автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка технологии выплавки чугуна в комплексах "РОМЕЛТ-коксовая печь" и "РОМЕЛТ-доменная печь"

РГ6 од

- 8 ОКТ 1996

На правах рукописи

Давыдова Ольга Сергеевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА В КОМПЛЕКСАХ "РОМЕЛТ-КОКСОВАЯ ПЕЧЬ" И "РОМЕЛТ-ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ"

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Руднотермических процессов" Московского Государственного института стали и сшивов (технологического университета)

Научные руководители: дсЯстштсльный член Международной Академии наук экологии профессор, доктор технических наук ЕЖВсгман

член-корреспондент Академии инженерных наук доцент, кандидат технических наук А.ЕПареньков

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук Н.П.Сысоев

кандидат технических наук БЛ.Жураковский

Ведущее предприятие: Институт металлургии УрО АН (г.Екатеринбург)

Защита диссертации состоится/?-Й7в (? часов на заседании диссертационного Совета К.053.08,01. по присуждению ученых степеней в области металлургии черных металлов при Московском Государственном институте сталин сплавов по адресу: 117936, г.Москва, ГСП-1, Ленинский проспект,4,

Б-^ье.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС. Справки .1 отепефону:230-46-19. Автореферат разослан 41.09.

Ученый секретарь диссертационно! о Совета,

профессор г,р __ _ (■ И.Ф.Курунов

кА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В 1979 году в МИСиС был разработан новый метод выплаоки чугуна в жидкой ванне (РОМЕЛТ), реализованный в 1985 году на Новолипецком металлургическом комбинате (11ЛМК), где была сооружена опытно-промышленная печь такого типа, объёмом 140 м5, суточной производительностью до 700 т (КИПО 0.19 м3/т*сут). За 11 лет опытов На печи РОМЕЛТ было выплавлено до 40 тысяч тонн передельного чугуна при степени дожигания СО и Нг в печи до 70-80%, удеяышй расход угля составляет на разной шихте 0.8-1.2 т/т чугуна при расходе кислорода 700-800 м'/т чугуна. В настоящее время проектируются первые промышленные печя РОМЕЛТ.

Печь РОМЕЛТ не нуждается а агломерате, окатышах, коксе а природном газе, работая на пылеаатой шихте, шлемах и кскоксукнцкхся каменных углях. Все твляется бесспорным достоинством попей технологии, но, вместе с тем, вызод из эксплуатации коксохимических цехов (КХЦ) при частичной замене доменных печей на печи РОМЕЛТ будет неизбежно связан с возникновением дефицита многих химических реактивов в промышленности. Как известно, в КХЦ из грязного коксового газа получают до <00 химических реагентов, что деяаепйзозмошшм остановку этих цехов. Танин образом, проблема заключается в том, что при жидаофазней плавке чугуна не нужен кокс, но по-прежнему нужны химические реактивы. В 1993 году в МИСиС была предложена комплексная схема совместной эксплуатация печи РОМЕЛТ н коксовых печей с одновременным производством чугуна я шлака (в печи РОМЕЛТ), железоугля н химических реактивов га некоксую-щнхея углей (в КХЦ). Новая схема обеспечивает использование в коксовых печах физической энергии отходящих из печи РОМЕЛТ газов, в свою оч> редь загрузка в печь РОМЕЛТ горячего металлизованного железоуглд позволяет значительно сократить расход кислорода на процесс выплачен чугуна в ней.

Предложенная в МИСиС комплексная схема важна для металлургических заводез, уже располагающих коксовыми цехами, которые начинают играть совершенно новую роль в металлургической схеме полного цикла.

Эго предопределяет актуальность темы диссертационной работы для металлургии.

Не менее актуально также изучение возможности печи РОМЕЛТ, эксплуатируемой в качесгве газификатора угля, в ходе которого получают горючие восстановительные газы (ГВГ) для вдувания их в фурмы доменных печей. Анализ возможностей схемы вдувания ГВГ в фурмы доменных г.ечгй представляет большой интерес.

Цель {;а5оты. Исследование кинетики выделения летучих из газовых и тощих углей, и процесса металлизации руд, шлаыов is конце!ггратов а коксовой печи с получением порошковатого горячего железоугля.

Исследование текстуры и микроструктуры железоугля.

Определение основных технологических показателей работы комплексной схемы РОМЕЛТ-КХЦ применительно к условиям европейской части России.

Определение технико-экономических показателей работы комплекса РОМЕЛТ-доменная печь при использовании печи жидаофазного восстановления в качестве газификатора.

Научная иознзиа.

-С учетом реального распределения температур в коксовых печах получены кривые, характеризующие темп выделения летучих ш некоксующихся углей, уложенных в печь вместе с необходимыми количествами руды, шламов, концентратов и известняка.

-Экспериментальным путем получены кривые, характеризующие темп восстановления и металлизации рудной части рудноугольной шихты в коксовой печи. Минимальная продолжительность получения железоугля со степенью металлизации до 80% определена равной 24 часам.

-Впервые изучена текстура и микроструктура железоугля. Сделаны выводы о механизме процессов восстановления и металлизации шихты при производстве железоугля.

-Показано, что газификация нехоксующихся каменных углей негоз-нохят без частичного дожигания генерируемого газа над шляхом в самой печи РОМЕЛТ. Минимальная степень дожигания оценивается нами о 10%.

Практическая звачикость.

-Разработана технология производства офлюсованного ::-ел«оугля т некоксующихся углей в коксовых пячах. Определено минимальное зреня пиролиза угля при произзодстае :ккезоупш. Проверены расчеты масштгбсп сокращения расхода отопительного газа ггри полной использовании отао-длщих газов печи РОМЕЛТ.

-Определены техппко-экономичесхиг пекззателн работы пэти РОМЕЛТ при выплавке чугуна из горячего кеямоугля н ссротп^.'з «лееггабы экономии кислорода при выпяаЕке чугуна по предлагаемой схеме.

-Определены важнейшие технико-экономические показатели выпяаз-кп чугуна в доменных печах при использовании ГВГ, получаемых в печи РОМЕЛТ при газификации нпсоксугэщихся углей.

и пуалшеа:;-:^ рсботы. По мзтериялпм диихрг'пин опубликовано 3 стать-.: и получен один патент. I езультат!.: пкпо.'ше'.-л'.нг» псслс-догзиий долокени на Международном сс'яшгре "Модетяропгннг, тетпэдо-пга развитого процесса эксперте^; системы фслр»'спа тепло- я к£ссесби> на", проходившем и г.Екатернибурге.

Сдаем pr.C-.jT! г. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 135 наименований. Объем днееяртз-пин1С0 страниц машинописного текста, кроне того она содергпгг 63 рисунков, 3$та6лиц . Список использоазшюй литературы кздожея на 10 стргли-цах.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ОПЫТЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЯ С РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНЬЮ МЕТАЛЛИЗАЦИИ.

Лабораторные опыты проводились с Кузнецкими углями марок ССОМ, СС, ТСШ, гематитовой рудой (месторождение Кара-Джал) и магне-титовой рудой (Соколовско-Сарбайская руда), известняком (Елеиовское месторождение). Химический состав этих материалов приведен в табл.|. Предварительно материалы были измельчены. Гранулометрический состав материалов представлен в табл.2.

Термогравиыетрическим способом в установке А-Н.Похвисневз-М.С.Гончаревского изучались процессы, происходящие при пиролизе в коксовой печи руднофшосоугольной шихты в токе аргона и азота. Состав шихты был выбран в соответствие с потребность» печа РОМЕЛТ в углероде, флюсс и железорудной части при выплавке чугуна. Нагрев образцов проводился в режимах, моделирующих температурное поле рабочего пространства коксовой печи, то есть температуры на различных расстояниях от стеики коксовой иечи: 10мм, 50мм, 100мм, 150мм, 192мм (рис.1). Темп нагрева образцов был выбран в соответствие с экспериментально замеренными изохронами температур по ширине камеры коксования.

С целью определения убыли веса углей и руд были проведены опыты раздельного нагрева их в нейтральной атмосфере (рис.2). Как видим, при прокаливании руды уже в первые часы опыта происходит удаление гигроскопической и гидратной воды, а также разложение карбонатов. При нагреве угля удаляются также и летучие. Отчетливо видны махсимумы, соответствующие наивысшей скорости этих процессов. Полное удаление всех летучих в виде грязного коксового газа по нашим данным достигается во всем объеме коксовой печи за 13.5-14 часов.

Лабораторные опыта по получению железоугля проводились по аналогичным температурным кривым, как и для нагрева одного угля. В опытах не учитывалось, что с появлением металлического железа теплопроводность шихты значительно увеличивается, а в связи с этим растет и скорость прогрева материала, поэтому, вероятно, реальная степень металлизации желе-

Таблица 1.

Химический состав материалов и тонический анализ углей.

Матгопал Feo Мпо РЬ s? Fe-A sroi AljOj OO MrO mai A» Vp S» cït-ï.

Рует: гсма-пттоаая 51.00 2.30 0.025 0.0) 0.50

игтетатова» 58.20 0.07 0.100 0.23 54.13 5.95 1.36 3.17 1.33 152

Извеспгас 0.49 0.01 0.010 0.12 0.70 I.ÉÜJ O.SO 53.50 0.70 42.37

Хвост Олгжгорстсого ГОК 8.45 0.03 0.030 0.03 10.03 76.:? 4.13 3.70 3.82

Угога,: CCOM 8 27 0.6 64.4

СС 13 20 0.6 66.4

ТСШ 16 11 0.6 72.4

i

Таблица 2.

Грмгулометричес'дй состав катериздоэ. %.__

Материал -5++3 -3++I.6 -1 6«-+0.?5 -0.25

?Y0K гематвтовая 0.62 77.07. 6.63 15.73

магпегатсвая 9.56 73.59 3.5-» s ,-J>

Изгясттюс 11.34 78.95 5.56 4.13

Уголь: CCOM 0.65 66J3 13.33 19.59

СС 5.69 81.14 6.44 6.73

ТСШ 16.66 33.02 ' 0.32 -

о о ф о в о о • 2

(и - « « 4 в В И & &

ДО ■ 10 е О и) а 100 й & Л И 110* и к

«4 в * А X 8

«; И

и ц

А

X

а

Ж

А А

& а

ОЙ*

& и

«

Иг»

2 } 6 4 7 « в « 11 12 и

■Бремя,час-

'исЛ.Распределение ^ьклератур в рабочем пространстве

коксовой печи с газовым отоплением с использованием регенераторов и перекидных каналов, (цифры на кривых-расстояние от стенки коксовой печи, определяющее темп нагрева элементарного слоя)

&

в

ы

о

время,час

Рис.2.Скорость убыли леса образцом при их нагреве.

(цифры на кривих-расстоянне от стены коксовой, печи, определяющее теш нагрева элементарного слоя ши-сты)

а) уголь марки ССОН

б) руда (киЧ)

заугла будет нише, и период ««гллизации 2 коксовых печьг иескольаа сократится.

Результаты нагрева смесей руд, углей и известняка представлены на р->с.З и 4, По окончании опытов пробы отдавались на изготовление полированных ишифов с целью определения количества металлического »¡азеза. Результаты представлены в табл.3.

После проведения серш опытов по нагреву смесей нродалхлггезъ-ноогью 13.5 часов стало очегадшн, что степень металлизации за это

кг превысила 2%. В свази с этим били предприняты огыти продолжительностью да 2} часов. Степень металлизации в этой случае в среднем достигала 80%.

Исследования микроструктуры иелезоугля показали, что восстановление рудной частицы сначала идет по ее поверхности, пора!! н трещинам и ¡шел концеитрнчесхи-зоиальныГ* характер. Затеи фронт реакции перемещается к центру рудных частиц. Эти данные свидетельствуют о том, что, 'помимо восстановления на контактах рудных н угольных частиц, значительное развитие получает здесь и газовое косстановлепие моисоксидои углерода и летучими веществами угля, шдешсщимиса в ходе пиролиза.

Таким образом, удаление летучих угля с одновременным восстановле-Ш1ем руды вплоть до вюстита требует лишь 13-14 часов пиролиза, а"на получение метаялизоланного на 80% железоугля требуется до 24 часов. Оптимизация продолжительности пнролнзи возможна с учетом влияния степени металлизации железоугля на технико-экономические показатели работы комплекса в целой. Такого рода расчеты приведены нами нюхе.

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНО!! СХЕМЫ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕЧИ ГОМЕЛТ С КОКСОВЫМИ ПЕЧАМИ.

Коксохимическое производство- одна из вз:хнейшиз отраслей химической и металлургической промышленности. Путем коксования производят химическую переработку каменных углей, в результате которой параду с коксом получают высококалорийный коксовый газ, содержащий разнооб-

,пои а ц а л и и и а г?.'

л и-1 ^

м

И

* «1

£

$ »

1 И

т

■5 50

• п л

. п & у

* яя А :к

* Я Ч? Iй «

» п

' ® с, ч

Ю ^

•я

I 4 8 12 ' :16' ' £0 ' ' '24 время,час_

Рис.3.Изменение веса обрасцаД к начальному, при нагреве руднофльсоугольной смеси.

время,час

Рис.4.Скорость убыли веса образца при нагреве руннофлюсоугол'ьной смеси.

(цифры на кривых-расстояние от стенки коксовой печи, определяющее темп нагрева элементарного слоя)

lf Таблица 3. Мшграяашчгсшй ссгтаа гжг,сзогудаа]| чзсш ггамзсугла (ссдгтаг к ___сикмзфах tmaga^àgriiti'gecîaîM Магадан).

Шкхта Расстолций от crasxn ' коксовав r^'iu, ни Состав, % по bucia

гематцт FciOj ¡гатетти EâïvUrT Fcj0<+Fe,0 ¿¡ггхада^зе cus жег> 30 Fe ,

! !" 13.5 с л 1. геиат. рула+ССОМ+цзггстчииг 10 45,61 5!,02 3,37

2. ¡с:**,; руда+ССОК i я ISO 33 43 Ci,ZJ 0 03

3. генэт. рудд+СГОМ+щясспсж ,?'í 71 73,29

4, гемг.т. рузд+ССОМ+излплнм 22,01 77,W

5. гагат. руда t-CCOM+HjbíCi ¡ ¿x 55,M

Ь. ищи. py.ia+CCOM+HJeaciKäu- 10 53,38 1,62

7. uajii. руи1+ССОМ m-ibcccL'^c 1СГ» 100,CU

8. наги. py¡ia+CCC+in:itcm¡ir" 10 33,52 C,4¡i

9. t.; г... рудз+СС t-täiarc-nuK ICO ■ 100,00 .

10. v ira. рудя+ТСШ+иъ-гспнге 10 99,84 _M i,

! 1. ííuh. руда+ТСШ+Histcnuiit 100 . 100.00 -

! 2. reusT. руда+СС Hiiaij-niair 10 7,95 86,33 .......

i 3. генах. pyjv'.+CC + n:iji<:crd>>»: 100 - ieo,co

14. геыат. руда+ТСШ-Ншесг.шк 10 6,03 93,02 -

15. геиат. руна+ТСШ+и^вестняк ICO 21,01 78.99

tuAçpiiya 16 часои 16. геиат.рУич+ССОМ+югести»»: 10 71.3 23,7

Ш£ЯШт_2±22£й -17. геиат.вяра «ХОМ+цззьСг.ки ID „ 14.7 85,73

18. генат.руца^-ССОМ+атькяттак ш • 43,10 5.5,53

ССОМ- уюя. cœatocnsKaiaiqaSîa ща^х us&xuü CC - уголь слоЗоссеиши^йгя ТСШ - упш. тс:це2 свй^иащийся кш-э

разные химические продукты, являющиеся основная сырьем дня многих химических произведет?..

В настоящее время коксохимические цехи производят до 430 пенных химических продуктов. Коксохимия дает ряд продуктов, которые нигде более не производятся. Таким сбразон, сели г:о;::ко та?: м тр^зитьсч, кокс сга-нопится "вторым" продуктом и даже отходом - гласную роль играет производство хгкпческнхреактнпсп и материалов, изготовленных из них.

С пепзленпем ысталлургччссхих агрегатон, не зреиушцик использования металлургического кокез, логично предположат» постепенное рытес> непие ими традиционного коксового £стлчлугпг-:е™его пг-зи^одсгез. Однако, до момента -выраЗотеи ресурсог угке возведенных агрегатов будет иметь место длителмг Ш период параллельного сущсстго^янпя кохсозой п бескмссовой металлургия. Таким сбэазом, упчпготаггь коксохш к:чггкос пропззодстео, как основное з ряду получения химических ве-цестз, игяьз;. Его могшо лишь ноди<{нцнровать путем замены коксующихся углсП па п?-■ <>.:сугощ;:еся с переходом от производства кокса к производству зеелезоуг-лл.

С другой стороны, г> 1:?.етоящез время печь ?;пдкофазного ессстр-иовления РОМЕЛТ работает на угле, и цепные летучие вещестаа схсигаготся в печи, то е-гь используются лишь как топливо, поэтому зкопомичккч обоснованный .будет убрать летучие угля ¡п печи гзодсофазного ьссета-ковлеиня и полезно утилизировать их в химических отделениях 1СЩ. Для зтогсйкоксующийся уголь должен быть подзергнут пиролизу. Одаговрем',;!-но произойдет некоторое увеличение выхода коксового газа, а потопу уг.> личнтся производство химических веществ.

Обсугздепие таких возможностей правого к появлению идеи и изобрел тению в МНСиС нового подхода к данной проблеме. Общая технологии екая схема попой комплексной установки "ГОМЕЛТ-КХЦ" представлена нл рис.4. О ее основе лежат следующие проектные соображения:

-отходящие газы печи РОМЕЛТ при температуре 1 ВОЗ-гООО^С очищаются от капель шлака, угольных частиц, расплавленной руды в каплеуловителе системы МИСиС, после чего при температуре 1450-С

непрерывно вводятся в отопительные простенки коксовой батареи; прокаливание угля идет за счет энтальпии отходящих газов РОМШГГ н дополнительного топливного газа (доменного, коксового или природного), при этом газ охлаждается с 1450 до 300°С; при одновременном сжигании части топливного газа в кауперах дутьё нижнего ряда фурм печи РОМЕЛТ можно нагреть до 1200°С. -химические продукты, извлеченные из летучих, здесь, наряду с чугуном, шлаком и чистым коксовым газом являются товаром, а потому это необходимо учитывать при ведении экономических расчетов, -так как летучие уходят из угля в течение длительного времени, целесообразно загрузить в коксовую печь вместе с углем также руду и флюс, что позволило бы снизить расход угля на тонну чугуна в печи РОМЕЛТ, и повысило бы КПД комплекса в целом; вместо холодной и влажной шихты в печь РОМЕЛТ будет загружаться подготовленный металлизованный железоуголь с температурой около 1000°С, который уже не содержит гигроскопической и гидратной влаги, углекислоты карбонатов; значительно уменьшается количество отходящих из печи РОМЕЛТ газов, так как летучие угля удаляются из железоугля еще В коксовых печах.

-кроме удаления летучих в коксовой печи одновременно будет идга процесс восстановления; эффект восстановления- получение железоугля, прочность которого не играет сколько-нибудь важной роли, наоборот, чем мельче железоуголь, тем лучше для процесса в печи РОМЕЛТ, так как мелкий железоуголь обеспечивает огромную поверхность взаимодействия его улерода с железистым шлаком, то есть повышенную скорость жидкофазного восстановления, -следует иметь в виду, что значительная часть восстановительной работы будет выполнена уже в коксовой печи, где, в отличие от печи РОМЕЛТ, для этого не нужно расходовать кислород; дело в том, что в печи РОМЕЛТ дутье нижнего ряда фурм обогащается кислородом воздуха, а на дожигание подается чистый кислород; в коксовой печи.

;:.лраты тепла в твердой фазе частично компенсируются теплом отходящих из печи РОМЕЛТ газов, используемых для отопления коксовой печи, здесь кислорода для процесса производства железоугля не требуется, отсюда и вытекает возможность значительной экономии кислорода.

Резюмируя сказанное, можно констатировать, что комплекс "печь ЮМЕЛТ-КХЦ" предлагаемой конструкции позволяет:

1. Полностью использовать грязный коксовый газ с целью извлечения из него всех ценных веществ и элементов, которые в настоящее время сии-гаются в печи РОМЕЛТ.

2. Получить металлизованный порошховатый железоуголь, загрузка которого в печь РОМЕЛТ в горячем (-ЮОСС) состоянии позволит существенно снизить удельный расход углерода в ней, а следовательно н удсяышй расход кислорода на выплавку чугуна.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ПЕЧИ РОМЕЛТ МОДИФИЦИРОВАННЫМ МЕТОДОМ А.Н.РАММА.

Сегодня не существует другого метода расчета доменкой шихты, который мог бы обеспечить столь высокую точность в предсказан;:!! удельного расхода кокса на доменную плавку, как это позволяет сделать метод профессора А.Н.Рамма. Логично, поэтому, было попытаться применить комплексный метод А.Н.Рамма и для печи РОМЕЛТ, в которой также выплавляют чугун и шлак, и получают газ.

Механический перенос метода А.Н.Рамма на внедомешюе получгппг ■ чугуна не может привести к успеху, так как в печи РОМЕЛТ, например, имеется дожигание печного газа вторым рядом фурм, а сама печь работает на угле, что приводит к необходимости учитывать теплоту выделения летучих из угольного вещества и последующую их деструкцию. Имеется таю;« и ряд других отличий, например, другой уровень тепловых потерь, состав чугуна и шлака и так далее. При сохранении основных характеристик коиио-

нснтов шихты меняется методика нх расчета. Метод проф. А.Н.Рамма не учитывает, например, теплоту выделения летучих из твердого топлива, так как содержание летучих в коксе ничтожно. Предлагаемые варианты расче-тоз учитывают эту затрату тепла, которая при работе на угле становится весомой. Выделение летучих начинается со 150-200°С, с повышением температуры до 300°С возможные разрывы водородных, межмолекулярных к частично ковалентных связен способствуют снижению структурной прочности комплсксоз, начинают осуществляться первичные реакции деструкции, приводящие :: разрыву внутримолекулярных связен между атомами н молекулами н к отделению летучих от угля.

Рассмотренный выше модифицированный метод А.Н.Рамма был применен нами для расчетов техникоэкономических показателей работы комплексной установки "КХЦ-печь РОМЕЛТ". Результаты этих расчетов сведены в табл.4, из которой видно влияние различных факторов на расход уг-дя в комплексе в целом.

На любом режиме увеличение степени дожигания СО и 1Ь до СО2 и НгО перед верхним рядом фурм ведет к снижению удельного расхода углерода на плавку чугуна а печи РОМЕЛТ и, как следствие, к снижению общего удельного расхода углерода. Дело в том, что с ростом степени дожигания растет теплоотдача углерода, сгорающего перед фурмами печи РОМЕЛТ и участвующего в ней в прямом восстановлении. Таким образом, ка-дсдый килограмм нелетучего углерода дает все больше тепла, что, конечно, сокращает удельный расход топлива.

Переход от плавки холодной руды на холодном угле к работе на горячем железоугле со степенью металлизации 2% сопровождается небольшим ростом расхода углерода в печи РОМЕЛТ, хотя горячий (1000°С) железо-уголь не содержит гидратов, карбонатов, гигроскопической воды и, кроме тог о, восстановлен до шостнта и вносит в тепловой баланс печи энтальпию горячего железоугля. Здесь сказывается то обстоятельство, что железоуголь не содержит летучих,гсрспие которых в печи РОМЕЛТ дает до 40% всего

прихода тепла при работе на холодном угле. В отсутствие летучих затраты тепла покрываются исключительно н-летучим углеродом железоугля.

Другая зависимость- снижение удельного расхода угля в печи РОМЕЛТ с ростом степени металлизации железоугля- связана со снижением затрдт тепла и углерода на восстановление.Параллелыю резко падает и удельный расход кислорода на плавку. В частности при переходе с холодной шихты на горячий железоуголь со степенью металлизации 80% позволяет уменьшить удельный расход кислорода с 943 до 461 м'/г чугуна, то есть в 2 раза.

В табл.4 ясно видна и тенденция к увеличению расхода угля в коксовой печи с ростом степени металлизации железоугля. К теплотам испарения воды шихты, ее дегидратации и декарбонизации, здесь добавляются расходы углерода и тепла на восстановление и металлизацию вещества железоугля. Однако, все процессы в коксовой печи идут без использования технического кислорода, что и позволяет сократить расход кислорода на процесс выплавки чугуна в комплексе в целом. Отметим, что расход тепла на отопление коксовой печи учтен в пересчете на условное топливо в рассматриваемой таблице. При этом 45% затрат тепла на отопление коксовой печи покрывается теплом отходящих газов печи РОМЕЛТ.

Суммарный удельный расход углерода при переходе от плавки холодной шихты на плавку железоугля со степенью металлизации 80% возрастает на 150кгАг чугуна, а расход кислорода снижается на 582 м'/т чугуна. При цепе угля в 150000 рубЛ и кислорода в 45000 руб./1000 м} 02 это дает снижение себестоимости чугуна на 3700 рубЛ чугуна, то есть является экономически выгодным. Сверх того, комплекс получает значительную прибыль от реализации на рынке более 400 ценных веществ и элементов, извлекаемых из грязного коксового газа при производстве железоугля.

Тс&зэда 4.

Теклаотдачз углерода с печа ¡кздкофсзасп» кзссгшавлг&&: к тюашчссгке показателя ашакшкз да 3 аом-____елсксйой теты-.азкз РОГ»£ЕКТ-1-ГХИ.___

Хогоьдга иг;.:-::,'тгтт.1\| ¡зг-т;* пра стелс^и лог гп:-';л;'!' Стшспь ыег*шзш-задян 2% при стеная д ; Стхисяъ металлизации 30% ера сгсзгзз Стспизь цгкилепетш £0% пра отследи дага- гяппя

95 75 95 75 95 75 95 75

Тсиожй зЛфекг горсжм а^горфаого угдсродл углл з гх-,:: РОМЕЛГ, г,, кЛг^кг С„ 32731,5 23015,75 32731,- 2Е015,75 32731,5 22015,75 32731,5 23015,75

Тсигсотгача угяфода, сго-рыхошсго перед дауыа р^^^лг Луга, сДж/кг С 20372,40 15707,49 20572,40 16767,49 20372,40 16767,49 20572,40 16767,49

Теплоотдача углерода прямого гзссшювдеияя с учетом доен-глаг СО перм вергпам радой фури в НИЗ !>0?.1ЕЛТ, Яса, еЛ ж/кг С(1 24251,33 20740,11 24251,39 20740,1! 24851,39 20740.11 24351,3? 20740,11

1 ^лдоотдачз летучи угля в пстл РОМЕЛТ, р , гЛжЛсг угле 10140,15 7265,11 'Я 7,СО 291,73 407,00 291,73 407,00 291,73

Расход углерода в пета РОМЕЛТ, т/гчуп-яа 0,507 0,693 0,537 0,620 0,399 0,525 0,370 0.468

Расход углерода на восскшоыте-ш1с а иегаллпглцкю х:ел&гоупи й кскст-ок пт-га. т/т чуглт'й - - 0,075 0,075 0,14 0,14 0,29 0,29

Суиидркий расход углерода в пгш РОМЕЛТ в в коесозой пето, т/т чугуна 0,507 0,638 0,612 0,695 0,540 0,655 0,660 0,753

СунмарнцЗ расход углерода с учетом углерода отспяггльного газа длят ксл'кюой пета, т/г чуг. 0.507 0,698 0,717 0,804 0,629 ■ 0,760 0,752 0,844

Со> в пета РОМЕЛТ 121,0 300,7 218.4 301,9 158,1 324.1 285,9 354.2

Сйвпсчя РОМЕЛТ 303.1 308,0 274,0 274.0 1 155,8 155,8 39,0 39,1

Расход кпело-озл, м3/т чугуна 943 1134 537 | 589 1 439 532 451 524

ПОЛУЧЕНИЕ ГОРЯЧИХ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ГАЗОВ В ПЕЧИ - РОМЕЛТ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИХ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ. , Одним из направлений технического прогресса в доменном производстве является замена кокса менее дефицитными и дешевыми видами топлива. Широкое распространение в промышленности получил способ доменной плавки с вдуванием углеводородов. Эффективность использования углеводородов и угля можно повысить, если реакцию их горения до СО и Нг осуществлять за пределами печи и обеспечивать нагрев продуктов горения до высоких температур.

В качестве агрегата для газификации некоксующихся углей предлагается использовать печь РОМЕЛТ, в которой легко можно регулировать состав отходящих газов и их температуру, изменяя степень дожигания газов д0со2ин2о.

В результате проведенных нами расчетов по методике А.Н.Рамма, модифицированного для условий печи РОМЕЛТ, было установлено, что минимально необходимые температуры чугуна (1350°С), шлака (1450ЭС) и отходящих газов (1200°С) могут быть достигнуты лишь при частичной (1015%) дожигании газов над шлаком перед верхним рядом кислородных фури. При степени дожигания 10% содержание окислителей (со2+н2о) в ГВГ достигает 12% (при 31% СО и 29.2%Нг). При степени дожигания 15% концентрация (н2о+со2) в ГВГ достигает 18%. Работу без дожигания части СО и Нг до СОг и НгО невозможна, так как при этом ие обеспечивается необходимый температурно-тепловой уровень процесса в печи РОМЕЛТ. Результаты расчетов представлены в табл.5, из которой видно, что при степени дожигания 10% на производство 1000м3 ГВГ расходуется ~0.26 т газового угля.

Температура в фурменных очагах Весьма чувствительна к составу ГВГ. Предложено регулировать теоретическую температуру горения кокса перед фурмами доменной печи путем изменения концентрации окислителей в ГВГ, которое в свою очередь определяется степенью дожигания в печи РОМЕЛТ. Как показали расчеты, увеличение концентрации СО2 в ГВГ с 1

Таблица 5.

Расчетные показатели получения горячего восстановительного газа (ГВГ) __ в печи РОМЕЛТ

Уголь

при степени дожигания, %

10 15

1 .Расход материалов,

т/т чугуна: железорудной

части 1.398 6.372

флюсовой части 11.755 12.633

топливной части 91.725 43.758

то же, т/1000 м3 0.260 0.256

2.Теплоотдача, кДж/кг:

летучих -765.25 -9.76

железорудной части -2868.63 -2870.83

флюсовой части -6794.40 -6794.48

топливной части 914.47 2379.63

З.Расход тепла на

восстановление, кДж/г 42*105 44*10«

чугуна

4.Сф ,КГ/100кг чутна 6330.97 3026.25

5.С(1, КГ/ЮОкгчугуШ' 31.60 30.59

6.Расход кислорода,

тыс м3/г чугуна 49 26.3

м3/1000 м3 газа 0.14 0.15

7.Выход шлака,

т/т чугуна * 15.39 16.30

т/1000 м3 0.04 0.095

8.Выход чугуна, 0.003 0.006

т/1000 м3

9.Выход газа.

тыс м3/т чугуна 350 171.2

тыс кг/т чугуна 315 162.8

Ю.Состав газа, %(об.):

Н2О 7.59 9.18

С02 4.43 8.71

СО 31.06 28.55

СН4 1.80 1.65

Н2 29.19 26.85

N2 25.87 25.05

ЗОз 0.01 0.01

11 .Температура газа,°С 1200 1300

до 10% снижает теоретическую температуру горения Перед фурмами с 2600 до 2030°С.

' С целью решения этих проблем предлагается создание в промышленных условиях комплекса 'Экспериментальная доменная печь - газификатор ПХСВ". На пилотной установке такого комплекса могут быть опробованы все перспективные новые технологии производства чугуна, существующие во всех развитых странах мира. Планируется такж; выплавлять ферросплавы (ферромарганец, феррованадий', силикомарганец и др.) с применением горячих восстановительных газов и низкотемпературной плазмы (НТП) с получением минимально возможного расхода кокса в этой доменной печи. В настоящее время эти проблемы решаются совместно с сотрудниками Института машиноведения (Уральское отделение Российской Академии Наук), Уральского Государственного Технического Университстета и другими.

Были проведены расчеты параметров выплавки передельного чугуна для условий Урала с использованием ГВГ по методу профессора А.Н.Рамма для выяснения возможности получения минимального расхода кокса (табл.6). Если ГВГ будут подогреваться с помощью НТП, то расход кокса в доменной плавке может составить 150-200 кг/т чугуна и будет, в основном, расходоваться только на создание коксовой насадки и науг лероживание чугуна.

-2з:

Таблица б.

Расчетные показатели вдувания ГВГ в фурмы доменной печи !М ОХМК.

Показатели Базовый ва- ГВГпри степени ГВГпри сгеоши

риант дожитии в пе<ш дохнгзшя а печн

РОМЕЛТ 10% РОМЕЛТ 15%

1. Расход материалов, т/г чуг;

железорудной часта 1.746 1.746 1.746

(¡шосовой част 0.04 0.04 0.04

топливной части 0.504 0.4Í9 0.554

2. Расход природного газа I2S . - .

ГВГ, ы'/г чугуна - 872 872

3. Температура яутья.^С 1029 100 100

4. Содержанке кислорода а

дутье,0/« 24.6 95 95

5. Теоретическая теш!ера1>рд

горения ,4} 2031 1950 1876

6. Температура кояошнмхсзо-

го газа,°С 261 135 178

7. Состав колошникового

газа,0/»: СО 21.53 40.20 43.58

СО1 18.06 28.54 27.36

н, 7.47 14.83 14.19

N. 52.89 16.43 14.87

8. Калорийность колошнико-

вого газа,МДж/н] 3.54 6.68 7.04

9. Состав чугуна.%: Мл 0.124 0.124 0.124

Р 0.085 - 0.084 0.089

Т1 0.037 0.037 0.037

Б 0.018 0.013 0.020

С 4.22 4.22 4.22

51 0.79 0.79 0.79

Ю.Состав шлака,%: РеО 1.42 1.42 1.40

39.72 39.65 39.91

СаО 44.47 44.59 44.01

ТЮ; 4.23 4.25 4.22 •

МлО 0.27 0.27 0.25

11.Выход шлака.кг/т чугуна 445 444 450

Ц.Потеои тепла,% 37.55 27.84 23.S4

13.Удельный расход услозного • • 538

тоячква, кг/г чугуна 630 638

выводы

1. Разработана комплексная схема совместной работы печи жидкофазного восстановления РОМЕЛТ и коксохимического цеха, обеспечивающая, наряду с выплавкой чугуна и ишака, извлечение ценных веществ из грязного коксового газа, а также резкое сокращение удельного расхода кислорода на плавку.

2. В результате исследовании методами термогравиметрии и минераграфии в лабораторных условиях исследован процесс формирования железоугля в ходу пиролиза смеси некоксующихся углей с измельченными железными рудами различного типа. Установлено, что при нагреве шихты без доступа воздуха по реальным нзохронам, характерным для коксовой печи, общие скорости восстановления и металлизации лимитируются стадией диффузии монооксида углерода и водорода летучих угля и газообразных продуктов их распада в порах и трещинах рудных частиц. В связи с этим во всех случаях восстанавливаемые рудные частицы имеют характерную концентрически- зональную структуру. Таким образом, основными восстановителями в этих случаях следует считать СО, Ш, летучие угля и продукты их деструкции. Непосредственное твердофазное 'восстановление играет второстепенную роль.

3. Экспериментально установлено, что нагрев рудноугольной смеси по промышленным изохронам, характерным для коксовой печн и с учетом расстояния каждой зоны от (реющей стены коксовой печи, за 13-14 часов позволяет перевести большую часть гематита в магнетит и далее частично в вюсгит. При этом в областях у стен в железоугле наблюдается небольшое количество металлического железа. В связи с этим предложено увеличить продолжительность пиролиза смесей до 20-24 часов, что позволяет резко повысить степень металлизации железоугля и довести ее практически до 80%.

4. Как установлено экспериментально, полное удаление летучих из шнхты при производстве железоугля достигается уже при 13-14 часах пиролиза. Таким образом, при продолжительности пиролиза некоксующихся углей в смеси с рудами 20-24 часа удается достичь обеих поставленных в исследовании целей: получить глубоко-металлизованный железоуголь и утилизировать все летучие, которые в виде грязного коксового газа поступают в химические цехи. Следовательно, продукцией комплекса "РОМЕЛТ-коксовая печь" являются чугун, шлак и ценные химические продукты коксования.

5. Проведены теоретические расчеты технико- экономических показателей работы комплекса "РОМЕЛТ-коксовая печь", выполненные комплексным методом проф. А.Н.Рамма, модифицированным применительно к условиям печи жидкофазного восстановления. Как показали расчеты, использование горячего железоугля в шихте печи жидкофазного восстановления железа РОМЕЛТ в значительной мере снижает расход углерода на плавку, так как в приходную часть теплового баланса входит энтальпия нагретого до 900° С железоугля, а в расходной части снижается расход углерода на восстановление гематита, магнетита, вюстита до железа. 15 частности переход от стандартной схемы, то есть от проплавки холодной

окислениой шихты, на работу на горячем яселезоугле при степени доиаь гания отходящих газов 95% снижает удельный расход углерода от 0.507 т С/т чугуна до 0.370, то есть на 37%. Изменяется общий расход углерода по сумме его расходов на восстановление в коксовой печи и печи РОМЕЛТ. В частности он возрастает с 0.507 до 0.660 т От чугуна или на 30% для степени дожигания 95%. Так как процесс восстановления и металлизации руды в коксовой печи не связан с расходом кислорода, применение схемы "РОМЕЛТ-коксовая печь" позволит резко снизить удельный расход кислорода с 943 до 461 ы3/т чугуна для 95% дожигания. Поэтому применение комплексной схемы удешевляет чугун, кроме того появляется возможность производить до 400 химических реагентов.

6. Из результатов лабораторных опытов и теоретических расчетов видно, что эксплуатация комплекса дает возможность сохранить дал промышленности ценные вещества из грязного коксового газа и значительно улучшить технике- экономические показатели печи РОМЕЛТ, резко сократив расход угля и особенно кислорода на выплавку чугуна. Таким образом, при переходе на имеющихся металлургических заводах с аглодо-менной схемы на жидкофазное восстановление целесообразно использовать существующие коксохимические цехи совместно с печью РОМЕЛТ. Разработанная в настоящей диссертации технология может быть рекомендована промышленным предприятиям России.

7. Производство ГВГ в печи РОМЕЛТ дтя последующего вдувания их в фурии доменных печей возможно лишь при степенях дожигания 10-15%, что связано с вводом в состав ГВГ до 12-18% СОа + НгО. Это снимает экономию кокса а доменной печи. Предложен таюхе способ регулирования температуры перед фурмами доменной печи изменением степени дожигания в печи РСМЕЛТ, которая служит з данном случае газификатором. Как показывают расчеты, расход угля при производстве ГВГ в пст.1 РОМЕЛТ составляет -0.26 т/1000м' ГВГ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Вегман ЕФ, Жак А.Р., Давыдова 1.С. Метод расчета состава шихты при ' выплавке чугуна в печах РОМЕЛТ и COREX. - Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1995, №5, с.б-10.

2. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №95106268/02/011314 от 20.04.95г. /Способ производства восстановительного газа для доменной плавки.- Е.Ф.Вегман,О.С.Давыдова, Ю.С.Юсфин,

А.ЕПареньков и др.

3. Вегман Е.Ф., Жак А.Р., Давыдова О.С. Теоретическое и лабораторное исследования вариантов технологии выплавки чугуна в печи РОМЕЛТ на железоугле. - Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1996, №9, с.

4. Parenkov А.Е...... Davydova O.S. etc. Creation of a Complex An

Experimental Blast Furnace - Gaslfier in the Melting Liquid Bath (GMLB) -

. Collection of Materials of International Seminar: "Modelling, Advanced Process Technology, Expert and Control Systems of Heat and Mass Transfer Phenomena"- Ekaterinburg, 1996, s.87-88.

Подписано в печать 10.09.1996 Ус. издат. листов 1,0 № заказа 180 Тираж 100 зкз

Московский институт стали и сплавов

117936 Москва Ленинский пр-т 4 Тип. МИСиС, ул. Орджоникидзе 8/9