автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и внедрение энергоэффективных тепловых схем конвейерных машин для обжига железорудных окатышей

На правах рукописи

Брагин Владимир Владимирович

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ КОНВЕЙЕРНЫХ МАШИН ДЛЯ ОБЖИГА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 5 СЕН ш

Екатеринбург - 2013

005532651

005532651

Работа выполнена на кафедре «Теплофизика и информатика в металлургии» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина» и в ООО «Научно-производственное внедренческое предприятие ТОРЭКС»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Швыдкий Владимир Серафимович

Официальные оппоненты: Кашин Виктор Васильевич

доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждения науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук, ведущий научный сотрудник лаборатории пирометаллургических процессов

Жуков Юрий Сергеевич кандидат технических наук, Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники - ОАО "ВНИИМТ", старший научный сотрудник, заведующий лабораторией обжига рудных и нерудных материалов.

Ведущая организация: «Научно-инженерный центр подготовки сырья

и рудотермических процессов» ОАО «Уральский институт металлов»

Защита диссертации состоится «27» сентября 2013 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.05 на базе Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина» по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, Главный учебный корпус, ауд. I (зал Ученого совета). Тел. (343) 37595-49

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Автореферат разослан «Л0 » а&чс-Тд 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, и

профессор

Карелов

Станислав Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Устойчивая тенденция увеличения спроса на высококачественное железорудное сырье определяет необходимость как повышения его служебных свойств, так и снижение затрат на его производство. Опыт эксплуатации существующих морально устаревших обжиговых машин убедительно показывает, что решение одной из этих проблем возможно, как правило, за счет другой. Одновременное их решение возможно лишь путем модернизации тепловой схемы обжиговой машины с повышением степени циркуляции газопотоков, утилизации тепла сбросных газов и обеспечением заданных теплотехнических параметров.

В связи с этим, разработка научных основ и технических решений по созданию тепловых схем обжиговых машин нового поколения, надежная их апробация в ходе модернизации действующих агрегатов, является весьма актуальной.

Цель диссертационной работы - комплексное исследование теплотехнических и физико-химических процессов обжига окатышей для создания энергоэффективных схем тепловой работы обжиговых машин конвейерного типа. Для достижения поставленной цели выделены следующие задачи:

1. Развитие модельных представлений о термообработке слоя окатышей, увязывающих между собой параметры газопотоков, качественные показатели окатышей и технико-экономические показатели их производства.

2. Усовершенствование методик экспериментального обследования обжиговых машин и методов анализа их результатов.

3. Разработка новой энергоэффективной тепловой схемы обжиговой машины.

4. Разработка, апробация и внедрение технических решений при модернизации обжиговых машин ОК-520 ОАО "Михайловский ГОК" (МГОК), Лур-ги-480 ОАО "Оскольский электрометаллургический комбинат" (ОЭМК) и ОК-520/536 "ОАО «Карельский окатыш»" (КостГОК).

Объект исследования — тепловые схемы обжиговых конвейерных машин для производства железорудных окатышей.

Предмет исследования - влияние элементов тепловой схемы обжиговой машины на технико-экономические показатели производства окатышей.

Методы исследования базируются на принципах физического и математического моделирования слоевых процессов и комплексных инструментальных замеров параметров работы технологического оборудования агрегатов для обжига окатышей. Измерения технологических параметров осуществляли стандартными приборами, прошедшими государственную поверку по стандартным методикам, что определило достоверность полученных результатов.

При обработке экспериментальных данных использован расчетно-теоретический анализ, основу которого составили положения теории тепло- и массообмена и теории металлургических процессов, закон сохранения энергии, при этом противоречий известным физическим и химическим положениям установлено не было.

Научная новизна результатов работы.

1. Усовершенствована методика проведения комплексных инструментальных замеров параметров работы технологического оборудования, позволяющая рассчитывать полный материальный и тепловой балансы термообработки окатышей и получать исходные данные для математического моделирования процесса обжига окатышей.

2. Развита математическая модель термообработки слоя окатышей, в которой впервые учтены процессы десульфурации окатышей, теплообменные процессы в вакуум-камерах и трактах с учетом величины подсосов воздуха через неплотности газоходной системы.

3. Результаты исследований и оценки параметров теплоносителя на входе и выходе коллекторов и газоходов полученные методом математического моделирования.

4. Разработаны новые энергоэффективные схемы обжиговых машин, элементы которых использованы при модернизации действующих конвейерных машин для производства железорудных окатышей.

Практическая значимость работы.

1. Разработаны и реализованы в промышленных условиях технические решения при модернизации обжиговых машин СЖ-520 (ОАО «Михайловский ГОК») и Лурги-480 (ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат»), Это обеспечило снижение удельного расхода природного газа на 42,4 % и 9,1% и увеличение производительности на 37,4 % и 25,3 %, соответственно.

2. Разработана тепловая схема новой обжиговой машины, обеспечивающая энергоэффективное производство железорудных окатышей различного назначения - для доменной плавки и металлизации. Тепловая схема реализована в утвержденном проекте строительства комплекса обжиговой машины № 3 ОАО «Михайловский ГОК».

3. Разработаны и реализованы технические решения по модернизации действующих и проектируемых тепловых схем обжиговых машин. Личный вклад автора. Заключается в постановке цели и задач исследования, разработке его методологии, совершенствовании и адаптации математической модели, участии в проведении лабораторных и опытно-промышленных испытаний на ОАО «Михайловский ГОК», ОАО «ОЭМК», ОАО «Карельский окатыш», и анализе их результатов.

Автор защищает:

1. Методики экспериментального обследования обжиговых машин, позволяющие получать исходные данные для теплотехнических расчетов и адаптации математической модели к конкретным технологиям производства железорудных окатышей.

2. Принципы новой энергоэффективной тепловой схемы обжиговой конвейерной машины.

3. Технические решения по модернизации обжиговых машин и результаты их реализации на обжиговых машинах ОК-520, Лурги-480 и ОК-520/536.

Реализация результатов. Результаты экспериментальных и расчетно-анплитических исследований использованы при разработке технических заданий на модернизацию СЖ-306 (СевГОКа), восстановление с модернизацией тепловой схемы обжиговой машины Лурги-278-В (СевГОК), модернизацию тепловой схемы обжиговой машины Лурги-552 (СевГОК), модернизацию тепловой схемы обжиговой машины ОК-324 (ЦГОК), завершение строительства и запуск с модернизацией тепловой схемы обжиговых машин ОК-560 (КГОКОР). Так же материалы работы использованы при расчете и проектировании тепловых схем МОК-189, МОК-108 для поставки ОАО "Уралмашзавод" в Индию, и при проектировании тепловой схемы обжиговой машины площадью 692 м2 для Ирана.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург 2002 г.) международных научно-практических конференциях «Теория и практика производства чугуна» - 2004, Криворожсталь (г. Кривой Рог, 2004 г.) и «Творческое наследие Б.И.Китаева», ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2009 г.)

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 19 научных статьях, из них 15 опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложена на 138 стр. машинописного текста и содержит 17 таблиц, 53 рисунка, список использованной литературы, содержащий 99 наименований и 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В соответствии со "Стратегией развития металлургической промышленности в России на период до 2020 г." (Приказ министерства промышленности и торговли РФ 18 марта 2009 г., № 150) ежегодное производство окисленных окатышей возрастает с 35 млн. т. в настоящее время до 43,5 млн. т., а производство металлизованного сырья с 3,4 млн. т до 9,4 млн. т.

В первой главе проведен аналитический обзор существующих тепловых схем обжиговых машин конвейерного типа и подходов к повышению технико-экономических показателей их работы.

Показано, что тепловая схема обжиговой конвейерной машины (ОКМ) должна обеспечивать реализацию режима термообработки слоя окатышей с целью получения ими наиболее высоких металлургических свойств. Другим, не менее важным, назначением современной тепловой схемы является достижение максимальных технико-экономических показателей работы обжиговых машин с минимальными вредными выбросами в атмосферу за счет реализации развитой системы рециркуляционных потоков.

Проведенный анализ технико-экономических показателей производства железорудных окатышей выявил необходимость разработки энергоэффективных тепловых схем для модернизации действующих обжиговых машин и для проектирования обжиговой машины нового, четвертого поколения.

Развитие модельных представлений о термообработке железорудных окатышей состояло в последовательном уточнении решения задачи теплообмена в слое при перекрестном движении теплоносителя и материала. При этом рассматривалась только слоевая задача и (или) отдельные технологические зоны машины, без учета связи различных зон обжиговой машины через газоходную систему, из-за отсутствия надежных методик экспериментального определения параметров работы обжиговой машины.

Аналитический обзор существующих технологий производства окатышей и методов их расчета привел к следующим выводам:

1. Существующие схемы обжиговых машин требуют модернизации на основе современных достижений науки и техники, вследствие:

- низкого теплового КПД и, следовательно, высокого энергопотребления;

- низкой степени рециркуляции газопотоков и значительных потерь тепла;

- недостаточного учета физико-химических, минералогических, реологических свойств исходного сырья и требований к качеству и металлургическим свойствам окатышей различного назначения - для доменной плавки и металлизации.

2. Существующие математические модели не охватывают описание закономерностей формирования качества окатышей с учетом всей гаммы физико-химических процессов (ФХП) и параметров газовоздушных потоков.

3. Отсутствуют надежные методики инструментального определения технологических и тепловых параметров работы обжиговых машин и методы их анализа для разработки технических решений по модернизации.

На основании аналитического обзора работ по совершенствованию режимов обжига и тепловых схем ОКМ сформулированы цель работы и задачи исследования (см. стр. 3).

Во второй главе описаны усовершенстванные методы экспериментального обследования обжиговых машин, а также математическая модель обработки результатов экспериментов.

Усовершенствованный комплекс инструментальных измерений и балансовых испытаний включает расчеты неизмеряемых параметров, составление балансов материальных и газовоздушных трактов в целом по ОКМ, технологических зон и газовоздушных потоков. В комплекс включена оценка рабочих характеристик и параметров работы горелочного, тягодутьевого и газоочистного оборудования. В частности, инструментально определяются: профиль и насыпная масса слоя исходных окатышей, донной и бортовой постели; температурные поля теплоносителя в горне, распределение температуры, давления и состава газов по высоте слоя окатышей, на входе и выходе из слоя по длине машины, параметры газовоздушных потоков (температура, давление и расход) в коллекторах и трактах газоходной системы, параметры работы горелочных устройств и тягодутье-вых установок.

По данным инструментальных измерений рассчитываются: материальный баланс процессов окомкования и обжига окатышей, скорости фильтрации через слой окатышей во всех технологических зонах, степень развития физико-

химических процессов (сушки, окисления магнетита, декарбонизации, десульфу-рации и т.д.), величины подсосов наружного воздуха и выдувов теплоносителя через уплотнения в технологических зонах и неплотности коллекторов и газоходов, материальный и тепловой балансы газовоздушных потоков технологических зон и обжиговой машины в целом, в том числе количество потерь теплоты через металлоконструкции и внешние поверхности горнов, коллекторов и газоходов.

Подобный подход применим для множества вариантов тепловых схем с учетом различных конструкций горнов, горелок, степени рециркуляции газов и т.д., так как он удовлетворяет условию полного балансирования газопотоков между зонами нагрева и охлаждения.

Для расчета тепло- и массообменных процессов, протекающих при термообработке окатышей на обжиговой конвейерной машине, необходимы сведения о скорости фильтрации на входе в слой по всей длине машины. Однако, в условиях работы обжиговых машин прямое их измерение (например, при прососе на выходе из колосникового поля) очень затруднено ввиду постоянного движения тележек и малой величины динамического напора (менее ЮПа). Получаемые на основе инструментального обследования и разработанной математической модели сбалансированные значения скоростей фильтрации, подсосов, продувов, расходов на дымососах позволили оценить состояние уплотнений, герметичность газоходов, выявить возможность увеличения производительности дымососов и вентиляторов.

Описанная методика носит общий характер и может быть применена для обжиговых агрегатов различного типа.

С использованием разработанной методики на основании инструментальных замеров определено распределение скоростей фильтрации (табл. 1). для каждой зоны действующих обжиговых конвейерных машин ряда фабрик оком-кования.

Таблица 1

Средние скорости фильтрации на обжиговых машинах__

ГОК ССГПО СевГОК МихГОК КостГОК цгок СевГОК СевГОК оэмк

обжиговая машина ОК 108 ОК 306 ОК 520 ОК 520/536 ОК 324 Лурги 278 Лурги 552 Лурги 480

Технологиче-ская зона Скорость фильтрации, м/с

Сушка 1 1,15 1,4 1,3 1,3 1,1 1,0 0,9 1,2

Сушка 2 0,75 0,8 1Д 0,6 0,5 0,7 0,7 0,6

Сушка 3 - 0,9

Нагрев 0,56 0,8 0,4

Обжиг 0,43 0,5 0,5 0,4 0,6 0,6

Рекуперация 0,35 ' 0,5 0,5 0,5

Охлаждение 1 0,75 0,9 0,7 0,8 0,У 0,7 0,9 0,9

Охлаждение 2 0,9 1 1,3 М 1,0 0,5 1,0

С учетом полученных данных рассчитаны тепловые и материальные балансы этих ОКМ. Их анализ позволяет установить основные пути улучшения технико-экономических показателей работы обжиговых машин.

В третьей главе изложены основные этапы и методы развития комплексной математической модели, отвечающей требованиям максимальной адекватности реальным теплофизическим и физико-химическим процессам, протекающим в слое при обжиге железорудных окатышей. Учтены связи зон и коллекторов на современных обжиговых машинах за счет рециркуляции газовых потоков, что позволило отрабатывать и оптимизировать тепловые схемы при реконструкции и создании новых агрегатов. Приведены примеры решения технологических задач с использованием математической модели.

На современных обжиговых машинах значительно увеличена степень рециркуляции газов с целью снижения расхода топлива и уменьшения сбросов на дымовую трубу, что потребовало учесть при моделировании взаимосвязь всех зон и коллекторов обжиговой машины.

При увеличении степени рециркуляции возникают некоторые ограничения, связанные с повышением влагосодержания теплоносителя в первой зоне сушки, увеличивающим область переувлажнения окатышей в слое и приводящим к снижению температуры сбрасываемых газов ниже уровня, допустимого по стойкости оборудования. Особое значение приобретает учет связей коллекторов при обжиге окатышей из сернистых концентратов. Основная сложность решения этой задачи заключается в разработке алгоритма «автоматической» балансировки взаимосвязанных коллекторов по температуре и составу газовых потоков с минимальным увеличением продолжительности вычислительного процесса.

Десульфурация окатышей при их обжиге является довольно сложным процессом, особенно при офлюсовании окатышей. Основная задача при развитии математической модели была связана с учетом кинетики основных реакций: окисления природного пирита (пирротина); образования сульфата кальция в результате взаимодействия диоксида серы с известняком и известью; разложения сульфата кальция в высокотемпературной области. Две последние реакции являются по существу прямой и обратной реакциями, протекающими параллельно, но с пиками интенсивности в различных температурных областях и с различными по знаку тепловыми эффектами. Суммарный тепловой эффект реакций де-сульфурации является экзотермическим и при начальном содержании серы 0,2 % составляет 10-15% от значения теплового эффекта окисления 2-х валентного железа магнетита.

Модель десульфурации окатышей базируется на балансовом соотношении ду/, _ д<р1 д(рс д<р'с дт дт дт дт где !Р8 - доля серы, выделившейся в газовую фазу;

фг - доля окисления пирита или пирротина;

фс. Фс' - Для офлюсованных окатышей доли образования и разложения сульфата кальция.

Каждое слагаемое баланса серы является сложной функцией температуры, а для офлюсованных окатышей - и их основности. Эти функции построены пу-

= 1

I 0.9

| 0.8

го „

£ 0.7

$ 0.8 | 0.5 | 0.4

I 03 б 0.2

0.1

0

__——расче • опыт 3»«

У

у

У

А

/ г в

о >

70

80

Э0

100 110 Длина, м

Рис. 1 Сравнение экспериментального и расчетного распределения степени десуль-фурации по длине обжиговой машины

тем соответствующей обработки данных, полученных в лабораторных и промышленных условиях автором и другими исследователями для слоя обжигаемых окатышей и постели.

Адаптация модели была проведена на основе спеканий окатышей из концентратов месторождения "Таежное", с содержанием серы в концентрате около 2 %. Результаты сравнения экспериментальных и расчетных точек представлены на рис. 1. Полученная адаптированная математическая модель позволила рассчитать тепловую схему обжиговой машины площадью 704 м2 для производства окатышей с гарантированным конечным содержанием серы 0,03-0,04 %

Решение этих задач существенно уточнило закономерности тепломассообмена в слое окатышей и более обоснованно определило подходы к оптимизации тепловых схем обжиговых машин.

В четвертой главе представлено описание разработанных технических решений по совершенствованию тепловых схем ОКМ, приведены результаты их внедрения в ходе модернизации обжиговых машин ОК-520 и Лурги-480, а также созданной новой энергоэффективной тепловой схемы обжиговой машины.

Обследование обжиговых машин ОК-520 Михайловского ГОКа определило существующий уровень параметров их работы, функционирования обжигового оборудования и технико-экономических показателей, а также, выявило ряд «узких» мест. Модернизация предусматривала повышение производительности и снижение удельных расходов энергоносителей.

На первом этапе модернизации обжиговых машин была реализована трех-секционная зона сушки, позволившая значительно интенсифицировать сушку слоя. Практически процесс сушки окатышей стал заканчиваться на площади конструктивной зоны сушки. Достигнуто улучшение расходных характеристик горелок путем калибровки кольцевых газовых щелей, ревизии и корректировки воздушных зазоров в крыльчатках горелок. Снижен коэффициент расхода первичного, низкотемпературного воздуха. Изменены параметры термообработки окатышей и реализована разработанная новая режимная карта. Изменено соотношение площадей зон обжига, рекуперации и охлаждения, проведена реконструкция газоходной системы.

На втором этапе реконструкции зона охлаждения была переведена полностью на продув слоя воздухом. При этом, не теряя в эффективности охлаждения окатышей, добились повышения степени рециркуляции теплоносителя и снижения потерь теплоты с уходящими газами.

Дальнейшие работы по реконструкции были связаны с улучшением использования высокотемпературного воздуха из зоны охлаждения за счет изменения профиля переточного коллектора, снижения газодинамического сопротивления газоходных трактов.

В результате модернизации обжиговых машин СЖ-520 производительность возросла на 37,4 %, удельный расход топлива и электроэнергии снизились соответственно на 42,4 % и на 45,9 %, удельные сбросы газов в дымовые трубы сократились на 65,8 % (табл. 2, рис. 2).

Реконструкция показала, что созданные в 1960 - 1970-е годы обжиговые машины Уралмаша имеют значительный резерв по технико-экономическим и теплоэнергетическим параметрам.

Обжиговая машина фирмы "Лурги" рабочей площадью 480 м2 введена в эксплуатацию в 1983 г. на Оскольском электрометаллургическом комбинате и предназначена для производства глубокоокисленных окатышей из суперконцентрата Лебединского ГОКа для последующей металлизации на установках "Мид-рекс".

В связи с возрастающим спросом на металлизованные окатыши и планами ОЭМК увеличить объемы их производства была поставлена задача разработать технические решения, способствующие повышению производительности обжиговой машины при заданном качестве окисленных окатышей. На первом этапе модернизации планировалось довести годовой выпуск окисленных окатышей до 3,2 млн т (при производительности машины 404 т/ч) с последующим ростом до 3,6 млн т в год.

Проектная тепловая схема и организация газовоздушных потоков обжиговой машины Лурги-480 не обладает достаточной гибкостью для ее работы с изменяющимися входными параметрами (производительность, изменение количества вводимых в шихту шламов и окалины, физико-химических свойств сырых окатышей и др.). Следует отметить, что тепловая схема современных обжиговых машин Лурги (в настоящее время фирмы "Ои^ес"), построенных в последнее время и планируемых к строительству в разных странах, в том числе и в России, в основном не отличается от старой схемы машины на ОЭМК и требует, как показало обследование, модернизации.

Чтобы повысить производительность машины Лурги-480 и расширить возможности ее работы в условиях изменения исходных параметров, были реализованы следующие технические решения:

- скорректирован температурно-филырационный режим термообработки слоя окатышей с приведением его в соответствие с внутренними источниками тепла и максимально возможным для существующей тепловой схемы снижением теплового дебаланса между зонами нагрева и охлаждения;

- улучшена сушка окатышей путем интенсификации температурно-фильтрационного режима, с последующей модернизацией зоны и обеспечивающих ее газовоздушных потоков;

- повышена эффективность охлаждения слоя окатышей путем изменения фильтрационного режима, перераспределения газовоздушных потоков и реконструкции зоны охлаждения;

Таблица 2.

Показатели модернизации обжиговых машин СЖ-520, Лурги-480 и СЖ-520/536_

Предприятие Год модернизации Раб. площадь Производительность машин Удельные показатели

Кол-во машин годовая, млн. т часовая, т/ч Производительность, т/м2ч Расход природного газа, м^т Расход электроэнергии, кВтч/т Выбросы в атмосферу, тыс. м7т

% изм % изм % изм % изм

МихГОК ОК-520 База 1977 520/2 3,7 470 0,90 17,0 37,0 3,8

2005 520/2 4,6 580 1,12 +24,4 11,5 -32,4 25,0 -32,4 1,6 -57,9

2008 520/2 4,9 625 1,20 +33,0 10,1 -40,6 22,0 -40,5 1,5 -60,5

2012 520/2 5,1 646 1,24 +37,4 9,8 -42,4 20,0 -45,9 1,3 -65,8

ОЭМК Лурги-480 База 1985 480/1 2,9 360 0,75 11,0 27,0 2,2

2004 480/1 3,3 415 0,86 + 14,7 9,2 - 16,4 27,0 - 2,2 -

2006 480/1 3,6 450 0,94 + 25,3 9,0 -9,1 27,0 - 2,1 -4,5

КостГОК ОК-520/536 База 2002 520/3 3,5 440 0,85 12,0* 36,4 2,6

2009 520/3 3,9 490 0,94 +10,8 8,8* -26,7 25,7 -29,4 2,6 -

Примечание: топливо - мазут

Удельная производительность, Расход природного газа, нм3/т 1.30 --- 18

1-20-----яшг-И------------------------ 16

о.бо м жгИ^цв-в! 2

F°Н — - = т^Ч —: -=■■ :

0 50 IRss™ I "П М — i о

Рис.2.Показатели модернизации обжиговых машин ОК-

40 35 30 25 20 15 10 520

Расход электроэнергии, кВт-ч/т

и Лурги-480

- модернизирована тепловая схема и частично реконструирована газоходная

система, перераспределены площади технологических зон и газовоздушных камер, подключаемых к дымососам; увеличен объем рециркулируе-

мых газов.

В результате модернизации обжиговой машины Лурги-480 производительность возросла на 25,3 %, удельный расход топлива снизился на 9,1 % (табл. 2).

Эффективность каждого этапа модернизации производства достигается за счет разработки и реализации комплекса указанных мероприятий. Как видно из рисунка 2, показатели модернизированного производства ОАО «Михайловский ГОК» превысили показатели работы обжиговых машин фирмы «Лурги».

Модернизированная машина Михайловского ГОКа, несмотря на более передовую тепловую схему по сравнению с обжиговыми машинами фирмы "Лурги" площадью 480 м2 (ОЭМК) и 552 м2 (Северный ГОК), имеет технологические и конструктивные недостатки:

- окатыши поступают на термообработку с большой исходной влажностью (9,8 - 10 против 8,9 - 9,2 %);

- на рециркуляционных газопотоках применяется газоочистка; установки мокрых газоочисток обладают большим аэродинамическим сопротивлением (до 2,5 кПа) и значительной долей подсосов наружного воздуха (15 - 20 %) по сравнению с электрофильтрами;

- топливо сжигается не инжекционными горелками, а вихревыми (двухпроводными) с существенным перерасходом топлива;

- инжекционные горелки требуют значительно большего расхода высокотемпературного переточного воздуха, а существующий коллектор не может этого обеспечить из-за геометрических размеров и формы;

- конструкция газоходов и сборных коллекторов отличается значительным аэродинамическим сопротивлением;

- более низкий КПД установленных тягодутьевых машин.

И, тем не менее, более совершенная тепловая схема модернизированной ОК-520 обеспечивает технико-экономические показатели производства окатышей на уровне лучших мировых аналогов.

Устранение большинства недостатков, предусмотренных при реализации 1V этапа модернизации, позволит на ОК-520 снизить удельный расход природного до 8,9 нм7т, удельный расход электроэнергии на ТДУ до 14,1 кВт-ч/т Что значительно превосходит по энергоэффективности лучшие мировые аналоги.

Результаты модернизации обжиговых машин МихГОКа и ОЭМК, реализация технических решений на тепловых агрегатах других предприятий позволили сформулировать основные принципы разработки тепловой схемы и газоходной системы обжиговой машины конвейерного типа. Основными принципами для разработки энергоэффективной тепловой схемы новой ОКМ, апробированными и ходе модернизации действующих обжиговых машин, следует считать следующие:

1. трехсекционная зона сушки;

2. отсутствие реверса в зоне охлаждения;

3. смешение высокотемпературного переточного воздуха с низкотемпературным в форкамерах;

4. балансирование потоков между зонами нагрева и охлаждения;

5. минимальное количество сбросов газов в атмосферу;

6. минимальные затраты электроэнергии на работу ТДМ;

7. максимальное использование теплоты газов, покидающих слой;

8. управление тепловой схемой ОКМ в режиме реального врмени;

Термообработка окатышей проводится в пяти технологических зонах:

сушки, нагрева, обжига, рекуперации и охлаждения. Размеры их площадей выбираются с расчетом реализации оптимальных скоростей прогрева слоя окатышей в каждой зоне, поскольку медленный прогрев снижает производительность ОКМ, а быстрый ухудшает качество обожженных окатышей. На обжиговых машинах ОК-ЗОб Лебединского ГОКа, ОК-ЗОб Северного ГОКа (Украина), ОК-520 Михайловского ГОКа, ОК-536 Костомукшского ГОКа внедрена трехсекционная зона сушки. С ее помощью удалось интенсифицировать сушку окатышей и повысить производительность ОКМ.

Разделение газопотоков из зон охлаждения по температурному потенциалу позволяет более полно и целенаправленно подавать теплоноситель с требуемой температурой в технологическую зону. С этой целью зона охлаждения поделена на три секции. При охлаждении слоя окатышей из каждой секции выходит теплоноситель с различной температурой. По переточной и газоходной системам различные по температуре теплоносители поступают в зоны сушки, нагрева, обжига и рекуперации. Высокотемпературные газы внутренней рециркуляции поступают в зоны нагрева и обжига посредством перепада давления по переточной системе, а низкотемпературные газы внешней рециркуляции по газоходной системе транспортируют ТДМ. Переточная система состоит из трех конусных футерованных трубопроводов — центрального и двух боковых. По центральному переточному коллектору теплоноситель поступает в зоны сушки и нагрева, по боковым — в зону обжига. В зависимости от назначения окатышей по переточной системе различные по температуре теплоносители подаются в зоны нагрева и обжига. Схема А (рис. 3) с короткой зоной нагрева и длинной зоной обжига предназначена для производства доменных окатышей, именно такая схема реализуется на строящейся обжиговой машине ОАО "Михайловский ГОК". Схема Б (см. рис. 3) с длинной зоной нагрева и короткой зоной обжига более универсальна и может быть использована при производстве окатышей как для металлизации, так и для доменных печей. Благодаря переточной системе для сжигания топлива используется ограниченное количество инжекционных горелок и только в зоне обжига.

Разделение газопотоков по температурному потенциалу позволило также отказаться от установки в зоне нагрева горелок, что позволило повысить окислительный потенциал зоны и обеспечить гарантированные требования к качеству окатышей, в том числе для металлизации.

Максимальное использование теплоты обожженных окатышей и газов обусловлено, помимо внутренней рециркуляции, полнотой использования газов

внешней рециркуляции с помощью газоходной системы. В дымовую трубу сбрасываются только низкотемпературные влажные газы из зоны сушки.

Для каждой технологической зоны предусматривается индивидуальная ТДМ, обеспечивающая более гибкое управление процессом в зоне; разделение газопотоков по температуре и объему; более высокую степень рециркуляции теплоносителей и сокращение количества дымовых газов; уменьшение мощности и более динамичную работу единичной ТДУс высоким КПД в сети с меньшей емкостью; уменьшение диаметров газоходов и коллекторов.

Схема А

Рис. 3 Тепловая схема ОКМ

Для стабилизации скорости газов и уменьшения аэродинамического сопротивления переточные коллектора выполнены круглого сечения, с плавным уменьшением диаметра, аналогичной круглой формы выполнены и опускные патрубки. Места стыковки опускных патрубков форкамер с переточным коллектором выполняются под углом 45°С. Патрубки газовоздушных камер имеют плавную стыковку со сборными коллекторами конической формы. За счет более совершенной конструкции продольных уплотнений снижается доля подсосов наружного воздуха. Для футеровки ОКМ предусматриваются изоляционные материалы со значительно более низкой теплопроводностью, чем на действующих машинах. В схеме газоходов для очистки газов от пыли применяются электрофильтры и только перед дымовой трубой. Высокая степень рециркуляции газов в газоходной системе ограничивает количество дымовых газов до 1200 - 1300 м3/т, расход теплоты топлива составит примерно 300 МДж/т (8,4 м3 природного газа/т), а электроэнергии - менее 20 кВт • ч/т.

Материалы диссертации использованы при проектировании новой обжиговой машины, четвертого поколения, МОК-592 для ОАО "МихГОК" и обжиговых

машин площадью 108 и 189 м2, поставляемых ОАО "Уралмашзавод" в Индию. Так же, с учетом усовершенстванных методик обработки экспериментальных данных и усовершенствованной математической модели, проведены обследования и разработаны технические задания на модернизацию ОК-ЗОб (СевГОКа), восстановление с модернизацией технологической линии с обжиговой машиной Лурги-278-B (СевГОК), модернизацию обжиговой машины Лурги-552 (СевГОК), модернизацию обжиговой машины ОК-324 (ЦГОК), завершение строительства и запуск с модернизацией обжиговых машин ОК-560 (КГОКОР) при производстве окатышей из привозного магнетитового концентрата, модернизацию ОК-536-Ф (Каратау) для производства железорудных окатышей. Параметры работы обжиговых машин до и после модернизации, а также стадии реализации, приведены в табл. 3.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе, посвященной разработке энергоэффективных тепловых схем обжиговых машин и внедрению их элементов в ходе модернизации существующих агрегатов по обжигу железорудных окатышей, получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Сформулирована физическая модель процессов десульфурации офлюсованных и неофлюсованных окатышей в слое и разработана математическая модель удаления серы из слоя окатышей, включающая кинетику десульфурации, материальные и тепловые балансы материала и газа. Модель десульфурации добавлена в существующую математическую модель процесса окислительного обжига окатышей на конвейерной машине.

2. Усовершенствована методика проведения комплексных инструментальных измерений параметров работы коллекторов и газоходов, тягодутьевых машин, теплового состояния и качества окатышей по высоте слоя, позволяющая рассчитывать полный материальный и тепловой балансы ОКМ в целом.

3. Разработаны и реализованы технические решения по совершенствованию тепловых схем обжиговых машин ОК-520 (МихГОК), Лурги-480 (ОЭМК), ОК-520/536 (КостГОК), приведены результаты их реализации.

4. Разработана энергоэффективная тепловая схема новой обжиговой машины четвертого поколения МОК-592, которая принята к реализации для строящегося технологического комплекса на ОАО «Михайловский ГОК».

5. Результаты экспериментальных и расчетно-аналитических исследований, применены для разработки технических заданий на модернизацию ОК-ЗОб (СевГОКа), восстановление с модернизацией тепловой схемы обжиговой машины Лурги-278-B (СевГОК), модернизацию тепловой схемы обжиговой машины Лурги-552 (СевГОК), модернизацию тепловой схемы обжиговой машины ОК-324 (ЦГОК), для завершения строительства и запуска модернизированной тепловой схемы обжиговых машин ОК-560 (КГОКОР). Также материалы работы применены при расчете и проектировании тепловых схем МОК-189, МОК-108 ОАО "Уралмашзавод" для поставки в Индию и при проектировании тепловой схемы обжиговой машины площадью 692 м2 для Ирана.

Таблица 3

Показатели модернизации обжиговых машин

Предприятие Год модернизации Раб. площадь Производительность машин Удельные показатели Примечания

Кол-во машин годовая, ' млн. т часовая, т/ч Производительность, т/м2-ч Расход природного газа, нм2/т Расход электроэнергии, кВтч/т Выбросы в атмосферу, тыс.м /т

% изм. % изм. % изм. % изм.

Северный ГОК ОК-ЗОб База 2005 306/1 2,0 263 0,86 18,8 29,0 3,4

2008 2,1 285 0,93 +8,4 16,4 - 12,2 28,0 -3,4 2,8 - 17,6 реализовано

2011 2,4 310 1,01 +15,0 14,0 -23,0 28,5 -1,7 2,8 - 17,6

Северный ГОК Лурги пл.278 м2 База 2006 278/1 1,8 236 0,85 20,0 23,0 4,0

2008-2013 2,1 278 1,0 + 15,0 14,5 -27,5 22,4 -2,7 1,8 -55,0 Монтаж оборудования

Северный ГОК, Лурги пл.552 м2 База 2008 552/2 3,8 505 0,92 17,5 24,0 3,5 Обследование, разработка решений по модернизации

2011 4,2 552 1,0 + 10,8 14,0 -20,0 22,0 -8,5 3,1 -12,9

Центральный ГОК ОК-324 Проект 1992 324/1 2,3 285 0,88 18,9 25,5 3,7

2011 2,3 285 0,88 - 10,8 -10,1 23,4 -8,2 3,5 -5,4 Реализовано

2012 2,5 317 0,98 +10,2 9,7 -8,98 20,4 -12,8 3,0 -14,3 Выполняется ТЭО

КГОКОР ОК-560 Проект 1995 560/3 3,4 433 0,77 29 32 - - Переход с производства окисленных окатышей на магнетитовые. Исходные данные для ТЭО достройки

2007 4,75 600 1,07 +38,2 10 -65.5 25 -21,9 - -

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание работы отражено в следующих печатных работах:

В научных изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Универсальная математическая модель тепломассообмена в слое при обжиге окатышей на конвейерной машине./ Б.А. Боковиков, В.В. Брагин, Г.М, Майзель, В.М. Малкин//Сталь - 2002 г - № 4, - с.29-34.

2. Методика определения скоростей фильтрации на обжиговой машине конвейерного типа./ A.A. Авдеенко, В.В. Брагин, М.А. Воробьев, С.Н. Евстю-гим, A.A. Кучин // Сталь - 2003 г. - № 9, - с.32-33.

3. Модернизация обжиговых машин ОК-520 ОАО Михайловский ГОК./ В.М. Абзалов, Б.И. Борисенко, В.В. Брагин, В.П. Бруев, В.Н. Неволин //Сталь-2005 г. - № 2, с. 3-4.

4. Теплотехническое обследование и технические решения по увеличению производительности обжиговой машины фирмы Лурги./ В.М. Абзалов, В.В. Брагин, Е.И. Гонтарук, Г.А. Зинягин, В.Н. Неволин, H.A. Шляхов // Сталь-2005 г. - № 2, с. 7-8.

5. Влияние влажности окатышей на газопроницаемость слоя и показатели работы обжиговых машин./ В.В. Брагин, В.И. Клейн, A.A. Солодухин, A.B. Стародумов /7 Сталь - 2006 г. - № 6, с. 31-32.

6. Эффективность модернизации фабрики окомкования ОАО "Михайловский ГОК"./ В.М. Абзалов, Б.И. Борисенко, В.В. Брагин, С.Н. Евстюгин, H.H. Копоть, С.Н. Кретов, В.Н. Неволин //Сталь-2006 г. - № 6, с. 9-10.

7. К вопросу о выборе рациональной площади зоны охлаждения конвейерной обжиговой машины./ Б.А. Боковиков, В.В. Брагин, В.И. Клейн, М.И. Найдич // Сталь-2006 г. - № 6, с. 33-35.

Ь\ Модернизация действующих обжиговых машин./ В.М. Абзалов, Б.И. Борисенко, В.В. Брагин, Ю.П. Калиненко, A.B. Кононыхин, В.Н. Неволин // Сталь - 2008 г. -№ 12, с. 6-7. 1). Разработка обжиговой конвейерной машины нового поколения./ В.М. Аб-чалов, В.В. Брагин, A.A. Вяткин, С.Н. Евстюгин, С.Н. Лелеко // Сталь -2008 г. -№ 12, с. 13-14. 10.Влияние усадки слоя на его газодинамическое сопротивление в процессе термообработки на обжиговой машине./ Б.А. Боковиков, В.В. Брагин, В.И. Клейн //Сталь-2008 г. - № 12, с. 30-34. 11 .Эффективность работы зон сушки обжиговых машин./ В.М. Абзалов, В.В.

Брагин, В.И. Клейн, A.A. Солодухин //Сталь-2008 г. - № 12, с. 25-27. 12.Опыт модернизации обжиговых машин России и стран СНГ./ В.М. Абзалов, В.В. Брагин, А.И. Груздев, В.Н. Неволин, A.B. Судай // Сталь-2010 г. - № 9, с. 7-9.

13.Стратегия создания тепловых схем обжиговых конвейерных машин В.М. Абзалов, В.В. Брагин, С.Н. Евстюгин, В.И. Клейн, A.A. Солодухин // Сталь -2010 г.-№ 9, с. 10-12.

14.Пути модернизации технологического обжига хромитовых окатышей и оборудования производства фирмы "Outotec"./ В.В. Брагин, А.И. Груздев,

A.Ю. Поколенко, O.E. Привалов, А.Б. Разин, Т.В. Сапожникова, A.B. Ста-родумов // Сталь-2010 г. - № 9, с. 26-29.

15.Опыт использования эффективных тягодутьевых установок при производстве железорудных окатышей./ В.В. Брашн, М.А. Воробьев, М.А. Кондра-ков, A.B. Судай, О.С. Шахтер // Сталь-2010 г. - № 9, с. 38-40.

В тезисах докладов:

16.Математическая модель десульфурации неофлюсованных железорудных окатышей в процессе окислительного обжига на конвейерной машине./

B.В. Брагин // научные труды III отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург 2002 г, с 104-105.

17.Технологическая модернизация обжиговых машин СНГ./ В.В. Брагин, A.A. Солодухин, B.C. Швыдкий, Ю.Г. Ярошенко // международная научно-техническая конференция «Теория и практика производства чугуна» -2004 г. - с. 192-196.

18.Обжиговая машина нового поколения для производства окатышей с высокими металлургическими свойствами./ В.В. Брагин, A.A. Солодухин, B.C. Швыдкий, Ю.Г. Ярошенко // международная научно-техническая конференция «Теория и практика производства чугуна» - 2004 г. - с Л 96 - 200. 19.Теплообмен в слое железорудных материалов при перекрестной схеме и наличии стоков и источников теплоты./ В.В. Брагин, Б.А. Боковиков, В.М.Малкин, М.И. Найдич // международная научно-практическая конференция «Творческое наследие Б.И.Китаева» - 2009 г. - с. 124-125.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает благодарность за поддержку и ценные замечания доктору технических наук, действительному члену Академии инженерных наук РФ Ю.Г.Ярошенко, научному руководителю, проф. д.т.н. Швыдкому B.C. и научным

консультантам к.т.н. \бзалову В.М. и д.т.н. Боковикову Б.А.

Автор благодарит сотрудников ООО «НПВП ТОРЭКС» и кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии» Уральского Федерального Университета им. первого Президента России Б.Н.Ельцина за ценные замечания и помощь в п од гото в ке д и ссертаци и.

I къишашо в печать 19.08.2013 Формат60х84 1/16

Ьумаг'а ХО г/мз Цифровая печать Усл. печ. л. 1,39

Уч.-над. л. 1.02 Тираж 100 экз. Заказ № 238

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

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

ООО «Научно-производственное внедренческое предприятие

ТОРЭКС»

На правах рукописи

04201362080

Брагин Владимир Владимирович

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ КОНВЕЙЕРНЫХ МАШИН ДЛЯ ОБЖИГА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники, профессор, доктор технических наук

В.С.Швыдкий

Екатеринбург -2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Устойчивая тенденция увеличения спроса на высококачественное железорудное сырье определяет необходимость как повышения его служебных свойств, так и снижение затрат на его производство. Опыт эксплуатации существующих морально устаревших обжиговых машин убедительно показывает, что решение одной из этих проблем возможно, как правило, за счет другой. Одновременное их решение возможно лишь путем модернизации тепловой схемы обжиговой машины с повышением степени циркуляции газопотоков, утилизации тепла сбросных газов и обеспечением заданных теплотехнических параметров.

В связи с этим, разработка научных основ и технических решений по созданию тепловых схем обжиговых машин нового поколения, надежная их апробация в ходе модернизации действующих агрегатов, является весьма актуальной.

Цель диссертационной работы - комплексное исследование теплотехнических и физико-химических процессов обжига окатышей для создания энергоэффективных схем тепловой работы обжиговых машин конвейерного типа.

Для достижения поставленной цели выделены следующие задачи:

1. Развитие модельных представлений о термообработке слоя окатышей, увязывающих между собой параметры газопотоков, качественные показатели окатышей и технико-экономические показатели их производства.

2. Усовершенствование методик экспериментального обследования обжиговых машин и методов анализа их результатов.

3. Разработка новой энергоэффективной тепловой схемы обжиговой машины.

4. Разработка, апробация и внедрение технических решений при модернизации обжиговых машин ОК-520 ОАО "Михайловский ГОК" (МГОК), Лурги-480 ОАО "Оскольский электрометаллургический комбинат" (ОЭМК) и ОК-520/536 "ОАО «Карельский окатыш»" (Кост-ГОК).

Объект исследования - тепловые схемы обжиговых конвейерных машин для производства железорудных окатышей.

Предмет исследования - влияние элементов тепловой схемы обжиговой машины на технико-экономические показатели производства окатышей.

Методы исследования базируются на принципах физического и математического моделирования слоевых процессов и комплексных инструментальных замеров параметров работы технологического оборудования агрегатов для обжига окатышей. Измерения технологических параметров осуществляли стандартными приборами, прошедшими государственную поверку по стандартным методикам, что определило достоверность полученных результатов.

При обработке экспериментальных данных использован расчетно-теоретический анализ, основу которого составили положения теории тепло- и массообмена и теории металлургических процессов, закон сохранения энергии, при этом противоречий известным физическим и химическим положениям установлено не было.

Научная новизна результатов работы.

1. Усовершенствована методика проведения комплексных инструментальных замеров параметров работы технологического оборудования, позволяющая рассчитывать полный материальный и тепловой балансы термообработки окатышей и получать исходные данные для математического моделирования процесса обжига окатышей.

2. Развита математическая модель термообработки слоя окатышей, в которой впервые учтены процессы десульфурации окатышей, теплооб-менные процессы в вакуум-камерах и трактах с учетом величины подсосов воздуха через неплотности газоходной системы.

3. Результаты исследований и оценки параметров теплоносителя на входе и выходе коллекторов и газоходов методом математического моделирования.

4. Разработаны новые энергоэффективные схемы обжиговых машин, элементы которых использованы при модернизации действующих конвейерных машин для производства железорудных окатышей. Практическая значимость работы.

1. Разработаны и реализованы в промышленных условиях технические решения по модернизации обжиговых машин СЖ-520 (ОАО «Михайловский ГОК») и Лурги-480 (ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат»). Это обеспечило снижение удельного расхода природного газа на 42,4 % и 9,1% и увеличение производительности на 37,4 % и 25,3 %, соответственно.

2. Разработана тепловая схема новой обжиговой машины, обеспечивающая энергоэффективное производство железорудных окатышей различного назначения - для доменной плавки и металлизации. Тепловая схема реализована в утвержденном проекте строительства комплекса обжиговой машины № 3 ОАО «Михайловский ГОК».

3. Технические решения по модернизации действующих и проектируемых тепловых схем обжиговых машин.

Личный вклад автора. Заключается в постановке цели и задач исследования, разработке его методологии, участии в проведении лабораторных и опытно-промышленных испытаний на ОАО «Михайловский ГОК», ОАО «ОЭМК», ОАО «Карельский окатыш», и анализе их результатов. Автор защищает:

1. Методики экспериментального обследования обжиговых машин, позволяющие получать исходные данные для теплотехнических расчетов и адаптации математической модели к конкретным технологиям производства железорудных окатышей.

2. Принципы новой энергоэффективной тепловой схемы обжиговой конвейерной машины.

3. Технические решения по модернизации обжиговых машин и результаты их реализации на обжиговых машинах (Ж-520, Лурги-480 и ОК-520/536.

Реализация результатов. Результаты экспериментальных и расчетно-аналитических исследований использованы при разработке технических заданий на модернизацию ОК-306 (СевГОКа), восстановление с модернизацией тепловой схемы обжиговой машины Лурги-278-В (СевГОК), модернизацию тепловой схемы обжиговой машины Лурги-552 (СевГОК), модернизацию тепловой схемы обжиговой машины ОК-324 (ЦГОК), завершение строительства и запуск с модернизацией тепловой схемы обжиговых машин ОК-560 (КГОКОР). Так же материалы работы использованы при расчете и проектировании тепловых схем МОК-189, МОК-108 для поставки ОАО "Урал-машзавод" в Индию, и при проектировании тепловой схемы обжиговой машины площадью 692 м2 для Ирана.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург 2002 г.) международных научно-практических конференциях «Теория и практика производства чугуна» - 2004, Криворожсталь (г. Кривой Рог, 2004 г.) и «Творческое наследие Б.И.Китаева», ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2009 г.)

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 19 научных статьях, из них 15 опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложена на 161 стр. машинописного текста и содержит 18 таблиц, 54 рисунка, список использованной литературы, содержащий 127 наименований и 1 приложение.

Условные обозначения

Коб - коэффициент выхода обожженных окатышей доли ед.

со - влажность %

д : - тепловой эффект реакции кДж/моль

(3 - количество теплоты кДж/кг

, р - плотность г/см3

т -доля химического соединения доли ед.

8 - пористость окатышей доли ед.

М - количество рабочих часов в году ч

Км - доля мелочи в обожженных окатышах доли ед.

<5 коэффициент заполнения пор водой Доли ед.

О - производительность т/ч

; К0 - коэффициент выхода годных окатышей из влажных доли ед.

■ ил - скорость движения обжиговых тележек м/мин | 11ф - скорость фильтрации м/с

- коэффициент заполнения обжиговой тележки влаж- „

кс ^ Доли ед. ными окатышами по ширине тележки

; к - высота слоя окатышей м

/ - ширина м

; Ьом - длина обжиговой машины м

: г - время с

, . - - . 2 -

: о - площадь м

, ч кДж/кг-°С

с - теплоемкость материла (газа) (кДж/м3 °С)

> ар - поверхностный коэффициент теплоотдачи в слое кВт/м2-К

ау - объемный коэффициент теплоотдачи в слое кВт/м3-К

Т, ? - температура °С

га/ - коэффициент массивности доли ед.

__ _ 2 3

■ Г - удельная поверхность материала в слое м /м , Я - радиус сферического окатыша м

Я - коэффициент теплопроводности в газе кВт/м-К

„ - объемная концентрация ьго элементарного газа в

С/ - Л. д°ли ед-_^____, газовой смеси фильтрующегося газа _ _ _____

В ■ - расход топлива м3/час

Н ' - теплосодержание кДж/м

(л0 1 - пирометрический коэффициент доли ед.

а? ! - коэффициент расхода воздуха горения доли ед.

- коэффициент газодинамического сопротивления доли ед.

- доля подсосов доли ед.

- скорость фильтрации газа в слое м/с

- диаметр окатышей м

- коэффициент заполнения щелей мелочью окатышей доли ед.

- порозность слоя м3пустот/м

- весовая доля доли ед.

- количество шт.

- влагосодержание газа на входе и выходе газа кг/нм3

- расход газов (теплоносителя) тыс.м3/ч

- объем газов (в т.ч.воздуха) М3

- энтальпия кДж/кг

- степень завершенности химической реакции доли ед.

- степень сушки доли ед.

- коэффициент тепловых потерь доли ед. ! - мощность электродвигателей кВт

- координата по высоте слоя от границы слой/постель мм

- удельный расход топлива нм3/т

-степень рециркуляции, степень полезного использо-

пр ттл я доли ед. ; вания ТДМ

! - давление даПа

: -удельный расход электроэнергии кВт/т

Индексы:

- начальный, исходный, насыпная, низшая

- слой

- высшая

; - влага, влажный I - на входе

- на выходе

- газ, горение

- поверхностный ■ - объемный

- начальный, исходный, нормальные условия

- разбавление

! - материал

I - поверхность

ок - окатыш

сл - слой сырых окатышей

т ! - топливо

п , - постель

пг - продукты горения

X " - суммарный, общий

к - конечный

экз. - экзотермический

энд. - эндотермический

асп. - аспирационный

тр - в трубу

ут - утечки

вг - воздух на горение

ГО - газоочистка

С1 ' - сушка 1

ОХ1 - охлаждение 1

6X2 - охлаждение 2

Безразмерные числа:

Яе - Рейнольдса

Принятые сокращения:

ВГ - воздуха горения

ГВК - газо-воздушная камера

ГОК - горно-обогатительный комбинат

Др - дроссельная заслонка

О - зона обжига в тепловой схеме обжиговой машины

ЗПС - зона промежуточной сушки

НАП , - направляющий аппарат ТДУ

Н - зона нагрева в тепловой схеме обжиговой машины

ОКМ , - обжиговая конвейерная машина

ПВ , - переточный воздух

1...................................... ...................................... .. _ _ ____________________ ___ _ ___

С1 ; - зона сушки 1 в тепловой схеме обжиговой машины

С2 - зона сушки 2 в тепловой схеме обжиговой машины

ФХП - физико-химический процесс

ГХС -газоходная система

ТДУ - тяго-дутьевая установка

ГОУ - газоочистная установка

ГО - газоочистка

к.т.н. - кандидат технических наук

' ЛебГОК ' - ОАО "Лебединский ГОК"

МихГОК.....- ОАО "Михайловский ГОК"

КостГОК - ОАО "Карельский окатыш"

СевГОК - ПАО "Северный ГОК"

ЦГОК - ПАО "Центральный ГОК"

КачГОК - ОАО "Качканарский ГОК - Ванадий"

ССГПО - ОАО "Соколовско-сарбайское горнопроизводственное объединение" , ОЭМК - ОАО "Оскольский электро металлургический комбинат"

СССР - Союз Советских Социалистических Республик

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................................11

1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ (ЭВОЛЮЦИЯ) ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ОКАТЫШЕЙ, ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ОБЖИГОВЫХ КОНВЕЙЕРНЫХ МАШИН И РАСЧЕТНО-

ЭКСП ЕРИ МЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИХ АНАЛИЗА.............................................................................14

1.1. Рудная база и история создания и развития способов, технологий и агрегатов для

ПРОИЗВОДСТВА ОКИСЛЕННЫХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ................................................................................16

1.2. История создания и развития (эволюция) тепловых схем и конструкций обжиговых конвейерных машин в СССР............................................................................................................................25

1.3. Технологические и теплоэнергетические показатели производства железорудных

ОКАТЫШЕЙ.............................................................................................................................................................42

1.4. История разработки (эволюция) математических моделей.......................................................49

1.5. Задачи исследования.........................................................................................................................54

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ ОБЖИГОВЫХ МАШИН И МЕТОДИК ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ.............................................................................56

2.1. Методика проведения теплотехнического обследования.........................................................58

2.1.1. Измерение температуры слоя окатышей......................................................................................60

2.1.2. Определение скорости движения паллет.......................................................................................61

2.1.3. Определение высоты слоя сырых окатышей.................................................................................62

2.1.4. Измерение параметров газопотоков..............................................................................................62

2.2. Методика теплотехнических расчетов...........................................................................................64

2.2.1. Расчет структурных характеристик слоя....................................................................................64

2.2.2. Определение доли подсосов..............................................................................................................66

2.2.3. Расчет скорости фильтрации в зонах сушки................................................................................68

2.2.4. Расчет скорости фильтрации в зоне нагрева (неотапливаемая часть).....................................73

2.2.5. Расчет скорости фильтрации в отапливаемой части горна.......................................................73

2.2.6. Расчет скорости фильтрации в зонах охлаждения......................................................................76

2.3. Результаты теплотехнических обследований...............................................................................77

2.3.1. Стальная лента ДГОК.....................................................................................................................79

2.3.2. ОК-ЗОб СевГОН...................................................................................................................................82

2.3.3. ОК-52()МихГОКа...............................................................................................................................83

2.3.4. ОК-520/536 КостГОКа.....................................................................................................................84

2.3.5. ОК-324 ЦГОКа..................................................................................................................................85

2.3.6. Лурги-2 78 СевГОКа...........................................................................................................................87

2.3.7. Лурги-552 СевГОКа...........................................................................................................................88

2.3.8. Лурги-480 ОЭМК...............................................................................................................................89

2.4. Выводы...................................................................................................................................................91

3. РАЗВИТИЕ МОДЕЛЬНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ТЕРМООБРАБОТКЕ СЛОЯ ОКАТЫШЕЙ НА КОНВЕЙЕРНОЙ МАШИНЕ...................................................................................................................93

3.1. Разработка физической модели десульфурации окатышей на ОКМ........................................93

3.2. Учет теплообмена в колосниковых тележках и вакуум-камерах............................................97

3.3. Балансы рециркуляционных газовых потоков в математической модели............................99

3.4. Выводы.................................................................................................................................................101

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ И ИХ АПРОБАЦИЯ В ХОДЕ МОДЕРНИЗАЦИИ ОБЖИГОВЫХ МАШИН И РАЗРАБОТКА НОВОЙ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ....................................................................................................................102

4.1. Разработка технических решений и их апробация.....................................................................102

4.1.1. МодернизацияОК-520 МихГОКа....................................................................................................102

4.1.2. Модернизация Лурги-480 ОЭМК....................................................................................................113

4.1.3. Модернизация ОК-520/536 КостГОКа..........................................................................................118

4.1.4. Модернизация ОК-ЗОб СевГОКа....................................................................................................121

4.2. Разработка новой энергоэффективной тепловой схемы обжиговой машины.....................123

4.3. Разработка предложения для модернизации существующих обжиговых машин...............130

4.3.1. Технические решения по модернизацииЛурги-278 СевГОКа.......................................................130

4.3.2. Технические решения по модернизацииОК-324ЦГОКа................................................................132

4.3.3. Технические решения по модернизацииЛурги-552 СевГОКа.......................................................134

4.3.4. Технические решения по модернизации OK-108 ССГПОа...........................................................134

4.3.5. Технические решения по дальнейшей модернизацииОК-520.......................................................137

4.3.6. Технические решения по дальнейшей модернизацииОК-ЗОб.......................................................138

4.3.7. Технические решения по модернизацииС)К-560............................................................................140

4.3.8. Технические решения по модернизацииС)К-520Ф.........................................................................144

4.4. ВЫВОДЫ.................................................................................................................................................146

ОБЩИ