автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка новых интенсивных методов зажигания шихты и совершенствование технологии агломерации

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

ДЕТКОВА Татьяна Викторовна

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ИНТЕНСИВНЫХ

МЕТОДОВ ЗАЖИГАНИЯ ШИХТЫ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АГЛОМЕРАЦИИ

Специальность 05.16.02 — «Металлургия черных металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени институте стали и сплавов, на Череповецком металлургическом комбинате и Высокогорском горно-обогатительном комбинате.

Научный руководитель;

доктор технических наук, профессор ВЕГМАН Е. Ф.

Научный консультант:

кандидат технических наук ЖАК А. Р.

(

Официальные оппоненты: доктор технических наук ФРОЛОВ А. Г, кандидат технических наук БОРИСОВ В. М.

Ведущее предприятие: Новолипецкий металлургический комбинат

Защита диссертации состоится «29 1993 г. в ^

часов на заседании специализированного совета К.053.08.01 по присуждению ученых степеней в области металлургии черных металлов при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан » мажа/ 1993 г

Справки по телефону: 237-84-37

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

профессор КУРУНОВ И. Ф.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Защита атмосферного воздуха от загрязнения является одной из наиболее актуальных проблем современности. Предприятиями черной металлургии ежегодно выбрасывается несколько миллионов тонн вредных веществ. Значительная доля газообразных,выбросов приходится на агломерационное производство. Заметное снижение количества выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ может быть достигнуто путем внедрения в производство принципиально новых способов зажигания агломе- . рационной шихты и совершенствования технологии спекания. В связи с этим разработка экологически чистых технологий зажигания и спекания агломерационных шихт приобретает особое значение и актуальность.

Цель работы. Разработка новых интенсивных методов зажигания агломерационной шихты и совершенствование технологии агломерации с целью снижения.выбросов вредных веществ в атмосферу.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов базируется на применении современных методик анализа хода химических процессов,.а также на использовании наиболее современной научной аппаратуры при проведении опытов. Достоверность выводов обеспечивается проведением параллельных исследований по разным методикам, а также совпадением результатов теоретических расчетов и лабораторных исследований с результатами налих про-мншленных опытов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем :

- исследованы новые процессы лазерного и плазменного зажи-

гания аглошихты, показано, что в обоих случаях полноценное зажигание осуществляется за весьма короткий отрезок времени, который ш 5...50 раз короче продолжительности зажигания традицион-

I

ным способом; ,

- экспериментально показано, что при лазерном зажигании на! контакте зоны горения твердого топлива и подогретой аглошихты | господствует окислительная атмосфера, что находит свое выраже- ; нив в окислении зерен магнетита шихты в этой зоне до гематита по плоскостям отдельности. В то же время при плазменном зажигании температуры в этой зоне контакта столь велики, что имеет место диссоциация зерен гематита шихты на их периферии с образованием характерной структуры мушкетовита, который до наших исследований был известен только в природных об; .зованиях;

- применительно к условиям плазменного зажигания усовершенствован метод расчета теплового баланса агломерационного процес-

> са, учитывающий теплоту рекомбинации ионов и образования молекул из свободных радикалов;

- разработан метод вычисления температуры в зоне горения твердого топлива при движении этой зоны через спекаемый слой и оценки уровня вредных выбросов на различных режимах агломерации;

- показано, что новые виды интенсивного зажигания шихты позволяют снизить выбросы вредных веществ в атмосферу.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

- разработаны и успешно опробованы в лабораторных условиях принципиально новые способы скоростного лазерного и плазменного зажигания шихты, обеспечивающие уменьшение выбросов вредных ве-шеств в атмосферу и рост производительности аглолент на 10..15$.

результаты этих исследований рекомендуются к использованию проектными организациями, заводами металлургического оборудования и агломерационными фабриками страны. Эти разработки запатентованы;

- предложен комплекс технологических мероприятий, который при спекании низкозанисного агломерата на Лебяжинской аглофабри-ке Высокогорского горно- обогатительного комбината обеспечил снижение уровня вредных выбросов и получение расчетного экономического эффекта в 1992 году 4,6 млн. руб.

На защиту выносятся:

- экспериментальные данные, полученные в ходе лабораторных исследований лазерного и плазменного зажигания, а также процесса агломерации при проведении его традиционным методом;

- результаты промышленных испытаний предлагаемой технологии, обеспечивающей снижение уровня выбросов вредных веществ в атмосферу:

- новые методы скоростного лазерного и плазменного зажигания, обеспечивающие резкое снижение уровня вредных выбросов через головные вакуум-камеры аглолент;

- новые расчетные методы для определения температуры в зоне горения твердого топлива и расчета теплового баланса агломерации в условиях плазменного зажигания с учетом теплоты рекомбинации

и образования молекул из свободных радикалов.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на. научной конференции молодых ученых МИСиС в 1991 году, на научно-технической конференции молодых специалистов Нижнетагильского металлургического комбината в 1992 году, на Конгрессе доменщиков СНГ в г.Туле в ноябре 1992 года.

. Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано три статьи.

/Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из| введения, 4 глав, выводов, списка литературы, приложений на ¿Р страницах. Изложена на JC'P страницах машинописного текста, содержит^!? рисунков и ¿^'таблиц. Библиография включает наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ

ГАЗООБРАЗНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ПРИ АГЛОМЕРАЦИИ

В сложившихся условиях работы агломерационного производства определенного региона основное влияние на количество образующихся в процессе спекания вредных соединений оказывают два фактора: высота слоя и .расход топлива на спекание. Две серии лабораторных спеканий на агломерационной установке чатевого типа были проведены с целью определения этого влияния.

В первой серии опытов высоту спекаемого слоя изменяли от 150 до 380 мм, массовая доля углерода в шихта оставалась постоянной и составляла 3,5 %. Полученный агломэрат подвергали испытанию для определения показателя холодной прочности /выхода мелочи -5 мм после четырехкратного сбрасывания/. Результаты газового анализа приведены на рис.1.

Величина соотношения С02:С0 в отходящих агломерационных газах при спекании более высоких слоев без изменения расхода топлива сметается в сторону более полного догорания углерода.

- 7 -

Влияние высоты слоя на количество образующихся СО, $02 и ЛГОХ в процессе агломерации №

гоо ш

Высота слоя, мм Рис. 1

400

Обозначения:

» - СО

* " ^

• - vo!

2

о о

Влияние расхода топлива на количество хшихся СО, 5О2 и М0Х в процессе агломерации

п! х р, о и >:

И

Ш К

а

Обозначения: см. рис

1 3 4 5 6 5» *

Расход топлива на спекание,2! Рис. 2

1.

уменьшая выброс монооксида углерода в атмосферу. Это связано с увеличением времени пребывания газа в зоне высоких температур, которая расширяется при движении вниз к колосниковой решетке, и ' падением вертикальной скорости спекания. Количество диоксида се-, ры в газе снижается благодаря развитию в высоком слое температур1, достаточных,для связывания серы в нелетучие химические соединения, кроме того увеличивается и масса расплава, активно захваты-' вающего серу. Рост концентрации оксидов азота в отходящем газе ! связан со значительным повышением температур в зоне горения твердого топлива,/с состоянием в слое температурного поля. Коррекцию последнего можно проводить в промышленных условиях за

счет развития сегрегации углерода по высоте слоя, а также ис- ]

!

пользования двухслойной загрузки пр: уменьшенном расходе топлива1 в нижний слой.

Во второй серии опытных спеканий при неизменной высоте слоя увеличивали расход твердого топлива в шихту от 2 до 8 /»/масс./. Ц.чя оценки качества агломерата определяли его пористость и вос-становимость. Результаты газового анализа этой серии представлены на рис.2. Рост количества монооксида углерода обусловлен не только увеличением количества газифицированного углерода, но и недостатком кислорода для более полного его догорания. Отсутствие статистически значимой зависимости между содержанием углерода в шихте и образующимися оксидами азота можно объяснить протекающими в газовой фазе процессами восстановления, т.к. доля СО в газе очень сильно возрастает. При общей тенденции к снижению выбросов диоксида серы с повышением массовой доли углерода в шихте, которая объясняется, во-первых, увеличением количества расплава, захватывающего серу, и, во-вторых, снижением окисли-

тельного потенциала газовой фазы при высоких расходах топлива, существует максимум на кривой при 4 %/тсс./ углерода в шихте. Существование экстремума в зависимости количества выгорающей серы от расхода топлива ранее отмечалось исследователями при анализе общего количества серы в сырой шихте и в агломерате.

На основании лабораторных исследований можно утверждать, что на количество образующихся при агломерации вредных соединений /без изменения сырьевых условий/ наибольшее влияние оказывает тепловая сторона процесса спекания, а общее количество выбросов зависит и от протекающих в агломерационных газах окисли-, тельно-восстановительных процессов.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ПРОТЕКАНИЯ ОКИСЛОТЕЛЬНО-

ВОССТАНОЕИТЗЛЬШХ РЕАКЦИЙ В ОТХОДЯЩИХ АГЛОМЕРАЦИОННЫХ ГАЗАХ

В условиях слоевого горения твердого топлива при агломерации происходит образование оксидов азота. Наиболее приемлемым для изучения возможности их образования из воздушной смеси было исследование процессов, протекающих при охлавдении агломерата. Это исключает влияние продуктов горения твердого топлива на количество образующихся оксидов азота из воздуха.

Изучена термодинамическая возможность окисления азота кислородом при просасывании воздуха через агломерационный спек-. Расчеты показали, что несмотря на низкие значения констант равновесия реакций образования N0 и /УОд, их равновесные конценралии в воздухе могут быть достаточно значительными с точки зрения экологии и превышать предельно допустимое-значение. Для охлаждения агломерационного спека на аглоленте в вакуумном режиме ха-

рактерны следующие условия: максимальная температура 1000...1200Ъ, данление 0,9...1,0 атм. Бри этих условиях равновесное содержание НО составляет 97,1...1534,4 мг/нм3, а Н02 - 4,5...13,2 мг/нм3. > Максимальное суммарное содержание оксидов азота при этом не может превышать равновесного - 101...1547 мг/нм3. Эта величина значительно больше, чем содержание оксидов азота в отходящем после охлаждения агломерата воздухе, которое находится на уровне 30...60 мг/нм3. Это говорит о том, что в условиях фильтрации воздуха через охлаждаемый агломерационный спек реакции окисления азота равновесия не достигают.

При рассмотрении непосредственно процесса спекания железных

I

руд и концентратов возникает вопрос о возможности взаимодействия! между оксидами азота и продуктами сгорания твердого топлива. Тем более, что в состав отходящих агломерационных газов входит значительное количество монооксида углерода /0,7...14 %/од.//, являющегося газом-врсстановителем. Основные реакции в газовой фазе и значения констант равновесия в области температур, характерных для процесса агломерации даны в табл.1.

Реакции восстановления оксидов азота при температурах агломерационного процесса термодинамически вполне возможны. Причем термодинамически более выгодно взаимодействие СО с N0, чем с кислородом. Значение имеет тот факт, что при низких температурах / 100...200 °С/. эти процессы также возможны, т.к. температура аглогазов в газовом коллекторе находится в этих пределах. Из приведенных в таблице результатов расчетов видно, что значения констант равновесия для этих реакций очень высоки. При достижении равновесия обеспечивается практически полное восстановление оксидов азота монооксидом углерода. Произведенные расчеты для

% . Таблица 1.

Константы равновесия реакций взаимодействия СО, N0, N02 и 0, в аглогазах. Температура, Уравнение реакции

°С N0+00=1/2^2+^2 Ю2+2С0=1/2^2+2С02 МЭ2+С0=/У0+С02 С0+1/202=С02 ]Ю+1/202=//02

100 1,7 юза 1.7 10зв 1.0 1031 1.3 10зь 1,3 104

200 1Д 1036 1.5 10зо 2,0 Ю24 5,2 ¡О26 2,6 102

300 7,0 ю28 2,5 1024 8,8 1019 1,8 ю21 19,9

400 6,0 1023 2,1 1020 7,7 1016 . 2,5 ю17 3,3

500 1,1 1020 2.1 Ю17 4.1 1014 3,6 ю*4 0,9

600 1.3 1017 9,9 1014 7,4 1012 2,3 ю12 0,3

7.00 6,6 1014 1.4 1013 3,1 Ю11 4,2 ю10 0,1

800 9,0 1012 " 4,5 1011 2,3 1010 1.6 10Э 7,0 10~2

900 2.5 Ю11 2,6 1010 2,7 ю9 1.1 ю8 4,0 Ю-2

1000 1.3 1010 2,3 109 4,3 ю8 1,1 ю7 2,5 Ю-2

1100 9,7 108 3,0 ю8 9,3 ю7 1.6 106 1,7 10"2

1200 1.1 ю8 5,1 ю7 2,4 ю7 3,0 105 1,2 10"2

1300 1.5 ю7 1,1 ю7 7.6 106 6,9 ю4 9,1 Ю-3

. 1400 2,8 106 2,8 10^' 2,7 106 1.9 ю4 7,0 10'"3

1500 . 6.3 ю5 • 8,3 ю5 1,1 106 6,2 103 5,6 10"3

1600 • ■ 1,6 2,8 ю5 4,9 ю5 2,2 103 4,6 10"3

термодинамически определенной системы /при известном соотношении С02:С0/ равновес/ных концентраций оксидов азота также подтвердили этот вывод. Таким образом, можно сказать, что полному восстановлению оксидов азота препятствуют только кинетические факторы, а именно: недостаточно высокая скорость восстановления. В связи| с этим любые изменения в технологии, позволяющие увеличить время пребывания отходящих агломерационных газов, содержащих N0, N05 и

I

СО, при повышенных температурах, где скорости реакций восстановления достаточно высоки, дают возможность снизить выброс вредны^ веществ в атмосферу. В частности, к таким усовершенствованиям ! можно отнести использование рециркулируемых агломерационных га-|

зов в аглопроцессе и при охлаждении аглоспека, предусматривающее

[

просасывание этих газов через агло;. .рируемкй слой или аглоспек.|

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ ГОРЕНЖ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Экспериментальные данные и результаты теоретических исследований позволяют сказать, что на уровень вредных выбросов большое влияние оказывает распределение температур в спекаемом слое, особенно в зоне горения твердого топлива. Количество и состав образующихся при агломерации газообразных веществ в значительной мере определяется тепловой стороной процесса агломерации. Поэтому очень важным является определение температуры в зоне горения по мере продвижения ее вниз, к колосниковой решетке. Предлагаемый метод расчета температуры в зоне горения твердого топлива разработан нами на основе теплового баланса зоны горения. В общем уравнении теплового баланса /1/ две величины имеют зависи-сииость от температуры: 0,'рвп и О огл. •

£с * 9a.cs. * ^ ' * а.'„ин. * ^мст. * ч'рег. ■* Ошм. = 3 9гид>* У-МК * фотх.г + ¿¡.т. п.'фагл. , *А*//М*г ягл.

Энтальпия готового агломерата выражается:

= ¿АГЛ* М'сагл. . /2/

где ¿АГЛ- температура агломерата в зоне горения, °С;

М - масса агломэрата в данном расчетном положении зоны горения твердого топлива с учетом ее расширения, кг; сЛгл - теплоемкость .агломерата, кДж/^кг^К^. расчет теплоты регенерации для каждого положения зоны горения производили методом, основное содержание которого представлено, в табл.2, с учетом экспериментальных данных по темпу охлаждения пирога агломерата.

По тепловому балансу определяется полная энтатьпия слоя в первом расчетном положении /в этом случае 0/. Это дает

возможность рассчитать температуру агломерата в первом элементарном слое. Теплота слоя, рассчитанная для первого положения В'Ходе процесса будет постепенно передаваться другим,'"нижележащим слоям, причем темп передачи тепла известен. Таким образом распределяем по времени регенерацию тепла от первого элементарного слоя для нижележащих слоев. Величина регенерированного тепла определяется по таблица суммированием всех значений количества тепла, которое передают вышележащие слои данному. В общем виде формулу для определения количества регенерированного тепла в каждом расчетном положении можно записать:

(¡рвп1 = , ./3/

где I- номер расчетного положения зоны -горения;

•]в 1.....¡--и

Таблица 2.

Табличный метод расчета регенерированного тепла для элементарного слоя.

№ Тол- Тепло- 1 2 3 4 5 6 7 • 8 9 10 • 11 12

* л зоны ломе-о мм рата, 1,24 0,94 0,87 я кДж 0,77 0,74 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,71 0,71

1 18,5 110927 0 8874 15863 15419 14642 13755 13755 11758 8874 4881 2219 887

2 18,8 109594 0 0 8110 13151 14357 14576 13699 13589 12493 10630 4713 3069

3 19,2 114375 0 0 0 7434 12124 14526 15326 14297 14183 13496 10980 5833

4 19,6 115787 0 0 0 О 7295 11810 14705 15515 14473 14358 13663 11116

5 19,9 123120 0 0 0 0 0 7633 12435 15636 16498 15267 14898 14651

6 20,4 132283 0 0 0 0 0 0 8334 14022 17726 19049 18387 17197

7 20,9 142597 0 0 0 0. 0 0 0 8984 15115 19107 19964 19821

8 21,3 152326 0 0 0 0 0 0 0 0 9597 16147 19802 21326

9 21,8 162527 0 0 0 0 0 0 •0 0 0 10239 16578 21129

10 22,3 172366 0 0 0 0 0 0 ООО'О 10514 17581

11 22,8 178954 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11095

12 23,4 188067 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Регенерированное тепло,кДж/100 кг агломерата О

8734 -23094 33999 44998 56483 69251. 81496-92495 102220 106913 113600

а - доля теплоты ]-го элементарного слоя, передаваемая нижележащему /1-щ/ слою, доли 9Д.

3 общем виде формула для определения температуры агломерата в ¿-м расчетном положении выглядит так:

?/7ЛАйХ" 9-г.п. I) /О^'^гд.ь) • °с /4/

где коэффициент, учитывающий, что при переходе зоны горе-

ния в нижеследующее положение часть расплава остается в жидком состоянии, т.е. тепло кристаллизации полностью не выделяется, доли ед.

Результаты расчета температур в зоне горения твердого топлива для различных условий представлены на рис.3.

Распределение температур зоны горения твердого топлива по высоте спекаемого слоя зависит от многих технологических' факторов. Применение предложенного, метода расчета на практике позволит оценить любое изменение в ходе технологического процесса производства агломерата и последствия его влияния на-Тепловой и температурный уровень слоя.

СОВЕН2ЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА АГЛОМЕРАЦИИ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Промышленные исследования по определению влияния технологических факторов на количество вредных выбросов проводились на Лебяжинской аглофабрике Высокогорского горно-обогатительного '.' комбината. В результата проведенных нами исследований и осуществления реконструкции на действующих аглолантах была внедрена технология производства низкозакисного агломерата. При ¿том,

- 16 -

Расчетное распределение температур по высоте спекаемого слоя

Цифры у кривых: 1 и 2 - сырьевые условия ЧерМК,- однослойная и двухслойная загрузка с уменьшением расхода топлива на 10$ в нижнем слое /соответственно/, высота слоя 300 мм; 3 - лабораторные спекания/без сегрегации углерода по высоте слоя/, высота слоя ■ 430 мм; 4 и 5 - сырьевые условия ВГОК для высокозакисного и низ-козакисного агломерата /4,57.и 3,85% топлива в шихте/.

благодаря снижению расхода твердого топлива на спекание, достигнуто значительное сокращение количества выбрасываемых в атмосферу вредных веществ /таблица 3/.

В результате промышленного эксперимента при изменении расхода топлива в шихту с 5 до 4 % относительное уменьшение газообразных выбросов составило: по С02 на 7.14 й/отн./; по СО на 18,52 Й/отн./; по Л/0Х на 27,8 %/отн./. Расчетное снижение выброса ¡¡02 з атмосферу составило 0,40 #/отц./. Восстаноькмость полученного агломерата улучшилась на 10...15 % /абс./ без ухудшения других металлургических свойств.

Дня подтверждения проведенных ранее расчетов по возможности образования оксидов азота при охлаждении агломерата был поставлен специальный эксперимент на действующей ленте с остановкой аглсматшны, результаты которого также представлены в табл.3.

Количество образующегося в процессе спекания диоксида серы определяется в основном содержанием серы в исходной шихте. В случае агломерации сернистых руд изменение расхода топлива не повлечет за собой значительного уменьшения количества образующегося £02. Этого можно добиться только изменением соотношения" различных железорудных составляющих шихты. Для условий Лебяжин-ского аглоцеха реальным способом является полное выведение ив состава шихты богословской руды до 2,9 %/, при увеличении

дели компонентов,проледших обогащение и имеющих более высокую'.', долю железа. В результате снижения общего расхода железорудной части шихты уменьшится приход серы, а, следовательно, и количество образующегося ¡>02.

Таблица 3.

Результата замеров выбросов вредных веществ на Лебяжинской аглофабрике.

Место отбора Содержание в отходящих газах

Режим работы проб газа на---

аглоленте СО,%/об./ С02Д/об./ //О.мгА

Традиционная технология спекания боров 0,27 3,50 36,90

высокозакисного агломерата в/к * 4 1,70 10,60 41,00

/ 4,76 % топлива в шихте, в/к № 10 0,19 2,25 10,25

14 % ГеО в агломерате / в/к * 12 0,08 0,70 8,20 |

разработанная технология произ- боров 0,22 3,25 26,65 £

водства низкозакисного агломерата в/к Л 4 0,75 11,70 30,75 '

/ 3,85 % топлива в шихте, в/к Л 10 0,25 1,85 14,35

9 % ГеО в агломерате / в/к № 12 0,02 0,20 5,13

Нормальный режим боров 0,21 2,90 41,10

Работа агломаикны в режиме в/к № 4 0,0350 2,05 14,35

охладителя агломерата в/к а 10 0,0060 0,15 4,10

в/к А 12 0,0035* 0,15 1,025

- 19 -

В результате внедрения технологии производства низкозакис- • ного агломерата на Лебяжинской аглофабрике суммарный расчетный экономический эффект в 1992 году составил 4,6 млн.руб.

Процесс спекания начинается с зажигания агломерационной шихты сразу после загрузки еа на- ленту. Зажигательный горн обычно отапливается природным,коксовым и доменным газами в различном соотношении, продукты сгорания которых содержат вредные вещества. По результатам проведенных нами замеров состава горновых газов содержание в них оксидов азота достигает 60...70 мг/нм3,_что-значительнр выше аналогичной величины для отходящих газов в кол- , лекторе агломашины.Балансовые расчеты позволили установить, что' . доля горновых газов в обшем количестве образующихся- в процессе газов составляет 18...20 %. На количество образующихся-в зажигательном горне вредных веществ наибольшее влияние оказывает коэффициент избытка воздуха, подаваемого на сжигание, а также состояние самого горна. Уменьшение образования загрязняющих веществ-можно достичь изменением режима работы зажигательных горнов.

На Череповецком металлургическом комбинате была испытана технология спекания шихты; нагретой до 200 °С. Предварительный высокотемпературный нагрев агломерационной шихты производили не--посредственно на' аглоленте пламенем зажигательного горна, который работал в режиме нагрева/с коэффициентом избытка воздуха 0,9... 1,0/. Это позволило снизить расход твердого тоЬлива с 65,9 до 59,2 кг/т агломерата при снижении' содержания в отходящих газах оксидов азота, диоксида серы и монооксида углерода в среднем на 15...20 %/отн./.

Таким образом, совершенствование узла зажигания агломераци-окной шихты, как одного из основных составлявших евеньев в цепоч-

о

' ке получения готового агломерата, является перспективным направлением на пути сокращения вредных выбросов агломерационного про-

• изводства.,

ЛАЗЕРНОЕ ЗАЖИГАНИЕ АГЛОМЕРАЦИОННОЙ ШИХТЫ

•

• Внесение принципиальных изменений в конструкции важнейших узлов агломерационных лент позволит сделать их компактнее и экономичнее, уменьшить расходы на капитальные ремонты. Идея лазер' ного зажигания агломерационной шихты была предложена на кафедре

* РТП МИСиС в 1991 г. Лабораторные опыты проводили при вакууме под спекаемым слоем 5. кПа. Зажигание вели сканирующим лучем оптического квантового генератора /лазера/ ТЛ-1,5 конструкции научно' исследовательского центра технологических лазеров Академии Наук.

' Масса устройства 1700 кг, максимальная мощность на выходе 1500Вт.

?

Диаметр лазерного пучка составляет 19мм, площадь пятна 283,5мм . Зажиганию подвергалась шихта Череповецкого металлургического комбината /55 % оленегогского + 45 % ковдорского концентратов, расход коксовой мелочи 62,4 кг/т агломерата/. Результаты опытов сведены в табл.4.

При лазерном зажигании осуществляется скоростной прогрев по-' • ■ верхностного слоя аглошяхты /3....5 мм/, воспламенение коксовой мелочи', частичное.или полное расплавление шихты верхнего слоя. При этом под действием разреженйя- воздух и продукты горения коксовой мелочи просасываются через расплав в виде газовых струй и пузырьков, которые в мифах'д^ют характерные круглые.и овальные • сечения. Оптимальная продолжительность зажигания близка к 1,25с, т.е,..она почти в 50 раз меньше продолжительности Традиционного

Таблица 4.

я

Результаты опытов лазерного зажигания агломерационной зихты.-

Скорость Мои- Интен- Псодол- Расход энергии ла- Удельный рас- Результаты опыта движения ность сивность житель- зерного луча в рас- ход электро- зажигания пятна, излу- излуче- ность чете на единицу по- энергии из мм/с чения, ни)$, ? зажита- верхности шихты,2 ' сети.

кВт Вт/см ния, с

кДж/м кВт-ч/мй

А X 8 - 1,0 353 ' ' 2,38 8400 62,23 Переоплааление

2 5 1.0 353 3,80 13410 99,36 Переоплавление

3 12 0,8 282 1,58 4460 33,60 Переоплавление

4 15 0,8 282 " 1,26 35.50 26,32 Нормальное зажигание

■ Таблица 5.

Результаты опытов плазменного зажигания агломерационной шихты.

Л. опыта Продолжительность Удельный расход электрозажигания, с энергий из сети,кВт•ч/м" Результать [ зажигания

1. 10 . ' 19,67 Нормальное зажигание

.2 60 ■118,00 Корка пирога переошгавлена

3 20 . ' 39,34 Частичное оплавление корки пирога

4. • 40 78,68 Переоплавленная корха пирога

I .

го

• зажигания под газовым горном. Лазерный зажигательный горн дает возможность сократить длину зоны зажигания с .трех и более метров .до нескольких сантиметров. Активное зажигание в потоке воздуха ведется здесь в узкой полосе по всей ширине паллеты. Это позволяет 'использовать под спекание дополнительно площадь машины, ранее занятую под газовыми горнами. Другие преимущества лазерного зажигания - возможность зажигания без использования природного, кокЬового или' доменного газов, получение пирога агломерата с достаточно оплавленным и' прочным верхом, резкое снижение выбросов. СО21 СО и Н0Х в атмосферу /на 20 V с отходящими газами. • • Текстура и микроструктура агломерата изучались в отраженном свете на микроскопах МШ-9 и Л/еорКэЬ-21. Картина лазерного зажигания проявляется при исследовании прерванных спеканий и полуденной корочки агломерата поперек ее толщины. Лазерный луч обеспечивает температуру 1400...1500 °С на облучаемом участке поверхности шихты в течение очень короткого промежутка времени. Елочная текстура агломерата здесь, в верхней корке.пирога полностью ' утрачивается* т.к. главным источником тепла становится энергия лазерного луча;.действующего вертикально и создающего цилиндры плавления, а не шары, как это имеет место при формировании блоков ' вокруг горящих частиц коксовой мелочи. В данном случае топливо .горит уже в сплошной массе расплава. В результате, часто внутри расплавленных лазерным лучом вертикальных цилиндрических трубок • . располагаются и шаровые структуры,.связанные о горением твердого топлива в расплаве, что полно наблюдать на микрофотографиях ан-

шлифов в виде структур типа "круг в круге". Верхняя зона имеёт • • •

мелкозернистую структуру /зерна магнетита размером 0,07...0,015 ым в окружении силикатной связки/, образовавшуюся из перегретого

расплава при быстрой скорости охлаждения.Относительная однородность структуры объясняется высокой температурой и достаточно большой степенью перемешивания расплава.

К слою агломерата снизу примыкает контактная зона. В массе

■ расплава видны крупные зерна магнетита, которые не успели раствориться полностью, а также остатки шихтовых материалов, в том числе и еше не Выгоревшей коксовой мелочи. Наблюдается большая неоднородность структур. На одних участках рядом с магнетитом находятся Са-оливины и стекло,а на других - ферриты кальция. -

В слое, шихты, который примыкает'непосредственно к зоне зажигания, видна характерная картина окисления магнетита до. гема-' . ткта кислородом воздуха по плоскостям отдельности. Это доказыва- .

. ет существование окислительной атмосферы под зоной горения при лазерном зажигании.

Результаты исследований позволяют сделать вывод -о принципиальной возможности использования лазерного излучения в качестве внешнего, источника энергии для зажигания агломерационной шихты.

■ В последнее время в процессе производства агломерата наметилась тенденция к использованию так называемого "жесткого"- зажигания, принцип которого заключается в, достижении максимально возможной .' скорости подачи необходимой энергии в слой при зажигании. Подача дополнительного тепла осуществляется другими способами, причем

со значительно меньшей концентрацией энергии. Исследуемый способ зажигания агломерационной шихты авляется предельны:/ случаем . "жесткого" зажигания. Лазер дает максимально возможную сегодня концентрацию энергии. Подача энергии большой плотности ооушест-

' вляется здесь в самом- начале процесса для зажигания твердого топ-• %

лива, входящего в состав шихты, и образования расплава в поверх-

' • ■ - 24 -

костном слое. Далее следует традиционное спекание, но верхняя часть пирога часто бывает в этом случае оплавленнее и прочнее ■ средней-и низшей его части.

ПЛАЗМЕННОЕ ЗАЖИГАНИЕ АГЛОМЕРАЦИОННОЙ ШИХТЫ

•

В июне 1992 г. на кафедре-РТП МИСиС был предложен принцип плазменного' зажигания агломерационной шихты. В отличие от лазерного пучка плазму нельзя рассматривать только как источник внешнего тепла, т.к. процессы, происходящие в ней, ведут к изменению • механизма взаимодействия между газовым потоком и материалом. Для исследования принципов такого взаимодействия, возможности использования их в процессе производства агломерата и были проведены ' опыты по плазменному зажиганию агломерационной шихты.

Низкая электропроводность аглошихты позволяет использовать ' только плазматрон с независимой дугой. В качестве плазмообразую-щего газа выгоднее всего использовать воздух,составляющие которого не только способны передавать энергию плазмы слою /азот/, но и способствовать активному протеканию процессов в слое /кислород/.

При взаимодействии низкотемпературной плазмы с агломераци-« . онной шихтой происходят процессы, обратные ионизации и диссоциации, т.е.'рекомбинаций и образование молекул. Энергия, которая ' выделяется при этом, может быт£ рассчитана по предложенной нами формуле;

^КГ^Ь» * ' "V' V * &Л1* •

где .- концентрация ионов Л^и азотной'плазме > см~^; .

- 25 - . ,

пы,п0 - концентрация атомов Жи 0 соответственно в азотной и' кислородной плазме, см • энергия ионизации азота, эВ; энеРгля Диссоциации азота и кислорода, эВ; • т^ тс^- объемные доли азота и- кислорода в плазмообразующем газе, доли ед.; 106и 1,602 ГО"19 - коэффициенты; Т - температура плазмы, К; .

Й^- расход плазмообразуюшего газа, нм3/т агледерата. ,

По результатам расчета Физической и химической энергии воз- '" дурной плазмы, используемой для зажигания аглошихты, тепловой. ' . эффект\/йрайне незначителен, главным образом из-за невысокой сте- . пени ионизации, а теплота образования молекул из свободных радикалов, напротив, весьма значительна и при 4000...5000 К составляет до 22...25 % от общей энергии плазмы. ' ■

Серии опытов по зажиганию агломерационной шихты низкотемпературной плазмой были проведены с-использованием сверхвысокочастотного плазматрона, мощность которого на выходе - 2,5 кВт. Результаты некоторых опытов приведены в табл." 5. ' ■

Расход плазмообразуюшего хаза на единицу поверхности шихты '

о р р

0,24 м /м , интенсивность зажигания 354 Вт/см . Рудная часть шихты состояла из концентрата мокрого магнитного обогащения Высокогорского ГОКа и гем.атитовой аглоруйы Михайловского месторождения при расходе твердого топлива.на спекание 4,7 $/масс./.

Проведенные 'прерванные спекания агломерата дают возможность выяснить природу воздействия плазменной струи, на поверхностный слой агломерационной шихты по везультатам исследования образо-

ч

вавшейся корочки агломерата. О полноте плазменного зажигания ;

• свидетельствует отсутствие в корочке агломерата остатков коксовой мелочи.

Самая верхняя зона образовавшейся корочки агломерата представляет собой закристаллизовавшийся расплав со следами окисления его воздухом. Здесь произошло окисление вторичного магнетита, который кристаллизовался из расплава", до гематита по плоскостям .отдельности. Чуть ниже располагается зона, в которой основными 'структурными составляющими являются магнетит и силикатная связка, состоящая из Са-олив'инов и стекла. Основное значение в формиро-■ вании такой структуры имели максимально высокая температура

• плазменной струи и горение коксовой мелочи. Именно результатом последнего и является наличие характерной для обычного агломерата^ блочной текстуры с силикатным озером в центре блока. В рассматриваемой зоне количество'связки составляет в среднем 10...

• 12 #/масс./.

. Нижележащая зона толщиной 0,5...О,6 мм характеризуется нес-'колько пониженным количеством силикатной связки и остатками зе-4 ' рен шихты,- которые не успели полностью раствориться в расплаве.

Особый интерес представляет верхняя часть зоны "сырой" шихты, которая находилась непосредственно под зоной плазменного зажигания. Ее толщина составляет 1,3...1,5 мм. Здесь присутствуют . кристаллы гематита, который по всей периферии перешли в магнетит. В природе такого £ода .-сочетание встречается в' очень редких случаях. Первым его отметил проф'.И:В.Мушкетов в начале века, исследуя минералогические структуры на контакте гематитовой руды с сульфидными массами. Такое сочетание минералов /гематит в центре • зерна и магнетит по его периферии/ было впоследствии названо в его честь ыушкетовитом. Процесс мушкетовитизации являетоя обрат- ■

ним по отношению к широко развитому в природе процессу мартити- ' зации магнетита, т.е. окислению зерен магнетита до гематита по периферии и по плоскостям отдельности.

Наличие мулкетовита в структуре, железорудного агломерата ■ установлено впервые. На процессы-в слое оказывают влияние чрезвычайно высокая /относительно обычной агломерации/ температура и диссоциированное состояние поступающего газа. Вероятно, образбва-ние мушкетовита происходит, главным образом, благодаря, термической диссоциации гематита, которая становится возможной на воздухе начиная с 1,383 °С при атмосферном давлении. Таким образом, присутствие мушкетовита под зоной плазменного зажигания является. '. доказательством восстановительного характера процессов, происхо- . дяших в слое.

Используя определенный-ранее оптимальный, режим плазменного зажигания шихты , были проведены опыты по спеканию агломерата при полном завершении процесса. В результате был получен офлюсованный агломерат /основность 1,3/'и вюститный агломерат. Для исследования текстуры и микроструктуры полученного агломерата были отобраны по четыре пробы продукта'на различных уровнях. Результаты исследований представлены, в табл.6.

По полученным образцам видно,что тепловой и температурный уровни агломерации были максимальными именно в верхней части спе-. каемого слоя, т.е. в зоне, действия плазма, где'выделялось много тепла при переходе плазмообразующёго газа из возбужденного состояния в стационарное. Блочная текстура отсутствует только в зона действия плазмы, где все сплавляется в единую массу /центральные силикатные озера есть, но нет индивидуальных блоков, спутана « *

концентрическая зональность, залиты расплавом крупные порй не.пра-

Таблица 6.

Минералогический состав агломерата плазменного зажигания, ^/масс./.

Вид -. агло- 1 мерата Образец • ^емет Гех0+- Ге203 Силикаты Силикаты Ферриты железа* кальция кальция +стекло Остатки шихты

Офлю- ■1/верх/ - 76,5 0,2 21,2 0,9 0,8 0,4/коксовая мелочь/

сован- 2/середина/ - .79,0 0,4 17,1 2,8 0.4 0,3/коксовая мелочь/

ный .3/середина/ - 70,9 6,1 13,8 3.1 5,9 0,2/кварц/

4/низ/ 74,3 5,8 12,1 6,2 11,6 -

Вюс-тит- 1/верх/ 0,3 77,8 0,2 16,8 2,1 0,4 2,3/коксовая мелочь/ 0,1/сульфиды:троилит/

НЫЙ 2/середина/ 73,1- 4,6 16,9 0,8 0,4 2,4/коксовая мелочь/ 1,7/кварц/ 0,1/сульфиды/

3/середина/ 0,2 64,6 7,4 14,8 0,4 0,8 7,6/коксик/ 4,2/кварц/ 0,1/сульфиды/

4/низ/ 2,6 ' 65,8 2,6 15,6 3,6 3,0 4,9/коксик/ 1,6/кварц/ 0,1/сульфиды/

вильной формы между блоками, потеряна их индивидуальность. Шлифы-вюститного аломерата содержат только следы металлического железа, которое присутствует как оторочка вокруг остаточных частиц коксовой мелочи.

• Сравнение технологических показателей процесса зажигания агломерационной шихты с помощью природного газа, СВЧ-плазматро-на и лазера показало, что применение новых способов зажигания-позволяет уменьшить время зажигания при применении лазера и ■ плазматрона в 4Й и в 6 раз соответственно. Увеличение шюшади спекания на_ аглоленте за счет бывшей "плошали зажигательных гор-» нов дает прирост производительности на 10...15 %.

Сравнительная характеристика новых способов зажигания и зажигания аглошихты природным газом дана в табл.7.

.Таблица -7.

Сравнительная характеристика показателей работы зажигательных горнов различного типа.

Показатели Единицы ' измерения . Типы зажигательных : горнов

• Горн на при-■Плазмен-родиом газе ныР горн ■ Лазерный горн

1 2 3 4 5

Время зажигания и дополнительного обогрева с 180,0- . 10,0 1.3

Длина горна м ' 6,40 . 0,30 0,04 .

Ширина горна м 2,50 2,50 2,50-

Интенсивность теплового потока кВт/м2. 626,25 '3540,00 2820,00

Расход тепла на единицу

Продолжение табл.7.

• 1

2 3 4 5

поверхности

расход природного газа

Выход горновых газов

Расход электроэнергии на зажигание

Общий расход электроэнергии

кДж/м2 112725.0 35400,0 3540,0 нм3/т 11,40 Нет Нет

нм3/т 165,52. 7,35 Нет

кБтч/м2 Нет 19,67 26,32

кВгч/|^ 31,53 81,65 114,18

Суммарный расход тепла .

на производство агломерата кДж/т 410400 293940 411048

' Выход оксидов азота с гор-нрвыми газами/над шихтой/ ыг/мин 17602 108000 Нет

Выход .монооксида углерода

с ^горновыми газами мг/мин 4293275 Нет Нет

' Суммарный условный выход

загрязняющих веществ с

■учетом коэффициента отно- усл.мг-

сительной опасности час 83613 73980 Нет

Применение как плазменного, так и лазерного зажигания позволяв* в качестве единственного источника энергии использовать электричество, отказавшись от газообразного и жидкого топлива. При этом возрастает расход электроэнергии, однако суммарный рас' ход тепла снижается. С точки зрения экологии наиболее предпочти-' тельным является лазерное зажигание, поскольку при его использовании .в зажигательном горне не образуется никаких вредных веществ.

1."В серии теоретических расчетов и лабораторных опытов показано, что оксиды азота могут образовываться как при спекании,

вывода

так и при охлаждении агломерата.Переход к спеканию низкозакис-ного агломерата с пониженным расходом твердого топлива в шихту позволяет уменьшить выброс СО, $02 и М0Х с отходящими газами в атмосферу. При увеличении высоты спекаемого слоя без снижения . раехода твердого топлива в шихту уровень выбросов СО и $С>2 снижается, но растет концентрация_ К0Х в отходящих газах.

• 2. Впервые-разработан метод вычисления температуры зоны г'о-рения твердого топлива при движении ее через спекаемый слой, На основании зональных балансов агломерации.

3. Предложены и успешно опробованы новые способы лазерного

и плазменного зажигения агломерационной шихты, позволяющие уменьшить выбросы СС^, СО, $02 и М)х в атмосферу. Продолжительность зажигания сокращается в 5...50 раз, что позволяет резко сокра- ■ тить длину зажигательного горна и увеличить площадь спекания с ростом производительности на 10...15 %. Результаты этих исследований рекомендуются к использованию проектными организациями, ■ ' заводами.металлургического оборудования и агломерационными фаб-• риками.

4. Разработан метод составления тепловогб баланса агломерации при плазменном зажигании лцхты, учитывающий теплоту рекомби- ' . нации и образованйя молекул из свободных радикалов.

5. Исследованы текстура и микроструктура пирога агломерата при лазерном и плазменном зажигании. Установлено, что при лазерном 'зажигании под зоной горения твёрдого■топлива на контакте .с шихтой идет окисление магнетита до гематита по плоскостям отдоль-

. ности. В то же время при плазменном.зажигании,температура•в этой

. 'зоне столь велика, что имеет место диссоциация зерен гематита до

»

магнетита с образованием характерной структуры мушкетовита,' ко,-

• торый до наших исследований был известен только в природных образованиях.

6. Технология производства низкозакисного агломерата при пониженных расходах топлива внедрена в 1992 г. на Лебяжинской аглофабрике Высокогорского горно-обогатительного комбината с суммарным расчетным экономическим эффектом 4.6 млн.руб./год.

' ' ПУБЛИКАЦИИ

1. Вегман Е.Ф., Деткова Т.В., Дубе Ндабезинхле Усовершенст-

• вованный метод расчета теплового баланса зоны горения твердого топлийа при агломерашш//Известия ВУЗов.Черная металлургия, 1992, *1, с.8-12.

2.. Деткова Т.В.. Жак А.Р. О возможности окисления азота

• кислородом.воздуха при охлаждении агломэрата//Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1992, № 7, с.74-75.

3. Деткова Т.В., Вегман Е.Ф., Жак А.Р. Лазерное зажигание агломерационной шихты//Известия ВУЗов.Черная металлургия, 1993, * 3, с.83-84. .

Заказ т объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Типография ЭОЗ МИСиС, ул. Орджоникидзе, 8/9