автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии спекания двухслойной шихты из высокомагнезиальных концентратов на основе применения имитационной модели процесса агломерации



ч

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ имени И. П. Бардина

На правах рукописи

МИНАКОВ Николай Семенович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СПЕКАНИЯ ДВУХСЛОЙНОЙ ШИХТЫ ИЗ ВЫСОКОМАГНЕЗИАЛЬНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА АГЛОМЕРАЦИИ

Специальность 05. 16. 02. «Металлургия черных металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1992 г.

■ Диссертация выполнена на Западно-Сибирском металлургическом комбинате и в лаборатории МТ-П9 Центрального ордена Трудового Красного Зиамешг научно-исследовательского института черной .металлургии имени И. П. Бардина— ЦНИИЧермет.

Н а у чи ый >р у ко вод и те л ь: кандидат технических наук,

Михалевич А. Г.

Официальные оппоненты.: доктор технических наук

Пашков Н. Ф. (МИСиС), кандидат технических наук Соколов Г. А. ('ИМЕТ им. Байкова)

Ведущее п>р е дш р и я т и е: Кузнецкий металлургический

комбинат.

Защита состоится «.„л5...»................................... 1992 г.

в./<2.... часов на заседании специализированного совета по присуждению ученых степеней в области металлургии черных металлов гори Центральном ордена Трудового Красного Знамени .научно-исследовательском институте Черной металлургии имени И. П. Бардина л о адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул. д. 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «...3....» ..... а/ЖЯ.................... 1992 г.

Справки »по телефону: 265-73-77

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук Топильский С, П.

- " - - 3 -

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1 Актуальность работы. Современные тенденции научно - техни-■^¿ЗДского прогресса в области Черной Металлургии характеризуются изменением инвестиционной политики,связанной с переходом к интенсивному пути развития и рыночной экономике.

В этой связи к металлургическим переделам предъявляются дополнительные требования,направленные■ на значительное снижение затрат энергоресурсов при получении единицы продукции.повышение ее качественных показателей, на увеличение производительности металлургических агрегатов и охрану окружающей среды.

Наиболее материало и энергоемким переделом при производстве черных металлов является агломерационный процесс. В этой связи, понятно то внимание, которое уделяется совершенствованию его технологии и улучшению технико - экономических показателей. Однако , как показывает отечественный и зарубежный опыт, реализация резервов технологии по мере ее совершенствования становится все более и более сложной задачей.

Поэтому, для решения проблемы повышения эффективности производства необходимо применение новейших методов исследований, использование микропроцессорной и других видов вычислительной . техники.

Для изучения особенностей технологических процессов и их оптимизации широко используются математические методы. Однако в области агломерационного производства большинство существующих математических моделей описывают лишь отдельные стадии процесса, что не позволяет осуществить системный анализ и комплексную оценку технологии с целью ее оптимизации.

Сложность создания комплексной модели агломерационного процесса заключается в необходимости воспроизведения взаимосвязей процессов, протекающих на различных стадиях производства агломерата.

До настоящего времени этому важнейшему аспекту технологии уделялось недостаточное внимание.

Рель работы состояла в разработке комплексной имитационной модели процесса агломерации с воспроизведением режимов возврата, внешнего нагрева и газодинамики процесса спекания, позволяющей тонировать его на ЭВМ, как технологическую и экономическую системы и, на этой основе, исследование технологии агломерации,раз-

работка и практическая реализация резервов,направленных на ее совершенствование и повышение эффективности в целом.

Научная новизна. Разработана комплексная имитационная модель процесса агломерации с Еоепроизведением режимов возврата,внешнего нагрева И газодинамики процесса спекания, позволяющая имитировать его на ЭВМ, как технологическую и экономическую системы.

С учетом применения новых принципов имитации были уточнены и дополнены методы расчета технологических и экономических показателей технологии спекания,-

Разработали алгоритм и программа для имитации технологической системы на ПЭВМ.

Практическая ценность. Разработанная комплексная имитационная модель процесса агломерации может быть использована для:

- изучения и прогнозирования поведения технологической системы при тех или иных способах воздействия на эту систему;

- определения узких мест и других трудностей, появляющихся в поведении систем при введении в нее новых элементов.

- предварительной проверки новых стратегий и правил принятия решений перед проведением эксперимента на реальной системе, а также использовать как педагогический прием для обучения студентов и практиков основным навыкам теоретического анализа, статистического анализа и теории принятия решений.

На защиту выносятся следующие положения :

1. Результаты выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований по созданию комплексной имитационной модели процесса спекания :

- - комплекс математических моделей режима зажигания, внешнего нагрева шихты и газодинамики процесса спекания;

- комплексная имитационная модель процесса агломерации и результаты ее анализа в конкретных производственных условиях ;

- основные принципы имитационного моделирования процесса агломерации.

2. Способы совершенствования процесса агломерации, внедренные или прошедшие опытно - промышленную проверку,в том числе :

»- способ оптимизации режима возврата на нескольких агломаш-нах ;

- способ регулирования температурно - теплового уровня процесса спекания ;

- совершенствование режимов внешнего нагрева шихты ;

- 5 -

- повышение высоты спекаемого слоя шихты.

Реализация результатов работы. Разработанные - технология агломерации шихты в высоком слое; способ оптимизации режима возврата на нескольких агломашшах ; способ регулирования температурно - теплового уровня процесса спекания реализованы на трех агломамин ах агломерационного производства Запсибметкомбината (ЗСМК). Суммарная экономическая эффективность от их использования составила 311,287 тыс. руб.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научно-техническом семинаре "Оптимизация- процессов окускования рудных материалов (физико-химические исследования и математическое моделирование)"(г. Киев. 198? г.) и на Всесоюзном совещании "Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии" (г. Новокузнецк, 1991 г.)

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано шесть статей, получено одно авторское свидетельство на изобретение и одно положительное решение ВНИИГГВ по заявке на изобретение.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 57 наименований, приложений на 3 страницах. Изложена на 149 стр. и включает 116 страниц машинописного текста, 14 таблиц, 18 рисунков.

В первой главе приведен обзор литературных источников по оценке состояния и перспективным направлениям совершенствования технологии производства окускованного сырья методом агломерации, а также рассмотрены методологические аспекты его исследования с использованием математических моделей. Краткое содержание остальных разделов диссертационной работы приведено виде.

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ ШПАЦИОННОЯ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА АГЛОМЕРАЦИИ

Принято считать, что при физическом моделировании процесса агломерации путем спекания реальных шихт в лабораторных условиях достигается максимальное воспроизведение процесса, имеющего место на промышленных агломашшах. Действительно, такие параметры процесса, как температура в спекаемом слое, скорость фильтрации вов-духа при заданном разрехэнии, время спекания и, наконец, химический состав агломерата на первый взгляд являются идентичными в

обоих случаях.

Однако, точная количественная оценка показателей технологии агломерации по результатам спекания в аглочашах остается весьма приближенной. Лаже многократное повторение опытов с целью улучшения оценок неэффективно, главным образом, из-за неопределенности при задании содержания возврата в шихте, которое не остается постоянным при изменении условий спекания и зависит от выхода годного.

Вторым источником неопределенности при постановке физических экспериментов является режим зажигания и внешнего нагрева аглошихты Б производственных условиях режим зажигания характеризуется постоянством отношения времени внешнего нагрева к времени спекания независимо от условий спекания, что определяется фиксированной длиной горна и вглоыашшы. На практике выполняется соотношение :

ts/tcn - Lr/LaM ( 1 )

где, t3 и ton - соответственно время зажигания и спекания, мин.

Lr и Ьам - соответственно длина горна и агломашины, м.

фи постановке физического эксперимента невозможно заранее определить время спекания и соответственно задать время зажигания. Третьим источником неопределенности является газодинамический режим спекания. Эта неопределенность возникает в связи с проведением экспериментов на периодически действующих установках и в связи с несбалансированностью мощности тягодутьевых средств, сопротивления слоя и сети газоотводящего тракта. Б промышленных условиях, как известно, система эксгаустер-газоотводящий тракт-слой шихты находится в газодинамическом равновесии, а равновесные параметры определяются условиями ведения технологии. Для того, чтобы корректно поставить эксперимент, необходимо априори знать разрежение под слоем шихты для каадых конкретных условий спекания, что практически невозможно.

Следует такав отметить взаимную зависимость между режимами возврата, зажигания и газодинамическим режимом, что создает еще большую неопределенность.

-Таким образом, только раскрытие вышеуказанных неопределенностей позволит улучшить до приемлемых кондиций количественные оценки технологии агломерации, основанные на результатах физических экспериментов.

Разработка комплексной имитационной модели процесса агломе-

рации включала ранее разработанные элементы:

- постановку физических опытов с применением метода математического планирования экспериментов;

- обработку результатов экспериментов и построение моделей (расчет уравнений регрессий), описывающих различные показатели процесса спекания;

- применение математической модели разрушения агломерата и построение алгоритма нахождения балансового содержания возврата в шихте для заданных условий спекания.

Новыми принципами имитации использованными в данной работе

были:

- построение алгоритмов для воспроизведения режимов зажигания и газодинамики,характерных для непрерывного процесса агломерации;

- с учетом применения новых принципов имитации были уточнены и дополнены методы расчета технологических и экономических показателей технологии спекания, а также уточнены методологические аспекты, связанные с проведением физических опытов;

- разработан алгоритм и программа для имитации технологической системы на ПЭВМ.

При построении эмпирических моделей процесса агломерации бил выбран метод математического планирования экспериментов с использованием полного факторного эксперимента. Для решения задач оптимизации технологии рекомендовано использовать трехуровневые планы экспериментов,которые позволяют получать нелинейные уравнения, описывающие процесс,с учетом-взаимного влияния изучаемых факторов.

Для обеспечения воспроизведения режимов возврата, зачига-ния; газодинамики и других параметров при последующем имитационном эксперименте обязательным является включение, в число исследуемых следующих факторов: доля возврата в шихте; продолжительность зажигания; разрешение под спекаемым слоем шихты. Остальные факторы выбираются в зависимости от целей эксперимента и конкретных условия его проведения.

- Важным моментом имитационного эксперимента является правильный выбор моделей, обеспечивающих полноту и адекватность получаемых результатов. Для этого на стадии экспериментов осуществляется регистрация соответствующих параметров спекания. К числу обязательно регистрируемых откосятся следующие показатели процесса

спекания: время спекания; масса сухой шихты; масса спека; выход мелочи (-5 мм) после стабилизации спека в стандарт ном барабане в течение 3 и 10 мин ; температура в слое (1-3 точки); температура отходящих газов; скорость фильтрации воздуха через слой; химический состав агломерационных газов.

Остальные показатели выбираются в зависимости от целей эксперимента, причем их количество может быть неограниченным, если позволяют технические средства, используемые в опытах.

При обработке результатов экспериментов с планированием используются методы корреляцинно-регрессионного анализа.

Для построения алгоритмов, икитируюшлх связи существующие между отдельными параметрами технологии агломерации и воспроизведение режимов,характерных для непрерывных процессов на основе моделей, полученных в экспериментах на периодически действующих установках использованы статистические модели физических экспериментов с планированием и детерминированные модели процессов разрушения агломерата, зажигания и газодинамики.

На рис. 1 представлена блок-схема имитационной модели процесса агломерации, которая структурно состоит из трех частей. Первая часть, включающая блоки 4-8 и 11, обеспечивает воспроизведение режима возврата, вторая часть (блоки 9-14) - режима зажигания и третья часть (блоки 15-25) - газодинамического режима спекания.

Нил® даны условные обозначения показателей, использованных в блок-схеме.

Вн - начальное содержание возврата в шихте, д. ед. (Вн-0.3) tH - начальная продолжительность зажигания, мин (t=1.5) Рн - начальное разрежение под колосниковой решеткой аглома-

шикы, мм в. ст. (Рн=1300 мм в. ст.) М - выход мелочи после стабилизации агломерата, д. ед. "а","Ь" - эмпирические параметры разрушения агломерата

Т - время стабилизации агломерата в стандартном барабане, мин

S - выход спека, т/т шихты

Ks - коэффициент грохочения агломерата, д.ед.

Bi - расчетное текущее значение доли возврата в шихте, д. ед.

dB - дебаланс доли возврата в шихте

Ven- вертикальная скорость спекания, мм/мин

Рис.1

- 9- '

БЛЖ-СКЕНА ИШГАЦИ01Ш0Й ШДЕЛИ ТЕХНОЛОГИИ АГЛОМЕРАЦИИ

Эксперимент с матетти-чеокин планирование»

Расчет уравнении регрее сий процесса спекания

I

Задание условии спекания Вн,1н,Рн

Распет выхода шлочи поел» стабилизации по уравнениям регрессии

I

"О-

расчет 5нпирич£0ких коэф. "а" и "Ь" ур-кия

±

Рас457 ь-ыкда мелочи М для ¡заданной ступени (."гаиилизации Т

Определение йшеда возврат;

Расчет в?ртика.;:г нон

по ур-ник регрессии Усп. I

I

-ч 9 Расчет продолыгге.яь-ИССТЛ ааМИГ5«:1;Я

Расчет кепраски на »ахигаяия <Л ;

№

12

- II -

V - расход воздуха на спекание, куб. м/с

Ч\1 - количество влажного газа на выходе из слоя, куб. м/с Уп - количество вредных подсосов воздуха, куб. м/с

VI - количество газов на эксгаустере с учетом вредных под-

сосов воздуха в газоотводящем тракте, куб. м/с Тэ - температура газов на эксгаустере, град. °С сЗР - перепад давлений в газоотводящем тракте, мм. вод. ст. Пг- коэффициент сопротивления тракта 51 - площадь сечения тракта, кв. м Бе - плотность отходящего газа, кг/куб. м Рэ - разрежение на эксгаустере, мм. в. ст. Pi - текущее расчетное разрежение под слоем, мм. е. ст. В основу имитации технологии агломерации положены следующие 3 основных принципа:

1. Воспроизведение режима возврата путем решения уравнения баланса возврата и выхода годного агломерата [блоки 4-8,11 схемы). Воспроизведение режима возврата позволяет определить изменение циркулирующей нагрузки по возврату в зависимости от условий ' протекания процесса спекания, рассчитать удельные расходы сырых материалов на единицу готовой продукции, ее себестоимость, а также получить более точные количественные оценки показателей процесса агломерации.

2. Воспроизведение режима зажигания (блоки 10-14 схемы). Соблюдение этого принципа заключается в расчете показателей процесса агломерации для заданной мощности зажигательного горна с одновременным достижением баланса возврата.

Вторым условием, которое необходимо соблюсти при имитации, является сохранение постоянства отношения времени зажигания к времени спекания - К. Постоянство отношения К в производственных условиях определяется постоянством отношения длины горна к длине агломашины. Поэтому величину К можно определить из соотношения :

К = Ц-1 / 1,т , ( 2 )

где ЬЬ - длина горна, м;.

Ьт - длина агломашины, м.

Очевидно, что условие постоянства отношения К предопределяет и постоянство мощности горна. Это позволяет имитировать изменение мощности горна (его размеров) путем изменения отношения К. Мощность горна определяется из уравнения:

PG - Lh-Bh'Ii , ( S )

где Bh - ширина горна, м;

И - интенсивность зажигания, ккал/мгшт. Как правило, в лабораторных экспериментах и на производстве используются газы различной калорийности, что сильно затрудняет соблюдение условия одинаковой -интенсивности зажигания. Поэтому, если существует разница в интенсивности зажигания, необходимо вводить поправочный коэффициент Кс на время зажигания в уравнениях регрессии. Величина коэффициента Кс определяется по формуле:

Кс - Ii / IL . С 4 )

где IL - интенсивность зажигания в физическом эксперименте, ккал/мгмин.

С учетом поправки время зажигания, вводимое в уравнения регрессии - tin, определится из соотношения:

tin - ti- Кс , ( 5 )

где ti - время зажигания для имитируемых условий, мин.

Имитация режима зажигания осуществляется в следующей последовательности. Первоначально задаются исходными условиями, для которых производится имитация. Для этого в уравнение регрессии для времени спекания Теп подставляются начальное значение времени зажигания tin, а также значения остальных факторов, определяющих условия имитации. После вычисления Теп производится вычисление Ко по формуле:

Ко - tin / (Кс-Тсп) ( 6 )

Пэлученное значение Ко сравнивается с заданным, и если разница превышает 0,0001, определяется новое время зажигания tin по формуле:

tin - tin К / Ко ( 7 )

Вэвое значение tin вносится в уравнения регрессии и расчет продолжается с нахождения балансового содержания возврата в шихте. Режим зажигания считается воспроизведенным после достижения сходимости величин Ко и К

Воспроизведение режима зажигания позволяет количественно определить удельный расход топлива от внешнего источника тепла, экономию твердого топлива, оценить изменение качества агломерата его себестоимости и другие показатели.

- 13 -

3. Воспроизведение газодинамического режима спекания

В основу моделирования газодинамического режима процесса агломерации положена известная методика ВНИИМГа,применяемая для оценки состояния технологии агломерации и оборудования на действующих агломерационных (фабриках , и модифицированная с учетом экспериментального определения скорости фильтрации воздуха через слой в зависимости от технологических факторов.

Включение модифицированной методики ВНИИМГа в имитационную модель позволяет определить влияние всех исследуемых факторов на газодинамический режим процесса спекания, т. е. на величину разрежения, количество вредных прососов и их распределение по тракту в зависимости от мовшости эксгаустеров.

Изменение величины разрежения и замеры скорости фильтрации воздуха через слой в соответствии с матрицей планирования экспериментов позволяют определить не только изменение производительности установки,но также оценить изменение качества агломерата и его себестоимость в зависимости от газодинамического режима процесса агломерации.

Воспроизведение газодинамического режима заключается в соблюдении принципа баланса суммарного сопротивления сети и разрежения, развиваемого эксгаустером с заданными характеристиками. Алгоритм воспроизведения газодинамического режима спекания содержится в блоках 15-25 схемы имитации (рис. 1).

Выполнение принципа воспроизведения газодинамического режима спекания обеспечивает возможность рассчитать разрежение под слоем шихты, количество вредных подсосов, перепад давлений в га-зоотводящем тракте, скорости фильтрации воздуха в спекаемом слое в зависимости от изменения различных технологических факторов, состояния газоотводящего тракта и системы уплотнений агломашины, а также от характеристик и схемы включения эксгаустеров.

Моделирование осуществляли в следующей последовательности. Первоначально, для начального значения разрежения под слоем - Рн по уравнению регрессии рассчитывается скорость фильтрации воздуха черев слой (блок 15). Затем по балансу углерода с учетом количества воздуха, фильтрующегося через слой, и по анализам отходящего газа рассчитывается количество влажного газа на выходе из слоя (блок 16). Для этого же начального разрежения рассчитывается количество вредных подсосов воздуха через систему уплотнения агломашины (блок 17). Здесь 1.7 - коэффициент сопротивления щелей

системы уплотнения, 1. 29 - плотность воздуха при нормальных условиях.

Далее рассчитывается количество газов на эксгаустере (блок 19), его температура (блок 20) и перепад давлений в тракте - с!Р (блок 21).

В блоке 22 рассчитывается разреасэние, развиваемое эксгаустером, для расчетного количества отходящего газа, его температуры и плотности. При этом учитывается не только характеристики эксгаустеров, но и схемы их включения и плоцздь агломашина

Далее проверяется баланс сопротивления сети, агломашины и тракта с разрешением на эксгаустере, определяется отклонение перепада - <1?с (блок 24). Если он превышает заданное значение, вносится корректировка в начальное разрешение под слоем согласно формуле в блоке 25. После внесения поправок в разрежение под слоем расчеты повторяются с нахождением баланса возврата (блок 4).

После нахождения баланса возврата, зажигания, разрешения производится расчет технологических и эганомических показателей процесса агломерации.

- ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АГЛОМЕРАЦИИ С ^ПОЛЬЗОВАНИЕМ ИШТАЦИОЕЕЮЙ МОДЕЛИ С ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕМ Р2ЖЮВ ВОЗВРАТА, ЗАЖИГАНИЯ И ГАЗОДИНАМИКИ

Характеряегшш процесса и технологические зависимости, необ-ходимке для адаптации имитационной модели к условиям работы агло-фабржш Зйй определяли в лабораторных исследованиях, проведенных с применением катематаческого планирования экспериментов. Исполь-вовались такж и промышленные данные. Исследовали влияние на показатели процесса спекания 7 факторов, какдий из которых варьировали аа трех уровнях (табл.1).,

Дая анализа отходящих агломерационных газов применялся высокоточный портативный автоматический газоанализатор "Тез1оЗЗ"(ФРГ), который тзволяет определять концентрации 02, СС2, СО, К02, КОх, 302.

т Варг.\<етр Т (время стабилизации) уравнения разрушения и Кб (нозф^ацдент грохочения) уравнения баланса возврата являются факторами, определяющими ремам механической обработки опека. Эти фактора не бшк в числе факторов планирования эксперимента, но нес-штря ва зео.могуг рассматриваться как перэменкие при имитации техааЕЭгш! аа ЭШ. К их числу следует отнести такие и параметры

Звкторы планирования экспериментов на ЗСМК

Таблица 1

Обоз-

N наче- Наименование факторов ние

Уровни планирования факторов

- 1

О

+ 1

1 2 3

5

6

7

XI Доля воэврата в шихте,7, 15 30 45

Х2 Доля топлива в шихтеД 3.0 3.75 4.50 ХЗ Коэффициент распределения

топлива по слоям 0.8 1.0 1.2 Х4 Продолжительность зажигания, мин 1.0 1.75 3.5 Х5 Высота слоя шихты,мм 400 500 600 Хб Разрежение в вакуум-камере

мм вод. ст. 900 1300 1700

Х7 Влажность шихты, 7. 6.8 7.4 8.0

газодинамического режима процесса агломерации: характеристика эксгаустеров; схема их включения; площадь агломапганы; удельная площадь неплотностей газоотзодящего тракта; коэффициенты сопротивления в газоотводящем тракте.

Полученные данные были обработаны с использованием ЭВМ и получены уравнения регрессии вида:

2 2 2 У - КО + К1-Х1 + К2-Х1 + КЗ-Х2 + К4-Х2 + К5-ХЗ + Кб-ХЗ + 2 2.2 + К7'Х4 + К8-Х4 + К9'Х5 + К10-Х5 + К11-Ж + К12-Ж +

+ К13-Х7 + К14-Х7 + К15-Х1' ЯЗ + К16'Х1-Х4 + К17-ХЗ-Х4 Всего получено 123 уравнений регрессии, которые адекватно описывают процесс агломерации, что подтверждается высоким: коэффициентами множественной корреляции (R - 0.9-0.95).

На рис. 2 представлены изменения показателей процесса агломерации при увеличении высоты слоя с 250 до 400 мм. Цифрами на кривых обозначена мощность зажигательного горна в млн. ккад/ч. С увеличением высоты слоя производительность по скиповому агломерату непрерывно возрастала. При этом содержание мелочи в нем умень-

4

шилось на б. А Увеличение мощности зажигательного горна также способствовало росту производительности установки. Производительность по годному (кусковому агломерату) увеличилась в несколько с-ол'ъшей степени (.рис.26), чем производительность по скиповому аг--оморату. В исследованном диапазоне изменения высоты слоя и мощности горна не была достигнута максимальная производительность установки.

11а начальной стадии увеличения высоты слоя до 325 мм рост производительности установки полностью определялся увеличением выхода годного. Вертикальная скорость спекания при этом только снижалась. С увеличением высоты слоя более 325 мм темпы роста выхода годного значительно снизились и дальнейший рост производительности обеспечивался благодаря увеличению вертикальной скорости спекания.

Для объяснения полученных результатов следует отметить следующие особенности технологии процесса Во-первых, это относительно низкий выход годного, а отсюда и высокое содержание возврата в шихте. Выход годного не превысил величины 0.55, а содержание возврата в шихте ие снижалось до уровня менее 35 % (рис. 2г). Во-вторых., ограниченное влияние высоты опекаемого слоя ка выход годного И прочность агломерата Эти параметры практически достигли насыщения при высоте слоя 350-400 мм. В третьих, аномальное изменение вертикальной скорости спекания в зависимости от бысоты слоя и мощности зажигательного горна более 9 млн. ккал/ч.

Отмеченный низкий выход годного и высокое содержание возврата в шихте является следствием чрезмерных механических нагрузок на аглоспек, возникащих при его дроблении, грохочении и транспортировке в доыенный цех с обвдм перепадом высот на перегрузках более 20 м. Благоприятное воздействие высокого содержания возврата в шихте косвенно подтверждается и относительно невысокий оптимальным содержанием извести в шихте. Расчеты на модели показали, что в условиях ЗСКК максимум производительности установки достигается уже при 1.5 % извести в шихте, то есть расходе 30-35 кг/т агломерата Это ьйяысе, чэи обычно рекомендуется.

Установлено, что рост вертикальной скорости спекания с увеличением высоты слоя и. мощности заатательного горна объясняется •также и повышением температуры в слое. ' .

Увеличение температуры горения топлива в слое способствует

0,237 цзм 0£Ы ароо Зй/сотр с^оя, п/

0250 СрЗ? 0,325 0,35: 0,

Зь/сота слоя, *

?ис.2. Влияние высоты спекаемого слоя на показатели процзсса агломерад,вд щш?ры на кривых - мощность Зади-гательнопэ горна, млн. кк&л/ч&о)

н

образованию большего количества расплавов и повышению их жидко-подвижности. Это особенно вайю в условиях ЗСМК, где используется магнезиальный коршуновский концентрат, имеющий повышенную температуру плавления. Увеличение подвижности и количества расплавов способствовало более полному раскрытию топлива в слое, а следовательно и более полному и быстрому его сгоранию.

Увеличение мощности.зажигательного горна в условиях ЗСШ было особенно эффективным. Так, содержание мелочи в скиповом агломерате при увеличении мощности горна с 7 до 15 млн. ккал/ч снизилось с 13.8 до 10.8 й, а удельный расход топлива уменьшился на 5.96 кг/т при постоянном его содержании в шихте. Коэффициент замены твердого топлива газообразным составил 1 кг/м*. При пересчете на годней агломерат он составил 1.45 кг/м? Столь высокая эффективность использования газообразного топлива обьясняется его полным сгоранием и утилизацией в верхнем слое.

На основании в., низложенного анализа было рекомендовано увеличить высоту спекаемого слоя до 450 - 500 мм, а мощность зажигательного горна довести до 15 млн. ккал/ч.

При повышении высоты спекаемого слоя с 400 до 600 мм наблюдалось снижение абсолютных значений величины разрешения под слоем, на эксгаустере и возрастание перепада давлений в'газоотво-дящем тракте, а также повышение удельной производительности агло-' машины. Вышеизложенное обусловлено, ео первых, тем,что при повышении высоты спекаемого слоя наблюдается резкое возрастание температуры отходящих газов , что изменяет параметры газового потока, а. следовательно, его газодинамическое сопротивление и условия работы эксгаустера Во вторых - при содержании твердого тошшез в шихте на уровне (4.25 X) суммарное газодинамическое сопротивление спекаемого слоя по ходу спекания не возрастало, а скорость фильтрации воздуха через слой имела тенденцию к повышению. Это связано с тем, что при повышении высоты спекаемого слоя создается благоприятный темперагурно-тепловой режим процесса спекания, способствующий с одной стороны получению крупнопористой структуры ' гоны готового агломерата, с другой стороны - снижению вязкости расплава в гоне горения твердого топлива.

Дополнительные исследования показали, что для агломерационных расплавов, полученных на базе коршуновского концентрата характерно резкое падение вязкости е небольшом' интервале температур. Причем эти температуры находятся на достаточно еысоком

уровне. В гадком состоянии раеплави обладают малой вязкостью, а, следовательно, более низким газодинамическим сопротивлением.

При снижении содержания твердого топлива в шихте с 4.25 до 3. 5 X характер изменения газодинамического режима и показателей процесса агломерации менялся на противоположив, а теины увеличения Еихода годного агломерата и снижение в нем мелочи Фр. - 5 мм при поЕьменит! высоты слоя ухе не компенсировали потерь производительности агло'кчшпкц из-за уыекыяения скорости Фильтрации воздуха через слой.

Исследование влияния содержания твердого топлива в шихте на газодинамический режим спекания показало, что при спекании дахти в слое 400 мм увеличение содержания топлива в пихте с 2.75 до 3. сопровождалось ростом скорости фильтрация воздуха через спекаешй слой с 0.18 до О. 26 м/с. Дальнейшее увеличение его расхода уменьшало скорость фильтрации воздуха. Аналогичной характер изменения скорости фильтрации воздуха наблюдался при повышении высоты слоя шихты до 500 - 600 мм. В этом случае ее максимум достигался при более высоком содержании топлива в шихте, а теюш дальнейшего снижения скорости фильтрации были заметно нилэ, чем при спекашм шихты в слое 400 мм.

Возможность рационального распределения кзшнва по шеоте слоя является основным достоинством технологии двухслойного еяе-капия шихта Использование зажигательных горнов пощиенной мощности таете направлено на обеспечение равномерного распределения тепла по высоте спекаемого слоя. Очевидно, что выбор одного из этих средств или их рациональное сочетание в каждых конкретных условиях должен определяться исследозанглмл.

В зсачестве ' показателя распределения было выбрано отношение содержания топлива в верхнем слое к его содержании в нижнем слюе (коэффициент распределения топлива).

На ряс. 2 а-и представлено из-мепение основных показателей процесса агломерации в зависимости от коэффициента распределения топлива по слоят ^Характер изменения удельной производительности по скиповому -агломерату при увеличения коэффициента распределения топлива з большей мере зависит от общего содержания топлива в шихте. При магом содержании топлива (Я 5 2) в шихте с увеличением коэффициента распределения производительность установки заменю снижалась. Из игре увеличения содержания топлива в зтихте темпы снижения щюизводательЕосгти устаасЕЮ« вначале замедляется, а при

достижении 5 X производительность установки начинает возрастать. Таким образом, наблюдалась следующая тенденция: чем вше содержание тогглиЕа в шихте, тем большее'его количество должно быть подано в верхний слой. Как показали расчеты, при содержании топлива 3.5 и 4.25 X максимум производительности установки достигается при коэффициенте распределения топлива соответственно 0.5 и О. 75.

Удельный расход топлива при низком его содержании в.шихте с увеличением коэффициента распределения топлиЕа несколько возрастал, а производительность установки также, как и расход топлива, определялась изменением выхода скипоеого агломерата.

Анализ теплового баланса процесса агломерации показал, что приходная часть его в основном состоит из тепла от сгорания твердого топлива в слое, а тага® физической теплоты газов зажигательного горна. При высокой мощности зажигательного горна доля тепла внешнего нагрева может составить 12-15 X от всего прихода тепла. Это физическое тепло полностью усваивается верхним слоем шихты. Изменение содержания топлива в шихте приводит к изменению доли тепла внешнего нагрева е общем тепловом балансе показателей процесса спекания. Причем, чем меньше содержание твердого топлива в ¡пихте, тем больше доля тепла внешнего источника. Поэтому, при снижении общего содержания топлива в шихте его количество е верхнем слое должно быть уменьшено и наоборот при увеличении содержа-' ния твердого топлива в шихте его количество в верхнем слое должно быть увеличено.

Широкий диапазон изменения оптимального коэффициента распределения топлива в зависимости от его. общего содержания в шихте объясняется высокой эффективностью использования тепла внешнего источника в условиях ЗСМК.

На основании вышеизложенного анализа и с учетом низкого содержания твердого топлива в шпхтй на аглофабрике ЗСМК был предложен алгоритм регулирования коэффициента распределения топлива по высоте слоя.

Экономическая оценка предложенных мероприятий (в ценах до 1990 г) показала, что с увеличением коэффициента распределения топлива с 1.0 до 2.0 при малом (3.5 %) содержании топлива в шихте себестоимость агломерата возрастала на 0.23 руб/т. Главкой статьей увеличения себестоимости был рост расходов на передел (0.18 руб/т) в результате снижения производительности установки.

Увеличение мощности затагателького горна имело высокую эф-

3,5 "Л / / 6,3

\ \ Р

\о -Л к 1 5

и

6,5

/

"Л >

> е

ш ' д

6,5 ■

5 5У

1.00 1,25 1,60 1,75 2,00 Ког^иционт распределения

1,00 1,25 1Д0 1,75 2,00

Коэ<р;ичи№г распределения

топлива топлива

Рис. 3. Влияние коэффициента распределения топлива на показатели процесса агломерации (цв$ри нл кривых - содерканме топлива в дакте, %)

фектиЕНОсть. Себестоимость скипового агломерата снизилась на О.15 руб/т. В этой случае экономия образовывалась за счет снижения расходов на передел и твердое топливо соответственно на 0.15 и 0.14 руб/т при увеличении на 0.1 руб/т расходов на зажигание.

Наиболее эффективным оказалось увеличение высоты спекаемого слоя. Себестоимость агломерата при увеличении высоты слоя с 250 до 400 м снизилась на 0. 56 руб/т. При атом экономия складывалась из экономии на снижение расходов на твердое топливо, зажигание и на передел соответственно на 0.27, O.Q4 и 0.35 руб/т.

Рекомендуемое увеличение высоты слоя до 450 - 500 мм позволит дополнительно снизить себестоимость агломерата еще на 0.1-0.2 руб/т.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА АГЛОМЕРАЦИИ В ПРОМЫШЛЕННЫХ

УСЛОВИЯХ

На аглофабрике ЗСЫК первые попытки повысить высоту слоя с 270 до 300 - 320 мм были предприняты в 1982-1983 гг. , которые сопровождались ухудшением показателей процесса агломерации.

Реализация в промышленном производстве технологии спекания аглошихты в высоком слое потребовала решения комплекса проблем, направленных на совершенствование технологии процесса агломерации и ее техническое перевооружение. К их числу прежде всего следует отнести модернизацию установки известкования железорудного концентрата,позволившей стабилизировать расход извести на агломерацию, техническое перевооружение зажигательных горнов, перевод АСУ дозирования шихты агломашины N 3 на более высокий уровень и ряд других мероприятий,которые базировались на результатах исследований, проведенных с использованием имитационной модели.

3 1 ¡св. 1987 г. проведена реконструкция спекательных тележек на агломашине N 3. Высота бортов тележек от поверхности колосниковой реиеткк повышена с 350 до 490 км. Это позволило реализовать в промышленном производстве технологию спекания шихты на этой агЛомакине в высоком слое с улучшением технико-экономических показателей. Несмотря на значительное увеличение высоты слоя на аглома-шиас N 3 с 330 мм до 450 юл, а в отдельные периоды до 470 мм снижения вертикальной скорости процесса спекания не наблюдалось.

Аналогичные результаты били получены и на агломашинэ И 2

- 23 -

после соответствующей ее реконструкции.

В этой связи рекомендовано провести модернизацию агломашины Nie целью агломерация шихты на ней в высоком слое.

Специфической особенностью технологической схемы аглофабрики Запсибметкомбината является наличие единого для всех агломашин бункера возврата, что обусловливает возможность перераспределения возврата между агломакинами в зависимости от Еисоте слоя без учета его Еыхода на конкретной машине.

При спекании шихты в высоком слое на агдомашинах, имеющих общий бункер возврата было предложено устанавливать расход возврата в шихту прямо пропорционально произведению скорости агломашины на еысоту слоя во второй степени без учета его Еыхода на конкретной агломашине по уравнению ( 8 ).

?,

Vi• Hi • R общ, fii - -т.--( 8 )

Xvi-Hi

с-1

где Ri - расход возврата на агломаиину, т/;

Hi - Еысота слоя спекаемой шихты, мм;

Vi - скорость агломашины, м/мин ;

Робщ. - общий выход возврата, т/ч;

i - количество агломашин.

В связи с реализацией на агломашинах N 2 и 3 технологии спекания шихты в высоком слое было принято решение об испытании нового способа распределения возврата на них.

Критерием оценки эффективности изменения режима возврата за счет перераспределения его. количества между аглокапинами, работающими с разной высотой слоя пихты,были приняты их суммарная производительность и удельный расход твердого топлива на агломерацию.

При изменении режима возврата наблюдалось увеличение суммарной производительности агломапш с 1.159 до 1.164 т / м2ч или на 0.43 % ( отн.) при сохранении общего его содержания на прежнем уровне. Это позволило снизить удельный расход твердого топлива на агломерацию с 62.9 до 62.4 кг / т агломерата или на 0.5 Z (отн.) при некотором улучшении его качества.

Продолжительный опыт промышленного использования этого способа подтвердил целесообразность установления режима возврата на агломашинах,работающих с общим бункером возврата в зависимости от высоты спекаемого слоя шихты на них.

- - 24 -

Как показали исследования с применением имитационной модели, при низком С менее 4.25 % ) общем содержании топлива в шихте коэффициент его распределения по слоям должен быть уменьшен до величины менее 1.

В связи с этим было проведено промышленное испытание новой технологии распределения топлива по слоям

В период проведения испытаний были соолюдены следующие условия. Общее содержание топлива в шихте задавалось персоналом агло-фабрики,исходя из требований технологии,а распределение топлива осуществляли по алгоритму,реализируемому следующим уравнением:

К ■= 26#Соб. - 0.0136-0 + 0.034 , ( 9 )

где К - коэффициент распределения топлива по слоям;

С - удельный расход тепла на зажигание,тыс. ккал /

Уравнение (9) было получено путем обработки данных расчетов на имитационной модели. Удельный расход тепла на зажигание С был принят постоянным - 12 тыс. ккал / м2.

Содержание топлива в шихте определялось из уравнения :

Т

С об--, с 10 )

Ш + Г

где Т - общий расход топлива,т ;ч ;

Ш - общий расход шихты,включая возврат,т / ч.

Количество топлива,добавляемого в верхний -Тв и нижний - Тн слои для достижения заданного коэффициента распределения топлива, определяли решением системы уравнений: Т - Тд + Тв + Тн

[ Тд-1 ТвН ЕИ1-Ь) Тд(1-Ц + Тн 3 К - - ( и )

СШ-Ь + Тд-1. + ТвНТд-Ц-Ь) * тн] Тд - Т / 2

где Тд - расход топлива в дозировочном отделении,т /ч.;

Ь - доля шихты верхнего слоя, д. ед.

Основные техника-экономические показатели работы агломашш в период проведения промышленных испытаний представлены в табл. 2. Как следует из приведенных данных,с уменьшением коэффициента распределения топлива по слоям наблюдалась существенное снижение удельного расхода топлива и рост производительности агломашин.

Таблица 2

Изменение технико-экономических показателей процесса спекания в период испытания новой технологии распеделения топлива по слоям

Наименование Базовый период Опытный период

показателя а /м 1 а/м 2 а/м 3 а/м 1 а/м 2 а/м 3

Коэффициент распределения топлива по слоям 1.26 1.35 1.13 1.00 0. 91 0.86

Общее содержание топлива в шихте,£ 3.48 3.72 3.45 3.18 3.17 3. 23

Удельный расход топлива, кг / т агломерата 62.4 67.32 63.04 57.66 58. 52 57. 00

Удельная производительность, т / м2ч 1.129 1.120 1.214 1.161 1.128 1.220

Содержание Feo в агломерате, X 15. 21 14.30

Высота спекаемого слоя шихты,мм 320 380 380 320 380 3S0

Доля возврата в шихте,% Содержание мелочи в агломерате, X СИС-1 СИС-2 Экономия твердого топлива,X 30.66 30. 24 16. 50 19. 60 33.32 31.29 7. 95 30. 56 13.07 32. 20 7.16 .9.40 8. 01

Рост производительности,% - - - 2.83 0.71 0.66

Улучшение показателей процесса агломерации было осуществлено за счет значительного сокращения расхода топлива в верхний слой,где око перерасходовалось за счет избытка тепла, подученного от зажигательного горна.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана комплексная имитационная модель процесса агломерации, воспроизводящая режимы механической обработки агломе-

. рата, внешнего нагрева, а такж газодинамического режима спекания, характерные для непрерывного производства.

2. Предложены принципы имитации технологии агломерации на ПЭВМ основанные на:

- воспроизведении режима возврата с использованием уравнения баланса возврата и математических моделей процесса агломерации, полученных путем постановок физических экспериментов;

- воспроизведении режима зажигания, основанного на расчете показателей процесса агломерации для задашной мощности зажигательного горна с одновременным достижением баланса возврата;

- воспроизведении газодинамического режима спекания по балансу суммарного сопротивления сети и разрежения, развиваемого эксгаустером о заданными характеристиками.

3. Разработан алгоритм и программа для имитации технологической системы на ПЭВМ.

4. Проведены имитационные эксперименты на ПЭВМ с- целью оптимизации процесса агломерации гглхт на базе тонкоизмедьченного кор-тучовского квнцектрата з условиях ЗСЖ При этом определены взаимозависимости между различными его параметрами. *

5. Реализация результатов моделирования в промыаленных условиях позволила:

- увеличить высоту спекаемого слоя шихты на агломаккнах N 2-3 до 400 - 450 мм ;

- оптимизировать темлературно-тешюзой режм процесса агломерации за счет перераспределения количества тепла, поступающего от внешнего и внутреннего его источников ;

- оптимизировать реххм Еозврата га счет перераспределения его количества между агломаьияаии в зависимости от высоты спекаемого слоя пихты на них.

6. Совокупность разработанных направлений совершенствования

процесса.агломерации позволила улучшить его технико-экономические показатели и уменьшить расход дефицитной коксовой мелочи.

7. Суммарный экономический эффект от вне древня на ЗСШ комплекса мероприятий, направленных на повышение высоты спекаемого слоя шихты и совершенствование технологии производства агломерата составил 311287 тыс. руб.

Основные материалы диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Боранбаев Б.М., Мельничук ¡0. А., Шпаков ЕС. О проблеме снижения мелочи в скиповом агломерате //Металлург. 1988. N 1. С. 24 - 26.

2. Минаков Н. С., Кретинин В. И. , Горбачев а П. и др. Исследование влияния различных способов ввода извести в шихту на показатели процесса агдомерации//Сталь. 1988. N 9. С. 5-8.

3. Боранбаев Б. М., Мельнкчук Ю. А., Арыков Г. А. , Манатов Н. С. , Кретинин В. И. Влияние режима механической обработки агломерата на показатели процесса агломерацш//Сталь. 1989. N 2. С. 17 - 21.

4. Арыков Г. А. .Кретинин Е И. .Кинаков ЕС. и др. Агломерация тонкоиэмелъченных концентратов в высокой слое на аглофабрике ЗСШ //Сталь. 1989. N 6. С. 5 - 8.

5. Мжаков Б. С., Арыков Г. А., Кретинин Е И. и др. Исследование процесса агломерации на ЗСМК концентрата совместного обогащения руд кориуновского и тейского месторождений // Изв. вуз. Черная металлургия. 1990. N 10. С. 7 -9.

6. Шнаков а С., Боранбаев К М., Арыков Г. А. и др. Об оценке механической прочности агломерата // Сталь. 1991. N 11. С. 7 - 9.

7. А. с. (СССР). С22В 1/14 Способ спекания железных руд и концентратов. /Арыков Г. А., Боранбаев Б. М., Шнаков а С. и др. -

N 1666558. Заявлено 31.03.88. Опубл. 30.07.91. Вол. N 28 // Открытия. Изобретения.- 1991.- N 28.- С.98.

8. Боранбаев Б.М.. Шнаков Н.С., Юсфкн Й.С. и др. Способ агломерации. Положительное решение по заявке N 4843693 02 05698 от 04.05. за

лог зал к