автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и внедрение новых технологических приемов повышения эффективности выплавки чугуна в доменных печах

На правах рукописи

.* п

I ;;

НОВИКОВ Валентин Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ

Специальность 05.16.02 — Металлургия черных металлов

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

На правах рукописи

НОВИКОВ Валентин Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ

Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, профессор ПЛАСТИЛИН Б Г.;

— доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, лауреат Государственных премий СССР

СМИРНОВ Л.А.;

— доктор технических наук БОКОВИКОВ Б.А.

Ведущая организация: ОАО "Челябинский металлургический завод"

ащита состоится "^¿¿ы//. У 199^ г. в 'У^Г'" часов в аудитории Мт-09 на заседании специализированного совета Д 063.14.01 при Уральском осударственном техническом университете по адресу: 5200 02 , г.Екатеринбург, ул. Мира, 19, ученому секретарю

^ диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке пиверситета.

Диссертация разослана'

/^^ешсрц' 1997 г

/ченый секретарь диссертационного юветаД 063.14.01

¡рофессор, доктор технических наук

Ц/С

Н.С.ШУМАКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В работе обобщены научные результаты научно-исследовательских работ, выполненных под руководством и при участии автора на доменных печах крупнейших металлургических предприятий Урала: ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат». Материалы диссертации имеют научно-техническую направленность, а полученные в ней результаты в той или иной мере характерны для доменных печей других заводов. Актуальность работы.

Масштабность производства металла черной металлургией России, ее роль в мировом разделении труда определяют приоритетное значение доменного процесса в системе производства металла сегодня и на дальнюю перспективу.

Концепция развития металлургии до 2005 года и на дальнейшую перспективу предусматривает сокращение выплавки чугуна за счет ликвидации устаревших агрегатов и повышения экономичности работы остальных печей при одновременном улучшении качества выплавляемого чугуна, повышении требовательности к безопасности их работы. Применительно к доменному производству задача конкретизируется в направлении дальнейшего снижения расхода кокса, выплавки чугуна по заказам, сокращения расхода энергии на интенсификацию плавки, а так же совершенствования методов контроля и управления работой доменных печей.

Совокупность известных и разрабатываемых мероприятий по совершенствованию доменного процесса позволяет ожидать улучшения показателей плавки примерно в 1,5 раза. Это связано с достижением удельной производительности 3,5 т/м3 сутки и расхода кокса 300 кг/т чугуна.

Решение этих вопросов требует всесторонних исследований доменного процесса и разработки на этой основе новых технологических приемов, энерго- и ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих экономичную выплавку чугуна с заданными свойствами, а так же их опытно-промышленными испытаниями и внедрением. Решению этих проблем и посвящена данная диссертационная работа.

Цель работы.

Разработка новых перспективных технологических приемов плавки передельных и ванадиевых чугунов, обеспечивающих снижение энергетических затрат л повышение качества чугуна, на основе экспериментальных исследований закономерностей газо- и гидродинамики, процессов теплообмена и механики движения материалов в доменных печах, работающих на различном железорудном сырье.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы, включающие результаты исследования, технологические разработки и практические рекомендации:

1. Новый метод оценки газодинамического состояния столба шихтовых материалов в современных доменных печах. Результаты исследования и внедрения этого метода.

2. Результаты исследований особенностей газо-гидродинамических процес-_ сов, процессов движения материалов при выплавке мартеновсюгх и ванадиевых чугунов в доменных печах большого объема, а также разработка и внедрение на этой основе новых технологических приемов выплавки чугуна.

3. Результаты исследований газодинамических, восстановительных и тепло-обменных процессов при использовании в шихте 100% окатышей Соко-ловско-Сарбайского и Качканарского горнообогатительных комбинатов. Разработка на этой основе новых технологий по производству окатышей и их проплавки в доменных печах АО ММК и АО НТМК.

4. Оценка технологических особенностей плавки высоко- и низкоосновного агломератов в доменных печах, внедрение технологии доменной плавки на агломератах одинаковой основности на АО НТМК.

5. Исследоваш1е закономерностей поведения цинка в доменных печах АО НТМК и АО ММК, разработка и внедрение новых технологических приемов, позволяющих уменьшить вредное воздействие цинка на технико-экономические показатели доменной плавки.

6. Новые технологические и конструктивные решения, направленные на улучшение технико-экономических показателей работы современных доменных печей, работающих с низким выходом шлака. Научная новизна основных результатов, полученных автором в ходе достижения поставленной цели состоит:

— в разработке и использовании в промышленных условиях нового метода оценки газодинамического режима и состояния столба шихты при периодических уменьшениях расхода дутья, подаваемого в доменную печь, в момент переключения воздухонагревателей, а также понижениях расходов дутья на выпусках жидких продуктов плавки;

— в установлении (на основании анализа газодинамических процессов в верхней части доменных печей, проведения экспериментальных исследований на моделях и действующих доменных печах) целесообразности работы доменных печей с пониженным уровнем засыпи;

— в установлении впервые в отечественной практике закономерностей изменения прочности, гранулометрического состава, степени восстановления окатышей на различных горизонтах доменной печи и формулировании требования по их "горячей" прочности, определении особенности загрузки окатышей в доменные печи, а также особенностей дутьевого режима;

— в разработке технологии ведения ванадиевой плавки с повышенным содержащем в дутье кислорода до 25—26 % на доменных печах большого объема;

— в выявлении закономерностей циркуляции цинка и определении местоположения зон этого процесса в объеме печи для современных условий доменной плавки;

— в изучении влияния оксида бора на вязкость доменных шлаков при выплавке ванадиевого и передельного чугунов и разработке технологии их использования в доменной плавке;

— в выработке новых технических решений повышения качества выплавляемого чугуна при низком выходе шлака.

Практическая ценность исследования связана с разработкой нового способа оценки газодинамичесхохо состояния столба шихтовых материалов, разработкой и оп-

робованием в промышленных условиях комплекса новых технологических приемов ведения современной доменной плавки. Под руководством и непосредственном участии автора:

— обоснованы и реализованы рациональные режимы загрузки доменных печей на пониженном до 2,5 м и более уровне засыпи;

— разработана и реализована методика оценки газодинамического состояния столба шихты в целом для доменной печи, а также для ее верхней и нижней зон;

— предложены и реализованы режимы обжига окатышей Соколовско-Сарбайского и Качканарского горно-обогатительных комбинатов с целью улучшения металлургических свойств этого вида железорудного сырья;

— предложены и реализованы изменения в газодинамическом, шлаковом режимах, в режимах загрузки доменных печей при содержании в шихте 50, 75 и 100 % окатышей;

— разработана и реализована технология плавки ванадиевого чугуна в до-иенных печах большого объема (1719 м3 и более) при обогащении дутья кислородом до 26%;

— предложен и реализован комплекс новых технологичесюгх приемов веде-1ия доменной плавки, ослабляющих вредное воздействие оксидов цинка, что потопило решить проблему использования цинкосодержащих железорудных материалов в качестве сырья для доменных печей АО ММК. и АО НТМК;

— предложены новые перспективные технологические и конструктивные )ешения, позволяющие решить проблему получения низкосернистого чугуна непосредственно в доменной печи при малом выходе шлака (220 кг/т чугуна и ме-гее);

— обоснована целесообразность работы доменных печей АО НТМК, вы-итавляющих передельный чугун на агломератах одной основности. Практика в -ечении последних 15 лет подтвердила эту целесообразность;

— усовершенствовано оборудование и предложены новые методы исследо-1аний процессов непосредственно на работающих доменных печах, использова-ше которых позволило осуществить комплексные исследования процессов газо-щнамики, теплообмена и массообмена на доменных печах, а после обобщения

результатов этих исследований предложить новые технологические приемы выплавки чугуна.

Реализация результатов работы. Результаты экспериментальных исследований явились фундаментальной основой для технических решений, позволяющих разработать и внедрить новые и усовершенствовать существующие технологии доменной плавки, реализация которых в условиях работы доменных цехов ОАО ММК и ОАО НТМК дала экономический эффект более 52 млн. рублей в ценах до 1991 года и более 12 млрд. рублей в ценах с 1991 по 1997 годы (экономия кокса более 25 тыс. тонн)-Апробация работы.

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 19 Международных, 36 Всесоюзных конференциях, совещаниях и семинарах. Основные из них следующие:

— Международного уровня. Симпозиум "Аэродинамика доменного процесса", Воллонгонг (Австралия), 1975; б-я конференция доменщиков "Витковице-1979", Острава (Чехословакия), 1979; 8-я конференция доменщиков "Витковице-1989", Острава (Чехословакия), 1989; конференция "Металлургия-92", Краков (Польша), 1992; 1-я конференция по газ-жидким-твердым промышленным реакторам, Огайо, Колумбус (США), 1992; 1-й конгресс доменщиков, Тула (Россия), 1992; 3-й кошресс доменщиков, Новокузнецк, 1995 (Россия); 4-й конгресс доменщиков, Магнитогорск (Россия), 1997; конференции "Научные основы конструирования металлургических печей" , Днепропетровск (Украина), 1993, 1996.

— Всесоюзного уровня. "Теоретические основы металлургии чугуна", Москва, 1974; "Проблемы автоматизированного управления доменным процессом", Киев, с 1971 по 1983 г.г.; "Теория и практика современного доменного производства", Днепропетровск, 1983; "Моделирование процессов в шахтных и доменных печах", Свердловск, 1988; "Средства и системы автоматического контроля и управления технологическими процессами в металлургии", Свердловск, 1991.

Кроме того, материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 15 Республиканских конференциях по металлургии чугуна, на заседаниях технических советов доменных цехов Магнитогорского и Нижнетагильского металлур-

ических комбинатов, коллегии Минчермета СССР с 1965 по 1996 г.г., научных еминарах Института металлургии УрО РАН, Института металлургии АН 'крашгьг, Института металлургии им. акад. И.П.Бардина, ЦНИИЧМ, Уральского нститута металлов.

1убликацин. Материалы диссертации опубликованы в 75 статьях и докладах; по езультатам исследований получено 53 авторских свидетельств и патентов. 1ичный вклад автора. В представленной работе обобщены результаты экспери-¡енталыгых исследований, выполненных автором самостоятельно, а также вместе ; сотрудниками ОАО ММК и ОАО НТМК. Автор являлся научным руководите-[ем этих научно-исследовательских работ. При этом автору принадлежат: поста-ювка проблемы и задач исследований, разработка основных методик проведения 'Кспериментов; непосредственное участие в проведении, интерпретации, обработке и обобщении результатов исследований. Автор также принимал непосред-:твенное участие в создании и реализации новых технологических приемов по товышению эффективности выплавки чугуна.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальные исследования доменной плавки на ММК начались в 1932 году, когда под руководством проф. В.А.Сорокина были выполнены первые измерения расположения слоев железной руды и кокса на колошшгке печи № 1 перед ее задувкой. В 1939-1940 г.г. исследованием магнитогорских печей занимались сотрудники под руководством акад. М.А.Павлова, которым удалось определить форму и скорость опускания уровня засыпи, зафиксировать скорость, температуру и давление газов в шахте и горне, а также отобрать из печи пробы материалов.

Полномасштабные и комплексные экспериментальные исследования тепловых восстановительных, газодинамических процессов, механики движения шихтовых материалов с 1950 г. по 1970 г. были проведены на доменных печах ММК

под руководством проф., д.т.н. H.H. Бабарыкина, а на НТМК — к.т.н. Лазарева Б.Л. В этот период получили широкое распространение методы управления ходом доменных печей сверху, существенно повысились нагрел дутья и давление колошникового газа, улучшилась однородность и восстановимость железорудного сырья, стали применять офлюсованный агломерат и комбинированное дутье. В конце этого периода на доменные печи ММК стали поступать окатыши ССГОК, а в доменных печах НТМК малого объема совместно Институтом металлургии УрО РАН и Уральским институтом металлов успешно осуществлялось освоение плавки ванадиево-титанистых руд КачГОКа. Поскольку все эти мероприятия в той или иной мере оказали влияние на ход теплообменных, восстановительных, газодинамических процессов, то для оценки достигнутых результатов были организованы серии исследований всего технологического процесса выплавки чугуна, начиная с загрузки шихты в печь и кончая выпуском жидких продуктов плавки. В итоге была получена относительно полная характеристика технологического процесса для условии работы доменных печей ОАО ММК и ОАО НТМК того времени, которая совместно с аналогичными исследованиями на других металлургических заводах страны способствовала освоению мощных доменных печей, совершенствованию их конструкции, развитию теории и технологии доменной плавки.

В последующий период на доменных печах ОАО ММК доля окатышей в железорудной части шихты существенно возросла (до 60%); на доменных печах ОАО НТМК появились проблемы плавки высоко- и низкоосновного агломерата; потребовалось освоение и совершенствование технологии ванадиевой плавки на доменных печах большого объема на комбинированном дутье при обогащении дутья кислородом до 26%; усугубилась проблема цинка для многих доменных цехов страны в связи с тем, что в металлургический передел вовлекаются относительно дешевые руды и железосодержащие отходы с большим содержанием цинка; потребовалась разработка новых энергосберегающих и экологически чистых способов получения высококачественных, низкосернистых чугунов непосредственно в доменных печах при малом выходе шлака. Решение этих и других жизненно важных, в первую очередь для черной металлургии Урала, проблем потребовало проведения трудоемких экспериментальных исследований всего комплек-

са процессов »а ряде доменных печен в новых условиях плавки, их обобщения, а также разработки и внедрения на базе этих исследований и обобщений новых технологических приемов выплавки чугуна.

Таким образом, задачи настоящей работы заключались в следующем.

1. Исследование газодинамических свойств шихтовых материалов и анализ закономерностей газодинамических процессов при их плавке в доменных печах ОАО ММК.

2. Комплексные экспериментальные исследования теплообменных, восстановительных и газодинамических процессов в печах при содержании в железорудной части шихты до 100% офлюсованных и неофлгосованных окатышей ССГОКа, оценка эффективности их применения и разработка на этой основе новых технологических приемов ведения доменной плавки. Определение оптимального состава железорудной части шихты для условии работы доменных печей ОАО ММК.

3. Экспериментальные лабораторшле и промышленные исследования, обобщение закономерностей поведения агломератов различной основности в доменной печи, совершенствование на базе этих исследований технологии плавки.

4. Совершенствование и внедрение технологии плавки титаномагнетитового сырья в доменных печах большого объема при обогащении дутья кислородом до 26%.

5. Экспериментальные исследования степени накопления цинка в рабочем пространстве печей, вскрытие механизмов явлений и установление общих закономерностей его поведения. Разработка, опытно-промышленные испытания и внедрение комплекса новых технологических приемов, направленных на ослабление вредного воздействия цинка на показатели доменной плавки.

6. Разработка новых перспективных технических решений, позволяющих повысить качество выплавляемого чугуна в современной доменной плавке при низком выходе шлака.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ

2.1. Исследование газодинамических свойств материалов на моделях доменной печи

Газопроницаемость столба шихты является основной характеристикой газодинамического режима доменной плавки. Текущий контроль газопроницаемости осуществляют, как правило, по перепадам давления газа, измеряемого на отдельных участках по высоте печи.

Применение агломерата и окатышей в доменных печах ММК потребовало в первую очередь исследования газодинамических свойств этих новых для того времени видов железорудного сырья. При этом исходили из того, что "определяющей" по газодинамике для доменных печей ММК являлась в то время их верхняя, так называемая "сухая" зона, а следовательно от размера, формы, удельного веса, поведения материалов в условиях его обработки восстановительными газами зависит газопроницаемость всего столба шихты.

Оценку газодинамических характеристик окатышей и агломерата, их смесей друг с другом и смесей с коксом производили на модели доменной печи полезным объемом 2014 м3, выполненной в масштабе 1:20. Часть экспериментов провели на модели, выполненной в масштабе 1:50. Условия моделирования движения материалов в "сухой" зоне доменной печи были соблюдены за счет геометрического и физического подобия, подбором гранулометрического состава доменных шихт, соответствующим выбором скоростей движения воздуха.

На моделях определяли потери напора для слоев различных железорудных материалов, их смесей, а также смесей этих железорудных материалов с коксом, при этом рудную нагрузку изменяли в широких пределах: от 2 до 6. В процессе проведения экспериментов оценивали влияние факторов движения материалов и скоростей газового потока на величины перепадов давления газа в слое материалов.

Оценка газодинамического состояния слоя материалов осуществлялась так же по величине показателя степени (щ) в формуле Л.К.Рамзина для опреде-леггия потери давления газа (ДР) в плотном слое материалов: ДР =а Ь у/", где а и ш эмпирические коэффициенты, Ь - высота слоя, w — скорость двгокения газового потока, т — характеризует режим движения газового потока (ш=1,2 для ламинарного режима, ш=1,9 для турбулентного). С этой целью измеряли перепады давления газа при двух различных скоростях газового потока, в дальнейшем при допущении а и И =сопз1, рассчитывали т из решения системы алгебраических уравнений.

Смешивание железорудных материалов и кокса на моделях осуществлялось системами загрузки: k4.p1, 1/2 к!р1, кр1, 1/2 кр1. Наименьшее смешивание кокса и железорудной части шихты давала система к!р1, а наибольшее — 1/2 КР1, т.е. когда подача к1р! дробилась на две подачи, а кокс и железорудная часть шихты загружались не отдельными слоями, а совместно.

Результаты исследований представлены на рис. 1. На оси ординат отложены вел!гч1шы потерь давления в слое (в %). За 100% принята величина потерь давления в неподвижном слое кокса фракции 25—10 мм, загруженной в отсутствии воздушного потока. При проведении исследований использовались также окатыши 25—10 мм, бой окатышей 10—3 мм, аглосмеси 25—0 мм.

Фактор движения материалов и увеличение скоростей газового потока вызывали уменьшение потерь давления в слое кокса (25—10мм ), окатышей (25— 10 мм) и боя окатышей (10—3 мм). В слое аглосмеси (25—0 мм) потери напора увеличились по сравнению с теми, которые имели место при загрузке в отсутствии газового потока, хотя после достижения скорости 0,6 м/с потери давления стали уменьшаться. Причина роста потерь давления заключается в более плотной укладке слоя, загруженного в присутствии газового потока, что было установлено измерением высоты слоев, загруженных при наличии газового потока и в его отсутствии. Уменьшение потерь давления при увеличении скорости газового потока связано с разрыхляющим воздействием

Скорость воздушного потока, м/сек Система загрузки

Рис. 1. Влияние скорости воздушного потока (а) и систем загрузки (б) на перепад давления в слое, загруженного в восходящем потоке воздуха (- - -) и без него (------)

5

170

¡й

В-

Ч 150

СУ

к! в 130

0,13

Рч 0.12

0,11

0,26 4 0,245

0,23

к, 89

а

д5

Г = 1,5 час.

а)

35 30

чр 25

о4

£ 20

и

о

м V

15

10 5

. 1 1 2

/ У У. \ \ 1

\ \ / 3

\ \ \

у-. \ \

А \ \

У /

1

б)

Величина показателя ш

Рис.2. Изменение газодинамических параметров во время наполнения воздухонагревателя (а) и частотные диаграммы показателя степени т:

Рл - давление горячего дутья; Рк - давление колошникового газа; Одф - расход дутья на фурму; 1 - печи объемом 1180 и 1300 м3 (наименьшее устойчивое состоя1ше слоя шихты); 2 - 1370 м3; 3 - 2014 м'1 (наибольшее устойчивое состояние слоя шихты)

потока воздуха на слой материалов. При увеличении рудной нагрузки от 2,0 до 6,0 потери давления возрастали в среднем на 1,1% на каждые 0,1 рудной нагрузки при содержании в железорудной части шихты только окатышей и на 4,15% — только агломерата.

Исследованиями установлено уменьшение т для материалов, содержащих большее количество мелочи. Так, усредненные значения этого показателя составили: для кокса — 1,84; аглосмеси — 0,94; кокса и аглосмеси —■ 1,46. Минимальная величина показателя степени (0,94) получена при продувке аглосмеси, содержащей мелочи (фракция — Змм) около 47 %. Для других материалов показатель степени находился в пределах 1,45—1,84, что свидетельствует о наличии турбулентного или переходных режимов движения газового потока в моделях, что подобно таковым режимам в доменной печи.

Известно, что производительность доменной пета можно повысить как за счет увеличения расхода дутья, так и за счет увеличения рудной нагрузки. Из результатов модельных исследований следует, что при использовании окатышей в железорудной части шихты выгоднее повышать производительность за счет увеличения рудной нагрузки, а для смеси агломератов — за счет увеличения количеств дутья, т.к. потери давления при повышении рудной нагрузки увеличивались почти в 4 раза интенсивнее для шихты, содержащей агломерат, чем для шихты с окатышами.

Результаты экспериментальных исследований на моделях показали также, что при использовании окатышей, имеющих меньшее содержание мелочи и более однородный фракционный состав, следует стремиться к послойной загрузке материалов, а интенсивность плавки поднимать за счет увеличения рудной нагрузки, а не за счет увеличения расхода дутья.

После оценки влияния смешивания различных шихт сделали вывод, что при плавке шихты с большим количеством мелочи предпочтение следует отдать системам загрузки, обеспечивающим лучшее смешивание материалов, и наоборот. Этот вывод в дальнейшем подтвердился работой доменной печи обт>-

емом 2700 м3 НТМК, где была создана автоматическая система смешивания материалов в центральной рудной воронке и в скипах.

Эти результаты были использованы в дальнейшем в практике доменной плавки при вводе окатышей в шихту доменных печей ММК, доля которых возросла с 1,84% в 1965 г. до 23,3% в 1968 году.

2.2. Оценка газодинамического состояния столба шихтовых материалов в доменных печах

Обычно напряженность газодинамического режима доменной плавки оценивают по перепадам статического давления на отдельных участках по высоте печи, скоростям фильтрации газового потока, его динамическим давлением в отдельных сечениях печи и др. В зонах с жидкими продуктами плавки дополнительно оценивается плотность орошения коксовой насадки жидкими продуктами плавки. В практике доменной плавки иногда определяют напряженность газодинамического режима работы печи по числу осадок и обрывов шихты, например, за месяц.

Наряду с очевидными достоинствами, эти критерии оценки газодинамического режима имеют общий недостаток — они не универсальны, только их недостаточно применять для сравшггелыгой оценки газодинамики доменных печей, работающих в различных условиях.

Дополнительно отметим, что исходная газопроницаемость загружав 1ОДх в печь материалов может существенно отличаться от газопроницаемости их в реальных условиях доменной плавки. При этом следует учитывать и значительно более сложные условия для движения газового потока в действующих доменных печах по сравнению с теми условиями, которые создаются на моделях или учитываются при расчетах газодинамического режима доменной плавки. Эти обстоятельства делают проблематичным полный перенос результатов исследований на моделях на действующие доменные пета. В связи с этим был разработан новый подход к оценке газодинамического режима доменных печей. Методика оценки базируется на формуле М.А.Стефановича Рд2- Рк2=ЯС>га, где

16

Рд — давление горячего дутья; Рк — давление газа на колошнике печи, X — коэффициент сопротивления шихты; Q — расход дутья.

В методике предполагалось, что при изменении расхода дутья на малых интервалах времени коэффициент сопротивления шихты остается постоянным. При таком допущении показатель степени ш будет характеризовать не только режим движения газов в печи, но и состояние столба штаты.

Для определения состояния столба шихты необходимо измерение величин давления газа на двух горизонтах по высоте печи при различных расходах горячего дутья. При этом значение показателя ш можно определить по выражению m=lg[(P| I 2- Р2 I 2) /(Рш2- P2n2)]/lg(Q|/Qn), где Ри, Рл — давления газа на нижнем и верхнем горизонтах столба шихты при расходе дутья Qi; Рш, Рги — давления газа на этих же горизонтах при расходе дутья Qn.

Для определения ш можно использовать, в частности, снижения количества дутья на выпусках, а также во время наполнения воздухонагревателей при переходе с режима "нагрев" на режим "дутье" (см.рис.2).

На работающих доменных печах вел!гчину т определили для четырех групп печей ММК различных по объему (1180, 1300, 1370 и 2014 м3) при двух различных по величине уменьшениях расхода дутья от его нормального значения: в среднем на 30% и на 15%. Уменьшение расхода дутья на 30% осуществлялось в основном на выпусках чугуна и шлака и при наладке систем загрузки доменных печей, а на 15% - во время наполнения воздухонагревателей при переводе их с режима "нагрев" на режим "дутье". Всего было проанализировано около четырехсот случаев изменений расхода дутья на выпусках и наладках систем загрузки и более четырех тысяч колебаний расхода дутья, обусловленных переключением воздухонаревателей.

Показатель m определяли для различных режимов работы печей, в частности, при увеличении содержания окатышей в шихте до 100%, повышении расхода природного газа от 55 до 75 м3/т чугуна,при отсутствии обогащения дутья кислородом, при различных системах загрузки шихты в доменные печи и для других режимов. Параметр т определялся и для таких периодов работы домен-

нон печи, когда состояние столба шихты было подвержено существенным изменениям, например, при продувах и подвисаннях, в различные периоды накопления и выпуска жидких продуктов плавки и др. Обобщением результатов этих исследований было установлено, что этот показатель колеблется в достаточно широких пределах (0,26—2,0), при этом менее устойчивому состояншо столба шихты соответствует меньшая величина показателя степени т.

Несмотря на очевидные преимущества этого показателя, при анализе газодинамических процессов в доменных печах следует использовать и другие традиционные параметры, оценивающие напряженность газодинамического режима доменной плавки (скорость фильтрации газа, его динамический напор, перепады давления и т.д.).

Анализ исследований газодинамических процессов позволил обосновать целесообразность работы доменных печей на пониженном уровне засыпи. Существовавшая в 60-е годы технологическая инструкция запрещала работать на уробнях засыпи ниже 2,0 м из-за опасений похолодания печи, оползания гарни-сажа с последующей потерей полезной емкости горна и глубоким расстройством хода печи. Необходимость опускания уровня засыпи была обоснована крайне напряженным газодинамическим режимом в верхней части печи. Недостаточное удаление мелочи 5—0 мм из железорудной части шихты, уплотняющее воздействие материалов при опускании подач с большого ко1гуса, более быстрый рост температуры газа в печи, по сравнению с ростом площади поперечного сечения шахты в ее верхней части обусловливали максимум потерь давления в этой зоне. Менее устойчивое состояние столба шихты в этой зоне подтверждалось и меньшей величиной показателя ш. Изменения систем загрузки не давали положительных результатов: печь работала ровнее при разгрузке периферии, но существенно возрастал удельный расход кокса. Опытными плавками в 1967-68 годах на доменной печи №6 ММК установлена целесообразность опускания уровня засыпи с 1,75 м до 2,5 м, что позволило стабилизировать ход доменной печи и сократить расход кокса в среднем на 4 кг/т чугуна. Теоретическое обоснование целесообразности работы доменных печей на

более низких уровнях засыпи, положительные результаты опытных плавок позволили снять существовавший в то время запрет на понижение уровня засыпи не только в доменном цехе ММК, но и в других цехах отрасли.

2.3. Особенности газодинамических режимов доменных печей при содержании в шихте 100% окатышей

Впервые в 1965 году в шихте доменных печей Магнитогорского металлургического комбината появился новый вид железорудного сырья — окатыши Соколовско-Сарбайского горно-обогатительного комбината, которые сначала офлюсовывались известняком, а затем с 1969 года — доломитом. Окатыши Качканарского горно-обогатительного комбината стали поступать в доменный цех НТМК в 1970 году.

Технологи, как и ученые, ожидали, что переход с агломерата на окатыши в значительной мере улучшит газодинамику доменной плавки. Форма шара исключала зависимость газопроницаемости от ориентации окатышей под воздействием газового потока, а содержание мелких фракций в исходном состоянии окатышей было в 4—5 раз меньше, чем в агломерате (содержание этих фракций в агломерате ММК в 1965-1966 годах было 22,2—28,8%, а в окатышах — 6,2%). Окатыши имели также большую насыпную массу по сравнению с агломератом: 2,25 и 1,80 т/м3 соответственно. Более высокое содержание железа в окатышах также рассматривалось как положительный фактор в газодинамике доменной плавки, т.к. снижение выхода шлака улучшает газопроницаемость слоя шихты в нижней части печи.

Однако, уже первые опытные плавки окатышей не подтвердили эти ожидания. Напротив, печь теряла устойчивость хода, и для обеспечения ровной работы приходилось даже уменьшать расход дутья. В первые годы такое несоответствие объясняли недостаточно отработанной технологией производства окатышей. Действительно, содержание мелочи в окатышах ССГОК колебалось в довольно широких пределах (от 17,6 до 42,0 % по данным рассевов в доменном цехе ММК и в среднем за 1965 год содержание фракции - 5 мм в окатышах

составило 25,5%). Содержание фракции -5 мм н агломератах местных аглофаб-рнк было стабильным и за 1965 год изменялось в пределах от 22,6 до 23,9%,

Со второй половины 1966 года, после перехода на обжиг окатышей природным газом вместо мазута, содержание мелочи в окатышах снизилось до 6,2%, а к 1968 г. до 5,6%. Дальнейшее совершенствование технологии обжига окатышей привело к снижению мелочи (-5мм) до 2,6% и ниже. Таким образом, преимущества окатышей в отношении содержания мелочи возросли еще больше, но ровность хода доменных печей при работе на одних окатышах остается и сегодня хуже, чем при работе на агломерате, который содержит мелочи почти в 6 раз больше(соответственно 2,6 и 15,3%).

Исследование металлургических свойств окатышей, т.е. поведения их и условиях доменной плавки, показали, что в процессе нагрева и восстановления окатыши, в результате изменения кристаллической решетки, увеличивают свой первоначальный объем ("разбухают") и разрушаются с большим выделением мелочи.

Отбор проб материалов из доменных печей ММК показал, что на верхнем горизонте (примерно на 2 м ниже поверхности засыпи) преимущества окатышей перед агломератом по содержашпо мелочи нивелируются, а на среднем горизонте, который расположен примерно на 8 м ниже уровня засыпи, содержание мелочи в окатышах становится почти на 42% (относительных) больше, чем в агломерате (см.табл.1).

В нижней части печи, в зоне размягчения материалов и образования первичных и промежуточных шлаков, окатыши полностью теряют преимущества перед агломератом, которые они имели в исходном состоянии и на верхних горизонтах шахты доменной печи. А именно: интервал температур размягчения у окатышей больше примерно на 30—50 °С, при этом растет от 10,8—11,2% до 13,8—14,5% содержание глинозема (А120з) в них, в результате чего окатыши, оплавляясь с поверхнретн, теряют восстановимость и слипаются в друзы.

Большая часть ока,тьццец, обладая лучшей восстановимостыо, восстанавливается, разбухаел и. разрушается с выделением пылеватых фракций (менее

1—3 мм). В связи с этим в зоне плавления могут иметь место гетерогенные массы шлака, которые налипают на стенки сохранившейся кладки и на холодильники, образуя мощный гарниссаж. Это приводит к уменьшению полезного объема металлоприемника. Хотя выход жидких продуктов плавки сокращается примерно на 120г^/^н интенсивность орошения коксовой насадки жидкими продуктами плавки становится меньше, чем при плавке агломерата, по газодинамическим параметрам печь работает на окатышах с большей напряженностью в нижней части, чем на агломерате. Оценка состояния столба шихты в нижней масти и для печи в целом по показателю степени ш также подтвердила менее устойчивую работу доменных печей при плавке окатышей. Пределы колебании показателя ш были больше, а средняя величина была меньше, чем при плавке 100% агломерата.

При содержании в шихте до 20% окатышей заметных изменении в распределении газового потока по радиусу доменных печей выявлено не было. Принципы регулирования хода доменных печей "сверху", т.е. через изменение режима загрузки материалов в печь, сохранились в основном прежними. В то же время, чтобы избежать чрезмерной рудной нагрузки в периферийном кольце сечения колошника, первым скипом окатыши старались не давать. Окатыши загружали отдельной подачей (основной режим работы) или давали их вторым и третьим скипами (если грузили в смеси с агломератом в одной подаче).

Наиболее существенные изменения в характере газораспределения обнаружились при проведении опытных плавок с содержанием в ппгхте более 50% окатышей. С ростом доли окатышей в- шихте содержание С02 в центре печи снижалось. Причем, кривая распределения диоксида углерода по радиусу колошника, характерная для окатышей, проявлялась довольно быстро, обьпто через 2+3 часа. При плавке 100% окатышей содержание С02 в центре печи уменьшалось примерно с 11,0 до 2,0 %. Максимальное содержание С02 на кривой распределения по радиусу колошника смешалось от центра к периферии примерно на 300 мм (см.рис.3). Аналогичные закономерности были обнаружены в дальнейшем и на доменных печах НТМК.

Имея более однородный состав, больший насыпной вес, меньше мелочи (5 мм), окатыши ссыпались с большого конуса в виде узкого кольца, которое, попадая на ранее загруженную поверхность материалов, вызывало смещение

более легкого кокса н агломерата к периферии и к центру колошника. Неравномерному газораспределению по радиусу печи (особенно при содержании в шнхте 100% окатышей) способствовал фактор снижения выхода шлака, т.к. содержание железа в окатышах в то время было на б-т-8% выше, чем в агломерате местных фабрик.

Выявленные особенности газодинамического режима при плавке 100% окатышей в шнхте позволили сформулировать принцип составления железорудной части шихты для доменных печей ОАО ММК и ОАО НТМК. Следует увеличивать долю окатышей для печей большого объема, которые работают по условиям газодинамики процесса более напряженно в верхней части печи и имеют некоторый газодинамический резерв "по низу". По этой же причине при плавке агломератов следует агломерат с меньшим содержанием мелочи (-5 мм) в большей степени загружать в шихту доменных печей большего объема.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА ПРИ ПЛАВКЕ РАЗЛИЧНОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ И РАЗРАБОТКА НА ЭТОЙ ОСНОВЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ВЕДЕНИЯ ПЛАВКИ

3.1. Особенности процессов в доменных печах при содержании в шнхте до 100% неофлюсованных окатышей ССГОК

Неофлюсованные окатыши ССГОК стали поступать в доменный цех ММК с 1972 года. Они имели существенные преимущества перед агломератом: содержали железа почти на 10% больше, а мелочи класса 0—5 мм и серы — почти в пять раз меньше. Гранулометрический состав их тоже был более равномерным, окатыши в основном были представлены фракцией 10—15 мм. при среднем диаметре — 12 мм.

Впервые в отечественной практике в период с сентября 1974 г. по январь 1975 г. на доменной печи объемом 1370 мЗ провели опытные плавки с увеличением доли неофлюсованных окатышей в шихте с 30 до100%. Опыты закончили проплавкой 100% офлюсованного агломерата с целью уточнения особенностей поведения в печи неофлюсованных окатышей в сравнении с агломератом и выявления необычных в то время для ММК отклонений от нормального хода технологического процесса, наблюдаемых с момента проплавки материалов различной основности.

Таблица 1

Изменение фракции +5 мм в материалах по высоте печи № 7

Горизонт измерения Содержание фракции +5 мм, %

окатыши агломерат

в исходном сырье 94,6 75,6

на верхнем горизонте 58,3 52,9

на среднем горизонте 39,4 46,0

Рис.3. Распределение диоксида углерода по диаметру колошника при различном содержании окатышей (а) и его динамйка (б)

В состав рудной сыпн, кроме неофлюсованных окатышей, входили офлюсованный агломерате модулем основности В=1,60 и более (раньше - при производстве основных окатышей - В= 1,35-1,45), а также небольшие добавки местной руды. Известняк применяли для корректировки основности шлака.

В ходе экспериментов измеряли на двух горизонтах по высоте печи температуры и состав газа, отбирали пробы материала, осуществляли вертикальное зондирование. При проведении исследований был разработал и использовался комплекс новых методов экспериментального исследования доменного процесса, который позволил повысить представительность экспериментальных даш!ых и получить большую объективность информации о процессах, происходящих в действующих доменных печах. Новизна и оригинальность этих методов подтверждена авторскими свидетельствами. Применение этих методов позволило, в частности, устранить возможность окисления горячих проб железорудных материалов, отобранных на средних и нижних горизонтах шахты, определять боковое давление шихты, контролировать температуры и состав газа по высоте и радиусу печи.

Общую продолжительность опытных плавок разделили на четыре периода, длительностью каждого не менее одного месяца. В качестве контрольного использовали период, когда содержание в шихте неофлюсованных окатышей составило 28% (обычный состав шихты на доменных печах комбината для того времени).

Средний размер куска рудной сыпи при плавке окатышей был почти в два раза больше, чем при плавке агломерата (10,2 и 5,9 мм). Мелочи 5—0 мм в рудном гребне при плавке неофлюсованных окатышей содержалось примерно в пять раз меньше, чем при плавке агломерата, но мелочь агломерата распределялась по радиусу печи более равномерно (см.рис. 4).

Изменение гранулометрического состава материалов по мере их опускания в нижние горизонты печи подтвердило тенденцию к стабилизации гранулометрического состава агломерата и отсутствие этого свойства у окатышей. Так, уменьшение доли фракции крупнее 10 мм на 1 м высоты в верхней зоне печи (высотой 2 м) при плавке окатышей составило 17,5%, а на участке между верхним и средним горизонтами (высотой 5,6 м) — 2,5%. Для агломерата показатели составили соответственно 15,5 и 1,25% на 1 м в верхней и средней зоне Аечн.

Расстояние от кладки, м

Рис.4. Распределение мелочи класса 5-0 мм по радиусу верхнего горизонта в периоды 1-0%; 11-30%; 111-50%; IV-"! 00% окатышей

Несмотря на улучшение газопроницаемости столба шихты в верхней части печи при плавке неофлюсованных окатышей, колебания верхнего перепада давления газа были более значительными, хотя абсолютная величииа его была на 24,3% меньше, чем при плавке агломерата.

Плавка неофлюсованных окатышей привела к понижению температуры в верхней части шахты и замедлению восстановительных процессов (см.рис. 5—7). В итоге разрушение сырья при восстановлении в верхней части печи уменьшается, и возрастает газопроницаемость этого участка, тогда как газопроницаемость нижней части столба шихты значительно ухудшается из-за более низкой температуры плавления и более широкого интервала размягчения пустой породы неофлюсованных окатышей.

Степень восстановления неофлюсованных окатышей составляла 36—38%, что на 16% ниже, чем у офлюсованных (52—54%), и на 10% ниже, чем у агломерата (46—48%).

На верхнем горизонте неофлюсованные окатыши в большинстве случаев со-' хранили первоначальный внешний вид, исходные показатели прочности и количество кислорода с оксидами железа. В зонах максимальных рудных нагрузок восстановительный процесс не начался даже для высшего оксида Ре20з.

25

На периферии, где степень восстановления достигала 8—10%, часть неофлю-сованных окатышей была разрушена, а сохранившиеся целые гранулы имели трещины и поврежденные участки поверхности. Мелкие фракции окатышей (10— 5мм) были восстановлены в среднем на 12%. Имея более низкую степень восстановления, неофлюсованные окатыши на верхнем горизонте отличались от офлюсованных большей прочностью (см.рис. 6). На среднем горизонте неофлюсованные окатыши имели примерно в два раза меньшую степень восстановления, чем офлюсованные в опытных плавках при содержании в железорудной части шихты 100 % окатышей.

Рис.5. Изменение температуры газа по радиусу верхнего горизонта и содержания диоксида углерода в нем при плавке агломерата (1) и неофлюсованных (2) окатышей

Температура газа в верхней зоне печи с увеличением доли неофлюсованных окатышей понижалась, а в средней и нижней зонах — повышалась (см.рис. 7). Понижение нагрева объясняется разной температурой загружаемых в печь неофлюсованных окатышей (0—200 °С) и агломерата (500—600°С), а повышение — характером теплообменных и восстановительных процессов, свойственных проплавке различного вида железорудного сырья.

и100

ь:

О

"(3 * 80

о

о 60

о о.

С 40

40

Ш 20 О

2 / \ / у/ 1

____

0 12 3

Расстояние от кладки,м

Рис.б. Прочность (П) и степень восстановления (СВ) офлюсованных (1) и неофлюсованных (2) окатышей на верхнем горизонте

Расход углерода в шахте возрастал по мере увеличения в шихте доли неофлюсованных окатышей и в период плавки одних окатышей составил 93 кг/т чугуна вместо 73,5 кг/т чугуна в контрольном периоде. В связи с этим почти весь перерасход кокса при плавке 100 % неофлюсованных окатышей следует объяснить взаимодействием его с диоксидом углерода в шахте. Повышенное развитие реакций прямого восстановления явилось главной причиной роста удельного расхода кокса при плавке 100% неофлюсованных окатышей.

Применение неофлюсованных окатышей привело к изменению процесса шлакообразования и к поступлению повышенных количеств оксида железа в зону образования первичных шлаков. Температура плавления этих шлаков и стойкость формируемого на их основе защитного слоя гарнисажа снизились.

Температура,°С

Рис.7. Изменение температуры газа по высоте печи при плавке офлюсованных (00) и неофлюсованных (НО) окатышей и офлюсованного агломерата (ОА)

Несмотря на уменьшение верхнего перепада с 40 до 35 кПа, нюкний перепад возрос с 87 до 105 кПа, а общий -— с 127 до 135 кПа (при полной замене агломерата неофлюсованными окатышами). Значительно возросли колебания перепадов, в особенности нижнего, и колебания нагрева горна. Повышенная напряженность газодинамических условий в нижней части пета приводила к продувам, в месте которых значительно возростапи температуры, что обуславливало оплавление и оползание гарнисажа, имеющего пониженную температуру плавления. С увеличением доли неофлюсованных окатышей ухудшаются защитные свойства гарнисажа и чаще прогорают холодильники в нижней части шахтьг, распаре и заплечиках. Это вызвано образованием кислых первичных шлаков с высоким (25—40%) содержанием закиси железа. Уменьшение толщины гарнисажа с ростом доли неофлюсованных окатышей обуславливалось также увеличением бокового давления шихты. Действительно, газопроницаемость столба шихты в верхней части при замене агломерата такими окатышами возрастала, а следовательно, увелтггавался и актив-

ный вес пшхты, который через повышенное боковое давление оказывал большее истирающее воздействие на защитный слой гарнисажа.

Более стойкий гарнисаж при плавке офлюсованных окатышей объяснялся меньшим содержанием закиси железа в первичных шлаках, имевших более высокую температуру плавления. Сформированный на базе этих шлаков гарнисаж . меньше подвергался воздействию повышенных температур, наблюдавшихся при возникновении продувов и неровном ходе печи.

Отмеченные факторы сыграли определяющую роль в уменьшении продолжительности кампаний доменных печей ММК между ремонтами второго разряда в 1,5—2,0 раза при замене офлюсованных окатышей неофлюсованными.

Увеличение доли неофлюсованных окатышей с 28 до 100% повысило содержание железа в шихте на 4,2 % (до 61,4%) и на 7,3% (до 64,7%) соответственно с учетом и без учета оксида кальция флюса. Фактическая среднесуточная выплавка чугуна возросла всего на 64 т (до 3054 т), а действительньш удельный расход кокса повысился на 20 кг/т чугуна (до 484 кг/т чугуна) без существенного изменения качества чугуна.

Таким образом, ухудшение технико-экономических показателей работы доменной печи при содержании в шихте более 30% неофлюсованных окатышей обусловлено в основном худшей их восстановимостью, большей окисленностью шихты и меньшей газопроницаемостью нижней части столба материалов, что вызывает более частые колебания теплового состояния горна и ухудшает использование теплового и восстановительного потенциала газового потока. Учитывая неблагоприятное влияние неофлюсованных окатышей, производимых в то время на ССГОК, на показатели плавки и состояние доменных печей и необходимость установления оптимального состава шихты для ММК, перспективной до 2000г., принято было считать железорудную часть шихты, содержащую 30% окатышей и 70% агломерата. Эти рекомендации и были, в основном, выдержаны в последующие годы.

3.2. Совершенствование технологии плавки на основе исследования поведения агломератов различной основности и доменной печи

Переход на производство агломератов с модулем основности (В), равным 1,8—2,0 на Высокогорской (ВФ) и модулем основности 0,90 на Лебяжинской агло-фабриках (ЛФ) НТМК был осуществлен в 1967-68 гг. с целью увеличения прочности обоих видов агломерата и снижения содержания в них мелочи (-5 мм). В те годы количество агломерата КГОК было незначительным, окатыши еще не производились, а качество агломерата местных фабрик по содержанию мелочи (-5 мм) характеризовалось в среднем более 16%, а в отдельных партиях — более 20%. Требования по содержанию серы в чугуне вызвали необходимость увеличить модуль основности агломерата до 1,40, при котором механическая прочность снижалась до минимума. В связи с этим решено было производить два вида агломерата: низко- и высокоосновный, что позволяло повысить его прочность и сократить содержание мелочи на 3,5—3,9% абсолютных (25% относительных). При шихтовке в доменном цехе, маневрируя различными расходами низко- н высокоосновного агломератов, выдерживали нужную основность шлаков. Наряду с улучшением технико-экономических показателей работы доменных печей при переходе на плавку двухосновного агломерата ухудшилось качество чугуна. Содержание серы в чугуне возросло с 0,023 до 0,027 %, несмотря на повышение основности шлака с 0,982 до 0,992. Организация доменного процесса при наличии двух сортов агломерата, отличающихся друг от друга по основности, содержанию железа, исключила их взаимозаменяемость. Поэтому для бесперебойного обеспечения доменных печей вынуждены были иметь запасы на рудном дворе обоих видов агломерата. Высокоосновный агломерат в процессе хранения распадался под воздействием влаги, т.к. в нем имелось некоторое количество свободной СаО. При распаде агломерата количество мелочи возрастало с 12—15% до 23% и более, что приводило к ухудшению газопроницаемости столба шихты.

К 1980 году изменения в подготовке сырья к доменной плавке, состава шихты привели к тому, что определяющей зоной для доменн£>гх йечен НТМК стала не верхняя, а нижняя часть столба шихты. При использован™ низко- и высокооснов-

ного агломератов процессы шлакообразования в доменной печи были растянуты по высоте, что вызывало напряженность газодинамики в нижней части печи.

Таким образом, наличие двух агломератов с различной основностью явилось отрицательным фактором доменной плавки. Напрашивалась целесообразность организации производства одноосновного агломерата с В=1,3, однако это потребовало комплексного исследования поведения агломератов как в лабораторных условиях, так и на действующих доменных печах .

Как показали лабораторные исследования низкоосновные и высокоосновные агломераты существенно различались по температурам размягчения и плавления (см.рис.8). Агломерат с В=0,9 размягчался и плавился при температурах 1050— 1115 С и 1330—1340 °С. Первичный шлак при плавлении содержал большое количество закиси железа (11,5—13,0%), а поэтому сильно вспенивался и плохо фильтровался через коксовую насадку. Агломерат ВФ с В=2,0 размягчался медленнее: при температуре 1340 °С из него выделялся лишь металл, а пустая порода окончательно расплавлялась при 1480 °С. Однако, даже при нагреве до 1600 °С фильтровалось только 20 % шлака. У одноосновных агломератов высокотемпературные характеристики и свойства первичных продуктов плавки улучшились. Содержание закиси железа в шлаке снизилось до 5,7—9,6%. Он стал более подвижным с уменьшением температурного интервала фильтрации с 40—85 до 20—35 °С (см. табл. 2). Общим показателем свойств сырья при высоких температурах (более 1000 °С) является интервал пластично-вязкого состояния (ИПВС) — разность между температурами окончания фильтрации продуктов плавки и начала размягчения материалов. Этот показатель у одноосновного агломерата существенно уменьшился (см.табл.З), что позволило предположить сужение по высоте столба шихты зоны пластично-вязкого состояния материалов.

Исследования отдельных гранул агломератов размером 12—15 мм с различной степенью офлюсования позволило выявить более высокое сопротивление сжатию у агломератов с В=1,3 (см. табл.4). Степени восстановления разноосновных . агломератов при нагреве до 900 °С в атмосфере газа переменного состава (СО=28,3—35,2%; Н2=2,0—2,6%; Ы2=49,7—62,2%) различались незначительно,

при этом значение остаточной прочности агломератов ВФ и ЛФ с В=1,3 осталось на достаточно высоком уровне.

Рис.8. Изменение усадки гранул агломерата при нагреве под нагрузкой 20 Н/образец (цифры у кривых — основность агломерата)

Таблица 2

Температура начала и окончания фильтрации для агломератов и их смесей, С

В ВФ ЛФ 40%ВФ+60%ЛФ

0,9 — 1375— 1415 1405— 1485

2,0 1515— 1600 — —

1,3 1435— 1465 1480— 1500 1462— 1486

Таблица 3

Интервал пластично-вязкого состояния агломератов и их смесей

В ВФ ЛФ 40%ВФ+60%ЛФ

0,9 — 345 375

2,0 435 — —

1,3 330 315 321

Таблица 4

Сопротивление сжатию агломератов, Н/образец

В ВФ ЛФ

0,9 — 598

2,0 765 —

1,3 820 1120

В дальнейшем производились исследования поведения агломерата на действующей доменной печи. Исследования проводили на доменной печи № 6 НТМК полезным объемом 2700 м3. В процессе исследований на двух горизонтах шахты, на расстоянии 2,5 м (I) и 6,8 м (II) от поверхности засыпи измеряли состав, температуры газа, осуществляли отбор проб материалов. Эти исследования подтвердили результаты лабораторных опытов. Так, с учетом более высоких прочностных характеристик агломератов с В=1,8 и В=0,9 в исходном состоянии, можно предположить несколько меньшее образование мелочи на ropraoirre П шахты. Однако, раннее размягчение агломерата с В=0,9 и позднее расплавление шлаковой составляющей у агломерата с В=1,8 способствовали образованию конгломератов уже в нижней половине шахты, что ухудшало газопроницаемость шихты. В этом отношении агломераты с равной основностью имеют значительное преимущество. Уменьшение интервала пластично-вязкого состояния агломератов на 25—105 °С улучшило газодинамические условия плавки в нижней части шахты. В итоге производительность печи возросла на 2,0%, а удельный расход кокса снизился на 1,6%.

Использование одноосновного агломерата в доменных печах позволило при пониженной основности шлака добиться снижения содержания серы с 0,028 до 0,022%. В дальнейшем после некоторого улучшения прочностных характеристик одноосновного агломерата и повышения основности шлака с 1,09 до 1,12 содержание серы в чугуне уменьшилось до 0,019%.

В дальнейшем была осуществлена замена разноосновных агломератов одноосновными на доменных печах № 3, 4 и 5 полезным объемом соответствешю 1513, 1513 и 1719 м3. Первый месяц работы на новом сырье показал, что сход шихты , стал более ровным, колебания по содержанию кремния в чугуне и основности шлака не увеличились, несмотря на снижение показателя Б+5 в агломератах на 3,5% и

повышение мелочи класса 5—0 мм на 1,3 %. Это связано с улучшением газодинамических условий в нижней части печи: перепад давления газа между фурмами и колошником сократился на 0,002—0,004 Мпа. Уменьшения интервала пластично-вязкого состояния агломератов па 25—105 °С и зоны когезш! улучшило газодинамические условия плавки в нижней части шахты.

Организация производства агломерата с модулем основности 1,2—1,3 на Высокогорской и Лебяжинской аглофабриках дала возможность в условиях НТМК повысить производство чугуна на 2,0—2,5% и сократить расход кокса на 1,6 % при понижении содержания серы в мартеновском чугуне с 0,028 до 0,018—0,020% .

3.3. Совершенствование технологии доменной плавки титаномагнетнтового сырья при обогащении дутья кислородом

Освоение плавки ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд Качканарско-

го горно-обогатительного комбината началось в 1964 году на печах малого объема (1242 м3). Теоретические основы доменной плавки титаномагнетитовых руд были сформулированы сотрудниками доменной лаборатории ЦЛК комбината под руководством к.т.н. Лазарева Б.Л. и сотрудниками лаборатории пнрометаллургических восстановительных процессов института Металлургии УрО РАН под руководством д.т.н. Шаврина C.B. Опытные плавки титаномагнетнтового железорудного сырья проводились при непосредственном участии работников АО НТМК: В.Г.Удовенко, В.М.Антонова, В.М. Баранова, М.А.Третьякова, А.А.Бужинского и др.

В результате этих исследований было установлено, что основные сложности проплавки титаномагнетитовых руд в доменной печи обусловлены особенностями высокотемпературного восстановления оксидов титана и образованием тугоплавких соединений на основе трех- и, особенно, двухвалентного титана. Все изменения процесса, приводящие к повышению температур в нижней части печи и пребывания в ней расплава, вызывают ухудпшше хода доменной плавки.

Существенную роль в восстановлении оксидов титана играет фактор времени, т.к. для большей степени восстановления не хватает времени пребывания жидких продуктов плавки в зоне высоких температур. В связи с этим задержка с отработкой жидких продуктов плавки, неполная их отработка увеличивают время пребы-

вания оксидов титана в высокотемпературной зоне печи, что приводит к росту степени восстановления оксидов титана, к образованию оксикарботитаношлридов. Последние скапливаются на контактных поверхностях "металл-шлак" и "кокс-шлак" в зонах повышенных температур. При этом нарушается коагуляция капель металла, растет адгезия металла к шлаку и шлака к коксу, что в конечном счете ведет к загромождению горна и к расстройству хода печи. Эта причина не позволяет выплавлять ванадиевые чугуны в доменных печах объемом более 1500 м3. На НТМК более десяти раз пытались перевести доменные печи объемом 1719 и 2700 м3 на выплавку ванадиевого чугуна, и все они давали отрицательные результаты по причинам загромождения и потерь полезной емкости металлоприемника. В связи с этим, реализация непрерывного выпуска продуктов плавки на печи, выплавляющей ванадиевый чугун, безусловно принесла бы положительный эффект, особенно при выплавке ванадиевых чугунов на печах объемом более 2000 м3. Для улучшения подвижности шлака и локализации процессов загромождения горна кампания выплавки ванадиевого чугуна (в первые годы освоения технологии доменной плавки ванадийсодержащего сырья) ограничивалась несколькими месяцами, а чтобы "размыть" тугоплавкие соединения и освободить горн от зарастания, печь переводили на выплавку обычного мартеновского чугуна, что естественно понижало экономичность плавки. С целью ограничения восстановительных процессов и образования тугоплавких соединений технология плавки титаномагнетитовых руд требует ограничения температурного потенциала высокотемпературных зон в доменной печи. Ванадиевая плавка осуществляется при минимальном запасе тепла, необходимого для обеспечения текучести и подвижности продуктов плавки, поэтому содержание кремния в чугуне поддерлшвается на уровне 0,10—0,20%. Такие ограничения по тепловому состоянию высокотемпературной зоны печи отрицательно сказываются на процессах обессеривания, т.к. обессеривающая способность шлака при выплавке ванадиевого чугуна значительно ш(5ке, tifcM При выплавке мартеновского. В связи с этим, решающийй факторами в организации дб&ешю'т процесса при выплавке ванадиевого чугуна является o6étñé4íitóe стабильности и надежности контроля входных параметров доменной плаЬки, а также высокий уровень культуры технологии ведения доменной плавки.

Требования пониженного нагрева горна при ванадиевой плавке осложняют использование дутья, обогащенного кислородом. Обогащать дутье кислородом на НТМК начали в 1970-х годах. Если освоение производства мартеновского чугуна на комбинированном дутье проходило без особых трудностей, то.при выплавке ванадиевого чутуна ожидаемого эффекта от применения кислорода получено не было из-за возросших потерь металла со шлаком. Для устранения этого отрицательного явления в 1979-1982 годах сократили расход природного газа с 95—105 до 85—95 м3/чутуна и увеличили теоретическую температуру горения на фурмах с 1910—1990 °С до 2100°С, но эти меры оказались недостаточными. Значительные колебания давления в кислородопроводе и неудовлетворительная работа газоанализаторов, а также неудовлетворительное техническое состояние доменных печей не позволили повысить содержание кислорода в дутье свыше 23%.

С целью отработки технологии ванадиевой плавки на дутье высоких параметров была внедрена система автоматического регулирования содержания кислорода в дутье на электрохимических датчиках конструкции Урапэнергочермета, пересмотрены технические условия на поставку агломерата и внедрена технология обжига окатышей с частичной диссоциацией гематита.

Экспериментальные исследования были проведены на доменной печи № 1 НТМК полезным объемом 1242 м3 в феврале — октябре 1984 года. Было выделено пять периодов работы лечи при изменении содержания кислорода в дутье от 21,2 до 25,6 % (см.табл. 5 ). В период 1 без обогащения дутья кислородом материалы опускали в печь по системе РРКК, когда расстояние от нижнего положения конуса до поверхности засыпи достигало 1,75 — 2,0 м. В периодах 2—4 увеличили долю окатышей с 46,8 до 64—69,1%, а массу рудной подачи с 20 до 22 т и повысили тео-ретэтескуго температуру горения с 1870 °С до 1987—2095 °С. В периоде 2 частичную компенсацию повышения теоретической температуры горения в фурменном очаге при обогащении дутья кислородом производили паром, а в других периодах — природным газом. Норма компенсации (ПГ/02) в периодах 2—5 составила со- ■ ответственно: 0,017; 0,08; 0,17; 0,24. Период 5 соответствовал полной отработке технологии ванадиевой плавки при обогащении дутья кислородом.

В период исследований осуществлялись измерения температур, отбор проб материалов и газов на трех горизонтах шахты, удаленных от поверхности засыпи на расстояние 1,0 (I), 7,9 (II) и 16,1 м (III), а также вертикальное зондирование на расстоянии 0,2 м от стенки колошника.

На распределение температур и состава газа по высоте и радиусу пета основное влияние оказали увеличение в рудной части шихты доли относительно тяжелых (1,97 — 2,04 т/м3) окатышей за счет более легкого (1,8 — 1,83 т/м3) агломерата, распределение материалов на колошнике и изменение расхода теплоносителя при обогащении дутья кислородом.

При увеличении доли окатышей и содержания кислорода в дутье снизились температуры колошникового газа в периодах 1—4 с 239 °С до 171—196 °С, при одновременном повышении степени использования оксида углерода с 0,476 до 0,483—0,490. В периодах 2—4 доля окатышей в шихте была примерно одинаковой, загружали материалы в печь в одинаковой очередности, однако в периоде 2 перепад давления газа между воздушными фурмами и колошником поддерживали наименьшим (0,112 МПа) , что вызвало некоторое развитие периферийного газового потока и сохранения температурного поля в виде W, как и в периоде 1 (см.рис.9). В периоде 3 снизили давление газа под колошником с 0,139 до 0,129 МПа, увеличив общий перепад до 0,122 МПа, в итоге температура газа у стенки шахты снизилась с 310 до 210°С, а W-образное температурное поле деформировалось в Л-образное. Такой характер температурного поля сохранился и на остальных горизонтах.

В периоде 1 процессы непрямого восстановления протекали достаточно интенсивно и заканчивались на меньшем удалении от поверхности засыпи. В итоге повышалась температура газа по всему сечению верхней части печи. Согласно данным вертикального зондирования (см.рнс.Ю) здесь имелось два изотермических участка при 650 и 850 °С протяженностью 5,0 и 1,5 м. По мере увеличения содержания кислорода в дутье эти участки общей протяженностью 6,5 м сократились до одного, с увеличением его длины с 2,5 (период 3) до 8,0 м (период 4) и перемещением границы верхний ступени теплообмена в нижние горизонты на 1,5 — 2,5 м.

Таблица 5

Показатели работы доменной печи № 1 при различном обогащении дутья кислородом в периодах 1-5

Показатель 1 2 3 4 5

Массовая доля кисло-

рода в дутье, % 21,2 22,5 24,5 25,6 25,1

Продолжительность

периода, сут. 27 16 21 34 22

Производительность,

т/сут 2620 2667 2719 2789 2853

Расход материалов на т

чугуна:

кокса сухого, кг 462 454 439 436 435

природного газа,

м3/т чугуна 103 102 99 101 93

Состав рудной сыпи

(массовая доля, %):

агломерата КГОК 44,9 30,4 29,9 36,0 69,9

агломерата ЛФ 8,3 - 0,4 - 4,4

окатышей 46,8 69,6 69,7 64,0 25,7

Массовая доля железа в

рудной сыпи, % 57,4 58,1 58,1 58,0 57,2

Дутье:

О/-* температура, С 1157 1165 1159 1158 1167

давление, МПа 0,259 0,251 0,251 0,248 0,218

влажность, г/м3 10,8 21,1 14,2 11,9 11,0

Колошниковый газ:

температура, °С 239 175 196 171 174

давление, МПа 0,139 0,139 0,129 0,132 0,086

массовая доля, %:

С02 17,4 18,6 20,1 20,7 20,7

СО 19,2 19,9 21,3 21,5 21,6

н2 5,7 6,8 7,1 7,5 6,5

Массовая доля в чугу-

не, %:

0,16 0,19 0,19 0,20 0,20

Б 0,025 0,026 0,022 0,020 0,023

V 0,432 0,469 0,454 0,444 0,444

Т1 0,19 0,23 0,125 0,26 0,23

Тг, °с 1869 1987 2049 2095 2031

и 20,4 20,0 24,5 26,0 25,7

ИВ, % 73,2 79,5 84,2 79,7 85,4

Прирост производства

чугуна на 1 % содержа-

ния кислорода в дутье 0,1 1,10 1,10 2,1

Расстояние от кладки, м

Рис.9. Изменение содержания СОг, степени использования оксида углерода (т]Со) и температуры газа (0 по радиусу I горизонта (г) в периодах 1-4

В итоге степень использования оксида углерода увеличилась, достигнув в периоде 4 на расстоянии 3—6 м от поверхности засыпи максимальной величины 0,55 — 0,56. Уменьшение степени использования оксида углерода в поверхностном слое свидетельствует об улучшении работы центральной части печи в периодах 3—4, а уменьшение общего перепада давления в периоде 4 позволило утверждать, что кривая распределения диоксида углерода по радиусу 1 горизонта не является предельной и имеются резервы дальнейшего повышения использования химической энергии газового потока путем увеличения числа прямых подач с 5 до 7.

Степень восстановления (СВ) железорудных материалов (см.рис. 11) соответ-РХдовала распределению температур и состава газа по радиусу и высоте печи. На 1

горизонте средняя СВ была наибольшей в периоде 1 и одинаковой в периодах 2 и 3. В периоде 1 материалы, имея большую скорость восстановления на 1 м высоты, разрушались сильнее в периферийной части. В периодах 2 — 3 скорость восстановления сырья была одинаковой, однако более высокая исходная прочность окатышей в периоде 2 позволила сохранить более крупный зерновой состав материалов.

В периоде 1 образовавшийся от пиролиза несгоревшего метана в фурменном очаге сажистый углерод уменьшал жидкоподвижность и обессеривающую способность шлака, поэтому коэффициент распределения серы между шлаком и чугун ом (Ь,), а так же извлечение ванадия ИВ (отношение содержания ванадия в чугуне к приходу ванадия) были наименьшими. В последующий период предположение об обеспечении необходимой жидкоподвижности шлака от сокращения количества мелкодисперсного углерода не подтвердилось на практике, по-видимому, из-за возросшего потребления тепла на диссоциацию влага. В других периодах с компенсацией роста температуры горения увеличением расхода природного газа качество чугуна по содержанию серы и ванадия улучшилось.

Таким образом, разработан технологический режим ванадиевой плавки с обогащением дутья кислородом до 25,6% с частичной компенсацией повышения теоретической температуры горения природным газом, улучшивший жидкоподвижность первичных продуктов плавки. Средний прирост производства чугуна на 1 % содержания кислорода в дутье составил 1,6 %. Рост концентрации кислорода в дутье до 25,1—25,6% повысил газопроницаемость в нижней части печи. В результате \V-o6pa3Hoe температурное поле деформировалось в Л-образное, повысилась степень использования оксида углерода, возрос коэффициент распределения серы между шлаком и чугуном с 20,4 до 26,0, а извлечете ванадия с 73,2 до 79,7— 85,4%.

О 200 400 600 800 1000 Температура, °С

0.2 О.з 0.4 0.5 ■

Рис.10. Изменение температуры газа (Ц и степени использования оксида углерода (т]со) по высоте печи в периодах 1-4

1 2 Расстояние от кладки, м

Рис.11. Изменение степени восстановления (СВ) рудных материалов по радиусу 1 горизонта в периодах 1-3

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПОВЕДЕНИЯ ЦИНКА В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ, РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ СНИЖЕНИЕ ЕГО ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПЛАВКИ

4.1. Общие закономерности поведения цинка в доменных печах

Проблема цинка в доменном производстве общеизвестна и возникла сразу же, как только в металлургический передел стало вовлекаться цинксодержащее железорудное сырье. При этом общепризнанным является усугубление проблемы цинка при увеличении объема печей и повышения доли подготовленной шихты — агломерата и окатышей. В печь цинк поступает в первичном, природном состоя-гши, если агломерационная шихта не включает оборотные продукты металлургического передела — доменные и сталеплавильные шламы. В этом случае в агломератах и окатышах цинк содержится в сложных соединениях феррита, силиката, сульфита и др. и поэтому трудновосстановим. По этой причине масса первичного цинка газифицируется только в нижней части печи, в зоне прямого восстановления при температурах 900—1200 °С, причем в значительной степени в области вязкопла-стичного состояния железорудных материалов. Цикк же доменных шламов, вследствие высокой дисперсности частиц его оксида, по всей вероятности, восстанавливается в основном в сухой части столба шихтовых материалов. Образующийся цинк переходит в газовую фазу и при снижении температуры может окисляться монооксидом углерода, а также высшими оксидами железа. При этом основная масса цинка в виде его оксида осаждается на кусках шихты и снова опускается вниз. Н.Г.Маханек, используя метод зональных тепловых балансов, одним из первых высказал интересные соображения о наличии контуров циркуляции цинка в шахте доменной печи.

Методов количественного определения массы цинка, циркулирующего в доменной печи прн нормальном режиме ее работы, не существует. Основной путь получения такой информации — определение Ьыхода его через колошник с пылью при частичной или полной выдувке прчей. Такие систематические исследования

были выполнены а 1985-1995 г.г. на ряде доменных печей ОАО ММК и ОАО НТМК. До этого подобные эксперименты были только эпизод!гческими и единичными.

Изменения концентрации цинка по высоте доменных печей АО ММК и АО НТМК отличались как по расположению зон повышенной его концентрации, так и по абсолютным значениям концентрации. Такое различие вполне объяснимо: различны объемы печей, распределение материалов и газов, температурные поля газа и материалов, свойства шихтовых материалов.

В то же время было установлено, что поведение цинка в процессе плавки, его накопление, циркуляция, выход через колошник и летки подчиняются общим закономерностям независимо от конструктивных и режимных параметров работы печен, т.е. имеется общее, типичное, что объединяет все исследования. В качестве характерного примера на рис. 12, 13 показано распределение количества цинка в пыли по высоте шахты доменных печей АО НТМК и АО ММК. Экспериментально установлено, что изменение количества цинка по высоте печей характеризуется четко выраженными экстремумами, т.е. существует верхняя зона циркуляции цинка, находящаяся в шахте печи. Так, содержание цинка в пыли на печи № 4 НТМК возрастало и достигало 59,6% на расстоянии 5,5—6,0 м от уровня засыли, после чего постепенно понижалось, при этом удельная концентрация цинка в зоне циркуляции (до 12 м от уровня засыпи) составила 30—35 кг/т чугуна (см. рис. 12). Подобная картина получена и при выдувке доменных печей ММК, хотя приход цинка с шихтой на них в 7—8 раз меньше, чем на НТМК. Максимальное содержание цинка в пыли достигало 45—49% на расстоянии 7—10 м ниже уровня засыпи при удельной концентрации 25—30 кг/т чугуна (см.рнс.13).

Анализ и обобщение экспериментальных данных показали, что в доменных печах, проплавляющих различную по составу шихту, имеющих различные режимные и конструктивные параметры, накопление цинка в десятки раз превышает приход его с шихтой. При этом важным признаком, определяющим общность механизмов накопления цинка, является примерно одинаковая величина его накопления (25—40 кг/т чугуна) при различном его приходе с шихтовыми материалами.

Выход твердых чзстиц через колошник , кг I час 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

1 1.8 м

\ \ X \ 3 \

\ \ N ♦ \ X, ^.Ви

■-4 1 <г ""I ) 1 7.5 и

1 / \ / / /

__ / / __>- - / -- 11.1 м _11.8 и --- —у

20 40 60 80

Скорость опускания уровня эасыпи , мм/мин

Рис.12. Характер накопления цинка в доменной печи №4 НТМК (ноябрь 1989 г.) 1 - выход пыли, кг/час; 2 - выход цинка, кг/час; 3 - скорость опускания уровня засыпи при выдувке, мм/мин.; числа на линиях - ре-перные отметки уровня засыпи, м

Следовательно, содержание цинка в загружаемой шихте не является основным фактором его накопления и негативного проявления, а определяет только потенциальную возможность и вероятность этого явления.

Исследованиями с помощью электронного микроскопа колошниковой пыли, отобранной как при нормальной работе печей, так и при их выдувке, были обнаружены пленочные образования цинкита на поверхности частиц пыли. В дальнейшем были обнаружены подобные образования цинкитных соединений и в объеме материалов на поверхности кусков штаты в виде пцедок или оболочек толщиной от 5 до 20 мм. Источником этих соединений является образование конденсатных форм

б

металлического цинка и его оксида на поверхности кусков шихты с образованием пленок или оболочек.

2 ^

с

3 4

<_»

га т

се и т

о §

I-

о

о

о

та

а.

12

О 0.3 0.6 0.9 1.2

Выход цинка. т/час

Рис. 13. Характер накопления цинка в шахте доменных печей ММК 1 - печь №3; 2 - печь №4; 3 - печь №9

Анализ экспериментальных данных показывает, что закономерности поведения цинка в верхней зоне циркулящга можно объяснить действием двух механизмов его аккумуляции шихтой: 1—осаждения дисперсных частиц газового оксида в порах шихты; 2—конденсации паров цинка на поверхности кусков шихты. При действии только первого механизма накопление количества газового оксида в порах кусков по высоте столба шихты должно быть примерно одинаковым, поэтому при реализации только первого механизма опускание уровня засыпи при выдувке печи должно приводить к относительно равномерному нарастанию колтества цинка, выносимого газовым потоком, вплоть до горизонтов, где начинается заметное восстановление уастиц газового оксида. Появлеш?е экстремума в изменении количества цинка по высоте шахты является следствием второго механизма его отложения в шихте — конденсации даров на относительно холодной поверхности

кусков с последующим образованием металлической или оксидной пленки, обволакивающей кусок с повторением топографии его поверхности. Особенностью является то, что конденсатная форма вторичного цинка, в отличие от газовой, может образовываться только при создании соотпетствугогщгх условий, и поэтому в циркулирующей массе цинка она может и отсутствовать. Образование этой формы возможно только в узком участке высоты шахты, местоположение которого определяется соотношением тепловых параметров газа и шихты, достаточных для протекания реального процесса конденсации. В зависимости от этих факторов область конденсации паров может находиться на расстоянии нескольких метров от уровня засыпн или непосредственно у него. Поэтому на указанных горизонтах имеет место прирост массы цинка, вовлекаемого в циркуляцию.

Исследованиями также установлено, что степень развития конденсатной формы цинка зависит от окислительного потенциала колошникового газа. При низком окислительном потенциале конденсат остается в виде металла. Такая форма распространяется на незначительную часть высоты нисходящей ветви циркуляции, поскольку при температуре выше 419 °С металлический цинк расплавляется и снова испаряется при температуре 907 °С, не достигая зоны когезии, т.к. парциальное давление его паров значительно шоке единицы. При высокой окислительной способности колошникового газа на поверхности кусков образуется оксид цинка. Ом сохраняется до горизонтов с температурой 1000—1200 °С, где происходит прямое его восстановление, при этом в значительной мере в начале зоны когезии. В результате действия двух механизмов отложения структура накапливающейся массы цннка в шахте доменной печи является неоднозначной и может быть представлена несколькими вторичными формами: дисперсным газовым оксидом в порах шихты, конденсатньгм оксидом и металлом, а также смесью этих форм.

Данные, получе1шые при значительном опускании уровня засыпн и полной выдувке дечей, показывают, что в нижней части печи существует и тшний контур (зона) циркуляции. Нижний контур циркуляции цинка охватывает зону когезии и горн доменной п§чи. Этот ко1пур шфкуляции образуют пары цинка, восстановленного из первичных форм, содержащегося в шихтовых материалах, и частично

вторичных форм из верхнего контура циркуляции, которые поступают и нижнюю часть печи.

В нижнюю часть доменной печи шанс попадает через зону вязкопластнчного состояния. Температура размягчения подавляющей части железорудных материалов, проплавляемых в доменных печах, находится в пределах 1100— 1300 °С, т.е. в той области температур, где интенсивно протекает восстановление цинка как природного, так и вторичных его форм. Взаимосочетание этих двух температурных интервалов определяет количество цинка, попадающего в нижнюю часть печи и насыщающего расплав. В связи с этим начало зоны когезин является средой, от которой зависит распределение выхода цинка через летки и колошник и особенно — накопление и циркуляция щшка и зоне когезин.

Согласно расчетам, проведенным на базе полученных данных при выдувке доменной печи № 4 ММК, количество цинка, которое содержалось вначале зоны когезин (зоны вязко-пластичного состояши материалов), достигало 2,8—3,8 кг/т чугуна. В то же время количество природного цинка было здесь значительно меньше и составляло 0,34—0,38 кг/т чугуна (приход с шихтой). Это говорит о том, что преимущественная часть цинка, поступившего в зону когезин, была обусловлена вторичными его формами, участвующими в циркуляции. Насыщение расплавов цинком в надфурменной области достигало в среднем 33—40 кг/т чугуна, что на порядок превышает его концентрацшо в начале зоны когезни и может быть накоплено только за счет существовать в нижней части доменной пета самостоятельного контура циркуляции.

Эти практические данные, полученные впервые, подтвердили результаты исследований доменных печей других заводов об общих закономерностях поведения цинка в шахте доменной печи, а также гипотезу о существовании в нижней части доменной печи самостоятельного контура циркуляции цинка. Гипотеза базировалась на реальных фактах: высокие значения невязки балансов щшка работающих доменных печей различного объема, проплавляющих рудные материалы разных месторождений и с отличающимся содержанием цинка; выход жидкого цинка при замене элементов фурменных устройств; массовый выход цинка с продуктами плавки из летки при похолодании печи, не связанным с оползанием гарнисажа; бо-

лее высокое содержание цинка в чугуне и шлаке, пробы которых отбирались непосредственно из летки, по сравнению с остаточным содержанием его в твердых пробах.

При нал1гчии взаимосвязи верхней и нижней зон циркуляции цинка эти зоны обладают автономностью, т.к. при наличии общих элементов в механизме их формирования и устойчивого существования имеются и различия. Общим элементом являются источники накопления цинка: постоянный — природный, приходящий с шихтой; непостоянный, зависящий от условий — вторичный конденсатный оксид. Общим является то, что восходящая часть обоих кошуров создается общим носителем — потоком газов, содержапдам парообразный цинк в нижней части и его дисперсный (газовый) оксид в верхней части пета. Различие просматривается в механизме накопления. В верхней зоне—конденсация цинка на твердом носителе -кусках шихты, в нижнем контуре циркуляция образуется за счет растворения в жидком носителе — в расплавах чугуна и шлака парообразного цинка, отфильтрованного из фурменного газа.

Таким образом, основные положения новой концепции поведения цинка сводятся к следующему.

1. Количество цинка, поступающего с шихтой, определяет интенсивность накопления его в печи, формирования зон его циркуляции, но не определяет полностью негативность проявления цинка в доменной плавке.

2. Основными факторами, определяющими степень негативного воздействия цинка на доменный процесс, является тепловой режим работы верхней части шахты и температурный потенциал конденсации паров цинка.

3. Источником образования цинкитных настылей и конденсатного оксида в верхнем контуре циркуляции являются не все формы присутствующего в печи цинка, а только та часть его паров, которая не окисляется и конденсируется в жидкую фазу с последующим окислением.

4. Верхний и нижний контуры циркуляции существуют относительно автономно, но в то же время взаимосвязаны общим носителем восходящей ветви контура и приходом трудно-восстановимого конденсатного оксида в нижнюю часть печи.

4.2. Влияние технологических факторов на поведение цинка в доменной печи

Установление общих закономерностей поведения цинка, выявление доминирующих факторов, определяющих развитие и последовательность явлений, происходящих с цинком в доменной печи, позволили впервые обосновать и разработать ряд технологических решений, направленных на снижение его негативного воздействия на доменный процесс, которые условно можно разделить на четыре группы.

К первой группе относятся технологические приемы, которые воздействуют на верхний контур циркуляции и позволяют повысить степень удаления цинка через колошник. Первый способ предусматривает снижение концентрации цинка в верхнем контуре циркуляции путем опускания уровня засыпи до горизонта с температурой газа 600—650 °С с целью прерывания перехода восходящей части контура циркуляции в {исходящую; второй способ обеспечивает снижение концентрации цинка в верхнем контуре циркуляции за счет предварительного формирования слоя материалов с измененными физическими свойствами, с последующим опусканием уровня засыпи ниже горизонта максимума концентрации цинка, а третий позволяет снизить концентрацию цинка в верхней части столба шихты путем замены части кокса в слое фракционированным шлаковым щебнем.

Ко второй группе относятся технологические приемы, воздействующие на нижний контур циркуляции цинка путем изменения параметров комбинированного дутья, направленные на снижение массы цинка в горне за счет уменьшения его выноса в верхние горизонты печи и повышения.степени удаления его с жидкими продуктами плавки.

Третья группа мер направлена на снижение концентрации паров цинка в верхней части столба шихты, в колошниковом пространстве и газоотводах путем введения холодного газообразного окислителя в область конденсации паров в слой шихтовых материалов или холодной пыли в свободное пространство колошника.

К четвертой группе относятся решения, направленные на повышение равномерности распределения цинка в рабочем пространстве печи и уменьшение его

массы в печи за счет ориентированного освобождения горна от расплавов с применением гибкого графика открытия чугунных леток.

Новизна и оригинальность этих решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами. Все эти способы направлены на удаление цинка из рабочего пространства печей через колошник или летки, при этом возможность и эффективность их применения определяется конкретными режимными и конструктивными параметрами работы этих печей.

4.3. Результаты опытно-промышленных испытаний и внедрение новых технических решении

Практически все из разработанных методов прошли опытно-промышленные испытают. Из всех разработанных и опробованных технических решений наиболее эффективным и технологичным для реализации, широко применяемым является способ, получивший у специалистов название "сухой" выдувки, поскольку при его реализации нет необходимости в дополнительном охлаждении колошника водой. Он прошел многократные испытания, внедрен в доменном цехе АО ММК. В его основе лежит формирование слоя материалов с измененными свойствами. Установлено, что при загрузке серии холостых подач увеличивается выход цинка с колошниковым газом в 10—20 раз. Этот факт объясняется тем, что нагрев слоя кокса происходит значительно быстрее, чем слоя железорудных материалов, поэтому процесс конденсации паров цинка протекает интенсивней и идет на меньшем участке высоты слоя. При реализации этого способа уровень засыпи опускается несколько ниже горизонта максимального накопления цинка и осуществляется загрузка корректирующих подач, которые компенсируют уход уровня и охлаждают газ шоке 500 ОС. Способ вариативен и определяется видом материала корректирующих подач. Основной вариант — использование одного кокса фракции +45 мм, второй, также самостоятельный — замена части кокса равным объемом шлакового щебня фракции + 45 мм. Периодичность "сухой" выдувки в условиях работы доменных печей АО ММК установлена равной 5—6 недель, что соответствует восстановлению контуров циркуляции при существующих приходе цинка и режимах

работы печен. При реализации способа с использованием в качестве корректирующих подач кокса на доменных печах 2,4,7,8,9 и смеси кокса и шлакового щебня на печи №5 ММК расход кокса снизился фактически на 4—17 кг/т чугуна, а приведенный к одинаковым условиям — на 5,5 — 8,0 кг/т чугуна (см.рис. 1/4). В результате разрушения верхнего контура циркуляции через колошник удалялось 25—35% накопленного в печи цинка, при этом ход печи становился более устойчивым, а на некоторых печах (№ 2,7,8) наряду со снижением удельного расхода кокса существенно увеличивалась и производительность (от 60 до 130 т/сутки).

Опыт борьбы с негативным воздействием цинка при относительно небольшом его поступлении (0,3—0,5 кг/т чугуна) на ММК указывает на возможность утилизации отходов, имеющих повышенное содержание цинка. Так, расход доменных шламов в агломерационную шихту на ММК постепенно повысился с 15 кг/т агломерата до 40 кг/т агломерата. Внедрение аналогичной технологии удаления цинка на доменных печах НТМК также дало положительные результаты.

"Сухая" выдувка может быть рекомендована в качестве профилактического средства для всех доменных печей, »шей сырьевой базой являются цинкосодержа-щие железные руды. Разработанные способы могут быть рекомендованы для использования на доменных печах других металлургических комбинатов, перерабатывающих цинкосодержащее сырье. При этом появляется возможность утилизации отходов собственного передела и расширения рудной базы доменного производства с привлечением ранее неиспользуемых железных руд из-за высокого содержания в них цинка.

В результате внедрения этих технических решений годовая экономия скипового кокса по доменному цеху ММК составила 23,2 тыс.тонн, что соответствует экономическому эффекту более 23 млн. рублей в ценах 1992 года (более 12,5 млрд. рублей в ценах 1996 года).

а. с

-шо

£ °т

|аФактическов иПриведенное |

■73

•15

Рнс.1^. Влияние снижения количества цинка на технико-экономические показатели работы доменных печей ММК ё

5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ ПРИ НИЗКОМ ВЫХОДЕ ШЛАКА

В современных доменных печах, работающих на подготовленном железорудном сырье, выход шлака существенно понижается. Как показывает опыт работы доменных печей ММК, при выходе шлака менее 230 кг/т чугуна, значительно возрастают колебания теплового режима доменной плавки, связшшые с уменьшением аккумуляции тепла в горне и понижением тепловой инерции печи, при этом существенно повышаются потери чугуна со шлаком до 3,0%. Проплавка титаномагне-титовых окатышей и агломерата КачГОКа в доменных печах АО НТМК сопровождается более высокими потерями ванадиевого чугуна со шлаком по сравнению с потерями обычного передельного чугуна, выплавляемого из рядовых железорудных материалов. Так, в случае нормального хода ванадиевой плавки потери чугуна со шлаком составляют в среднем около 4,0%, при похолодалиях и разогревах потери чугуна возрастают в полтора-два раза. В связи с этим требуется разработка новых технологических решений, направленных на улучшение технико-экономических показателей доменной плавки, определяемой низким выходом шлака, а также выбора разжижающих добавок с целью поддержания вязкости шлаков на оптимальном уровне (4-6 пуаз).

5.1. Разработка н внедрение технологии доменной плавки с использованием в шихте борауовых флюсов

Известно, что соединения бора отличаются повышенным сродством кислороду и повышенной поверхностной и химической активностью. В связи с этим предполагалось, что соединения бора будут разрушать сложные тугоплавкие соединения карбонитридов при плавке титаномагнетитов^ого железорудного сырья и снижать вязкость доменных шлаков.

Впервые борсодержащую добавку ввели в шихту Лебяжинской аглофабрики в 1989 году. Исследования выполнялись совместно с сотрудниками химико-

металлургического института (г.Караганда). В качестве добавки использовалась боратовая руда Индерского рудника (Республика Казахстан) следующего состава: В20з=Ю,4%; 5=13,3%; Са0=28,0%; 8Ю2=6,4%; Реобщ=18,0%; остальное - ППП. Всего было произведено 11 тыс. тонн агломерата с содержанием 0,44% В20з. Производство борсодержащего агломерата, за исключением трудностей дробления бо-ратовой руды из-за ее повышенной влажности и дозировки из-за небольшого содержания В2О3 в агломерате не вызывало затруднений и изменений в сложившейся технологии его производства, а агломерат по физическим и химическим свойствам удовлетворял требованиям доменной плавки.

Опытные плавки борсодержащего агломерата проводились на доменных печах объемом 1242 м3, 1260 м3 и 1719 м3 АО НТМК. Продолжительность опытных плавок на каждой из печей составила не менее 30 суток. В результате этих опытных плавок было установлено, что содержание в железорудной части шихты 5% борсодержащего агломерата способствует стабилизации шлакового режима, в следствии торможения процесса образования греналей, что позволяет улучшить технико-экономические показатели ванадиевой плавки. Рост производительности печей составил 0,09%; удельный расход кокса уменьшился на 0,5%; потери чугуна со шлаком сократились в 1,5-2,0 раза, а коэффициент извлечения ванадия возрос на 0,60,8%. Экономический эффект, полученный в период плавок составил 500 тыс. рублей в ценах 1989 года.

Учитывая положительные результаты этих первых исследований в дальнейшем (1991-1992 г.г.) боратовая руда стала использоваться при производстве окатышей на обжиговых машинах ССГОКа. На первом этапе было произведено 70 тыс.тонн легированных бором окатышей, при этом в шихту вводили 2% боратовой руды. Эти окатыши одновременно проплавлялись в течении 5,5 суток на всех девяти работающих в то время доменных печах комбината. В силу кратковременности периода исследований окончательные выводы тогда не были сделаны. Однако следует отметить, что стабилизация шлакового режима позволила снизить содержание серы в чугуне с 0,20% до 0,016%. Коэффициент обессеривающей способности шлака в опытном периоде был вьлпе (58,7), чем в исходном (47,0) и в контрольном

(53,7) периодах, замечена также возросшая подвижность шлаков с повышенной основностью (СаО/8Ю2 более 1,16). Улучшились и другие показатели работы доменных печей: возросла интенсивность плавки по руде и коксу, повысилась удельная производительность доменных печей (с 2,20 т/ м3 сутки в исходном и 2,17 т/ м3 сутки в контрольном до 2,27 т/ м3 сутки в опытном периоде), а удельный расход кокса снизился на 3-5 кг/т чугуна.

На следующем этапе было получено около 500 тыс. тонн аналогичных окатышей. Осложнений при обжиге легированных бором окатышей не наблюдалось, более того произошло снижение расхода природного газа на обжиг окатышей на 0,39 нм3/ т окатышей, снизилась на 20% запыленность отходящих газов. При этом за счет экономии расходов природного газа, концентрата, известняка и бетонита был получен экономический эффект 11 млн. рублей в ценах 1992 года. Практически все показатели качества окатышей улучшились (см. табл. 6).

Легированные бором окатыши ССГОК проплавлялись одновременно на всех восьми работающих в то время доменных печах АО ММК в течение 16 суток. При этом доля этих окатышей в железорудной части шихты составляла в среднем 43%. Результаты этих промышленных испытаний подтвердили в целом положительное влияние легирования окатышей бором на технико-экономические показатели работы доменных печей комбината. В период промышленных испытаний отбирали пробы шлака, определяли их вязкость, обессеривающую способность, подвижность. Вязкость шлаков определяли на электровибрационном вискозиметре в молибденовой аппаратуре в токе очищенного аргона в диапазоне температур 1200-1600 °С . Фрагменты этих исследований представлены на рис.15.

Обычно доменные шлаки АО ММК имеют вязкость 3,0-3,5 пуаз и температура их кристаллизации находится в интервале 1310-1330°С. Добавка 0,14% В20з при температуре 1500°С (температура шлака на выпуске) оказывает незначительное влияние на подвижность шлака - их вязкость снижается на 0,1-0,2 пуаза, при этом более заметно отмеченное влияние для шлаков с повышенной основностью (СаО/8Ю2=1,11-1,14). В области низких температур (1350°С ) значительно снижается вязкость шлаков при содержании в них В2О3 0,14% и 0,31%, что очень важно

Таблица б

Влияние добавок боратовой руды на качество окатышей.

Показатели Добавка боратовой руды

2,0 1,0 О(база)

Прочность на сжатие, кг/ок 243,0 237,0 215,0

Прочность на удар, % 93,8 92,8 92,4

Истираемость, % 4,9 5.5 5.2

Выход класса 5-0 мм, % 2,59 2,68 2,57

Содержание железа, % 62,85 62,51 62,37

Восстановленные окатыши, %

выход класса + 10,0 мм 43,7 35,3 25,9

выход класса - 0,50 мм 15,4 19,0 21,8

Запыленность на АТУ обж.маш., кг/час на входе 147,3 149,1 185,4

со

03 >>

с

о

о ^

СГ)

к со

Л 6

\

V Г1

/2

N \ \\

1 к

\\

1

1300 1350 1400 1450 1500 Температура шлака, °С

Рис.15. Влияние Ва^Оз на вязкость шлаков

1 - Ва20,=0%; Са2/5Ю2=1,08;

2 - Ва203=0,14%, Са2/5Ю2=1,09;

3 - Ва20,=0,31%; Са2/ЗЮ2=1,11

для технологии доменной плавки, т.к. при похолоданиях печей повышается стабильность вязкости шлаков. В результате исследований было установлено, что для основных шлаков (СаО/8Ю2=1,15; 1,18) при содержании В203=0,14%; 0,21%) вязкость шлаков и температура их кристаллизации остаются такими же, как и для шлаков нормальной основности (Са0/5Ю2=1,07), не содержащих В20з. Это обстоятельство открывает возможность вести доменную плавку на шлаках с повышенной основностью, без дополнительного расхода кокса и получать малосернистын чугун для конвертерного передела даже при временных похолоданиях горна

Промышленные испытания плавки в доменных печах борсодержащих железорудных окатышей позволили оценить влияние их не только на работу доменных печей и качество выплавляемого чугуна, но и на качество определенных марок стали и проката. Физико-механическим испытаниям подвергались все марки стали, содержащие не менее 10"4 - 10"3 % бора. Они подвергались стандартным и неразру-шающим методам контроля на всех толщинах производимой АО ММК прокатной продукции. Было показано положительное влияние бора на такие показатели стандартных испытаний, как предел текучести, временное сопротивление разрыву, твердость, относительное удлинение, коэффициент штампуемости и балл неметаллических включений. Подтвердилась способность бора как поверхностно-активного элемента очшцать границы зерен от неметаллических включений; сказалось влияние бора на зернистость металла и балл цементита. Присутствие бора уменьшило разнозернистость металла. Так, если в базовом периоде балл зерна феррита находился в пределах 6-9, то с присадкой бора последний снизился до 6-7. Более ощутимым оказалось влияние бора на балл цементита. На тонколистовом прокате ( толщиной 0,9-1,0 мм) легированная бором сталь имела только нулевой балл цементита; толстолистовой прокат (1,5-2,0 мм) характеризовался баллом 0-1, в то время как в базовом периоде этот показатель изменялся в пределах 0-3 для тех же толщин листа. Очищение границ зерен от неметаллических включений, снижение разно зернистости и количества грубых выделений цементита, наряду со способностью бора залечивать дефекты кристаллической решетки способствовали улучшению механических свойств стали 08Ю, ЗПС.ЗСП, 09Г2 и др. Для стали марки 08Ю при-

сутствне бора увеличило пластичность листа на всех толщинах на 5-8%, коэффициент штампуемости возрос на 20-40%. Присутствие бора в стали 08КП приблизило ее по механическим характеристикам к штампуемой, но более дорогой стали OSIO.

Более продолжительные промышленные испытания (2-3 месяца) позволят более подробно выявить положительные стороны и недостатки предложенной новой технологии облагораживания металла. Преимущество этой технологии очевидно, т.к. она не требует больших капитальных затрат на всех переделах: от обжига окатышей до производства готового металлопроката, изменения существующих технологических инструкций и приемов в работе, не ухудшает экологию окружающей среды.

5.2. Перспективы повышения качества чугуна за счет совершенствования режима выпуска жидких продуктов плавки

В современных условиях совместный выпуск чугуна и шлака через чугунные летки, расположенные на одном уровне, способствует улучшешпо контакта шлака и чугуна, повышению степени использования обессеривающей способности шлака и снижению содержания серы в чугуне. Однако он не обеспечивает в полной мере реализации потенциальных возможностей обессеривающей способности шлака, а также рационального теплового и шлакового режимов плавки.

Известно, что основная масса серы переходит в шлак, когда через слой шлака фильтруются капли жидкого чугуна, скапливающегося в горне. По мере накопления жидких продуктов плавки десульфурация протекает неравномерно: сначала, когда в печи мало шлака — слабо, а затем по мере накопления шлака в печи активность десульфурации возрастает. В связи с этим, нижние слои чугуна в горне будут иметь повышенное содержание серы, а верхние слои — пониженное, при этом обессеривающая способность "верхнего" шлака будет использована в метшей степени, чем "нижнего". Экспериментальными исследованиями на доменных печах ММК, математическим моделированием процессов теплообмена установлено, что по мере накопления жидких продуктов плавки скорость опускания коксовой насад-

ки уменьшается, вследствие чего растут температуры в печи, а следовательно и жидких продуктов плавки. За счет этого фактора "верхний" чугун будет иметь на 50—100 С более высокую температуру, чем "нижний чугун". Как показали расчеты и результаты исследований по мере накопления жидких продуктов плавки в горне кокс внедряется полностью в шлак и частично в чугун, при этом слой кокса находится в расплаве во взвешенном состоянии, а нижняя граница этого слоя в ряде случаев может достигать района чугунной летки. Таким образом, часть верхнего чугуна находится в коксовой насадке, что создает дополнительный резерв тепла в верхнем чугуне за счет нагретой массы кокса, имеющеи на 50—100 °С более высокую температуру, чем чугун.

Следовательно, повысить качество чу [у на и его температуру можно за счет оргагшзащш выпуска жидких продуктов плавки, позволяющей разделить более качественный по составу и более физически нагретый "верхний" чугун от остальной массы чугуна, имеющей повышенное содержание серы и более низкую температуру. Обеспечить такое разделение можно путем выпуска чугуна совместно со шлаком на двух уровнях, причем, сначала следует осуществлять выпуск на верхнем уровне, а затем на нижнем.

Для реализации этого способа необходимо установить на доменной печи дополнительный (верхний) пояс чугунных леток. Анализ результатов расчетов местоположения уровня чугуна в горне, глубины погружения столба кокса в шлак и чугун при различном выходе шлака показал, что дополнительный пояс чугунных леток целесообразно располагать на расстоянии 0,1 — 0,2 высоты горна от уровня основного (нижнего) пояса чугунных, леток. При этом дополнительные летки должны располагаться над нижними чугунными летками со смещением на 30 — 90, 180 градусов в зависимости от количества и размеров литейных дворов на доменной печи.

Таким образом, предложенные способ выпуска жидких продуктов плавки и конструкция печи обеспечивают отделение более качественного по составу и более физически нагретого чугуна от чугуна с повышенным содержанием серьг и пониженным физическим нагревом, при этом появляется возможность реализации гю-

тенциальных возможностей обессеривающей способности "верхнего" шлака. Физически более нагретый, с пониженным содержанием серы чугун, в дальнейшем можно использовать в сталеплавильных конвертерах без предварительной внепеч-ной обработки чугуна, а чугун же с худшими качественными свойствами следует подвергать внепечной обработке и в дальнейшем также использовать в сталеплавильных конвертерах.

5.3. Перспективные решения, направленные на получение чугунов п доменных печах с требуемыми свойствами Для дальнейшего улучшения условий десульфурации чугуна и повышения технико-экономических показателен плавки на перспективу предлагаются следующие решения. Предлагается вдувать непосредственно в слой шлака дополнительно: шлакообразуюгцне, например порошкообразную известь; топливо, например пылеуголыгое; кяслородоносители, например технологический кислород.

Реализация этого способа позволит сформировать шлак требуемого состава, осуществлять его перемешивание за счет действия газовых струй и барботажа образующихся газов через слой расплава, что обеспечит примерно 5—10-и кратную циркуляцию шлака в горне между смежными отработками жидких продуктов плавки. Ориентировочными расчетами установлено, что для удаления 0,01% серы из чугуна потребуется 10—50 кг/т чутуна порошкообразной извести, для стабилизации температуры расплава в горне печи соотношение расхода извести и пыле-угольного топлива должно быть равно 1: (0,3—0,4), а на 1 кг пылеугольного топлива следует вдувать 2—2,5 м3 технологического кислорода. Приближенные расчеты показывают потенциальную возможность сжигания такого расхода топлива непосредственно в слое шлака.

Вдувание извести, топлив и кислорода в слой расплава позволит существенно снизить основность загружаемых в лечь агломерата и окатышей, что определит улучшение их физических свойств, и благоприятно повлиять на работу доменной печи в целом. Более эффективным для десульфурации чугуна, но и более дорогим, следует признать вдувание в расплав флюсовых смесей, содержащих кроме извести плавтоовый шпат, марганецсодержащие материалы и др. компоненты. Предложен-

ные способы в перспективе можно использовать и для оперативного управления нагревом шлака и корректировки его состава не только с целью десульфурацин чугуна, но и получения чугунов с заданными свойствами непосредственно в доменной печи, без использования внепечной обработки чугуна различными флюсами.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе обобщены результаты исследований, проведенных автором за 30-ти летний период с 1966 по 1997 гг. и предпринята попытка решения крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение для современной металлургии, заключающейся в разработке, опытно-промышленном испытании и внедрении новых технологических приемов по повышению эффективности выплавки чугуна в доменных печах.

С целью получения представительной научной информации в качестве объектов исследования были выбраны крупнейшие доменные печи Уральского региона, а в качестве основного метода исследований - эксперименты и опытно-промышлешгые испытания на действующих доменных печах. Лабораторные исследования применялись широко в тех случаях, когда эксперименты на действующих печах были или невозможны, или можно было получить надежные результаты, адекватно отражающие реальный процесс, с меньшими затратами.

Основные научные и практические результаты могут быть сформулированы следующим образом.

1. Оценку газодинамического состояния столба шихтовых материалов в доменных печах целесообразно осуществлять по показателю ш , величина которого может быть определена при периодических уменьшениях расхода дутья, подаваемого в доменную печь, в моменты переключения воздухонагревателей, а также понижениях расхода дутья на выпусках жидких продуктов плавки. Менее устойчивому состоянию столба шихты соответствует меньшая величина показателя т.

2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность работы доменных печей АО ММК на пониженном до 2,5 м уровне засыпи.

3. Впервые в отечественной практике установлены закономерности изменения прочности, гранулометрического состава, степени восстановления окатышей на различных; горизонтах по высоте доменной печи и определены особенности загрузки окатышей и дутьевого режима при их плавке.

4. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что следует увеличивать долю окатышей на печах большого объема, которые работают по условиям газодинамических процессов более напряженно в верхней части печи и имеют газодинамический резерв в нижней части печи. По этой же причине при плавке агломерата следует агломерат с меньшим содержанием мелочи (5мм) в большей степени загружать в шихту доменных печей большего объема.

5. Ухудшение технико-экономических показателей работы доменных печей при содержании в шихте более 30% неофлюсованных окатышей ССГОК было обусловлено худшей (по сравнению с агломератом и офлюсованными окатышами) их восстановимостью, большей окисленностьго шихты и меньшей газопроницаемостью нижней части столба материалов, что вызвало более частые колебания теплового состояния горна и ухудшило использование теплового и восстановительного потенциала газового потока.

6. Комплексными лабораторными исследованиями, экспериментами на действующих доменных печах, опытно-промышленными плавками и внедрением в производство установлена целесообразность производства агломерата с одинаковым модулем основности 1,2-1,3 на Высокогорской и Лебяжинской аглофабриках.

7. На основе обобщения комплекса экспериментальных исследований тепловых, восстановительных, газодинамических процессов в доменных печах, проплавляющих титаномагнетитовое сырье, разработан и внедрен технологический режим ванадиевой плавки при обогащении дутья кислородом до 26% с частичной компенсацией повышения теоретической температуры горения природным газом.

8. Обобщением комплекса экспериментальных исследований установлено существование относительно самостоятельных верхней (шахта печи) и нижней (зона когезии и горн печи) зон циркуляции цинка, а также вскрыт механизм и предло-

жена схема его поведения в доменной печи. Установлено, что количество цинка, поступающего с шихтой, определяет интенсивность накопления его в печи, формирование зон его циркуляции: но не определяет негативность проявления цинка в доменной плавке. Потенциально опасным является в основном та часть цинка, которая находясь в виде пара, может образовывать жидкую фазу на поверхности относительно холодных кусков шихты и футеровке печи.

9. Возможно целенаправленное и эффективное воздействие на поведение цинка технологическими мерами. Разработан, прошел опытно-промышленные испытания и внедрен в промышленности комплекс технологических решений, направленных на снижение негативного воздействия цинка на доменный процесс.

10.Установлено, что добавка оксида бора понижает вязкость доменных шлаков при выплавке как ванадиевого, так и передельного чугуна. Разработана и прошла опытно-промышленные испытания на ОАО НТМК и ОАО ММК технология доменной плавки при использовании в производстве агломерата и окатышей бора-тового флюса. Опытными плавками установлено положительное влияние бора-тового флюса не только на работу доменных печей и качество выплавляемого чугуна, но и на качество получаемых марок стали и готового проката.

11.Предложены новые технические решения, направленные на повышение качества выплавляемого чугуна и технико-экономические показатели доменной плавки при низком выходе шлака, предусматривающие выпуск чугуна совместно со шлаком на двух уровнях, а также вдувание флюсов, пылеутольного топлива и кислородоносителей непосредственно в слой расплава.

Автор благодарит за плодотворное сотрудничество коллективы сотрудников доменных цехов и лабораторий металлургии чугуна ЦЛК ОАО ММК н ОАО НТМК, а также сотрудников Института металлургии УрО РАН, Уральского института металлов, кафедр металлургии чугуна МГМА, металлургических печей УГТУ и др. организаций, принимавших участие в совместных исследованиях на различных этапах работы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, доклады

1. Стефанович М.А., Неясов А.Г., Новиков B.C. Об особенностях газодинамического режима доменных печей большого объема на Магнитогорском металлургическом комбинате //Сталь, 1970. № б С.490-495.

2. Стефанович М.А., Новиков B.C. Оценка состояния столба шихты в доменной печи // Известия вузов.Черная металлургия. 1970. № 8.С.25-27.

3. Работа доменных печей с применением в шихте неофшосованных окатышей и агломерата повышенной основности /В.С.Новиков, Н.Н Бабарыкин , Ю.В. Яковлев и др. //Производство чугуна. Межвузовский сборник. Магнитогорск: УПИ, 1974. С. 84-88.

4. Исследование газодинамических процессов в доменных печах и их нестационарности /Б.И.Китаев, Ю.Н.Овчинников, Н.Л.Спирин, В.С.Новиков и др. // Труды Международного симпозиума по аэродинамике доменных печей. Воллонгонг (Австралия), 1975. С. 15 - 19.

5. Опыт применения неофлюсованных окатышей ССГОК в шихте доменных пе-чейММК /В.С.Новиков, Н.Н.Бабарыкин, Н.М.Крюков и др.// Производство чугуна. Межвузовский сборник. Свердловск: УПИ, 1976. С. 84-93.

6. Работа доменных печен с повышенным перепадом давления газа /Н.М. Крюков, В..С.Новиков, С.К.Сибагатуллин и др. // Производство чугуна. Межвузовский сборник. Свердловск: УПИ, 1976. С. 81-84.

7. Применение высокоосновного агломерата и неофшосованных окатышей в доменной плавке / B.C. Новиков , H.H. Бабарыкин , Б. А. Марсуверский Б.А. и др. // Черная металлургия. Бюл.научно-техн. информации. 1977. № 3. С. 13-14.

8. Новиков B.C., Марсуверский Б.А. Улучшение методов исследования доменной плавки // Производство чугуна: Межвузовский сборник. Свердловск: УПИ, 1977. С .94-98.

9. Свойства окатышей ССГОК и их поведение в доменной печи / Н.Н.Бабарыкин, П.В.Лекин, В.С.Новиков и др. //Производство чугуна. Межвузовский сборник. Свердловск: УПИ, 1977. с. 33-34.

10. Опытные плавки с изменением доли неофлюсованных окатышей ССГОК от 0 до 100% / З.И.Некрасов, Н.А.Гладков, В.С.Новиков и др.// Сталь, 1977. .№ 1. С. 11-18.

11. Свойства окатышей ССГОК и их поведение в доменной печи/ H.H. Бабарыкин, Б.Л.Марсуверский, B.C. Новиков и др.//Производство чугуна. Межвузовский сборник. Свердловск: УПИ, 1978. С. 66-79.

12. Захаров И.Н., Яковлев Ю.В., Новиков B.C. Равновесные состояния и расходные коэффициенты доменной плавки Известия АН СССР. Металлы. 1979. № 2.С.12-19.

13. Исследование температурных полей в доменных печах ММК /Б.И.Китаев., B.C. Новиков, Н.А.Спирин и др. // Известия вузов, Черная металлургия. 1978. № 2. С.25-28.

14. Исследование распределения скоростей газа в доменных печах ММК // Ю.Н.Овчинников, В. Б.Щербатсюш, Н.А.Спирин, В.С.Новиков и др. // Сталь, 1978 . №5. С. 391-395.

15. Совершенствование контроля радиального газораспределения на доменных печах ММК/ М.Ф.Сафронов, В.С.Новиков и др. // Производство чугуна. Межвузовский сборник. Свердловск: УПИ. 1979. С. 117-120.

16. Спирин H.A., Новиков B.C., Крюков Н.М. Пути экономии кокса в доменных печах // Производство чугуна: Межвузовский сборник. Свердловск: УПИ, 1982. С.39-48.

17. Исследование поведения агломератов различной основности в доменной печи/ В.С.Новиков, В.Г.Удовенко, Б.А.Марсуверский и др. //Сталь. 1984. № 1. с.4-9.

18. Удовенко В.Г., Новиков B.C., Марсуверский Б.А. Совершенствование выплавки мартеновского чугуна на НТМК // Металлург. 1984. № 8. с. 15-19.

19. Новиков B.C., Марсуверский Б.А. Организация технологического процесса доменной плавки, обеспечивающая максимальное использование химической энергии газов и минимальный расход кокса // Черная металлургия. Бюл. научно-технической информации. 1984. № 8. С. 51-54.

20. Удовенко В.Г., Марсуверский Б.А., Новиков B.C. Исследование доменного процесса при выплавке передельного чугуна//Сталь. 1985. № 8. С. 5-12.

21. Марсуверский Б.А., Бабарыкин H.H., Новиков B.C. Влияние угла наклона шахты доменной печи на боковое давление шихтовых материалов /1 Сталь. 1985. №11. С. 5-7. ; > ■.. -- v. - l

22. Исследование доменной ванадиевой плавки при обогащении дутья кислородом / В.Г.Удовенко, Б.А.Марсуверский, B.C. Новиков и др. //Сталь. 1986. № 8. С.4-11. "■' ' "

23. Исследование поведения в доменных печах НТМК окатышей Качканарского Гока, полученных при различных технологиях окислительного обжига / В.Г.Удовенко, В.С.Новгасов, Б.А.Марсуверский и др. // Сталь. 1987. № 9. С. 6-12.

24. Ашпин Б.И., Новиков B.C., Марсуверский Б.А. // Передовой производ-техн. опыт предприятий черной металлургии: Обз. инф./ Черметинформадия. М., 1988. Вьш.2, С. 1-24.

25. Стабилизация теплового состояния доменных печей с использованием АСУ дозированием кокса/ B.C. Новиков, И.В.Суковатин, Б.А. Марсуверский и

др.//Сталь. 1988. №7. С.15-19.

26. Разработка комплексных методов экономии топливно-энергетических ресурсов в доменных печах / Ю.Н.Овчинников, Н.А.Спирин, В.С.Новиков .и 'др. // Сборник докладов конференции доменщиков "Витковице 1989". Острава (Чехословакия), 1989. С. 161-176.

27. Акбердин A.A., Новиков B.C.,: Марсуверский Б.А. Фазовые диаграммы системы CaO-MgO-SiOi-AijOj-TiOi в аналитических выражениях //Известия вузов.Черная металлургия: 1989. № 12. С.23-3'0.

28. Разработка методов едртроля теплотехнических-параметрой домёй'ной плавки / Н.А.Спирин, Ю.Н.Овчинников, В.С.Новиков и щ,Л Новые и усовершенствованные технологи окускования сырья й производства чугуна и ферросплавов : Труды Международной конференции. Варна (НРБ). 1990.1' С.62-63. 1

29. Новиков B.C., Марсуверский Б.А., Кузнецов В.Д. Совершенствование выплавки чугуна на НТМК // Сталь. 1990. № 5. С. 5-7.

30. Оптимизация состава шихты для выплавки ванадиевого чугуна/ В.В.Волков, Б.М.Герман, В.С.Новиков и др. //Сталь. 1991..№ 7. С.5-7.

31. Влияние разлитых факторов на поведение цинка в доменной печи / Ю.П.Щукин, В.В.Капорулин, В.С.Новиков и др. //Сталь. 1991. № 5. С. 9-15.

32. Выплавка ванадиевого чугуна в доменных печах большого объема С.В.Шаврин, А.А.Фофанов, В.С.Новиков и др. //Сб Производство легированных чугунов и сталей УралНИИМЧ. Сверлдловск. 1982. С.5-17

33. Теплотехнические аспекты повышения эффективности доменной плавки / H.A.Спирин, В.С.Новиков, Ю.Г.Ярошенко и др. // Материалы Международной конференции "Металлургия - 92". Краков (Польша), 1992. С. 12-14.

34. Основные закономерности поведения цинка в доменных печах / Ю.П.Щукин, В.С.Новиков и др. //Сталь. 1992. № 2. С.5-9.

35. Идентификация и управление процессами теплообмена в доменных печах / Н.А.Спирин, Ю.Н.Овчипников, В.С.Новиков и др. // Труды 1-й Международной конференции по газ-жидким-твердым промышленным реакторам. Огайо. Колум-бус (США), 1992. С. 8-11.

36. О связи образования цинкитных настылей с технологией доменной плавки/ Ю.П.Щукин, В.С.Новиков, А.Д.Никаноров и др. //Сталь. 1994. № 2. С. 13-15.

37. Прогноз температурных полей газа и материалов в шахте доменной печи/ Н.А.Спирин, В.С.Новиков, Ю.В.Федулов и др.// Сталь. 1995. №12. С.12-16.

38. Результаты опытно-промышленных испытаний новых способов удаления цинка из доменных печей ММК/ Ю.П.Щукин, В.И.Сединкин, В.С.Новиков и др.// Труды 3-го Международного конгресса доменщиков. Новокузнецк, 1995. С. 12-13.

39. Спирин H.A., Новиков B.C., Швыдкий B.C. Прогноз температурных полей в доменных печах // Труды международной конференции "Экология и теплотехника- 1996". Днепропетровск, 1996. С. 125- 131.

40. Результаты опьггно-промышленных испытаний новых способов удаления цинка и доменных печей ЛО.П.Щукин, В.И.Сединкин, В.С.Новиков и др. //Сталь. 1997. №3. С. 11-13.

Авторские свидетельства, патенты

1.A.c.478062 СССР. Способ ведения доменной плавки/И.Н.Захаров, Г.М.Степкн, С.В.Шаврин, В.С.Новиков и др.//Бюл.№27 1975..

2. A.c. 561735 СССР. Устройство для отбора проб материалов из шахтной печи / Н.Н.Бабарыкин, В.С.Новиков, Б.А. Марсуверский и др. // Открытия. Изобретения.

1977. №22. С. 45.

3. A.c.579311 СССР. Устройство для отбора проб газа, шихты измерения температуры газа в доменной печи / Н.Н.Бабарыкин, В.С.Новиков, Б.А. Марсуверский и др. // Открытия. Изобретения. 1977. № 41. С.93

4. A.c. 595389 СССР. Устройство для определения давления шихты в доменной печи / Н.Н.Бабарыкин, В.С.Новиков, Б.А.Марсуверский и др. // Открытия. Изобретения. 1978. № 8. с. 11.

5. A.c. 632729 СССР. Устройство для отбора проб материалов из шахтной лечи / Н.Н.Бабарыкин., В.С.Новиков, Б.А.Марсуверский и др. // Открытия. Изобретения.

1978. №42. С.92

6. A.c. 726200 СССР. Способ металлургической оценки качества железорудных окатышей /Б.В.Качула, В.С.Новиков, Б.А.Марсуверский // Открытия. Изобретения. 1980. № 13. С. 150.

7. А.с.988871 СССР. Способ регулирования теплового состояния доменной печи /В.В.Фролов, А.В.Ченцов, С.В.Шаврин, В.С.Новиков и др //Бюл. № 3. 1983

8. A.c. 1014892 СССР. Способ регулирования вдувания пара в доменную печь /А.В.Ченцов, В.В.Фролов, С.В.Шарин, В.С.Новиков и др.//Бюл. № 16. 1983.

9. A.c. 1011691 СССР. Способ доменной плавки титаномагнетитовых железорудных материалов /В.В.Волков, Б.М.Герман, С.В.Шаврин, В.С.Новиков и др. //Бюл. № 14. 1983

10. A.c. 1152965 СССР. Способ контроля распределения шихтовых материалов на колошнике доменной печи / Н.А.Спирин, Б.И.Кнтаев, Ю.Г.Ярошенко, В.С.Новиков и др.// Опубл. 30.04.85. Бюл. № 16.

11. A.c. 1615185 СССР. Способ производства чугуна из титаномагнетитовых руд/Б.М.Герман, В.А.Кобелев, Б.А.Марсуверский, В.С.Новиков и др. Опубл.23.12.90.Бюл. №27.

12. Патент SU 1838743. Способ контроля работы печи . /Н.А.Спирин,. В.С.Новиков, Ю.В.Федулов и др. Опубл. 30.08.93.Бюл. №32.

13. Патент RU 2024617. Шихта для • доменной плавки титаномагнети-тов/В.С.Новиков, Б.А.Марсуверский, Б.П.Рыбаков н др. Опубл. 15.12.94. Бюл. №23;

14. Патент RU 2025491. Способ доменной плавки цинкосодержащей шихты /Ю.П.Щукин, A.A.Дерябин, В.С.Новиков и др. /Юпубл.30.12.94. Бюл. №.24.

15. Патент RU 2025495. Способ контроля теплообмена в доменной печи / Н.А.Спирин, В.С.Новиков, В.С.Швьщкнй и др. /Юпубл.30.12.94. Бюл. № 24.

16. Патент Rlf 2058395. Доменная печь / В.С.Новиков, А.И.Стариков, В.П.Монастырсков и др. //Опубл. 20.04.96. Бюл. № 11.

17. Новиков B.C. Патент RU.2055901. Способ доменной плавки II Опубл..21.12.9б..Бюл.№ 7.

18. Патент RU 2074893. Способ доменной плавки цинкосодержащнх шихт /М.А.Аршанский, В.А.Гостенин, И.Е.Косаченко, В.С.Новиков и др. // Опубл. 10.03.97. Бюл.7.

19. Патент RU 2071974. Способ выпуска жидких продуктов плавки из доменной печи./ В.С.Новиков, H.A.Спирин, В.П.Монастырсков, В.И.Сединкин // О публ.20.01.97. Бюл.№ 2.

20. Положительное решение по заявке о выдаче патента. Способ контроля температуры шихтовых материалов/ Н.А.Спирин, В.С.Новиков, Ю.В.Федулов и др.// № 95120963/02(0366530. Заявл. 13.12.95.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Общая характеристика работы.........................................................3

Содержание работы .....................................................................8

1. Состояние вопроса и задачи исследования.............................8

2. Исследование и анализ закономерностей

газодинамических процессов в доменных печах...................11

2.1 .Исследование газодинамических свойств материалов

на моделях доменной печи.................................................11

2.2.Оценка газодинамического состояния столба

шихтовых материалов в доменных печах..........................16

2.3 Особенности газодинамических режимов доменных печей при содержании в шихте 100% окатышей................19

3. Экспериментальные исследования доменного процесса при плавке различного железорудного сырья и разработка

на этой основе новых технологических приемов ведения плавки.......22

3.1. Особенности процессов в доменных печах при содержании в шихте до 100% неофтосованных окатышей ССГОК.. 22

3.2. Совершенствование технологии плавки на основе исследования поведения агломератов различной основности

в доменной печи.....................................................................................30

- 3.3. Совершенствование технологии доменной плавки титаномагнетитового сырья при обогащении дутья кислородом.........34

4. Исследование закономерностей поведения цинка

в доменных печах, разработка и внедрение новых технологических приемов, обеспечивающих снижение его вредного воздействия на показатели плавки....................................................................................42

4.1. Общие закономерности поведения цинка в доменных печах.........................................................................................................42

4.2. Влияние технологических факторов на поведение цинка

в доменной печи........................................................................................49

4.3. Результаты опытно-промышленных испытаний

и внедрение новых технических решений................................................50

5. Совершенствование технологии доменной плавки при

низком выходе шлака..................................................................................53

5.1.Разработка и внедрение технологии доменной плавки

с использованием в шихте боратовых флюсов..........................................53

5.2. Перспективы повышения качества чугуна за счет совершенствования режима выпуска жидких продуктов плавки..............58

5.3. Перспективные решения, направленные на получение

чугунов в доменных печах с требуемыми свойствами..............................60

Заключение....................................................................................................61

Основные публикации по теме диссертации...............................................64

Подписано в печать 14.11.97

Усл. печ. л. 1,... Заказ 41. Тираж 100 экз.

Бесплатно

г. Н.Тагил, ОАО "НТМК", "Ником-проект", 622 005, ул. Металлургов, 1 корп.7.

"И 4 «А е С о 21

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат»

На правах рукописи

НОВИКОВ Валентин Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ

Специальность 05.16.02 — Металлургия черных металлов

Екатеринбург 1997

ту * /

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат»

На правах рукописи

НОВИКОВ Валентин Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ

|

ей •С н

I °

Екатеринбург 1997

Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, профессор ПЛАСТИНИН Б.Г.;

— доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, лауреат Государственных премий СССР

СМИРНОВ Л.А.;

— доктор технических наук БОКОВИКОВ Б.А.

Ведущая организация: ОАО "Челябинский металлургический завод"

509 на заседании специализированного совета Д 063.14.01 при Уральском государственном техническом университете по адресу: 620002 , г.Екатеринбург, ул. Мира, 19, ученому секретарю

С диссертацией в виде научного доклада молено ознакомиться в библиотеке университета.

Защита состоится '

■г ¿и Г. - 199$ г. в

часов в аудитории Мт-

Диссертация разослана 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.14.01

профессор, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В работе обобщены научные результаты научно-исследовательских работ, выполненных под руководством и при участии автора на доменных печах крупнейших металлургических предприятий Урала: ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат». Материалы диссертации имеют научно-техническую направленность, а полученные в ней результаты в той или иной мере характерны для доменньгх печей других заводов. Актуальность работы.

Масштабность производства металла черной металлургией России, ее роль в мировом разделении труда определяют приоритетное значение доменного процесса в системе производства металла сегодня и на дальнюю перспективу.

Концепция развития металлургии до 2005 года и на дальнейшую перспективу предусматривает сокращение выплавки чугуна за счет ликвидации устаревших агрегатов и повышения экономичности работы остальных печей при одновременном улучшении качества выплавляемого чугуна, повышении требовательности к безопасности их работы. Применительно к доменному производству задача конкретизируется в направлении дальнейшего снижения расхода кокса, выплавки чугуна по заказам, сокращения расхода энергии на интенсификацию плавки, а так же совершенствования методов контроля и управления работой доменных печей.

Совокупность известных и разрабатываемых мероприятий по совершенствованию доменного процесса позволяет ожидать улучшения показателей плавки примерно в 1,5 раза. Это связано с достижением удельной производительности 3,5 т/м3 сутки и расхода кокса 300 кг/т чугуна.

Решение этих вопросов требует всесторонних исследований доменного процесса и разработки на этой основе новых технологических приемов, энерго- и ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих экономичную выплавку чугуна с заданными свойствами, а так же их опытно-промышленными испытаниями и внедрением. Решению этих проблем и посвящена данная диссертационная работа.

Цель работы.

V

Разработка новых перспективных технологических приемов плавки передельных и ванадиевых чугунов, обеспечивающих снижение энергетических затрат и повышение качества чугуна, на основе экспериментальных исследований закономерностей газо- и гидродинамики, процессов теплообмена и механики движения материалов в доменных печах, работающих на различном железорудном сырье.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы, включающие результаты исследования, технологические разработки и практические рекомендации:

1. Новый метод оценки газодинамического состояния столба шихтовых материалов в современных доменных печах. Результаты исследования и внедрения этого метода.

2. Результаты исследований особенностей газо-гидродинамических процессов, процессов движения материалов при выплавке мартеновских и ванадиевых чугунов в доменных печах большого объема, а также разработка и внедрение на этой основе новых технологических приемов выплавки чугуна.

3. Результаты исследований газодинамических, восстановительных и тепло-обменных процессов при использовании в шихте 100% окатышей Соко-ловско-Сарбайского и Качканарского горнообогатительных комбинатов. Разработка на этой основе новых технологий по производству окатышей и их проплавки в доменных печах АО ММК и АО НТМК.

4. Оценка технологических особенностей плавки высоко- и низкоосновного агломератов в доменных печах, внедрение технологии доменной плавки на агломератах одинаковой основности на АО НТМК.

5. Исследование закономерностей поведения цинка в доменных печах АО НТМК и АО ММК, разработка и внедрение новых технологических приемов, позволяющих уменьшить вредное воздействие цинка на технико-экономические показатели доменной плавки.

6. Новые технологические и конструктивные решения, направленные на улучшение технико-экономических показателей работы современных доменных печей, работающих с низким выходом шлака. Научная новизна основных результатов, полученных автором в ходе достижения поставленной цели состоит:

— в разработке и использовании в промышленных условиях нового метода оценки газодинамического режима и состояния столба шихты при периодических уменьшениях расхода дутья, подаваемого в доменную печь, в момент переключения воздухонагревателей, а также понижениях расходов дутья на выпусках жидких продуктов плавки;

— в установлении (на основании анализа газодинамических процессов в верхней части доменных печей, проведения экспериментальных исследований на моделях и действующих доменных печах) целесообразности работы доменных печей с пониженным уровнем засыпи;

— в установлении впервые в отечественной практике закономерностей изменения прочности, гранулометрического состава, степени восстановления окатышей на различных горизонтах доменной печи и формулировании требования по их "горячей" прочности, определения особенности загрузки окатышей в доменные печи, а также особенностей дутьевого режима;

— в разработке технологии ведения ванадиевой плавки с повышенным содержанием в дутье кислорода до 25—26 % на доменных печах большого объема;

— в выявлении закономерностей циркуляции цинка и определении местоположения зон этого процесса в объеме печи для современных условий доменной плавки;

— в изучении влияния оксида бора на вязкость доменных шлаков при выплавке ванадиевого и передельного чугунов и разработке технологии их использования в доменной плавке;

— в выработке новых технических решений повышения качества выплавляемого чугуна при низком выходе шлака.

Практическая ценность исследования связана с разработкой нового способа оценки газодинамического состояния столба шихтовых материалов, разработкой и оп-

5

робованием в промышленных условиях комплекса новых технологических приемов ведения современной доменной плавки. Под руководством и непосредственном участии автора:

— обоснованы и реализованы рациональные режимы загрузки доменных печей на пониженном до 2,5 м и более уровне засыпи;

— разработана и реализована методика оценки газодинамического состояния столба шихты в целом для доменной печи, а также для ее верхней и нижней зон;

— предложены и реализованы режимы обжига окатышей Соколовско-Сарбайского и Качканарского горно-обогатительных комбинатов с целью улучшения металлургических свойств этого вида железорудного сырья;

— предложены и реализованы изменения в газодинамическом, шлаковом режимах, в режимах загрузки доменных печей при содержании в шихте 50, 75 и 100 % окатышей;

— разработана и реализована технология плавки ванадиевого чугуна в доменных печах большого объема (1719 м3 и более) при обогащении дутья кислородом до 26%;

— предложен и реализован комплекс новых технологических приемов ведения доменной плавки, ослабляющих вредное воздействие оксидов цинка, что позволило решить проблему использования цинкосодержащих железорудных материалов в качестве сырья для доменных, печей АО ММК и АО НТМК;

„ — предложены новые перспективные технологические и конструктивные решения, позволяющие решить проблему получения низкосернистого чугуна непосредственно в доменной печи при малом выходе шлака (220 кг/т чугуна и менее);

— обоснована целесообразность работы доменных печей АО НТМК, выплавляющих передельный чугун на агломератах одной основности. Практика в течении последних 15 лет подтвердила эту целесообразность;

— усовершенствовано оборудование и предложены новые методы исследований процессов непосредственно на работающих доменных печах, использование которых позволило осуществить комплексные исследования процессов газодинамики, теплообмена и массообмена на доменных печах, а после обобщения

результатов этих исследований предложить новые технологические приемы выплавки чугуна.

Реализация результатов работы. Результаты экспериментальных исследований явились фундаментальной основой для технических решений, позволяющих разработать и внедрить новые и усовершенствовать существующие технологии доменной плавки, реализация которых в условиях работы доменных цехов ОАО ММК и ОАО НТМК дала экономический эффект более 52 млн. рублей в ценах до 1991 года и более 12 млрд. рублей в ценах с 1991 по 1997 годы (экономия кокса более 25 тыс. тонн). Апробация работы.

Материалы диссертационной работы доложены и обсуясдены на 19 Международных, 36 Всесоюзных конференциях, совещаниях и семинарах. Основные из них следующие:

— Международного уровня. Симпозиум "Аэродинамика доменного процесса", Воллонгонг (Австралия), 1975; 6-я конференция доменщиков "Витковице-1979", Острава (Чехословакия), 1979; 8-я конференция доменщиков "Вигковице-1989", Острава (Чехословакия), 1989; конференция "Металлургия-92", Краков (Польша), 1992; 1-я конференция по газ-жидким-твердым промышленным реакторам, Огайо, Колумбус (США), 1992; 1-й конгресс доменщиков, Тула (Россия), 1992; 3-й конгресс доменщиков, Новокузнецк, 1995 (Россия); 4-й конгресс доменщиков, Магнитогорск (Россия), 1997; конференции "Научные основы конструирования металлургических печей" , Днепропетровск (Украина), 1993, 1996.

— Всесоюзного уровня. "Теоретические основы металлургии чугуна", Москва, 1974; "Проблемы автоматизированного управления доменным процессом" Киев, с 1971 по 1983 г.г.; "Теория и практика современного доменного производства", Днепропетровск, 1983; "Моделирование процессов в шахтных и доменных печах", Свердловск, 1988; "Средства и системы автоматического контроля и управления технологическими процессами в металлургии", Свердловск, 1991.

Кроме того, материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 15 Республиканских конференциях по металлургии чугуна, на заседаниях технических советов доменных цехов Магнитогорского и Нижнетагильского металлур-

гических комбинатов, коллегии Минчермета СССР с 1965 по 1996 г.г., научных семинарах Института металлургии УрО РАН, Института металлургии АН Украины, Института металлургии им. акад. И.П.Бардина, ЦНИИЧМ, Уральского института металлов.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 75 статьях и докладах; по результатам исследований получено 53 авторских свидетельств и патентов. Личный вклад автора. В представленной работе обобщены результаты экспериментальных исследований, выполненных автором самостоятельно, а также вместе с сотрудниками ОАО ММК и ОАО НТМК. Автор являлся научным руководителем этих научно-исследовательских работ. При этом автору принадлежат: постановка проблемы и задач исследований; разработка основных методик проведения экспериментов; непосредственное участие в проведении, интерпретации, обработке и обобщении результатов исследований. Автор также принимал непосредственное участие в создании и реализации новых технологических приемов по повышению эффективности выплавки чугуна.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальные исследования доменной плавки на ММК начались в 1932 году, когда под руководством проф. В.А.Сорокина были выполнены первые измерения расположения слоев железной руды и кокса на колошнике печи № 1 перед ее задувкой. В 1939-1940 г.г. исследованием магнитогорских печей занимались сотрудники под руководством акад. М.А.Павлова, которым удалось определить форму и скорость опускания уровня засыпи, зафиксировать скорость, температуру и давление газов в шахте и горне, а также отобрать из печи пробы материалов.

Полномасштабные и. комплексные экспериментальные исследования тепловых восстановительных, газодинамических процессов, механики движения шихтовых материалов с 1950 г. по 1970 г. были проведены на доменных печах ММК

8

под руководством проф., д.т.н. H.H. Бабарыкина, а на НТМК — к.т.н. Лазарева Б.Л. В этот период получили широкое распространение методы управления ходом доменных печей сверху, существенно повысились нагрев дутья и давление колошникового газа, улучшилась однородность и восстановимость железорудного сырья, стали применять офлюсованный агломерат и комбинированное дутье. В конце этого периода на доменные печи ММК стали поступать окатыши ССГОК, а в доменных печах НТМК малого объема совместно Институтом металлургии УрО РАН и Уральским институтом металлов успешно осуществлялось освоение плавки ванадиево-титанистых руд КачГОКа. Поскольку все эти мероприятия в той или иной мере оказали влияние на ход теплообменных, восстановительных, газодинамических процессов, то для оценки достигнутых результатов были организованы серии исследований всего технологического процесса выплавки чугуна, начиная с загрузки шихты в печь и кончая выпуском жидких продуктов плавки. В итоге была получена относительно полная характеристика технологического процесса для условий работы доменных печей ОАО ММК и ОАО НТМК того времени, которая совместно с аналогичными исследованиями на других металлургических заводах страны способствовала освоению мощных доменных печей, совершенствованию их конструкции, развитию теории и технологии доменной плавки.

В последующий период на доменных печах ОАО ММК доля окатышей в железорудной части шихты существенно возросла (до 60%); на доменных печах ОАО НТМК появились проблемы плавки высоко- и низкоосновного агломерата; потребовалось освоение и совершенствование технологии ванадиевой плавки на доменных печах большого объема на комбинированном дутье при обогащении дутья кислородом до 26%; усугубилась проблема цинка для многих доменных цехов страны в связи с тем, что в металлургический передел вовлекаются относительно дешевые руды и железосодержащие отходы с большим содержанием цинка; потребовалась разработка новых энергосберегающих и экологически чистых способов получения высококачественных, низкосернистых чугунов непосредственно в доменных печах при малом выходе шлака. Решение этих и других жизненно важных, в первую очередь для черной металлургии Урала, проблем потребовало проведения трудоемких экспериментальных исследований всего комплек-

9 -■■г-.

са процессов на ряде доменных печей в новых условиях плавки, их обобщения, а также разработки и внедрения на базе этих исследований и обобщений новых технологических приемов выплавки чугуна.

Таким образом, задачи настоящей работы заключались в следующем.

1. Исследование газодинамических свойств шихтовых материалов и анализ закономерностей газодинамических процессов при их плавке в доменных печах ОАО ММК.

2. Комплексные экспериментальные исследования теплообменных, восстановительных и газодинамических процессов в печах при содержании в железорудной части шихты до 100% офлюсованных и неофлюсованных окатышей ССГОКа, оценка эффективности их применения и разработка на этой основе новых технологических приемов ведения доменной плавки. Определение оптимального состава железорудной части шихты для условий работы доменных печей ОАО ММК.

3. Экспериментальные лабораторные и промышленные исследования, обобщение закономерностей поведения агломератов различной основности в доменной печи, совершенствование на базе этих исследований технологии плавки.

4. Совершенствование и внедрение технологии плавки титаномагнетитового сырья в доменных печах большого объема при обогащении дутья кислородом до 26%.

5. Экспериментальные исследования степени накопления цинка в рабочем пространстве печей, вскрытие механизм�