» » Физические свойства прямого восстановления
04.02.2015

Стальной лом и металлизованные материалы различаются в основном по следующим физическим свойствам: размеру кусков, кажущейся плотности, удельной поверхности (табл. 6). 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.
Физические свойства прямого восстановления

Максимальный размер кусков определяется, исходя из способа загрузки материалов в печь и допустимой крупности исходного сырья для агрегатов прямого восстановления.
В качестве примера в табл. 7 приведен фракционный состав металлизованных окатышей, использованных при проведении опытных плавок на заводе в Рейнозе (Испания) (окатыши прошли сортировку у поставщика). Максимум распределения приходится на фракции 8-15 мм, составляющие 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.
Физические свойства прямого восстановления

Насыпная масса и кажущаяся плотность. Насыпная масса окатышей изменяется в сравнительно узких пределах (см. табл. 6) 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 (рис. 4). 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. Кажущаяся плотность металлизованных окатышей несколько меньше, чем метал-лизованной руды, поскольку последняя в невосстановленном состоянии имеет меньшую пористость.
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.
Физические свойства прямого восстановления

Плотность металлизованных материалов, в особенности окатышей, в поверхностных слоях несколько выше, чем в центре. Такое различие в плотности может вызываться рядом причин: уплотнением поверхностных слоев при окатывании в грануляторах, при обжиге окатышей, вследствие более высокого нагрева поверхности, уплотнением при движении шихты через агрегаты восстановления.
Поверхность. Характерным для губчатого железа является очень большая удельная поверхность, включающая внешнюю поверхность кусков и внутреннюю поверхность открытых пор (последняя превышает первую на несколько порядков).
Размер пор, площадь их поверхности и объем в различных сортах губчатого железа изучались Венцелем в связи с исследованием высокотемпературного окисления губки. 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, т.е. в 10в3-10в5 раз меньше, что существенно сказывается в различии скоростей окисления губчатого железа и лома.
Большая величина внутренней поверхности железа прямого восстановления объясняется высокой пористостью и очень малым размером пор, возникающих в результате изменения кристаллографической структуры при превращении окислов в металлическое железо. В металлизованных окатышах изредка встречаются "макро-поры" размером до 0,5 мм, представляющие нарушения сплошности, возникающие иногда в процессе изготовления и восстановления окатышей, однако они практически не сказываются на величине удельной поверхности.
Физические свойства прямого восстановления

На рис. 5 приведены кумулятивные кривые распределения размеров микропор по занимаемому ими объему для различных сортов железа прямого восстановления. Размер микропор изменяется в основном в пределах 0,1-6 мкм, причем в среднем более 90 % объема приходится на поры размером более 1 мкм. Удельная поверхность последних составляет примерно 0,1 м2/г, а вклад в общую удельную поверхность 30-50% (рис. 6).
Нагрев губчатого железа сопровождается уменьшением объема и особенно поверхности пор (рис. 7). Резкое падение указанных показателей отмечается в области температур выше 1000°C, которым соответствует время нагрева более 20 мин. Удельная поверхность образцов снижается с 3 до примерно 0,7 м2/г, т.е. более чем в 4 раза. Уменьшение поверхности происходит за счет исчезновения мелких пор с радиусом менее 1 мкм, занимавших в образце до нагрева более 95 % объема (см. рис. 5, сорт М).
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 электропечи с образованием относительно небольшого количества мелочи.
Физические свойства прямого восстановления

Теплопроводность. Для отдельных окатышей и кусков губчатого железа коэффициент теплопроводности λОК = 2,3/9,3 Вт/ (м*К), для слоя = 0,35/1,05 Вт/ (м*K). Можно указать для сравнения, что 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 логрузке стального лома хорошего качества.