blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-6-696-704blackmet-2658Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEВлияние структуры неофлюсованных обожженных титаномагнетитовых окатышей на их прочность при статическом сжатииEffect of structure of unfluxed burnt titanomagnetite pellets on strength under static compressionhttps://orcid.org/0000-0001-6446-0215ДмитриевА. Н.DmitrievA. N.

Андрей Николаевич Дмитриев, д.т.н., главный научный сотрудник лаборатории пирометаллургии восстановительных процессов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Andrei N. Dmitriev, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Reduction Processes

101 Amundsen Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

andrey.dmitriev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2285-2509СмирноваВ. Г.SmirnovaV. G.

Валентина Григорьевна Смирнова, ведущий инженер лаборатории пирометаллургии восстановительных процессов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Valentina G. Smirnova, Leading Engineer of the Laboratory of Pyrometallurgy of Reduction Processes

101 Amundsen Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

metallography@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2754-1846ВязниковаЕ. А.VyaznikovaE. A.

Елена Александровна Вязникова, младший научный сотрудник лаборатории пирометаллургии восстановительных процессов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Elena A. Vyaznikova, Junior Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Reduction Processes

101 Amundsen Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

vjaznikova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1076-2709ВитькинаГ. Ю.Vit’kinaG. Yu.

Галина Юрьевна Витькина, к.т.н., старший научный сотрудник, заведующая лабораторией пирометаллургии восстановительных процессов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Galina Yu. Vit’kina, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Head of the Laboratory of Pyrometallurgy of Reduction Processes

101 Amundsen Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

20procents@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5826-491XСмирновА. С.SmirnovA. S.

Александр Сергеевич Смирнов, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории механики деформаций

Россия, 620049, Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34

Aleksandr S. Smirnov, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher at the Laboratory of Deformation Mechanics

34 Komsomolskaya Str., Yekaterinburg 620049, Russian Federation

smirnov@imach.uran.ruИнститут металлургии Уральского отделения РАНРоссияInstitute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения РАНРоссияE.S. Gorkunov Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202329122023666696704Copyright © Дмитриев А.Н., Смирнова В.Г., Вязникова Е.А., Витькина Г.Ю., Смирнов А.С., 20232023Дмитриев А.Н., Смирнова В.Г., Вязникова Е.А., Витькина Г.Ю., Смирнов А.С.Dmitriev A.N., Smirnova V.G., Vyaznikova E.A., Vit’kina G.Y., Smirnov A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2658

Обожженные окатыши должны сохранять прочность от момента схода с обжиговой машины до загрузки в доменную печь. Одним из показателей прочности обожженных окатышей является прочность на сжатие, то есть усилие при разрушении. При испытании окатышей на прочность на сжатие основным видом разрушения является возникновение и развитие трещин, проходящих через центр ядра окатышей (где действуют максимальные радиальные растягивающие напряжения) или в непосредственной близости от него. Представлены требования по прочности на статическое сжатие, предъявляемые при доменном производстве к железорудным окатышам. С использованием оптического и сканирующего электронного микроскопа, оснащенного энергодисперсионным микроанализатором, проанализировали связь структурных составляющих и пор в ядре обожженных неофлюсованных железорудных титаномагнетитовых окатышей с усилием разрушения при статическом сжатии. Методом сканирующей электронной микроскопии и рентгенспектрального микроанализа установили, что ядро окатышей является многофазным материалом. Основные фазы – титаномагнетит, магнетит, титаногематит, гематит и алюмосиликатное связующее. Оптическая микроскопия позволила установить микроструктуру ядра окатышей. Возможны три типа микроструктуры: неокисленное ядро (магнетит или титаномагнетит), частично окисленное ядро – вокруг (магнетита или титаномагнетита) зерна гематита (титаногематита) и окисленное ядро (гематит и титаногематит). Определяющими факторами для получения окатышей с усилием разрушения более 2,5 кН/окатыш по требованиям доменного производства являются: количество закрытых макропор в ядре и количество зерен крупных размеров в ядре. При увеличении количества закрытых макропор в ядре и количества зерен крупных размеров в ядре снижается усилие разрушения от 3,50 до 0,87 кН/окатыш.

Burnt pellets must retain their strength from the moment they are taken out of an induration machine until they are loaded into a blast furnace. One of the indicators of the burnt pellets’ strength is the compressive strength, i.e. the ultimate force. In experiments to determine compressive strength, the main type of fracture is occurrence and development of cracks that pass through the core center of pellets (where the maximum radial tensile stresses present) or near it. The paper presents the requirements for static compression strength imposed by blast furnace production to iron ore pellets. Using an optical and scanning electron microscope equipped with an energy-dispersive microanalyzer, we analyzed the relationship of structural components and pores in the core of burnt unfluxed iron ore titanomagnetite pellets with the ultimate force under static compression. By scanning electron microscopy and X-ray spectral microanalysis, it was established that the core of pellets is a multiphase material, and its main phases are titanomagnetite, magnetite, titanohematite, hematite and aluminosilicate binder. Optical microscopy made it possible to establish the microstructure of the pellet core, which has three types of microstructures: non-oxidized core (magnetite or titanomagnetite), partially oxidized core – around (magnetite or titanomagnetite) hematite grains (titanohematite) and oxidized core (hematite and titanohematite). The main factors for obtaining pellets with an ultimate force of more than 2.5 kN/pellet according to the requirements of blast furnace production are: the number of closed macropores and the number of large grains in the core. It is shown that with an increase in the number of closed macropores and the number of large grains in the core, the ultimate force is reduced from 3.5 kN to 0.87kN/pellet.

неофлюсованные окатышититаномагнетитмагнетитгематиттитаногематиталюмосиликатное связующеемикроструктура ядраусилие разрушениязакрытые порыunfluxed pelletstitanomagnetitemagnetitetitanohematitehematitealuminosilicate bindercore microstructureultimate forceclosed poresРабота выполнена в рамках реализации Государственного задания ИМЕТ Уральского отделения РАН (№ 122020100125-6) с использованием оборудования ЦКП «Урал-М» ИМЕТ Уральского отделения РАН и ЦКП «Пластометрия» ИМАШ Уральского отделения РАН.The research was supported by the State Task of the Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (122020100125-6) using the equipment of the Center for Collective Use “Ural-M” of the Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences and the Research Center “Plastometry” of the E.S. Gorkunov Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.ReferencesШумаков Н.С., Дмитриев А.Н., Гараева О.Г. Сырые материалы и топливо для доменной плавки. Екатеринбург: УрО РАН; 2007:392.Shumakov N.S., Dmitriev A.N., Garaeva O.G. Raw Materials and Fuel for Blast Furnace Smelting. Yekaterinburg: UrB RAS; 2007:392. (In Russ.).Gul A., Sirkeci A.A., Boylu F., Guldan G., Burat F. Improvement of mechanical strength of iron ore pellets using raw and activated bentonites as binders. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 2014;51(1):23–36. https://dx.doi.org/10.5277/ppmp150203Gul A., Sirkeci A.A., Boylu F., Guldan G., Burat F. Improvement of mechanical strength of iron ore pellets using raw and activated bentonites as binders. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 2014;51(1):23–36. https://dx.doi.org/10.5277/ppmp150203Бардавелидзе Г.Г., Брагин В.В., Спирин Н.А., Пигарев С.П. Исследование окатышей из концентрата окисленных железистых кварцитов АО «Михайловский ГОК». Металлург. 2021;(12):11–18. https://doi.org/10.52351/00260827_2021_12_11Bardavelidze G.G., Bragin V.V., Spirin N.A., Pigarev S.P. Research of pellets from concentrate of oxidized ferruginous quartzites of JSC “Mikhailovsky GOK”. Metallurg. 2021;(12):11–18. (In Russ.). https://doi.org/10.52351/00260827_2021_12_11Shaik M.B., Sekhar C., Dwarapudi S., Gupta N., Paul I., Patel A.K., Tudu S., Kumar A. Characterization of colemanite and its effect on cold compessive strengh and swelling index of iron ore pellets. Mining, Metallurgy and Exploration. 2021;38(1):217–231. https://doi.org/10.1007/s42461-020-00331-5Shaik M.B., Sekhar C., Dwarapudi S., Gupta N., Paul I., Patel A.K., Tudu S., Kumar A. Characterization of colemanite and its effect on cold compessive strengh and swelling index of iron ore pellets. Mining, Metallurgy and Exploration. 2021;38(1):217–231. https://doi.org/10.1007/s42461-020-00331-5Guo H., Shen F.-M., Jiang X., Gao Q.-J., Ding G.-G. Effects of MgO additive on metallurgical properties of fluxed-pellet. School of Metallurgy, Northeastern University. 2019;26:3238–3251. https://doi.org/10.1007/s11771-019-4249-6Guo H., Shen F.-M., Jiang X., Gao Q.-J., Ding G.-G. Effects of MgO additive on metallurgical properties of fluxed-pellet. School of Metallurgy, Northeastern University. 2019;26:3238–3251. https://doi.org/10.1007/s11771-019-4249-6Li W., Fu G., Chu M., Zhu M. Influence of MgO on the oxidation and induration of Hongge vanadium titanomagnetite pellets. Ironmaking and Steelmaking. 2019;47(8):837–843. https://doi.org/10.1080/03019233.2019.1615815Li W., Fu G., Chu M., Zhu M. Influence of MgO on the oxidation and induration of Hongge vanadium titanomagnetite pellets. Ironmaking and Steelmaking. 2019;47(8):837–843. https://doi.org/10.1080/03019233.2019.1615815Yi Y., Li G., Gao P., Zhang X., Zhang Y., Zhang J., Huang J. Effect of humic acid binder on oxidation roasting of vanadium-titanium magnetite pellets via straight-grate process. Crystals. 2021;11(11):1–11. https://doi.org/10.3390/cryst11111283Yi Y., Li G., Gao P., Zhang X., Zhang Y., Zhang J., Huang J. Effect of humic acid binder on oxidation roasting of vanadium-titanium magnetite pellets via straight-grate process. Crystals. 2021;11(11):1–11. https://doi.org/10.3390/cryst11111283Mohamed O.A., Shalabi M.E.H., El-Hussiny N.A., Khedr M.H., Mostafa F. The role of normal and activated bentonite on the pelletization of barite iron ore concentrate and the quality of pellets. Powder Technology. 2003;130(1-3):277–282. https://doi.org/10.1016/S0032-5910(02)00205-XMohamed O.A., Shalabi M.E.H., El-Hussiny N.A., Khedr M.H., Mostafa F. The role of normal and activated bentonite on the pelletization of barite iron ore concentrate and the quality of pellets. Powder Technology. 2003;130(1-3):277–282. https://doi.org/10.1016/S0032-5910(02)00205-XАбзалов В.М., Горбачев В.А., Евстюгин С.Н., Клейн В.И., Леонтьев Л.И., Юрьев Б.П. Физико-химические и теплотехнические основы производства железорудных окатышей. Екатеринбург: МИЦ; 2015:335.Abzalov V.M., Gorbachev V.A., Evstyugin S.N., Klein V.I., Leont’ev L.I., Yur’ev B.P. Physicochemical and Thermal Engineering Fundamentals of Iron Ore Pellets Production. Yekaterinburg: MITs; 2015:335. (In Russ.).Юрьев Б.П., Брук Л.Б., Спирин Н.А., Шешуков О.Ю., Гольцев В.А., Шевченко О.И., Метелкин А.А. Основы теории процессов при обжиге железорудных окатышей. Нижний Тагил: НТИ (филиал) УрФУ; 2018:310.Yur’ev B.P., Bruk L.B., Spirin N.A., Sheshukov O.Yu., Gol’tsev V.A., Shevchenko O.I., Metelkin A.A. Fundamentals of the Theory of Processes in Iron Ore Pellets Firing. Nizhny Tagil: NTI (Branch) UrFU; 2018:310. (In Russ.).Bhuiyan I.U., Mouson J., Schröppel B., Kaech A., Dobryden I., Forsmo S.P.E., Hedlund J. Microstructure of bentonite in iron ore green pellets. Microscopy and Microanalysis. 2014;20(1):33–41. https://doi.org/10.1017/S1431927613013950Bhuiyan I.U., Mouson J., Schröppel B., Kaech A., Dobryden I., Forsmo S.P.E., Hedlund J. Microstructure of bentonite in iron ore green pellets. Microscopy and Microanalysis. 2014;20(1):33–41. https://doi.org/10.1017/S1431927613013950Kawatra S.K., Ripke S.J. Effects of bentonite fiber formation in iron ore pelletization. International Journal of Mineral Processing. 2002;65(3-4):141–149. https://doi.org/10.1016/s0301-7516(01)00062-xKawatra S.K., Ripke S.J. Effects of bentonite fiber formation in iron ore pelletization. International Journal of Mineral Processing. 2002;65(3-4):141–149. https://doi.org/10.1016/s0301-7516(01)00062-xЮрьев Б.П., Дудко В.А. Влияние структурных характеристик окатышей на их металлургические свойства. Сталь. 2021;(4):2–6.Yur’ev B.P., Dudko V.A. Influence of the pellets’ structural characteristics upon their metallurgical properties. Stal’. 2021;(4):2–6. (In Russ.).Ericksson A., Andersson C., Ahmed H., Dahlin A., Kumar T.K.S., Semberg P. Effect of varied oxygen levels on the oxidation of a magnetite pellet bed during pot furnace induration. ISIJ International. 2021;61(5):1439–1449. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-469Ericksson A., Andersson C., Ahmed H., Dahlin A., Kumar T.K.S., Semberg P. Effect of varied oxygen levels on the oxidation of a magnetite pellet bed during pot furnace induration. ISIJ International. 2021;61(5):1439–1449. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-469Таng M., Cho H.J., Pistorius P.C. Early gaseous oxygen enrichment to enhance magnetite pellet oxidation. Metallurgical and materials Transactions B. 2014;45(4):1304–1314. https://doi.org/10.1007/s11663-014-0064-5Таng M., Cho H.J., Pistorius P.C. Early gaseous oxygen enrichment to enhance magnetite pellet oxidation. Metallurgical and materials Transactions B. 2014;45(4):1304–1314. https://doi.org/10.1007/s11663-014-0064-5Kumar T.K.S., Viswanathan N.N., Ahmed H., Dahlin A., Andersson C., Bjorkman B. Developing the oxidation kinetic model for magnetite pellet. Metallurgical and Materials Transactions B. 2019;50(1):162–172. https://doi.org/10.1007/s11663-018-1423-4Kumar T.K.S., Viswanathan N.N., Ahmed H., Dahlin A., Andersson C., Bjorkman B. Developing the oxidation kinetic model for magnetite pellet. Metallurgical and Materials Transactions B. 2019;50(1):162–172. https://doi.org/10.1007/s11663-018-1423-4Горбачев В.А., Абзалов В.М., Юрьев Б.П. Кристаллохимическое превращение магнетита в гематит в железорудных окатышах. Известия вузов. Черная металлургия. 2007;50(4):27–30.Gorbachev V.A., Abzalov V.M., Yu’ev B.P. Conversion of magnetite to hematite in iron-ore pellets. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2007;50(4):27–30.Song S., Pistorius P.C. Formation of hematite whiskers during magnetite concentrate oxidation. ISIJ International. 2019;59(10):1765–1769. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-755Song S., Pistorius P.C. Formation of hematite whiskers during magnetite concentrate oxidation. ISIJ International. 2019;59(10):1765–1769. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-755Forsmo S.P.E., Forsmo S.-E., Samskog P.-O., Björkman B.M.T. Mechanisms in oxidation and sintering of magnetite iron ore green pellets. Power Technology. 2008;183(2):247–259. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2007.07.032Forsmo S.P.E., Forsmo S.-E., Samskog P.-O., Björkman B.M.T. Mechanisms in oxidation and sintering of magnetite iron ore green pellets. Power Technology. 2008;183(2):247–259. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2007.07.032Timofeeva A.S., Nikitchenko T.V., Fedina V.V., Akul’shina I.I. Effect of flus on the hardening of pellet during heat treatment. Metallurgist. 2017;61(8):700–702. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0552-3Timofeeva A.S., Nikitchenko T.V., Fedina V.V., Akul’shina I.I. Effect of flus on the hardening of pellet during heat treatment. Metallurgist. 2017;61(8):700–702. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0552-3Gao Q.-J., Shen F.-M., Wei G., Jiang X., Zheng H.-Y. Effects of MgO containing additive on low-temperature metallurgical properties of oxidized pellet. Journal of Iron and Steel Research International. 2013;20(7):25–28. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(13)60121-1Gao Q.-J., Shen F.-M., Wei G., Jiang X., Zheng H.-Y. Effects of MgO containing additive on low-temperature metallurgical properties of oxidized pellet. Journal of Iron and Steel Research International. 2013;20(7):25–28. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(13)60121-1Никитченко Т.В., Тимофеева А.С., Кожухов А.А. Влияние модифицирующих добавок на формирование железорудных окатышей. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2018;1(4):67–72.Nikitchenko T.V., Timofeeva A.S., Kozhuhkov A.A. Modification additions influence on the iron ore pellets forming. Ferrous Metallurgy. Bulletin of Scientific, Technical and Economic Information. 2018;1(4):67–72. (In Russ.).Gan M., Sun Y.-F., Fan X.-H., Ji Z.-Y. Lv W., Chen X.-L., Jiang T. Preparing high-quality vanadium titano-magnetite pellets for large-scale blast furnaces as ironmaking burden. Ironmaking and Steelmaking. 2018;47(4):1–8. https://doi.org/10.1080/03019233.2018.1492500Gan M., Sun Y.-F., Fan X.-H., Ji Z.-Y. Lv W., Chen X.-L., Jiang T. Preparing high-quality vanadium titano-magnetite pellets for large-scale blast furnaces as ironmaking burden. Ironmaking and Steelmaking. 2018;47(4):1–8. https://doi.org/10.1080/03019233.2018.1492500Gustafsson G., Häggblad H-A., Nishida M., Larsson S., Jonsén P. Fracture probability modelling of impact-loaded iron ore pellets. International Journal of Impact Engineering. 2017;102:180–186. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2016.12.014Gustafsson G., Häggblad H-A., Nishida M., Larsson S., Jonsén P. Fracture probability modelling of impact-loaded iron ore pellets. International Journal of Impact Engineering. 2017;102:180–186. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2016.12.014Gustafsson G., Häggblad H.-A., Jonsén P. Multi-particle finite element modelling of the compression of iron ore pellets with statistically distributed geometric and material data. Powder Technology. 2013;239:231–238. http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2013.02.005Gustafsson G., Häggblad H.-A., Jonsén P. Multi-particle finite element modelling of the compression of iron ore pellets with statistically distributed geometric and material data. Powder Technology. 2013;239:231–238. http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2013.02.005Дмитриев А.Н., Смирнова В.Г., Вязникова Е.А., Долматов А.В., Витькина Г.Ю. Влияние структуры обожженных окатышей на прочность и разрушение при испытании на статическое сжатие. Известия вузов. Черная металлургия. 2021;64(11):785–792. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-11-785-792Dmitriev A.N., Smirnova V.G., Vyaznikova E.A., Dolmatov A.V., Vit’kina G.Yu. Influence of structure of burned pellets on strength and destruction in static compression tests. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2021;64(11):785–792. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-11-785-792Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. Москва: Металлургия; 1970:376.Saltykov S.A. Stereometric Metallography. Moscow: Metallurgiya; 1970:376. (In Russ.).Klobes Р., Meyer К. Ronald, Munro R.G. Porosity and Specific Surface Area Measurements for Solid Materials. NIST Recommended Practice Guide. U.S. GOVERNMENT Printing Office; Washington: 2006.Klobes Р., Meyer К. Ronald, Munro R.G. Porosity and Specific Surface Area Measurements for Solid Materials. NIST Recommended Practice Guide. U.S. GOVERNMENT Printing Office; Washington: 2006.Абзалов В.М., Клейн В.И., Юрьев Б.П. Диффузия кислорода в порах железорудного окатыша. Известия вузов. Черная металлургия. 2008;51(6):7–9.Abzalov V.M., Klein V.I., Yur’ev B.P. Oxygen diffusion in pores of an iron ore pellet. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008;51(6):7–9. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.