автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Математическое моделирование и установление основных параметров технологии бескоксового жидкофазного восстановления сталеплавильных шлаков

Магнитогорская ордена Трудового Красного Знамени государственная горно-металлургическая академия

РГ6 од ""гико'°ю

На правах рукописи

ДЕМИДОВ Николай Геннадьевич

УДК 669.054.82: 669.184.48

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И УСТАНОВЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ БЕСКОКСОВОГО ОДНОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ШЛАКОВ

05.16.02 - Металлургия черных металлов

диссертации на соискание ученой степени, кандидата технических наук

Магнитогорск 1997

Работа выполнена в Магнитогорской государственной орденг Трудового Красного Знамени горно-металлургической академии имен! Г. И. Косова.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор A.M. Бигеев

Официальные оппоненты: доктор технических наук Ю. В. Федулов •

кандидат технических наук, доцент М.А. Шерстобитов

Ведущее предприятие: АО "Белорецкий металлургический комбинат"

Защита состоится 16 октября 1997 г. в 15 часов на заседанш специализированного совета К 063.04.01 по защите диссертации 1 присуждению ученой степени кандидата технических наук в Магнито горской государственной горно-металлургической ' академи! им.Г.И. Косова (455000. г.Магнитогорск, проспект Ленина. 38, ма лый актовый зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГМА.

Автореферат разослан 2 сентября 1997 г.

Ученый секретарь

специализированного ^

совета В-Н- Селивано

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Решение вопросов ресурсосбережения и охраны окружающей среды для черной металлургии является первоочередной задачей. Существующая-производственно-технологическая схема черной металлургии не приспособлена для комплексной переработки - ~ сырья И утилизации всех отходов производства. Коренные изменения в решении этих задач возможны только с переводом отрасли на принципиально новые технологии. Среди них важное место занимает технология безотходной переработки сталеплавильных шлаков.

Переработка сталеплавильных шлаков из-за их специфические свойств (заметалленности и абраэивности) ярляется более трудной, чем доменных. Кроме того, ненадежность шлакоперерабатывающего оборудования и экономическая невыгодность более полного извлечо-Ш1я аелеза приводят к разработке новых более надежных и эффективных технологий переработки сталеплавильных шлаков. При существующей технологии неметаллургической переработки сталеплавильных шлаков основная часть железа и других полезных компонентов сталеплавильного шлака не утилизируется. Значительная часть переработанного шлака вывозится в отвал. Отвалы занимают огромные площади, которые увеличиваются с каждым годом, поэтому существует реальная необходимость в разработке новой технологии, позволяющей не только утилизировать все- количество образующегося сталеплавильного шлака, но и разрабатывать существующие отвалы. Для повышения эффективности потребления шлаков необходимо изменить сложившуюся структуру переработки, и обеспечить их полную-утилизацию. ~~

'Восстановление жидких шлаков более совершенный и с экономической, и с экологической точки зрения процесс. Применение технологии жидкофазного восстановления сталеплавильных шлаков будет способствовать повышению эффективности использования железорудного сырья, снижению экологической опасности черной металлургии, снижению себестоимости и энергоемкости черных металлов, а также

значительному уменьшению безвозвратных потерь железа со шлаками.. - ■------

:—ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Цель настоящей работы состоит в разработке и установлении основных параметров технологии жидкофазного ступенчатого восстановления сталеплавильных шлаков с использованием в качестве топлива и восстановителя энергетических углей, которая -является принципиально новой и наиболее оптимальной, обеспечиваю-

щеп безотходность производства.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в том. что:

- разработана универсальная математическая модель процесса и составлен алгоритм расчета жидкофазного двухступенчатого восстановления;

- математическим моделированием определены основные параметры процесса жидкофазного двухступенчатого восстановления сталеплавильных шлаков и установлены их оптимальные значения;

- проведен сравнительный анализ энергоемкости чугуна, получаемого из сталеплавильного шлака, и чугуна, получаемого, из лиса-ковского железорудного сырья;

- экспериментально проверены некоторые элементы математической модели;

- научно обоснована реализуемость главного звена новой производственно-технологической схемы безотходной металлургической переработки сталеплавильных шлаков.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Результаты исследований предлагаемой технологии жидкофазного двухступенчатого восстановления сталеплавильных шлаков использованы при разработке технологического задания. По составленному технологическому заданию возможно проектирование и строительство опытно-промышленного агрегата восстановления сталеплавильных шлаков в условиях мартеновского цеха ОАО "ММК". Материалы технологического задания могут быть использованы для составления бизнесплана, необходимого при решении вопроса о Финансировании работ по опытно-ггромышленному освоении? предлагаемой новой технологии.

Внесен вклад в решение проблемы безотходности металлургического производства, обеспечивая тем самым снижение экологической опасности производства черных металлов и ресурсоемкое™ металлопродукции. Промышленное использование предлагаемой технологии позволит вовлечь в переработку миллионы тонн сталеплавильных шлаков и энергетические угли, что существенно расширит сырьевую базу черной металлургии. Разработанная технология может быть основой комплексного и безотходного использования любого вида железосодержащего сырья, включая и руды. • .

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на-следующих-конференциях и семинарах: -■<•■.-:•.■

Межгосударственная научно-техническая конференция "Развитие

сырьевой базы, промышленных предприятии Урала". Магнитогорск. ' 1995.

Межгосударственная научно-техническая конференция "Проблемы развития металлургии'Урала на рубеже XXI иска". Магнитогорск, 1996.

IV Международный- конгресс сталеплавильщиков. Москва, 1996.

Международная научно-техническая ..конференция "Зкологи^ски? проблемы промышленных '¿он Урала". Магнитогорск. ¡397.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной рлботы опубликовано шесть печатных работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 110 наименований и двух приложений, изложенных на 167 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц и 24 рисунка.

..... ■ ......ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ШЛАКОВ

При современной технологии выплавки стали неизбежно образование больших количеств шлака (150. .200 кг на тонну стали), содержащего до 20. .30 % железа в оксидной и металлической фсрнс.

Вогюос выбора рациональной, технологии.переработки сталеплавильных шлаков и производства наиболее эффективных-видов шлакол-родукции остается актуальным для всех стран. Основными зидамк продукции по-прежнему являются материалы для дорожного.строительства и планировки территорий.

Применение сталеплавильного шлака в аглодоменной шихте приводит к созданию замкнутого контура циркуляции фосфора, его содержание в чугуне постоянно растет вплоть до превышения предельных значений для обычной практики (0,2.. 0,3 %}.

..... При существующей технологии неметаллургической переработки

сталеплавильных шлаков основная часть железа и других полезных компонентов сталеплавильного-шлака не утилизируется. Значительная часть переработанного шлака вывозится в отвал.

Восстановление падких шлаков сталеплавильного производства позволяет в отличии от сепарации затвердевших шлаков использовать

- в -

физическое тепло шлаков, находящихся при температуре выпуска металла из агрегата. Восстановление жидких шлаков более совершенный и с экономической, и с экологической точки зрения процесс: не требуется дробления, отсортировки, магнитной сепарации шлака; восстановленный шлак в жидком состоянии легко гранулируется, не требуется дополнительного измельчения: агрегат восстановления проще оснастить эффективной газоочисткой, чем участок переработки твердых шлаков: при жидкофазном восстановлении высвобождается технологическое оборудование для транспортировки шлаков от агрегата до места переработки, так как агрегат восстановления можно расположить в непосредственной близости от сталеплавильного агрегата; возвращается в металлургический передел железо, теряемое со шлаком.

Таким образом для утилизации сталеплавильных шлаков необходима разработка и промышленное освоение самостоятельного производственного потока (комплекса), Этот комплекс должен включать принципиально новые технологические процессы и агрегаты, обеспечивающие безотходную переработку сталеплавильных шлаков.

Технология бескоксового жпдкофазного восстановления сталеплавильных шлаков (ЕЖВШ) является одням из основных звеньев новой производственно-технологической схемы, разработанной в Магнитогорской государственной горно-металлургической академии. Основные структурные элементы и их взаимосвязь новой ресурсосберегающей производственно-технологической схемы комплексной переработки сталеплавильных шлаков, основанной на их бескоксовом восстановлении, приведены на рис.1. В данной работе рассматривается реализуемость главного звена этой схемы.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ОБШЕЕ СПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ ' ТЕХНОЛОГИИ И КОНСТРУКЦИИ АГРЕГАТА БЕСКОКСОВОГО ЖИДК0ФАЗН0Г0 ВОССТАНОВЛЕНИЯ-СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ШЛАКОВ

Решение проблемы более полной утилизации отходов долгое время сдерживалось отсутствием надежных и эффективных технологий переработки значительных объемов зторичногс окисленного сырья с неблагоприятным для агломерации вещественным составом. Появление процесса жидкофаэногс восстановления впервые создает реальные предпосылки для реализации этой задачи практически на любом

кю

'Восстановитель, ти&о (уголь)

Окислитель (кислородное дутье) I флюсы

шлак _ исходныи {¡кидтй т&сраыи) } Шлак ГТ~1 Чугун (Р/П] 3 1 Сталь (жидк)

> (жиВк.) ______

Шлак

Шлак

Цемент ! ¡(линкер Фосфат-шлак

ь I 5

Литые •

—>- Заго/по1кц

I 5 ;

Рис.1. Принципиальная производственно-технологическая схема комплексной переработки сталеплавильных шла ко 5 :

{-копильник жидкого' шлака, куда он может поступать 3 жидком и т'ердом состоянии ; 5 -агрегат дескокеоВого жидко грозного Восстановления железа, 6 котором получаем Высокоеросдзористь/и чугун, и Восстаноблекный шлак; 3~многокамерный сталеплавильный агрегат непрерывного дейетЗиз (САНА); 4-машина непрерывного литья заготоЗок (МНЛЗ); 5-агрегат до- \ Водки восстановленного шлака до цементного клинкера (ААВШ); 6' - установка доболки клинкера до цемента (УДК)

- в -

предприятии.

Характерной особенность» жидкофазного восстановления является осуществление его при относительно высоких температурах и с высокой скоростью. Основным недостатком одностадийного восстановления является относительно высокое содержание оксидов железа в шлаке из-за постоянного контакта его с еще не восстановленным расплавом. Следует отметить, что характерным для восстановления железорудного сырья с низким содержанием железа является большое количество шлака по отношению к металлу (>1). Поэтому степень извлечения железа из шлака, являющаяся одним из основных показателей процесса, недостаточна, что приводит к существенным потерям железа и других ценных компонентов железосодержащего сырья. Осуществление процесса восстановления в агрегатах с несколькими рабочими объемами позволяет значительно повысить использование химической энергии топлива без снижения степени извлечения железа.

' Для металлургической переработки шлаков сталеплавильного производства разработана непрерывная двухступенчатая технология бескоксового жидкофазного восстановления шлаков (БЖВШ) с использованием в качестве основного топлива и босстановнте.пя энергети-4 ческих. углей, {¡а рис.2 предлагаются принципиальные основа конструкции агрегата БЖВШ. Конструкция агрегата выбрана с учетом его размещения в мартеновском цехе ОАО 'Х!К" на месте выведенного из эксплуатации двухванного агрегата или мартеновской печи.

В накоиитель сталеплавильного шлака 1 загружается сталеплавильный шлак (жидкий- через заливочный желоб и. твердый - через загрузочное устройство 12 с помощь» конвейерной ленты 13). Нагретый до температуры 1550.. 1600 °С жидкий сталеплавильный шлак из накопителя с помощью эжекторного устройства 4 подается в первую камеру восстановления 2. где через сводовые погружные Фурмы 7 и 9 в него вдувают уголь и кислород. На первой ступени осуществляется основное восстановление оксидов железа из разплага до содержания мопооксида железа 5. . 8 35 и науглероживание полученного металла до содержания углерода .1,0.. 1,5 % при температуре 1650 °С и выше. Расход кислорода устанавливается таким образом, чтобы состав газовой Фазы, образузщёйся в расплаве при горения угля и прямом восстановлении, был нейтральным - по отношению'к. продуктам плавки (степень дожигания а » С.57).

Из камеры 2 металл перетекает в камеру 3 (За) как через ниж-

Г

I

(О I

Рис -2. Принципиальная схема агрегата непрерывной металлургической переработки отте-плабильных> шла ко &; /-накопитель жидкого сталепла ¡ильного шлака ; 2 -первая камера ¿оеста-но&ления; $ - Вторая камера ¿осстанобления (За -реактор, ¿¿'-отстойник), Ъ\-эхекторное уг-Фроист Ьо для принудительной перначи шлака из накопителя; э-с/пЗерстие для выпуска чугуна', 6 • отберстие для бы пуска. шлака ; /, д -¡рурмь/ для подачи угля ; 9 - фурмы д.<я подачи Ог ; Ю-погружная газокислородная горелка; Г1~хело$ для. 1али5ка.жидко:э с,пале мобильного! шлака; (2-устройст8о для загрузи тБардого'стс.-.е/1.\а8ильно9о ииака; в-хонбей-ерная лента для транспортировки твердого сталепла5ильного шлака ; /'/ -о/п5од технологического газа; 15-фурма для. подачи ¿о.¡иушного дутья.

ний канал, так и совместно со злаком через перегородку меаду двумя реакционным;! камерами. В камере 3 (За) завершается восстановление до остаточного содержания FeO в шлаке менее 1 % и науглероживание? металла до содержания углерода 4 % (до насыщения). Для этого через ссодовую погружную оурму 8 производится вдувание угля. В качестве газа носителя угля используется нейтральный газ. азот. Во второй части камепы з (36) происходит отстаивание шла-ко-металлической эмульсии и раздельный выпуск продуктов восстановительной плавки через Еыпускнне отверстия (5 - для чугуна и Б -для шлака).

В накопитель сталеплавильного шлака через сводовую погружу» фурму 15 подается воздушное дутье для сжигания горючих компонентов технологического газа, поступающего с последующих стадий процессов. За счет выделяющегося при .этом тепла осуществляется плавление и нагрев сталеплавильного шлака. Расход воздушного дутья устанавливается таким, чтобы обеспечить полное дожигание газа в накопителе шлака. Дефицит тепла, возможный при переработке твердого шлака, компенсируется подачей коксового или природного газа с кислородным или воздушным дутьем в шлак с помощью погружных сводовых газокислородных горелок 10. Дымовые газы после дожигания отводятся через газоход 14. проходят котел утилизатор и систему газоочистки, после чего выводятся в атмосферу.

Полученный шлак поступает т установку припечной грануляции. Грануляция осуществляется потоком энергоносителя (воздуха) с добавлением мелкодисперсных твердых веществ (мелочи извести или известняка) .

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И УСТАНОВЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ БЕСКОКСОВОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ШЛАКОВ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Для определения основных параметров процесса жидкофазного двухступенчатого восстановления сталеплавильных шлаков и установления кх взаимосвязи разработана математическая модель по двухс-тадийной схеме описания восстановительных процессов, а также составлена программа на алгоритмическом языке "Basic".

Разработанная математическая модель отражает физико-химическую сущность процесса восстановления и основан? на уравнениях ма-

- и-

термального и теплового балансов. Она представляет собой статическую модель, т.е. позволяет учитывать начальное и конечное состояния процесса. Ее основное предназначение - это определение основных параметров процесса.

Прямое программирование математической модели, состоящей из предварительных расчетов и последовательного расчета технологического и теплового режимов процесса, в камерах агрегата нецелесообразно. Поэтому был разработан алгоритм расчета, удобный для программирования.

8 первой части производится расчет процесса восстановления в целом без подразделения протекающих при этом Физико-химич1 -жц процессов на ступени восстановления. По окончании этого расчета известны все основные параметры процесса восстановления.

Во второй части расчета путем первоначального выделения физико-химических процессов, протекающих во второй камере агрегата, " определяется расхода угля, составы и количества металла, шлака и газа по камерам. Затем производятся расчеты Физико-химических процессов, происходящих в накопителе сталеплавильного шлака.

Расчеты выполняются на 100 кг сталеплавильного шлака, учитывая. что восстановление жидких шлаков сталеплавильного производства позволяет использовать физическое тепло шлаков, находящихся при температурере выпуска металла из сталеплавильного агрегата, Расчеты состоят из следующих основных этапов.

... определение уточненых количеств и составов металла й шлака. В основу определения этих параметров положено уравнение материального баланса:

- - - ил -- - г * ■ ' ' " , . ~

" Х{ Е, * 0,01вУГЕ1 ) - Ей + 8щ.

где ?*. еГ- содержание 1-го компонента в сталеплавильном шлаке и угле соответственно, %\ В, г - расход угля, кг;

В*. 8* - приближенные количества металла и шлака, кг. Содержание в металле примесей, распределяющихся между металлом и шлаком....... . . • - ;------; - :' '

[е1, - < юоег + «„еГ)" / ( в; + ь|вм >.. где [Е] 1 - содержание 1-го компонента в металле (1 - 31, Р;, Цп, 3). х :

Li - коэффициент распределений 1 - го компонента между шлаком и металлом. Содержание углерода в металле по Г. Брикману и Г. Тобиасу • (С) - 4.23 - 0.312IS1] - О.ЗЗГР] + О.бЗСМпЗ. Уточненная масса металла

• хор

- gM - ГО,01ГЕ1 igM + 0,7gFe203 ♦ 0,778(gfe0 - g<re0>) + grei

где Вгегоз- greo-количества Fez03 и FeO в исходном расплаве, кг; g< гво) - количество FeO в конечном шлаке, кг;

gieP - количество железа ввиде корольков, кг. Определение масс компонентов восстановленного шлака: 1) полностью переходящих в шлак

11 - ' " . Бы т Spacn.

где ei - количество 1-го компонента в восстановленном шлаке (1 - CaO; MgO, А1г0'3). кг;

1

gpacn - количество компонента в расплаве, кг: 2> распределяющихся между металлом и шлаком

el - gp.cn - O.OlZjiEhg,,:

g( FeO > - O.OKFeO)g;. • • где Zj - коэффициент, показывающий количество оксида, образующегося из 1 кг 1-го элемента (1 -SiO*. Pe0s. MnO. S): (FeO) - содержание FeO в восстановленном шлаке, X. По экспериментальным данным и данным доменного производства (FeO) <1 %. Принимаем для расчета (FeO) - 0.5 51.

Уточненная масса восстановленного шлака

g* " Zgl ■ Состав восстановленного шлака

(Ea0Bh - lOOgi / gu. где (E.OJ t - содержание 1 - го компонента в шлаке. %. 2.' Приближенное определение расхода угля,

вое 1С) г«с gyp - gyr + gyГ + gyr.

б"С- (g;(0,857lSU + 0|968[Р| + 0.218(MflJ) + + (0.167grto + 0.225gneo3) / 8УГ: .

gyr1- iCJg; / C,r;

гор

gyr - Uj / Qyr - (Qi + Qs + Û7 ± A) / Qyr. В этих формулах:

■oc ICI гор

gyr . gyr . gyr - ориентировочный расход угля на восстановление. .науглероживание-- и горение соответственно, кг; . 0,857: ' 0.968: О. .218удельный расход углерода на восстановление SI. Р, Mri соответственно, кг/кг элемента:

0.167; 0,225 - удельный расход.углерода на восстановление

FeO и РегОз соответственно, кг/кг оксида: вгегоз. greo - содержание Fe203 и FeO в исходном расплаве, %:

{Sll, IPl, . tMnl. [Cl - ориентировочное содержание SI. .Р, *"."" " .........Мп. С в металле. X;

Qî. Q's- Û7 ~ соответственно. Физическое тепло металла, восстановленного шлака и тепло диссоциации оксидов, определенные ориентировочно, КДж; А - постоянная, учитывающая остальные статьи теплового баланса (по расчетам в среднем А » - 130000 КДж): Qyr - теплота сгорания^угля, КЛж/кг. 3. Определение температуры металла. Из уравнения теплового баланса:

Q, + 0!г + + Ос - Q* + Qs + <ii + Qe +' Qo + Опт.

где Q| - тепло горения угля, КДж; Qg - тепло шлакообразования, КДж; • Ожи-физическое тепло жидкого сталеплавильного шлака, КД*; Qc - тепло дожигания технологического газа и сянгания

коксового газа, КДж; Q4 - физическое тепло металла, КДж; Qs - Физическое тепло восстановленного шлака. -.КДж; <Ь - тепле диссоциации оксидов. КДж; Qe - тепло. испарения., влаги.и разложения - карбонатов, -кйг.

Q» - Физическое тепло технологического газа после дожигания, КДж; Опт - потери тепла, КДв.

Замена: CU = (61,9+0.88tM)gK; Q5 - (2,06tM,-12l5)g-41: (¡„„-t;,,. Температура металла

t Qi+Qg+Qa-*Q»y^Qc-QT-QB-Qo-CtnT-61.9g„+;l215gUJ, .

0,88g« + 2.06guí 4. Определение состава газов и расхода дутья. Содержание СО, С02. Нг. НгО определяется решением системы уравнений:

Vcoz + Veo e 1.867gyrCyr /100 - 1.867 glc) + 0.509gCO2: VHao + VH2 - ll,2gyrHyr / 100 + 244gnzo< -. 2Vcoe+Vco+VH?o - 2ot( 1. 867gyrCyr/100-1.867g, c) + 0.056gyrHyr+ + O,509gco2 + 0,622gHZo к = vC0gVH2 / vcov,i?o:

lgK = 2485,5 / (tr + 273)+ 1.5651g(tr+273)-66(tP+273)-

- 20700/<tr + 273)2 - 6,94.

Содержание остальных компонентов газа определяется по формулам:

Vsoz - 0.7Srgs / (1 - Sr);

- 0.8gyrgH + 0,008gyrfíyr+(100 - R)Уд/R. В этих формулах:

gyr - расход угля, кг:

а - коэффициент расхода кислорода, кг/кг угля; Суг.НуГ.Oyr.Nyr - содержание соответственно углерода, водорода, кислорода и азота в угле, X;. Усое.Усо.Унго.Уяг. Vsoz.Vk? - количества соответствующих

компонентов в газе, и®; gii - удельный расход газа-носителя азота, кг/кг угля; R - содержание кислорода в дутье, %. tr - температура газа, °С; К - константа равновесия реакции водяного пара; 1.867; 11.2 - объем газа, образующегося при сжигании 1кг углерода и водорода соответственно. иа/кг элемента; • •

0.509; 1.244; 0,7; 0.8 - удельный объем газа С0г,Нг0, ог.Н2

соответственно, м3/кг газа.

Расход кислородного дутья

Ve - 100[0.5(2Veoe+Vco+VHío)+Vsoí-0.008[Sl)gM-0,00903tP}g--

- O,OO204[Kn]g^-0.21greíO3-0.iS6(gF«o-0,01(Fe0)gl|1,) -

- 0.509gpog-p,622g„go-0.007g,r0yr3 / R.

Расход воздушного дутья

Увл = 100ÍO,5(Vco+-VÍ¿o-Vco-VH2c)+Vco2-VcOJ-VKr(0.5v!í04-Vco2 +

- vSí-vS2s)/100] / к.

О О О _____О-- -......." ' " - —

где Vco¿: vco: "ц20; vH2 - количества соответствующих компонен-

.-_..,...,. ..... .. тоа в технологическом газе" после

дожигания, м3: К к к к к к

VC2ii5: Vciu: Vco: Vcoz: VH2; V,i2s - содержание соответствующих компонентов в коксовом газе, об.%.

Расходы всех энергоносителей, выходы продуктов восстановления и и>. составы постоянно уточняются входе процесса итерационного приближения (пересчета). Результаты уточненого расчета на 1 т ..получаемого .чугуна выдаются-на- печать.-• - • : ....... ..............

Математически промоделированы возможные варианта и установлены основные параметры процесса, обеспечивающие минимальный расход угля при 7ребуеком тепловом режиме (табл.1).

Па первой ступени восстановления образуется полупродукт, содержащий {%): i.o - с: 0.21 - si: о.бб - мп: о,?з - Р: о.оое - s и шлак. содержащий '(%): 60.21 - СаО; 20.76 - S10z: 2.78 - А1г03; 7.61 - MgO: 2.55 - МпО; 5.0 - FeO; 0.83 - 0,16 - 3.

Аналогично установлено, что для .разработанной технологии расход .угля пс ступеням-еосстановленип определяется коэффициентом расхода.кислорода на сжигание угля- « на первой ступени. Оптимальное распределение угля по ступеням соответствует а = 0.57.

С по лью обеспечения , минимально, возможного-содержания (FeO) на второй ступени восстановления производится вдувание угля в расплав без подачи кислородного дутья. При этом образуется газ. содержавши 56.39 % СО, 19.56 % Н2. 3.85 % Ня0. 3,36 % С0Я, 16,81% '¡г и чугун с содержанием [С1 ■» 4 %. Термодинамически шлак, контактирую^:;'; с такой.. газовой фазой и таким-углеродистым металлом (чугунок), должен (|«еть низкое содержание оксидов железа (менее 1 %). Полученные при математическом моделировании значения основных параметров процесса - жидкофазнбго" двухступенчатого восстановления сталеплавильных шлаков, при которых обеспечивается наиболее оптимальный технологический режим, позволили определить энергоемкость получаемого чугуна при этих условиях.

Энергоемкость чугуна определялась для двух вариантов расчета

Таблица 1

Основные исходные данные и показатели процесса БЖВШ, полученные путем математического моделирования

Параметры процесса БЖВШ

Количество

1.

2.

3.

4.

5.

Химический состав исходного сталеплавильного шлака, %: , СаО S10, А1г03 MgO ¡.¡ПО FeO .Fez0?

Рго5р S

Химический состав энергетического угля. %: С

Ь

02

S

Химический состав полученного чугуна, %: С

Мп S1 Р

S

Химический состав восстановленного шлака, %: СаО S10e МпО FeO ■ MgO AI2O3

рЛ

Химический состав отходящего газа, об. %: СО» Нгб Nz

§0 г

Температура, С:

- исходного шлака

- полученного шлака

- чугуна

- газа на выходе

Максимально допустимый расход твердого сталеплавильного шлака при работе без потребления дополнительного топлива, %

технологического реанма . бескоксового жидкофазного восстановления шлаков сталеплавильного производства (табл.2): вариант 1 - при использовании 55 % твердого сталеплавильного шлака (без использования дополнительного топлива на нагрев и плавление шлака), вариант 2 - при использовании 100 % твердого сталеплавильного шлака. Установлено,, что. энергоемкость процесса в зависимости от агрегатного состояния исходного шлака в 1.3.Л,9 раза меньше, «ем при • полупенки такого" зге "чугуна" в доменных я«чах из руд лкс«козекого месторождения.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ЖИДКОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЛАКОВ . ,

Модель и программа проверялись на адекватность методами Физического моделирования - лабораторными экспериментами. ..... Экспериментальном -путем-проверены некоторые "элементы' математической модели (зависимости содержания монооксида железа в шлаке и углерода в металле от времени восстановления; температуры плавления полученных при восстановлении шлаков; коэффициенты распределения Б1. Кл, Р. Э). Кроме того, процесс восстановления проверялся на устойчивость протекания по ступеням восстановления.

Проведенные "исследования процесса ВШИ заключались в моделировании процесса в печах сопротивления Таммана и Штейнберга-Гра-молина. В качестве железосодержащей част,! шихты использовались шлаки кислородно-конвертерного производства ОАО "ММК", в качестве восстановителя - граФкт (20 % от массы шлака).

Обработка полученных данных методами парного корреляционного и регрессионного анализов-показала," что между временем' выдержки расплава в печи и содержанием монооксида железа в шлаке (ГеО) и углерода в металле [С] достаточно тесная статистическая связь, описываемая уравнениями:

(РеО) = -10.5688+ 0.1168т + 45. 5173/Т0 ■5 - 18.2291/т,

корреляционное отношение, равно 0,96407 г ~ Грао* ?тавл '

[С] - 1,3034 + 0.2315т - 0.007тг + 8,2-Ю"5 т3 - 1.3546/т.

корреляционное^ отношение .равно. 0,98511,... ГтвбЛ. ■

-Приведенные зависимости являются достоверными с доверительной вероятностью 0,95.

Установлено, что за-период времени 30 к:гн расплав успевает

Таблица 2

энергоемкость 1т чугуна, получаемого из сталеплавильных шлаков и руды Лисаковского месторождения. кг УТ/т

Из сталеплавильного шлака

Из Лисаковской

Вид энергии. Вариант 1 Вариант 2 руды

материала натуральное энерго- натуральное энерго- натуральное энерго-

выражение емкость выражение емкость выражение емкость

кг УТ/т кг УТ/т кг УТ/т

Уголь, кг 546.54 574.960 546.54 574,960 _

Кокс, кг - - - 548.00 701,988

Мазут, кг - - - - 50.30 69,515

Железорудное сырье, т 3.64 25.00 3,64 25,00 1.97 390,493

Компрессорный воздух, м3 ' Кислород, м3 Азот, м3 1400.24 54,609 4198.64 163,747 34,00 1,326

126.04 31.006 126.04 31,006 51,60 12,694

174,88 14,865 174,88 14,865 - -

Коксовый газ, ».г. - - 628.92 384,270 7,00 4,277

Дутье. мэ Прочие*' - - - - 1290.00 27,090

40. ООО 40. ООО 9,543

(-) Технологический газ. м3 2043.78"»

134.880 5269.86 347.810 496,00 65.968

Итого с учетом реали-

зации технологического

газа 605.560 886.038 1150,958

со

I

° Энергоемкость электроэнергии, теплоэнергии и промышленной воды, расходуемых на получение

1 т чугуна (для бескоксового восстановления т проектные показатели). *•> учтено только физическое тепло технологического газа (для бескоксового восстановления).

восстановиться до получения остаточного содержания РеО в шлаке менее 1 %, а металл науглероживается до содержания углерода до . 4 35; что соответствует практически полному завершению восстанов ления железа. Это подтверждает высокую скорость протекания восстановительных процессов в жидкой-Фазе и,- следовательно; высокую удельную производительность агрегата восстановления.

Определение температур' начала'.-и конца плавления восстановленных шлаков производилось визуальным методом на микропечи с нагревательным элементом из платины. Температура плавления восстановленных шлаков не превышала 1350..1450 °С.

Значения коэффициентов распрелеления основных компонентов чугуна (1Е - (Е)/(Е)) находятся в пределах: - 11..32; 3 0.6. ."1,6; ЬР - 0,05. .0.2; Ь3 - 40. .80.

Относительные колебания в содержании углерода в металле для

моделируемых камер-агрегата но-превышали '10'"""Колебания в" бедер-......

жании ГеО в шлаке были более значительными,' однако в целом процесс характеризуется устойчивостью протекания.

Результаты лабораторных экспериментов подтвердили реальность достижения остаточного содержания ГеО в шлаке менее 1.0 7, и угла-рода в полученном металле до 4.0 %.

Таким образом, показана реализуемость основного эвена предлагаемого комплекса, ао безотходной переработке сталеплавильных шлаков, которым является жндкоОазное восстановление шлаков. Сде-доавтельно; и всего комплекса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

- - -.-.--............- --........-

1. Металлургическая переработка сталеплавильных шлаков с использованием процесса бескоксового жидкофазного восстановления их наиболее перспективна, поскольку это позволяет создать металлургический комплекс, обеспечивающий безотходную переработку сталеплавильных шлаков -с получением трех конечных продуктов: стали, цемента и фосфатылака.

2. Показано. что_процесс.жидкофазного восстановления эФФек- ------

тавно проводить в агрегатах с несколькими рабочими объемами с использованием в качестве восстановителя твердого углерода.

3. разработана технология двухступенчатого восстановления с использованием в качестве основного топлива и восстановителя

энергетических углей для получения чугуна из сталеплавильных шлаков ОАО "ММК". Эта технология позволяет наиболее полно использовать химическую энергию угля, создавая при этом необходимые условия для достаточно глубокого извлечения железа.

4. Разработана уннверсальная математическая модель предлагаемого технологического процесса и на ее основе определены оптимальные значения основных параметров процесса жидкофазного двухступенчатого восстановления шлаков сталеплавильного производства. Некоторые параметры. характеризующие шлаковый режим процесса восстановления, прошли экспериментальную проверку в лабораторных условиях. -

5. Бе'скоксовое жидкофазное восстановление сталеплавильных шлаков позволяет получать из одной тонны сталеплавильного шлака 700..800 кг восстановленного шлака, 200..300 кг высскофосфористо-го чугуна. Большой выход шлака и высокое содержание фосфора в чугуне не следует рассматривать как недостатки процесса, поскольку востановленный шлак по химическому составу близок к цементному цлинкеру. а из этого количества высокофосфористого чугуна можно получить 40.: 70 кг высококачественного фосфатшлака.

6. Результаты исследований предлагаемой технологии жидкофазного двухступенчатого восстановления сталеплавильных шлаков использованы при разработке технологического задания. По составленному технологическому заданию возможно проектирование и строительство опытно-промышленного агрегата восстановления сталеплавильных шлаков. Первый опытно-промышленный агрегат бескоксового жидкофазного восстановления сталеплавильных шлаков может быть" размещен на месте выведенного из эксплуатации двухванного агрегата или мартеновской печи в мартеновском цехе N 1 ОАО "ММК".

7. Промышленное использование предлагаемой технологии жидкофазного восстановления будет способствовать повышению эффективности использования железорудного сырья, снижению себестоимости и энергоемкости черных металлов, значительному уменьшению безвозвратных потерь келеза со шлаками, снижению экологической опасности черной металлургии, что позволит уменьшить загрязнение районов металлургических предприятий отвалами и высвободить значительные земельные площади, занятые отвалами. Также она предполагает отказ от кокса, производство которого является самым экологически грязным и относительно более дорогим. Это позволит вовлечь в перера-

ботку миллионы тонн сталеплавильных шлаков и энергетические угли, что существенно расширит сырьевую базу черной металлургии.

8. В перспективе предлагаемая технология может быть использована для переработки бедных и труднообогатимых руд (бурых железняков типа Лисаковских).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бескоксовое жидкофазное восстановление сталеплавильных шлаков как наиболее эффективный способ их утилизации / A.M.Бигеев. В. А. Бигеев. Н.Г. Демидов. Д. А. Копасов // Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века: Тез. докл. - Магнитогорск: МГМА. 1996. - С. 88.

2. Безотходная комплексная технология переработки отходов черной металлургии""/ А! М. Бигеев."" В. А. Бигеев. Н. Г\ Демидов. Д. Л. Копасов // Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала: Тез. докл. - Магнитогорск: МГМА. 1995. - С.67.

3. Бескоксовое жидкофазное восстановление сталеплавильных шлаков как наиболее эффективный способ их утилизации / А.И. Бигеев. В.А.Бигеев. Н.Г.Демидов, Д.А.Копасов // Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века: Сб. докл. Магнитогорск: МГМА, 1996. - С. 84.

4. Материальный и тепловой'балансы процесса бескоксового жидког фазного восстановления сталеплавильных шлаков / A.M. Бигеев, В.А. Бигеев. В.Н. Горбатов. Н.Г. Демидов. - М.. 1995. Деп. в ВИНИТИ. 1995. К 7(307). М 1338-В95. .

5. Бигеев'В.А.. Демидов Н.Г. Металлургическая утилизация сталеплавильных шлаков. - В сб. докл. IV конгресса сталеплавильщиков. -Н.: АО "Черметинформация", 1996.

6. Роль принципиально новых технологий в снижении экологической опасности черной металлургии / A.M.Бигеев. В.А.Бигеев. Н.Г.Демидов // Экологические проблемы промышленных зон Урала: Тез. докл.' - Магнитогорск: МГМА, 1997. - С. 56.