Химический состав железа прямого восстановления
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Химический состав железа прямого восстановления

Физические и химические свойства железа прямого восстановления в значительной мере определяют технологию его транспортировки, хранения, загрузки в сталеплавильный агрегат, плавления, рафинирования металла, а также эффект, получаемый от использования этого материала при выплавке стали.

Химический состав железа прямого восстановления

Основными показателями состава металлизованных материалов являются содержание пустой породы или железа общего, степень металлизации, содержание углерода и примесей. Ряд типичных составов продуктов прямого восстановления, применяющихся при выплавке стали, приведен в таблице 6.1.

Пустая порода

Руды и концентраты большинства железорудных месторождений мира содержат в преобладающих количествах кремнезем, поэтому основность пустой породы губчатого железа, как правило, не превышает 0,3. Исключение составляют концентраты из руд некоторых месторождений Канады, Мексики и Швеции, имеющие основность, близкую к единице.

При выплавке стали в основных сталеплавильных агрегатах для офлюсования пустой породы губчатого железа в шихту вводят дополнительное количество извести. При этом увеличивается количество шлака и потери железа со скачиваемым шлаком. Поэтому для прямого восстановления используют богатое железорудное сырье с содержанием пустой породы в пределах 1 – 4 %. При современных средствах обогащения руд возможно получение концентратов, содержащих менее 1 % пустой породы, однако при этом затраты на обогащение могут превысить эффект, получаемый от снижения количества шлака.

Степень металлизации

Степень металлизации применяемого для выплавки стали губчатого железа () колеблется в пределах 90 – 97 %. Данный показатель характеризует количество кислорода или оксидов железа в металлизованных материалах, представленных FeO (недовосстановленные оксиды исходного сырья) и Fe2O3 (продукты вторичного окисления губчатого железа). Без большой погрешности можно считать, что вторичное окисление незначительно и в металлизованных материалах кислород присутствует в виде закиси железа Fe0,947О.

Тогда для оценки содержания оксида железа и кислорода можно использовать формулы

При содержании Fеобщ 88 – 93% и степени металлизации 90 – 98% губчатое железо содержит 0,5 – 2,8% кислорода и 2,3 – 12% FeO. При плавлении металлизованных материалов окислы железа частично восстанавливаются углеродом, содержащимся в самих материалах и в жидком металле, частично переходят в шлак и удаляются вместе с ним.

Углерод

Губчатое железо в зависимости от способа восстановления может содержать различное количество углерода (см. таблицу 2.1). В процессах СЛ-РН, Крупп, ФИОР получают продукт с 0,2 – 0,7 % С. Несколько большее содержание обеспечивает способ Пурофер – в среднем 0,56 ± 0,27 % С. Восстановленный по способу Мидрекс продукт может содержать 0,8 – 2,2 % С, причем степень металлизации и содержание углерода в данном процессе можно регулировать в довольно широких пределах. Губчатое железо из установок ХиЛ характеризуется повышенным содержанием углерода – до 2,5 %, однако возможностей регулирования в широких пределах содержания углерода и металлизации здесь по сравнению с процессом Мидрекс меньше.

В процессах с газообразным восстановителем (Пурофер, Мидрекс) из газовой фазы на развитую поверхность губчатого железа осаждается «сажистый» (правильнее – нитевидный) углерод, взаимодействующий с железом с образованием Fe3C. Реакция карбидообразования обычно не успевает завершиться полностью и металлизованный продукт содержит некоторое количество углерода в виде сажи, располагающейся как в порах, так и на внешней поверхности.

С точки зрения применения металлизованных окатышей присутствие углерода на их внешней поверхности нежелательно, поскольку он осыпается при перегрузках и транспортировке конвейерами. Это ведет к снижению содержания углерода в собственно окатышах и пылеобразованию. Пыль, образующаяся при перегрузках, по данным анализа, может содержать до 10% С. Последнее, помимо ухудшения гигиенических условий в транспортных галереях и бункерных помещениях, может способствовать созданию в этих местах пожароопасности.

Фосфор

Поскольку фосфор при прямом восстановлении не удаляется, содержание его в металлизованных материалах определяется содержанием этого элемента в железорудном сырье. Снижению содержания этого элемента способствует глубокое обогащение руд, идущих для прямого восстановления. Отношение фосфора к железу в концентрате снижается по мере повышения содержания железа.

За исключением отдельных видов металлизованных окатышей, например фирмы ХИЛСА (Мексика), содержание фосфора в металлизованных материалах не превышает 0,030 % и обычно находится на уровне 0,010 – 0,020 %.

Сера

В качестве сырья при прямом восстановлении применяют большей частью обожженные неофлюсованные окатыши, из которых значительная часть серы удаляется при окислительном обжиге, поэтому основным источником серы является восстановитель.

В процессах с твердым восстановителем содержание серы в металлизованных материалах может быть получено высоким. В этом случае снижение содержания серы в продукте достигается добавками в шихту флюса (известняка, доломита).

При использовании газообразного восстановителя получается продукт с очень низким содержанием серы, вплоть до 0,003 %, так как часть ее удаляется за время восстановления в виде H2S и COS, а содержание серы в восстановительном газе низкое. В процессе ХиЛ степень десульфурации железной руды достигает 85 %, в процессе Пурофер – 70%.

Примеси цветных металлов

Железо прямого восстановления обычно содержит малое количество хрома, никеля, меди, свинца и др. ввиду чистоты железорудного сырья по указанным элементам. По этому показателю губчатое железо сравнимо с чугуном с тем отличием, что в последнем хром, например, присутствует в восстановленном виде и при последующей окислительной плавке стали удаление его до следов затруднительно из-за неблагоприятной кинетики процесса окисления. В металлизованных окатышах хром, титан, ванадий присутствуют в окисленной форме в составе окислов пустой породы. При окислительной плавке сравнительно легко создать условия, препятствующие их восстановлению из шлака, поэтому при использовании в шихте губчатого железа возможно получение металла с низким содержанием хрома, титана, а в случае необходимости и марганца.

Относительно низкое содержание примесей цветных металлов в железных рудах и частичное их удаление при окислительном обжиге окатышей, прямом восстановлении и плавке создают предпосылки для производства стали с низким и стабильным содержанием свинца, олова, цинка и других цветных металлов, недостижимым при использовании в шихте сталеплавильного агрегата привозного лома, часто загрязненного указанными примесями.

В таблице 6.2 приведены результаты исследования поведения примесей цветных металлов при окомковании и восстановлении железорудных концентратов, а также при плавке губчатого железа. В ходе исследования железорудные окатыши обжигали 15 мин на воздухе при 1250°С и подвергали металлизации в слое буроугольного кокса при 1000°С. Восстановленный продукт плавили в тиглях в печи сопротивления.

Установлено, что цинк удаляется в процессе металлизации (до 92 % от исходного содержания) и при плавке, т.е. в восстановительных условиях. При окислительном обжиге удаления цинка не обнаружено.

Испарение свинца при обжиге и восстановлении сравнительно невелико, основное количество его удаляется при плавке.

При низких содержаниях олова в концентратах этот элемент удаляется относительно плохо. То же самое можно сказать и о сурьме, которая при содержании в концентрате 0,004% почти целиком переходит в металл.

Приведенные результаты лабораторного исследования показывают, что сталь, полученная из продуктов прямого восстановления, в зависимости от применяемого железорудного сырья может содержать примеси цветных металлов в пределах 0,0001 – 0,0010% каждого. Практически в стали, выплавленной в электросталеплавильных печах с применением металлизованных окатышей, содержание хрома, никеля, меди составляет менее 0,01% каждого, а свинца, олова, мышьяка, цинка, сурьмы – менее 0,001% каждого.

Азот и водород

Низкие температуры восстановления и парциальное давление азота в восстановительных газах, незначительное содержание его в железорудном сырье предопределяют малое содержание этого элемента в металлизованных материалах газового восстановления, составляющее около 0,003%. Содержание водорода в продуктах восстановления может достигать 150 см3/100 г, включая водород адсорбированной на поверхности влаги. Однако содержание этого элемента в стали, выплавленной с применением окатышей, не выше, чем при плавке на ломе.