автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование возможностей ресурсосбережения при производстве чугуна на базе определения предельных показателей процессов производства

■Г » •)

Л*'/ У-

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 669.162.267

ТРАВЯНОВ Андрей Яковлевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА НА БАЗЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.16.02 - «Металлургия черных металлов»

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ю.С. ЮСФИН

МОСКВА, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................ 7

ГЛАВА 1 Показатели ресурсосбережения при производстве первичного металла...................................................................................... 9

1.1. Интенсификация производства - генеральное направление развития черной металлургии в Советский период........................ 9

1.1.1. Интенсивность плавки................................................... 9

1.1.2. Обогащение дутья кислородом...................................... 14

1.1.3. Применение топливных добавок.................................... 16

1.1.4. Подготовка шихтовых материалов................................. 21

1.2. Показатели ресурсосбережения и интенсивность доменной плавки................................................................................. 25

1.3. Концепция устойчивого хода доменной печи при максимальной интенсивности плавки........................................................... 29

1.4. Основные методы расчета показателей процессов производства

первичного металла.............................................................. 31

1.4.1. Классические методы определения показателей доменной плавки.................................................................. 31

1.4.2. Метод А.Н. Рамма и его модификации............................ 33

1.4.3. Метод А. Риста............................................................ 38

1.4.4. Модернизация классических методов для применения к новейшим технологиям................................................ 42

1.5. Учет фактора интенсивности доменного процесса в различных методах определения его показателей.................................... 46

1.6. Роль показателей восстановления в методах определения параметров доменного процесса............................................... 51

1.7. Минимальный расход кокса на доменную плавку....................... 52

1.8. Выводы................................................................................ 54

ГЛАВА 2 Максимально возможная степень использования восстановительной способности газов при производстве первичного черного металла...................................................................................... 55

2.1. Предельная степень использования восстановительной способности газов в доменной печи.................................................. 55

15 — г 58

2.2. Определение пределов применения формулы г|г =г|со° -- •••

1 ~ Гс)

2.3. Влияние окисленности шихты.................................................. 61

2.4. Определение максимально возможных значений г|Г при внедо-менном получении железа..................................................... 62

2.5. Выводы................................................................................ 63

ГЛАВА 3 Минимальный теоретически возможный расход кокса в доменном

процессе................................................................................. 64

3.1. Взаимосвязь показателей восстановления доменного процесса... 64

3.2. Расход кокса на доменную плавку при Од = 0............................ 69

3.3. Минимальный расход кокса с точки зрения потребности процессов восстановления.............................................................. 71

3.4. Минимальный расход кокса исходя из условий обеспечения восстановительной и тепловой работы печи................................. 75

3.5. Выводы................................................................................ 81

ГЛАВА 4 Учет фактора интенсивности плавки при определении ее показателей по методу А.Н. Рамма - А.Н. Похвиснева.............................. 83

4.1. Определение относительного изменения производительности доменной печи при расчете показателей по методу А.Н. Рамма

-А.Н. Похвиснева................................................................................................................................83

4.2. Пример расчета относительного изменения производительности............................................................................................................................................................................101

4.3. Выводы................................................................................................................................................................105

ГЛАВА 5 Оценка влияния различных параметров доменного процесса на

расчет относительного изменения производительности печи..................106

5.1. Влияние дополнительно задаваемых величин......................................................106

5.1.1. Порозность шихтовых материалов..................................................................107

5.1.2. Насыпная масса шихтовых материалов......................................................111

5.1.3. Давление дутья и колошникового газа........................................................115

5.1.4. Итоги расчетов, приведенных в разделе 5.1..........................................120

5.2. Влияние параметров комбинированного дутья......................................................122

5.2.1. Содержание кислорода в дутье............................................................................122

5.2.2. Расход природного газа................................................................................................125

5.2.3. Комбинированное дутье................................................................................................128

5.3. Учет фактора интенсивности плавки..................................................................................131

5.4. Выводы................................................................................................................................................................136

ГЛАВА 6 Анализ возможности ресурсосбережения в агрегатах жидкофазно-

го восстановления (ЖФВ)..................................................................................................................137

6.1. Теоретическое сопоставление расходов топлива на получение первичного металла в доменной печи и агрегатах ЖФВ (на примере процесса Ромелт)..................................................................................................................137

6.2. Развитие метода А.Н. Рамма - А.Н. Похвиснева для расчета показателей процессов ЖФВ..........................................................................................................144

6.2.1. Общая формула для определения расхода топлива на

примере ЖФВ............................................................................................................................144

6.2.2. Обсуждение предложенной методики в специальной литературе..................................................................... 147

6.3. Выбор исходных данных для анализа возможности ресурсосбережения в агрегатах ЖФВ...................................................... 150

6.4. Влияние на показатели процессов ЖФВ степени дожигания, содержания железа в железорудной части шихты и вида используемого флюса..................................................................... 151

6.5. Влияние на показатели процессов ЖФВ качества используемого

угля.................................................................................... 156

6.6. Влияние на показатели процессов ЖФВ применения горячего дутья и дутья обогащенного кислородом................................. 162

6.7. Влияние на показатели процессов ЖФВ температуры отходящих

газов................................................................................... 168

6.8. Влияние на результаты расчета показателей процессов ЖФВ учета тепловых потерь процесса............................................. 169

6.9. Устойчивость плавки в агрегатах ЖФВ и перспективы ресурсосбережения........................................................................... 171

6.10. Выводы............................................................................... 173

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................................................. 175

Список использованных источников......................................................... 176

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Блок схема расчета относительного изменения производительности доменной плавки на базе определения ее показателей по методу А.Н. Рамма-А.Н. Похвиснева...... 183

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Влияние на показатели процессов ЖФВ содержания железа в железорудной части шихты.................................... 188

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Влияние на показатели процессов ЖФВ вида используемого флюса................................................................ 197

ВВЕДЕНИЕ

Длительное время основным приоритетом народного хозяйства России являлось достижение максимально возможной производительности агрегатов. Доменное производство, естественно, не было исключением, поэтому доменная плавка велась с высокой интенсивностью и, начиная с 70-х годов, широким применением технологического кислорода. Следствием этого стало применение неоправданно больших количеств природного газа и незначительное использование других топливно-восстановительных добавок к доменному дутью. Итогом реализации высокоинтенсивной технологии плавки оказались существенно больший, по сравнению с передовыми индустриальными странами, удельный расход топлива (кокс плюс природный газ), относительно низкая степень использования печных газов и повышение содержание кремния в чугуне.

Такая технология не приемлема в современных условиях, поскольку с переходом к рыночной экономике производительность уступила приоритет другим критериям: энерго- и ресурсосбережению, повышению качества продукции и улучшению экологической ситуации.

Приоритет ресурсосбережения, определяющего себестоимость чугуна, ужесточает требования к распределению материалов и газов в печи, а конъюнктура рынка требует использования гибких технологий, способных обеспечить минимизацию энерго- и ресурсозатрат на производство чугуна при различной интенсивности плавки.

В связи с вышесказанным особое значение приобретают вопросы минимально возможного расхода кокса на доменную плавку и максимального уровня использования восстановительной способности газов в печи (как ориентирах в дальнейшем совершенствовании технологии процесса); взаимосвязи

производительности доменной печи с параметрами энерго- и ресурсосбережения; предельных параметров альтернативных доменному процессов производства первичного металла.

9

ГЛАВА 1

ПОКАЗАТЕЛИ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПЕРВИЧНОГО

МЕТАЛЛА

1.1. Интенсификация производства - генеральное направление развития черной металлургии в Советский период.

Определяющее влияние интенсивности процесса производства первичного металла на его показатели /1/ было хорошо известно уже металлургам средневековья. К середине 19 века расход дутья на производство чугуна в доменных печах стал одним из основных (наряду с расходом кокса и производительностью) показателей плавки /1/. К этому времени за счет применения более мощной воздуходувной техники на передовых предприятиях Западной Европы и США были достигнуты расходы дутья свыше 1 м3/мин на 1 м3 полезного объема доменной печи /2, 3/.

1.1.1. Интенсивность плавки.

Существенное повышение интенсивности плавки впервые было осуществлено доменщиками США в конце 19 века, доказавшими возможность совмещения форсирования хода печей с экономным расходом горючего, что отрицалось европейскими металлургами /4/. Расход дутья был увеличен до 1,7-1,9 м3/мин на 1 м3 полезного объема, что позволило значительно повысить производительность печей наряду с уменьшением расхода кокса. При этом отмечалось /5/, что успешному форсированию способствовали улучшение качества сырья и топлива, рационализация профиля, увеличение диаметра горна и, наконец, повышение температуры дутья. Добившись определенных успехов, металлурги США, тем не менее, остановились на

сравнительно невысокой, с современной точки зрения, интенсивности плавки, превышать которую не рекомендовалось во избежание увеличения расхода кокса. Причиной этого считали недостаточное время пребывания газов в печи при форсированной работе и, следовательно, нерациональное их использование /6/.

Стремление советских доменщиков добиться повышения производства черного металла без значительных капитальных затрат (т.е. без ввода эксплуатацию новых агрегатов) привело в 1930-40 гг. к попыткам существенного повышения интенсивности плавки. Расход дутья увеличивали до 2,7, а в отдельных экспериментах до 3,6 м3/мин на 1 м3 полезного объема 17, 8/. Все эти опыты закончились неудачей из-за нарушения ровности схода столба шихты, сопровождающегося подвисаниями, повышенным выносом пыли, и в итоге ухудшением показателей плавки. Причем возврат к умеренной интенсивности (с расходом дутья 2,0-2,4 м3/(м3-мин)) зачастую давал лучшие результаты, чем форсирование хода процесса (плавки).

Более поздние исследования, как в СССР, так и за рубежом /9/ установили экстремальную зависимость расхода кокса и производительности при увеличении интенсивности плавки (рис. 1.1), обусловленную действием противоположных факторов, определяющих расход кокса и производительность. При этом было отмечено, что при изменении условий работы доменных печей (качества железорудного сырья и кокса, температуры дутья и т.д.), оптимальная интенсивность плавки может как возрастать, так и понижаться. В случае повышения интенсивности плавки минимальный расход кокса, соответствующий ее оптимальным значениям, снижается (переход отточки «а» к точкам «б» и «в», рис. 1.1), а при понижении интенсивности увеличивается (обратное движение от точки «в» к точкам «б» и «а»).

Интенсивность плавки Рис. 1.1 Влияние интенсивности плавки на удельный расход кокса

При отклонении интенсивности плавки от ее оптимальной величины относительный расход кокса возрастает тем сильнее, чем меньше газопроницаемость шихты, выход газа на единицу материалов и время их пребывания в печи /10/.

В настоящее время совершенствование технологии доменной плавки идет по пути сокращения количества газов на единицу материалов и времени их пребывания в печи при увеличении газопроницаемости шихты. Если первые два фактора усиливают влияние интенсивности на расход кокса, то третий ослабляет.

При разных сочетаниях количества газов на единицу шихты и ее газопроницаемости можно было бы уменьшить влияние интенсивности плавки на расход кокса, но сокращение времени пребывания материалов в печи этому препятствует. В результате по мнению /10/ получается относительно узкий диапазон изменений ин-

тенсивности плавки, соответствующий минимальному расходу кокса, что существенно затрудняет реализацию работы печи в этом экономичном режиме.

С переходом на комбинированное дутье интенсивность по дутью потеряла свое прежнее значение, поскольку вдувание природного газа и технологического кислорода устраняет ранее существовавшую жесткую связь между количеством дутья, интенсивностью горения кокса и количеством горновых газов.

Форсирование доменной плавки приобрело другой характер: не за счет увеличения расхода дутья, а за счет увеличения в нем концентрации кислорода. В 1980-е годы практически все доменные печи СССР работали с интенсивностью (по коксу) выше оптимальной. В табл. 1.1 представлены среднегодовые показатели работы печей разного объема и разных заводов в период с 1980-1985 гг. Из 9 представленных печей только три (N6 "Криворожсталь", N5 НЛМК и N4 ЧерМК) имели интенсивность по обе стороны от оптимальной по расходу кокса (топлива) величины, другие выше оптимума.

Таблица 1.1

Показатели работы доменных печей с разной интенсивностью

Завод, печь Интенсивность по коксу, кг/(м3*сут) Расход кокса, кг/т чугуна Расход кокса и природного газа, (кг+м3)/т чугуна Производительность, т/(м3*сут) Содержание 02 в дутье, %

НЛМКД.п. N3, 2000 м3 914 446 605 2,05 34,5

914 459 613 1,99 37,8

928 457 613 2,03 36,3

936 469 621 2,00 33,5

940 459 610 2,05 34,2

1000 456 610 2,19 35,0

НЛМКД.п. N5, 3200 м3 880 505 623 1,74 27,2

892 432 574 2,07 30,7

917 430 578 2,13 32,5

928 427 576 2,17 31,7

941 448 593 2,10 31,2

960 435 581 2,21 30,7

КМЗ Д.п. N6, 2000 м3 841 570 675 1,47 26,3

865 528 644 1,64 26,2

900 505 629 1,78 27,1

909 523 644 1,74 26,6

927 533 648 1,74 26,8

969 557 663 1,74 26,5

НТМКД.п. N3, 1513 841 478 589 1,76 24,8

877 478 589 1,83 22,9

Завод, печь Интенсивность по коксу, кг/(м3*сут) Расход кокса, кг/т чугуна Расход кокса и природного газа, (кг+м3)/т чугуна Производительность, т/(м3*сут) Содержание 02 в дутье, %

894 490 597 1,83 25,7

920 508 622 1,81 26,3

944 521 614 1,81 25,0

989 509 617 1,75 26,2

ОХМКД.п. N3, 1513 м3 951 485 608 1,96 27,0

966 504 616 1,92 25,9

980 525 634 1,87 25,4

983 513 619 1,92 26,0

988 508 627 1,94 26,7

996 503 634 1,98 28,7

ЧМКД.п. N1, 1719 м3 831 491 623 1,69 27,0

880 515 615 1,71 27,4

895 522 649 1,72 26,6

905 534 650 1,70 26,4

913 537 660 1,70 26,7

943 560 676 1,68 26,3

ЧМКД.п. N2, 930 м3 771 465 626 1,66 27,8

792 562 690 1,41 25,5

793 524 678 1,51 26,7

794 506 655 1,57 25,4

823 514 666 1,60 26,4

834 532 683 1,57 26,8

ЗСМКД.п. N1, 3000 м3 914 437 535 2,09 28,2

926 440 542 2,11 28,6

935 446 540 2,10 27,5

946 453 552 2,09 28,3

947 465 569 2,04 27,3

954 452 542 2,11 27,5

ЧерМКД.п. N4, 2700 м3 946 438 561 2,16 29,4

950 440 554 2,16 29,4

993 427 556 2,33 30,1

993 435 557 2,28 29,8

1031 436 557 2,36 30,2

1061 437 560 2,43 29,5

В последние годы (1993-И998), когда приоритет производительности доменного процесса утратил свое определяющее значение, наиболее целесообразной ведущими специалистами признается следующая технология плавки /10/.

Во-первых, целесообразно снижение интенсивности плавки до оптимальной величины, чтобы соответствующий ей минимальный расход кокса при некотором дальнейшем ее снижении не возрастал (т.е., применительно к рис. 1.1, чтобы экстремум из точки «в» перемещался не к точкам «б» и «а», а «горизонтально» к точке

Во-вторых, желательно «ослабление» зависимости расхода кокса от интенсивности плавки при ее отклонениях от оптимальной величины, или, иначе говоря, переход от кривых 1-3 к более пологой кривой 4 (рис. 1.1). Это позволяет расширить диапазон изменений интенсивности плавки, соответствующий минимальному расходу кокса, и увеличить вероятность попадания в данный экономичный режим работы печи.

Необходимость решения второй задачи вызвана потребностью в условиях меняющейся конъюнктуры рынка в гибкой и экономичной технологии. Кроме того, необходимо отметить, что оптимизация расхода кокса путем изменения интенсивности плавки в таком сложн