ООО «НПВП ТОРЭКС» (Екатеринбург, Россия)¹ ; Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия)²

И. С. Берсенев, руководитель научно-аналитического отдела¹, научный сотрудник², канд. тех. наук, i.bersenev@torex-npvp.ru

ООО «НПВП ТОРЭКС» (Екатеринбург, Россия)¹ ; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (Екатеринбург, Россия)²

Э. Р. Сабиров, старший инженер¹, аспирант², e.sabirov@torex-npvp.ru
Г. Г. Бардавелидзе, руководитель группы¹, доцент², g.bardavelidze@torex-npvp.ru

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

Н. А. Спирин, заведующий кафедрой «Теплофизика и информатика в металлургии»

работе рассмотрена взаимосвязь двух критических явлений, возникающих при восстановлении железорудных окатышей: разбухания в доменной печи и кластеризации в шахтных печах металлизации. Показано, что оба явления обусловлены ростом нитевидных кристаллов железа на стадии восстановления вюстита, причем разбухание окатышей дополнительно ускоряет их спекание через увеличение площади контакта и градиента давления в зоне контакта. На основе обобщения литературных данных и результатов собственных исследований предложены технические решения для ограничения роста нитевидных кристаллов: введение оксидов-ингибиторов (MgO, Al₂O₃, SiO₂), регулирование основности шихты (CaO/SiO₂ <0,2 или >0,8), двухстадийное восстановление (первая стадия при температуре <900 ^оC до степени восстановления 60 %), применение защитных покрытий (известняк, цемент, бентонит, смесевые составы), повышение открытой пористости окатышей (>25 % с преобладанием пор 10–100 мкм), контроль содержания щелочей (Na₂O+K₂O ≤0,15 % для доменной шихты и ≤0,08 % для шихты металлизации) и состава восстановительного газа (H₂/CO >1,5). Показано, что двухстадийное восстановление позволяет снизить индекс разбухания окатышей с 99,4 % до менее 15 % без потери скорости восстановления, а покрытие известняком или цементом снижает кластеризацию на 60–80 %. Предложенные решения не требуют коренной модернизации существующих технологий и могут быть реализованы на стадии подготовки шихты или корректировки тепловых режимов.

1. Purohit S., Pownceby M.I., Guiraud A. Sticking and swelling of iron ore pellets: mechanisms and controlling factors // Journal of Sustainable Metallurgy. 2025. Vol. 11. P. 67–87. – DOI: 10.1007/s40831-024-01000-3
2. Shayan Navaei, Mohammad Ghorbani, Saeed Sheibani, Leila Hosseini, Mohsen Zare. A review on hematite concentrate pelletization: effect of process parameters on iron ore pellet quality // Journal of Materials Research and Technology. 2025. Vol. 38. P. 4849–4859. DOI: 10.1016/j.jmrt.2025.08.295
3. World Steel in Figures 2025. – URL: https://worldsteel.org/data/worldsteel-in-figures/world-steel-in-figures-2025/
4. ИТС 25–2017. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям «Добыча и обогащение железных руд». – М. : Бюро НДТ, 2017. – 485 с. – URL: https://burondt.ru/itc
5. ИТС 26–2020. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям «Производство чугуна, стали и ферросплавов». – М. : Бюро НДТ, 2020. – 540 с. – URL: https://burondt.ru/itc
6. Nicolle R., Rist A. The mechanism of whisker growth in the reduction of wüstite // Metallurgical Transactions B. 1979. Vol. 10. P. 429–438. DOI: 10.1007/BF02652513
7. Горбачев В. А., Шаврин С. В. Зародышеобразование в процессах восстановления окислов. – М. : Наука, 1985. – 134 с.
8. Берсенев И. С., Бардавелидзе Г. Г., Брагин В. В., Поколенко А. Ю. Закономерности увеличения объема железорудных окатышей при их восстановлении газом // Сталь. 2026. № 4. с. 2–8.
9. Jiang Y., Wu M., Li T. et al. Deep insight to the evolution behaviors of K, Na and F during iron ore softening melting // Fuel. 2024. Vol. 371. P. 132055. DOI: 10.1016/j.fuel.2024.132055
10. Dwarapudi S., Banerjee P. K., Chaudhary P. et al. Effect of fluxing agents on the swelling behavior of hematite pellets // International Journal of Mineral Processing. 2014. Vol. 126. P. 76–89. DOI: 10.1016/j.minpro.2013.11.012
11. Брагин В. В., Бижанов А. М., Берсенев И. С., Чернов М. С. Исследование поровой структуры железорудных брикетов при их металлизации // Черные металлы. 2025. № 5. С. 4–12.
12. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. – М. : Наука, 1975. – 576 с.
13. Сакало В. И., Сакало А. В. Пределы применимости решения герца для контактной задачи // Вестник Брянского государственного технического университета. 2015. № 2. Вып. 46. С. 66–70.
14. Kurnosov N. E., Nakashidze Yu. Yu. Distribution of Shear Stresses and Actual Contact Area along the Length of Interference Joints as a Factor of Their Tightness // Russian Engineering Research. 2023. Vol. 43. № 12. P. 1535–1539. DOI: 10.3103/S1068798X23120183
15. Maximenko A., Roebben G., Van Der Biest O. Modeling of non-linear phenomena during deformation of interparticle necks by diffusion-controlled creep // Acta Materialia. 2002 Vol. 50. Iss. 14. P. 3651–3659. DOI: 10.1016/S1359-6454(02)00178-7
16. German, Randall M. Sintering: from Empirical Observations to Scientific Principles // Butterworth-Heinemann. 2014. P. 305–354. DOI: 10.1016/B978-0-12-401682-8.00010-0
17. Lv H., Gan M., Fan X. et al. Reduction swelling behavior of ultra-high-grade pellets for hydrogen-based shaft furnaces and its mitigation strategies // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2026. Vol. 33 (9). P. 2965–2977. DOI: 10.1007/s12613-025-3291-7
18. Берсенев И. С., Брагин В. В., Чесноков Ю. А., Груздев А. И., Сабиров Э. Р., Спирин Н. А. Особенности разрушения железорудных окатышей при восстановительно-тепловой обработке // Металлург. 2025. № 3. С. 49–54. DOI: 10.52351/00260827_2025_3_49
19. 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. № 4. P. 328–335. DOI: 10.3103/S0967091223040034
20. Wang, R., Purohit, S., Paymooni, K. et al. Sticking in Shaft Furnace and Fluidized Bed Ironmaking Processes: A Comprehensive Review Focusing on the Effect of Coating Materials // Metallurgical and materials transactions B. 2024. Vol. 55. P. 2977–3006. DOI: 10.1007/s11663-024-03188-x
21. Ali Basdağ, Ali Ihsan Arol. Coating of iron oxide pellets for direct reduction Scandinavian // Journal of Metallurgy. 2002. Vol. 31. №3. P. 229–233. DOI: 10.1034/j.1600-0692.2002.310310.x
22. Копоть Н. Н. Разработка и совершенствование технологии производства окатышей и их металлизации в шахтной печи: На примере установки ХИЛ-III ОАО «Лебединский ГОК» : дис. ... канд. техн. наук. – Екатеринбург, 2005. – 147 с.
23. Усольцев Д. Ю., Берсенев И. С., Бардавелидзе Г. Г. и др. О формировании пористости офлюсованных железорудных окатышей // Сталь. 2022. № 9. С. 2–6.
24. Chai Y., Ma S., Fan Y. et al. Synergistic effect of alkali metals and fluorine on the reduction swelling properties of pellet ores: Influence of basicity // Powder Technology. 2025. Vol. 458. P. 121010. DOI: 10.1016/j.powtec.2025.121010
25. de Alencar J. P. S. G., de Resende V. G., Vasconcelos W. L. Effect of Coatings and Coating Methods on Cluster Index in Iron Oxide Pellets for Direct Reduction Shaft Furnaces // Metall Mater Trans B. 2022. Vol. 53. P. 242–252. DOI: 10.1007/s11663-021-02361-w
26. Геедерс М., Ченьо Р., Курунов И. и др. Современный доменный процесс. Введение. – М. : Металлургиздат, 2016. – 280 с.
27. Tatsuro Ariyama Perspectives on the Promising Pathways to Zero Carbon Emissions in the Steel Industry toward 2050 // ISIJ International. 2025. Vol. 65. №. 2. P. 165–184. – DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2024-320
28. Yunfei Han, Xilong Yao, Lin Liu, Hangrong Zhang. Assessing the potential and cost of hydrogen metallurgy for decarbonizing China’s iron and steel industry: An integrated TIMES and marginal abatement cost analysis // Energy. 2026. Vol. 352. P. 140906. DOI: 10.1016/j.energy.2026.140906
29. Дмитриев А. Н., Бурова Ю. Е., Витькина Г. Ю., Барбин Н. М., Терентьев Д. И. Термодинамическое моделирование процесса восстановления железорудных материалов водородсодержащими газами // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2025. № 68(2). С. 163–170. DOI: 10.17073/0368-0797-2025-2-163-170
30. Qingyue Chen, Jian Pan, Zhengqi Guo, Deqing Zhu. Optimization of fourcomponent furnace burdens with hydrogen-reduced metallized pellets based on blast furnace performance // International Journal of Hydrogen Energy. 2025. Vol. 100. P. 596–607. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.12.218