автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и совершенствование технологии процесса жидкофазного восстановления (РОМЕЛТ)

. На правах рукописи

л # /

ЧУМЛРИН БОРИС АНАТОЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА ЖИДКОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ (РОМЕЛТ)

Сиецнальноси, 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

А В Т О Р Б Ф Е Р А Г диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Липецк - 1997

Работа выполнена в АО"Новолипецкий металлургический комбинат'

Научные руководители: доктор технических наук, профессор ВАЛАВИН B.C. доктор технических наук, профессор ДУБРОВСКИЙ СА.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ВЕГМАН Е.Ф. кандидат технических наук, профессор ИНОЗЕМЦЕВ Н.С.

диссертационного совета Д 064.22.02 в Липецком государствен^ техническом университете (398055, гЛипецк, ул.Московская, 30).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецке государственного технического университета.

Ведущая организация: АО "Северсталь" (г. Череповец)

Защита состоится июля 1997г. в

часов на заседай

Автореферат разослан

X atotf.L

19,9 7 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных условиях получения жидкого металла классической схемой интегрированного завода как никогда актуальными становятся вопросы экологии, дефицита сырья н энергетических ресурсов. Одним из эффективных решений данной проблемы является применение одностадийного процесса прямого получения металла способом жидкофазного восстановления (Ромелт). На современном этапе развития металлургической промышленности эта технология бескоксовой металлургии будет удачным дополнением к существующей схеме получения металла для комплексной переработки трудноупшшуемых отходов (шламов. шлаков) и снижения вредных выбросов.

Цель работы. Совершенствование технологии плавки в печи жидкофазного восстановления различных видов железорудного сырья и шлаков, содержащих цветные металлы, с использованием широкой гаммы недефишггньце энергетических углей и освоение нестационарных режимов для плавного перехода с одного вида сырья и топлива на другой; уточнение методики расчета показателей плавки; совершенствование конструкции элементов охлаждения и системы охлаждения.

Осцопные__задачи исследований, поставленные в paGoie Для

достижения указанной цели:

- анализ технолопш плавки различных видов сырья, содержащего цветные металлы;

- определение основных закономерностей распределения ряда элементов цветных металлов и вредных примесей между фазами;

- оценка роли летучих угля и влаги шихтовых материалов в процессе жидкофазного восстановления:

- обоснование нового подхода к методике расчета материального и теплового балансов плавки;

- разработка надежных элементов системы охлаждения.

Научная новизна. Предложена и отработана технология плавки процессом жидкофазного восстановления (Ромелт) отходов металлургического производства с высоким содержанием цветных металлов. доказана возможность эффективного их извлечения и селективною концентрирования но фазам п объеме агрегата.

Изучен механизм и показана возможность связывания серы в конденсированные фазы в системе газоочистки.

Исследована роль углерода летучих угля и поведение влаги шихтовых материалов в процессе жидкофазного восстановления и определена степень использования углерода летучих угля и степень разложения влаги углеродом в тепловом балансе плавки.

Предложены уточнения к методике расчета материального и теплового балансов плавки в ПЖВ и внесены существенные изменения в конструкцию кессонов системы охлаждения и систему охлаждения.

Нрактическая ценность и реализация работы. На основании результатов проведенных опытно-промышленных кампаний на установке ПЖВ НЛМК рекомендованы для переработки шлаки свинцово-цннкового производства, находящиеся в настоящее время в отвалах (3040%).

Установлено, что при утилизации шлаков цветной металлургии имеет место селективная концентрация отдельных элементов по различным фазам в объеме агрегата.

Исследовано поведение серы в печи жидкофазного восстановления ПЖВ при переработке цинкосодержащнх отходов и предложена эффективная технология очистки газов от серы.

Для организации непрерывной работы установки ПЖВ в промышленном масштабе исследованы н отработаны нестационарные режимы плавки при использовании широкого спектра отходов производства и углей с различным содержанием летучих.

Усовершенствован и доведен до практической методики расчет материального и теплового балансов плавки в ПЖВ.

Предложены и опробованы новые конструкции кессонов системы охлаждения.

Практическая значимость работы подтверждена результатами плавок на опытно-промышленной установке ПЖВ НЛМК на протяжении 38 кампаний.

Результаты выполненной работы использованы проектными организациями при разработке технического задания и при выполнении рабочего проекта промышленных установок по утилизации шламов АО"НЛМК" и других предприятии.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной- научно-технической конференции "Непрерывные металлургические процессы: руда, лом, металлопрокат" (Свердловск, 1980г); Всесоюзном научно-техническом совещании "Интенсификация тепловых, массообменных и физико-химических процессов в металлургических агрегатах" (Свердловск, 1989г.); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию ЛГГУ (Липецк, 1996г.); Международной конференции "Металлургия-96" (Нью-Дели, Индия, 1996г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ в виде тезисов докладов и статей, получено 9 авторских свидетельств на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, включает 110 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 48 таблиц и сносок литературы из 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Состояние вопроса

В настоящее время в отечественной и зарубежной практике наблюдается интенсивный поиск перспективной технологии получения жидкого полупродукта за счет применения недефицитных энергетических углей.

При детальном рассмотрении основных характеристик процессов жидкофазного восстановления прослеживаются отличительные особенности, которые позволяют классифицировать их как многостадийные (СOREX, DIOS. llíSmeli, CCF, AISI и одностадийные (ROMELT, AuSmelt). Показано, что наиболее значимыми из зарубежных процессов как концептуально, так и по уровню проработки являются COREX, DiOS, HISnielt. Для них характерны низкая себестоимость получаемого металла, использование некоксующихся углей, гибкость в управлении, удовлетворительные экологические параметры. Тот факт, что эти процессы требуют жестких ограничений по гранулометрическому составу как железорудного сырья, гак и топлива, а также наличие нескольких агрегатов в схеме производства делают их менее перспективными в сравнении с одностадийными способами. В одностадийных способах, в частности процессе ROMELT. восстановление оксидов железа производится в одном агрегате без разделение процесса на стадии предварительного восстановления и плавления. Кроме того, процесс не требует предварительной подготовки шобых видов проплавляемого сырья и каких-либо офаничений по используемому топливу.

Системный анализ существующих способов жидкофазного восстановления, сравнение себестоимосш получаемого продукта и капитальных затрат на создание - производства позволяет в качестве перспективной технологии выделить технологию жидкофазного восстановления (Ромелт).

Разработанный в Московском институте стали и сплавов под руководством профессора В.А.Роменца способ получения металла путем восстановительной плавки в барботируемой шлаковой ванне - процесс жидкофазного восстановления (торговая марка ROMELT) осваивается с 1985 года на опытно-промышленной установке ПЖВ A0"HJ1MK" при непосредственном участии автора настоящей работы.

Опыт, накопленный в ходе отработки процесса жидкофазного восстановления (ПЖВ) на ИЛМК, позволил изучить и освоить теорию и технологию процесса, однако вместе с тем до настоящего времени остались неисследованными ряд вопросов, касающихся возможности переработки отходов цветной металлургии, содержащих высокое количество цветных металлов (Zn, Pb, Cu, Ni и т.д.) и низкое содержание железа (до 20%), выявления роли углерода летучих и влаги шихтовых материалов,

уточмепия методики расчета материальных и тепловых балансов процесса Ромелт, а также совершенствование системы охлаждения ОУ ПЖВ.

II. Совершенствование технологии плавки шихтовых материалов с повышенным содержанием цинка 2.1. Общая характеристика плавки отвальных шлаков свинцово-цинкового производства с повышенным содержанием цинка

Плавка шлаков Усть-Каменогорского свинцово-цннкового комбината (УКСЦК) была проведена во время кампании № 30 (май-июнь 1993 года). В качестве восстановителя шлаков свинцово-цннкового производства использовался энергетический уголь Кузнецкого бассейна (\Ур - 8-10%. V» - 20,58%, А» - 9,86%, - 0,4%). Химический состав шлаков (%): Реоб - 22,1, РеЮз - 1.42. СаО - 11,44, Л1204 - 7,25, ТЮ2 - 0.26, гпО - 9.2, МпО - 0,6, А£ - 1,8 • ЮЛ - 1,3, РеО - 27,42, &02 - 29,5,1^0 - 3.48, Р2О5 -0,2, Си - 0,83, РЬО - I,5, Ав - 0,06, Аи - 5,7 • I0Л пл.п. - 5,5.

Но ходу плавки расход шлака свинцово-цннкового производства менялся незначительно и составлял в среднем 10т/ч, а угля - 10-11т/ч. Периодически (на 3-5 мин.) для поддержания основности шлака на уровне 0,75-0,80 подавался отсев извести с содержанием СаО - 95% (расход 5т/ч). Расход кислорода и компрессорного воздуха на нижние фурмы п ходе плавки были стабильными (по 4400 м3/ч). Расход кислорода на дожигание горячих газов (Н2 и СО), выходящих из ванны, изменялся незначительно и составлял около 3500 м3/ч.

В процессе плавки изучалось распределение тепловых нагрузок по элементам системы охлаждения и изменение состава печных газов. В целом по ходу плавки шлаков свинцово-цннкового производства отклонений от нормального режима печи не наблюдалось. Расчет материального баланса показал, что при переработке отвальных шлаков УКСЦК, ныне не используемых, процессом ПЖВ можно на 1 тонну перерабатываемого шлака получить чугуна передельного - 0.25-0.26т; шлака - 0.66-0.62т: пыли и возгонов в количестве 0.16-0,18т с содержанием 2л до 60-65%, РЬ до 8%, А§до 170г/г.

При анализе теплового баланса обнаружено, что лимитирующими звеньями, сдерживающими возможную производительность а1регата, явились конструктивные особенности системы охлаждения печи и газоочистка, не рассчитанная на пропуск значительного объема газов. Однако знание этих недостатков позволяет их избежать при проектировании промышленных агрегатов • и уверенно прогнозировать производительность и показатели тепловой работы промышленных агрегатов.

2.2. Диализ и характеристика продуктов плавки шлаков

сшшцово-цинкового производства Отобранные в ходе плавки пробы шлака, металла, тонкой и общей пыли газоочистки подвергались экспресс-анализу. Полный химический анализ выполнялся лабораториями ККЦ-2, МИСнС, ВИМС.

Шлаки, образующиеся при переработке шлаков УКСЦК в ПЖВ имеют низкое содержание меди (0,02-0,04%), цинка (0,03-0,06%), свинца (< 0.02%). повышенное содержание двуокиси титана (0,60-0,68%). Содержание железа в печных шлаках колеблется в пределах 1,3-2,0%. Металл характеризуется высоким содержанием меди (до 1,14%) и серы (до 0,2%). Свинца в металле не обнаружено, а содержание цинка составляет 0,018-0,012%. В тонких пылях газоочистки в основном присутствует цинк (в среднем 58%) и свинец (около 7,5%). Железо в тонких пылях составляет в среднем 3,5%. В общей пыли газоочистки содержание цинка - 22,8%, свинца - 5,49%, железа - 11,52%.

Данные материального баланса плавки, а также результаты химического анализа металла, печных шлаков и пыли позволили оиределшь и уточнить коэффициенты распределения ряда элементов по продуктам плавки (табл. 1.). Например, баланс цинка приведен в табл. 2.

Таблица I .

Коэффициенты перехода элементов в продукты плавки

—Элемент %перехода -__ 7л РЪ 8 Р Си

в металл 0,1 _ 6,37 4,0 37,9 86,5

в шлак 0,3 _ 27,3 9,96 39,8 3,1 10,5

в пыль (возгоны) п газ 99,6 100 67,3 86,04 22,3

Таблица 2.

Баланс цинка, кг/г шлака

Приход цинка кг/т % Выход цинка кг/г %

1. Шлам сухой 9200,0739 67,988 100 1. Чугун: 2580,0002 0,0516 0,10

2. Шлак: 6680,0003 0,20 0,30

3. Пыль общая: 272,840,228 62,016 99,60

ИТОГО приход цинка 67,988 ИТОГО выход цинка 62,26

• Невязка баланса 5,72

Исследования показали, что при переработке шлаков УКСЦК наблюдаются очень высокие коэффициенты извлечения ценных элементов в продукты плавки: Ъп и РЬ - не менее 99,6% этих металлов можно перевести в возгоны п извлечь; А^ - не менее 67,3% серебра можно извлечь в возгоны; Си - не менее 86% меди можно перевести-в чугун и получить при этом дефицитный медистый чугун. Следует, однако, отметить' повышенное содержание в чугуне 8 и Р, что для определенных видов отливок будет требовать его рафинирования в вагранке или агрегате для выплавки стали.

При переработке шлаков УКСЦК получаемый шлак имел основность СаО/Ж>2 0,8-0,85 и содержание закиси железа (ГеО) в нем в пределах 1,52%.

Проведенные опыты показали возможность и весьма высокую перспективность и целесообразность применения технологии жндкофазного восстановления для переработки отвальных шлаков предприятий цветной металлургии, а также любых других материалов с повышенным содержанием цинка.

При этом решаются задачи безотходной технологии, экологические проблемы и будет обеспечена высокая экономическая эффективность.

2.3. Распределение цветных металлов между фазами

Для правильного ведения процесса необходимо знать коэффициенты распределения элементов между фазами, а также возможность восстановления того или иного вещества прй разной степени окисления, иначе говоря, определить последовательность восстановления компонентов.

Как показала практика работы агрегата ПЖВ на границе металл-спокойный шлак распределение компонентов весьма близко к

равнопесному. Поэтому в дальнейшем рассматриваем поведение системы в условиях термодинамического равновесия. Расчеты проводились по программе "НВТАПТЕРМО", основывающейся на минимизации энергии Гиббса. В основу расчета распределения компонентов между фазами был взят состав шлака УКСЦК.

Реально при жндкофазпом восстановлении существует распределение компонентов между двумя растворами. Однако возможности программы ограничены только одним идеальным раствором. Поэтому расчеты проводились для двух случаев. В первом - восстановление из шлакового расплава оксидов указанных компонентов до чистых металлов, по втором - из чистых оксидов в идеальный раствор на основе железа. В обоих случаях температура составляла 1450° С. Так как основная часть компонентов, по которым производился расчет, поступает со шлаком (исходный материал - шлак УКСЦК), то в расчетах варьировали только количество восстановителя - углерода без изменения остальных, поступающих с золой угля.

На рис. 1 покатана графическая зависимость степени воссгаиопления ■элементов от количества углерода.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ШЛАКОВОГО ГАСИ ЛАВА

й А*

Я 100

90

во

70

во во

40

30

го «о

— ГЬ , Ъп —

(

/ /

/ /

/ /

%

^ —

20 30 40 во во 70 НГОЦЕПТ ВОССТАНОВИТЕЛЯ

80

»0 100

РИС. 1 .

о

Анализ зависимостей показал, что наилучшей восстановнмостью обладает серебро, основная доля которого переходит в газовую фазу. Достаточно хорошо восстанавливается медь, свинец, цинк. Медь образует с железом раствор, поэтому кривая должна быть сдвинута в область более низких значений углерода. Свинец и цинк легко переходят в газовую фазу.

Установлено, что окислы щелочных металлов термодинамически восстанавливаются достаточно легко. Но если учесть образование весьма стойких силикатов, например К^гСЪ, то картина резко меняется, и восстановление начинается только при значительных количествах углерода.

Как показали расчеты, при определенных условиях может быть восстановлен марганец из шлакового расплава, но не в чистом виде, а в раствор Ре-Мп.

Интерес представляют и расчеты, показывающие возможности восстановления ряда компонентов, имеющих большое значение для металлургии и содержащиеся в различных видах сырья. Так, никель и кобальт обладают восстановнмостью лучшей, чем железо. Напротив ванадий может быть восстановлен только после него. Часть титана и кремния может быть восстановлена лишь при наличии свободного углерода. Максимальная степень восстановления составляет 0,21%, -0,84%.

2.4. Исследование особенностей поведения серы при переработке цинкосодержащих шламов процессом жидкофазного восстановления

Ранее установлено и нами подтверждено, что в процессе жидкофазного восстановления до 80-85% серы переходит в газовую фазу и выводится из печи. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании и строительстве промышленных агрегатов, особенно в связи с усложнением проблем экологического характера. Функционирование такой печи без обязательной сероочистки невозможно. Оригинальным решением данной проблемы, особенно при переработке материалов, содержащих цинк, может быть связывание газообразной серы в твердые ХпБ или 2л50д и удаление ее в шламы и пыли ПЖВ.

В работе выполнен термодинамический расчет возможности образования твердых соединений цинка при различных температурах и степенях дожигания дымовых газов применительно к условиям переработки шламов по технологии жидкофазного восстановления.

В качестве достаточно вероятного допущения приняли, что скорости процессов в газовой фазе на много порядков больше, чем взаимодействие твердая фаза-газ, которым можно пренебречь. Другими словами, если образовалась какая-либо одна твердая фаза, то ее превращение в другую будем считать невозможным.

Рассмотрим поведение газовой фазы, состоящей из СО, Ш, и

взятых в исходных п0со=65 молей, ппн=33,5 моля, n°zn=l моль, n"s2=0,5 моля, что примерно соответствует составу газа, выходящего из ванны печи ПЖВ при переработке пинкосодержащих пшамов. Расчеты выполняли по следующей схеме: вначале вычислили равновесный состав газа при дожигании без учета газообразного цинка, после чего определили энергию Гиббса реакции образования твердых ZnS и ZnO. Такой двухступенчатый расчет связан с тем, что в отличие от чисто газовых реакций (концентрация компонентов которых может быть сколько угодно малой) конденсированная фаза должна находиться в пзбыгке и не входить в уравнение закона действующих масс. Так как в исходной смеси твердой фазы нет. то такая реакция может протекать только в одном направлении, а при некоторых начальных условиях вообще невозможна. Поэтому определяли условия, при которых могут образоваться конденсированные соединения . .

Газовая фаза после дожигания состоит из находящихся в равновесии СО. С02. Иг. НгО, Si, SO2. H2S, COS, CS. SO3, CS3 и 02, а также некоторого количесгва серы в атомарном виде.

Cocían равновесной газовой фазы при разных температурах' и степенях дожигания был рассчитан совместным решением модифицированным методом Ньютона восьми уравнений, составленных из констант равновесия следующих независимых реакций при различных исходных значениях компонентов:

1С<) + О, = 2СО,

СОг + Нг - со + нго

4СО, + = ACO + 250,

211, = 2/LS

(I)

2CO + S¡ = 2COS ■

C02 + 2//j5 = CS¡ + 2Нг0

30, + Iífi = SOj + //,

со + //¿у = es + н, о

Степень дожигания а определялась как отношение числа молей кислорода к теоретически необходимому по стехиометрии реакций дожигания:

ч . . m

' П . О . о . J о

пк> + пн, + 4nst

о

Для выбранных начальных условий a = гг-'- •

Расчет равновесного состава был проведен для температур 80012000 с применением программы "ИВТАНТЕРМО" . Для 1200°С результаты представлены на рис.2. Графики зависимости содержания S2 и COS от степени дожигания немонотонны и имеют максимум. Это связано с наличием нескольких возможных степенен окисления серы. Выделяющийся из шлаковой ванны газ наименее окислен н в нем преобладает соединение COS (S2). С увеличением количества кислорода возрастает доля S2 (S°) ,при дальнейшем увеличении степени дожигания -SO2 (S2+).

Как показал расчет энергии Гиббса, образование сульфида цинка в зависимости от температуры и степени дожигания носит'сложный характер и неоднозначно связано с увеличением количества кислорода, в то время как оксид цинка может образовываться только при степени дожигания выше 0,9. Для наглядности области существования газовой фазы и твердых ZnO и ZnS нанесены на рис. 3. Кривые, ограничивающие соответствующие области, проведены для таких Т и а, при которых ДО0 становится отрицательным, но наиболее близко к нулю, т.е. это параметры начала образования ZnO и ZnS. Как. видно из графика, существуют четко выраженные области существования ZnO, ZnS и газовой фа'зы. Перекрывание областей ZnO и ZnS, т.е. одновременное их образование, имеет место только при очень больших, а, и весьма незначительно. Поэтому имеется принципиальная возможность выделить лйбо одну, либо другую твердую фазу.

ЗАВИСИМОСТЬ СОСТАВА ГАЗОВОЙ ФАЗЫ ОТ СТЕПЕНИ ДОЖИГАНИЯ.

- 0.20

- 0.40

- о.во

- 0.80 N

0.00

.00

и о

CJ

0.1

0.3

0.6

0.7

0.0

• степень доиигания, д.ед

РИС. 2

ОПЛЛСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ФАЗ ПРИ РАЗНЫХ СТЕПЕНЯХ ДОЖИГАНИЯ И ТЕМПЕРАТУРАХ (ИСХОДНЫЙ состав СМЕСИ: 65% СО, 33,5%Н,, О.бяб, )

1.0

и 0,8 Ч

1

а о.*

0,2

1373 1423 1573 .

ТЕМИЕГАТУРЛ, К

РИС. 3

Таким образом, теоретически показана возможность выделения из серосодержащей газовой фазы при наличии паров цинка твердого сульфида цинка, причем условием осаждения ХлБ является неполное окисление отходящих газов с а ~ 0,8, охлаждение смеси до минимально возможных температур и последующее полное дожигание остатка СО и 1Ь, г.е. путь "ступенчатого дожигания" (частичное дожигание для осаждения ZnS и последующее полное дожигание отходящих газов).

Пракшческим подтверждением выводов, основанных на термодинамических расчетах, может послужить рентгенографический анализ пыли, осажденной на фильтрах при переработке смеси конвертерных и доменных шламов НЛМК. Пыль отбиралась в наклонном газоходе перед системой газоочистки ПЖВ. На рис. 4 представлена, зависимость выхода сульфида цинка от содержания СО в отходящих газах перед газоочисткой; Из приведенных данных следует, что х!отя условия эбразовання цннкосодержащих соединений в газоотводящем тракте значительно отличаются от используемых в термодинамических расчетах, Зезусловным является факт зависимости выхода сульфида цинка от степени цожигания отходящих газов в когле-угилнзаторе.

гпоч

ш

р 1

ГАЗ

Г

^----

ЗАВИСИМОСТЬ ВЫХОДА СУЛЬФИДА гп от СОДЕРЖАНИЯ СО В ОТХОДЯЩИХ ГАЗАХ ПЕРЕД ГАЗООЧИСТКОЙ (КОЭФФИЦИЕНТ КОРРЕЛЯЦИИ К=0.87)

Ü

&

в

а

30

го

ю

г 4 в

СОДЕРЖАНИЕ СО, X

РИС. 4

III. Разработка технологии плавки материалов различного вида с использованием углей с высоким содержанием летучих

3.1 Описание плавки и основные технологические показатели Плавка агломерационной руды и смеси шламов доменного и кислородно-конвертерного производств с использованием в качестве восстановителя углей с низким U высоким содержанием летучих была проведена на кампании № 33 (октябрь 1994г.). Технический и элементарный состав углей приведен в таблице 3.

Таблица 3.

Технический и элементарный анализ угля на сухую массу

Вид угля Vc Лс С Н9 № 0° Ссф

УНСЛ 19,66 10,67 0,38 78,33 4,1-2 1,39 2,84 67,6

УВСЛ 35,32 10,37 0,77 72,70 4,94 2,25 6,36 51,7

В первый период проходила плавка шламов с использованием в качестве, восстановителя угля с низким содержанием летучих (УНСЛ) марки ТСШ. Вторым периодом плавки считается переход на

агломерационную руду. И качестве восстановителя продолжали использовать УНСЛ.

В третий период был осуществлен переход на плавку аг ломерационной руды с использованием в качестве восстановителя угля с высоким содержанием летучих (УВСЛ).

Переход на использование угля с высоким содержанием летучих и плавка на этих углях на опытной печи оказались возможными только благодаря тому, что технология плавки и расход угля па эту кампанию впервые были рассчитаны с учетом использования в шлаковой ванне части углерода летучих угля и частичного испарения влаги шихты, что позволило снизить фактический расход угля на эту плавку. При этом удалось стабилизировать тепловой режим, тепловые нагрузки на печь и котел и доказать возможность работы печи РОМЕЛТ на угле с высоким содержанием летучих, несмотря на конструктивные недостатки опьгтно-промыпшенного агрегата, ограничивающие его тепловую мощность.

Затем был осуществлен переход на плавку смеси шламов с использованием угля с высоким содержанием летучих (период IV).

3.2 Основные продукты плавки

По ходу плавки отбирали пробы шлака из печи, шлака на выпуске, металла на каждом выпуске, тонкую и общую пыль системы-газоочистки.

Печные ишаки и металл с выпусков отдавались на экспресс-анализ в лабораторию ККЦ-2. Данные экспресс-анализа использовались для контроля хода плавки. Кроме того, отобранные пробы были отданы на полные химические анализы в лаборатории Всесоюзного института минерального сырья.

Металл и шлаки, полученные на плавке, характерны для процесса "РОМШГГ" и практически не отличаются но составу от полученных на других плавках.

Химический состав пылен показал, что в общей пыли при всех технологических режимах основным компонентом является железо в виде Ре^Оз (содержание Ре20* - 44-45%). В тонкой пыли основными компонентами при плавке шлама были железо (РегОз около 58%) и 1л\0 (21-27%). В тонкой пыли при плавке аглоруды содержание 2!л\0 значительно ниже и составляет 6-7%.

3.3 Выявление роли летучего углерода угля и влаги шихты в процессе

РОМЕЛТ .

Для выявления роли углерода летучих и влаги шихтовых материалов угля в процессе РОМЕЛТ было рассчитано теоретически необходимое количество угля на процесс, а также материальные и тепловые балансы плавки.

Для расчета использовались усредненные технологические показатели по различным периодам, отличающихся видом железорудного сырья и восстановителя.

Используя метод последовательного приближения теоретически рассчитанного количества угля к реальному составу при различных степенях разложения влаги шихтовых материалов и различной степени использования углерода летучих угля, определяли степень использования углерода летучих угля для каждого периода плавки.

Результаты расчетов приведены в табл. 4.

Расчетами определено, что степень разложения влаги шихтовых материалов составляет 20-45%; а степень использования углерода летучих угля - 50-60% (см. табл. 4).

Расчет реальных материальных и тепловых балансов всех периодов плавки при. различной степени использования углерода летучих угля и степени разложения влаги шихтовых материалов, показал, что не менее 30% влаги шихты испаряется, не расходуя на свое разложение углерод.

Учет этих факторов позволил существенно уменьшить расход угля и кислорода на процесс на описанной выше плавке.

Выявленные закономерности участия углерода летучих угля в процессе восстановления и закономерности частичного испарения влаги шихты без ее разложения, позволили внести коррективы в известную ранее методику расчета материального и теплового балансов плавки.

Начиная с 33 кампании все технологические расчеты при плавках па опытной установке и все проектные расчеты проводятся с учетом поведения уг лерода летучих угля и испарения части влаги шихты.

Наряду с вышеизложенным, внесены также другие коррективы в методику расчета материального и теплового балансов плавки, связанные с последовательностью решений уравнений балансов; с расчетом тепла шлакообразования по каждому компоненту; с учетом реальных температур для выбора тепловых эффектов реакций; с использованием уточненных термодинамических данных.

Применение ЭВМ позволяет быстро и легко произвести расчеты по любому количеству компонентов шихтовых материалов.

Усовершенствованная методика расчета, с учетом положений отмеченных выше, основана на реальном представлении о процессе, проверена и опробована в условиях работы.

Таблица 4

Составы отходящих газов и степень использования влаги шихтовых материалов и степень использования летучих угля в различные периоды плавки

Период Параметры 1 I II ' III 1У

Железорудное сырье, т/Ч 1 8(шлам) '. 8.47(аглоруда) 6,68(аглоруда) 7.11(шлам)

Расход угля фактический, т/ч ! 11,54ГУНСЛ) ! 12.1(УНСЛ) 12.52ГУВСЛ) 12.42ГУВСЛ)

Состав отходящих газов, % 1 СО | СОз ' Н? | К: 1 СО 1 СО2 1 Н; 1 N2 СО СО: Н2 | И; СО ! СО; 1 Нг 1 N2'

1. Реальный состав газа 29,4| 26,6 1 7.6 136,4 129,3 1 24.4 | 8,6 137,7 30.9 20.8 11.8 ( 36,5 28.1 | 24.4 1 10.6 1 36.9

ПСО+Н2) = 37 % I 1ХСО+Н2) = 37.9% Г(СОН-Нг) = 42,7 % Ц(СО+Н^ = 38.7%

2. Теоретически рассчитанный при степени использования углерода летучих угля -О %, степени разложения влаги шихтовых материалов 100 % 40,5 10,5 12,5 36.5 38,3 12,6 11,3 37,8 40,7 7.9 15.0 36,4 40.6 7,4 | 15,2 36,81

ЛСО+Н;) = 53 % ^(СО+Ш) = 49.6 % ДСО+Н:) = 55.7 % ЛСО+Нг) = 55,8 %

3. Теоретически рассчитанный □о материальному и тепловому балансу при степени использования углерода летучих угля - X %, степени разложения влаги шихтовых материалов - У % 34,3 20,3 9,0 36,4 32,6 21,7 8,1 37,6 34,1 19,7 9,7 36,5 32,3 21,9 8,8 36,9

1(СО+Нг) = 43,3 % ДСО+Н2) = 40.7 % КСО+Н2) = 43,8 % КСО+Нг) = 41,1 %

4. Степень использования углерода летучих угля - X % 60 60 50 55

5. Степень разложения влаги хпихговых материалов - У % 20 30 30 45 1

б. Расход угля без учета работы углерода летучих и при 100 % разложении влаги углеродом 1 13.7 | 13,8 15,7 | 16,4

-о

I

IV. Анализ и совершенствование системы охлаждения опытно-промышленной установки

4.1. Характеристика системы охлаждения и исследование распределения тепловых нагрузок по охлаждаемым элементам печи

Печь жидкофазиого восстановления имеет прямоугольное сечение (площадь пода 20м2) и лишь в нижней части, т.е. в металлопрнемнике, снабжена огнеупорной футеровкой. В зоне контакта с железистым шлаком установлены медные водоохлаждаемые кессоны.

По проекту к охлаждаемым элементам печи относятся: 100 стеновых кессонов (по 50 с каждой стороны печи); 58 торцевых холодильников (по 29 с каждого торца печи); 32 фурмы (по 16 с каждой стороны); 3 сводовых кессона- и дымоотводящий патрубок. В ходе проведения кампаний выяснялись недостатки работы системы охлаждения, проводилась модернизация тех или иных узлов этой системы. Основное внимание было сосредоточено на совершенствовании конструкции водоохлаждасмых элементов, особенно работающих в зоне дожигания, с целью повышения их надежности и уменьшения тепловых потерь с охлаждающей водой.

Измерение тепловых потерь производилось следующим образом: по ходу проведения плавки измерялась температура сливов воды из каждого холодильника, а по диаграммам ее записи проподился расчет тепловых потерь с охлаждающей водой по формуле:

е = С./>■/>•(/,-О,-гае (3)

О, - потери тепла с водой, Дж/час;

С - удельная теплоемкость воды, равная 4,2 Дж/(г-/рад.);

Р - расход воды на кессон, м3/час;

р - плотность воды, кг/м};

Л - температура воды на входе в кессон, "С;

(2 - температура воды из кессона, °С

Анализ тепловых потерь но длине печи показал, что наиболее интенсивную тепловую нафузку несут кессоны, поэтому были начаты работы по созданию кессонов для зоны дожигания, обеспечивающие уменьшение Тепловых потерь и более высокую надежность в работе.

4.2. Анализ тепловых нагрузок по элементам печи и совершенствование конструкции кессонов

Первоначально на первых пяти кампаниях использовались медные стеновые и торцевые холодильники.

На кампании № 6 вместо торцевых кессонов ЛТХ 1, 2 и 3 установили кессоны новой конструкции из стальных бурильных штанг квадратного сечения 140x140 мм с каналом диаметром 85 мм. В углах, образованных

внешними гранями штанги, устанавливались тонкостенные стальные трубы для удержания огнеупорной набивки из корундовой массы, наносимой на огневую поверхность кессона.

Опробование показало, что тепловые нагрузки на опытный кессон ниже, чем на кессон из медных глнссажных труб, особенно в начальный период плавки.

11еред кампанией № 10 стеновые медные кессоны заменили кессонами из бурильных штанг. Хотя набивка с кессонов достаточно быстро смывалась, тепловые потоки через стальные кессоны были в целом ниже и составляли в среднем 294-420 Мдж/чм2 вместо 378-504 Мдж/чм2 при использовании медных кессонов. Кроме того, были устранены локальные перегревы. С этими кессонами печь эксплуатировалась по 15-ю кампанию включительно. После кампании № 15 при остановке печи обнаружили трещины в бурильных штангах и течь воды в печь. Металлографический анализ образцов, отобранных из штанг, показал, что они имеют большое количество мнкрогрещин. Причиной трещин являлись низкая пластичность стали, знакопеременные нагрузки в результате термического расширения, жесткое крепление кессонов к броне. В связи с этим кессоны из бурильных ипанг были демонтированы.

Совместно с ОПТ11 НПО 'Энергосталь" была разработана новая конструкция стальных кессонов для зоны дожигания из котельных труб, сиаренных. в панели. Каждый кессон состоит из двух панелей: передней (огневой) н задней. Передняя панель собрана из труб диаметром 57x5мм, установленных на расстоянии 96 мм межг\у осями. Задняя панель собрана из труб диаметром 38x5мм. Трубы задней панели перекрывают просветы между трубами передней панели. На трубы передней панели наваривается арматура для удержания набивки. Удержание набивки должно обеспечивайся в просветах между трубами передней панели благодаря интенсивному охлаждению с трех сторон. Изготовление кессонов из котельных труб и подвижное соединение панелей должны были обеспечить надежность и прочность кессонов, что подтвердилось практикой.

Кессоны этой конструкции эксплуатируются в настоящее время на омы I ной печи и эта конструкция кессонов использована при проектировании промышленных агрегатов Ромелт.

Были заменены и сводовые кессоны. Для набивки использовали муллию-корундовый бетон. Испытания этих кессонов на кампаниях №№ 17-38 показали, что тепловые потоки через них составляют в среднем 252-378 Мдж/ч м2. •

Кроме кессонов для обеспечения работоспособности опытной установки модернизировались и другие узлы системы охлаждения.

4.3. Совершенствование системы охлаждения

Необходимость увеличения производительности печи по металлу (до 20-25 т/час) обусловило разработку дополнительной системы охлаждения печи.

Дополнительная система охлаждения выбиралась из расчета снижения температуры циркуляционной воды после ЛВЗ на 10"С или теплосъема с печи 15-17 Гкал/час.

Исходя из этого на ОУ ПЖВ ПЛМК были разработаны и смонтированы два теплообменника установленных в насосной на месте демонтированных паровых насосов.

В качестве охлаждающей воды для теплообменников использовалась речная вода, идущая на подпитку оборотных циклов комбината.

Анализ работы теплообменников, проведенный на кампании № 38 (октябрь 1996г.) показал, что их установка на ОУ ПЖВ позволяет снизить температуру циркуляционной воды после ЛВЗ на Ю-12°С (тсплосъем до 20 Гкал/час), и вследствие этого значительно увеличить производительность печи (до 15 т/час - кампания № 38 против 8-9 т/час на более ранних кампаниях) и стабилизировать ее работу.

V. Экономическая эффекгивность строительства установки ПЖВ в условиях АО"Новолипецкий металлургической комбинат"

В настоящее время на комбинате существует проблема переработки железосодержащих отходов металлургического производства.

Накопление твердых отходов приводит к негативным последствиям экологического и экономического характера, среди которых можно выделить:

- отчуждение территории под отвалы и шламонакопнтели;

- загрязнение почвы и почвенных вод вредными веществами, особенно соединениями тяжелых цветных металлов, содержащихся в этих отходах;

- загрязнение атмосферного воздуха из-за распыления мелких фракций отходов, находящихся в отвалах;

- штрафы за использование отвалов и шламонакопителсй.

Технология Ромелг, связанная с переработкой твердых отходов

металлургических производств НЛМК, позволит избавиться от существующих отвалов и шламонакопителсй и существенно ослабить негативное влияние перечисленных выше факторов на экологическую обстановку в районе комбината.

В связи с предполагаемым строительством промышленной установки ПЖВ на АО"НЛМК" была проведена оценка экономической эффективности ее строительства.

Результаты расчета экономической эффективности строительства установки Ромелт, выполненные Гипромезом, приведены в табл. 5.

Длительность расчетного периода принята 15 лет, из которых 2 года инимает строительство.

Таблица 5

Экономическая эффективность строительства установки Ромелт

Наименование показателей Полное

развитие

Обьем производства чу1уна ПЖВ, тыслн 260.0

Объем производства холоднокатаной продукции, тыс.тп 249.5

Объем предстоящих инвестиций, млрд.руб. 415.9

кроме того, НДС, млрд.руб. 83.2

Общая стоимость строительства предприятия, млрд.руб. 499.1

Предполагаемый срок строительства, лет 2

Доходы от реализации продукции, млрд.руб. 449.0

Эксплуатационные затраты, млрд.руб. 298.1

в том числе

- на производство чугуна Ромелт 125.4

- на дальнейший передел чугуна 172.7

Валовая прибыль, млрд.руб. 150.9

Чистая прибыль после уплата налог ов

в бюджет, млрд.руб. 85.6

Численность трудящихся, чел. 245

Стоимость основных фондов, млрд.руб. 499.1

Прирост оборотных средств, млрд.руб. 25.7

Средняя цена холоднокатаной продукции

- на внутреннем рынке, тыс.руб/т 1800.0

- при экспорте, долларов США/т 355.0

Себестоимость чугуна Ромелг, тыс.руб./т 482.4

то же, долларов США/т 96.5

Себестоимость холоднокатаной продукции,

полученной из чугуна Ромелг, тыс.руб./т 1195.3

то же, долларов СШЛ/г 239.1

Рентабельность холоднокатаной продукции

(к себестоимости), % 50.6

то же для экспорта 48.5

Рентабельность производства (к фондам), % 29.2

Расчет прибыли от внедрения технологии Ромелт рассчитывался на конечную продукцию комбината - холоднокатаный конструкционный прокат.

Ежегодная чистая прибыль от внедрения технологии Ромелт при реализации 250 тыс.тонп проката составит 85,6 млрд.рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате теоретического анализа и опытно-промышлеппых исследований подтверждена эффективность одностадийного процесса прямого получения металла процессом жидкофазного восстановления (Ромелт). В современных условиях получения жидкого металла классической схемой интегрированного завода, как никогда актуальными становятся вопросы экологии, дефицита сырья и энергетических источников.. Полученные результаты позволили выбрать технологию, которая на данном этапе развития современной металлургической промышленности будет удачным дополнением к традиционной схеме получения металла, комплексно перерабатывая трудноутилизируемые отходы основного металлургического производства черной и цветной металлургии.

2. Необходимость совершенствования.технологин получения металла в печи жидкофазного восстановления вызвана наличием широкого спектра железорудного сырья, отходов производства и различных видов недефнцитиого топлива. Для организации непрерывности работы установки исследованы и отработаны нестационарные периоды плавки различных видов материалов, причем основные характеристики сырья и топлива в ряде случаев значительно отличались друг от друга (содержание Реобщ изменялось от 20 до 52%).

3. Во время многочисленных плавок, проведенных на опытно-промышленной установке на НЛМК, при применении отходов с высоким содержанием цветных металлов доказана возможность эффективною их извлечения и селективного концентрирования по фазам.

4. Исследована особенность поведения серы при переработке цинкосодержащих шламов. Результаты теоретических расчетов и промышленных экспериментов показали возможность управления связыванием серы в конденсированные фазы в системе газоочистки.

5. При использовании широкого спектра энергетического топлива выявлена роль летучих угля; определена степень использования углерода, содержащегося в летучих угля в процессе восстановления в шлаковой ванне, а также определена доля испаряющейся влаги шихты, не расходующая на себя углерод.

6. Внесены существенные уточнения в модели материального и теплового балансов плавки, что дало возможность расчета реальных показателей производства. В дальнейшем при развитии процесса Ромелт

этот факт необходимо учитывать и корректировать технологию по ходу плавки в соответствии с предлагаемыми расчетами. Учет всех предлагаемых подходов и уточнений позволит существенно уменьшить расход угля и кислорода па процесс.

7. Проведенные исследования на опытно-промышленной установке выявили узкие места п системе охлаждения печи. Для повышения надежности элементов охлаждающей системы были внесены существенные изменения в конструкции кессонов, запорную арматуру и была проведена замена некоторых контрольно-измерительных приборов, а также установлена дополншельиая система охлаждения, что позволило повысить производительность печи.

8. Оценка экономической эффективности строительства установки Ромелт на ЛО"НЛМК", выполненная Гипромезом, показала, что за счет меньшей производственной себестоимости чугуна, полученного на установке, в сравнении с себестоимостью доменного чутуна, ежегодная чистая прибыль составит 85,6 млрд.рублей.

9. Проектируемая промышленная установка Ромелт позволит, перерабатывая отходы металлургического производства, улучпп1ть экологическую обстановку п районе г.Липепка.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Переработка цннк-щелочьсодсржащих шламов черной мегаллургип процессом жндкофазного восстановления/ Роменец В.А., Валавнн B.C., Усачев А.Б., Францешок И.В., Пожнванов A.M., Рябов В.В., Ролдугин Г.Н., Чумарин Б.А. и др.// Всесоюзная научно-техническая конференция "Непрерывные металлургические . процессы: руда, лом, металлопрокат": Тез.докл. - Свердловск. - 1980. - с.49-50

2. Особенности тепловой работы агрегата ПЖВ при восстановительной плавке железорудного сырья / Карпуишн В.К., Тимин В.И., Валавнн B.C., Вандарьев C.B., Шкатов Н.М., Чумарин Б.А.// Всесоюзное научно-техническое совещание "Интенсификация тепловых, массообменных и физико-химических процессов в металлургических агрегатах": Тез.докл. - Свердловск. - 1989. - с. 55-56.

3. Термодинамическая модель поведения цинка в газовых фазах сложного состава / Валавнн B.C., Похвнснев Ю.В., Подгородецкнн Г.С., Дудоров В.В., Чумарин Б.А. //Изв. ВУЗов. Черная металлургия. - 1990.-№ 7.-е. 15-17.

4. Расчет материального и теплового балансов процесса жидкофазного восстановления Ромелт / Валавнн B.C., Похвиснев Ю.В., Вандарьев C.B.. Чумарин Б.А., Малютин А.Н. //Сталь. - 1996. - № 7. -

с. 15-17.

5. Чумарин Б.А. Комплекс технологических и производственных мероприятий по освоению и вводу в действие ПЖВ II Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 40-летию Л1ТУ: Сб.тездокл. - Липецк. - 1996. - с. 20-21.

6. Чумарин Б.А. Утилизация промышленных отходов с использованием процесса жпдкофазного восстановления II Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 40-летию Л1ТУ: Сб.тездокл. - Липецк. - 1996. - с. 291-292.

7. Роменец В.А., Вандарьев C.B., Валавнн B.C., Чумарин H.A., Сакир Н.Ф. Процесс жпдкофазного восстановления II Международная конференция "Металлургия-96": Пью-Дели 25-26 октября 1996г. Индия.

8. A.c. 1392909 СССР, С22В. Способ переработки железосодержащего сырья/ Роменец В.А., Усачев А.Б., Валавип B.C., Гребенников В.Р.. Угаров A.A., Чумарин Б.А. - от 10.07.85г.

9. A.c. 1396611 СССР, C2IB. Способ выпуска продуктов плавки в жидкой ванне./Роменец В.А., Усачев А.Б., Гребенников В.Р., Валавин B.C., Ролдугин Г.Н., Чумарин Б.А., Пожпванов A.M. - № 4036458/31-02, заявлено 17.01.86г.

10. A.c. 1436502, C2IB 13/00. Способ ведения непрерывной переработки окисленного сырья черных металлов в жидкой шлаковой ванне I Роменец В.А., Усачев А.Б., Валавин B.C., Гребецников В.Р., Боровик В.Е., Рябов В.В., Караваев Н.М., Чумарин Б.А. (СССР). -заявлено 14.04.86г.

11. A.c. 1436501, C2IB 13/00. Печь для плавки железорудных материалов в жидкой ванне / Роменец В.А., Усачев A.B.. Валавин B.C., Гребенников B.C., Чайкин Б.С., Ланов Е.М., Ролдугин Г.Н., Чумарин Б.А. (СССР). - заявлено 17.01.86г.

12. A.c. 1547330 СССР, С22В 5/10. Способ, пирометаллургнчсской переработки железосодержащих материалов с применением цветных металлов / Роменец В.А., Валавин B.C., Усачев А.Б., Чижикова В.М.. Подгородецкий Г.С., Чумарин Б.А. (СССР) № 4372643, заявлено 27.11,87г.

13. A.c. 1515069 СССР, G0IK 7/04. Способ изменения температуры агрессивной среды / Роменец В.А., Валавин B.C., Усачев A.B., Подгородецкий Г.С., Ролдугин Г.Н., Щеглов Н.В., Дерновский A.B., Чумарин Б.А. (СССР) - заявлено 09.03.87г.

14. A.c. 1535030 СССР, С22В 5/10. Способ получения чугуна/ Роменец В.А., Валавин B.C., Вандарьев C.B., Подгородецкий Г.С., Яценко-Жук А.Д., Чижикова В.М., Усачев А.Б., Чумарин Б.А. (СССР) - заявлено 13.05.88г.

15. A.c. 1558012, С22В 5/10. Способ восстановления железосодержащих материалов с примесями цветных металлов / Роменец В.А., Валавин B.C., Подгородецкий Г.С., Усачев А.Б.. Глебов Ю.Д., Горбунов В.Б., Чумарин Б.А. - № 4425379 от 16.05.88г.

16. А.с. 1501512 СССР, C2IB 13/00. Способ ведения процесса жидкофазного восстановления металлов из окисленного сырья / Роменец В.Л., Усачев Л.Б., Баласанов А.В., Гребенников В.Р., Гугля В.Г., Васкевнч А.Д., Валавин B.C., Ролдугин Г.Н., Дерновскин А.В., Чумарни Б .А. (СССР). - заявлено 20.04.89г.