Направление: Новые материалы, нанотехнологии и микроэлектроника
Изучение влияния «размерного эффекта» на эксплуатационные характеристики рудного концентрата
Как размер частиц железорудного концентрата определяет качество будущей стали – исследовательский проект на реальном сырье трёх месторождений «Северстали».
Сталь начинается с шарика
Сталь остается важным конструкционным материалом мировой экономики: ежегодное ее потребление составляет около 1,75 миллиарда тонн в год. Но прежде чем руда станет металлом, её нужно подготовить к плавке. Мелкий рудный порошок нельзя просто засыпать в доменную печь – он сплавится в один непроходимый для газов блин. Поэтому концентрат сначала скатывают в прочные шарики диаметром около сантиметра – окатыши.
  • Руда
    обогащение
  • Концентрат
    окомкование
  • Окатыши
    плавка
  • Чугун

  • Сталь

Исследование направлено на изучение влияния изменения размера частиц рудного концентрата на его эксплуатационные характеристики, что может помочь оптимизировать процессы переработки и улучшить качество конечного продукта.
Главные активы «Северстали»
«Северсталь» передала нам образцы с трёх сырьевых активов. Руда и концентраты заметно разные – даже на глаз.
Яковлевская руда
Яковлево,
 Белгородская обл.
Оленегорский концентрат
Оленегорск,
Мурманская обл.
Костомукшский концентрат
Костомукша,
Респ. Карелия
Шаг 1. Определение содержания железа
Первый вопрос к любому железорудному сырью: сколько в нём железа? Мы определили это дихроматометрией – окислительно-восстановительным титрованием, которым пользуются заводские лаборатории. Пробы растворяли в соляной кислоте, железо(III) восстанавливали гранулированным цинком, а затем титровали раствором дихромата калия с индикатором дифениламином.
Итог: все четыре пробы содержат 60–70% железа и подходят для производства окатышей.
Learn more
Шаг 2. Исследование морфологии частиц
Далее мы сканировали на электронном микроскопе формы частиц руды и концентратов. Мы измерили их размер частиц, и провели локальный элементный анализ.

Шаг 3. Исследуем физические свойства образцов
Чтобы иметь представление о том, как физические свойства концентратов и руды влияют на формирование окатышей мы провели комплекс анализов, среди них насыпная плотность и угол естественного откоса, которые являются важными факторами, учитывающимися при транспортировке материалов. Влажность мы измеряли для понимания погрешностей состава при окомковании.
Шаг 4. Создание окатышей заданных составов
Порошки мы разделили ситовым анализом на фракции (>100, >63, >45 и <45 мкм) и составили из них 12 смесей как из концентратов и руды, так и из каждого по отдельности. В каждую смесь добавили бентонит в роли связующего (природная глина, которая склеивает частицы) и доломит в роли флюса (понижает температуру плавления пустой породы, помогая переводить ее в шлак при плавке).
Из смесей сформировали окатыши и высушили их. Состав полученных составов представлен на картинке ниже.
Шаг 5. Сборка модели окомкователя
На фабрике окатыши создаются на тарельчатом окомковатиле – наклонной вращающейся тарели. Подобно снежному кому порошок скатывается и наматывается сам на себя. Чтобы получать окатыши одинаковой массы и размера и проверить сырьё способами, которые используются на производстве, мы спроектировали окомкователь в "Компас-3D" – и собирали его в лаборатории.
Механика
Тарель, напечатанная на 3D-принтере из PLA-пластика, вал 8 мм на подшипниках, скребок и корпус окомкователя.
Электрика
Двигатель постоянного тока на 40 оборотов в минуту, ШИМ-контроллер для регулировки оборотов, блок питания и муфта вала.


Выводы

В ходе исследования было установлено:

  • Содержание общего железа во всех образцах находится в диапазоне 60-70%

  • Основная размерная фракция в концентратах это частицы размером 8-15 мкм, а также 20-100 мкм.

  • Измерены эксплуатационные характеристики рудного концентрата

  • Доказано, что увеличение содержания средней фракции повышает прочность окатышей в 20 раз больше, чем добавление мелкой фракции

  • Установлено, что яковлеская руда подходит для изготовления качественных окатышей, хотя ранее не использовалась для этого

  • В ходе измерения влагопоглощения окатышей было исследовано, что мелкая фракция при обжиге не спекается, что делает её бесполезной в производстве окатышей

Наша команда:
  • Апевалова Олеся
  • Вепринцев Павел
  • Калантарян Арсений
  • Лапынина Алиса
  • Ряполов Илья

Руководители:
  • Соков Сергей Александрович
  • Куминова Ярослава Вадимовна
  • Манапова Елизавета Эльдаровна
  • Воронин Родион Александрович