ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОЙ СТАЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕСТНЫХ ФЕРРОСПЛАВОВ И ТИТАНОМАГНЕТИТОВЫХ РУД УЗБЕКИСТАНА

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрены процессы получения качественной стали с использованием ферросплавов, горячебрикетированного железа (ГБЖ) и местных железорудных ресурсов. Проведен комплекс исследований, направленных на определение оптимальных термодинамических условий раскисления стали. марганцем, кремнием и алюминием, а также оценка растворимости водорода в железе и сплавах системы Fe–C. Показано, что рациональный выбор ферросплавов и применение ГБЖ позволяют снизить содержание неметаллических включений, улучшить чистоту стали и уменьшить раскислительные потери. Особое внимание уделено использованию титаномагнетитовых руд как перспективного сырья для металлургического производства. Рассмотрены технологические схемы переработки и пути повышения энергоэффективности плавильных агрегатов.

ABSTRACT

The paper considers the processes of producing high-quality steel using ferroalloys, hot briquetted iron (HBI), and local iron ore resources. A comprehensive study was carried out to determine the optimal thermodynamic conditions for steel deoxidation by manganese, silicon, and aluminum, as well as to evaluate the solubility of hydrogen in iron and Fe–C alloys. It was shown that a rational selection of ferroalloys and the use of HBI make it possible to reduce the content of non-metallic inclusions, improve steel purity, and decrease deoxidation losses. Special attention is given to the use of titanomagnetite ores as promising raw materials for metallurgical production. It has been established that the involvement of this type of ore contributes to the expansion of the raw material base, reduction of steel production costs, and improvement of metallurgical process sustainability. Technological processing schemes and methods for increasing the energy efficiency of smelting units are also discussed.

Ключевые слова: сталь, ферросплавы, горячебрикетированное железо, титаномагнетит, раскисление, марганец, кремний, алюминий, водород, качество.

Keywords: steel, ferroalloys, hot briquetted iron, titanomagnetite, deoxidation, manganese, silicon, aluminum, hydrogen, quality.

ВВЕДЕНИЕ. Металлургическая промышленность играет ключевую роль в экономике Узбекистана, обеспечивая потребности машиностроения, строительного комплекса, транспортной отрасли и энергетики. Развитие сталеплавильного производства является одним из стратегических направлений промышленной политики страны.

В последние годы АО «Узметкомбинат» внедрило современные сталеплавильные агрегаты, включая дуговые печи, установки «печь-ковш» и вакуумирование стали. Освоено производство ферросилиция, что позволило снизить импортозависимость. Однако значительные объёмы металлического лома и горячебрикетированного железа продолжают импортироваться, что обуславливает необходимость поиска местных ресурсов.

Проблема повышения качества стали тесно связана с совершенствованием процессов раскисления и удаления газов. Качество конечного металла во многом определяется количеством неметаллических включений и растворённых газов, таких как водород и азот. Поэтому актуально проведение исследований по повышению эффективности ферросплавов и комплексных раскислителей, а также по использованию титаномагнетитовых руд месторождений Узбекистана.

Статья посвящается исследованию процессов получения качественной стали с использованием ферросплавов местного производства весьма актуальна.

МЕТОДЫ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ.  После окислительного периода выплавки стали в ванне остается большое количесетво кислорода.  Можно сказать, что его концентрация близка к насышенному состоянию. Если не удалить этот кислород, то в слитке образуются  флокулы,  рытвины и трещины которые в ходе прокатки приводят к разрыву листа. Кислород в ванне, в основном, находится в виде оксида железа – FeO. Естественно, для удаления кислорода оксид железа надо восстановить до металлического состояния.  

Единственным методом, удаления кислорода вюстита из ванны является его восстановление ферросплавами. Данный метод применяется во всем мире.

В этом случае могут быть использованы ферросплавы по общей реакции:

FeO + Me’ = Fe + Me’O

В качестве ферросплавов могут быть использованы ферросилиций, ферротитан и многие другие. Именно по этой причине в АО «Узметкомбинат» построен цех по производству ферросилиция.

Цель статьи исследование технологических параметров получения качественной стали с использованием в качестве раскислителей ферросплавов. При этом необходимо было учесть, что в качестве шихтовых материалов, наряду с металлическим ломом, использовали горячее – брикетированные железо (ГБЖ), что вносит существенным коррективы в технологию, выплавки стали.

Объектом исследований были выбраны те же шихтовые материалы, которые используются для выплавки стали в АО «Узметкомбинат». В дополнение использовали ГБЖ и ферросплавы местного производства.

Предметом исследования было изучение процессов выплавки стали в дуговых сталеплавильных печах с использованием местных ферросплавов.

Гарантированными качественным характеристикам ГБЖ является суммарное содержание железа, которое составляет не менее 9 % и металлизация, которая составляет на 92 %. Содержание железа металлического в ГБЖ не менее 83 %.

ГБЖ – экологически чистый, нетоксичный, взрывобезопасный товар, с высокой неопытной плотностью, который существенно упрощает и хранения, погрузочно-разгрузочные работы и транспортировку всеми видами транспорта.

В качестве альтернативного варианта объекта исследований также были использованы титано–магнетитные железные руды месторождения Тебинбулак.

Основной рудный минерал – титаномагнетит, состоящий из магнетита с тонкими пластинчатыми сростками ильменита. Присутствует также гематит. Следует отметить, что около 5 % железа находится в не извлекаемой алюмосиликатной форме.

Обогащение проводили методом магнитной сепарации со слабым электрическим полем. Выход концентрата составил 14,6 %. Именно этот концентрат и был принят за основу при проведении исследований.

В качестве восстановителя мы использовали российский каменноугольный кокс, полученный в ОАО «Узметкомбинат».

Влажность готового коса не превышает 5 %. Зольность кокса оказывает весящие на выход доменного шлака и прочность кокса. Считается, что каждый 1% увеличения зольности приводит к снижению производительности доменных печей на 1–2 % и повышению удельного расхода кокса на 1,5–2,0 %.

При коксовании приблизительностью половина серы, входящей в угле в составе пирита, уходит с коксовым газом главным образом в составе сероводорода. Сульфатная сера переходит частично в троилит (Fe_xS). Часть сульфидной серы вымывается водой при тушении готового кокса. В среднем содержание серы в коксе на 18 – 20 % меньше, чем в угольной шихте.

Исследования минералогического состава кокса позволило установимость, что 17,9 – 22 % серы кокса входит в состав сульфидов, 1,6 – 7,3 % состав сульфатов, 7,3 – 76,7 % - в структуру собственно угольного вещества («органической» серы).

Одной из наиболее важных характеристик кокса является также содержание в нем 83 – 88 % нелетучих углерода.

Реакционная способность кокса определяется величиной константы скорости его взаимодействия с диоксидом углерода при 1100 ⁰С. Пористость кокса 45 – 55 %, насыпная масса 450 кг/м³.

Учитывая современное состояние лаборатории кафедры «Металлургия» ТашГТУ мы выбрали достаточно простую методику весового метода.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.  Согласно этой методики, в каждой серии экспериментов по 10 окатышей из тонкоизмельченных магнетитовых концентратов и порошка кокса. Масса исходного концентрата составляет 10 гр. К ней добавляли различные количества коксового порошка (от 0 – до 3 грамм).

Окатыши имели размер 9 – 10 мм в диаметре. Они высушивались в сушильном шкафу при температуре 120 – 180 0С, в течении 6 – 8 часов. После сушки окатыши обжигали в муфельной печи при различных температурах и времени выдержки. О результатах эксперимента судили по следующей методике.

Основная реакция процесса.

Fe₃O₄ + 4C = 3Fe + 4CO

Принимая массу исходного концентрата – 10 гр. При 100 % протекающих процесса восстановления вес оставшейся массы составляет

х = 10*168/232 = 7,2 гр.

Убыль веса 10 – 7,2 = 2,8 грамм соответствует 100 % восстановлению.

В окислительный период технологического процесса получения стали жидкая ванна насыщается кислородом за счет взаимодействия растворенного кислорода с применяемой по общей реакции: 

FeO + Me` = Fe + Me`O

Часть примесей ошлаковывания и выводятся из ванны. После протекания этой реакции в расплаве остается достаточно большое количество кислорода в виде оксида железа. Этот кислород необходимо удалить, т.к. они образуют флокулы. При обработке металлов давлением по этим флокулам происходит разрыв листа. Зависимость концентрации кислорода от содержания углерода в ванне представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Зависимость концентрации кислорода в ванне от содержания углерода в расплаве

Прежде чем проводить непосредственно экспериментальных исследования мы рассчитывали значения изобарно-изотермических потенциалов для реакций раскисления марганцем, кремнием и алюминием, т.к. эти элементы являются доступными для условий ОАО «Узметкомбинат». Значения энергий Гиббса для этих реакций при 1600 ⁰С приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Зависимость равновесия реакций раскисления и их изобарно-изотермического компонента при 1600 ⁰С

Учитывая это обстоятельство, в своих исследованиях мы также исследовали процессы раскисления именно этими элементами. Результаты исследований представлены на рис. 2.

Элемент раскислитель, %

Рисунок 2. Раскисляющая способность элементов при 1600 ⁰С

Из рис. 2. видно, что наиболее глубокое раскисление возможно привязать только с помощью алюминия. Даже при больших расходах раскисления, при раскисления марганцем не возможно снижение остаточного содержания кислорода ниже 0,31 %, а при раскисление кремнием – 0,0075 %. Нами были проведены исследования по раскисляющей способности кремния в присутствии 20 % марганца. Далее исследовали определение растворимости водорода в железе и его сплавах. С ростом температуры растворимости водорода резко уменьшается. Исходя из этих данных следует важный практический вывод в том, что для снижения брака металла, по водороду выплавки стали необходимо проводить при максимально возможных высоких температурах.

Результаты наших исследований представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Влияние времени выделением стали на содержание в нем сорбционное влаги

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. На кафедре «Металлургия» ТашГТУ проведены опыты по пирометаллургической переработки исходной руды. Предварительно были определены их восстановимость твердыми и газообразными восстановителями, а также температура начала размягчения.

Данная статья является исследованием технологических параметров получения качественной стали с использованием в качестве раскислителей – ферросплавы. В качестве шихтовых материалов, наряду с металлическим ломом, использовали горячее брикетированное железо, что вносит существенные коррективы в технологию, выплавки стали.

Список литературы:

1. Арибжонова Д.Е., Бекназарова Г.Б. Инновационная технология выплавки стали с использованием местных сырьевых материалов. – Ташкент: ТашГТУ, 2022. – 140 с.
2. Khojiyev Sh.T., Aribdjonova D.E., Yusupkhodjayev A.A., Beknazarova G.B. Depletion of Slag from Almalyk Copper Plant with Aluminium Containing Waste // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering. – 2019. – December.
3. Saodat Mirzajonova, Matluba Muratova, Ulugkhoja Rakhmatov, Nargiza Lutfullayeva, Gulnoza Beknazarova, Zaynobiddin Matkarimov,  Sokhibjon Matkarimov. Iron Recovery Technology from Copper Processing Plants. Advances in Science and Technology (Volume 141) Pages: 103-109, March 2024       https://doi.org/10.4028/p-kezXI8
4. Saodat Mirzajanova, Malika Saidova, Gulnoza Beknazarova, Farrukh Tukhtamurodov, and Hikmatulla Choriyev. Extraction of copper from copper processing plant waste by leaching. E3S Web of Conferences 525, 02020 (2024) GEOTECH-2024.   https://doi.org/10.1051/e3sconf/202452502020
5. Бекназарова Г.Б., Саидова М.С., Султонов Х.Ш., Исмоилова У.Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИТАНОМАГНЕТИТОВЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЯ ТЕБИНБУЛАК. Universum: технические науки: электрон. научн. журн. Выпуск: 6(135), Июнь 2025, Часть 2. URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/20354