автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и разработка ресурсосберегающей технологии выплавки чугуна с использованием в шихте антрацита, как заменителя части кокса

На правах рукописи

Симанков Александр Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В ШИХТЕ АНТРАЦИТА, КАК ЗАМЕНИТЕЛЯ ЧАСТИ КОКСА

Специальность 05.16.02 «Металлургия черных, цветных и редких металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з ОКТ 2011

Москва 2011

4856838

Диссертационная работа выполнена на кафедре:

экстракции и рециклинга черных металлов

Национального исследовательского технологического университета

«МИСиС»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Юлиан Семенович Юсфин Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Лазуткин Сергей Евгеньевич

Кандидат технических наук Мишин Юрий Петрович

Ведущее предприятие:

ОАО «Уральский институт металлов»

Защита диссертации состоится «27» октября 2011 года в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.132.02 при Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» по адресу:

119049, Москва, Ленинский пр., д. 6, корп. 1, МИСиС, вауд. А-305.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».

Автореферат разослан 1

г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

А.Е. Семин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

Стратегической задачей, стоящей перед отечественной и мировой черной металлургией, является снижение потребления энергоресурсов. Основными путями, направленными на достижение данной цели, являются оптимизация технологических процессов производства, а также реализация проектов, направленных на снижение энергозатрат. В доменном производстве основным энергоносителем и наиболее дорогостоящим компонентом шихты является металлургический кокс, ресурсы которого крайне ограничены, а качественные характеристики, во многом зависящие от состава угольной шихты и состояния коксовых батарей, зачастую не соответствуют условиям достижения оптимальных параметров устойчивого технологического режима доменной плавки. Мировые запасы коксующихся углей в настоящее время оцениваются примерно в 1,5 трлн. т, что составляет менее 10 % общих ресурсов каменных углей; при этом разведанные запасы не превышают 400 млрд.т.

В России в качестве энергосберегающей технологии активно используется вдувание в горн доменной печи природного газа. Очевидно, что в ближайшее время стоимость природного газа может значительно возрасти и дальнейшее его использование, вероятнее всего, окажется экономически неэффективным. В мировой практике для экономии энергоресурсов при производстве чугуна используется технология вдувания пылеуголыюго топлива (ПУТ). Следует отметить, что на территории Российской Федерации на данный момент нет ни одного действующего комплекса по подготовке, хранению и подаче измельченного угля в горн доменной печи.

Исходя из всего вышесказанного, очевидно, что исследование вопросов связанных с добавкой антрацита в шихту доменных печей является весьма актуальной задачей, как с технической, так и с экономической точки зрения. Внедрение разрабатываемой ресурсосберегающей технологии позволит снизить расход кокса при выплавке чугуна в доменных печах, при этом отсутствует необходимость дополнительных капиталовложений, т. к. подача антрацита осуществляется через колошник при помощи действующего на печи засыпного аппарата Кроме того, использование в шихте доменного производства сырого антрацита, не требующего предварительной термической обработки, позволяет несколько снизить количество выбросов в атмосферу вредных веществ, образующихся в результате процесса коксования.

Цели работы:

• Отработать режимы доменной плавки с добавкой в шихту антрацита, как заменителя части кокса;

• рассчитать показатели доменной плавки при использований в шихте антрацита в различных количествах, с целью прогнозирования эффективности использования коксозамещающей технологии;

• оценить особенности процессов восстановления железа и трудновосстановимых элементов при добавке в шихту антрацита;'

• на основе практических данных и результатах расчетов, определить эффективность применения антрацита, как заменителя кокса;

• оценить влияние различных расходов антрацита на изменение газодинамических условий работы доменной печи, теоретической температуры горения топлива, температуры и состава колошникового газа, выхода шлака и состав чугуна;

• оценить влияние частичной замены кокса антрацитом на качество выплавляемого чугуна;

• определить оптимальный расход антрацита в шихте при выплавке чугуна различных марок.

Научная новизна:

1. Установлена зависимость степени развития процессов прямого и косвенного восстановления от количества использованного антрацита.

2. Теоретически обоснованы и практически подтверждены основные функции, выполняемые антрацитом в качестве заменителя кокса в шихте доменного производства.

3. Теоретически рассчитан и практически подтвержден оптимальный и максимально допустимый удельный расход антрацита при выплавке чугуна различных марок.

4. Установлено влияние доли антрацита на процессы в доменной печи, производительность, качество выплавляемого чугуна, а также изменение газодинамических условий работы доменной печи. Определены фактические коэффициенты распределения серы между чугуном, шлаком и газовой фазой при увеличении удельного расхода антрацита до 50 кг/т чугуна.

Практическая значимость:

По результатам работы реализована энергосберегающая технология частичной замены кокса каменным углем с подачей его через колошник, позволяющая снизить

удельный расход кокса в шихте доменного производства. Разработаны рекомендации по использованию коксозамещающей технологии для обеспечения высокой эффективности от eö внедрения в промышленное производство. По предложенной в работе схеме, появляется возможность определения оптимального удельного расхода антрацита при выплавке чугунов различных марок.

Экономический эффект от внедрения технологии в промышленном масштабе, применительно к условиям работы ДП №1 ОАО «КМЗ» составляет 125 млн. руб.

Апробация и публикация работы

По материалам работы опубликовано 5 статей, в том числе 2 в изданиях входящих в перечень ВАК. Результаты доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах:

• Научно-технический совет ОАО «Косогорский металлургический завод» (г. Тула,

Косая Гора, 2010)

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 49 наименований. Объем диссертации 133 стр. текста, содержит 16 рисунков, 38 таблиц, 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Опыт использовании антрацита в шихте доменного производства

Начиная с середины XVIII века, в качестве горючего при производстве чугуна в доменных печах наиболее часто использовали сырой антрацит. Так в период с 1850 - го по 1870 — й годы, на антраците в США и Англии было выплавлено 64 % от общего количества произведенного в этих странах чугуна. Это обуславливалось, прежде всего, высоким содержанием углерода в антраците, меньшим, по сравнению с коксом, содержанием золы и отсутствием необходимости дополнительной термической обработки угля. В дальнейшем количество выплавленного «антрацитового чугуна» (на 100 % антрацита в качестве топлива) начало непрерывно снижаться, а начиная с 1920 - го года доменные печи были переориентированы на производство чугуна с использованием кокса в качестве топлива. Отказ от применения антрацита в доменных печах в этот период был обоснован его высокой стоимостью, а так же худшими, по сравнению с коксом, показателями горячей прочности и реакционной способности.

В настоящее время из-за необходимости снижения расхода кокса, как наиболее дорогостоящего компонента шихты, путем частичной замены его более дешевыми топливными добавками вопрос использования антрацита вновь является актуальным. На нескольких печах современных металлургических заводов России и мира проводились попытки реализации данной технологии. Следует отметить, что опыт использования антрацита конца XVIII - го, начала XIX - го веков не может быть полностью перенесен на печи, работающие в современных условиях, прежде всего из — за значительных отличий в геометрии (высота печи, диаметр и т.д.), а так же технологических условий ведения плавки и состава шихтовых материалов.

Основными проблемами, с которыми столкнулись доменщики всего мира при использовании антрацита, являлись вопросы подачи угля в печь, в каком количестве и куда грузить, а так же каким образом обеспечить максимальную эффективность его использования. Несмотря на неоднократные попытки реализации данной технологии, в современных условиях эти вопросы по-прежнему являются недостаточно хорошо изученными и требуют дополнительного рассмотрения и исследования.

1 Исследование свойств антрацита

Как уже было отмечено ранее, антрацит содержит больше нелетучего углерода серы и летучих веществ по сравнению с коксом и меньше золы. Технический состав антрацита используемого в шихте доменной плавки на ОАО «КМЗ» представлен ниже.

Технический анализ антрацита (поставщик ООО «Металлург-Юг»)и кокса(Алтай кокс), % масс:

Ас Vc Wp Se Снел.% CSR CRI Кокс 12,78 0,86 3,20 0,55 85,81 55,4 45,0 Антрацит 4,10 2,70 4,80 0,86 92,34 22,0 40,0

Фракционный рассев антрацита фракция,мм +50 -50+25 -25 % 4,2 86,1 9,7

Фракционный рассев кокса фракция,мм +80 -80+60 -60+40 -40+25 -25 % 2,1 35,8 47,4 13,7 1

1.1 Исследование процесса выделения летучих веществ

Для определения температуры начала и конца, а так же интервала наиболее интенсивного процесса выделения летучих веществ антрацитового угля и кокса, был использовании метод совмещешюго термического анализа. Так как в процессе выделения летучих уголь практически всегда подвергается разрушешпо, определешге температурного интервала наиболее интенсивного их удаления позволит дать оценку поведения куска угля по мере продвижения его в смеси с шихтой в пространстве доменной печи, а так же позволит определить уровень печи на котором атрацнт разрушается с образованием некоторого количества мелкой фракции.

Совмещенный термический анализ представляет собой метод исследования физико-химических и структурных превращений, происходящих в веществе при изменении его температуры. С помощью этого метода обнаруживают характер термических эффектов происходящих при этом: эвдо- или экзотермических, а также температурный интервал их изменения. Самым распространенным и основным методом термического анализа является дифференциально-термический анализ, который позволяет выявлять и исследовать фазовые превращения и химические реакции, протекающие в веществе при нагревании или охлаждении, по термическим эффектам, сопровождающим эти изменения. Точность определения изменения массы на установке СТА составляет +/- 0,1 мкг. Совмещенный термический анализ проводился на установке СТА 449С.

Предварительно подготовленные образцы антрацита и кокса навесками по 50 мг нагревались до температуры 1200 °С в атмосфере инертного газа аргона чистотой 99,99 %. Скорость нагрева 10 °С/мин

Кривая дифференциального термического анализа и термогравиметрии антрацита представлена на рисунке 1, кокса на рисунке 2.

Таблица 1 - Результаты термического анализа антрацита

Вид анализа Термический эффект Температура эффекта, °С Возможные причины эффекта Потеря массы при эффекте, %

ТГ Эндотермический 100 Потеря сорбционной воды 1,05

Эндотермический 250 Начало выделения летучих

Эндотермический 620 - 1080 Интенсивное выделение летучих 2,5

Отсутствует Выше 1080 Прекращение процесса выделения летучих Сумм, потеря массы 3,93

Рис. 1 - Кривая термического анализа и термогравиметрии антрацита

Рис. 2 - Кривая дифференциального термического анализа кокса

В соответствии с полученными данными установлно:

- Температура начала удаления летучих веществ, определяемая по температуре начала термической деструкции и, для антрацитового угля составляет 250 °С;

- Наибольшая интенсивность выделения летучих веществ наблюдается в интервале температур 620 - 1080 °С за этот промежуток выделяется 2,5 % летучих веществ угля;

- Всего при нагреве от 25 до 1200 °С антрацит потерял 3,93 % массы из них 1,05 % приходится на удаленную влагу из угля и соответственно 2,88 % летучих веществ,.

Кривая дифференциального термического анализа и термогравиметрии кокса представлена на рисунке 2.

Результаты термического анализа кокса приведены в таблице 2

Вид анализа Термический эффект Температура эффекта, °С Возможные причины эффекта Потеря массы при эффекте, %

Эндотермический 100 Потеря сорбционной воды 0,35

Эндотермический 250 - 600 Низкая интенсивность выделения летучих 0,06

ТГ Эндотермический 600 - 1100 Окончательное удаление летучих кокса 0,61

Отсутствует Выше 1100 Прекращение процесса выделения летучих Суммарная потеря массы 1,02

Результаты исследования антрацита и кокса методами совмещенного термического анализа показывают, что летучие исследуемых минералов выделяются примерно в одинаковом температурном интервале. Однако следует отметить, что в количественном соотношении в антраците летучих веществ примерно в 5 раз больше чем в коксе. Следовательно, можно сделать вывод о возможности частичного разрушения антрацита в нижней части шахты, где преобладают температуры 600 - 1000 "С. Этот же температурный уровень соответствует зоне когезии (зоне образования первичного шлака 900 - 1000 °С) таким образом большая часть образующейся мелочи, в результате разрушения антрацита из - за выделения летучих, может усваиваться первичными шлаками в иихшей части шахты доменной печи.

1.2 Исследование процесса восстановления оксидов железа

До настоящего времени участие углерода антрацита в процессах восстановления оксидов железа исследовано не достаточно. Цель проведения данных исследований: произвести оценку эффективности взаимодействия углерода антрацита с кислородом оксидов железа, полученные результаты сравнить с исследованиями смеси железорудного компонента с коксом, а так же определить с использованием методики мессбауэровской спектроскопии в какой смеси (с коксом или антрацитом) процессы восстановления пройдут более эффективно.

Состав основных шихтовых материалов, используемых при производстве чугуна на ОАО «КМЗ» представлен в таблице 3.

Таблица 3 - химический состав сырья ДП №1 ОАО «КМЗ»

Компонент Ре „бщ. КсО СаО МдО БЮг А12ОЗ БОэ р2о5 со2

Руда Мих ГОК 41,2 13,98 0,27 0,60 39,6 1,ю 0,07 0,078 -

Окатыши Мих ГОК 63,19 2,00 0,48 0,24 8,88 0,23 0,05 0,03 -

Марганцевая руда Жайр ГОК 9,46 - 8,57 0,48 15,40 1,72 1,00 0,12 -

Известняк 0,07 - 55,18 0,46 0,13 0,10 0,023 0,03 43,97

Доломит 0,16 - 32,28 18,40 2,50 0,61 0,045 0,03 45,91

Зола кокса 6,6 - 5,56 2,20 53,63 26,09 2,15 0,93

Компонент н2о гидр. н2о гигр. МпО Мп02 Мп304 тю2 N¡0 Сг2Оз у2о5

Руда Мих ГОК - - 0,98 - - - - - -

Окатыши Мих ГОК - - 0,017 - - 0,012 - 0,015 -

Марганцевая руда Жайр ГОК 1,6 8 6,0 51,6 - - - - -

Для исследования восстановления оксидов железа из окатышей Михайловского ГОКа использовались две предварительно подготовленные смеси. Смесь № 1 включала в себя окатыши (истертые до крупности 100 мкм) и антрацит в соотношении 6 к 1, смесь № 2 окатыши и кокс в таком же соотношении. Масса навески 75 мг, нагрев до температуры 1400 °С при скорости нагрева 10 °С/мин, в атмосфере аргона.

Результаты термического анализа смеси концентрата и антрацита представлены на рисунке 3 и в таблице 4

Таблица 4 — Результат термического анализа смеси концентрата с антрацитом

Вид анализа Термический эффект Температура эффекта, "С Возможные причины эффекта Потеря массы при эффекте, %

Эндотермический 145 Потеря сорбционной воды 2,5

Эндотермический 575 Фазовое превращение 2-го рода (точка Кюри) 0

Эндотерм ический 710 Удаление летучих угля 1,5

Эндотермический 890,8 Начало восстановления

ДСК, ТГ Эндотермический 890,8-1014,7 Восстановление Ре2Оэ до 7,28

Эндотермический 1050,8 Восстановление Ре304 до РеО

Эндотермический 1180,6-1256,9 Восстановление РеО—Ре 23,46

Эндотермический Выше 1257 Образование карбидов железа ¥е}С Суммарные потери массы 34,74

Рис. 3 - Термический анализ смеси концентрата с антрацитом Результаты термического анализа смеси концентрата и кокса представлены на рисунке 4 и в таблице 5

Таблица 5 - Результат термического анализа смеси концентрата с коксом

Вид анализа Термический эффект Температура эффекта, "С Возможные причины эффекта Потеря массы при эффекте, %

ДСК,ТГ Эндотермический 144,3 Потеря сорбционной воды 0,73

Эндотермический 573,2 Фазовое превращение 2-го рода (точка Кюри) 0

Эндотермический 772,2 Удаление летучих угля 0,5

Эндотермический 892 Начало восстановления 8,13

Эндотермический 892 - 1045,4 Восстановление Ре203 до Ре304

Эндотермический 1086,2 Восстановление 1е;!< >1 до РсО

Эндотермический 1180,6-1226,1 Восстановление КеО-Ре 18,39

Эндотермический Выше 1226 Образование карбидов железа Ре3С Суммарные потери массы 27,75

Рис. 4 - Термический анализ смеси концентрата с коксом После проведения совмещенного термического анализа образцы были исследованы на установке мессбауэровской спектроскопии, который позволяет определить в виде каких соединений и в каком количестве содержится железо в исследуемой пробе. Результаты исследования пробы 1 и 2 представлены на рисунке 5 (проба 1 - а; проба 2- б соответственно).

Рис. 5 - Исследования пробы 1 (а) и 2 (б) методом мэссбауэровской спектроскопии

200 400 600 800 1000 1200

Температура /''С

ТГ (%

ОС1«Г«~Н<Я ** ['3'.-. I! С,

ГЫК 1288.1

ДСК /¡мВт/иг)

0.3

0.2 0,1 0,0 ■0.1

-0 2

•0 3

-0 4 -0 5

Результаты показали, что в образце, в котором в качестве восстановителя использовался антрацит (проба 1) более чем 60 % железа из исходного состава восстановилось до а - железа, и около 11 % осталось в виде КеО, в то время как в пробе 2, в которой в качестве восстановителя был добавлен кокс, до чистого железа восстановилось только 17 %, и в виде ИвО осталось примерно 50 %.

Результаты лабораторных исследований позволяют сделать вывод о том, что как при использовании кокса, так и при добавке в шихту антрацита в качестве восстановителя, процессы восстановления концентрата проходят в одном интервале температур. Однако следует отметить, что при добавке антрацита большее количество оксидов железа восстановилось до а - Ре. Это можно объяснить, в том числе, и большим содержанием углерода в антраците по сравнение с коксом.

2 Краткая характеристика объекта исследований

Исследования проводились на ДП № 1 ОАО «КМЗ»

Основные технические характеристики доменной печи № 1 ОАО «КМЗ» представлены в таблице 6. Таблица 6 - Характеристики доменной печи

1. Полезный объём, 1066

2. Вид выплавляемого чугуна передельный/литейный

Диаметр горна, м 7,2

3. Диаметр распара, м 8,6

Диаметр колошника, м 5,8

4 Высота, м -горна; -заплечиков; -распара; -шахты; -колошника; 3,5 3,0 2,2 14,5 1,2

5 Количество чугунных леток, шт 2

6 Количество фурм, шт 16

7 Тип загрузочного аппарата БЗУ (Раи1 \Vurth)

8 Вид дополнительного топлива Природный газ

Особенностью производства чугуна на Косогорском заводе является использование железорудной шихты, практически полностью состоящей из неофлосованных окатышей. В мире аналогичный опыт постоянной работы на 90-100% неофлюсовашшх окатышей в железорудной шихте имеется лишь на некоторых доменных печах США и Канады. При

этом следует отметить применение на североамериканских печах окатышей с очень высоким содержанием железа (не ниже 67%) и, соответственно, минимальным содержанием пустой породы, использование кокса с высокими прочностными характеристиками и минимальным содержанием золы. Кроме того, указанные печи используют обогащенное кислородом воздушное дутье. Доменный цех Косогорского завода, находясь в гораздо более жестких сырьевых и технологических условиях, выплавляет чугун нодулярного класса, а также литейные марки чугуна с низким содержанием примесных элементов; при этом доменная плавка должна вестись в устойчивом технологическом режиме.

3 Прогнозирование влияния увеличения удельного расхода антрацита (до 100 кг/т чугуна) на технико-экономические показатели (ТЭП) работы печи с использованием расчетных моделей

Для обоснования эффективности внедрения коксозамещающей технологии с использованием антрацита в шихте доменного производства были выполнены теоретические расчеты параметров работы доменной печи. Целью данных расчетов являлось прогнозирование возможной экономии кокса, а также определение изменения тепловой работы печи и перераспределения тепла по высоте доменной печи. В качестве расчетной методики использовалась модель Рамма - Похвисиева.

В качестве исходных параметров для выполнения теоретических расчетов использовались наиболее типичные условия работы ДП № 1 ОАО «КМЗ» при выплавке чугуна передельных марок. Химический состав чугуна принятый в расчете представлен в таблице 7. Химический состав шихтовых материалов в таблице 3.

Таблица 7 - Химический состав выплавляемого чугуна

Состав чугуна %

Ре Мп 8 Р Сг Т1 V С

92,79 2,54 0,65 0,013 0,04 0,005 0,027 0,003 3,9

Отношение компонентов в шихте 12/88 (Михайловская руда/Михайловские окатыши)

Состав дополнительного топлива (см Таблицу 8), Таблица 8 - Химический состав природного газа

СН4 с2н6 С3Н8 С4Н10 С5Н,2 N2 со2

92,8 2,71 0,65 0,013 0,04 0,01 0,03

Условия доменной плавки для выполнения прогнозных расчетов: Температура чугуна 1400°С, температура шлака 1450°С, температура колошникового газа 200 °С, температура горячего дутья 1100 °С, расход природного газа 25 м3/т чугуна,

содержание кислорода в дутье 21 %, влажность дутья 4,1 %, основность шлака 1,03 (Са0+М$0)/(8Ю2+А120э), степень использования водорода 0,28*, степень непрямого восстановления 0,71*

Расчеты выполнялись для трех различных вариантов доменной плавки: 1 вариант: без добавки в шихту антрацита; 2 вариант: с добавкой в шихту антрацита в количестве 50 кг/т чугуна; 3 вариант: с добавкой в шихту антрацита в количестве 100 кг/т чугуна

все остальные характеристики указанные выше приняты постоянными для всех вариантов расчета.

Расчетный материальный баланс по периодам на 1 т чугуна

Поступило в печь, кг/т чунуна Вариант 1 (базовый период) Вариант 2 Вариант 3

1. Железорудная смесь 1524,0 1524,0 1524,0

2. Марганцевая руда 25,0 25,0 25,0

3. Известняк 247,7 252,5 251,5

4. Доломит 142,3 130,5 123,5

Итого Флюс 390,0 383,0 375,0

5. Антрацит 0,0 50,0 100,0

6. Кокс 672,9 616,0 558,8

7. Суммарный расход (А+К) 672,9 666,0 658,8

8. Природный газ 16,0 16,0 16,0

9. Дутье для сжигания углерода кокса 2473,4 2456,0 2440,0

10. Дутье для сжигания природного газа 63,0 63,0 63,0

Итого, кг/т чугуна 5164,1 5132,9 5102,0

Расчетный коэффициент замены, кг кокса/кг антрацита 1,138 1,141

Получено в печи, кг Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3

1. Чугун 1000,0 1000,0 1000,0

2. Шлак, кг/т чугуна 463,7 454,6 445,5

3. Газ 3626,5 3604,6 3582,9

4. Водяной пар 33,6 33,4 33,3

Итого 5123,8 5092,6 5061,7

* - рассчитано по фактическому составу колошникового газа при выплавке чугуна указанной марки (подробный расчет представлен в тексте диссертационной работы)

Расчетный период Содержание в газе, % объемные

со2 СО N2 Н2

Вариант 1 16,69 23,92 55,33 3,92

Вариант 2 16,76 23,86 55,31 3,93

Вариант 3 16,83 23,80 55,30 3,93

Таблица 9 - изменение некоторых параметров работы печи при увеличении удельного расхода антрацита

Исходный вариант 0 кг антр/т чугуна. 50 кг антр/т чугуна. 100 кг антр/т чугуна..

дед 0,69 0,69 0,69

г4% 24,5 24,71 24,91

Экономия кокса кг/т чугуна - 56,9 114,1

Коэффициент замены кг кокса/кг антрацита - 1,13 1,14

Экономия флюса (общая), кг/т чугуна - 7,0 15,0

Снижение выхода шлака, кг/т чугуна - 9,1 17,9

Результаты произведенных расчетов позволяют сделать вывод о том, что использование антрацита в шихте доменной плавки, в качестве топливной добавки является достаточно эффективной коксозамещающей технологией с теоретическим коэффициентом замены кг кокса на кг антрацита 1,13. Кроме того, из — за меньшего содержания золы, при замене части кокса антрацитом, будет затрачиваться меньшее количество флюсов на её ошлакование и, как следствие снизится выход шлака на тонну выплавляемого чугуна.

4 Освоение ресурсосберегающей технологии в промышленном масштабе 4.1 Определение эффективности коксозамещающей технологии

Процесс освоения коксозамещающей технологии на действующей доменной печи №1 ОАО «КМЗ» проходил поэтапно. На первом этапе продолжительностью 6 суток (с 15.06.10 по 20.06.10) антрацит подавался в количестве до 25 кг/т чугуна. Схема загрузки

KKIPPi, уровень засыпи колеблется при этом от 0,75 м до 1,0 м. Антрацит в доменную печь загружался вместе с железорудной составляющей шихты (в смеси с окатышами Михайловского ГОКа) из расчета 340 кг угля в подачу. Всего на первом этапе было проплавлено около 180 т антрацита. На втором этапе, продолжительность которого так же составила 6 суток (с 21.06.10 по 26.06.10) удельный расход антрацита находился на уровне 40 кг/т чугуна, при аналогичной схеме загрузки и уровне засыпи. Всего за первые два этапа было проплавлено 400 т антрацита.

Для определения эффективности внедряемой технологии, с точки зрения экономии кокса, а так же оценки влияния замены части его антрацитом на качество выплавляемого чугуна и производственно - технологические показатели (состав шлака, колошникового газа, количество и состав колошниковой пыли, газодинамика, температура газов на колошнике и т. д.), круглосуточно фиксировались все основные параметры работы печи. Продолжительность исследуемого периода составила 12 суток, при среднем удельном расходе антрацита 31 кг/т чугуна. Полученные показатели были сопоставлены с аналогичным периодом работы ДП № 1, в котором антрацит в шнхту не подавался. Результаты сравнения периодов представлены в таблице 10.

Для определения фактического коэффициента замены кокса антрацитом, расход его в исследуемом промежутке времени был пересчитан на условия доменной плавки, характерные для базового (безантрацитового) периода. Химический состав сырья представлен в таблице 3 п.п. 1.2. Сравнительные составы чугуна, шлака и колошниковой пыли представлены в таблицах И, 12 и 13 соответствен но.

Таблица 10 - Средпесуточные показатели работы ДП № 1 ОАО «КМЗ»

Показатель Без добавки в шихту антрацита С добавкой в шихту антрацита

Производительность, т/сутки 1054,9 1048,9

Руда Михайловская, кг/т 181,8 173,2

Окатыши Михайловские, кг/т 1339,7 1409,7

Итого металлошихты, кг/т 1521,5 1582,9

Известняк, кг/т 233,8 228,9

Доломит, кг/т 126,7 120,8

Итого флюсов, кг/т 360,5 349,7

Кокс (сухой скип.), кг/т 654,4 624,7

Кокс (сухой скип.) в приведении к условиям базового периода, кг/г 654,4 621,2

Антрацит, кг/т 0 30,7

Кокс + Антрацит, кг/т 654,4 655,4

Выход шлака, кг/т 423,3 449,5

Природный газ, м'/т 21,7 18,7

Температура горячего дутья, °С 1077 1060

Расход холодного дутья, нм5/мин 1850 1780

Давление горячего дутья, ати 1,9 2,0

Влажность дутья, % 4 4,1

Нижний перепад статического давления, атм 0,83 0,85

Верхний перепад статического давления, атм 0,14 0,16

Общий перепад, атм 0,97 1,01

Давление газа на колошнике, ати 0,93 0,99

Состав колошникового газа С02, % 15 14,8

СО, % 24,9 24,9

Н2, % 3,2 3,3

Температура колошникового газа, Т„, °С 204 209

Таблица 11 - Химический состав чугуна, % масс

Период Ре Мн в Р Сг Т1 V с

Без антрацита 92,8 2,71 0,65 0,013 0,04 0,01 0,03 0,003 3,9

С антрацитом 92,6 2,74 0,68 0,012 0,04 0,01 0,02 0,003 3,9

Таблица 12 - Химический состав шлака, % масс

Период СаО БЮг АЬОз РеО МпО ТЮ2 Б Оси

Без антрацита 43,69 40,26 7,02 6,12 0,29 0,30 0,15 0,76 1,09

С антрацитом 43,39 39,75 7,29 6,39 0,21 0,31 0,15 0,87 1,09

Таблица 13 - Состав колошниковой пыли, % масс.

Период Беобщ С БЮз СаО Ре203 Я20 Пылевынос, кг/т

Без антрацита 30,7 21,5 13,6 12,4 35,9 0,5 38,5

С антрацитом 26,4 29,8 13,1 13,4 30,8 0,6 40

После обработки представленных данных были получены следующие результаты: - удельный расход антрацита в исследуемом периоде составил 30,7 кг/т чугуна при снижении расхода кокса на 33,2 кг/т чугуна, коэффициент замены (КЗ) углерода кокса углеродом антрацита, при пересчете на приведенный к базовым условиям работы печи

расход кокса, составил примерно 1,0 кг/кг. В расчете замены кокса антрацитом КЗ составил 1,08 кг/кг;

- суммарный расход флюсов снизился на 10 кг/т при неизменной основности шлака, что явилось следствием меньшего содержания золы в антраците по сравнению с коксом;

- добавка в шихту антрацита не повлияла на качество выплавляемого чугуна, несмотря на большее содержание серы в угле, по сравнению с коксом (подробный расчет коэффициентов распределения серы по периодам, а так же определение фактических коэффициентов распределения серы между фазами чугун шлак - газ преведены в тексте диссертационной работы);

- снизилось содержание оксида железа в конечном шлаке, как следствие снизились потери железа в шлак;

- несколько увеличилось содержание углерода в колошниковой пыли, при практически неизменном её количестве, это свидетельствует о частичном разрушении антрацита на колошнике при загрузке и потере части углерода антрацита с колошниковой пылью.

На основании полученных результатов сделан вывод о высокой эффективности предложенной коксозамещающей технологии, было примято решение о целесообразности дальнейшего использования антрацита в шихте доменной плавки и, начиная с августа 2010 года по настоящее время уголь подается в количестве 50-55 кг/т чугуна.

4.2 Влияние частичной замены кокса антрацитом на газодинамеческие условия работы доменной печи

Чтобы оцепить каким образом добавка антрацита в шихту в различных количествах повлияет на газодинамические условия работы печи и, как следствие, на её ход, в круглосуточном режиме снимались и анализировались показания контрольно -измерительных приборов. Особое внимание уделялось параметрам дутья (расход, давление и температура дутья), колоцпшкового газа (температура, давление, состав), перепадам статического давления (нижний перепад, верхний, общий).

При нормальной газопроницаемости и ровном ходе печи давление дутья должно поддерживаться на постоянном уровне, а частные перепады, для различных печей, находиться в пределах 0,65 - 0,8 атм для нижнего перепада и 0,45 - 0,6 атм для верхнего (теория и технология доменной плавки под редакцией Тарасова В. П.). При ухудшении газопроницаемости давление дутья возрастает по мере повышения противодавления газов.

С учетом фактических перепадов статического давления была определена фактическая иорозность столба шихты сухой части шахты обратным пересчетом из уравнения Эгана.

2 • g ■ Е

где, ДР - перепад давлений, Па; Ч' - коэффициент сопротивления; Н - высота слоя шихты,м; ио — приведенная скорость фильтрации газа, м/с; уг - удельная масса газа, кг/м3; $ — ускорение свободного падения, м/с2; с1ш — эквивалентный диаметр частиц слоя шихты, м; е - порозность слоя шихты. Подробный расчет и численные значения каждого из параметров представлены в тексте диссертационной работы. Из уравнения 1 получаем:

1-е _ ДР• 2• g■ с1ш

Ч! Н-и10 -г,

Таблица 14 - Порозность столба шихтовых материалов

Период ДР„ атм Порозность

Без антрацита 0,14 0,333

С антрацитом 0,16 0,323

Так же важными показателями хода печи является состав колошникового газа и его температура, в особенности распределение СОг и температуры газа по сечению колошника. Анализ изменения содержания СОг дает представление о равномерности распределения газового потока по радиусу колошника. Чем хуже используется газ, тем меньше в нем концентрация СОг и тем выше его температура. При нормальной работе газа, СОг, начиная от стенок печи, плавно возрастает до максимума, затем резко снижается к осевой зоне. Контроль за распределением СОг по радиусу колошника позволяет не только оценить эффективность работы газа, но и предотвратить излишнее развитие периферийного потока, а также образование локальных (канальных) потоков газа.

На рисунке 6 представлены диаграммы распределения газа СОг по радиусу колошника в безантрацитовом периоде работы печи и среднемесячные данные начиная с июня 2010 года при работе печи с добавкой в шихту антрацита в количестве 25 - 50 кг на тонну выплавляемого чугуна.

Как видно из графиков представленных на рисунке 6, добавка в шихту антрацита при подаче его в доменную печь совместно с железорудной составляющей шихты и схеме

загрузки КК|РР|, влияния на равномерность распределения газа СОг по радиусу колошника не оказала. Загрузка антрацита в промежуточную зону печи не привела к распределешпо газового потока каналами.

Распределение газа С02 по радиусу колошника

--- с добавкой антрацита 25 кг/т чугуна

-с добавкой антрацита 40 кг/т чугуна

— — с добавкой антрацита 50 кг/т чугуна

Рис. 6 - Распределение газа СОг по радиусу колошника

_точки замера (7-стенка; 1-центр)

-Без антрацита — • - 25 кг/т--50 кг/т

Рис. 7 - Распределение температуры газа по диаметру колошника.

Распределение температуры газа по диаметру колошника при работе печи без добавки в шихту антрацита и с заменой части кокса углем представлено на рисунке 7.

Полученные данные показали, что: 1. Газодинамические характеристики работы печи, такие как давление дутья, колошникового газа, перепады статического давления, распределение газа СОг и температуры газа по радиусу колошника значительных изменений, при введении в шихту антрацита, не претерпели.

2. Общая порозноеть слоя столба шихты сухой часта шахты осталась на прежнем уровне, что подтверждается минимальными колебаниями верхнего перепада статического давления в процессе работы печи.

5 Определение оптимального удельного расхода антрацита при производстве чугунов различных марок

Одной из основных целей проведения данной работы являлось определение оптимального удельного расхода антрацита в шихте доменной плавки, которое позволило бы достичь максимального, положительного эффекта от внедрения технологии, без изменения параметров доменной плавки и возникновения возможных нарушений хода печи.

Углерод антрацита, загружаемого в доменную печь, будет расходоваться главным образом на процессы прямого восстановления железа, трудновосстановимых компонентов, науглероживание чугуна и, в незначительных количествах, газифицироваться на фурмах при прохождении капель науглероженного чугуна через фурмешпле зоны. В общем виде формула для определения оптимального и максимально возможного удельного расхода углерода антрацита в шихте доменной плавки будет выглядеть следующим образом:

С4 = а • С/' + р • С/' +1 • Са"" + £ ■ [С] • 10 + ц • Сф (2)

где,

СА - удельный расход углерода антрацита, кг/т

С/е, С/1, расход углерода на реакции прямого восстановления железа,

кремния, марганца, титана, хрома и ванадия соответственно, кг/т

[С] - затраты углерода на науглероживание чугуна, кг/т

Сф - количество углерода окисляющегося на фурмах, кг/т

а, Р, у, С, р. - коэффициенты, учитывающие степень участия углерода антрацита в соответствующих процессах (восстановление элементов, науглероживание чугуна, горение на фурмах) в доменной печи, д. ед.

Величины коэффициентов а, Р, у, X, и р будут определяться условиями ведения доменной плавки, удельным расходом антрацита, а так же эффективностью участия углерода антрацита в тех или ииых процессах.

Коэффициенты £ и р взаимосвязаны и определяются, главным образом, степенью участия углерода антрацита в науглероживании чугуна в дофурменной зоне печи, кроме того, коэффициент р будет так же зависеть от дутьевого режима работы печи, который

оказывает влияние на протяжешюсгь окислительных зон в горне и, как следствие, количество чугуна поступающего в эти зоны и количество окисляющегося на фурмах углерода чугуна.

Удельный расход антрацита определяется по формуле 3:

У = (СА / Су) • ц (3)

где,

У — удельный расход антрацита, га-

Су - содержание углерода в антраците, д.ед.

ц- коэффициент учитывающий потери антрацита с пылью (10% ц = 1,1)

6 Достигнутый в результате внедрения коксозамещающей технологии экономический эффект

Расчет общего экономического эффекта производился с учетом разницы заводской себестоимости выплавляемого чугуна при использовании в шихте антрацита в количестве 31 кг/т и без добавки угля, с использованием данных по расходам материалов при выплавке чугуна литейной марки ЛЗ и их стоимости на начало 2011 - го года.

Таблица 15 - Заводская себестоимость т чугуна без добавки антрацита

Показатель Удельный расход, кг/т чугуна Стоимость, руб/т Сумма

1.Рудиая составляющая

в т ч руда Михайловская 181,8 1000 181,8

Окатыши Михайловские 1339,7 2900 3885,13

Марганцевая руда, кг/т 27 1300 35,1

2. Флюсы

Известняк 233,8 530 123,91

Доломит 126,7 650 82,34

3. Топливо

Природный газ, кг/т 15,5 1600 24,8

в т. ч. кокс (сухой скип.), кг/т 654,4 9500 6216,8

Расход холодного дутья, кг/т 3300 90 297

Итого цеховая себестоимость 10846,88

Побочная процукция

Выход шлака, кг/т 423,3 5 -2,11

Итого заводская себестоимость 10844,77

С учетом добавки в шихту антрацита в количестве 50 кг/т чугуна и реального коэффициента замены углерода кокса углеродом антрацита равным 1 (или в пересчете кг кокса/кг антрацита 1,08), а также снижения расхода флюсов, из - за меньшего количества золы в антраците по сравнению с коксом, заводская себестоимость будет рассчитываться:

Таблица 16 - Заводская себестоимость т чугуна с добавкой антрацита

Удельный Стоимость,

Показатель расход, кг/т чугуна руб/т Сумма

1.Рудная составляющая

в т ч руда Михайловская 181,8 1000 181,8

Окатыши Михайловские 1339,7 2900 3885,13

Марганцевая руда, кг/т 27 1300 35,1

2. Флюсы

Известняк 233,8 530 123,91

Доломит 126,7 650 82,34

3. Топливо

Природный газ, кг/т 15,5 1600 24,8

в т. ч. кокс (сухой скип.), кг/т 600,4 9500 5703,8

Антрацит кг/т 50 4000 200

Расход холодного дутья, кг/т 3300 90 297

Итого цеховая себестоимость 10533,88

Побочная продукция

Выход шлака, юг/т 419 5 -2,1

Итого заводская себестоимость 10531,78

Таким образом, добавка в шихту антрацита в количестве 50 кг/т позволяет снизить заводскую себестоимость тонны чугуна на 312,99 рубля, или на 6,26 рубля при подаче 1 кг антрацита в печь. Всего за период с июня 2010 - го года по июнь 2011 - го было проплавлено 20000 т антрацита, экономия кокса при этом составила 19000 т, а суммарный экономический эффект 125,2 млн. рублей.

Выводы

1. Отработана и успешно реализована технология выплавки чугуна с добавкой в шихту доменной плавки антрацита, как заменителя части кокса.

2. В результате реализации энергосберегающей технологии в промышленном масштабе было установлено:

- при удельном расходе антрацита 30,7 кг/т чугуна, фактический коэффициент замены углерода кокса углеродом антрацита составляет 1,0 кг/кг. В расчете замены кокса антрацитом коэффициент замены составил 1,08 кг/кг. Это свидетельствует о высокой эффективности использования коксозамещающей технологии доменной плавки с использованием в шихте антрацита;

1

24

- добавка в шихту шгграцита, как заменителя кокса, в количестве 25 - 50 кг/т чугуна и при установленном на ОАО «Косогорский металлургический завод» способе загрузки его в печь, существенного влияния на работу печи не оказала. В результате введения в шихту антрацита и замены им части кокса нарушений хода печи не наблюдалось;

3. Произведены балансовые расчеты коэффициентов перехода серы при увеличении доли антрацита в шихте. Несмотря на большее содержание серы в антраците, по сравнению с коксом, введение его в шихту доменной плавки не привело к ухудшению качества выплавляемого чугуна. В соответствии с результатами балансовых расчетов сера, поступившая в доменную печь вместе с антрацитом, перераспределяется между газовой и, в большей степени, шлаковой фазами;

4. Предложена схема определения оптимального и максимально допустимого удельный расход антрацита при выплавке чугуна различных марок.

5. Реальный достигнутый экономический эффект от реализации коксозамещающей технологии по данным на июнь 2011 года составил 125,2 млн. рублей.

Публикации по теме диссертации:

1. Симанков А. М., Юсфин Ю. С., Травянов А. Я. Влияние частичной замены кокса антрацитом на газодинамеческие условия работы доменной печи. Известия ВУЗов. Черная металлургия № 3 - 2011 г.

2. Снманков А. М., Юсфин Ю. С., Шепетовсюш И. Э., Шалыган А. Г., Павлов А.В Доменная плавка с использованием в шихте антрацита. Черные металлы №2 - 2011 г.

3. Симанков А. М. Исследование и разработка энергосберегающей технологии доменной плавки при повышенных расходах пылеугольного топлива (тезисы докладов). 64-е Дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции. 2009

4. Храмова О. И., Симанков А. М. Исследование и разработка энергосберегающей технологии выплавки чугуна с добавкой в шихту антрацита, как заменителя кокса(тезисы докладов). 66-е Дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции 2011г.

5. Губайдуллин А., Симанков А. М. Определение оптимального режима загрузки шнхты доменного производства с добавкой антрацита с точки зрения газодинамических условий работы печи.(тезисы докладов). 66-е Дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции. 2011.

Формат 60 х 90 Vie Тираж 100 экз. Объем 1,5 п.л. Заказ 3284

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии Издательского Дома МИСиС, 119049, Москва, Ленинский пр-т, 4 Тел. (499) 236-76-17, тел./факс (499) 236-76-35

Введение.

1 Ресурсосбережение и интенсификация процесса доменной плавки.

1.1 Нагрев дутья

1.2 Влияние повышенного давления на расход кокса.

1.3 Добавка к дутью водяного пара.

1.4 Вдувание горячих восстановительных газов.

1.5 Добавка в шихту и вдувание углеродсодержащих веществ в доменную печь.

1.5.1 Вдувание мазута.

1.5.2 Вдувание природного газа.

1.5.3 Вдувание коксового газа.

1.5.4 Вдувание пылеугольного топлива.

1.5.5 Добавка в шихту антрацита.

2 Доменная плавка с использованием в шихте антрацита.

2.1 Свойства антрацита.

2.2 Опыт доменной плавки с добавкой в шихту сырого антрацита.

2.3 Опыт ведения доменной плавки с добавкой'в шихту антрацита на доменных печах полезным объемом 1033 м и 1233 м (Украина).

2.4 Опыт ведения доменной плавки с добавкой в шихту антрацита на доменных печах заводов «Тулачермет» и ЗСМК.

3 Лабораторные исследования антрацита.

3.1 Методика проведения совмещенного термического анализа.

3.2 Результаты исследования антрацита и кокса методами совмещенного термического анализа

3.3 Методика проведения мессбауэровской спектроскопии.

3.4 Результаты исследования процесса восстановления железорудного концентрата антрацитом и коксом в атмосфере аргона методами мессбауэровской спектроскопии и совмещенного термического анализа.

4 Расчет показателей доменной плавки с увеличением удельного расхода антрацита в шихте от 0 до 50 кг/т чугуна.

4.1 Исходные данные для выполнения теоретических расчетов процесса доменной плавки

4.2 Определение удельного расхода кокса при увеличении доли антрацита в шихте доменной плавки.

4.3 Расчет распределения тепла по зонам доменной печи при увеличении доли антрацита в шихте.

4.4 Прогнозирование влияния увеличения удельного расхода антрацита (до 100 кг/т чугуна) на ТЭП печи с использованием расчетных моделей.

5 Промышленное освоение процесса выплавки чугуна с добавкой в шихту антрацита, как заменителя части кокса на доменной печи» № 1 ОАО «Косогорский металлургический завод».

5.1 Краткая характеристика объекта исследований (параметры ДП №1).

5.2 Параметры работы печи в базовом варианте, без добавки в шихту антрацита.69*

5.2:1 Топливо - сырьевые характеристики базового периода.

5.2.3 Расчет показателей процессов восстановления доменной плавки в базовом периоде.

5.2.4 Расчет общего теплового и материального баланса для базового варианта.

5.2.5 Расчет зонального теплового баланса для условий базового варианта.

5.2.6 Определение фактической порозности слоя столба шихты для базового варианта.

5.2.7 Расчет теоретической температуры горения для базового периода.

5.3 Параметры работы печи в опытном варианте, с добавки в шихту антрацита

5.3.1 Топливо — сырьевые характеристики опытного периода.

5.3.2 Расчет показателей процессов восстановления доменной плавки в, опытном периоде.

5.3.3 Расчет общего теплового и материального баланса для опытного варианта.

5.3.4 Расчет зонального теплового баланса для условий опытного варианта.

5.3.5 Определение фактической порозности слоя столба шихты для опытного варианта.

5.3.6 Расчет теоретической температуры горения для опытного периода.

5.4 Поведение серы при выплавке чугуна с добавкой в шихту антрацита.

5.5 Влияние частичной замены кокса антрацитом на газодинамеческие условия работы доменной печи

6 Практические аспекты использования антрацита в шихте доменной плавки.

6.1 Определение оптимального удельного расхода антрацита при производстве чугунов различных марок.

6.2 Оценка эффективности использования антрацита, как заменителя кокса.

6.3 Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии.

6.4 Экологические оценка применения антрацита как заменителя кокса.

Актуальность работы:

Ключевой стратегической задачей, стоящей перед отечественной и мировой черной металлургией, является снижение потребления< энергоресурсов на производство единицы готовой продукции. Основными- мероприятиями, ■ направленным на достижение данной« цели, являются, оптимизация технологических процессов'производства, а также реализация проектов, направленных,на снижение энергозатрат. В доменном производстве основным энергоносителем1 и наиболее' дорогостоящим компонентом шихты является металлургический кокс, ресурсы > которого крайне ограничены, а качественные характеристики, во многом зависящие от состава угольной шихты и состояния коксовых батарей, зачастую не соответствуют условиям достижения* оптимальных параметров^ устойчивого технологического режима доменной плавки. Мировые запасы коксующихся углей в настоящее время оцениваются примерно в 1,5 трлн. т, что составляет менее 10 % общих ресурсов каменных углей; при этом разведанные запасы не превышают 400 млрд.т [1]. На протяжении последних 60 лет разработка и внедрение в производство целого ряда мероприятий, таких как нагрев дутья, оптимизация загрузки шихтовых материалов в доменную печь, улучшение качества, железорудного сырья, увеличение давления, металлизация шихты, вдувание углеродсодержащих добавок [2]* (природный' газ, угольная пыль, гранулированный уголь, мазут, коксовый, газ; измельченный пластик, горячий восстановительный газ) и т.д: позволило снизить, удельный' расход кокса с уровня, превышающего 1000 кг/т чугуна, до 350 кг/т чугуна и менее (рисунок 1).

1000

400

800

600

77,5 43,2

200

355,5 0

Рисунок 1 - Динамика потребления энергоносителей при производстве чугуна

В России в качестве энергосберегающей технологии активно используется вдувание в горн доменной печи природного газа. Очевидно, что в ближайшее время стоимость природного газа может значительно возрасти и дальнейшее его использование, вероятнее всего, окажется экономически не эффективным. В мировой практике для экономии энергоресурсов при производстве чугуна используется технология вдувания пылеугольного топлива (ПУТ). Следует отметить, что на территории Российской Федерации на данный момент нет ни одного действующего комплекса по подготовке, хранению и подаче измельченного угля в горн доменной печи [2].

Исходя из всего вышесказанного, очевидно, что исследование вопросов связанных с добавкой антрацита в шихту доменных печей является весьма актуальной задачей, как с технической, так и с экономической точки зрения. Внедрение этой технологии позволит снизить расход кокса при выплавке чугуна в доменных печах, при этом отсутствует необходимость дополнительных капиталовложений, т. к. подача антрацита осуществляется через колошник при помощи установленного на печи засыпного аппарата [5,6]. Кроме того, использование в шихте доменного производства сырого антрацита, не требующего предварительной термической обработки, позволяет несколько снизить количество на доменных печах Западной Европы [3,4] выбросов вредных веществ в атмосферу образующихся в результате процесса коксования.

Цели работы:

• Отработать режимы доменной плавки с добавкой в шихту антрацита, как заменителя части кокса;

• определить особенности процессов восстановления железа и трудновосстановимых элементов при добавке в шихту антрацита;

• выполнить расчеты показателей доменной плавки при использований в шихте антрацита в различных количествах, с целью прогнозирования эффективности использования коксозамещающей технологии;

• на основе практических данных и результатах расчетов, определить эффективность применения антрацита, как заменителя кокса, в различных условиях плавки;

• оценить влияние различных расходов антрацита на изменение газодинамических условий работы доменной печи, теоретической температуры горения топлива, температуры и состава колошникового газа, выхода шлака и состав чугуна;

• оценить влияние частичной замены кокса антрацитом на качество выплавляемого чугуна;

• определить оптимальный расход антрацита в шихте при выплавке чугуна различных марок.

Научная новизна:

1. Найдена зависимость степени развития процессов прямого и косвенного восстановления при использовании антрацита в качестве коксозамещающего компонента в шихте доменной плавки.

2. Теоретически обоснованы и практически подтверждены основные функции, выполняемые антрацитом в качестве заменителя кокса в шихте доменного производства.

3. Впервые определен и практически подтвержден оптимальный и максимально* допустимый», удельный расход антрацита при выплавке чугуна различных марок.

4. Установлено- влияние доли антрацита на «ход» доменной^ печи, производительность, качество выплавляемого чугуна, а также изменение газодинамических* условий работы доменной печи. Определены фактические коэффициенты распределения- серы между чугуном, шлаком, и газовой фазой при увеличении удельного расхода антрацита до 50 кг/т чугуна.

Практическая значимость:

Экспериментально, доказана эффективность использования- антрацита как заменителя кокса в шихте доменной плавки. По результатам работы реализована энергосберегающая технология частичной замены кокса каменным углем с подачей его через колошник, позволяющая снизить удельный расход кокса в шихте доменного производства, 'без изменения газодинамических характеристик процесса выплавки чугуна в . доменной печи, а так же без изменения качества конечного продукта. Разработаны рекомендации по использованию коксозамещающей технологии для» обеспечения, высокой эффективности от её внедрения в промышленное- производство. По предложенной в работе схеме, появляется возможность определения оптимального удельного расхода антрацита при выплавке чугунов различных марок.

Рассчитан экономический эффект от внедрения технологии в промышленном масштабе. Применительно к условиям работы ДП №1 ОАО «КМЗ» годовой экономический эффект составит 7 млн. $.

Выводы по работе

1. В результате реализации энергосберегающей технологии в промышленном масштабе было установлено: при удельном расходе антрацита 30,7 кг/т чугуна, фактический коэффициент замены углерода кокса углеродом антрацита составляет 1,0 кг/кг. В расчете замены кокса антрацитом коэффициент замены составил 1,08 кг/кг. Это свидетельствует о высокой эффективности использования коксозамещающей технологии доменной плавки с использованием в шихте антрацита. На основании проведенных исследований можно сделать вывод о целесообразности дальнейшего использования антрацита в*шихте доменной плавки.

2. Добавка в шихту антрацита, как. заменителя кокса, в количестве 25 — 50 кг/т чугуна и при установленном на ОАО «Косогорский металлургический завод» способе загрузки его в печь, существенного влияния на работу печи не оказала. В результате введения в шихту антрацита и замены им части кокса нарушений хода печи не наблюдалось.

3. Подробно рассмотрены вопросы связанные с изменением параметров работы доменной печи при вводе в шихту антрацита и при увеличении его расхода до 50 кг/т чугуна. Произведена оценка изменения развития процессов восстановления железа и трудновосстановимых элементов. На основании полученных данных разработаны рекомендации по определению оптимального удельного расхода антрацита для обеспечения высокой эффективности энергосберегающей технологии.

4. Произведены балансовые расчеты распределения, серы при увеличении доли антрацита в шихте. Несмотря на большее содержание серы в антраците по сравнению с коксом, введение его в шихту доменной плавки не привело к ухудшению качества выплавляемого чугуна по содержанию серы. В соответствии с результатами балансовых расчетов сера, поступившая в доменную печь вместе с антрацитом, перераспределяется между газовой и, в большей степени, шлаковой фазами.

В заключение авторы работы [24] делают следующие выводы:

1 .Разработан способ доменной плавки с частичной заменой металлургического кокса каменным углем. Количество угля, загружаемого в доменную печь, пропорционально массовой доле кремния в чугуне и составляет 0,5-3,6 %.

2.Определены технологические параметры для установления оптимальных систем загрузки шихты при работе доменной^ печи с частичной заменой металлургического кокса каменным углем. Способ предусматривает уменьшение количества кокса в подаче соответственно количеству загружаемого угля. Загрузка угля должна производиться таким образом, чтобы обеспечить подачу угля средним скипом коксовой части колоши (расположение скипов соответственно КУКРР4, РРЮЦ при обязательной цикличной загрузке подач с углем). Распределение газового потока регулируется путем изменения загрузки подач с углем с КУКРРА| на РРКУКА^ и суммарного количества подач в цикле (1:3,1:5 и 1:7).

В период 1996-1998 гг. в доменном цехе МК "Азовсталь" была исследована возможность применения каменного угля, загружаемого через колошник, для частичной замены металлургического кокса [25].

Для определения вида и марки углей, а также их поставщика, был предварительно проведен анализ их характеристик. Наиболее приемлемым в условиях комбината был антрацитовый уголь сорта АКО.

Для исследования и оценки влияния различного расхода» угля, а также его зольности, на доменной печи № 2 объемом 1233 м3 провели опытные плавки. В результате установили, что при расходе угля 24,4 кг/т (4,0 % от расхода кокса) рудная нагрузка» по сравнению с базовым периодом^ увеличивается, а расход кокса снижается (26,9 кг/т), производство чугуна остается на прежнем уровне.

При этом коэффициент замены кокса каменным углем составляет 1,1 т/т.

При увеличении расхода антрацита той же зольности до 42,1 кг/т (6,7 % от расхода кокса), производство чугуна осталось прежним, а расход кокса по сравнению с базовым периодом снизился на 34,1 кг/т.

Коэффициент замены кокса каменным углем снизился до О, 81 т/т.

Эффективность применения-угля во втором периоде ниже, чем в первом. В третьем опытном периоде применяли антрацит с зольностью 9,3 %. Расход антрацита составил 19,5' кг/т (3,0 % от расхода кокса). Эффективность третьего периода также ниже первого.

В течение исследований контролировали содержание углерода в колошниковой пыли, которое по сравнению^ базовыми периодами не возрастало [25,27].

Опытные плавки и исследования' с применением* антрацита на доменной печиг № 1 такого же объема« подтвердили результаты работы доменной печи и возможность эффективного применения антрацитового угля в условиях комбината [25].

2.4 Опыт ведения доменной плавки с добавкой в шихту антрацита- на доменных печах заводов «Тулачермет» и ЗСМК

В целях экономии дефицитного кокса ЦНИИчерметом совместно с рядом металлургических предприятий была разработана технология доменной плавки с частичной заменой его сырым каменным углем [26].

Испытания проводились на "Тулачермет". Исползьзовали уголь марки ТО Краснобродского разреза. Опытно-промышленные плавки проводили на доменных печах № 1, 2 и 3 полезным объемом соответственно 1386, 1033 и 2000 кг. Общая продолжительность плавок составила 35 сут., было, израсходовано» 9500 т угля и сэкономлено эквивалентное количество кокса. Коэффициент замены кокса углем составил 1,05 кг/т. Расход, кокса-по цеху снизился на 47,7 кг/т чугуна при. расходе угля 46,4 кг/т. Производство чугуна на трех доменных печах возросло на 281 т/сут. Из-за, превышения стоимости железнодорожных- перевозок по доставке угля с Краснобродского разреза в г. Тулу в 1994 г. стоимости угля-данные испытания были прекращены.

В*декабре 1994 г. и в 1995 г. на доменной печи № 3 АО ЗСМК объемом 3000 м3 проводились . испытания с использованием, углей, марок ТПК шахты "Краснокаменская" и Краснобродского разреза. Опытные, плавки с использованием угля ш. "Краснокаменская" в 1994 г. на ДП № З проводились.в несколько этапов, по 3-6 сут. с постепенным увеличением содержания угля в топливной части шихты с 3,0 до 7,0 %.

С марта по июнь 1995 г. в доменной печи №3 АО ЗСМК проплавили 9552 т сырого угля. Краснобродского разреза, произовдство чугуна составило 319249 т. Общая: продолжительность работы ДП № 3 с, применением угля» за этот период составила-60 сут.

За период непрерывной.работы печи с использованием; угля длительностью 27 сут. удельный расход кокса; приведенный, к одинаковым условиям- работы печи, снизился на 27 кг/т при неизменной производительности печи и расходе угля. 31,5 кг/т чугуна. Коэффициент замены кокса углем составил 0,86 кг/кг.

Ухудшения схода шихты в печи при удельном расходе угля 35-40 кг/т чугуна не наблюдалось, он был достаточно ровным. Существенных изменений в газодутьевом режиме и технологических параметрах доменной плавки не возникало.

Шлаковый режим оставался прежним, случаев загромождения горна и затруднений' в отработке продуктов плавки не возникало. Для поддержания дренажной способности коксовой насадки загружали до 300-500 т окалины в сутки.

Таким образом, были проведены опытно-промышленные плавки в различные периоды на шести доменных печах объемом от 1033 до 3000 м3 металлургических предприятий проводились плавки с заменой до 15 % металлургического кокса тощим углем марок ТО и ТПК преимущественно Краснобродского угольного разреза.

Анализ результатов плавок доказал целесообразность и необходимость частичной замены кокса углем без ограничения полезного объема доменных печей. Экономическую эффективность использования каменного угля в доменной плавке следует оценивать исходя из соотношения стоимости кокса и угля, количества замененного кокса углем и коэффициента замены кокса. Последний определяется в основном содержанием золы и летучих в угле, его гранулометрическим составом и показателями механической прочности.

Оптимальной системой загрузки с подачей угля является загрузка в промежуточную или центральную зоны для различных доменных печей. Так, в доменном цехе 'Тулачермет" предварительно смешивали уголь с коксом на загрузочных бункерах и производили совместный отсев мелочи на коксовых грохотах. А на ДП № 3 АО ЗСМК подача угля осуществлялась преимущественно в промежуточную зону с использованием систем загрузки при преобладающей доле подач "рудой вперед" 6РРКК и 1РРУК от уровня засыпи шихты 2,3 м. Необходимо учитывать целесообразность использования углей наиболее близких к доменным цехам шахт и разрезов, так как на стоимость угля существенно влияет цена железнодорожного тарифа его перевозки. [26,31].

Однако весь имеющийся опыт по использованию угля в шихте доменной плавки с целью частичной замены кокса, не позволяет сделать окончательный вывод об оптимальном и максимально возможном удельном расходе антрацита, а так же определить выполняемые им функции с точки зрения развития процессов прямого и непрямого восстановления в доменной печи. Отсутствие исследований в этом направлении не дает полного представления о возможности использования антрацита в шихте доменной плавки. В рамках проведения и реализации данной работы, такие исследования были проведены. Впервые были определены и практически подтверждены оптимальные и максимально допустимые удельные расходы антрацита при выплавке чугуна различных марок.

3 Лабораторные исследования антрацита

3.1 Методика проведения совмещенного термического анализа

Термический анализ представляет собой метод исследования физико-химических и структурных превращений, происходящих в веществе при изменении его температуры. С помощью этого метода обнаруживают характер термических эффектов происходящих при этом: эндо- или экзотермических, а также температурный интервал их изменения. Одновременно с проведением термического анализа часто измеряют и регистрируют ряд других параметров образца в зависимости от температуры, например, массу, размеры, магнитные, оптические, электрические и другие характеристики, что составляет суть методов термогравиметрии, термодилатометрии, термомагнитометрии. Самым распространенным и основным методом термического, анализа является дифференциально-термический анализ,, который позволяет выявлять' и исследовать фазовые превращения и химические реакции, протекающие в веществе при нагревании или охлаждении, по термическим эффектам, сопровождающим эти изменения. Термический анализ, является традиционным методом исследования минерального сырья. Его применяют для диапюстики отдельных минеральных видов, а также для качественного и количественного фазового анализа полиминеральных объектов. Его применение эффективно при анализе вещественного состава как руд, так и вмещающих пород. Кроме того, результаты термического анализа оказываются полезными при решении ряда геологических, минералогических, кристалло-химических и технологических задач.

Дифференциальный термический анализ (ДТА) основан на регистрации разности температур АТ между исследуемым образцом и термоинертным эталоном в процессе нагревания или охлаждения по заданному режиму. Если превращения в образце отсутствуют, АТ =0, кривая ДТА должна иметь вид прямой, совпадающей с нулевой линией, параллельной оси абсцисс. На практике кривая ДТА обычно отклоняется в ту или другую сторону от нулевой линии, так как теплофизические свойства образца и эталона при нагревании изменяются различным образом. При ее графическом изображении разность температур АТ откладывают по оси ординат, а температуру Г по оси абсцисс.

Температура образца может изменяться от задаваемого режима в результате фазовых переходов и химических реакций. К таким процессам относятся: плавление, кипение, испарение, сублимация, перестройка или разрушение кристаллической структуры, а также реакции диссоциации», дегидратации, разложения, окисления, восстановления. Эти процессы сопровождаются выделением или поглощением тепла. Процессы, сопровождающиеся выделением' тепла называются экзотермическими, а поглощением - эндотермическими. На* кривой ДТА экзотермические процессы сопровождаются отклонением- от базовой линии вверх, а эндотермические — отклонением вниз. Экзотермические процессы обозначаются знаком плюс (+), а эндотермические знаком минус (-). В каждом веществе при его нагревании обязательно должно пройти хотя' бы одно превращение, например, плавление, испарение возгонка, сопровождающееся термическим эффектом, поэтому все вещества в принципе термоактивны.

Схема современного прибора ДТА представлена на рисунке 3. Прибор состоит из электрической печи 1 с программным-регулятором температуры 2, держателя образца 3 и эталона* 4, дифференциальной термопары 5, усилителя* сигнала этой термопары б и регистрирующего устройства 7 (в современных, устройствах это компьютер с программами управления и обработки) [28].

Рисунок 3 - Схема прибора дифференциального термического анализа

Совмещенный термический анализ проводился на установке СТА 449С, которая в разрезе представлена на рисунке 4. выход газа

Рисунок 4 - Измерительный блок СТА 449С (в разрезе)

Термогравиметрия — метод, позволяющий регистрировать массу образца в зависимости от температуры или времени при нагревании или охлаждении его в заданной среде с регулируемой скоростью т — /(Т,1). Результат измерений, представленный в графической форме, называется термогравиметрической кривой. По оси ординат откладывают изменение массы сверху вниз, а по оси абсцисс - температуру слева направо. Термогравиметрия дает информацию о процессах, которые в ходе нагревания приводят к изменению массы образца и поэтому является менее информативной, чем дифференциальный термический анализ, но с большим успехом используется при количественном определении фазового состава. По термогравиметрической кривой определяют начальную и конечную температуры, температурный интервал реакции и изменение массы образца.

Интерпретация результатов термогравиметрии многокомпонентных проб осложняется тем, что в некоторых случаях трудно точно определить интервалы изменения массы отдельных компонентов из-за близких значений температур их термических реакций.

Одновременная регистрация изменения массы в зависимости от времени или температуры, т. е: йтШ=^Т, г), позволяет предложить метод, чутко реагирующий на изменение скорости реакции. В этом случае на кривой ТГ можно фиксировать» характеристические точки« перегибов и: определять более точно частично перекрывающиеся интервалы термических реакций' отдельных компонентов^ исследуемой смеси. Метод получил название дифференциальной термогравиметрии (ДТГ). Кривая ДТГ внешне напоминает кривую ДТА. Площадь эффекта на кривой ДТГ пропорциональна изменению массы образца. Пик эффекта.соответствует максимальной скорости реакции [28,29].

Определять количество отдельных термоактивных компонентов в сложной полиминеральной смеси можно на основании полученных кривых, ДТА, ТГ и ДТГ исходя из того, что величина термического эффекта, определяемая его площадью, пропорциональна массе компонента.

1. Белянчиков JL Н., Бородин Д. И., Юсфин Ю. С. и др. «Сталь на рубеже столетий» под редакцией Ю. С. Карабасова М: МИСиС, 2001, - 664 с.

2. Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н., Юсфин Ю. С., Курунов И. Ф., Пареньков А. Е., Черноусов П. И. «Металлургия чугуна» 3-е издание. Под редакцией "Ю.С. Юсфина. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — 774 е.: ил.

3. Peters, К.-Н.:, Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauches bei der Roheisenerzeugung in der BRD, Stahl und Eisen 105 S. 25 30

4. Lüngen, H. В.; Schmöle, Р.: Hochofenbetrieb ohne Koks und Kohlenstoff?, Stahl und Eisen 124 (2004) Nr. 11, S. 63 72

5. Лялюк В.П., Товаровский И.Г., Демчук Д.О. «Коксозамещающие технологии в доменной плавке»: Монография:- Днепропетровск: Пороги, 2006.- 276 с.

6. В.П. Лялюк, И.Г. Товаровский, Д.О.Демчук и др. «Антрацит и термоантрацит в шихте доменной .плавки» // Днепропетровск: Пороги, 2008.- 245 с.

7. Рамм А. Н. «Современный доменный процесс (влияние различных, факторов на результаты доменной плавки)» М.: Металлургия 1980 — 304 с.

8. Китаев Б. И, Ярошенко Ю. Г., Лазарев Б. Л: «Теплообмен в доменной печи» М.: Металлургия 1966 355 с, с ил.9: Паршаков Bi Mf, Антонов-B. М., Боковиков Б. А. «Сталь» 1977, № 6, с. 490 -495

9. Товаровский И. Г., Бояровская Г. П. «Сталь» 1978, № 12, с. 1068 1074

10. Еольдштейн Н. Л. «Водород в доменном процессе» М.: Металлургия; 1971 208 с. С ил.

11. Рэйк Дж. О., Брассерт Д. Е., «Проблемы металлургии» 1953 № 6, сЗ-12

12. Borgnet D. «Revue de Metallurgie», 1971 № 7 8 р. 469 - 483

13. Воскобойников В. Г., Гохман Ю. И., Жураковский Б. Л. «Сталь» 1971, № 4 с. 303-308.

14. Nishio Н., Miyashita Т., «Journal of the Iron and Steel Institute of Japan» 1973, v. 59 № 12, p. 1506-1522

15. Карпиловский Я. Б., Рамм А. Н., «Производство чугуна» вып. 2 Магнитогорск, кн. Изд., 1973,206 с.

16. Рамм А. Н. «Доменный процесс по новейшим исследованиям» М.: Металлургиздат 1963, 378 с.

17. Gudenau, Н., W.: Eisenhüttenmännische Verfahrenstechnik — Hochofen Vorlesung, Institut für Eisenhüttenkunde, RWTff Aachen, 2009

18. Peters, К. H:; Lüngen, H. В.: Stahl und Entwicklungsmöglichkeiten zur. Senkung des spezifischen Koksverbrauches im Hochofen, StahlundEisen 112 (1992) Nr. 11, S. 29-36

19. Ярошевский С. JI. «Пылеугольное топливо в домеином производстве» научно технический семинар ЦНТИ Прогресс, Ст. — Петербург 2008'

20. Simankov А. М. «Thermodynamische Berechnung- der Vergasungstemperatur verschiedener Ersatzreduktionsmittel unter den Reaktionsbedingungen' in der Wirbelzone im Hochofen» Diplomarbeit TU Freiberg, 2008"

21. Похвиснев А. Н., Абрамов В. С., Красавцев Н. И., Леонидов Н. К., «Доменное производство» М.: металлургиздат, 1951, 707 с.

22. Павловым. А. «Металлургия чугуна» часть 1, Введение, сырые материалы М.: Металлургиздат 1955, 212 с.

23. Котельников, И. В., Попов Н. Н., Прядко Н. Д., «Опыт доменной плавки с частичной заменой кокса каменным углем» Сталь 1994 № 12с 15-12

24. Дидевич А. В., Быков Л. В., Зотов А. В., «Применение каменного угля, для частичной замены металлургического кокса в доменной плавке» Труды V международного конгресса доменщиков. Днепропетровск. Пороги 1999 с 242 -244

25. Гусаров А. К. «Доменная плавка с частичной заменой кокса каменным углем» Металлург 1997 № 12 с 15 16

26. Бочка В. В. «Распределение материалов на колошнике доменной печи при частичной замене кокса кусковым углем» Труды V международного конгресса доменщиков. Днепропетровск. Пороги 1999 с315—317

27. Иванова В.П,.Касатов Б.Г,.Красавина Т.Н «Термический анализ минералов и горных пород» М.: Недра, 197429.«Методы минералогических исследований» Справочник/ Под ред. А.И.Гинзбурга. -М.: Недра. 1985.

28. Коровушкин В.В. ЯГР-спектроскопия в практике геолого-минералогических работ (Лабораторные и технологические исследования минерального сырья: Обзор) М.: АО «Геоинформмарк». 1993, 39 с.

29. Способ загрузки доменной печи/ ОАО "Северсталь" // Патент России № 2092564. МКИ6 С 21в 5/00. Опубликовано 1997.10.10

30. Способ доменной плавки / В.А. Доброскок, И.Ф. Курунов, Ю.В. Липухин и др. // Патент России № 2042714. МКИ6 С 21в 5/00. Опубликовано 1995.08.27.

31. Способ выплавки чугуна в доменной печи / B.C. Лисин, В.Н. Скороходов, А.Н. Скороходова и др. // Патент России № 2207381. МКИ7 С 21в 5/00. Опубликовано 2003.06.27.

32. Демчук Д.А. «О применении антрацитовых заменителей металлургического кокса в доменных печах» Вестник МАНЭБ. С.-Пб. - 2001.- № 9 (45). - С. 5658.

33. Бочка В.В., Сиваков М.И. «Некоторые особенности поведения каменных углей в столбе шихты доменных печей. Теория и практика производства чугуна» Сборник трудов международной научно-технической конференции. — Кривой Рог: ОАО «Криворожсталь». 2004.

34. Тарасов В.П. «Газодинамика доменного процесса» — 2-е изд. Перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1990. 216 с.

35. Тарасов В. П. Потери напора по сечению печи в реальных условиях доменной плавки. // Сталь 1979 №1 с. 11 13

36. Волков Ю. П.; Шпарбер Л. Я.; Гусаров А. К. «Доменщик технолог», Справочник - М.: Металлургия, 1986

37. Богданди Л. Ф., Энгель Г. Ю. «Восстановление железных руд» Пер. с нем. — М.: Металлургия, 520 с.

38. Симанков А. М., Юсфин Ю. С., Травянов А. Я. «Влияние частичной замены кокса антрацитом на газодинамеческие условия работы доменной печи» Изв. Вузов. Черная металлургия. 2011 № 3

39. Симанков А. М., Юсфин Ю. С., Шепетовский И. Э., Шалыгин А. Г., Павлов A.B.', «Доменная плавка с использованием в шихте антрацита» 2011 № 2 с 4 — 9

40. Демчук Д.А., Кекух A.B., Орел Г.И. «Экологические преимущества антрацитовых заменителей металлургического кокса» Вестник международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. -Санкт-Петербург, 2003. т. 8, №5 (65).-С. 65-75.

41. Андоньев СМ., Филипьев О.В. «Пылегазовые выбросы предприятий черной металлургии» М.: Металлургия; 1979. - 192 с.

42. Воскобойников В. Г. Жураковский Б. JI. И др. «Вдувание ГВГ в горн доменной печи» «Сталь» № 4, 1970 стр. 290 293

43. Воскобойников В. Г.; Гохман Ю. И.; Жураковский Б. Л. И др. «Сталь» № 4, 1971 стр. 303 308

44. Жеребин Б. Н.; Дембовецкий В. П.; Кудояров М. С. И др. «Опыт по использованию коксового газа в доменном производстве» Сталь № 4, 1965, с. 293-298

45. Ярошевский С. Л. «Выплавка чугуна с применением пылеугольного топлива» М.: Металлургия 1988 175 с.