автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование основных путей совершенствования выплавки чугуна из титаномагнетитового сырья

На правах рукописи 005534 » ю

Собянина Ольга Николаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА ИЗ ТИТАНОМАГНЕТИТОВОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з ОКТ 2013

Екатеринбург - 2013

005534116

Работа выполнена на кафедре «Металлургия железа и сплавов» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Загайнов Сергей Александрович

Официальные оппоненты: Кобелев Владимир Андреевич,

кандидат технических наук, ОАО "Уральский институт металлов", заведующий НИЦ подготовки сырья и рудотермических процессов

Боковиков Борис Александрович доктор технических наук, ООО «Научно-Производственное Внедренческое Предприятие ТОРЭКС» заместитель генерального директора по науке и главного специалиста

Ведущая организация: ФГБУН Институт металлургии

Уральского отделения РАН

Защита диссертации состоится 11 октября 2013г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.285.05 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28, зал Ученого совета Института материаловедения и металлургии, аудитория МТ-329.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Автореферат разослан 10 сентября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Карелов С.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Мировая тенденция развития металлургии такова, что происходит быстрое истощение запасов железорудного сырья, поэтому возникает острая необходимость перехода в ближайшем будущем на использование комплексных руд сложного состава. К таким рудам относятся титаномагнетиты, имеющие широкое распространение и огромные запасы в недрах земли.

Плавка на высокотитанистой шихте — одна из самых трудных в практике доменного производства, т.к. наряду с компактными массами чугуна и шлака в печи образуются малоподвижные конгломераты из коксовой мелочи, металла, шлака и карбонитридов. В связи с этим ухудшается фильтрация расплавов, увеличиваются потери металла, возрастает перепад давления газа в нижней части печи и снижается ее производительность. В условиях доменной плавки на ОАО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» (ОАО «ЕВРАЗ НТМК») содержание оксида титана в шихте составляет 48 —50 кг на 1 т чугуна, что почти в два раза превосходит максимально допустимое количество титана в шихте на металлургических заводах других стран, например Японии. В перспективе содержание титана в шихте будет расти (разработка Качканарского месторождения).

Значительный объем исследований в области комплексной переработки титаномагнетитовых руд выполняли и выполняют ИМЕТ УрО РАН, ИМЕТ им. A.A. Байкова РАН, ЦНИИчермет им. И.П. Бардина. Данные исследования показали, что основная сложность выплавки ванадиевого чугуна связана с наличием титана в шихтовых материалах, который в условиях доменной печи восстанавливается до карбидов и карбонитридов, которые имеют высокую температуру плавления. Существенный вклад в разработке теоретических основ и решении проблем, связанных с извлечением ванадия и титана, внесен Уральским институтом металлов (УИМ). Институт занимается этими вопросами с 1954 года совместно с научными лабораториями ОАО «ЕВРАЗ НТМК» и в течение многих лет является ведущей организацией в черной металлургии нашей страны по данному направлению.

В 2005-2006 годах была проведена реконструкция доменных печей ОАО «ЕВРАЗ НТМК». Диссертационная работа содержит результаты мероприятий 2006-2012 годов, направленных на совершенствование технологии выплавки ванадиевого чугуна с целью повышения производительности доменных печей и снижения рисков, связанных с образованием карбидов титана.

Целью диссертационной работы является научное обоснование и оценка эффективности мероприятий ОАО «ЕВРАЗ НТМК» по оптимизации

технологических режимов выплавки ванадиевого чугуна (свойства шихты, кокса, шлака, давление) и конструкции печи, которые оказывают значительное влияние на восстановительные и теплообменные процессы, протекающие в зоне повышенных температур и шлакообразования, с учетом перспективы развития производства и тенденции изменения сырьевых условий.

Научная задача работы заключается в разработке методики анализа проведения титана в доменной печи (с использованием математических расчетов и ЭВМ), которая включает в себя уточненный способ термодинамического и кинетического анализа восстановительных процессов во взаимосвязи с теплообменом между шихтой и газом по высоте нижней зоны печи с учетом ее тссяплрукцтги-генденцтгроета содержания титана в шихтовых материалах.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. выявить доминирующие факторы и их количественное влияние на термодинамику и кинетику реакций восстановления титана из оксида;

2. усовершенствовать модель теплового состояния нижней зоны доменной печи с целью применения ее к анализу влияния свойств шлака, кокса, давления и конструкции печи на процесс карбидообразования;

3. оценить эффективность основных мероприятий по изменению технологических режимов работы существующих доменных печей и проектированию новых печей.

Научная новизна. Разработан новый подход к анализу работы доменных печей выплавляющих чугун из титаномагнетитового сырья, который основан на совместном решении задачи теплообмена и кинетики реакций восстановления титана из оксида.

Усовершенствована модель теплового состояния доменной печи в системе газ-кокс-шлак-чугун.

На основе нового подхода к оценке развития реакций восстановления разработаны алгоритмы решения технологических задач и получены количественные зависимости, учитывающие влияние свойств шихты, шлака, кокса, давления в печи и ее конструкции на процесс карбидообразования.

Практическая значимость. Предложенная методика позволяет решать широкий круг технологических задач, возникающих при переработке титаномагнетитового сырья в существующих доменных печах и определить рациональный профиль новых доменных печей, что дает возможность устранить проблемы, связанные с карбидообразованием. Методы анализа (математическое моделирование с использованием производственных данных и построение графических зависимостей) влияния профиля печи на нагрев продуктов плавки могут быть использованы при реконструкции доменных печей выплавляющих чугун из классических руд.

На защиту выносятся:

1. Математическое описание проведения титана в доменной печи во взаимосвязи с теплообменом между шихтой и газом по высоте нижней зоны печи с учетом ее конструкции.

2. Результаты оценки влияния свойств шлака, кокса, давления и конструкции печи на тепловое состояние нижней зоны доменной печи, термодинамику и кинетику реакций образования кремния и карбида титана;

3. Методы анализа поведения титана в доменной печи и предполагаемые результаты их реализации в промышленных условиях с целью снижения рисков, связанных с карбидообразованием.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции, посвященной улучшению качества транспортного металла, 4-6 декабря 2007, Нижний Тагил, Россия; Третьей международной конференции «Трансмет-2007» «Современные технологии производства транспортного металла», ноябрь 2008, Екатеринбург, Россия; Международной научно-практической конференции «Повышение качества образования и научных исследований» в рамках VII Сатпаевских чтений, 10-12 апреля 2008, Экибастуз, Россия; Восьмой научно-практической конференции «Новые перспективные материалы, оборудование и технологии для их получения» и Шестой научно-практической конференции «Современные технологии в области производства и обработки цветных металлов», 10-13 ноября 2009, Москва, Россия; Международной научно-практической конференции, 18-21сентября 2012, Екатеринбург, Россия; Technological solutions' for intensive production of low silicon hot metal in blast furnace processing vanadium containing titania-magnetite, Technical contribution to the 6th International Congress on the Since and Technology of ironmaking - ICSTI, 42nd International Meeting on ironmaking and 13th International Symposium on iron Ore, October 14th to 18th , 2012, Rio de Janeiro, RJ, Brazil.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 127 страницах машинописного текста, включая 70 рисунков, 7 таблиц, 74 формулы и состоит из введения, 3 глав, заключения, библиографического списка из 89 источников отечественных и зарубежных авторов.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, поставлена цель и сформулированы задачи исследования.

В первой главе диссертации рассмотрены вопросы значимости ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд как перспективного металлургического сырья. На основе литературных данных рассмотрена история развития и основные проблемы доменной плавки, возникающие при комплексной переработке высоко титанистого сырья. Приведены основные достижения ОАО «ЕВРАЗ НТМК» в совершенствовании технологии производства ванадиевого чугуна. Отмечено, что современные условия переработки титаномагнетитового сырья требуют научное обоснование выбора тех или иных технологических параметров доменной плавки с учетом тенденции изменения сырьевых условий, которое включало бы в себя методики термодинамического и кинетического анализа поведения химических элементов в печи во взаимосвязи с тепло обменными процессами.

Во второй главе осуществлен термодинамический и кинетический анализ восстановления титана и кремния в доменной печи с использованием известных физико-химических закономерностей поведения титана и кремния при выплавке чугуна из титаномагнетитового сырья. Усовершенствована модель теплового состояния нижней зоны доменной печи, т.е. области высоких температур в системе газ-кокс-шлак-чугун.

На основе нового подхода к оценке развития реакций восстановления разработаны алгоритмы решения технологических задач и получены количественные зависимости, учитывающие влияние свойств шихты, шлака, кокса, давления в печи и ее конструкции на процесс карбидообразования.

Термодинамический анализ условий восстановления титана из оксида при доменной плавке показал, что восстановление активно начинается выше температуры 1490К и наиболее вероятными являются реакции с образованием ТЮ, ПС, а также "П при взаимодействии ТЮг с углеродом в присутствии железа. Кремний приходит в печь с пустой породой железорудных материалов и с золой кокса в виде кремнезема - 8102- Восстановление кремния протекает по реакции прямого восстановления. После первой стадии монооксид кремния возгоняется и на коксовой насадке восстанавливается до металлического кремния, который растворяется в чугуне.

В таблице 1 приведены результаты расчета констант равновесия и равновесные концентрации продуктов реакций восстановления титана и кремния, а также равновесные парциальные давления газа СО, выделяющегося при образовании карбида титана и металлического кремния.

Таблица 1 - Термодинамические свойства реакций восстановления титана и _кремния из оксидов при температуре 1753 К

№ Реакция Константа равновесия реакции Равновесная концентрация при давлении 0,41 МПа, % Равновесное парциальное давление газа СО, МПа

1 ТЮ2 + С = ТіО + СО 4,14 0,22 17,40

2 ТЮ + С = ТІС + СО 3,31-Ю3 4,04 3,40

3 8іОг+С=8іО+СО 2,09-10"3 2,5-Ю"2 0,16

4 8іО+С=ві+СО 3,7 0,06 2,92

Необходимость снижения содержания титана в чугуне определяется его растворимостью, которая увеличивается с повышением его физического нагрева (температуры) и снижается по мере насыщения его кремнием.

На основе термодинамических расчетов получены зависимости равновесных концентраций титана, карбида титана и кремния от температуры и давления (рисунки 1 и 2).

Рисунок 1 - Влияние температуры на равновесные концентрации ТІС(-), Ті (---) и Бі (-----)

и,и

0,20 0,25 0,30 0,35 Давление, МПа

0,40 0,45

Рисунок 2 - Влияние давления на равновесные концентрации ТІС (-), Ті (---) и Si (-----)

Выше приведенные зависимости позволили представить взаимосвязь содержания кремния и титана в чугуне и сопоставить их с данными о работе доменной печи ОАО «ЕВРАЗ НТМК» (рисунок 3).

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

.......V

1,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 0,13 Содержание кремния в чугуне, %

Рисунок 3 - Сопоставление расчетной (-----) и фактической (-)

зависимостей между содержанием титана и кремния в чугуне

Данные таблицы 2 и рисунок 3 показывают, что увеличение давления и снижение концентрации кремния способствуют уменьшению содержания титана в чугуне.

Таблица 2 - Производственные данные о работе доменных печей ОАО «ЕВРАЗ НТМК»

Показатели ДП №3 ДП №1 ДП №6 ДП №5

Давление горячего дутья, ата 3,1-3,2 3,45-3,55 4,0-4,15 4,8-4,85

Содержание кремния в чу1уне, % 0,12-0,13 0,1-0,11 0,08 0,065-0,07

Содержание титана в чугуне, % 0,20-0,25 0,20-0,25 0,15-0,18 0,12-0,18

При анализе влияния технологических факторов на процессы восстановления титана и образования его карбидов был осуществлен переход от равновесных концентраций продуктов реакций к парциальным давлениям газа СО (Рсс>)■ Это обусловлено тем, что на доменных печах измеряется давление дутья на фурмах и имеется возможность расчета фактического парциального давления СО. Кроме того, при проектировании доменных печей и выборе технологии выплавки чугуна имеется возможность изменять фактическое значение Рсо-Термодинамический анализ показал, что расчетное равновесное парциальное давление газа СО близко по значению к фактическому давлению на уровне фурм. Сопоставление величин фактического и равновесного давления газа СО позволяет сделать вывод о возможности протекания реакций.

Расчет равновесной концентрации титана и сопоставление ее с фактической показал, что восстановление титана определяется кинетикой процесса, а именно временем пребывания расплава в области повышенных температур. Данное заключение подтверждают практические данные о влиянии производительности доменной печи №6 ОАО «ЕВРАЗ НТМК» на соотношение содержания оксида

титана при содержании кремния в чугуне меньше 0,9%

Формальная кинетика химических реакций позволяет оценить влияние времени на степень отклонения реакций от равновесия. Однако для решения этой задачи необходимо знать энергию активации процесса Е, величина которой находится экспериментально. В связи с этим анализ влияния технологических факторов доменной плавки на процессы восстановления титана и кремния проводился в относительных координатах и рассматривалась зависимость изменения степени приближения фактической концентрации продуктов реакций к равновесной от времени:

где те - время движения расплава в печи объемом 2000 - 2300 м3 при базовых (фактических) условиях доменной плавки, с;

т - время движения в печи с интересующим нас отношением высоты горна к его диаметру или прогнозных параметрах доменного процесса, с; х и хр- фактическая и равновесная концентрации вещества, %; п - порядок реакции.

Выражение для времени движения расплава:

где со - скорость фильтрации расплава, которая зависит от технологических параметров доменной плавки, м/с; <Jr.hr- диаметр горна и его высота, м.

Восстановительные процессы в доменной печи, характеризуемые концентрационными полями, тесно связаны с теплообменными. Тепловое состояние печи является одним из основных факторов, определяющих удельный расход кокса, производительность и качество продуктов плавки.

В основе модели теплового состояния нижней зоны доменной печи, т.е. области высоких температур - выше 1490К, лежит система обыкновенных нелинейных неоднородных дифференциальных уравнений, описывающих температурные поля газа, кокса, шлака и чугуна по высоте нижней зоны печи (см. уравнения (3)-(6)). Численное интегрирование системы дифференциальных уравнений было выполнено методом Рунге-Кутта.

Дифференциальное уравнение для потока шлака:

(1)

(2)

ОТш . а^{(Тг -Тш)~ 2 (Тш - Тк) - (Тш - Г,,)} + 0

для потока газа:

<ДУ _ - Тш ) + (ТУ - Тк) + (Г, - Тч )}

Л , (4)

для потока кокса:

атк _ а1у£{(Гг - Тк) + 2(ГШ -ТК)-(ТК- Тч)}

с1И Ш

(5)

для потока чугуна:

</Г„ _ а^{(Тг -ТЧ) + (ТК-ТЧ) + (Тш - Тч )}

Л "" . (6) где Тш, Тг, Тк, Тч - температуры шлака, газа, кокса и чугуна, К; Ь - высота печи, м;

о£„ - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3-К); 5- сечение горна доменной печи, м; О - диаметр горна, м; РУ— теплоемкость, Дж/(кг- К).

В третьей главе приведены результаты анализа влияния различных факторов на тепловое состояние нижней зоны печи и процесс восстановления титана и кремния из оксидов.

Образование титана протекает в интервале температур, максимальное значение которой достигается на выходе шлака из коксовой насадки, а минимальное определяется характером кривой зависимости константы равновесия реакции от температуры. На рисунке 1 показано, что восстановление начинается при температуре 1525 К. На протяженность зоны восстановления титана (высота температурного интервала между уровнем фурм и уровнем начала восстановления) существенное влияние оказывают технологические параметры плавки (давление в доменной печи, качество кокса, основность шлака) и конструкция доменной печи.

Сопоставление зависимостей протяженности зоны восстановления титана от технологических параметров доменной плавки и конструкции печи показал, что доминирующими факторами являются давление и качество кокса.

В меньшей степени на изменение зоны восстановления влияет основность шлака. Согласно современной технологии выплавки ванадийсодержащего чугуна она должна составлять 1,20-1,25ед. Увеличение основности выше данных значений снижает содержания железа в железорудной части шихты, вследствие этого увеличивается удельный выход шлака и удельный расход кокса.

Пределы уменьшения угла наклона заплечиков ограничены, т.к. сильное его изменение влияет на механическое воздействие расплава на кожух и футеровку доменной печи.

Анализ влияния давления в доменной печи на теплообменные процессы по высоте нижней зоны доменной печи выше уровня фурм во взаимосвязи с восстановительными показал, что его повышение позволяет уменьшить прогрев шлака и кокса и, соответственно, равновесное парциальное давление газа СО, снизить содержание кремния и титана в чугуне.

На рисунке 5 показано влияние давления на изменение относительного равновесного парциального давления газа СО, образовавшегося в ходе реакции 2 в таблице 1 — (р,- меняется в зависимости от общего давления в печи, р0 -

Рисунок 5 - Изменение относительного равновесного парциального давления газа СО по высоте доменной печи выше уровня фурм при следующих значениях давления: 0,25МПа(-), 0,29МПа(---), 0,34МПа(-----), 0,39Мпа (----)

На рисунке 6 представлена зависимость времени движения шлака основностью 1,2 от давления через коксовую насадку. Для наглядности результатов расчета использовано понятие относительного времени движения расплава - — , где тр меняется в зависимости от давления р, , тРо - постоянная

тРо

величина при давлении р<г=0,2МПа.

0,45 :

Рисунок 6 - Влияние давления на время движения шлака в горне доменной печи при следующих средних диаметрах кусков кокса: 25 мм (-), 20мм(----), 15 мм (-----)

С увеличением давления скорость фильтрации шлака возрастает, время пребывания расплава в горне доменной печи уменьшается. Следовательно, содержания титана и его карбида в чугуне снижается. Отметим также следующее: чем крупнее куски кокса, тем значительнее влияние давления на скорость фильтрации.

Влияние давления на относительное отклонение фактической концентрации (х — х)

Б! и ПС от равновесной - —'-—при фракции кокса 15мм и основности шлака

Схр~х)р0

1,2 показано на рисунке 7. Относительное отклонение концентрации - это отклонение фактической концентрации от равновесной за временя движения расплава тделенное на отклонение фактической концентрации от равновесной за период времени движения расплава при давлении ро=0,2МПа.

С увеличением давления относительное отклонение фактической концентраций кремния и карбида титана от равновесной увеличивается. Причем изменение давления в большей степени влияет на концентрацию карбида титана.

Рисунок 7 - Влияние давления на относительное отклонение концентрации 81 (-) и "ПС (---) от равновесной

Таким образом, изменение давления в доменной печи является существенной мерой для уменьшения процесса карбидообразования.

Полученные результаты подтверждаются промышленными данными о влиянии давления колошникового газа на соотношение содержания оксида титана в шлаке к содержанию титана в чугуне. С ростом давления оно увеличивается.

Анализ влияния качества кокса на теплообменные процессы во взаимосвязи с восстановительными осуществлен через анализ влияния среднего диаметра кусков кокса.

Увеличение среднего диаметра кусков кокса позволяет снизить температуру

шлака при прочих постоянных технологических условиях и уменьшить

равновесное парциального давление газа СО. Вследствие этого уменьшается

содержание кремния и, соответственно, титана в чугуне, снижается вероятность

образования карбидных фаз.

На рисунке 8 показано влияние среднего диаметра кусков кокса на изменение

относительного равновесного парциального давления газа СО, образовавшегося в

ходе реакции 2 в таблице 1 — (р,- меняется в зависимости от среднего диаметра

Ро

кусков кокса, р0- постоянная величина при среднем диаметре кусков кокса 30мм).

Относительное равновесное парциальное давление газа СО

Рисунок 8 - Изменение относительного равновесного парциального давления газа СО по высоте доменной печи выше уровня фурм при следующих средних

диаметрах кусков кокса: 10мм (-), 15мм (---), 20мм (-----), 25мм(- • • •)

Увеличение среднего диаметра кусков кокса позволяет увеличить скорость фильтрации шлака через коксовую насадку, что уменьшает вероятность образования карбидов титана из шлакового расплава.

Влияние размеров кусков кокса тем значительнее, чем больше угол наклона заплечиков доменной печи. С увеличением среднего диаметра кусков кокса время пребывания расплава в горне доменной печи сокращается, причем время тем меньше, чем уже горн печи при неизменной его высоте. При проектировании новых доменных печей необходимо повышать требования к качеству кокса, т.е. увеличивать его горячую прочность и снижать долю мелких фракций.

Чем ниже давление в печи, тем влияние размера кусков кокса на время пребывания расплава в горне доменной печи значительнее, что требует более тщательного выбора кокса по фракционному составу (рисунок 9).

33

Рисунок 9 - Влияние среднего диаметра кусков кокса на время движения шлака в горне доменной печи при давлении: 0,25МПа (-----); 0,41МПа (-)

На рисунке 10 показано влияние размера кусков кокса на относительное отклонение фактической концентрации 8І и ТіС в чугуне от равновесной.

1,1

0,5 -1---- У—-----1----------і---------------------------115 17 19 21 23 25

Средний диаметр кусков кокса, мм

Рисунок 10 - Влияние среднего диаметра кусков кокса на относительное отклонение концентрации Бі (-) и ТіС (---) от равновесной

Полученные результаты расчетов подтверждаются промышленными испытаниями «горячей» прочности кокса (СБЯ) на соотношение содержания оксида титана в шлаке к содержанию титана в чугуне. С повышением СЯЛ степень перехода титана в шлак увеличивается.

Средний диаметр кусков кокса, мм

27

Анализ влияния основности шлака на теплообменные процессы во взаимосвязи с восстановительными показал, что ее увеличение несколько понижает температуру шлака и кокса и уменьшает равновесное парциальное давление газа СО. В результате этого снижается содержание кремния и титана в чугуне, уменьшается вероятность образования карбидных фаз.

С повышением основности шлака выше 1,15ед. его вязкость снижается. В результате увеличения жидкотекучести шлака скорость фильтрации шлака через коксовую насадку возрастает, а время его пребывания в горне сокращается.

На рисунке 11 представлена зависимость относительного времени —

движения расплава в горне доменной печи (где Т; меняется в зависимости от основности шлака, т0 - постоянная величина при основности шлака СаО/БЮг = 1,11ед.) от основности шлака.

Основность шлака

Рисунок 11 - Влияние основности шлака на время движения расплава в горне доменной печи при следующих соотношениях высоты горна к его диаметру: 0,42 (-), 0,45 (----), 0,49 (.....), 0,55 (-----)

С увеличением основности шлака относительное отклонение фактической концентрации кремния и карбида титана от равновесной увеличивается. Причем изменение основности в большей степени влияет на концентрацию карбида титана.

Полученные результаты подтверждаются работой доменной печи №6 ОАО «ЕВРАЗ НТМК»». С увеличением основности шлака содержание титана в чугуне снижается.

Анализ влияния конструкции доменной печи включает в себя анализ влияния угла наклона заплечиков на температурные поля газа, кокса, шлака и

чугуна и относительные парциальные давления газа СО, а так же анализ конструкции горна печи на относительное время пребывания расплава в горне и относительное отклонение концентрации кремния и карбида титана от равновесных значений.

Результаты расчетов показали, что уменьшение угла наклона заплечиков доменной печи позволяет снизить температуру шлака и равновесное парциальное давление газа СО, уменьшить содержание кремния и титана в чугуне.

Отметим, что изменение угла наклона заплечиков при прочих постоянных технологических условиях дает возможность менять температуру газа за счет изменения содержания кислорода в дутье с целью сохранения температуры шлака нагаданном уровне. Эти меры позволяют уменьшить расход кокса и выход газа, необходимый для нагрева шлака до необходимой температуры.

На рисунке 12 приведены результаты анализа влияния конструкции горна доменной печи на относительное время движения расплава основностью 1,2 через коксовую насадку с гранулометрическим составом 15мм при давлении в печи 0,41МПа. Относительное время — отношение времени движения расплава в горне реконструированной доменной печи ОАО «ЕВРАЗ НТМК» к времени движения в горне базовой печи с соотношением высоты к его диаметру 0,34.

В целом при увеличении отношения высоты горна к его диаметру доменной печи время движения уменьшается, причем для шлаков низкой вязкости это изменение больше.

0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 0,44 0,46 Отношение высоты горна к его диаметру

Рисунок 12 - Влияние конструкции горна доменной печи на время движения расплава через коксовую насадку при его вязкости: 0,3 Па с (.....), 0,35 Па с (----), 0,4 Па с (-)

На реконструированных доменных печах ОАО «ЕВРАЗ НТМК» уменьшение угла наклона заплечиков, увеличение отношения высоты горна к его диаметру наряду с другими мероприятиями привело к снижению потерь чугуна со шлаком и уменьшению удельного расхода кокса в следствие уменьшения количества образовавшихся карбидов титана. Поэтому при реконструкции доменных печей ОАО «ЕВРАЗ НТМК» было принято решение об увеличении этого соотношения до 0,47. Практика эксплуатации реконструированных доменных печей подтвердила правильность выбранной стратегии реконструкции, а именно, изменения профиля печи.

Химический состав титаномагнетитовых руд и их концентратов по существу полностью определяет технологию последующей металлургической переработки железорудного сырья. Она во многом зависит от содержания титана в шихте. При разработке Качканарского месторождения содержание титана в шихте возрастет, что приведет к увеличению концентрации оксида титана в шлаке и, как следствие, карбида титана (см. уравнения 1, 2 в таблице 1).

Полученные результаты расчета показали, что увеличение содержания оксида титана в пустой породе шихтовых материалов вызывает увеличение равновесной концентрации карбида титана, а вот объем восстановленного титана, мало зависит от исходной концентрации ТЮг.

Было проанализировано влияние технологических параметров доменной плавки и конструкции нижней зоны доменной печи на процесс карбидообразования при увеличении концентрации оксида титана в шлаке. В таблице 3 показано, во сколько раз необходимо изменить характеристики доменного процесса для поддержания постоянной равновесной концентрации карбида титана при условии возрастания содержания оксида титана в шлаке на 1%.

Таблица 3 - Необходимое изменение величины технологического фактора для поддержания постоянной равновесной концентрации карбида титана при условии возрастания содержания оксида титана в шлаке на 1%

Фактор Требуемое изменение, доли ед.

Угол наклона заплечиков доменной печи 0,97

Основность шлака 1,04

Средний диаметр кусков кокса 1,11

Давление в доменной печи 1,15

Содержание МпО в шлаке 1,48

Таким образом, успешная выплавка ванадиевого чугуна при условии возрастания содержания оксидов титана в шихте и, соответственно, в шлаке может быть реализована за счет повышения качества кокса и увеличения давления в доменной печи, а также добавления марганецсодержащих материалов в шихту.

Известно, что карбиды титана могут разрушаться при взаимодействии с оксидами марганца и железа. Поэтому одним из способов борьбы с карбидными образованиями титана является повышение окисленности шлака за счет увеличения в нем концентрации оксидов железа (РеО) и марганца (МпО).

В условиях ОАО «ЕВРАЗ НТМК» в качестве марганецсодержащих

материалов используют марганцевый агломерат, а основного железорудного материала - высокоосновной агломерат и неофлюсованные окатыши Качканарского ГОКа в соотношении 40 и 60 % соответственно. Однако оксид железа легко восстановим, количество его ограничено и не существует способа его подачи в большом количестве.

Термодинамический анализ показал, что разрушение карбида титана оксидами марганца и железа идет с образованием монооксида титана.

Зависимость концентрации оксида титана от содержания МпО и РеО в шлаке показана на рисунок 13. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что наличие оксида марганца в шлаке в большей степени способствует разрушению карбидов титана, чем оксида железа.

3,0

а и

а Н

А в

§ =

з §

1-і &

й1

6 &

2,5 +-

"8

2,0

1,5

1,0

0,5

Ь6

0,0

0,1

0,2 0,3 0,4

Содержание МпО и РеО в шлаке, %

0,5

Рисунок 13 - Влияние МпО (---) и РеО (-) на концентрацию ТІО,

перешедшего в шлак в результате разрушения карбида титана

Разрушение карбида титана происходит с увеличением объема газов, поэтому на процесс существенное влияние оказывает давление в печи (рисунок 14).

0,45

в Iй

я Я

З я З в

¡3 о*

а З

"8 &

р> «

0 а н »

Н

1 З

0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 ■ 0,05 -

0,00

0,00

0,10 0,20 0,30 0,40 Давление, МПа

0,50

Рисунок 14 - Влияние давления на концентрацию ТЮ, перешедшего в шлак в результате взаимодействия карбида титана с МпО (---) и РеО (-)

Увеличение давления в доменной печи в большей степени способствует разрушению карбида титана при взаимодействии его с оксидом марганца.

Количество вводимого марганецсодержащего материала в шихту доменной печи определяется требованиями получения товарного ванадиевого шлака, производимого в конвертерном цехе. Содержание марганца в чугуне не должно превышать 0,40 - 0,45 %. Содержание марганца при плавке агломерата и окатышей Качканарского ГОКа составляет около 0,2 %. Таким образом, для достижения допустимого содержания марганца в чугуне возможен ввод в шихту марганецсодержащих компонентов.

Заключение

Диссертационная работа посвящена изучению особенностей поведения титана в доменной печи при выплавке чугуна из титаномагнетитового сырья путем совместного решения задач теплообмена и кинетики реакций восстановления титана и кремния из оксидов.

Выполненный анализ физико-химических процессов, протекающих при доменной плавке ванадийсодержащего титаномагнетитового сырья, позволил сформулировать следующие выводы:

1. Установлено, что доминирующим фактором в процессе карбидообразования является время пребывания оксидного расплава в области высоких температур.

2. Разработана новая методика оценки влияния технологических факторов и конструкции печи на время пребывания расплава в области высоких температур.

3. Разработана математическая модель тепло- и массообмена в нижней зоне доменной печи, которая позволяет количественно оценить влияние технологических режимов доменной плавки и конструкционных особенностей печи на процессы восстановления.

4. Показано, что давление в доменной печи позволяет не только сместить равновесие реакций восстановления, но и увеличить интенсивность плавки, сократить время пребывания расплава в области высоких температур.

5. Установлено, что качество кокса, которое определяется его горячей прочностью является одним из основных факторов, обеспечивающих высокоэффективную работу доменной печи. Показано, что при увеличении горячей прочности кокса существенно снижается время пребывания расплава в нижней зоне доменной печи, уменьшается прогрев шлака и кокса, что позволяет снизить содержание кремния и, соответственно, титана в чугуне, уменьшить вероятность образования карбидных фаз.

6. С использованием разработанной модели показано, что конструкция горна доменной печи и угол наклона заплечиков оказывает существенное влияние на развитие теплообмена и физико-химических процессов, что позволяет сформировать научных подход к выбору профиля печи.

7. Увеличение давления в доменной печи и горячей прочности кокса, повышение основности шлака, уменьшение угла наклона заплечиков печи позволяют сократить протяженность зоны восстановления титана, а, следовательно, и время пребывания оксидного расплава в области высоких температур, уменьшить вероятность образования карбидных фаз.

Полученные количественные зависимости между технологическими режимами доменной плавки, конструкционными параметрами печи и развитием процессов восстановления кремния и титана из оксидов могут быть использованы как при проектировании новых доменных печей, так и при переводе существующих доменных печей на работу с повышенным содержанием оксида титана в шихтовых материалах.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Основное содержание работы отражено в следующих научных статьях, публикованных в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. О.Н. Собянина, C.B. Филатов, С.А. Загайнов. Анализ условий движения асплава в горн доменной печи при плавке титаномагнетитов // Известия ВУЗов. 1ерная металлургия. 2008. № 4. С. 69 - 70.

2. О.Н. Собянина, C.B. Филатов, С.А. Загайнов. Анализ особенностей осстановления титана в доменной печи // Сталь. 2012. № 3. С. 9-11.

В других изданиях:

3. О.Н. Собянина, С.А. Загайнов. Особенности движения расплава в горне оменной печи при плавке титаномагнетитового сырья // Сборник трудов XIII тчетной научной конференции молодых ученых УГТУ-УПИ, Екатеринбург. 007. Изд-во УГТУ-УПИ. С.230-232.

4. О.Н. Собянина, С.А. Загайнов. Термодинамический анализ условий осстановления титана в горне доменной печи // сборник трудов XIII отчетной аучной конференции молодых ученых УГТУ-УПИ, Екатеринбург. 2007. Изд-во ГТУ-УПИ. С.227-229.

5. A.B. Кушнарев, C.B. Шаврин, С.А. Загайнов, О.Н. Собянина [и др.]. еализация мероприятий по снижению содержания титана в чугуне // Сборник эудов Международной конференции, посвященной улучшению качества эанспортного металла, Нижний Тагил. 2007. Изд-во ОАО «НТМК». С. 121-123.

6. С.А. Загайнов, О.Н. Собянина, В.В. Филиппов [и др.]. Анализ доменной лавки при производстве ванадиевого чугуна // Сборник трудов Международной аучно-практической конференции «Повышение качества образования и научных

исследований» в рамках VII Сатпаевских чтений, Экибастуз. 2008. Изд-во кибастузского инженерно-технического института им. Академика Сатпаева. С.370-371.

7. A.B. Кушнарев, C.B. Шаврин, С.А. Загайнов, О.Н. Собянина [и др.]. Реализация мероприятий по снижению содержания титана в чугуне // Сборник

рудов 3-й Международной конференции «Трансмет-2007», Екатеринбург. 2008. Изд-во УГТУ-УПИ. С. 169-171.

8. С.А. Загайнов, О.П. Онорин, О.Н. Собянина [и др.]. Исследование работы агрегатов и систем доменной печи № 5 и разработка технологии производства ванадиевого чугуна // Бюллетень «Черная металлургия», ОАО «Черметинформация». 2008. № 7. С. 70.

9. С.А. Загайнов, О.П. Онорин, О.Н. Собянина [и др.]. Разработка и выдача рекомендаций по стабилизации состава продуктов плавки при выплавке

ванадиевого чугуна // Бюллетень «Черная металлургия», ОАО «Черметинформация». 2008. № 7. С. 70.

10. А.В. Кушнарев, С.В. Филатов, С.А. Загайнов, О.Н. Собянина [и др.]. Внедрение технологии выплавки низкокремнистых чугунов на НТМК // Сборник трудов 8-й научно-практической конференции «Новые перспективные материалы, оборудование и технологии для их получения» и 6-й научно-практической конференции «Современные технологии в области производства и обработки цветных металлов», Москва. 2010. Министерство промышленности и торговли. С.214-219.

11.С.Е. Собянин, О.Н. Собянина, B.C. Швыдкий [и др.]. Математическая модель теплообмена в ванне плавильной печи // Материалы 10-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, специалистов, Магнитогорск. 2009. С.40-43.

12. Sergei A. Zagainov, Sergei V. Filatov, Olga N. Sobianina, Yakov M.Gordon. Technological solutions' for intensive production of low silicon hot metal in blast furnace processing vanadium containing titania-magnetite // Technical contribution to the 6th International Congress on the Since and Technology of ironmaking - ICSTI, 42nd International Meeting on ironmaking and 13th International Symposium on iron Ore, Rio de Janeiro, Brazil. 2012. PP. 1406- 1415.

13. С.А. Загайнов, С.В. Филатов, О.Н. Собянина [и др.]. Использование закономерностей теплообмена для поиска пути форсирования доменной плавки // Сборник докладов Международной научно-практической конференции, Екатеринбург. 2012. Изд-во УРФУ им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина. С.89-93.

14. O.N. Sobyanina, S.V. Filatov, S.A. Zagainov. Analysis of Titanium Reduction in a Blast Furnace // Steel in Translation. 2012. Vol.42. No 3. PP.246-248.

Бумага писчая. Плоская печать. Усл. печ. л. 1,0 Усл. изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ 312

Ризография НИЧ УрФУ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 Тел:. (343)375-41-79

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента

России Б.Н. Ельцина»

На правах рукописи

Собянина Ольга Николаевна 04201451 210

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА ИЗ ТИТАНОМАГНЕТИТОВОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -профессор, доктор технических наук С.А. Загайнов

Екатеринбург -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................................................................................7

1.1 Значимость ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд как перспективного металлургического сырья................................................................7

1.2 Исторические аспекты вопроса.........................................................................9

1.3 Основные проблемы доменной плавки титаномагнетитового сырья.........12

1.4 Современная технология производства ванадиевого чугуна.......................15

1.5 Перспективы совершенствования современной технологии производства ванадиевого чугуна. Постановка задач исследования............................................24

ГЛАВА 2 . УСОВЕРШЕНСТВОВАННИЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОВЕДЕНИЯ ТИТАНА И КРЕМНИЯ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ ВО ВЗАИМОСВЯЗИ С ТЕПЛОВЫМ СОСТОЯНИЕМ НИЖНЕЙ ЗОНЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ..................25

2.1 Усовершенствование модели термодинамического анализа поведения титана и кремния в доменной печи..........................................................................25

2.2 Алгоритм реализации модели термодинамического анализа поведения титана и кремния в доменной печи..........................................................................40

2.3 Усовершенствование модели кинетического анализа поведения титана и кремния в доменной печи..........................................................................................43

2.4 Алгоритм реализации модели кинетического анализа поведения титана и кремния в доменной печи..........................................................................................49

2.5 Усовершенствование модели теплового состояния нижней зоны доменной печи .............................................................................................................................53

2.6 Алгоритм реализации модели теплового состояния нижней зоны доменной печи .............................................................................................................................59

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА

л

ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ НИЖНЕЙ ЗОНЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТИТАНА..................................................................................63

3.1 Влияние температуры.......................................................................................63

3.2 Влияние давления.............................................................................................68

3.3 Влияние среднего диаметра кусков кокса......................................................77

3.4 Влияние основности шлака..............................................................................86

3.5 Влияние конструкции нижней зоны доменной печи....................................93

3.5.1 Влияние угла наклона заплечиков доменной печи....................................93

3.5.2. Влияние конструкции горна доменной печи.........................................100

3.6 Влияние содержания оксида титана в шихте...............................................104

3.7 Влияние оксидов марганца и железа на разрушение карбидов титана.....109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................................................125

Состав шихтовых материалов и шлака..................................................................125

Справка об использовании результатов диссертационной работы....................126

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мире в связи с высокими темпами развития металлургии происходит быстрое истощение запасов железорудного сырья, поэтому возникает острая необходимость перехода в ближайшем будущем на использование комплексных руд сложного состава. К таким рудам относятся ванадийсодержащие титаномагнетиты, имеющие широкое распространение и огромные запасы в недрах земли. Эти руды занимают видное место в металлургической промышленности ряда стран как главный сырьевой источник весьма дефицитных ванадия и титана. Мировой объем производства стали из титаномагнетитового сырья также значителен и составляет многие миллионы тонн в год [1].

В нашей стране действующее ванадиевое производство базируется на попутном извлечении ванадия из титаномагнетитовых руд Качканарского месторождения Урала. Эти руды являются в настоящее время главным и надежным сырьевым источником ванадия для мировой промышленности. Использование ванадийсодержащих титаномагнетитов в металлургическом производстве позволило также разрешить проблему обеспечения железорудным сырьем целого ряда металлургических предприятий в Российской Федерации, КНР, ЮАР [2].

В будущем ожидается дальнейший рост спроса на ванадий. Это обусловлено расширением сфер его применения для производства низколегированных сталей, используемых при изготовлении труб нефтегазопроводов, строительных конструкций для мостов, высотных зданий, широкопролетных сооружений, производства железнодорожных рельсов и др. Для большинства зарубежных стран характерным является максимальный расход ванадия при производстве этого сортамента сталей.

Для России значимость ванадия как легирующего элемента наиболее высока, так как он является заменителем вольфрама, молибдена, никеля и ниобия.

Наличие крупных, сравнительно легко разрабатываемых отечественных запасов ванадия позволяет базировать на нем техническую политику в области улучшения свойств сталей и чугунов традиционного сортамента, а также создания новых марок в классе экономнолегированных материалов в целях повышения общего уровня техники и технологии.

Отличительная особенность качканарских агломерата и окатышей как металлургического сырья — наличие соединений титана. Титансодержащие материалы, восстанавливаясь в доменной печи до карбидов и карбонитридов, являются основной причиной имеющихся затруднений. Концентрируясь на реакционной поверхности кокс - шлак и шлак - металл, они в дальнейшем затрудняют процессы массообмена между реагирующими фазами и могут являться причиной торможения реакций обессеривания и восстановления ванадия. Кроме того, адсорбируясь на поверхности капель металла, они являются преградой для их коагуляции и осаждения через слой шлака. В результате значительное количество чугуна увлекается шлаком при отработке и вызывает прогар охладительных устройств шлаковых леток.

Плавка на высокотитанистой шихте — одна из самых трудных в практике доменного производства. Неоднократные попытки за рубежом, в частности в Канаде, освоить такую плавку заканчивались неудачей. На металлургических заводах Японии установлено, что максимальное содержание оксида титана в доменной шихте не должно превышать 10 кг на 1 т чугуна [3].

В качканарском же сырье содержание оксида титана составляет 48 —50 кг на 1 т чугуна, то есть почти в два раза превосходит максимально допустимое количество титана в шихте на металлургических заводах Японии. В перспективе содержание титана в шихте будет расти.

Для плавки качканарских агломерата и окатышей разработана технология, которая обеспечивает стабильную работу мощных доменных печей с получением качественного ванадиевого чугуна при высоких технико-экономических показателях. Но в современных условиях роста спроса и производства ванадия,

повышенных требований к производству в области энерго- и ресурсосбережения актуальным вопросом является совершенствование технологии переработки ванадийсодержащих титаномагнетитов, обеспечивающей устойчивую работу печей и снижение рисков, связанных с образованием карбидов титана. Задача выбора технологического режима доменной плавки ванадийсодержащих титаномагнетитов перспективна, так как при разработке Качканарскорго месторождения содержание титана в шихте возрастет.

Целью диссертационной работы является научное обоснование и оценка эффективности мероприятий ОАО «ЕВРАЗ НТМК» по оптимизации технологических режимов выплавки ванадиевого чугуна (свойства шихты, кокса, шлака, давление) и конструкции печи, которые оказывают значительное влияние на восстановительные и теплообменные процессы, протекающие в зоне повышенных температур и шлакообразования, с учетом перспективы развития производства и тенденции изменения сырьевых условий.

Научная задача работы заключается в разработке методики анализа проведения титана в доменной печи (с использованием математических расчетов и ЭВМ), которая включает в себя уточненный способ термодинамического и кинетического анализа восстановительных процессов во взаимосвязи с теплообменом между шихтой и газом по высоте нижней зоны печи с учетом ее конструкции и тенденции роста содержания титана в шихтовых материалах.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. выявить доминирующие факторы и их количественное влияние на термодинамику и кинетику реакций восстановления титана из оксида;

2. усовершенствовать модель теплового состояния нижней зоны доменной печи с целью применения ее к анализу влияния свойств шлака, кокса, давления и конструкции печи на процесс карбидообразования;

3. оценить эффективность основных мероприятий по изменению технологических режимов работы существующих доменных печей ОАО «ЕВРАЗ НТМК» и проектированию новых печей.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Значимость ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд как перспективного металлургического сырья

В последние годы наблюдается устойчивый рост производства и потребления ванадия в мире. Это обусловлено прежде всего возможностью использования ванадия как легирующего элемента для получения широкого круга конструкционных материалов с улучшенными физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами [4-—8]. Например, введение в стали различных классов сотых и десятых долей процента ванадия (0,06— 0,12%) способствует их упрочнению на 15—30%.

Рассмотрим, по данным [4, 6, 7], краткую характеристику получающих развитие областей применения чугунов и сталей, являющихся потенциально емкими потребителями ванадия.

Стали для газопроводных труб. Постоянно увеличивающиеся масштабы добычи природного газа в нашей стране, сосредоточение ее преимущественно в северных районах со сложными географическими и климатическими условиями, необходимость транспортировки газа на значительные расстояния предопределяют повышенные требования к качеству металла для труб. Применявшиеся ранее углеродистые стали с повышенным содержанием марганца и кремния не выдерживали высокого рабочего давления газа в больших диаметрах труб при технически приемлемых толщинах их стенок. Увеличение толщины стенок приводило к большому расходу металла и росту издержек при строительстве газопроводов. Мировая практика и отечественный опыт по разработке новых сталей с требуемыми свойствами показали необходимость использования в качестве одного из обязательных легирующих ванадия.

Стали для строительных конструкций. Строительство в различных климатических зонах страны уникальных объектов требует применения высокопрочных сталей для изготовления конструкций. Эффективным средством повышения качества металла является микролегирование его карбидо- и нитридо-образующими элементами, в первую очередь ванадием [1]. Основная часть современных высокопрочных строительных сталей микролегирована ванадием.

Стали для железнодорожных рельсов. В условиях постоянно растущего грузопотока на железных дорогах страны стойкость рельсов стала одним из решающих факторов, определяющих технический прогресс и интенсификацию работы железнодорожного транспорта.

Стали и чугуны для отливок. Несмотря на то, что доля отливок в общей структуре металлопотребления снижается, на них приходится около 20% объема потребления черных металлов [6]. Создание технически совершенных машин и механизмов не могло базироваться на отливках из обычной углеродистой стали и нелегированного серого чугуна из-за низкого уровня их прочности и износостойкости. Задача существенного повышения качества отливок была решена за счет привлечения ванадия как легирующего элемента или его в комплексе с другими недефицитными элементами. Эти стали обладают повышенной прочностью, пластичностью, высокой ударной вязкостью при положительных и отрицательных температурах. По механическим и технологическим свойствам они удовлетворяют требованиям различных отраслей промышленности и могут использоваться в деталях машин и механизмов, работающих в разнообразных условиях эксплуатации при увеличенном в 1,3—2,0 раза сроке службы, а также служить заменителями дорогостоящих никель- и молибденсодержащих сталей. Основными областями применения ванадийсодержащих литых сталей являются: вагоно-, тракторо- и

автомобилестроение, тяжелое, строительное и дорожное машиностроение, горно-металлургическое оборудование.

1.2 Исторические аспекты вопроса

В России первые эксперименты по комплексной переработке ванадийсодержащих титаномагнетитов начались еще 1920-е годы. Во многом благодаря настойчивым совместным усилиям отечественных ученых и технологов, наша страна стала пионером в промышленном освоении плавки ванадийсодержащих титаномагнетитов в крупных доменных печах с получением кондиционного ванадиевого чугуна и последующим попутным извлечением ванадия в товарные продукты. Уже в 1930-е годы на Чусовском металлургическом заводе (ЧМЗ) была внедрена технология доменной плавки первоуральских и кусинских ванадийсодержащих титаномагнетитов в печах с полезным объемом до 300 м3 [8]. Освоение технологии передела ванадиевого чугуна с получением мартеновских, а с 1944 года бессемеровских, ванадиевых шлаков, и последующей их переработкой с получением феррованадия освободило нашу страну от необходимости импорта этого важного стратегического материала [4, 10].

Начиная с тех далеких лет, в нашей стране практически не прекращались, даже в годы Великой Отечественной войны, теоретические и экспериментальные изыскания, выполняемые специалистами научно-исследовательских институтов по различным направлениям комплексной металлургической переработки ванадийсодержащих титаномагнетитов и по вопросам производства ванадийсодержащих сталей. Во второй половине XX века эти исследования значительно активизировались и расширились [11-24 и др.].

Внедрение важнейших результатов отечественных научных разработок послевоенных лет позволило России сделать в 1960-е годы следующий крупный шаг в увеличении производства ванадия. После завершения строительства Качканарского горно-обогатительного комбината (КГОК), на Нижнетагильском металлургическом комбинате (НТМК) начали осваивать и внедрили в 1963 году очень сложную в технологическом отношении доменную плавку качканарских

титаномагнетитов в доменных печах объемом 1242 - 1513 м . В этом же году на НТМК закончилось строительство, и был пущен в эксплуатацию, специально для переработки ванадиевого чугуна, первый в Советском Союзе кислородно-конвертерный цех с 100 - 130-тонными конвертерами.

В 1964 году, с началом массового производства ванадиевого чугуна, на НТМК внедрили, впервые в мире, технологию передела ванадиевых чугунов до стали кислородно-конвертным дуплекс-процессом. Эта технология, после ее доработки, показала высокую экономическую эффективность и была признана специалистами для передела ванадиевого чугуна классической. В 1990-е годы конвертерный дуплекс-процесс передела ванадиевого чугуна был в значительной мере оптимизирован и усовершенствован [22], что еще более повысило его конкурентоспособность по отношению к потенциально более производительному монопроцессу.

Создание в нашей стране современного ванадиевого комплекса, освоение и внедрение изысканий отечественных ученых по комплексной переработке качканарских титаномагнетитов и по разработке новых марок высококачественных ванадийсодержащих сталей вывело Россию в 1980-е годы на второе место в мире по производству ванадия и на первое место - по удельному расходу ванадия при производстве стали [22]. Нельзя не отметить, что многолетний опыт ЧМЗ и НТМК был, безусловно, детально изучен, учтен и использован промышленностью зарубежных стран, в которых в 1950 - 1970-е годы также начали осваивать технологические процессы переработки ванадийсодержащих титаномагнетитов с получением стали и извлечением ванадия в шлак.

На территории России располагается несколько десятков перспективных месторождений ванадийсодержащих титаномагнетитовых и ильменит-титаномагнетитовых руд. Значительный объем исследований в области их комплексной переработки выполн�