ООО «Научно-производственное внедренческое предприятие ТОРЭКС», Екатеринбург, Россия¹ ; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия²

И. С. Берсенев, руководитель научно-аналитического отдела¹, доцент², канд. техн. наук, эл. почта: i.bersenev@torex-npvp.ru

Университет науки и технологий МИСИС, Москва, Россия

А. М. Бижанов, ведущий эксперт, канд. техн. наук

ООО «Научно-производственное внедренческое предприятие ТОРЭКС», Екатеринбург, Россия

Э. Р. Сабиров, инженер

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия

Н. А. Спирин, заведующий кафедрой тепрофизики и информатики в металлургии, профессор, докт. техн. наук

Поверхность контакта твердой минеральной фазы и газа определяет поведение окатышей в металлургических процессах, которые определяются топохимическими реакциями окисления (при упрочняющем обжиге) и восстановления (в шахтных печах). Проведена оценка величины удельной поверхности порового пространства обожженных железорудных окатышей. В качестве исходных данных использованы результаты сканирования проб окатышей методами электронной микроскопии и компьютерной томографии, в качестве методологии — математическое моделирование. Для исследования использовали окатыши для металлизации (DR) и доменной печи (BF). Их отличия состоят в основности и содержании железа общего (DR: CaO:SiO₂ = 0,357, 67,2 Fe; BF: CaO:SiO₂ = 0,060, 64,0 Fe). Величина общей площади пор составила 8,47 и 8,81 см²/г для окатышей BF и DR соответственно. Эта величина примерно в 200 раз ниже удельной поверхности концентрата, из которого получены окатыши. Наиболее вероятная величина поры в железорудном окатыше, которая обусловлена термодинамическими условиями спекания, соответствует эквивалентному диаметру 70–90 мкм. Предложенная в работе методика и результаты могут быть использованы при комплексном исследовании структуры окатышей, и по мере накопления статистических данных позволит оценить взаимосвязь пористости с металлургическими свойствами: восстановимостью, прочностью, прочностью при восстановлении. Теоретический анализ и сопоставление характеристик проб показали, что с позиции особенности макроструктуры и величины удельной поверхности пор окатышей, разница между пробами обожженных окатышей DR и BF отсутствует. В этом случае поведение окатышей при температурно-восстановительной обработке в доменной печи или модуле металлизации будет определяться исключительно изменениями параметров микроструктуры — восстановлением оксидов железа с перестройкой кристаллической решетки, возникновением и релаксацией внутренних напряжений и др.

1. Петров С. П. Черная металлургия азиатской России во втором и третьем десятилетиях XXI века. — Новосибирск : Изд-во ИЭОПП СО РАН, 2023. — 240 с.
2. Usol’tsev D. Y., Bersenev I. S., Bardavelidze G. G. et al. On the formation of porosity in fluxed iron-ore pellets // Steel in Translation. 2022. Vol. 52. No. 10. P. 859–863.
3. Bersenev I. S., Bragin V. V., Gruzdev A. I. et al. Features of the iron ore pellets structure depending on the concentrate enrichment degree // Steel in Translation. 2023. Vol. 53. No. 4. P. 328–335.
4. Пузанов В. П., Кобелев В. А. Основы формирования функциональных свойств железорудных агломератов. — Екатеринбург : ИВЦ, 2015. — 352 с.
5. Малышева Т. Я., Долицкая О. А. Петрография и минералогия железорудного сырья : учебное пособие для вузов. — М. : МИСИС, 2004. — 424 с.
6. Bizhanov A., Pavlov A., Chadaeva O., Dalmia Y. et al. High temperature reduction of the stiff vacuum extrusion briquettes under the ITmk3 conditions // ISIJ International. 2014. Vol. 54. No. 6. P. 1450–1452.
7. Cavaliere P. et al. Hydrogen direct reduction and reoxidation behaviour of high-grade pellets // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 49, Iss. 10. P. 1235–1254.
8. Bersenev I. S., Bragin V. V., Evstyugin S. N. et al. Evolution of structure and metallurgical properties of iron ore pellets when fluxing with dolomite, JSC Mikhailovsky GOK Named after A. V. Varichev // Steel in Translation. 2020. Vol. 50. P. 788–794.
9. Геедерс М., Ченьо Р., Курунов И. и др. Современный доменный процесс. Введение. — М. : Металлургиздат, 2016. — 280 с.
10. Bersenev I. S., Pokolenko S. I., Sabirov E. R. et al. Influence of the iron ore pellets macrostructure on their strength // Steel in Translation. 2023. Vol. 53. No. 11. P. 1018–1022.
11. Bersenev I. S., Vokhmyakova I. S., Ozornin N. K. et al. Porosity of iron-ore pellets at different stages of roasting and reduction // Steel in Translation. 2023. Vol. 53. No. 12. P. 1137–1143.
12. Бруев В. П., Евстюгин С. Н., Кретов С. И. и др. Оптимизация состава и структуры окатышей — резерв повышения их металлургических свойств // Сталь. 2003. № 9. С. 5–7.
13. Козуб А. В., Панченко А. И., Эфендиев Н. Т. и др. Управление металлургическими свойствами железорудных окатышей как основа стратегии повышения эффективности доменного производства // Сталь. 2016. № 10. С. 4–8.
14. Ааро Л.-Э. Достижения группы LKAB в области черной металлургии // Черные металлы. 2015. № 12. С. 61–62.
15. Gruzdev A. I., Pokolenko A. Yu., Bragin V. V. et al. Monitor and control concept of metallurgical properties of iron ore pellets in existing process // Steel in Translation. 2022. Vol. 52. No. 8. P. 760–763.
16. Кретов С. И., Козуб А. В., Пигарев С. П. и др. Обжиговая машина нового поколения — инструмент клиентоориентированного производства окатышей // Сталь. 2017. № 12. С. 13–18.
17. Kashinath Barik, Pallishree Prusti, Shatrughan Soren, Meikap B. C. et al. Analysis of iron ore pellets properties concerning raw material mineralogy for effective utilization of mining waste // Powder Technology. 2022. Vol. 400. 117259.
18. Guojing Wong, Xiaohui Fan, Min Gan, Zhiyun Ji et al. Improvement on the thermal cracking performance of pellets prepared from ultrafine iron ore // Powder Technology. 2019. Vol. 342. P. 873–879.
19. Pallishree Prusti, Kashinath Barik, Nilima Dash, Biswal S. K. et al. Effect of limestone and dolomite flux on the quality of pellets using high LOI iron ore // Powder Technology. 2021. Vol. 379. P. 154–164.
20. Cavalcanti P. P., Tavares L. M. Statistical analysis of fracture characteristics of industrial iron ore pellets // Powder Technology. 2018. Vol. 325. P. 659–668.
21. Jiankang Wang, Pengnan Ma, Hanxiao Meng, Fangzheng Cheng et al. Investigation on the evolution characteristics of bed porous structure during iron ore sintering // Particuology. 2023. Vol. 74. P. 35–47.
22. Kunning Tang, Ying Da Wang, Yufu Niu, Tom A. Honeyands et al. Particle classification of iron ore sinter green bed mixtures by 3D X-ray microcomputed tomography and machine learning // Powder Technology. 2023. Vol. 415. P. 118–151.
23. Feng Zhang, Deqing Zhu, Jian Pan, Zhengqi Guo et al. Effect of basicity on the structure characteristics of chromium-nickel bearing iron ore pellets // Powder Technology. 2019. Vol. 342. P. 409–417.
24. Han Wei, Xiaojiu Tang, Yao Ge, Meng Li et al. Numerical and experimental studies of the effect of iron ore particle shape on repose angle and porosity of a heap // Powder Technology. 2019. Vol. 353. P. 526–534.
25. Bhuiyan I. U., Mouzon J., Forsmo S. P. E., Hedlund J. Quantitative image analysis of bubble cavities in iron ore green pellets // Powder Technology. 2011. Vol. 214, Iss. 3. P. 306–312.
26 Yufeng Guo, Kuo Liu, Feng Chen, Shuai Wang et al. Effect of basicity on the reduction swelling behavior and mechanism of limestone fluxed iron ore pellets // Powder Technology. 2021. Vol. 393. P. 291–300.
27. Rakesh Prasad, Kapil Gupta, Anand Poras, Sandeep Agarwal. Microstructure and phase analysis of indurated iron ore pellets // MaterialsToday: Proceedings. 2020. Vol. 26. Part 2. P. 2636–2642.
28. Horacio A. Petit, Avneer Philippe, Anderson D. Thomazini, Luís Marcelo Tavares. Modeling breakage by impact of fragments of fired iron ore pellets // Powder Technology. 2022. Vol. 398. 117059.
29. Tran Thi Thu Hien, Tran Ngoc Hung, Tran Trung Hai. Effect of binders on reduction degree of iron ore pellets // MaterialsToday: Proceedings. 2022. Vol. 66. Part 5. P. 2844–2848.
30. Raj Kumar Dishwar, Arup Kumar Mandal, O. P. Sinha. Studies on reduction behaviour of highly fluxed iron ore pellets for application in steelmaking // MaterialsToday: Proceedings. 2021. Vol. 46. Part 3. P. 1471–1475.

31. Cavaliere P., Sadeghi B., Dijon L., Laska A. et al. Three-dimensional characterization of porosity in iron ore pellets: A comprehensive study // Minerals Engineering. 2024. Vol. 213. 108746.
32. Груздев А. И., Берсенев И. С., Чернов М. С., Пигарев С. П. и др. Исследование структуры порового пространства железорудных окатышей с использованием компьютерной томографии // Сталь. 2024. № 11. С. 2–11.
33. Бижанов А. М. Модели оптимальной упаковки в задачах определения пористости окускованных продуктов // Металлург. 2024. № 8. С. 91–96.
34. Атанасян С. Л., Покровский В. Г. Геометрия 1 : учебное пособие для вузов. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. — 334 с.
35. Абзалов В. М., Горбачев В. А., Евстюгин С. Н. и др. Физико-химические и теплотехнические основы производства железорудных окатышей. — Екатеринбург : «НПВП ТОРЭКС», 2015. — 333 с.
36. Майзель Г. М., Клейн В. И., Абзалов В. М. и др. Определение структурных характеристик исходных окатышей // Известия вузов. Черная металлургия. 1980. № 11. С. 29–33.
37. Абрамов С. Д., Алексеев Л. Ф., Кудинов Д. З. и др. Макрокинетика восстановления железорудных материалов газами. Математическое описание. — М. : Наука, 1982. — 104 с.
38. Bersenev I. S., Sabirov E. R., Ishimbaev A. V., Matyukhin V. I. Study of the porosity of burnt pellets using the capillary-porous solids model // Steel in Translation. 2024. Vol. 54. No. 4. P. 311–315.