автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающих технологий доменной плавки на основе ее исследования и математического моделирования

Социально-экономическое развитие мировой цивилизации в настоящее время определяется концепцией устойчивого развития, означающего для промышленных компаний "экоэффективное" развитие, обеспечивающее увеличение прибавочной стоимости при уменьшении потребления природных сырьевых и энергетических ресурсов и загрязнения окружающей среды.

В черной металлургии максимальная доля потребляемых на производство металлопродукции ресурсов приходптся на подготовку железорудного сырья, производство кокса и доменную плавку. Появление в последние 50 лет технологий бездоменной металлургии железа не изменило доминирующей роли доменной печи в массовом производстве металла. Доменный процесс, основой которого является высокоэффективный противоточный тепло- и массообмен между взаимодействующими твердой, жидкой и газовой фазами, пока еще не исчерпал потенциальные резервы снижения потребления сырьевых и энергетических ресурсов на выплавку чугуна. В первую очередь это относится к расходу дефицитного кокса, а также агломерата и окатышей, производство которых наносит значительный ущерб окружающей среде. В связи с этим глобальная задача снижения потребления сырьевых и энергетических ресурсов на производство металлопродукции при обеспечении экологической безопасности должна решаться в первую очередь на стадии доменного процесса, который сам может осуществлять природоохранные функции путем потребления отходов металлургической, химической и других отраслей промышленности.

• Настоящая диссертационная работа посвящена комплексному решению проблемы ресурсо- и энергосбережения в агло-коксо-доменном производстве. Концепция работы заключается в сокращении расхода кокса в доменной плавке за счет повышения эффективности восстановительных процессов и полноты сгорания вдуваемого топлива, частичной замены кокса топливными и восстановительными добавками, загружаемыми в печь с шихтой, и вдуваемыми через фурмы. Реализация концепции осуществлена путем исследования динамики переходных процессов в печи, влияния на процессы тепло- и массообмена структуры столба шихтовых материалов, процесса горения вдуваемого природного газа, математического моделирования доменной плавки и разработки на основе этого технологических режимов, обеспечивающих сокращение потребления кокса, и технических средств, способствующих решению этой проблемы.

Автор искренне благодарен профессорам МГИСиС (ТУ): докт. техн. наук, зав. кафедрой РТП Юсфину Ю.С. и докт. техн. наук Чижиковой В.М. за весьма ценные замечания и советы при подготовке научного доклада.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Сохранение в ближайшие десятилетия в массовой металлургии железа доминирующей роли доменного процесса оставляет за ним и роль основного ресурсо- и энергопотребляющего звена в технологической цепи производства продукции черной металлургии. Это предъявляет к технологии доменной плавки и инжинирингу доменных печей все более жесткие требования по сокращению ресурсо- и энергопотребления.

Наличие в доменной печи высокотемпературной окислительной зоны при восстановительном потенциале газа в основном объеме печи и возможность вдувать в эту зону жидкие, твердые и газообразные материалы позволяют использовать этот агрегат для рециклинга производственных отходов, утилизация которых другими способами либо невозможна, либо связана со значительными затратами финансовых и энергетических ресурсов, либо сопровождается вторичным, иногда более опасным, загрязнением окружающей среды.

В этой связи разработка теоретических основ управления доменной плавкой, обеспечивающего сокращение расхода кокса, вовлечение в производство техногенного сырья, а также использование доменной печи как агрегата для глобального рециклинга отходов, представляется весьма актуальной.

Целью работы является: разработка адекватной математической модели доменного процесса, позволяющей осуществлять компьютерное моделирование доменной плавки и оценивать эффективность новых технологий; разработка критериев оценки эффективности доменной плавки в аспектах ее интенсивности и энергопотребления; разработка научных основ ресурсосберегающих и выполняющих природоохранные функции режимов доменной плавки, их практическая реализация и оценка эффективности.

Методы исследования. При выполнении работы использованы: экспериментальные и статистические методы изучения динамики переходных процессов в инерционных агрегатах; холодное и горячее моделирование процессов газодинамики, массо- и теплообмена в шахте доменной печи и ее зондирование; материальные балансы доменных плавок; пофакторный и корреляционный анализ; компьютерное моделирование с применением разработанных и проверенных на адекватность математических моделей.

Научная новизна Впервые установлено интенсифицирующее влияние послойной загрузки кокса и железорудных материалов на процессы тепло- и массообмена между газом и шихтой за счет повышения удельной поверхности контакта. Установлено, что импульсный режим загрузки кокса уменьшает окружную неравномерность распределения газа, вызываемую неравномерностью структуры столба шихты.

Предложен принципиально новый метод измерения толщины слоев кокса и железорудных материалов, использующий различие их электропроводности, на основе которого в МИСиС была разработана не имеющая аналогов автоматическая зондовая сканирующая система для измерения структуры столба шихты в доменной печи.

Разработана многофункциональная математическая модель доменного процесса, основой которой являются уравнения: материального и теплового баланса; противоточного массообмена для реакции восстановления газом железа из вюстита в изотермической зоне; уравнение газопроницаемости столба шихты. Модель адекватно имитирует реакцию доменной печи (изменение производительности и расхода кокса) на изменение всех управляющих воздействий и основных входных параметров доменной плавки, включая качественные характеристики шихты.

Предложены критерии эффективности восстановительных процессов в доменной печи бп=(т|ф)/(г|ж) и бх=Хф/Х„, представляющие собой соответственно отношения фактических степеней использования (ц) и окисленности (X) газа в зоне восстановления железа из вюстита к величинам их равновесных значений при температуре изотермической зоны в печи. Предложенные критерии адекватно оценивают эффективность противоточного массообмена в шахте при любых условиях доменной плавки.

Дано обоснование механизма ускорения и обеспечения полноты сгорания природного газа в фурменном очаге при его вдувании в смеси с кислородом за счет объемного горения смеси и ускорения ее нагрева до температуры воспламенения благодаря выделению тепла при медленном окислении метана в смеси с кислородом.

Предложен механизм участия углерода и кремнезема шунгита в процессах восстановления железа и образования чугуна в доменной печи, обусловленный высокой удельной поверхностью их контактов (более 20 м2/г) и их термодинамическими характеристиками при мелкодисперсной структуре шунгита. Дано теоретическое обоснование кажущемуся необъяснимо завышенному значению коэффициента замены кокса шунгитом при применении его в доменной плавке.

Разработана концепция обращения с отходами производства на металлургическом комбинате, предусматривающая рециклинг мелкодисперсных железоцинксодержащих пылей и шламов, отработанных масел, замасленной окалины и других отходов путем их окускования и загрузки в доменную печь или вдувания в нее в виде жидкого композитного реагента.

Впервые аналитически доказана формальная зависимость от высоты доменной печи показателей ее удельной производительности, рассчитываемых на единицу объема

Впервые установлено, что инерционность каналов управления содержанием кремния в чугуне («рудная нагрузка - [Б!]», «влажность дутья - [Б!]», «температура дутья - [Б!]») определяется в основном интервалами между выпусками продуктов плавки, уменьшаясь с их сокращением, и в меньшей мере - объемом печи. Определенны коэффициенты передачи (к), инерционность (постоянная времени Т) и запаздывание (т) этих каналов для доменных печей различного объема, составившие соответственно: к = 1,2-3,2%5^(т/т), 0,04-0,06 81/(г/м3), 0,2-0,35 % Б1/Ю0°С; Т = 2-7 часа, 4-6 часа, 4-6 часа; г = 4-6 часа.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Полученные в работе новые научные результаты использованы при разработке:

- защищенных авторскими свидетельствами СССР периодических режимов загрузки доменных печей, которые 70-80-х годах прошли промышленное опробование и применялись на доменных печах заводов «Криворожсталь», СМЗ (г. Сатка), СМК «Кремиковцы» (НРБ), обеспечивая экономию кокса на 1-4 % и повышение производительности печей на 0,5-4 %;

- защищенных патентами РФ технических систем подготовки и вдувания в доменные печи газокислородной смеси, используемых на доменных печах ОАО "НТМК", ОАО "Северсталь" и ОАО "Чусовской металлургический завод";

- защищенного патентом РФ способа ведения доменной плавки на ванадиевый чугун с вдуванием газокислородной смеси, применяемого на доменных печах ОАО "НТМК";

- защищенного патентом РФ способа доменной плавки с использованием в шихте коксовой мелочи, угля и других углеродсодержащих добавок, применение которого на д.п.№5 ОАО "Северсталь"т позволило утилизировать более 200000 тысяч тонн коксового орешка фракций 10-25мм и 15-25 мм с коэффициентом замены кокса орешком 0,7-0,9;

- защищенных патентами РФ технологических режимов доменной плавки на передельный чугун с применением шунгита, которые позволили переработать на д.п. №6 ОАО «НЛМК» более 27ООО т шунгита с коэффициентом замены им кокса 0,51 кг/кг;

- концепции глобального рециклинга производственных отходов на металлургическом комбинате, отдельные элементы которой прошли промышленную проверку и частично реализуются в ОАО «НЛМК».

Разработанная математическая модель доменной плавки более 15 лет применяется в учебном процессе и при выполнении исследований на кафедрах руднотермических процессов МИСиС и металлургии черных металлов Новотроицкого факультета металлургических технологий, а также в составе разработанной фирмой "НТЦ ЛАГ Инжиниринг" комплексной модели металлургического комбината,предназначенной для решения оптимизационных ресурсо-энергетических задач на металлургических предприятиях. Математическая Модель передана для использования многопрофильной научно-производственной фирме США "Air Products".

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: соответствием рассчитанных (по экспериментально полученным динамическим характеристикам) и фактических параметров колебаний содержания кремния в чугуне при применении периодических режимов загрузки доменных печей; воспроизводимостью результатов промышленных и лабораторных исследований влияния послойной загрузки кокса и железорудного сырья на процессы противоточного тепло- и массообмена в шахте доменной печи;

- адекватной реакцией разработанной математической модели на изменение входных параметров доменного процесса;

- соответствием полученных путем математического моделирования и при промышленном эксперименте оценок влияния применения газокислородной смеси на коэффициенты замены кокса природным газом;

- соответствием расчетных коэффициентов замены кокса шунгитом при выплавке передельного чугуна полученным в крупномасштабных промышленных плавках с применением шунгита;

- соответствием результатов компьютерного моделирования доменной плавки по расходу кокса и производительности печи) с применением шламококсовых брикетов результатам опытных плавок на доменной печи.

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:

- многофункциональная математическая модель доменного процесса, позволяющая решать задачи оценки эффективности применения новых технологических режимов доменной плавки; новых шихтовых материалов, загружаемых и вдуваемых топлив;

- расчетные критерии эффективности восстановительных процессов в доменной печи;

- теоретическое обоснование механизма ускорения горения природного газа в фурменном очаге при его вдувании в смеси с кислородом;

- предложенный механизм влияния послойной загрузки кокса и железорудных материалов на эффективность тепло- и массообмена в нем;

- предложенный механизм участия углерода и кремнезема шунгита в процессах восстановления железа и образования чугуна в доменной печи и теоретическое обоснование коэффициентов замены кокса шунгитом при применении его в доменной плавке;

- теоретическое обоснование формальной зависимости от высоты доменной печи показателей ее удельной производительности, рассчитываемых на единицу объема печи.

Автору принадлежит: постановка теоретических, экспериментальных и промышленных исследований, личное участие в них, обработка и обобщение результатов; росспл. ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА идея создания, разработка структуры и принципа построения многофункциональной математической модели доменного процесса, а также выбор базисных уравнений, создание алгоритма адаптации модели, разработка входящих в ее структуру ряда локальных моделей;

- разработка критериев оценки эффективности работы доменных печей;

- идея технологического режима применения » теоретическое обоснование эффекта применения шунгита при выплавке передельного чугуна;

- концепция использования доменной печи для глобального рециклинга производственных отходов и утилизации материалов, исчерпавших срок хранения, путем их загрузки в печь в окускованном виде и вдувания в составе жидкого композитного топлива.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты данной работы докладывались, обсуждались, положительно оценены и опубликованы в трудах:

- 4-й Международной конференции по автоматизации процессов в черной металлургии (Чехословакия, Острава, 1970 г.);

- 3-й Международной конференции по металлургии чугуна (США, Чикаго, 1972 г.);

- Всесоюзной конференции по проблемам автоматизированного управления доменным производством. (Киев, 1973 г);

- 5-й Международной конференции стран СЭВ по автоматизации производственных процессов и управления в черной металлургии (ГДР, Берлин, 1974 г.);

- 6-й Международной конференции по металлургии чугуна "Витковицы-1979" (Чехословакия, Острава, 1979 г.);

Международной научно-технической конференции "Новые и усовершенствованные технологии для окускования сырья и производства чугуна" (Болгария, Варна, 1994);

- Международном конгрессе доменщиков «Итоги XX века» (Москва, 2000 г);

- 61-й Международной конференции по производству чугуна (США, Теннесси, Нешвилл 2002 г);

- 7-м Международном конгрессе доменщиков. (Москва-Череповец 2002 г.)

- 62-й Международной конференции по металлургии чугуна (США, Индиана, Индианополис, 2003 г.)

-Международной научно-практической конференции «Рациональное использование природного газа в черной металлургии». (Москва. 2003 г.)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 80 статьях, опубликованных в научных журналах, сборниках и трудах конференций, 4 брошюрах и в одной монографии, а также в 50-х авторских свидетельствах и патентах России.

Структура н объем работы

Диссертация состоит из введения, 9 разделов, заключения, списка статей, авторских свидетельств и патентов по теме диссертации. Работа изложена на 108 страницах печатного текста, включая 24 таблицы, 32 рисунка, 65 формул и библиографический список.