автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Формирование вязкопластичной зоны - как способ эффективного управления доменным процессом

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

НИКИТИН ГЕННАДИЙ МИХАЙЛОВИЧ кандидат технических наук

ФОРМИРОВАНИЕ ВЯЗКОПЛАСТИЧНОИ ЗОНЫ - КАК СПОСОБ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДОМЕННШ ПРОЦЕССОМ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соиокавие ученой степени доктора технических наук

Р Г Б ОД

На правах рукописи

ЕКАТЕРИНБУРГ 1996

Работа выполнена в Карагандинском металлургическом институте МО Республики Казахстан и Химико-металлургическом институте МН - АН РК.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор С.В.Ваврин

Доктор технических наук Б,ft.Боковиков Доктор технических наук,

профессор Н.А.Спирин

Ведущее предприятие - ЗралИЧМ.

Защита диссертации состоится 1996 г.

на заседании специализированного совета Д 063.14.01 при НГТН-НПИ по адрессу: 620002, г.Екатеринбург, ул. Мира,19.

С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " ^"^¿L^JJi'Jri____1996г.

Зченнй секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

Н.С.Иумаков

- 3 -

Общая характеристика работы.

Актуальность: Перед современной технологией пирометаллур-гического передела комплексных железных руд стоит задача перехода к освоению в производстве безотходных, энергосберегающих и экологически чистых схем использования природных ресурсов.

Анализ применяющихся технологических методов в аглодомен-ном производстве черных металлов показывает качественно новый этап развития. Так интенсификация производства, в рамках действующих технологий, привела к стремительному ухудшении окружающей среды и распылении природных богатств. Отказ от традиционных технологических схем в черной металлургии Казахстана в настоящее время не будет способствовать улучшении экономики Республики, т.к. замена основных средств нереальна.

Процесс получения первичного металла в доменных печах сопровождается значительными затратами энергии - до 50 У. топлива, используемого предприятием с полным циклом, й тоже время в доменном производстве реализована высокоэффективная технология выплавки первичного металла, являющегося основой качества металлопродукции металлургических и машиностроительных предприятий.

Для надежного обоснования новых технологических процессов производства черных металлов, особенно для малых металлургических предприятий, необходим комплексный анализ термохимических слоевых процессов на примере доменной печи, являющейся наиболее энергоемким и высокоэффективным металлургическим агрегатом: перевод металла в жидкое состояние позволяет полнее извлечь железо из руды, ускоряет протекание химических реакций по доводке стали и сокращает тепловые потребности при ее производстве.

Качество металлопродукции - проката - определяется всей предысторией его ооработки и в первуи очередь от звена получения первичного металла, т.е. от производства чугуна.

Таким образом, в доменной печи концентрируются энергорасходы по производству железа и закладывавтся основные качественные характеристики металлоизделий.

В свое очередь, большая часть расхода энергоресурсов и образование жидкого металла приходится на нижнюш часть доменной печи, где первородное железо начинает активно поглощать примеси ( 51, Б, Р ...), чему способствуют повышенные температуры и переход материалов из твердого в жидкое состояние.

Именно здесь, в области со специфическим названием зона вязкопластичного состояния рудных материалов, происходит коренное изменение физических свойств железорудного сырья, резко увеличивается плотность шихты и экстремально возрастает сопротивление газовому потоку.

Повысить технико-экономические показатели доменного процесса возможно на основе тщательного изучения условий формирования вязкопластичной зоны, контроля и прогноза ее поведения в печи.

Указанные особенности восстановительно плавильного процесса и определили актуальность данного исследования.

Расчетные и технологические разработки выполнены в рамках программ Академии Наук Казахстана и координационных планов МЧМ по доменному производству.

Цель работы: Целью настоящей работы является разработка детерминированных принципов контроля и управления расположением и формой зоны вязкопластичного состояния, которые позволят повысить эффективность доменного процесса.

- 5 -

На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:

1. Физико-математическая модель прогноза параметров вязкоплас-тичной зоны на основе анализа нестационарных явлений доменного процесса.

2. Показатели термопластичности аелезорудного сырья.

3. Закономерностей формирования и контроля вязкопластичной зоны.

4. Рекомендации по взаимосвязи входных и выходных параметров шахтных установок.апробированные на промышленных доменных печах.

Научная новизна заключается в применении методов физико-химической механики для исследования деформации рудного сырья при термохимической обработке:

- реологический анализ процесса размягчения и разработка критериальной границы вязкопластичного состояния рудного сырья;

- математическое описание цикличных процессов в доменных печах;

- способы расчета свободной поверхности ВП зоны в шахтных печах;

- методы физико-химического моделирования высокотемпературных металлургических процессов;

- искусственная нестационарность (метод возмущения) как способ безконтактного извлечения информации о процессах в шахтных печах.

Практическая значимость работы связана с целенаправленным совмещением физико-химических свойств шихтовых материалов, физико-математического моделирования процессов восстановления и плавления с работой доменных печей большого объема .

В этой части, при непосредственном участии автора, получены следующие результаты:

- внедрены в практику работы ЦЗЛ экспериментальные методы

- Б

оценки высокотемпературных свойств железорудного сырья;

- выработаны рекомендации по роли микропримесей в процессе разделения металлической и оксидной фаз;

- разработаны новые схемы для определения параметров вяз-копластичной зоны в шахтных печах;

- определена связь показателей вязкопластичного состояния железорудных материалов с расходом кокса и качеством чугуна;

- испытаны в нромывленных условиях новые виды шихтовых материалов для доменного производства;

- переданы в Банк Данных "МЕТАЛЛУРГИЯ" стран СНГ ряд программных средств по прогнозированию параметров зоны и контролю теплового состояния доменных печей.

Реализация результатов работы: В практику металлургического производства внедрены следующие результаты;

1. Высокотемпературные методы оценки качества металлургического сырья с экономическим эффектом за 5 лет - 0.54 млн руб в ценах 1991 г.

2. Способ доменной плавки по переработке фосфористых концентратов ЛГОК, обеспечивающий разделение металла и шлака с экономическим эффектом за 4 года - 0.41 млн руб в ценах 1985 г.

3. Методы и алгоритмы определения параметров вязкоплас-тичной зоны доменной печи с использованием вычислительной техники и эффектов нестационарности процесса, й настоящее время разработана проектная документация по установке дополнительных фурм статического давления для повышения точности новых методов контроля доменного процесса,

4. Рекомендации по стабилизации ВП зоны шахтных печей за

счет приведения прихода тепла в соответствии с теплопотреб-ностьш процесса.

5. Технико-экономическое обоснование применения вычислительной техники для контроля тепловых параметров доменного процесса.

6. Рекомендации по определению характеристик шихтовых материалов в потоке при загрузке шахтных и доменных печей.

7. Способ перераспределения тепла на прямое восстановление.

8. Результаты исследования внедрены в учебный и лабораторный процесс КарНетИ и ХМИ.

Апробация раОоты: Материалы диссертации доложены и обсуждены в период с 1983 по 1995 гг на следующих конференциях: 1. "Теория и практика современного доменного производства", Днепропетровск, 1983; "Симпозиум по кинетике, термодинамике и механизму процессов восстановления", Москва, 1936; "'Л Всесоюзная конференция по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов", Свердловск, 1986; "Физико-химия процессоз восстановления металлов", Днепропетровск, 1988; "Моделирование процессов в шахтных и доменных печах", Свердловск, 1988; "Проблемы повышения качества металлопродукции по основным переделам черной металлургии", Днепропетровск, 1989; "Пути развития науки и техники при подготовке руд черных металлов к металлургическому переделу". Кривой Рог, 1991; "Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии", Новокузнецк, 1991; "Проблемы развития угольной промышленности республики Казахстан", Караганда, 1993; "Международная конференция Минеральные ресурсы Казахстана", Алматы, 1993; Международный симпозиум

- в -

" Проблемы комплексного использования руд", Санкт Петербург, 1994; "III Международный конгресс доменщиков",Новокузнецк,1995; Международная конференция " Минеральным ресурсам России -рациональное использование ", Санкт-Петербург, 1995.

2. "Комплексное использование руд лисаковского месторождения", Караганда, 1986; "Пути улучшения газомеханики металлургических шихт", Караганда. 1987. 1990; "Создание и совершенствование энергосберегающих технологий в пирометаллургии", Караганда, 1988.

3. "Координационное совещание МЧМ СССР но доменному производству", Кривой Рог ( 1984 ). Днепропетровск ( 1986 ), Днеп-род«ержинск ( 1987,1990); "Пленум НТО Черной металлургии Казахстана", Алма-Ата ( 1985, 1986 ).

Кроме того, материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на заседаниях ученых и технических советов организаций, кафедр и лабораторий ХМИ HAH PK, КарМетИ. KAPMF.T, ММК. НПО "Луч". ОЭМК. ИНИиЧерМет. ИЧЙ. Механобрчермпт, 9ИЧМ, ЙНЙПИСПУ. ВНИИМТ, НИИМ, УПИ, ЛПИ, СМИ, МГМИ, ИНЕТ РАН, ИМЕТ ИрО РАН.

Материалы диссертации опубликованы в 2-х брошюрах,58 статьях и тезисах докладов, получено 6 авторских свидетельств на изобретение, из которых одно не подлежит публикации, а также 1 патент Российской Федерации.

Объем работы: Работа изложена на 306 страницах, содержит 206 страниц маиинописного текста, 39 рисунков, 63 страницы приложений; структура диссертации состоит из введения, шести разделов, основных выводов и заключения, приложений и списка литературы из 248 наименований.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА ВЯЗКОПЛАСТИЧНОЙ ЗОНЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Исходя из принятых на сегодня представлений, ВП зона в доменной печи имеет слоеную структуру, состоящую из областей, заполненных размягченнным аелезорудным материалом, которые практически непроницаемы для газового потока и, так называемых, коксовых окон, через которые и фильтруется основное количество газа. Выключение части пространства из области, доступной для фильтруемого потока, объясняет, по видимому, определявший вклад зоны ВП в газодинамическое сопротивление нижней части доменной печи. Последнее делает актуальным поиск методов уменьшения этого сопротивления и оптимизации тепломассообменных процессов в зоне, влияющих на ее структуру, а, следовательно, и на газодинамику.

Расчетное определение положения и формы зоны плавления с помощью математических моделей базируется на информации, получаемой при горизонтальном зондировании печи на двух горизонтах С температура, состав и давление газа), а также на информации, получаемой с других измерительных устройств (толщина слоев и скорость опускания шихтовых материалов, скорость и расход газа, давление газа по высоте печи, интенсивность теплового потока через стены печи).

В то ае время видно, что методы контроля положения зоны имешт традиционных характер и не носят принципиальной новизны в решении данной задачи, чем, по-видимому, обусловлены очевидые трудности в широком внедрении этих способов. Последнее делает актуальным дальнейшее исследование процессов, протекающих в зоне ВП и их взаимосвязи с технологическими показателями плавки с

целью разработки новых способов контроля положения и формы этой зоны, которые относительно просто вписывались бы в технологическую цепочку плавки и способствовали бы улучшению ее экономических показателей.

Термин "размягчение" есть не что иное как "деформация", следовательно, и применять к процессу размягчения железорудных материалов необходимо теории, разработанные к процессам относительного перемещения точек тела. При этом учитываем, что классические теории разработаны для идеально твердых и идеально жидких материалов. Реальные материалы ооладают спектром свойств.определяющих процесс их течения, но в тоже время поведение их определяется некоторым соотношением, учитывающим напряжения, деформации и их производные по времени, т.е. реологическим состоянием.

В связи с изложенным, постановка задачи данного раздела включала оценку процесса размягчения с реологической точки зрения (ползучести, течения, деформации) и определение критического момента самого процесса для практической цели.

Имея в виду, что течение как твердого, так и жидкого тела есть зависимость скорости деформации от приложенных сил, рассмотрим навц задачу с позиции реологии.

Обратимся к рис.1, где представлена зависимость деформации тел от напряжения приложенных к ним сил:

- реологическая кривая идеальной жидкости, построенной по закону Ньютона Р= ^ci^f/cit (рис.1.а);

- жидкообразное тело Ребиндера с характерными точками перегиба (рис.1.6);

- вязко-пластичное тело Бингама, уравнение течения которого отличается от Ньютонова на величину сдвига по оси

- и

Рис. I. Реологические кривые различных тел. а-ньютоновская жидкость ; б-жндкоподобное тело Ребиндера; в-твердообразное тело Бингама; г-аелезорудный агломерат.

- 12 -

абсцисс Р^Рк-гуа'у/с!? (рис.1.в).

Изменение характера реологических кривых у жидко-и твердо-образных тел связано с их структурой: течение материала до точки 1 соответствует ненарушенной структуре, а в дальнейшем соответствует прогрессивному разрушению структуры тела.

Особенностью экспериментальных данных по деформации железорудных материалов является постоянная механическая нагрузка и переменная температура С а также восстановительный акт ). На рис.1.г штриховой линией приведена типичная кривая размягчения железорудного сырья, а сплошной -те же данные, но пересчитанные на скорость деформации. Идентичность характера деформации рудного тела с реологическими кривыми тел Ребиндера и Бингама отчетливо прослеживается на участке "СД". Основываясь на положениях теории реологии можно констатировать, что в точке "С" происходит нарушение внутренней структуры железорудного тела и дальнейшее течение материала подчинается течению вязкопластич-ного тела Бингама, а перегиб кривой "СД" в точке 1 соответствует началу прогрессирующего разрушения структуры. Следовательно, эта точка является критической мерой деформации.

Экспериментальные данные,обработанные в координатах температура - скорость усадки, показали, что точка 1 соответствует 402-ной усадки большинства исследованных железорудных материалов. Это предопределено тем. что ползучесть до точки 1 происходит с затуханием скорости деформации. После точки 1 наблюдается вязко-пластичное течение с прогрессирующей ползучестью, приводящей к разрушению структуры железорудного материала.

В условиях доменного процесса резкое нарушение структуры рудных материалов при переходе в область вязкопластичного тече-

ния приводит к уменьшении скорости химического взаимодействия материала с газом, т.к. происходит закупоривание и уменьшение порозности сырья в виду возрастающего уплотнения под действием гравитационных сил вышерасположенных материалов.

Следовательно, для улучшения тепломассообмена в зоне размягчения рудного сырья доменной печи необходимо минимально возможное прохождение рудными материалами области между 402-ной усадкой и полным их расплавлением. Последнее обстоятельство вытекает из установленных фактов снижения потери напора газа при образовании жидких фаз.

В связи с изложенным, мерой процесса размягчения плавления является интервал между температурой при 407. ной усадки и температурой плавления сырья:

дТвп - Тпл - Ткр

где Тпл - температура перехода рудных материалов в жидкое состояние;"

Ткр - температура при 402-ной усадке.

Продолжительное пребывание рудных материалов в этом интервале, названным нами в соответствии с теорией реологии, вязкоп-ластичным, не только ухудшает газопроницаемость слоя шихты, но и облегчает условия для перехода в металл некоторых не всегда яелательных элементов.

Аналитическая оценка газопроницаемости ВП тоны,выполненная в первом приближении на плоской модели (рис.Г!), показала, что процессы, происходящие в ней,могут служить источником периодических изменений. Установлено,что частота этих изменений пропорциональна скорости схода шихты и синусу угла наклона зоны к

горизонту, а также обратно пропорциональна высоте элементарного слоя руды или кокса. Определены требования,при выполнении которых газопроницаемость зоны будет максимальна.

Таким образом, периодические процессы в вязкопластичной зоне обусловленны нестационарностью режима загрузки шихты в доменную печь. Однако это не является отрицательным моментом, т.к. позволяет найти и использовать меру контроля и управления процессами в вязкопластичной зоне доменной печи.

Оптимизация тепломассообменных процессов в ВИ зоне выполнена на основе решения основного уравнения газодинамики пористого слоя и теплового баланса в зоне, при этом показано, что на параметры ВП зоны оказывапт влияние расположение слоев шихты и угол между зоной и слоями кокса. Показано, что оптимальное значение последнего определяется такими, физически достаточно просто измеряемыми величинами, как теплоемкость шихты и газа, перепад давления на ВП зоне.

Учитывая послойное расположение рудной и коксовой части шихты, которое сохраняется в вязкопластичной зоне, дальнейшее исследование и разработка методов контроля и управления зоной осуществлялось решением следующих аспектов;

-физико-математический анализ параметров зоны; -физико-химическое исследование процесса размягчения-плавления при восстановлении оксидов железа; -оценка связи нестационарности загрузки шихты и дутьевых параметров с положением и конфигурацией зоны; -выработка способов контроля зоны на основе соотношения теплоеыкостей аихты и газа.

- 16 -

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЯЗК0ПЛАСТИЧН0Й ЗОНЫ

Зондирование доменных печей с определением изотерм по высоте и диаметру печи, разборка охлажденных доменных печей показали, что форма зоны перехода железорудных материалов в пластичное состояние имеет различный вид и соответствует ходу печи, определяемому газодинамическими факторами:периферийный ход печи, центральный и периферийно-центральный.

В токе время,чередующиеся слои кокса и руды имеют различную толщину.наклон к горизонту,что также обусловливает движение газового потока. Поэтому напряженность газового потока в вязкопластичной зоне будет зависить от поверхности коксовых окон.на границе входа газа в зону, которая в сбою очередь зависит от конфигурации, протяженности пластичной зоны и систем загрузки шихты.

Решение вопросов контроля и управления параметров вязкопластичной зоны проведено на основе создания двумерной математической модели. Для этого плоскую схему вязкопластичной зоны переносим б объем доменной печи, а ветви порабол (границ зоны) переводим в фигуры вращения вокруг оси печи. В этом случае поверхность вязкопластичной зоны определяется вращением вокруг вертикальной оси кривой типа у=ах2+Ьх+с (рис.3).

Чередующиеся слои руды и кокса разбивают всю поверхность вязкопластичной зоны на кольца с различной газопроницаемостью, т.е. кольца-поверхности,образуемые вращением вокруг оси печи участков, находящихся на пересечении слоев кокса и руды с вязкопластичной зоной. Определяя интеграл вращения получили множество площадей поверхности всех коксовых "окон" (или рудных

Рис. 3. Пересечение слоев шихты(2) с контуром вязкопластичной зоныШ

"стенок") в любой заданной области печи (по высоте и диаметру).

Учитывая,что теплообмен между газом и шихтой в вязкоплас-тичной зоне зависит от ее газопроницаемости.особенно коксовой составляющей,определена поверхность коксовых слоев в зоне, как функция их толщины, усадки рудной шихты при температуре конца размягчения и угла наклона вязкопластичной зоны к горизонту.

Установлено, что наибольшее влияние на суммарную поверхность коксовых окон в вязкопластичной зоне оказывает угол наклона зоны " с^":повышение его с 30 до 45 градусов увеличивает поверхность на 14 7., с 45 до 60° -на 50 7. и с 60 до 75 градусов-на 85 7..Увеличение наклона вязкопластичной зоны есть следствие усиления центрального хода печи или другими словами,газопроницаемость вязкопластичной зоны увеличивается с развитием центрального хода печи (увеличение числа коксовых окон и их суммарной поверхности).

Варьирование располояением слоев шихты (угол_уЗ) и наклоном зоны ( угол с* ) показало неординарную их связь. Например,при о( -Б0°изменение угла £ с 45 до 0 градусов уменьшает поверхность коксовых слоев на 23 "Х.Тоже изменение угла^ ,но при оС=30° привело к двухкратному уменьшению поверхности,т.е. оптимум (по 5=мах) находится при с* + - 90?

С целью определения влияния конфигурации ЙН зоны на газопроницаемость доменной шихты проведено физическое моделирование на газодинамической установке ( рис.4 ).

Исследование проводили в II этапа на плоской модели доменной печи,,!'', выполненной из прозрачного материала в масштабе 1:50 печи объемом 3200м . Подачу воздуха производили компрессо-ром/(2"через три фурмы,,з'с диаметром сопла 3 мм. Расход воздуха

л

контролировался ротаметром(4 типа Р-С-7 (2,2 л/с). В иихту мо-

Ал

80

у* $

« кО &

а

£н

| го

я

5

"V

Ч \ II

N £ -3-1 о !

\ ч

\

\

0 2 4 6 8

Расстояние меаду

тру^ами^^см

Рис. 4. Схема установки по исследованию газопроницаемости ШИХТЫ (а) и экспериментальные результаты (б).

и

дели подавали углекислый газ (СО^) из балона.5 через две дополнительные фурмы расположенные по срезу нижней части вахты. Расход С0& контролировался ротаметромй7 типа РС-5 (0,66 л/с). Расход воздуха и СОд на протяжении всего периода исследования поддерживались постоянными.

Шихтовые материалы в модель укладывали послойно с чередова-

II ч

нием слоя коксикан9 и слоя аглонерата(/10. Общее количество слоев по высоте модели составило 10, из них 5 слоев коксика и 5 слоев агломерата. Толщина слоя агломерата и коксика одинакова и составила 40мы. Отбор проб газа для анализа на хромотографе ХЛ-69 производили медицинским шприцем через стационарные трубки 12, расположенные на колоинике.

.1 этап исследования заключался в том, что перед дополнительными фурмамилб"укладывали слой коксика, на слой коксика -слой агломерата и в такой последовательности заполняли весь объем модели.

II этап исследования - перед дополнительными фурмами 6 укладывали слой агломерата, а на слой агломерата - слой коксика, т.е. укладка слоев велась в обратном порядке.

На рис.4.б изображен характер изменения концентрации диоксида углерода по мере удаления от стенки колошника к оси модели.

. . Кривая I соответствует вдуванию С0^ в слий агломерата. Кривая II - вдуванию С0^ в слой кокса.

Анализ экспериментальных данных свидетельствует, что показатель неравномерности распределения газа в коксовом и рудных слоях отличается в 3 раза.

Таким образом, горизонтальное распределение газа в вертикально продуваемой шихте наблюдается как в слоях кокса, так и в слое агломерата, однако в последнем в 3 раза неравномерней.

- 21 -

СТЕПЕНЬ ЗАВЕРШЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ПЛАВЛЕНИЯ В ВЯЗКОПЛАСТИЧНОЙ ЗОНЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Учитывая, что в ВП зоне рудное сырье практически не восстанавливается, а содержание ЕеО в первичных шлаках не должно превышать 107-, необходимо повысить восстановимость сырья на горизонте температур, соответствующих температурам их конца размягчения, до 95 и более '/..

Термопластичные свойства окускованных железорудных материалов (агломераты из подготовленных лисаковских и атасуйских руд, окатыши из соколовско-сарбайских и лисаковских руд) определены при неизотермическом восстановлении под нагрузкой с одновременной регистрации изменения высоты и температуры образца с определением температур появления жидкой фазы.

Влияние степени восстановления агломератов проверяли в нейтральной среде (в реакционном стакане из магнезита), пробы восстанавливались до заданной степени на отдельной установке.

Установлено, что только при степенях восстановления более 80'/. происходит существенное улучшение показателей пластичности агломератов: температура конца размягчения повышается до уровня 1200 "С, а интервал вязкопластичной зоны сужается до 130 °С.

Влияние гранулометрического состава оценено по испытанию агломератов различной зернистости. Полученные данные свидетельствуют , что вывод из шихты мелких фракций (0-Змм) сокращает вязкопластичную зону.

Влияние химического состава на термопластичные свойства оценено при испытании агломератов а/ф N 2 КарйК с различным содержанием оксидов железа и магния. Основность агломератов изменялась с 1,07 до 1,23.

Результаты экспериментов свидетельствуют, что повышение содержания РеО в агломерате с 15 до 192 увеличивает интервал вязкопластичного состояния в основном из-за уменьшения температур размягчения. При 18,6% РеО дТвп составляет 130°С (п.5,таб.1), изменение содержания монооксида железа до 15.3% (п.2,табл.1) сужает Твп на 30 С (при одинаковом содержании влакообразуючих компонентов).

Таблица 1.

Термопластичные свойства агломерата а/ф N 2 КарМК

Н ! Химический состав .масс.Х ! Температура °с

п/п! ----

; РеОобц РеО ! КдО !Са0/5Ю2! Тнр Г Ткр ! Тпл ! дТвп

1. ! 46,6 15,5 1.8 1.15 1160 1200 1290 90

2. ! 46,6 15,3 1.8 1.14 ИЗО 1200 1300 100

3. ! 46,5 17,1 1.9 1,15 1110 1190 1290 100

4. ! 46.5 17.8 1,8 1.15 1080 1170 1290 120

5. ! 46,6 18,6 1.9 1.14 1090 1150 1280 130

6. ! 46,9 17.1 1.9 1,07 1090 1160 1310 150

7. ! 46,9 17,0 1.8 1.13 1100 1170 1300 130

8. ! 46,8 17,1 1.9 1.16 1110 1190 1290 100

9. ! 46,8 17,0 1.8 1,19 1110 1200 1300 100

10.! 46,7 17.1 1.9 1,23 1120 1210 1300 90

И.! 47,0 17,7 1.8 1.11 1100 1170 1300 130

12.! 46,9 17,8 2.1 1.Ю 1120 1190 1310 120

13.! 46,9 17,8 2,4 1.10 1160 1210 1320 110

14.» 46,7 17,7 2,7 1.11 1170 1230 1330 100

Оценка влияния шлакообразующих компонентов показывает улучшение термопластичных свойств агломератов при увеличении в них оксидов кальция и магния (пп.6-10 и 11-14 соответственно). Так, при содержании 172 РеО в результате повышения основности агломерата с 1,07 до 1,23 (1,8-1,3% МуО 3 увеличивается температура конца размягчения с 1160 до 1210сС. Это приводит к-сужении интервала вязкопластичного состояния на 60 сС. Изменение содержания МвО влияет на дТвп слабее чем основность: увеличение концентрации еще на 1/3 снижает температурный интервал всего на 30°С (пп.11-14).

По результатам экспериментов получены уравнения регрессии, описывающие влияние основности, содержания монооксида железа и оксида магния на интервал вязкопластичного состояния и температуру конца размягчения агломерата:

Ткр = 1070 - 1 ,ЗРеО - 72МуО ^ 290Са0/.<И02 (1)

(й = 0,72: М - 40.9)

дТвп = 450 + 1,ЗРеО + 55МдО - 400са0/я1(2) (Я = 0,88; н = 24,7)

Анализ результатов исследований и уравнений регрессии позволяет определить состав агломерата, обеспечивающий оптимальное распределение вязкопластичной зоны доменной печи объемом 3200 м3 КарМК: 10-14% РеО и 1,8-2,0% Мй0 при основности 1,15-1,20. При использовании такого агломерата температура конца размягчения находится в пределах 1260-1290°С, а интервал вязкопластичного состояния не вире, чем 90-115°С .

Определены температурные уровни пластичного состояния же-

лезорудных материалов доменного цеха Магнитогорского металлургического комбината. Были изучены температурные уровни процесса размягчения-плавления агломератов производимых на 1 - 4 фабриках и окатывей ССГПО с различной основностью (табл.2).

Приведенные данные свидетельствуют, что наибольший разброс результатов определения Тнр получен по агломерату 4 фабрики (1080-1200°С), наименьший - у окатывей ССГПО и доменной руды, что видимо является следствием стабильности химического состава исходной пробы. При одинаковой .основности агломератов наименьшую температуру плавления имеет агломерат 1 фабрики 1300-1360°С против 1400-1420°С у других фабрик, что видимо является следствием низкого содержания железа и пониженной степени восстановления агломерата фабрики 1.

Температура начала размягчения окатышей ССГПО и агломератов практически не отличаются и соответственно равны 1120-1195 и 1140-1200°С. Показатели Тпл окатышей находятся на уровне 1340- 1390°С, они у агломератов несколько выше - 1400—1420°С. Следует отметить, что температуры плавления окатышей и агломератов при основности, определенной как оптимальная по термопластичным свойствам наиболее близки. Она у окатышей (Са0/$Ю2 -1,13-1,17) равна 1370-1380 °С, а у агломератов (Са0/$Ю2 =1,28-1,35) - 1400-1420°С.

Таким образом, при плавке многокомпонентной шихты в доменных печах ММК для стабилизации зоны размягчении плавления основность окатышей должна быть на уровне 1,13-1,17, а агломератов - 1,28-1,35.

Термопластичные свойства гелезорудных материалов, проплавляемых в доменном цехе ИНК

Таблица 2

N NN Хим. состав образцов,/: ! Показатели пластичности,°С Ст.восст. ,7.

пп Млтопилп П ПМ Т АР

два I срлил и 11 и ио

Ре 1 РеО МдО Са0/5Ю2! Тнр Ткр Тпл лТвп ! {¿х

1. Агломерат а/ф 1 1 49,6 11,5 2,3 1,34 ! 1130 1230 75

2 1100 1200 1300 100

3 1170 1270 1360 90

2. Агломерат а/ф 2 4-7 53,6 13,4 2.1 1,34 ! 1170 1320 1420 100 80

3. Агломерат а/ф 3 8-10 55,4 14,1 2.2 1,34 ! 1170 1280 1430 150 82

4. Агломерат а/ф 4 11 54,9 10,7 2.0 1,34 ! 1080 1200 1350 150

12 1200 1330 88

13 ИЗО 1320 1430 110

5. Окатыии ССГПО 14 62,9 0,95 ! 1160 1250 95

15 1220 1290 1360 70

16 1200 1300 1350 50

6. Руда(отмытая) 17 52,4 0,15 ! ИЗО 1250 75

18 1140 1240 1390 150

19 1120 1300 1400 100

При агломерации лисаковских концентратов фосфор переходит в «лаковую фазу, образуя силикофосфатные минералы типа силико-карнотита 5СаО*Рг 0д*510 % . В этом минерале на 1 массовую долю фосфора приходится 4,527 массовых долей оксида кальция и 0,97- диоксида кремния.

Низкая степень использования монооксида углерода на доменных печах КарНК обусловлена в первую очередь прямым восстановлением повыиенного количества фосфора. Это приводит к необ- -ходимости изыскания путей повышения восстановимости агломерата при высоких температурах (свыше 900-1000°С).

Экспериментальные исследования (рис.5) показывают, что при снижении РеО до 12-142 с одновременным повышением основности до 1,17-1,19 при 2'/. МдО температура конца размягчения агломерата повышается на 30-70°С.

Для контроля состава шихты по вышеприведенному методу предложено выражение:

РеО СаО - 4.527*Р

в ------*----------------------------------(3)

Мео - 0.97*Р

Этот комплексный показатель учитывает количество свободного СаО (в зависимости от количества фосфора) и постоянство отношений оксидов железа и магния.Лабораторными исследованиями установлено, что оптимальное его значение для агломерата а/ф N 2 равно 4,6-6,1. Текущий производственный контроль показал, что уменьшение показателя "ш" от 6,6 до 5,1 привело к повышению Ткр на 35°С с одновременным сужением интервала пластичности от 142 до 102°С. Это позволило увеличить в шихте доменных печей долю руды под коксом и,как следствие,привело к его экономии.Экономический эффект составил 540 тыс.руб (1991 г).

л%„, С

т

ЪЛ

2,0 3,0 1,1 1,2 0 15 25 М$0,% СаО^Ц ГеО,%

Рис.5.. Влияние химического состава агломерата на температурные уровни пластичности.

дата ! . ш ! Ткр ! дТвп

1985 6,6 1210 142

1986 5,5 124? 110

1987 5,7 1240 112

1988 5,3 1233 ИЗ

1989 5.1 1245 102

Высокотемпературное моделирование процессов восстановления и плавления выполнено на лабораторной модели шахтой печи с плазмотроном ( вдувание горячего конвертированного газа ).

Расход газа определялся исходя из условия достижения нижней границы автомодельности газового потока.

В печи измерялись температура газа на различных высотах от зоны пластичного состояния до колошника, опций и нижний перепады давления в печи, химический состав колошникового газа и рассчитывались энтальпия и выход колошникового газа. Проводились материальный и тепловой балансы, на основании которых определялись удельный расход кокса и тепловые потери в печи:

- получен чугун при расходе кокса 0,1 кг/кг чугуна;

- нестационарность хода кривых диоксида углерода в слое свидетельствует о нестационарном характере движения и плавления шихты в печи;

- физико-химичекий анализ продуктов плавки показал, что в лабораторной печи достигнуто разделение процессов восстановления и плавления.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВЯЗКОПЛАСТИЧНОЙ ЗОНЕ С УЧЕТОМ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ РЕША ПЛАВЛЕНИЙ

Нестационарность доменного процесса обусловлена пульсаци-онными изменениями режима при порционной загрузке шихты и выпуска продуктов плавки. Изменение физического состояния материалов шихты предопределяет наличие опасных температурных интервалов. Наличие таких особых зон (разрушение рудного сырья, размягчение и плавление его) существенно искажает температурные и концентрационные поля.

Известные колебания теплового режима нормально работающей доменной печи связаны с неустойчивостью пространственного и временного положения вязкопластичной зоны. В значительной степени это обусловлено реакциями прямого восстановления оксидов железа, фосфора, марганца и др. и, вызванное этим процессом, изменение теплопотребности вязкопластичной зоны.

Расположение изотерм плавления рудного сырья в основном определяется "запасом" тепла коксовых окон, т.е. от теплобмена газ-кокс-руда. Обусловлено это практической газонепроницаемостью слоя рудной шихты при его нахождении в вязкопластичной зоне.

Известными уральскими металлургами предложен способ ведения доменной плавки с повышением уровня теоретической'температуры горения при уменьшении относительного количества фурменных газов (подтвержден также и украинскими исследователями).

В тепловом балансе доменного производства расход тепла на прямое восстановление составляет от 13 до 25 У., поэтому для оценки устойчивости теплопотребности ВП зоны предложено:.

Лвп = ( иг Тт )/ 105 га

(4)

Диапазон изменения величин, входящих в формулу (4) по условиям работы доменных печей КарМеткомбината, перерабатывающих лисаковские бурые железняки с низким содержанием железа и высоким-фосфора:

иг = 2000 +2500 м3/т чуг, Тт = 2100+2400 °С, г^ = 0.2 + 0.3.

При Гд= 0.3 теплопотребность составляет 6955 НДж/т. При г^ = 0.2 - 6703 МДж/т (снижается на 3,6 у.). Соотношение (4) при этом имеет следующие пределы: г</ Звп 0,2 238 0,3 165

Сущность пределов поясняется на рис.6, где показана зависимость комплексного показателя от избытка тепла и г^, точками на фигуре обозначены периоды промышленных испытаний (таол.З).

Из таблицы видно, что приход тепла с горновым газом соответствует теплопотребности печи (периоды 2,3,4,5), если показатель "Звп" находится в интервале значений 165-238.

Для исследования и управления вязкопластичной зоной необходимо знать величины большого числа физико-химических параметров, их флуктуации в объеме печи и во времени. Прямое измерение таких величин практически невозможно или очень сложно, поэтому необходимо использовать косвенные измерения, позволяющие устанавливать связь между измеряемыми и искомыми величинами на основании теоретических моделей и приближенного к процессу математического описания. Исходным положением является то, что

Таблица 3

Промышленная проверка индекса устойчивости ВП зоны

Показатели !Ед.изм. ! П е р и о д ы

1 • 1 .! 2 _ _! 3_ !_ _4. !_ 5 ! 6 _

Пр.чугуна т/сут 4054 4665 4661 4998 4692 4244

Расход кокса кг/тчуг 602 572 575 570 586 623

Ur м3/т чуг 2158 2136 2136 2124 2181 2520

Тт 'с 2200 2319 2292 2342 2295 2270

rd Д.ед. 0,30 0,30 0.26 0,23 0,21 0,22

Двп 158 165 188 216 238 260

Теплопотребн. НДж/т 6956 6956 6855 6780 6729 6754

Приход тепла МДж/т 6670 6960 6878 6989 7033 8037

Отношение прихода тепла

к теплопотребности 0,96 1,00 1,00 1,03 1,05 1,19

нестационарная загрузка шихты в печь позволяет заменить один или несколько рудных слоев другим, более газопроницаемым материалом ( коксом, например). И, при этом, производя непрерывное измерение нижнего перепада давления газа в печи прибором с чувствительностью, обеспечивающей фиксацию этой величины на замененном слое, опустившимся в ВП зону, а о ее положении и конфигурации судить по началу и абсолютной величине изменения нижнего перепада в соответствующие моменты времени. При этом угол наклона зоны к горизонту определяется из: дРз - дРз,

cos сА ---------------* С (5)

ьРз,

С - постоянная, определяемая согласно таол.4;

Уфг •7т' Сер а

Рис.6.

Зависимость критерия теплового состояния зоны от запаса тепла в горне.

где дРз и дРз( - перепад давления на вязкопластичной зоне до и после попадания нового слоя в зону, Установленные закономерности показывают принципиальную возможность определения конфигурации вязкопластичной зоны по величине промежутка времени от момента загрузки в печь измененного слоя яихти до момента соответствующего изменении нижнего перепада давления газа в печи.

Освоение разработанного способа контроля параметров ВП зоны проводили на доменной печи КарМК, объемом 2700 м3. На печи проплавлялся агломерат, получаемый при спекании концентратов лисаковского ГОКа, температура начала размягчения которого равна 1100°С. Нигний перепад давления измерялся прибором й 37, позволявшим осуществлять 90%-ю компенсацию уровня фиксируемого сигнала, за счет чего соответствующим образом повышалась чувствительность замера. Абсолютная величина нижнего перепада была £

равна 0.95*10 Па, а его изменение в результате проведения реко-

г

мендуемой замены 0.85*10 Па. Система загрузки 2РРКК|5КРРК^. В первой подаче второго цикла загрузка проводилась по схеме ККРР^. Таким образом,.в печь попадал слой кокса,состоящий из двух скипов предыдущей подачи и двух скипов измененной.По времени Т до максимального снижения нижнего перепада давления, зная скорость опускания иихтн Мех, можно определить положение нижней точки ВП зоны относительно уровня засыпи:

Нкз = Т Цех (6)

Таким образом, нестационарность загрузки шихты ( чередование слоев кокса и руды, введение "холостых" подач, смена систем загрузки ) позволяет упростить прямые методы определения параметров вязкопластичной зоны в доменной печи (табл.4).

Таблица 4

Пример расчета Нкз и С^ .

NN ! . Параметр {Обозна- {Единица ' ! Величин

пп' 1 чение {измерения ;

1. Скорость схода иихты Осх м/час 3,3

2. Время до изменения дРз час 5,9

3. Вусота нихты от ОВФ

до уровня засыпи Нш м 26,3

4. Высота корня зоны от ОВФ

(Нкз=Нш - -тОсх) Нкз м 6,8

5. Нижний перепад давления газа ДРз Па 0,95#10б

¿Рз, Па 0,87*105

6. Проницаемость кокса м2 8,72*10"8

агломерата к2 м2 2,94*10"8

7. Радиус корня зоны

(принят радиус распара) II м 6,15

8. Поверхность нового слоя (Н=0,45м) при его распо-

ложении в корне ВЦ зоны 5кз м2 17,4

9. Постоянная проницаемости

с=( к 1+к2 )*7Я2/25кз( к, ) с - 7,09

10 . Наклон зоны соз с* - 0,659

а град. 49

. Сопротивление ВП зоны можно оценивать при нанесении ступенчатого возмущения по расходу дутья в печь.

Наполнение воздухонагревателей технологически производится

15 - 20 раз в сутки, что предопределяет использование этой нестационарности для контроля газодинамической напряженности нижней части доменной печи.

Однако, в отличие от методов проф. Грузинова В.К..Фиалкова Б.С., Стефановича M.ft, нами предложено оценивать газодинамическое сопротивление печи по времени релаксации вносимого в дутье возмущения. При этом скорость передвижения координаты поверхности возмущенного поля зависит от времени и свойств сырья.

Следовательно, возможно оценивать газодинамическое сопротивление любой части печи по времени от начала возмущения, внесенного в давление газа на входе, до появления отклика на выходе. Для нашего случая, отклик характеризуется изменением давления газа на датчике, расположенном выше ВП зоны, т.е. изменение верхнего перепада давления газа при постоянном давлении газа на колошнике.

Для количественной оценки газодинамического сопротивления нижней зоны печи предложено следующее выражение:

3 = Т/ Н (7)

где Н - расстояние от оси воздушных фурм до датчика давления в шахте печи, м ;

X - время от начала уменьшения нижнего перепада до изменения верхнего, с.

В принципе показатель " 3" есть обратная величина скорости передвижения возмущенного фронта газового потока, которая зависит от газодинамического сопротивления печи, ft таблице 5 приведены типичные экспериментальные данные при райоте доменной печи объемом 2700 куб.м ( Н - 11.4 м ).

При анализе показателя " 3 " обнаружена связь его с температурным интервалом вязкопластичного состояния

Таолица 5

Определение газодинамического сопротивления нижней зоны доменной печи

N пп х, сек дРн, ати дРв.ати З.с/м

1 0 0.8 0.4 -

2 0 0.6 0.4 -

з. • 10 0.6 0.4 -

4 . 20 0.6 0.4 -

5 ■ 26 0.6 0.3 2.28

железорудного сырья:

3

1.90 2.28 2.63

дТвп 110 150 180

Следовательно, с увеличением толщины ЙП зоны индекс газодинамического сопротивления нижней части печи увеличивается.

Нестационарность загрузки шихты позволяет использовать газодинамический фактор для определения параметров качества шихты.

Принципиальная особенность предложенного метода заключается в том, что контроль гранулометрического состава ведется по весьма удобному и. надо заметить, первичному показателю изменения крупности шихты - по величине выхода колошникового газа.

Это обстоятельство и предопределяет возможность применения этого способа для точного контроля гранулометрического состава всего объема загружаемой в печь шихты:

И 1 лЭ(У-лУГ(2/-лЗ)

эг ..............(8)

Иепытание метода в доменной печи объемом 2700 куб.м выполнено на шихте, с колиброванным диаметром частиц, которая загружалась в печь раздельной подачей кокса и агломерата. При зтом измерялись следующие показатели процесса:

и - выход колошникового газа до загрузки шихты; дЭ - изменение выхода колошникового газа при загрузке зтал-лона(табл.6).

Таблица 6.

Результаты измерений в доменной печи.

N !<1зт ! дЭ ! и ! дЦ ! с1,мм ! й.ыы

-•IX

п/п мм !10 м /мин!10 м /мин!10 м /мин!по пред.пп.!по рассеву

1. 17,9 1,90 4,40 - - 17,9

2. - - 4,40 2,24 12,0 12,0

3. - - 4,40 1,89 18,0 18,1

4. - - 4,40 1,84 19.2 19,3

5. - - 4,40 1,98 16.1 17,2

6. - - 4,40 1,90 17.9 17,7

7. - - 4,40 1,15 45.1 47.1

8. - - 4,40 1,08 49,6 50,3

9. - - 4,40 1,01 54.9 54,8

Определяемые данные по качеству шихты позволяют контролировать работу припечных грохотов и стабилизировать поступление качественной аихты в ВП зону.

- 38 -

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗОНЫ ' ВЯЗК0ПЛАСТИЧН0Г0 СОСТОЯНИЯ РУДНОГО СЫРЬЯ

Пространственное распределение вязкопластичной зоны в доменной печи объемом 3200м3 оценивалось посредством нанесения экспериментальных результатов пластичности агломератов на изотермы, полученные расчетным путем по методу ВНИИМТ.

Первый период работы печи характеризуется форсировкой печи дутьевыми параметрами, второй - повышенным расходом кокса и низкой производительностью, третий - средней производительностью при уменьшенном расходе кокса и четвертый - высокой производительностью и низким расходом кокса.

В 1-м периоде вязкопластичная зона распространяется от низа шахты и заполняет практически весь распар. Ход печи характеризуется развитым периферийным потоком газа, что и обусловило повышенный расход кокса (рис.?).

Во 2^м периоде вязкопластичная зона расположена в шахте печи и имеет максимальную высоту. Высота зоны обусловлена свойствами агломерата (низкая Ткр и высокий дТвп),а расположение зоны в шахте - в основном повышенным расходом кокса и низкой его интенсивностью горения, что привело к повышению коксового слоя на фурмах до низа вахты печи. Все это, даже несмотря на сравнительно развитый центральный ход, привело к потере производительности печи,

В 3-м периоде вязкопластичная зона опущена ниже и входит в заплечники, но имеет уже меньшую толщину. Ход печи центральный, но сравнительно ровное газораспределение привело к уменьшению наклона зоны от вертикали в объеме печи. Поэтому в данном случае производительность уменьшилась, а удобное расположение зоны

Рис.7. . Расположение ВП зоны по изотермическому методу

- 40 -

способствовало снижении расхода топлива.

В 4-м периоде вязкопластичная зона расположена вме - от низа шахты до распара и не входит в заплечики, толщина зоны минимальна и имеет высокий наклон как к центру, так и к периферии печи.

Ход печи периферийно-центральный с хорошо открытым центром. Высокий наклон зоны снял напряженность газового потока при проходе им вязкопластичной зоны за счет образования оольшего числа коксовых прослоек, через которые горновый газ свободнее проходит в вахту печи.

Таким образом, объемное расположение вязкопластичной зоны является главным фактором экономичной работы доменной печи. Минимальная ее толщина, наклон к центру и периферии, отсутствие периферийной ее части в вахте и распаре ведут к уменьшению напряженности газового потока в нижней части печи и, как следствие, к улучшению технико-зкцноыических показателей.

Оперативный контроль местоположения вязкопластичной зоны по методу ХМИ-ВНИИМТ возможен только при использовании мощных ЭВМ, установленных на доменных печах.

Для промышленного контроля параметров ВП зоны, на основе положений проф.Китаева Б.й. по определению температур нижней зоны теплообмена в доменных печах, предложено: 1 п [ С 1-ВмННм/Нг )ср]

Н =----------------------------------------(9)

-1,15[(Нм/Нг )ср - И Н -расстояние от уровня воздушных фурм до корня ВП зоны, м йм -водяной эквивалент материала, ДжДград. т час) Кг -водяной эквивалент газа, Дж/(град*т час) 0м =(Тт - Тпл)/(Тт - Ткр).

Для определения высоты (от уровня воздушных Фурм) вязкоп-ластичной зоны в центре печи использовано выражение:

(С02)рг/(С02)Ц

Нц = Н----------------------------(10)

(Нм/Нг )ср

где ( С0^)рг и ( С0г)ц - содержание в колошниковом газе в рудном гребне и центре печи, У. .

Оптимизация параметров ВП зоны проводилась в доменной печи объемом 3200 ы3(табл.7).

При системе загрузки 5РРКК*2КРРК|и Тт = 2250 "С (период 1) уровень основания вязкопластичной зоны опускается в область заплечиков, а вершина ее расположена в районе низа шахты и распара. Наклон вервины к центру печи незначителен. Это обусловливает низкую газопроницаемость вязкопластичной зоны, что привело к снижении производительности до 4054 т/сут и увеличении расхода кокса до 622 кг/т чугуна.

При переходе на систему загрузки 2РРКК|5КРРК|произошло раскрытие периферии и центра (период ,2). Вязкопластичная зона расположена в нижней части шахты и распаре. Наклон зоны к центру стал круче, уровень ее поднялся, поднялась и вершина зоны. Создались более благоприятные газодинамические и тепловые условия. Увеличился центральный ход газа, га уменьшилось до 0.26, возросла производительность и снизился расход кокса.

Снижение уровня засыпи до 1,5м по сравнению с предыдущим периодом (система загрузки оставалась без изменений - 2РРКК| 5НРРК|) должно было привести к подгрузко периферии и раскрытию центра, что и показало распределение СО^ по радиусу печи (период.3). Ход печи стал центрально-периферийныр с преобладанием в центре.

Таблица 7

Оптимизация вязкопластичной зоны доменной печи объемом 3200 куб.м

Показатели ! ( » ! Ед. ! .ж^ч | 11 е р иод ы

поя, . ¡базовый 1 1 ! опыт с. н ы е ! 3 ! 4

1. Производство чугуна т/сут 4541 4054 4665 4661 4988

2. Расход: кокса кг/т.ч. 590 622 572 575 570

мазута 66 75 65 61 71

3. Дутье: расход м3/мин 5187 4976 5169 5150 5378

температура "с 1019 1063 1050 1062 1077

содержание г 25.3 24,7 25,8 25,3 27,3

влажность г/м* 20.7 14.3 11.4 14,0 15,9

4. Состав чугуна: 51 г 0.80 0,83 0,80 0,93 0,87

Р у. 1,121 1,196 1,155 1,125 1,219

5. Термопласт.св. дТвп \ 138 109 108 112 108

агломерата Ткр " 1216 1250 1250 1247 1247

6. Система загрузки - КРРК 5РРКК 2РРКК 2РРКК ЗРРКК

2КРРК 5КРРК 5КРРК 4КРРК

Уровень засыпи 1,25 1,25 1.5 1.5

7. Расчетные показатели:

Тт- "с 2176 2250 2314 2292 2342

иг м5/т.ч. 2240 2370 2140 2130 2130

Нм/Мг - 1.44 1,60 1,48 1,52 1,60

ГИ - - 0,310 0,260 0,256 0,230

н м 7.9 я о о, С. 6,6 6,0 5,6

Использование системы загрузки ЗРРКК| 4КРРК||с уровнем засы-пи 1,5 м явно улучиило работу печи ( 4 период ). Полностью раскрылся центр печи, что привело к увеличению наклона вязкоп-ластичной зоны к центру.

За счет оптимизации формы ВП зоны производительность увеличилась до 4998 т/сут, расход кокса снизился до 570 кг/т.чуг.

Оптимизация пространственного распределения вязкопластич-ной зоны заклвчается в координации работы систем загрузки и параметров комбинированного дутья, т.е. организация зоны с наи-болызим количеством прослоек кокса (так называемых коксовых "окон"). Это достигается увеличением глубины воронки шихты на колошнике печи с подгрузкой периферии железорудным сырьем. При этом основным контролем формы зоны является изменение содержания диоксида углерода по диаметру печи.

Для поддержания уровня зоны на определенном месте необходимо при увеличении Тт сокращать количество горновых газов на тонну чугуна (или на единицу рудного сырья). Зта мера позволит не только сохранить оптимальный уровень вязкопластичной зоны, но и интенсифицировать плавление (за счет повышения разницы температур) и улучшить степень использования СО .

Для получения формы вязкопластичной зоны типа А , необходимо применять системы загрузки, которые будут подгружать периферию рудой, при этом железорудный материал должен обладать хорошими- прочностными характеристиками в холодном состоянии (выход мелочи 0-5мы меньше 10%). Например, ЗРР'КК^4КРРй}( возможно и ЗРРКК| 2КРРЩ) с уровнем засыпи 1,25-1,5м, которая по-видимому является оптимальной для доменной печи объемом 3200 куб.м.

- 44 -

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА

При освоении пирометаллургического передела лисаковских гравитационно-магнитных концентратов на Карагандинском металлургическом комбинате требовалось разработать и внедрить мероприятия, направленные на интенсификации доменной плавки, снижение удельного расхода кокса и стабилизации хода доменных печей. Перед исследователями была поставлена комплексная задача по снятию газодинамической напряженности доменных печей как в верхней, так и в нижней частях. Исследования велись в следующих направлениях :

1 - изучение металлургических свойств агломерата из ЛГМК, его

поведение при восстановлении и плавлении, с целью оптимизации состава и технологии его производства;

2 - влияние режима загрузки шихтовых материалов на показатели

работы печей;

3 - исследование свойств металлургических расплавов и подбор

рационального шлакового режима;

4 - разработка параметров комбинированного дутья.

Необходимость широкого изучения металлургических свойств нового железорудного сырья определила два зтапа исследования:

- зондирование доменной печи с отбором проб газа и шихты;

- подробное изучение аглометатов на лабораторных установках. Оба этапа реализовались паралельно, во взаимной связи.

Результаты экспериментов С рис.5 ) свидетельствует, что повышение в агломерате РеО с 15 до 192 увеличивает температурный интервал вязкопластичного состояния в основном из-за уменьшения температуры конца размягчения. Оценка влияния шлакообразующих компонентов подтверждает закономерное улуч-

шение термопластичных свойств агломератов при увеличении в них оксидов Са и Мй.

Таким образом управление качеством агломерата за счет повышения в них РеО приводит к улучшению горячей прочности, но и одновременно и к уменьшению высокотемпературной восстановимое™ и ухудшению вязкопластичных характеристик.

Это противоречие было решено совместными разработками УралМеханобра - ХМИ - КарМК - ВНИИМТ освоивших комплекс мероприятий по технологии спекания агломерата из ЛГМК. При этом содержание РеО в агломерате снизили до 8-12'/., что повысило восстановимое™ (при 1150-1200 °С) их до 85 - 30Х с одновременным сужением температурного интервала вязкопластичного состояния до 100-90 градусов. В результате улучшились технико-экономические показатели доменной плавки: производительность увеличилась на 8У. при снижении расхода топлива на ?.'/..

Следовательно, текущий производственный контроль металлургических свойств (прочности, термопластичности> железорудных материалов позволяет своевременно принимать меры по улучшению их качества и повышения эффективности производства чугуна.

Результаты горизонтального зондирования показали, что столб шихтовых материалов в доменных печах имеет устойчивую структуру, при которой обеспечивается раскрытие центра ( 4-7У. С05) с недостаточной подгрузкой периферии (6-82 СО^).

С целью подбора рационального режима загрузки для улучшения технико-экономических показателей доменной плавки при использовании агломерата из ЛГМК были опробованы различные системы загрузки. На доменной печи опробована загрузка по системе КРРК^ 1РРКК|,4КРРК(, 2РРКК| 5КРРК{. 2РРКК| ЗКРР^. Изменение систем загрузки производили при неизменных величинах по-

дачи (38 т) и уровне засипи (1,5 м). Из сравнении показателей работы печи на разных системах загрузки установлено, что увеличение числа прямых подач в цикле приводит к повышению производительности печи. Удельный расход кокса снизился на 2,92 при использовании систем загрузки с повышенной долей прямых подач.

В целом по результатам исследования установлено, что загрузку доменных печей следует проводить по системе КРРК или в сочетании с РРКК} ( рис.8 ).

Освоение автоматической системы контроля ВП зоны осущест-лялось в доменной печи объемом 3200 куб.м. в режиме реального времени.

В рамках разрабатываемой системы подлежали реализации следующие алгоритмы:

- вычисления по выше указанным формулам:

- сбора информации с приборов КИПийвтоматика;

- передачи информации на матричный индикатор,формирование видеокадра;

- передачи информации на самопишущие приборы.

В результате автоматического сбора и обработки информации реализован непрерывный контроль, определены технологические границы и динамические свойства параметров, что позволило оперативно анализировать тепловое состояние и оптимизировать теплопотребность доменного процесса с теплосодержанием горновых газов, в 2-3 раза сократить среднеквадратичное отклонение прихода тепла и соответственно стабилизировать качество чугуна: среднеквадратичное отклонение по содержанию кремния уменьшилось на ЪТ/.:

ЗРРКК14КРРК^

крркь

П=4850т/сут К =570 кг/т [513=0.36%

Рис. 8.' Проекции вязкопластичной зоны при работе печи с различной системой загрузки. Цифрами обозначены профили соответствующих подач.

- 48 -ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. При нахождении аналитических выражений,связывающих газопроницаемость вязкопластичной зоны с ее параметрами показано,что процессы происходящие в ней могут служить источником периодических изменений. Установлено,что частота этих изменений пропорциональна скорости схода шихты и синусу угла наклона зоны к горизонту,а также обратно пропорциональна высоте элементарного слоя руды или кокса.Определены требования,при выполнении которых газопроницаемость зоны будет максимальна,

2. Определена функциональная взаимосвязь между поверхностью коксовых слоев и их толщиной, а также усадкой шихты и углом наклона зоны к горизонту. Показано, что последний параметр оказывает наибольшее влияние на поверхность коксовых слоев.

3. Показано, что при Л-образном расположении вязкопластичной зоны имеется резерв рудной нагрузки на периферии, при этом горизонтальный переток газа в коксовых слоях в 3 раза равномерней, чем в рудных.

4. Предложен способ оптимизации теплоооменных процессов в вязкопластичной зоне доменных печей, основывающийся на регулировании угла между зоной и элементарными слоями шихты. Показано, что оптимальныое значение последнего определяется такими, физически достаточно просто измеряемыми величинами, как теплоемкость шихты и газа, перепад давления на ВП зоне.

5. Разработан механизм формирования жидких фаз при термохимической обработке железорудного сырья, складывающийся из процессов чисто физического уплотнения слоя восстановленного частично или полностью рудного сырья с учетом порозности слоя и пористости материала, а также твердофазной диффузии восстановленного железа с вязкопластичныи течением силикатной связки.

В соответствии с этим процессы разделены на 3 стадии по температурным интервалам.

6. Экспериментально определены термопластичные свойства окускованных руд Казахстана, установлено влияние химического состава агломератов и окатыоей, оценено их влияние на технические показатели доменной плавки.Метод внедрен на Карметкомбинате с экономическим эффектом 540 тыс.руб ( в ценах 1991 года ).

7. Оценка пространственного распределения вязкопластичной зоны доменной печи объемом 3200 куб.м осуществлена нанесением экспериментальных результатов исследований термопластичных свойств агломератов на изотермы, полученные расчетным путем по методу ВНИИНТ.

8. Установлено, что объемное расположение вязкопластичной зоны является главным фактором экономичной работы доменной печи. Минимальная ее толщина, наклон к центру и периферии, расположение корня зоны, в основном, в распаре ведет к снижении напряженности газового потока в нижней части печи.

9. Улучшение термопластичных свойств агломерата и изменение системы загрузки для подгрузки периферии привело к установлению оптимальной формы вязкопластичной зоны. При равных параметрах дутья производительность печи возросла на 4,7%, а расход кокса снизился на 6,7%.

10. Для оперативного контроля местоположения вязкопластичной зоны разработан упрощенный метод расчета изотерм зоны. Решение метода возможно как аналитически (на ПЭВМ типа IBM), так и с помощью номограмм.

11. Предложен способ контроля положения вязкопластичной зоны .заключающийся в измерении перепадов давления газов по высоте печи при разовых увеличениях толщины слоев кокса.При этом

положение и конфигурация зоны определяется по времени.величине и.характеру изменения нижнего перепада давления.

12. Проведены промышленные испытания с целью выявления технологических факторов для отработки оперативного контроля вязкопластичной зоны. Установлено, что для оптимизации вязкоп-ластичной зоны необходимо использовать системы загрузки, подгружающие, периферию, увеличить теоретическую температуру горения.

13. Обработка показателей доменной печи ооъемом 3200 куб.м показала, что наиболее благоприятная вязкопластичная зона достигнута при системе загрузки 'ЗРРЩ 4КРРЦ , значений Тт -2300-2350°С и улучиении термопластичных свойств агломерата.

14. Наибольшее влияние на параметры ВП зоны оказывает изменение степени прямого восстановления оксидов железа, теоретическая температура горения кокса и количество вводимого тепла.

15. В результате автоматического сбора и обработки информации реализован непрерывный контроль, определены технологические границы и динамические свойства параметров, определяющих вязкопластичную зону в доменной печи. Зто позволило оперативно анализировать тепловое состояние по внутренним параметрам доменного процесса.

16. Способ дает возможность оптимизировать теплогютреб-ность доменного процесса с теплосодержанием горновых газов и сократить резерв технологической надежности по топливу.

17. Признано целесообразным для анализа и регулирования по предложенному способу применить специализированный вычислитель ный комплекс с развитыми"техническими и программными средствами по вводу аналоговых сигналов, включая сигналы низкого уровня, и формирование сложных сигналов управления.

18. Приход тепла в горн печи (в, МДж/мин) иеооходимо оце-

нивать в соответствии с темпом загрузки шихты С и с х, т/мин) и показателем степени прямого восстановления оксидов железа (г^).

19. Разработаны и приняты к освоении новые методы ведения доменной плавки, основанные на периодичном изменении структуры столба шихты.

20.Разработан алгоритм локальной системы управления тепловым состоянием горна печи.Алгоритм реализован в виде программ расчетов для персональных ЭВМ.

Основные опубликованные работы

1,Никитин Г.М. Внедрение методов управления вязкопластич-ной зоной в доменных печах.Караганда: ДНТИ, 1990.-82 с.

2.Никитин Г.М.,Фиалков Б.С. Газодинамические явления в заплечиках доменных печей. В кн:Производство чугуна.Свердловск: 9ПИ, 1987, с.41-47.

3.Оценка газового потока доменной печи объемом 2700 м3 /Никитин Г.Н..Вакулин В.Н..Пластинин Б.Г.и др. Сталь, 1979, N 10. с.745-746.

4.0спанов Б.Г.,Никитин Г.М.,Яковлев Е.А. Режим вдувания восстановительных газов в шахту доменной печи. Известия ВИЗ. Черная металлургия. 1990, N 5, с. 16 - 18.

Б.Мирко В.А., Никитин Г.М.,Беляков В.Н. Новые высокотемпературные методы контроля качества железорудного сирьа. Караганда: ПП0 ОФСЕТ, 1986, - 50 с.

6.Никитин Г.М. Расчет степени восстановления железорудных материалов. Известия АН СССР.Металлы.1980, N 2, с.15 - 18.

7.Никитин Г.М. Расчет степени превращения оксидов железа при восстановлении. Комплексное использование минерального сырья. 1987, N 7, с.60 - 62.

в.Балапанов М,К.,Никитин Г.М. Процесс разделения металла

и шлака в условиях доменной плавки лисаковских концентратов. Комплексное использование минерального сырья. 1986, N 11. с. 33-35.

9.Моделирование шахтной печи в процессах выплавки чугуна с применением, низкотемпературной плазмы /Яковлев Е.А.,Никитин Г.М.Дасенов Б.П. и др. Известия ВУЗ.Черная металлургия, 1994, с. 5 - 7.

10.Восстановительная плавка железорудного сырья с использованием конвертированного газа /Яковлев Е.А..Никитин Г.М.Да-сенов Б.П. и др. Сталь. 1994. N 11. с. 13 - 15.

11.Физико-химические процессы, протекающие при конверсии газообразного топлива при выплавке чугуна в условиях низкотемпературной плазмы /Яковлев Е.А.,Никитин Г.М.Дасенов Б.П. и др. Известия ВУЗ.Черная металлургия. 1994, N 12, с. 6 - 9.

12.Плазменная плавка железорудных материалов /Яковлев Е.А..Никитин Г.М.Дасенов Б.П. и др. Комплексное использование минерального сырья, 1994, Н 5, с. 68 - 71.

13.Никитин Г.М.,Беляков В.И.,Данаев Н.Т. Определение параметров вязкопластичной зоны в доменной печи. Сталь, 1992, N4,

14.Контроль параметров вязкопластичной зоны в доменной печи / Никитин Г.М..Балапанов М.К,,Беляков В.Н. и др. Известия ВУЗ.Черная металлургия. 1992, N 9, с. 69 - 73.

15.Никитин Г.М. Доменная плавка агломератов из гравитационно-магнитных концентратов АГОК, В кн. '.Металлургическая переработка железных руд с глиноземистой пустой породой. М..:Металлургия, 1990, с. 333-346.

16.Опытные доменные плавки агломератов из обжигмагнитных концентратов ЛГОК / Абишев Д.Н.,Мирко В.А.,Цимбал Г.Л..Никитин Г.М. Там же. с. 299 - 308.

17.Промышленные опыты с применением в шихте доменных печей безобжиговых окатышей ЛГОК / Никитин Г.М.,Михалевич А.Г.,Ман-чинский В.Г. .Балапанов М.К. Там же, с. 333 - 346.

18.Никитин Г.М..Балапанов М.К..Оспанов Б.Г. Термопластичные свойства окускованных лисаковских концентратов.

В кн.:Комплексное использование руд лисаковского месторождения. Караганда:ППО Офсет, 1986, с. 50 - 52.

19.Никитин Г.М.,Захаров й.Г.,Данаев Н.Т..Печегузова Л.Н. Сорбционные явления в слоевых процессах шахтных печей. Комплексное использование минерального сырья. 1992, N И, с.43 -46.

20.Доменная плавка с перераспределением углерода на прямое восстановление/Н.Т.Данаев,Г.М.Никитин,П.II.Суворин и др. Сталь, 1995, N 2. с. 8-11.

21.Никитин Г.М..Поликарский В.И..Калиакпаров П.Г. Контроль теплового состояния фурменной зоны доменной печи. В кн.: Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии. Новокузнецк, 1991, с. 231 - 232.

22 Никитин Г.М,.Горобцов В.М. Метод идентификации вязкопластичной зоны. Заводская лаборатория. 1992, N 7, с. -

23.Никитин Г.М. Стохастический анализ энергоемкости вязкопластичной зоны доменной печи. В кн.: Создание и совершенствование энергосберегающих технологий в пирометаллургии. Караганда: ДНТИ, 1988, с. 68-70.

24.Никитин Г.М..Русакова А.Г. Разделение металлической и оксидной фаз в процессе восстановления железорудного сырья.

В кн.: Кинетика, термодинамика и механизм процессов восстановления. Часть 2. М.: Наука, 1986, с. 31 - 32.

25.Никитин Г.М..Татаркин И.Л..Олиференко К.К. Моделирование, прогнозирование и освоение в производстве пирометаллурги-

ческих процессов восстановления окускованного сырья. В кн.: II 1-й Международный конгресс доменщиков. Новокузнецк, 1995, с. 76 - 77.

26. А.с. СССР N 962739. Лабораторная печь для определения качества железорудных материалов /Никитин Г.М..ПластинишнБ.Г., Мирко В.А. и др. Б.И., 1982, N 36.

27. А.с.СССР N 854987. Способ доменной плавки /Пластин Б.Г., Никитин Г.М.,Ухов В.Ф. и др.

28. П.с. СССР N 1688172. Способ определения положения зоны вязкопластичного состояния железорудных материалов в доменной печи/ Никитин Г.М.,Захаров А.Г.,Иванцов В.И. и др. Опубл. в БИ 1991, N 12.

29. А.с. СССР. N 1708856. Способ доменной плавки /Данаев И., Никитин Г.П.,Захаров А.Г. и др. БИ, 1992, N 12.

30. Патент РФ N 2022026. Способ контроля гранулометрического состава шихты, загружаемой в доменную печь / Никитин Г.М., Поликарский В.И..Капбасов В.К. и др. Опубл. в БИ, 1994, N 20.

Подписано к печати 04.11.96г. Формат 60x84 1/16 Бумага писчая Ризография ОСО НИЧ УГТУ Ун.-изд.л. 1,4 Тираж 100 экз. Дог.№ 100/14

620002,г.Екатеринбург,ул.Мира, 19