автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и совершенствование методики оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки

На правах рукописи

ВИТЬКИНА Галина Юрьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ И КОКСА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ДПР 2012

Екатеринбург - 2012

005019347

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте металлургии Уральского отделения Российской академии наук

Научный руководитель доктор технических наук,

Дмитриев Андрей Николаевич

Официальные оппоненты: Спирин Николай Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», заведующий кафедрой теплофизики и информатики в металлургии

Кобелев Владимир Андреевич, кандидат технических наук, ОАО «Уральский институт металлов», заведующий НИЦ подготовки сырья и рудотермических процессов

Ведущая организация Научно-исследовательский институт

металлургической теплотехники -ОАО «ВНИИМТ»

Защита состоится 18 мая 2012 года в 1300 на заседании диссертационного совета Д 004.001.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте металлургии Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Уральского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан -¿г апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Дмитриев

Андрей Николаевич

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Доменное производство является одним из основных звеньев металлургического передела. Эффективность доменной плавки существенно зависит от качества железорудного сырья и кокса, требования к которым становятся все более жесткими. Тенденция изменения сырьевой базы России такова, что запасы коксующихся углей и богатых руд ограничены, и в шихту вводят менее качественное сырье. Это отражается на качестве получаемого кокса и агломерата (окатышей), их физико-химических свойствах, что, в свою очередь, существенно меняет технико-экономические показатели работы доменных печей.

Расход кокса в доменной плавке как энергоносителя (источника теплоты и восстановителя) может снижаться, в основном, двумя путями. Во-первых, за счет использования экстенсивных факторов - повышение содержания железа в шихте, использование прямых заменителей кокса (природного газа, мазута, угольной пыли, восстановительного газа, в том числе колошникового с отмывкой его от диоксида углерода), увеличение температуры дутья, высокопотенциальной теплоты (использование плазмотронов) и т.д.

Во-вторых, за счет использования интенсивных факторов - повышение степени использования теплового и восстановительного потенциала газа в результате улучшения качества железорудного сырья и кокса, характеризуемого восстановимостью, прочностью, температурами размягчения и плавления для железорудного сырья, реакционной способностью и прочностью для кокса.

Резервы первого пути в значительной степени исчерпаны. Таким образом, главным резервом снижения расхода кокса и улучшения технико-экономических показателей плавки является повышение качества железорудного сырья и кокса.

Следует отметить, что некоторые используемые на практике металлургические характеристики железорудных материалов и кокса в практическом интервале изменения не коррелируются напрямую с производительностью доменных печей и удельным расходом кокса. По ним сложно прогнозировать изменение технико-экономических показателей работы доменных печей. Поэтому разработка методических основ оценки металлургических характеристик железорудного сырья и кокса, использование которых позволит объяснить и спрогнозировать изменение технико-

экономических показателей доменной плавки, является весьма актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в рамках государственной бюджетной тематики (№ 01201061031), а также при поддержке Программы Президиума РАН (№ 23) и Федерального агентства по науке и инновациям (грант №02.740.11.0152).

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии доменной плавки путем учета зависимостей между металлургическими характеристиками железорудного сырья и кокса и показателями доменного процесса.

Научная задача работы — теоретическое обоснование и разработка методических основ оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки.

Для выполнения цели и научной задачи работы поставлены следующие задачи:

1. Анализ влияния металлургических характеристик железорудного сырья (агломерат и окатыши) и кокса, а именно восстановимости, прочности, температур начала размягчения и плавления железорудного сырья, реакционной способности и термомеханической прочности кокса, на эффективность работы современных доменных печей, используя литературные данные.

2. Определение и анализ влияния свойств исходного сырья на формирование металлургических характеристик железорудного сырья (восстановимость) и кокса (реакционная способность).

3. Определение и анализ условий формирования металлургических характеристик железорудного сырья и кокса.

4. Разработка математической модели прогнозирования металлургических характеристик кокса (расчет и прогнозирование показателей реакционной способности и термомеханической прочности кокса),

5. Анализ и прогноз основных показателей эффективности доменной плавки при изменении металлургических характеристик шихтовых материалов (восстановимость, «холодная» прочность, температуры начала размягчения и плавления железорудных материалов; реакционная способность кокса) на примере существующих доменных печей металлургических предприятий России с использованием готовых математических моделей доменного

процесса: балансовой логико-статистической модели и комплекса двумерных математических моделей.

Научная новизна. Разработана новая методика оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки, заключающаяся в следующем: лабораторные исследования с определением металлургических характеристик железорудного сырья и кокса, аналитическое исследование влияния этих характеристик на эффективность доменной плавки с помощью математических моделей, опытно-промышленные и промышленные испытания.

Разработанные методические основы позволяют получить усовершенствованные критерии оценки металлургических характеристик сырья и объяснить механизм их влияния на реакции прямого и косвенного восстановления в доменной печи, сформулировать рекомендации по совершенствованию технологии доменной плавки.

Методика оценки влияния качественных характеристик сырья дополнена прогнозной математической моделью для комплексного исследования высокотемпературных свойств кокса, основанной на опытных либо, при отсутствии опытных, среднестатистических данных о качестве составляющих исходной шихты для коксования.

Практическая значимость. Предлагаемая методика может быть применена для решения таких практических задач, как оценка влияния металлургических характеристик новых видов сырья на показатели доменной плавки, промышленное испытание которых связано с большими материальными и финансовыми затратами.

На защиту выносятся:

1. Методика оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки.

2. Результаты теоретических расчетов и экспериментального определения кинетических характеристик, определяющих реакционную способность кокса.

3. Прогнозная математическая модель для комплексного исследования высокотемпературных свойств кокса.

4. Результаты анализа влияния металлургических характеристик сырья на показатели доменной плавки на примере промышленных предприятий России с использованием балансовой логико-статистической модели и комплекса двумерных математических моделей доменного процесса.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Восьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 27-28 октября 2009, Санкт-Петербург, Россия; The 5th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids - DSL-2009, 24-26 June, Rome, Italy; Девятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 22-23 апреля 2010, Санкт-Петербург, Россия; The 6th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids - DSL-2010, 5-7 July, Paris, France; Межрегиональной 69-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования», 25-29 апреля 2011, Магнитогорск, Россия; Научно-технической конференции, посвященной 310-летию уральской металлургии и созданию технико-внедренческого центра металлургии и тяжелого машиностроения «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР», 16-17 июня 2011 г., Екатеринбург, Россия; 16 Международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии», 4-6 октября 2011, Днепропетровск, Украина; The Fray International Symposium on Metals and Materials Processing in a Clean Environment: Principles, Technologies and Industrial Practice, 27 November-1 December, 2011, Cancun, Mexico.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, включая 38 рисунков, 21 таблицу, и состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 142 источников отечественных и зарубежных авторов, и 9 приложений.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, поставлена цель и сформулированы задачи исследования, приведены научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе на основе анализа литературных данных изучены проблемы, связанные с качеством железорудного сырья и кокса, на примерах отечественных и зарубежных производств. Так как в работе особое внимание уделяется конкретным металлургическим характеристикам, то был проведен

анализ влияния восстановимости, прочности, температур размягчения и плавления железорудного сырья, в частности агломерата и окатышей; реакционной способности и термомеханической прочности кокса на эффективность доменной плавки.

Приведена официальная методика оценки влияния технологических факторов на расход кокса и производительность доменных печей, разработанная Институтом черной металлургии имени З.И. Некрасова HAH Украины, которая, однако, не учитывает возможности оценки влияния исследуемых нами факторов на расход кокса и производительность доменных печей,

В главе проанализированы современные математические модели для изучения доменного процесса, позволяющие определить основные технико-экономические показатели доменной плавки, одномерные и двумерные распределения скоростей в объеме агрегата, температур, степени восстановления и т.д., в качестве исходной информации в которых берутся все важнейшие показатели качества железорудных материалов и кокса (определяемые экспериментальным путем).

Во второй главе исследованы вопросы оценки кинетических характеристик железорудного сырья, определяющих его восстановимость; кратко охарактеризован механизм восстановления оксидов железа в доменной печи.

При математическом моделировании восстановительных процессов восстановимость железорудного материала может быть учтена путем введения коэффициента массообмена, зависящего от температуры, вида газа-восстановителя (водород или оксид углерода) и физико-химических свойств железорудного материала (агломерат или окатыши). Коэффициент внутренней диффузии в свою очередь зависит как от характеристик среды: температуры, давления, скорости и диффузионной способности газа-восстановителя (СО, Hi), так и физико-химических свойств железорудного материала, в частности, его пористости. Коэффициент внешнего массообмена зависит от скорости потока газа, температуры, размера куска железорудного материала, диффузионных и теплофизических свойств газа-восстановления.

Такой подход с определением коэффициентов массообмена и внутренней диффузии на специально разработанной экспериментальной установке ОАО «ВНИИМТ» использовался ранее для анализа влияния характеристик

железорудного сырья на протекание процессов восстановления в объеме доменной печи.

Подобный анализ представляется достаточно продуктивным. Однако в нашей работе использован общепринятый показатель восстановимости железорудного сырья по ГОСТ 17212-84 как основной показатель качества наряду с прочностью по ГОСТ 15137-84. Связи между коэффициентами массообмена, внутренней диффузии и восстановимостью по ГОСТ 17212-84 не установлены. Поэтому использован подход к оценке влияния восстановимости на показатели доменной плавки с использованием в качестве основной балансовой логико-статистической модели доменного процесса, в которую заложены показатели восстановимости и прочности.

Вторым важным показателем качества железорудного сырья наряду с восстановимостью является прочность по ГОСТ 15137-84. В главе кратко изложены возможности учета прочности железорудного материала в балансовой логико-статистической модели доменного процесса.

Показатель восстановимости агломерата и окатышей и определяющих ее кинетических характеристик предлагаем исследовать на экспериментальной установке (рис. 1), соответствующей требованиям ГОСТ 17212-84. Конструкция реакционного стакана, выполненного из огнеупорного материала, обеспечивает подвод газа снизу (рис. 2.). Такая конструкция реакционного стакана позволяет при сравнительно небольших расходах газа избежать потоколимитируемого режима и пренебречь внешнедиффузионным сопротивлением при обработке экспериментальных данных.

Сущность метода заключается в восстановлении пробы оксидом углерода при заданных температурных условиях (нагрев за первые 40 минут со скоростью 15°С/мин до 600°С, за последующие 175 мин со скоростью 2,86°С/мин до 1100°С) и определении восстановимости по результатам химического анализа исходной и восстановленной пробы либо потере массы кислорода при восстановлении.

В третьей главе исследованы вопросы оценки характеристик кокса, определяющих его реакционную способность. За основу взяты исследования Абрамова С.Д., Шаврина C.B. и др., в которых рассмотрен вопрос изучения кинетических характеристик кокса: константа скорости реакции и энергия активации для навески кокса 0,1 г. Данную методику невозможно применить для проведения опытов с крупными кусками кокса со степенью использования внутренней поверхности кокса более единицы.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для определения восстановимое™ железорудных материалов: 1 - персональный компьютер; 2 - электронные весы; 3 -электрическая печь; 4 - реакционный стакан; 5 - термопара; 6 - термоконтроллер; 7 -ротаметр; 8 - газоанализатор; 9 - газогенератор; 10 - редуктор; 11 - кран; 12 - баллон с СО; 13 - баллон с N2; 14 - баллон с СО?, 15 - вытяжная вентиляция

Рис. 2. Конструкция реакционного стакана

Задача состояла в исследовании реакционной способности кокса согласно ГОСТ Р 50921-2005 с определением энергии активации кокса крупного (промышленного) размера.

Для определения реакционной способности кокса и определяющих ее кинетических характеристик были проведены опыты на экспериментальной установке, соответствующей требованиям ГОСТ Р 50921-2005 (аналог сертифицированной установки с соблюдением всех параметров). Сущность метода заключалась в реакции кокса с диоксидом углерода при температуре 1100°С и определением массы остатка кокса после реакции. Показателем реакционной способности являлась выраженная в процентах потеря массы кокса после реакции с диоксидом углерода.

В работе исследовался кокс доменный ОАО «Уральская Сталь» (г. Новотроицк). Для определения кинетических характеристик кокса были проведены эксперименты при различных температурах нагрева, в ходе которых фиксировалась убыль массы по времени. Полученные расчетные кинетические характеристики кокса представлены в табл. 1.

Таблица 1. Кинетические характеристики исследуемого кокса

Наименование т, т2 Тз

Скорость угара кокса Ус, %/с 0,000837 0,002049 0,004368

Функция, учитывающая среднее уменьшение СО2 в слое кокса /(до), доли ед. 0,020473 0,050120 0,106866

Коэффициент, учитывающий противодавление газа в порах куска кокса К„ доли ед. 1,271451 1,264379 1,250693

Приведенная константа скорости реакции К , с"1 0,069946 0,197203 0,508386

Критерий Тиле 5, доли ед. 2,145529 5,183963 11,45551

Реакционная способность кокса СШ, % 6,025 14,75 31,45

Построены графики температурной зависимости константы скорости реакции для кокса (рис. 3). Получено, что для исследуемого кокса предэкспоненциальный множитель и энергия активации равны, соответственно, к0 = 3,9 -10® с"1; Е = 244,7 кДж, это позволяет в первом приближении прогнозировать состав отходящего газа на выходе из слоя кокса при различных температурах процесса.

Также для количественного анализа и прогнозирования показателей работы доменных печей изучены в лабораторных условиях характеристики кокса ОАО «НТМК» (г. Нижний Тагил), ОАО «Алтай-Кокс» (г. Заринск), ОАО «Москокс» (Московская обл., г. Видное).

Реакционная способность кокса определялась для кокса ОАО «ЬГГМК» различных составов: 1 - батарея №2 (кокс мокрого тушения); 2 - батарея №9 (кокс сухого тушения), 3 -мелочь кокса сухого тушения (фракция 0-10 мм).

На показанном ниже графике (рис. 4) представлены зависимости убыли массы кокса по времени. Полученные кинетические характеристики занесены в табл. 2.

Рис. 4. Убыль массы кокса различных составов по времени: 1 - кокс мокрого тушения; 2 - кокс сухого тушения; 3 - мелочь

Таблица 2. Кинетические характеристики исследуемых коксов

Кокс СЫ, % Ус, %/с

№1 32,95 4,340-10"'

№2 33,00 4,583-Ю"'

№3 31,25 4,576-10"'

Можно отметить, что по истечении двух часов взаимодействия кокса с диоксидом углерода достигается максимальное значение убыли массы кокса. Как показано на рис. 4, убыль массы кокса по времени изменяется в нелинейной зависимости более равномерно для кокса сухого тушения 2 и мелочи 3, менее равномерно - для 1 (кокс мокрого тушения).

Для определения реакционной способности кокса ОАО «Алтай-Кокс» (№1) и ОАО «Москокс» (№2) было проведено 6 экспериментов. Данные указаны в табл. 3.

Таблица 3. Расчетные характеристики исследуемых коксов

Номер пробы Убыль массы кокса, г СЫ, % сет, %

1.1 134,2 32,90 54,823

1.2 135,6 32,20 55,614

1.3 134,4 32,80 54,936

2.1 139,6 30,20 57,874

2.2 139,7 30,15 57,930

2.3 138,4 30,80 57,196

Кроме того, в главе рассмотрено решение поставленной задачи прогнозирования качества кокса на основе информации о качестве составляющих исходной шихты для коксования, и предложена прогнозная модель оценки качества кокса.

В основе модели лежит использование в качестве исходных данных показателей качества углей по международной системе кодификации, используемых при коксовании. Важно отметить, что такие сертификаты качества, как правило, используются технологическим персоналом предприятий и представленной в них информации вполне достаточно для предварительных анализов и расчетов. Введено понятие базового варианта с фиксированными параметрами коксования, что позволяет в случае отсутствия данных использовать соответствующие значения базового варианта без риска выйти за рамки экстраполяции влияния какого-либо фактора, так как в базовый

вариант уже заложен среднестатистический опыт работы достаточно большого количества коксохимических предприятий. Кроме того, такой подход обеспечивает достаточно простую возможность уточнения и расширения числа факторов, влияющих на ход коксования за счет корректировки или добавления соответствующих зависимостей.

Для прогнозирования качественных характеристик кокса предложено применить метод расчета отклонений от базовых (усредненных) значений с использованием следующих исходных данных: показатель отражения витринита (Л0), содержание летучих (Ус/а-/) и серы (£?), зольность (А'1), индекс основности золы угля (/¿) с соответствующими базовыми значениями (табл. 4).

Таблица 4. Исходные характеристики для прогнозирования качества кокса

CRI", % CSR", % Ал,% у*!о/о R0, % 4 доли ед.

30 55 9,0 28 1,1 3,0

Влияние основных факторов на показатель CRI по многочисленным литературным и экспериментальным данным приведено в табл. 5.

Таблица 5. Влияние основных факторов на показатель CRI

Фактор (Б) ±AF, % ±Д CRI, %

Показатель отражения витринита R0, % +0,1 -4,4

Зольность А", % +1,0 +1,7

Индекс основности доли ед. +0,5 +3,25

Летучие Г^, % + 1,0 +0,28

Для прогнозирования использованы базовые величины характеристик кокса и исходных углей, приведенные в табл. 6.

Таблица 6. Базовые величины характеристик кокса и углей

Шгьв,% М10в, % Аа,% VSL,% Rc % Y, мм

86,0 7,0 9,0 80,0 1,1 16,0

В настоящем расчете реакционной способности, и Мю пока

используются физико-химические и петрографические характеристики углей, в то время как существенное влияние имеют также и технологические факторы, например, степень измельчения углей, время и температура

коксования, плотность укладки, режим тушения и т.д. Однако принятая идеология модели позволяет, по мере накопления практических данных, легко дополнять (изменять) соответствующие зависимости в уравнениях.

Адекватность модели проверяли на примере работы Губахинского коксохимического завода (КХЗ), работающего на смеси привозных углей Кузнецкого и Печорского бассейнов (см. табл. 7).

Расчетные значения показателей реакционной способности кокса и «горячей» прочности кокса за период 2006-2008 гг. для условий Губахинского КХЗ составят СМ = 36,8 %, С5К = 46,3 % против фактических 37,3 % и 45,7 % соответственно.

Таблица 7. Основные характеристики используемых углей

Концентрат А". % И* % % Л» % г, мм V,, % УБЬ, % Доля, %

ОФ Распадская 8,5 37,5 0,6 0,83 22 84 85 38

ЦОФ Печорская 8,5 32,2 0,8 1,0 22 66,7 67 14

ЦОФ Березовская 9 21,2 0,6 1,2 8 48 48 12

ОФ Каро 9 24,5 0,5 1,19 9 41 42 12

ЦОФ Сибирь 9,3 22,2 0,3 1,19 12 71 72 19

ОФ Нюренгринская 10,6 18,8 0,2 1,54 10 69 81 5

Среднее 9,15 26,1 0,5 1,16 13,8 63,3 65,8 1=100

В четвертой главе с помощью балансовой логико-статистической модели проведены расчеты для ряда доменных печей металлургических заводов России. Печи подобраны только по условию подобия полезных объемов, т.е. полезный объем каждой расчетной печи составляет 2000-2200 м3. Остальные условия различны для каждой конкретной печи. Печи, отобранные для расчетов, и их полезные объемы указаны в табл. 8.

Рассчитаны варианты влияния изменения восстановимости и прочности на технико-экономические показатели доменной плавки (рис. 5, на примере доменной печи №9 ОАО «ММК», г. Магнитогорск).

Как ожидалось, существует альтернатива между этими двумя металлургическими характеристиками железорудного сырья: если ставится вопрос о достижении максимальной производительности доменной печи, то этого можно добиться путем повышения величины «холодной» прочности железорудной шихты и, напротив, если существует необходимость в

снижении расхода кокса, то в качестве приоритета будет стоять задача увеличения восстановимое™ шихты (при прочих равных условиях).

Таблица 8. Полезные объемы исследуемых доменных печей

Предприятие, печь Полезный объем, м3

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ДП №9 2014

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ДП №10 2014

ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат», ДП №5 2200

ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат», ДП №6 2200

ОАО «Уральская Сталь», ДП №4 2000

ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», ДП № 3 2000

ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», ДП № 4 2000

ОАО «Тулачермет», ДП № 3 2200

Восстановимостъ (1);"иэлодная" прочность (2) железорудного сырья, %

Рис. 5. Влияние восстановимости (1) и «холодной» прочности (2) железорудного сырья на расход кокса (—), производительность печи (—) для условий ДП №9 ОАО ММК

Для получения оптимальных значений производительности печи и расхода кокса рекомендуется применять железорудные материалы с показателями восстановимости и «холодной» прочности выше 80 %.

Проведен расчет влияния реакционной способности кокса CRI на эффективность доменной плавки. Полученные зависимости представлены на

рис. б (на примере ДП №9 ОАО «ММК»), Для получения оптимальных значений производительности печи и расхода кокса рекомендуется применять кокс с реакционной способностью менее 30 %.

Реакционная способность кокса CRI, %

Рис. 6. Влияние CRI кокса на расход кокса (—), производительность печи (—) для условий

ДП №9 ОАО ММК

Одной из важнейших металлургических характеристик железорудного сырья является температурный интервал размягчения, т.е. температуры начала размягчения и плавления. Температурный интервал размягчения определяет местоположение и форму зоны когезии, которая, в свою очередь, в значительной степени определяет газодинамический режим работы доменной печи.

Факторы, влияющие на местоположение и форму зоны когезии, можно разделить на четыре основные группы:

1) распределение шихты по радиусу колошника;

2) местоположение фурменного очага;

3) температура фурменного очага;

4) восстановимость и температуры размягчения и плавления железорудной части шихты.

При этом факторы 1—3 определяются особенностями профиля доменной печи и технологией доменной плавки в конкретных шихтовых и дутьевых условиях, а факторы 4-ой группы являются металлургической характеристикой железорудного материала (агломерата или окатышей).

Предложен следующий способ анализа влияния температур размягчения и плавления железорудного материала на профиль зоны когезии.

1. Определение в лабораторных условиях температур начала размягчения и плавления железорудного материала по ГОСТ 26517-85.

2. Расчет с помощью двумерной математической модели местоположения и формы зоны когезии.

Данный способ вписывается в общую концепцию разрабатываемой методики анализа влияния металлургических свойств железорудных материалов на эффективность доменной плавки.

Двумерная математическая модель доменного процесса позволяет рассчитать местоположение и форму зоны когезии (т.е. ее профиль) на основе определенных на лабораторной установке или рассчитанных с помощью прогнозных методик температур размягчения и плавления с учетом степени восстановления железорудного материала и неравномерности распределения по радиусу доменной печи.

Для всесторонней оценки качества железорудного сырья (агломерат, окатыши) проведен расчет значений температур начала размягчения и плавления (расплавления) на примере шихт доменной печи № 6 ОАО «НТМК» и доменной печи № 10 ОАО «ММК».

Анализ процессов восстановления в двумерном варианте был выполнен на основе математических моделей газодинамики, теплообмена и восстановления (рис. 7, а, б). Для расчета местоположения и формы зоны когезии использовались температуры размягчения и плавления железорудного материала с учетом степени восстановления.

Видно, что металлургические свойства железорудных материалов оказывают влияние на профиль зоны когезии.

Таким образом, поставленная в диссертационной работе цель -совершенствование технологии доменной плавки путем учета зависимостей между металлургическими характеристиками железорудного сырья и кокса и показателями доменного процесса - выполнена. Показано, что наиболее целесообразным способом повышения эффективности доменной плавки является интенсификация процесса за счет улучшения качественных (металлургических) характеристик железорудного сырья и кокса. Анализом литературных данных выявлено, что наиболее значимыми характеристиками являются: восстановимость и прочность для железорудного сырья, реакционная

а

б

Рис. 7. Температурные поля и зоны когезии в доменных печах при плавке шихт с различной восстановимостью: а - №10 ОАО «ММК»; б - №6 ОАО «НТМК»

способность для кокса. Для анализа влияния этих металлургических характеристик на основные показатели плавки нами предложено использовать математические модели доменного процесса, разработанные в Институте металлургии УрО РАН А.Н. Дмитриевым, Ю.А. Чесноковым, А.В. Ченцовым, С.В. Шавриным. Эти математические модели (балансовая логико-статистическая модель и комплекс двумерных математических моделей) в числе немногих позволяют использовать в качестве исходных данных металлургические характеристики железорудного сырья и кокса, в том числе и в двумерном варианте. В работе предложена и показана возможность оценки влияния и других металлургических характеристик сырья, в частности, температур размягчения и плавления железорудных материалов. Представляется, что повышение значений восстановимости и «холодной» прочности, увеличение температурного уровня и сужение интервала размягчения железорудного сырья либо снижение значения реакционной способности кокса является экономически целесообразным и позволит улучшить эффективность доменного процесса.

Заключение

Представленная диссертационная работа посвящена решению вопросов, связанных с влиянием металлургических характеристик составляющих доменной шихты на технико-экономические показатели работы доменной печи. В результате выполнения работы получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Предложена методика оценки влияния металлургических свойств железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки, которая заключается в следующем: лабораторные исследования с определением металлургических характеристик железорудного сырья и кокса, аналитическое исследование влияния этих характеристик на эффективность доменной плавки с помощью математических моделей, опытно-промышленные и промышленные испытания.

2. На основе анализа закономерностей формирования восстановимости железорудного сырья и реакционной способности кокса в лабораторных условиях изучены их кинетические особенности, позволившие в первом приближении спрогнозировать состав отходящего из слоя газа при различных температурах процесса.

3. Методика оценки влияния металлургических характеристик сырья дополнена прогнозной математической моделью для определения высокотемпературных свойств кокса, основанной на зависимости между качественными характеристиками углей и кокса.

4. На основе анализа эффективности доменной плавки (на примере промышленных предприятий России) при изменении восстановимости и «холодной» прочности железорудного сырья с использованием балансовой логико-статистической модели доменного процесса получены теоретические зависимости и даты рекомендации по использованию железорудного сырья с показателями восстановимости и «холодной» прочности выше 80 %.

5. На основе анализа эффективности доменной плавки (на примере промышленных предприятий России) при изменении реакционной способности кокса с использованием балансовой логико-статистической модели доменного процесса получены теоретические зависимости и даны рекомендации по использованию кокса с показателем реакционной способности менее 30 %.

6. Выполнен анализ влияния температур размягчения и плавления железорудного сырья на местоположение и форму зоны когезии с учетом степени восстановления железа в объеме печи с использованием комплекса двумерных математических моделей доменного процесса. Установлена возможность учета качественного влияния характеристик размягчения на местоположение и форму зоны когезии в условиях радиальной неравномерности с учетом профиля доменной печи.

7. Методика определения свойств кокса внедрена в ООО «Изомин» (Московская обл., г. Ступино) для анализа, контроля качества кокса (расчет показателей реакционной способности CRI и термомеханической прочности CSR) и определения влияния данных характеристик кокса на технико-экономические работы вагранки при использовании в шихту коксов различных производителей.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Г.Ю. Аржадеева (Витькина), А.Н. Дмитриев, З.Н. Пастухова, Ю.А. Чесноков. Качество железорудного сырья и кокса - резерв совершенствования технологии доменной плавки // Сборник трудов Седьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2009. Изд-во Политехи. Ун-та. С. 301-302.

2. Г.Ю. Аржадеева (Витькина), А.Н. Дмитриев, Ю.А. Чесноков. Математическое моделирование кинетических характеристик дутья в доменной печи // Сборник трудов Восьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Санкт-Петербург, 2009. Изд-во Политехи. Ун-та. С. 264-265.

3. А.Н. Дмитриев, Ю.А. Чесноков, Г.Ю. Аржадеева (Витькина). Математические модели и их . применение для решения практических задач доменной плавки // Сталь. 2010. № 4. С. 18.

4. Г.Ю. Аржадеева (Витькина), А.Н. Дмитриев, Ю.А. Чесноков. Исследование влияния качественных характеристик железорудного сырья на показатели доменной плавки // Сборник трудов Девятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2010. Изд-во Политехи. Ун-та. Т. 4. С. 175-176.

5. A.N. Dmitriev, Y.A. Chesnokov, G.Yu. Arzhadeeva (Vitkina). Mathematical Model of Forecasting the Coke Quality Indicators // Defect and Diffusion Forum, Vols. 297-301 (2010). PP. 1290-1294.

6. Г.Ю. Аржадеева (Витькина), А.Н. Дмитриев, Ю.А. Чесноков. Исследование влияния морфологии исходных углей на качество и технико-экономические показатели производства кокса // Сборник трудов Десятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2010. Изд-во Политехи. Ун-та, 2010. Т. 2. С. 127-128.

7. Г.Ю. Аржадеева (Витькина), А.Н. Дмитриев, Ю.А. Чесноков, A.B. Суворов. Оценка кинетических характеристик кокса, определяющих его реакционную способность // Известия ВУЗ. Черная металлургия. 2011. № 3. С. 24-25.

8. Г.Ю. Аржадеева (Витькина), А.Н. Дмитриев, Ю.А. Чесноков. Влияние реакционной способности кокса на технико-экономические показатели доменного процесса // Материалы 69-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования», Магнитогорск, 2011. Изд-во Магниторгорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. Т.1. С. 100-103.

9. A.N. Dmitriev, Yu.A. Chesnokov, G.Yu. Arzhadeeva (Vitkina). Mathematical Modeling of a Blast Furnace Smelting by Improving the Iron Ore Raw Materials and Coke // Abstract Book of the Tenth Israeli-Russian Bi-National

Workshop-2011 "The Optimization of Composition, Structure and Properties of Metals, Oxides, Composites, Nano and Amorphous Materials", June 20-23, 2011, Arial, Israel. PP. 168-175.

10. A.N. Dmitriev, Yu.A. Chesnokov, G.Yu. Arzhadeeva (Vitkina), Yu.P. Lazebnaya. Mathematical Model of Forecasting the Iron Ore Materials and Coke Quality Indicators // Defect and Diffusion Forum, Vols. 312-315 (2011). PP. 1198-1203.

11. A.H. Дмитриев, Ю.А. Чесноков, Г.Ю. Аржадеева (Витькина). Перспективные разработки в области контроля и управления доменной плавкой // Сборник трудов научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Т.1. Екатеринбург: УрО РАН, 2011. С. 138-142.

12. Г.Ю. Аржадеева (Витькина), А.Н. Дмитриев, Ю.А. Чесноков. Исследование влияния комплекса металлургических свойств железорудного сырья на технико-экономические показатели доменного процесса // Сборник трудов 16 Международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии», Днепропетровск, Украина, 2011. С. 10-11.

13. A.N. Dmitriev, Yu.A. Chesnokov, G.Yu. Arzhadeeva (Vitkina). The Coke and Iron Ore Materials Kinetic Characteristics and Quantitative Indicators of Blast Furnace Process // Defect and Diffusion Forum, Vol. 322, Recent Advances in Mass Transport in Materials (2012). PP. 87-106.

Ризография НИЧ УрФУ 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

1.1. Основные показатели качества железорудного сырья и кокса.

1.1.1. Восстановимость и прочность железорудного сырья.

1.1.2. Реакционная способность кокса.

1.2. Влияние качества сырья на показатели доменной плавки.

1.2.1. Влияние восстановимости и прочности железорудного сырья.

1.2.2. Влияние реакционной способности кокса.

1.2.3. Количественное влияние показателей качества железорудного сырья и кокса на показатели доменной плавки.

1.2.4. Официальная методика оценки влияния технологических факторов на расход кокса и производительность доменных печей.

1.3. Использование математических моделей доменного процесса.

1.4. Цели и задачи исследования.

2. ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЕГО РОЛЬ В ДОМЕННОМ ПРОЦЕССЕ.

2.1. Кинетика восстановления оксидов железа в доменной печи.

2.2. Прочность железорудных материалов.

2.3. Температуры размягчения и плавления железорудных материалов.

2.4. Методика исследования восстановимости железорудных материалов.

3. ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК КОКСА, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЕГО РОЛЬ

В ДОМЕННОМ ПРОЦЕССЕ.

3.1. Теоретическое обоснование.

3.2. Реакционная способность кокса и «горячая» прочность кокса.

3.3. Методика исследования реакционной способности кокса.

3.4. Определение реакционной способности кокса в лабораторных условиях.

3.5. Разработка прогнозной модели оценки качества кокса.

3.6. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ И КОКСА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ.

4.1. Расчет влияния восстановимости и «холодной» прочности железорудного сырья на эффективность доменной плавки.

4.2. Расчет влияния реакционной способности кокса на эффективность доменной плавки.

4.3. Расчет по двумерным математическим моделям.

Доменное производство является одним из основных звеньев металлургического передела. Эффективность доменной плавки существенно зависит от качества железорудного сырья и кокса, требования к которым становятся все более жесткими. Тенденция изменения сырьевой базы России такова, что запасы коксующихся углей и богатых руд ограничены, и в шихту вводят менее качественное сырье. Это отражается на качестве получаемого кокса и агломерата (окатышей), их физико-химических свойствах, что, в свою очередь, существенно меняет технико-экономические показатели работы доменных печей.

Расход кокса в доменной плавке как энергоносителя (источника теплоты и восстановителя) может снижаться, в основном, двумя путями. Во-первых, за счет использования экстенсивных факторов - повышение содержания железа в шихте, использование прямых заменителей кокса (природного газа, мазута, угольной пыли, восстановительного газа, в том числе колошникового с отмывкой его от диоксида углерода), увеличение температуры дутья, высокопотенциальной теплоты (использование плазмотронов) и т.д.

Во-вторых, за счет использования интенсивных факторов - повышение степени использования теплового и восстановительного потенциала газа в результате улучшения качества железорудного сырья и кокса, характеризуемого восстановимостью, прочностью, температурами размягчения и плавления для железорудного сырья, реакционной способностью и прочностью для кокса.

Восстановимостью железорудного материала называют его способность с большей или меньшей скоростью отдавать кислород, связанный с железом, газообразному восстановителю. Чем выше восстановимость материала, тем меньше может быть время его пребывания в доменной печи, что дает возможность форсировать плавку. При одинаковом времени пребывания в печи легковосстановимые железорудные материалы отдают печным газам больше кислорода, связанного с железом. Это позволяет снизить удельный расход кокса на выплавку чугуна. Таким образом, с любой точки зрения, повышенная восстановимость является весьма желательным свойством и высоко ценится.

Применительно к современным доменным печам влияние физико-химических свойств кокса на процесс доменной плавки возрастает, что указывает на необходимость использования кокса с высокими показателями прочности. Известно, что прочностные свойства кокса находятся в обратной зависимости от показателя реакционной способности кокса. Поэтому показатель реакционной способности кокса следует рассматривать как один из основных при оценке качества кокса и оценке его влияния на эффективность доменных печей.

Резервы первого пути в значительной степени исчерпаны. Таким образом, главным резервом снижения расхода кокса и улучшения технико-экономических показателей плавки является повышение качества железорудного сырья и кокса.

Следует отметить, что некоторые используемые на практике металлургические характеристики железорудных материалов и кокса в практическом интервале изменения не коррелируются напрямую с производительностью доменных печей и удельным расходом кокса. По ним сложно прогнозировать изменение технико-экономических показателей работы доменных печей. Поэтому разработка методических основ оценки металлургических характеристик железорудного сырья и кокса, использование которых позволит объяснить и спрогнозировать изменение технико-экономических показателей доменной плавки, является весьма актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в рамках государственной бюджетной тематики (№ 01201061031), а также при поддержке Программы Президиума РАН (№ 23) и Федерального агентства по науке и инновациям (грант № 02.740.11.0152).

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии доменной плавки путем учета зависимостей между металлургическими характеристиками железорудного сырья и кокса и показателями доменного процесса.

Научная задача работы - теоретическое обоснование и разработка методических основ оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки.

Для выполнения цели и научной задачи работы поставлены следующие задачи:

1. Анализ влияния металлургических характеристик железорудного сырья (агломерат и окатыши) и кокса, а именно восстановимости, прочности, температур начала размягчения и плавления железорудного сырья, реакционной способности и термомеханической прочности кокса, на эффективность работы современных доменных печей, используя литературные данные.

2. Определение и анализ влияния свойств исходного сырья на формирование металлургических характеристик железорудного сырья (восстановимость) и кокса (реакционная способность).

3. Определение и анализ условий формирования металлургических характеристик железорудного сырья и кокса.

4. Разработка математической модели прогнозирования металлургических характеристик кокса (расчет и прогнозирование показателей реакционной способности и термомеханической прочности кокса).

5. Анализ и прогноз основных показателей эффективности доменной плавки при изменении металлургических характеристик шихтовых материалов (восстановимость, «холодная» прочность, температуры начала размягчения и плавления железорудных материалов; реакционная способность кокса) на примере существующих доменных печей металлургических предприятий России с использованием готовых математических моделей доменного процесса: балансовой логико-статистической модели и комплекса двумерных математических моделей.

Научная новизна. Разработана новая методика оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки, заключающаяся в следующем: лабораторные исследования с определением металлургических характеристик железорудного сырья и кокса, аналитическое исследование влияния этих характеристик на эффективность доменной плавки с помощью математических моделей, опытно-промышленные и промышленные испытания.

Разработанные методические основы позволяют получить усовершенствованные критерии оценки металлургических характеристик сырья и объяснить механизм их влияния на реакции прямого и косвенного восстановления в доменной печи, сформулировать рекомендации по совершенствованию технологии доменной плавки.

Методика оценки влияния качественных характеристик сырья дополнена прогнозной математической моделью для комплексного исследования высокотемпературных свойств кокса, основанной на опытных либо, при отсутствии опытных, среднестатистических данных о качестве составляющих исходной шихты для коксования.

Практическая значимость. Предлагаемая методика может быть применена для решения таких практических задач, как оценка влияния металлургических характеристик новых видов сырья на показатели доменной плавки, промышленное испытание которых связано с большими материальными и финансовыми затратами.

На защиту выносятся:

1. Методика оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки.

2. Результаты теоретических расчетов и экспериментального определения кинетических характеристик, определяющих реакционную способность кокса.

3. Прогнозная математическая модель для комплексного исследования высокотемпературных свойств кокса.

4. Результаты анализа влияния металлургических характеристик сырья на показатели доменной плавки на примере промышленных предприятий России с использованием балансовой логико-статистической модели и комплекса двумерных математических моделей доменного процесса.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Восьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 27-28 октября 2009, Санкт-Петербург, Россия; The 5th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids - DSL-2009, 24-26 June, Rome, Italy; Девятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 22-23 апреля 2010, Санкт-Петербург, Россия; The 6th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids - DSL-2010, 5-7 July, Paris, France; Межрегиональной 69-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования», 25-29 апреля 2011, Магнитогорск, Россия; Научно-технической конференции, посвященной 310-летию уральской металлургии и созданию технико-внедренческого центра металлургии и тяжелого машиностроения «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР», 16-17 июня 2011 г., Екатеринбург, Россия; 16 Международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии», 4-6 октября 2011, Днепропетровск, Украина; The Fray International Symposium on Metals and Materials Processing in a Clean Environment: Principles, Technologies and Industrial Practice, 27 November -1 December, 2011, Cancun, Mexico.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, включая 38 рисунков, 21 таблицу, и состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 142 источников отечественных и зарубежных авторов, и 9 приложений.

4.4. Выводы и рекомендации

Расчетным путем при помощи использования балансовой логико-статистической модели доменного процесса и комплекса двумерных математических моделей доменного процесса показано влияние восстановимости и «холодной» прочности, температур начала размягчения и плавления железорудного сырья, реакционной способности кокса на технико-экономические показатели доменной печи. Очевидно, что повышение значений восстановимости и «холодной» прочности железорудного сырья, либо снижение значения реакционной способности кокса является экономически целесообразным и позволит улучшить эффективность доменного процесса.