Как известно, традиционная металлургия железа и стали базируется на двустадийном процессе: восстановительной плавке на первой и окислительной плавке - на второй [1]. Несмотря на противоположный характер двух стадий реализации процесса, сквозным извлекаемым металлопродуктом остается железо. Только изменяется содержание в нем того или иного элемента. Уникальность металлического железа заключается как раз в том, что оно хорошо растворяет большое число легирующих металлических элементов и одновременно углерод. В зависимости от концентрации того или иного элемента кардинально изменяются физико- механические свойства металла. На первой стадии существующей технологии восстановительная плавка приводит к неизбежному науглероживанию железа, образованию чугуна или науглероженного полупродукта [2-4]. Поскольку конечной целью металлургии железа и стали в общем является получение конструкционного материала - стали, выдвигается первостепенное требование к науглероживанным полупродуктам - выжигание растворенного в них углерода, которое осуществляется по технологии окислительной плавки.

Следует обратить внимание на то, что как в первом, так и во втором переделе на качество выплавляемого металла существенно влияет исходный состав железорудного сырья. Такие вредные примеси, как сера и фосфор удаляются или приводятся до допустимого предела предварительной обработкой сырья. Что касается полезных примесей, то кроме основного компонента - оксида железа в ряде железорудного сырья содержатся и оксиды таких полезных металлов как марганец, ванадий и др. На первой стадии передела эти металлы тоже восстанавливаются и растворяются в железе (чугуне). К сожалению, на второй стадии передела все эти полезные элементы как марганец, кремний, ванадий полностью окисляются, переходят в состав шлака и, как показывает опыт работы металлургических заводов, чаще всего выбрасываются в отвалы. Вместе со шлаком теряются не только ценные легирующие металлы, но и тепловые затраты на их эндотермические реакции восстановления в доменной печи (или в первом переделе). Вовлечение их во вторичное производство представляет собой проблему разработки новых технологий [5,6]. Отрицательный эффект двустадийного процесса этим не ограничивается. Именно двустадийность процесса породила известную проблему неизбежного растворения кислорода в стали и, поэтому раскисления стали. Накопление огромных масс отвальных шлаков, шламов с развитием масштабов производства металла по традиционной технологии вызывает не только мировую экологическую тревогу, но вместе с тем и проблемы новых энерго- и материалозатратных технологий их переработки. Эта проблема обращает теперь внимание не только ученых, но и руководителей промышленно развитых стран с позиции рассматрения ее не столько как следствие, сколько принципа организации новых технологий производства металлов вообще. Именно с этой позиции впервые были выдвинуты теоретические положения об организации восстановительно-плавильного процесса производства стали [7]. Идеология технологии состоит в исключении окислительной плавки из комплекса, которая могла бы быть реализована при условии преодоления процесса науглероживания металла при восстановительной плавке. Сохраняя достигнутое за многовековую историю металлургии совершенство тепло- массообмена восстановительно-плавильного процесса, сегодня назрела необходимость принципиального пересмотра его механизма. Известный адсорбционно- автокаталитический механизм (ААМ) не отражает действительный физический характер взаимодействия оксидов металлов с твердыми и газообразными восстановительными реагентами. Альтернативный диссоциационно - адсорбционный механизм (ДАМ) является более гибким и основанным на феноменологических явлениях природы веществ и их химических соединений [8]. Руководство этим принципом открывает путь к эффективный переработке комплексного железорудного сырья и получению природнолегированной стали. Именно по этому принципу выполнены экспериментальные исследования по восстановительной плавке марганецсодержащего железорудного сырья.

Для экспериментальных исследований использовали марганецсодержащие железорудные концентраты

Таблица 1. Состав марганецсодержащего железорудного концентрата

Использование твердого углерода, как восстановительного реагента согласно с диссоциационно-адсорбционной теорией [9], позволяет регулировать его взаимодействие с оксидами металлов. Наряду с оксидами железа в железорудном концентрате чаще встречаются такие оксиды как MnO, V2O5, Cr2O3. Взаимодействие твердого углерода с этими оксидами происходит в порядке снижения упругостей диссоциации не только по роду оксидов, но и по фазам оксидов того или иного металла.

MnO2  Mn2O3  Mn3O4  MnO  Mn

V O  V O  V O  Vo  V 

(1)

2 5 2 3 3 4 

Cr O  Cr O  CrO  Cr 

2 3 3 4 

При 1000-1100 ?С практически завершается восстановление железа и металлизация концентрата. Восстановление марганца, ванадия, хрома из их прочных оксидов начинается при более высокой температуре только после восстановления железа. Если в составе концентрата остается еще определенное количество углерода, то далее при температуре 1100 ?С и выше начинается последовательное восстановление химически более прочных оксидов

MnO+C=Mn+CO (2)

V2O5+C=V2O3+2CO (3)

V2O3+3C=2V+3CO (4)

Cr2O3+3C=2Cr+3CO (5)

Накопление металлической основы железа к началу восстановления Mn, Cr, V способствует ускорению течения реакций (2)-(5). Металлическое железо является растворителем полезных примесных металлов. Положительный тепловой эффект растворения этих металлов в железе смещает равновесие реакции (2), (4), (5) вправо, т.е. в сторону образования металла. Вместе с тем определенная часть избытка углерода может быть израсходована и на науглероживание железа

3Feмет+C=Fe3C (6)

Образующийся карбид железа обладает более высоким восстановительным потенциалом, чем свободный углерод. Именно поэтому карбид железа или растворенный углерод взаимодействуя, например с оксидом марганца по реакции

MnO+Fe3C=[Mn](Fe)+3Fe+CO (7)

сразу предоставляет ему готовый растворитель - металлическое железо.

Отсюда следует, что ввод в состав комплексного железорудного концентрата стехиометрического количества углерода-реагента на восстановление железа и сопутствующих металлов из их оксидов позволяет получать металлизованный продукт, содержащий, металлическое железо - растворитель и потенциальные концентрации легирующих металлов на восстановление которых предусматривается еще необходимое количество углерода.

Шихта для получения металлизованного продукта состояла из концентратов, приведенных в таблице 1, стехиометрического количества древесного угля и извести, количество которого было рассчитано на основность 1,1. Полученные шихтовые материалы после тщательного перемешивания загружали в герметическую ячейку. Ячейку с шихтой в трубчатой электропечи СУОЛ-044 12-М2 нагревании со скоростью 60-80 ?С/мин. При 650 ?С наблюдали начало выделения газа, состоящего из СО2 и СО, что означало начало восстановления высших оксидов железа твердым углеродом. По мере повышения температуры возрастала скорость выделения газа, которая достигла максимума при 1000 ?С. Далее температуру в пределах 1000-1050 ?С выдерживали в течении 50-60 мин. С течением времени скорость выделения газа снижалась и к концу выдержки времени практически падала до нуля, что означало о завершении восстановления железа. Что касается марганца, то он при этой температуре мог восстановиться только частично.

Образцы металлизованных продуктов извлекали из ячейки после полного охлаждения, и далее последовательно плавили в алундовых стаканах на печи Таммана. Анализы выплавленных образцов металла показали содержание углерода и марганца в пределах [C]=0,90-1,02% и 0,48? 0,60% соответственно, т.е. были получены образцы природнолегированных марганцем углеродистой стали. Полученные результаты дают основание рассматривать понятие "природнолегирование" в более широком смысле, чем получение металла сложного состава из одного исходного ископаемого сырья. В технологическом плане важно то, что в подготовленном к металлургической переработке шихте содержатся исходные минералы того или иного легирующего металла, независимо от того, содержались они в ископаемом сырье или введены как компоненты шихты. Например, к железорудному концентрату могут быть добавлены небольшие порции промышленных отходов, содержащих оксиды полезных металлов. Такой подход позволяет не только полезно использовать промышленные отходы, но и регулировать состав шихты для получения заданного состава природнолегированной стали. Организация работ в этом направлении соответствует разработке новых технологических процессов по переработке уже накопленных промышленных отходов, например, отходов от обогащения марганцевых и хромитовых руд мелкой фракции. В частности были подготовлены образцы отходов хромитовой руды с содержанием Cr=33,5%, в которые были введены стехнолитрическое количество древесного угля на восстановление хрома и железа. Образцы были перемешаны и измельчены до фракции <1,0 мм. Углеродсодержащие смеси железорудного и хромитового концентратов в количественном соотношении 170,0 и 8,0 гр. соответственно смешивали и загружали в реакционную ячейку. После полной металлизации и охлаждения ячейки, металлизованный продукт перегружали в алундовый стакан. Плавку металлизованных образцов проводили на печи Таммана, защищая поверхность стакана от атмосферы продувкой аргоном. С хромитовой добавкой были выплавлены два образца металла. Результаты химических анализов выплавленных образцов металла из марганецсодержащих и марганец-хромсодержащих металлизованных продуктов представлены в табл. 2.

Таблица 2. Химические составы выплавленных образцов металла

Все полученные образцы металлов по химическому составу относятся к углеродистым сталям. Содержание углерода в сталях зависело от количества вводимого в состав шихты древесного угля и степени его использования оксидами металлов при восстановительном обжиге и плавке. Углерод расходуется на восстановление железа из его оксидов и при более высоких температурах на восстановление марганца и хрома. Поэтому остаточное содержание углерода в металле определяется в основном режимами восстановления железа, марганца и хрома. Эта зависимость наблюдается и в составах выплавленных металлов. Из результатов анализа представленных в таблице 2, видна прямая зависимость снижения содержания серы и фосфора от заданных в шихте основности. При основности шихты В=1,1 и 1,2 получены стали кондиционного состава по содержанию серы и фосфора, что имеет важное значение для организации технологии процесса при промышленном производстве стали.

Экспериментально полученные образцы металлов представляют собой углеродистые природнолегированные стали и получены они, во-первых, благадаря исключению или ограничению науглероживания металла в восстановительно-плавильном процессе. Во-вторых, регулирование расхода углерода на восстановление разнородных металлов имеет сложный характер и возможно на основе диссоциационно-адсорбционного механизма, который учитывает прочностные характеристики оксидов металлов и последовательность их фазовых превращений. Руководство механизмом позволяет не только регулировать концентрацию углерода, но и легирующих металлов в стали. Кстати, масса введенного в состав шихты углеродсодержащей хромитовой добавки была заранее рассчитана на содержание хрома в стали на уровне 1,5-1,8%. Как видно, полученный экспериментальный результат подтвердил ожидаемую по расчету концентрацию хрома в металле. Аналогичным путем могут быть введены в состав стали и другие легирующие металлы. При этом закономерность их ввода и регулирования концентрации в выплавляемом металле подчиняется установленному диссоциационно-адсорбционному механизму. Из последовательности организации подготовки шихты и ее восстановительной плавки можно наблюдать очевидность сокращения значительной части издержек производственных процессов, что позволяет существенно повысит его экономическую эффективность.

Восстановительная плавка природнолегированной стали открывает новое направление в технологии металлургии железа и стали. Понятие "природнолегированная сталь" отличается от легированной стали исключением или ограничением прямого ввода в расплав стали готовых ферросплавов, взамен чего в состав углеродсодержащей шихты вводятся минеральные компоненты, содержащие оксиды легирующих металлов.

Восстановительная плавка природнолегированной стали приобретает возможность реализации при условии исключения или ограничения процесса науглероживания металла, что непосредственно связано с диссоциационно-адсорбционным механизмом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. М.: ИКЦ „Академкнига“,2002. – 768 с.
2. Товаровский И.Г. Совершенствование и оптимизация параметров доменного процесса. – Москва: Металлургия, 1987. -192с.
3. Юсфин Ю.С., Даньшинь В.В. Теория металлизации железорудного сырья. М.: Металлургия, 1982.- 256 с.
4. Тлеугабулов С.М., Носов КГ., Урюпин С.Д., Шидловский А.А. Управление npoцессом смешанного восстановления железа в шахте доменной печи. Алмarы: Гылым, 1992.- 185 с.
5. Тлеугабулов С.М., Киекбаев Е.Е. Прямое легирование стали марганцем и хромом, редуцированных из смесей концентратов оптимальным количеством углеродистого восстановителя. // Труды международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии». Темиртау, Карагандинский государственный индустриальный университет, 11-12 октября, 2007.
6. Нурумгалиев А.Х., Киекбаев Е.Е. Исследование совместной редукции марганца и хрома из комплексной смеси мелкодисперсных материалов. // Республиканский научный журнал «Технология производства металлов и вторичных материалов», Темиртау, Карагандинский государственный индустриальный университет, №2 (12) сентябрь, 2007.
7. Тлеугабулов С.М. Теоретические положения прямого производства стали восстановительной плавкой//Сталь.2003.№8.- с.18-21.
8. Тлеугабулов С.М. Диссоциационно-адсорбционный механизм и кинетика восстановления железа углеродом // «Сталь», 1991. №1.-С. 57-59.
9. Тлеугабулов С.М. Теория и технология твердофазного восстановления железа углеродом. – Алматы: Гылым, 1991. - 312с.