wang, G. et al. (2025). Reduction Study of Carbon-Bearing Briquettes in the System of Multiple
Reductants. Materials, 18(18), 4408. https://doi.org/10.3390/ma18184408
24. Bahgat, M., Halim, Kh. S. A., Kelesh, H. A. E., & Nasr, M. I. (2012). Blast Furnace Operating Conditions Manipulation for
Reducing Coke Consumption and CO2 Emission. Steel Research International, 83(7), 686-694. https://doi.org/10.1002/
srin.201200001
25. Bagatini, M. C., Fernandes, T., Silva, R. T., Galvão, D. F., & Flores, I. V. (2020). Mill scale and flue dust briquettes as
alternative burden to low height blast furnaces. Journal of Cleaner Production, 276(7), art. 124332. https://doi.org/10.1016/j.
jclepro.2020.124332
26. Babich, A., Senk, D., Solar, J., & Marco, I. de (2019). Efficiency of Biomass Use for Blast Furnace Injection. ISIJ International,
59(12), 2212-2219. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2019-337
27. Chakrabarty, A., Raju, A. B., Pani, S. et al. (2023). Effect of Selective Pellet Loading on Burden Distribution and Blast Furnace
Operations. ISIJ International, 63(2), 271-281. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2022-373
28. Lu, Ch.-Yu., Du, Sh.-W., & Kuo, Sh.-K. (2010). Development of an Online Blast Furnace Burden Profile Measuring System.
China Steel Technical Report, (23), 25-30. https://www.csc.com.tw/csc_c/ts/ena/pdf%5Cno23%5C05--Development%20
of%20an%20Online%20Blast%20Furnace%20Burden%20Profile%20Measuring%20System.pdf
29. Wei, H., Zhang, C., Han, J., Wang, Zh., Ren, W., Zhang, J., Chen, Z., & Lu, P. (2025). Effect of Pellet Proportion and Charging
Sequence on Burden Distribution in Blast Furnaces According to Discrete Element Method Simulation. Processes, 13(1), 237.
https://doi.org/10.3390/pr13010237
30. Ye, L., Zhang, J., Yu, J., Xu, R., & Dang, H. (2023). Evolution behavior and kinetic analysis of vacuum-extruded iron-rich dust
briquette in blast furnace. Journal of Cleaner Production, 433, 139753. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.139753
31. Asadi, A. H., Hashemi, S. M., & Sazvar, A. (2023). Effect of carbon content as reducing agent on the reduction behavior and
crushing strength of iron ore composite pellets. Materials Chemistry and Mechanics, 1(1), 24-29. https://doi.org/10.22034/
mcm.2023.1.2
32. Pal, J., Rajshekar, Y., Kumar, S., & Venugopolan, T. (2021). Development of carbon composite iron ore slime briquettes
for using in ironmaking. Journal of Metallurgy and Materials Science, 63(1-2), 1-11. https://jmms.nmlindia.org/wp-content/
uploads/2022/01/1st.pdf
33. OECD (2015). Frascati Manual: Guidelines for Collecting and Reporting Data on Research and Experimental
Development, The Measurement of Scientific, Technological and Innovation Activities, Paris. OECD. 398 p. https://dx.doi.
org/10.1787/9789264239012-en
Надійшла/Received 01.05.2026
Прийнята/Accepted 20.05.2026
Опублікована/Published 29.05.2026
105ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів
Summary
A.P. Mishalkin, PhD (Engin.), Associate Professor, Associate Professor
of the Department of Theoretical Foundations of Metallurgical Processes,
e-mail: meshalkin@ukr.net, https://orcid.org/0009-0002-7206-1809
L.V. Kamkina, Dr. Sci. (Engin.), Professor, Head of the Department of
Theoretical Foundations of Metallurgical Processes,
e-mail: lydmila.kamkina@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-8329-0917
V.O. Petrenko, Dr. Sci. (Engin.), Professor, Head of the Department of
Intellectual Property and Project Management,
e-mail: petrenko_v@email.ua, https://orcid.org/0000-0001-5017-1674
V.G. Chistyakov, PhD (Engin.), Associate Professor, Associate Professor of
the Department of Iron and Steel Metallurgy,
e-mail: chist.chvg60@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-4233-3797
M.M. Boiko, PhD (Engin.), Associate Professor, Associate Professor of the
Department of Iron and Steel Metallurgy,
e-mail: m.m.boiko@ust.edu.ua, https://orcid.org/0000-0003-3557-9027
A.A. Nadtochiy, PhD (Engin.), Associate Professor, Associate Professor
of the Department of Theoretical Foundations of Metallurgical Processes,
e-mail: Nadtochiy08@ukr.net, https://orcid.org/0000-0001-5077-0562
A.A. Vanukov, PhD (Engin.), Associate Professor, Associate Professor
of the Department of Theoretical Foundations of Metallurgical Processes,
e-mail: antonvanukov@gmail.com, https://orcid.org/0009-0002-5616-391X
Ukrainian State University of Science and Technologies (Dnipro, Ukraine)
Development of Theoretical Foundations for the Use of Ore-Coal Composites and Their
Coordination with Modern Trends in Improving the Blast Furnace Process
This paper summarizes current theoretical concepts and the results of the practical application of ore-carbon compos-
ite materials (OCCMs) as partial substitutes for sinter, pellets, coke, and pulverized coal in blast furnace production.
The aim of the study is to establish the physicochemical patterns of the influence of OCCM on the course of iron oxide
reduction, carbon gasification, TRZ formation, and specific reducer consumption, as well as to determine promising composi-
tions and methods for preparing composites, taking into account the possibility of using pyro-biocarbon.
The methodological basis of the work consists of a thermodynamic analysis of the equilibrium of the (Fe–O–C–CO–
CO
2
) system and a synthesis of the results of kinetic and modeling studies. The peculiarities of the course of iron reduction and
carbon gasification reactions under conditions of direct contact between iron oxides and carbon within the composite volume
(when changing the type of carbon-containing material and its origin) are analyzed.
It has been confirmed that the spatial proximity of the ore and fuel-reducing components ensures: the formation of a
locally high reducing potential and the intensification of indirect reduction; a decrease in temperature and a narrowing of the
TRZ, accompanied by an increase in the degree of efficient CO utilization. A reduction in the TRZ by 50-150 ºC, according to
recent studies, in turn contributes to: ensuring earlier development of the indirect reduction of iron oxides; a reduction in CO
demand and intensification of the carbon gasification reaction, leading to a decrease in specific coke and PCI consumption
per ton of pig iron, increased efficiency of CO reduction potential utilization, and a reduction in the carbon footprint of the blast
furnace process as a whole.
Promising types of OCCMs are considered: hot-briquetted, cold-bonded briquettes, self-reducing briquettes, and
composite briquettes/pellets. It is shown that the most promising for modern metallurgy are composites based on iron ore
concentrate, blast furnace dust and sludge, petcoke, fine coal, and pyro-biocarbon. The influence of composite preparation
methods – namely, hot briquetting, cold pressing, carbonization, and pelletizing of the feedstock – on their mechanical prop-
erties, reactivity, and expected behavior in a blast furnace has been analyzed.
The scientific novelty of this work lies in demonstrating the feasibility of using pyro-biocarbon as a partial substitute for
fossil carbon in the composition of OCCM. It has been established that pyro-biocarbon, due to its high porosity, developed
surface area, and increased reactivity, ensures a further reduction in TRZ and specific reducer consumption, while simultane-
106 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 89-106
А.П. Мішалкін, Л.В. Камкіна, В.О. Петренко та ін.
ously creating the conditions for reducing the carbon footprint of blast furnace production.
The theoretical significance of the work lies in the development of understanding regarding the mechanism of the com-
bined process of iron oxide reduction and carbon gasification within the OCCM and their influence on blast furnace process
parameters. The practical significance lies in identifying promising directions for the partial replacement of sinter, pellets,
coke, and PCI with ore-coal composites to improve the energy efficiency of blast furnace production, reduce fossil carbon
consumption, and cut greenhouse gas emissions.
Keywords
Ore-carbon composites, iron reduction, carbon gasification, formation of TRZ, reduction of
CO
2
emissions.
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-333 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-10T01:00:42Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/22/634b7ccb5cb47d8ba89a3234e3295822.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-3332026-07-09T11:02:55Z Development of Theoretical Foundations for the Use of Ore-Coal Composites and Their Coordination with Modern Trends in Improving the Blast Furnace Process Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів та їх узгодження з сучасними напрямами удосконалення доменного процесу Мішалкін, А.П. Камкіна, Л.В. Петренко, В.О. Чистяков, В.Г. Бойко, М.М. Надточій, А.А. Ванюков, А.А. Ore-carbon composites iron reduction carbon gasification formation of TRZ reduction of CO2 emissions рудовуглецеві композити відновлення заліза газифікація вуглецю формування TRZ скорочення викидів СО2 This paper summarizes current theoretical concepts and the results of the practical application of ore-carbon compos- ite materials (OCCMs) as partial substitutes for sinter, pellets, coke, and pulverized coal in blast furnace production. The aim of the study is to establish the physicochemical patterns of the influence of OCCM on the course of iron oxide reduction, carbon gasification, TRZ formation, and specific reducer consumption, as well as to determine promising compositions and methods for preparing composites, taking into account the possibility of using pyro-biocarbon. The methodological basis of the work consists of a thermodynamic analysis of the equilibrium of the (Fe–O–C–CO–CO2) system and a synthesis of the results of kinetic and modeling studies. The peculiarities of the course of iron reduction and carbon gasification reactions under conditions of direct contact between iron oxides and carbon within the composite volume (when changing the type of carbon-containing material and its origin) are analyzed. It has been confirmed that the spatial proximity of the ore and fuel-reducing components ensures: the formation of a locally high reducing potential and the intensification of indirect reduction; a decrease in temperature and a narrowing of the TRZ, accompanied by an increase in the degree of efficient CO utilization. A reduction in the TRZ by 50-150 ºC, according to recent studies, in turn contributes to: ensuring earlier development of the indirect reduction of iron oxides; a reduction in CO demand and intensification of the carbon gasification reaction, leading to a decrease in specific coke and PCI consumption per ton of pig iron, increased efficiency of CO reduction potential utilization, and a reduction in the carbon footprint of the blast furnace process as a whole. Promising types of OCCMs are considered: hot-briquetted, cold-bonded briquettes, self-reducing briquettes, and composite briquettes/pellets. It is shown that the most promising for modern metallurgy are composites based on iron ore concentrate, blast furnace dust and sludge, petcoke, fine coal, and pyro-biocarbon. The influence of composite preparation methods – namely, hot briquetting, cold pressing, carbonization, and pelletizing of the feedstock – on their mechanical prop- erties, reactivity, and expected behavior in a blast furnace has been analyzed. The scientific novelty of this work lies in demonstrating the feasibility of using pyro-biocarbon as a partial substitute for fossil carbon in the composition of OCCM. It has been established that pyro-biocarbon, due to its high porosity, developed surface area, and increased reactivity, ensures a further reduction in TRZ and specific reducer consumption, while simultaneously creating the conditions for reducing the carbon footprint of blast furnace production. The theoretical significance of the work lies in the development of understanding regarding the mechanism of the combined process of iron oxide reduction and carbon gasification within the OCCM and their influence on blast furnace process parameters. The practical significance lies in identifying promising directions for the partial replacement of sinter, pellets, coke, and PCI with ore-coal composites to improve the energy efficiency of blast furnace production, reduce fossil carbon consumption, and cut greenhouse gas emissions. У роботі узагальнено сучасні теоретичні уявлення та результати практичного використання рудовуглецевих композитних матеріалів (РВКМ) як часткових замінників агломерату, окатишів, коксу і пиловугільного палива у доменному виробництві. Метою дослідження є встановлення фізико-хімічних закономірностей впливу РВК на перебіг процесів відновлення оксидів заліза, газифікації вуглецю, формування TRZ та питомі витрати відновника, а також визначення перспективних складів і способів підготовки композитів з урахуванням можливості використання піро-біовуглецю. Методологічну основу роботи становлять термодинамічний аналіз рівноваги системи (Fe–O–C–CO–CO2), узагальнення результатів кінетичних і модельних досліджень. Проаналізовано особливості перебігу реакцій відновлення заліза та газифікації вуглецю в умовах безпосереднього контакту оксидів заліза і вуглецю в об’ємі композиту (при зміні виду матеріалу, що містить вуглець та його походження). Підтверджено, що просторове зближення рудної та паливно-відновлювальної складових забезпечує: формування локально-високого відновлювального потенціалу, інтенсифікацію непрямого відновлення; зниження температури та звуження TRZ з підвищенням ступеня раціонального використання CO. Зниження TRZ на 50—150 ºC, за результатами сучасних досліджень, в свою чергу, сприяє: забезпеченню більш ранньому розвитку непрямого відновлення оксидів заліза; зменшенню потреби в CO та інтенсифікації реакції газифікації вуглецю, що зумовлює зниження питомих витрат коксу і PCI та тонну чавуну, підвищення ефективності використання відновлювального потенціалу СО та скорочення вуглецевого сліду доменного процесу загалом. Розглянуто перспективні типи РВКМ: гарячебрикетовані, холоднозв’язані брикети, самовідновлювальні брикети та композитні брикети/окатиші. Показано, що найбільш перспективними для стійкого розвитку сучасної металургії можуть бути композити на основі залізорудного концентрату, доменних пилів і шламів, петкоксу, дрібного вугілля та піро-біовуглецю. Проаналізовано вплив способів підготовки композитів, а саме: гарячого брикетування, холодного пресування, карбонізації та окатування вихідної шихти на їх механічні властивості, реакційну здатність і вірогідну поведінку в доменній печі. Наукова новизна роботи полягає в обґрунтуванні доцільності використання піро-біовуглецю як часткового замінника викопного вуглецю у складі РВКМ. Встановлено, що піро-біовуглець, завдяки високій пористості, розвиненій поверхні і підвищеній реакційній здатності, забезпечує подальше зниження TRZ і питомих витрат відновника, одночасно створюючи передумови для зменшення вуглецевого сліду доменного виробництва. Теоретичне значення роботи полягає в розвитку уявлень про механізм суміщеного перебігу відновлення оксидів заліза і газифікації вуглецю у складі РВКМ та їх вплив на параметри доменного процесу. Практичне значення полягає у визначенні перспективних напрямів часткової заміни агломерату, окатишів, коксу і PCI рудовуглецевими композитами з метою підвищення енергоефективності доменного виробництва, зниження витрат викопного вуглецю та скорочення викидів парникових газів. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2026-05-29 Article Article application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/333 10.15407/steelcast2026.02.089 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 34 No. 2 (2026): Metal and Casting of Ukraine; 89-106 Метал та лиття України ; Том 34 № 2 (2026): Метал та лиття України; 89-106 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/333/326 Авторське право (c) 2026 А.П. Мішалкін, Л.В. Камкіна, В.О. Петренко, В.Г. Чистяков, М.М. Бойко, А.А. Надточій, А.А. Ванюков https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | рудовуглецеві композити відновлення заліза газифікація вуглецю формування TRZ скорочення викидів СО2 Мішалкін, А.П. Камкіна, Л.В. Петренко, В.О. Чистяков, В.Г. Бойко, М.М. Надточій, А.А. Ванюков, А.А. Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів та їх узгодження з сучасними напрямами удосконалення доменного процесу |
| title | Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів та їх узгодження з сучасними напрямами удосконалення доменного процесу |
| title_alt | Development of Theoretical Foundations for the Use of Ore-Coal Composites and Their Coordination with Modern Trends in Improving the Blast Furnace Process |
| title_full | Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів та їх узгодження з сучасними напрямами удосконалення доменного процесу |
| title_fullStr | Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів та їх узгодження з сучасними напрямами удосконалення доменного процесу |
| title_full_unstemmed | Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів та їх узгодження з сучасними напрямами удосконалення доменного процесу |
| title_short | Розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів та їх узгодження з сучасними напрямами удосконалення доменного процесу |
| title_sort | розвиток теоретичних основ використання рудовугільних композитів та їх узгодження з сучасними напрямами удосконалення доменного процесу |
| topic | рудовуглецеві композити відновлення заліза газифікація вуглецю формування TRZ скорочення викидів СО2 |
| topic_facet | Ore-carbon composites iron reduction carbon gasification formation of TRZ reduction of CO2 emissions рудовуглецеві композити відновлення заліза газифікація вуглецю формування TRZ скорочення викидів СО2 |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/333 |
| work_keys_str_mv | AT míšalkínap developmentoftheoreticalfoundationsfortheuseoforecoalcompositesandtheircoordinationwithmoderntrendsinimprovingtheblastfurnaceprocess AT kamkínalv developmentoftheoreticalfoundationsfortheuseoforecoalcompositesandtheircoordinationwithmoderntrendsinimprovingtheblastfurnaceprocess AT petrenkovo developmentoftheoreticalfoundationsfortheuseoforecoalcompositesandtheircoordinationwithmoderntrendsinimprovingtheblastfurnaceprocess AT čistâkovvg developmentoftheoreticalfoundationsfortheuseoforecoalcompositesandtheircoordinationwithmoderntrendsinimprovingtheblastfurnaceprocess AT bojkomm developmentoftheoreticalfoundationsfortheuseoforecoalcompositesandtheircoordinationwithmoderntrendsinimprovingtheblastfurnaceprocess AT nadtočíjaa developmentoftheoreticalfoundationsfortheuseoforecoalcompositesandtheircoordinationwithmoderntrendsinimprovingtheblastfurnaceprocess AT vanûkovaa developmentoftheoreticalfoundationsfortheuseoforecoalcompositesandtheircoordinationwithmoderntrendsinimprovingtheblastfurnaceprocess AT míšalkínap rozvitokteoretičnihosnovvikoristannârudovugílʹnihkompozitívtaíhuzgodžennâzsučasniminaprâmamiudoskonalennâdomennogoprocesu AT kamkínalv rozvitokteoretičnihosnovvikoristannârudovugílʹnihkompozitívtaíhuzgodžennâzsučasniminaprâmamiudoskonalennâdomennogoprocesu AT petrenkovo rozvitokteoretičnihosnovvikoristannârudovugílʹnihkompozitívtaíhuzgodžennâzsučasniminaprâmamiudoskonalennâdomennogoprocesu AT čistâkovvg rozvitokteoretičnihosnovvikoristannârudovugílʹnihkompozitívtaíhuzgodžennâzsučasniminaprâmamiudoskonalennâdomennogoprocesu AT bojkomm rozvitokteoretičnihosnovvikoristannârudovugílʹnihkompozitívtaíhuzgodžennâzsučasniminaprâmamiudoskonalennâdomennogoprocesu AT nadtočíjaa rozvitokteoretičnihosnovvikoristannârudovugílʹnihkompozitívtaíhuzgodžennâzsučasniminaprâmamiudoskonalennâdomennogoprocesu AT vanûkovaa rozvitokteoretičnihosnovvikoristannârudovugílʹnihkompozitívtaíhuzgodžennâzsučasniminaprâmamiudoskonalennâdomennogoprocesu |