Физические свойства железа прямого восстановления

Стальной лом и металлизованные материалы различаются в основном по следующим физическим свойствам: размеру кусков, кажущейся плотности, удельной поверхности (таблица 6.3). Производными от этих свойств являются различия в теплопроводности, прочности. Для характеристики железа прямого восстановления важное значение имеет такой показатель, как скорость окисления при нормальных и повышенных температурах, не являющаяся чисто физическим свойством, но в значительной мере зависящая от последних.

Размер кусков

Величина кусков металлизованных окатышей или руды, используемых при выплавке стали, лежит обычно в пределах 3 – 20 мм. Нижний предел ограничивается из соображений уменьшения выноса пыли при непрерывной загрузке, а также повышенного окисления при плавлении.

Максимальный размер кусков определяется, исходя из способа загрузки материалов в печь и допустимой крупности исходного сырья для агрегатов прямого восстановления.

При использовании металлизованных окатышей доля фракции 8 – 15 мм обычно составляет 86 – 93%. Некоторые сорта руд и окатышей склонны к растрескиванию при восстановлении, поэтому количество мелких фракций (3 – 8 мм) может возрастать до 30%, однако такой случай нельзя считать типичным.

Насыпная масса и кажущаяся плотность. Насыпная масса окатышей изменяется в сравнительно узких пределах (см. таблицу 6.3) и превышает характерный для амортизационного лома хорошего качества показатель 1,2 – 1,5 т/м³. Поэтому эффективность использования емкости бункеров и закромов в случае использования окатышей выше, чем лома. Наиболее высокой насыпной массой обладают брикеты из металлизованных материалов.

Кажущаяся плотность губчатого железа (отношение массы частицы к ее объему, ограниченному внешней поверхностью) зависит от истинной (пикнометрической) плотности материала, изменяющейся в пределах 6,8 – 7,4 г/см³, и пористости (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Зависимость между кажущейся плотностью и пористостью металлизованных материалов: 1 – брикеты; 2 – руда; 3 – окатыши

Высокое значение пористости у металлизованных материалов (45 – 70%) обусловлено пористостью исходных железорудных материалов (у окатышей может доходить до 30 %) и уменьшением объема окислов в результате восстановления.

Значение кажущейся плотности сказывается при плавлении металлизованных окатышей с непрерывной загрузкой в жидкую ванну. Частицы материала с плотностью, более высокой, чем плотность жидкого шлака (2,8 – 3,3 г/см³), плавятся быстрее, чем с меньшей, поскольку они погружаются на границу раздела шлак – металл, где теплопередача по сравнению со шлаком выше.

Поверхность

Характерной особенностью губчатого железа является очень большая удельная поверхность, включающая внешнюю поверхность кусков и внутреннюю поверхность открытых пор (последняя превышает первую на несколько порядков).

Удельная поверхность металлизованных материалов составляет 0,2 – 1,0 м²/г, в отдельных случаях достигая 3 м²/г. Для стального лома указанная величина имеет значения 1,5 – 300 м2/т, что существенно сказывается в различии скоростей окисления губчатого железа и лома.

Большая величина удельной поверхности железа прямого восстановления объясняется высокой пористостью и очень малым размером пор, возникающих в результате изменения кристаллографической структуры при превращении окислов в металлическое железо. Размер микропор изменяется в основном в пределах 0,1 – 6 мкм, причем в среднем более 90 % объема приходится на поры размером более 1 мкм.

Прочность

Прочность металлизованных окатышей на раздавливание зависит от свойств обожженных окатышей (прочности, состава) и температуры восстановления. Для неофлюсованных окатышей она находится в пределах 490-1470 Н/окатыш. Указанный минимальный уровень прочности обеспечивает транспортировку, складирование и загрузку окатышей в сталеплавильные агрегаты с образованием относительно небольшого количества мелочи.

Теплопроводность

Для отдельных окатышей и кусков губчатого железа коэффициент теплопроводности = 2,3 – 9,3 Вт/(м•К), для слоя = 0,35 – 1,05 Вт/(м•К). Теплопроводность компактного железа составляет 29 – 70 Вт/(м•К), а легковесной шихты (лист, проволока, стружка) 0,87 – 2,3 Вт/(м•К), т.е. последняя имеет один порядок с шихтой из губчатого железа. Низкой теплопроводностью в сочетании с большой удельной поверхностью и химической активностью восстановленного железа определяют его повышенную склонность к окислению. Температура начала интенсивного окисления в зависимости от способа и температуры восстановления находится в пределах 170 – 300°С. При указанных температурах поступление тепла от окисления превышает скорость отвода его теплопроводностью.

Другие свойства

Величина угла естественного откоса окатышей составляет 34 – 40°, для мелочи этот показатель несколько выше. Губчатое железо со степенью металлизации более 80 % и содержанием пустой породы менее 12 % обладает достаточной электропроводностью для зажигания на нем дуги в электропечи без принятия специальных мер.

Продукты прямого восстановления магнитны. При погрузке электромагнитом металлизованных окатышей достигается не меньшая производительность, чем при погрузке стального лома хорошего качества.