Наукові основи та практика виробництва вуглецевого відновника для недоменних споживачів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ПРОМИСЛОВОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ВУГЛЕХІМІЧНИЙ ІНСТИТУТ "УХІН" НА ПРАВАХ РУКОПИСУ

Спеціальність: 05.17.07 - хімічна технологія палива і пально-мастильних матеріалів

УДК 662.749.2:669.168

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Автореферат

НАУКОВІ ОСНОВИ ТА ПРАКТИКА ВИРОБНИЦТВА ВУГЛЕЦЕВОГО ВІДНОВНИКА ДЛЯ НЕДОМЕННИХ СПОЖИВАЧІВ

Лихенко Олександр Миколайович

Харків-2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в УХІНі Мінпромполітики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Васильєв Юрій Семенович, УХІН, заступник директора по науковій роботі

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Слободськой Станіслав Олександрович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” МОН України, завідувач кафедри технології палива та вуглецевих матеріалів кандидат технічних наук, доцент Лазаренко Олександр Якович, Слов'янський державний педагогічний університет МОН України завідувач кафедри машинознавства і основ виробництва

Провідна організація: Донецький національний технічний університет МОН України, кафедра хімічної технології палива Захист відбудеться 15.11.2005 р. О 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.822.01 в УХІНі. Адрес: 61023, м. Харків, вул. Весніна, 7

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці УХІНу

Автореферат розіслано 12.10.2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.822.01 канд. техн. наук, с.н.с. М. І. Рудкевич

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Проблема забезпечення вуглецевим відновником підприємств чорної та кольорової металургії, хімічної промисловості, виробництва мінеральних добрив та інших недоменних споживачів традиційно вирішувалась і вирішується у коксохімії шляхом виділення при сортировці валового коксу відносно вузького класу величиною 25-10 (8) мм, що називається коксовим горішком.

Національною програмою розвитку гірничо-металургійного комплексу України на 2005-2010 рр. передбачено виробництво 20 млн. т валового коксу, в тому числі 500 тис. т коксового горішка.

Разом з тим, загальна потреба у вуглецевому відновникові недоменних виробництв перевищує на цей період 2,3 млн. т, в тому числі для виробництва феросплавів приблизно 1,2 млн. т.

Отже, проблема забезпечення вуглецевим відновником недоменних споживачів є вельми актуальною, тим більше, що кон'юнктура світового ринку досить сприятлива для українських феросплавів. У цій ситуації все в більшій мірі будуть виявлятися не тільки недостатній об'єм виробництва, але також незадовільна якість коксового горішка, який використовується у відновлюючих процесах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася згідно галузевої цільової програми "Розширення сировинної бази коксування у 1986-1990 рр. і послідуючі роки" Міністерства чорної металургії СРСР, а також на основі прогнозних матеріалів Міністерства вугільної промисловості України у частині балансів виробництва та споживання коксового горішка в Україні на період до 2005 р.

В дисертації використані результати науково-дослідних робіт згідно з тематичними планами УХІНу та Дніпродзержинського коксохімічного заводу, що виконувалися протягом 1992-2000 рр.

Мета та задачі роботи. Мета дисертації - розробка та реалізація наукових принципів підбору сировинної бази, яка б дозволила забезпечити при використанні існуючої технології вуглекоксового виробництва одержання вуглецевого відновника із підвищеними реакційною здатністю і питомим електроопором (ПЕО).

Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити комплекс окремих задач, що пов'язані із вибором активаційних компонентів із обгрунтуванням їх раціональної масової долі у складі шихти, способу її підготовки для коксування, оцінкою відновлюючої здатності вуглецевого відновника та інш.

Об'єкт досліджень - процес утворення твердого кускового вуглецевого матеріалу із спікливого вугілля у присутності вуглевміщуючого активатору (ВВА), який реалізується у існуючих коксових печах та забезпечує підвищення реакційної здатності і питомого електроопору в зрівнянні із коксовим горішком.

Предмет досліджень. Вугільні концентрати та вуглевміщуючі активатори, їх речовинний і елементний склади, технологічні властивості, взаємодія в процесі коксоутворення, механізм активуючої дії вуглевміщуючих активаторів.

Методи досліджень. В роботі використані стандартизовані методи вивчення петрографічного, речовинного та елементного складів органічної маси і мінеральних компонентів вугілля, віскозиметрія, дериватографія, методи вивчення кускової, зернової та речовинної структур коксів. Для напрацювання і випробування дослідних зразків вуглецевих відновників використовували збільшену лабораторну установку УХІНа та установку Національної Металургійної Академії України (НМетАУ).

Наукова новизна одержаних результатів. Вивчені закономірності розподілу в кам'яному вугіллі та антрацитах Донбасу сполук калію, натрію, заліза і хлору, на основі яких розроблені критерії підбору вуглевміщуючих активаторів за показниками зольності (Аd > 46%) і ступеня метаморфізму (R0 < 0,9 %),

Показано, що переважаючий вміст калію у мінеральній, а натрію - в органічній складових вугілля, що спричинені різними умовами їх генезису і метаморфізму, не є специфікою "соленого" вугілля, а характерні для всіляких кам'яного вугілля та антрацитів Донбасу.

Експериментально показано, що присутність у складі вуглевміщуючих активаторів більше 30% речовин органічної природи обусловлює їх хімічну і фізико-хімічну взаємодію з спікливим вугіллям, яке супроводжується інтенсифікацією поліконденсаційних процесів.

Вперше сформульовано уяви і експериментально підтверджено, що генетично тісний контакт органічних і мінеральних речовин у вуглевміщуючих активаторах забезпечує при коксуванні шихт із їх участю реалізацію механізму “власне спікання”, а не запікання інертних частин, внаслідок чого ростуть реакційна здатність і ПЕО коксу.

Вперше експериментально вивчено речовинний склад, механічні, фізико-хімічні і електрофізичні властивості вуглецевих відновників, що були одержані із шихт з участю вуглевміщуючих активаторів, та підтверджено зростання їх відновлюючої здатності на 9-16 % (відн.) у зрівнянні із коксовим горішком у процесах виплавки сілікомарганцю та високовуглецевого ферохрому.

Практична цінність та реалізація результатів. На основі розроблених критеріїв вибрані перспективні ВВА та визначені марочні склади сировинної бази виробництва відновників із шихт з їх участю (%): Г - 30, Ж-55, ВВА-15 (основний варіант); Г-55, Ж-35%, ВВА-10 (резервний варіант).

Зіставлені різноманітні схеми підготовки для коксування шихт з участю вуглевміщуючого активатору та обгрунтовано застосування схеми "ДШ" при використанні гранульованих відходів флотації вугілля.

На коксовій батареї № 5 Дніпродзержинського КХЗ із шихти з участю гранульованих відходів флотації, як вуглеміщуючого активатору, напрацьовано 6 промислових партій вуглецевого відновника загальним об'ємом понад 240 тис. т. Використання останнього у виробництві сілікомарганцю у промислових печах Нікопольського заводу феросплавів за рахунок збільшених реакційної здатності у 1,63 та ПЕО у 1,74 рази у порівнянні із коксовим горішком забезпечило зростання видобутку марганцю на 1,0-1,5, кремнію - на 1,5-2,0 % при зниженні питомих витрат електроенергії на 10-30 квт. г.

Теоретичні положення і експериментальні дані дисертації використовуються в учбовому процесі при підготовці студентів у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" і у Національній Металургійній Академії України.

Особистий внесок здобувача виражається у постановці задачі одержання вуглецевого відновника поліпшеної якості із застосуванням існуючої технології шарового коксування, у формулюванні ідеї використання вуглевміщуючих активаторів та обгрунтуванні способів наукового і практичного рішення поставленої задачі. Під його керівництвом і при особистій участі створена та освоєна установка сушки і грануляції відходів флотації вугілля, досліджені їх склад і властивості, показана можливість їх використання як вуглевміщуючого компонента вугільної шихти.

Під керівництвом автора та з його особистою участю виконано весь комплекс лабораторних робіт щодо одержання та випробування дослідних зразків вуглецевих відновників. Автор безпосередньо приймав участь у випробуваннях промислових партій нового вуглецевого відновника на Нікопольському заводі феросплавів.

Після обговорення результатів лабораторних досліджень і промислових випробувань ним особисто сформульовано висновки із роботи.

Апробація роботи. Основні наукові положення та результати експериментальної роботи доповідались на засіданнях вченої ради УХІНа (м. Харків, 1999-2001рр.), науково-технічній раді Діпрококсу (м. Харків, 2001р.), на технічній раді та засіданнях Дніпродзержинського КХЗ (1995-2000 рр.), ГБО "Укркокс" (м. Дніпропетровськ, 2000-2002 рр.), на міжнародному семінарі "Стан світового вугільного ринку, напрямки використання вугілля та сертифікація його якості" (Крим, 2001 р.), на 29-й міжнародній коксохімічній конференції (м. Острава, Чехія, 2002 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 12 наукових статей у фахових журналах, у тому числі патент України на винахід, одна теза доповіді.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновку, бібліографічного списку (115 джерел) та 8 додатків. Загальний обсяг 143 сторінок, у тому числі 39 таблиць, 17 рисунків.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі викладені матеріали критичного обзору науково-технічних та патентних джерел інформації, у яких висвітлюються сучасні вимоги до вуглецевих відновників (ВВ) та способи їх забезпечення із використанням як технології шарового коксування, так і спеціальних технологій та устаткування.

Автор констатує неоднозначний, підчас суперечливий характер сучасних уяв щодо раціональних складів і якостей ВВ, що використовуються у недоменних цілях, окрім вимог до їх реакційної здатності (РЗ) та ПЕО, які в більшості випадків повинні бути високими.

Розроблені раніше технології виробництва ВВ в установках різних конструкцій і потужностей (вертикальні шахтні печі, ланцюгові колосникові решітки, кільцеві обертові печі та інш.) не одержали промислової реалізації.

Враховуючи це, а також обмеженість в найближчий час можливості будівництва в Україні нових багатотонажних установок, автор дійшов висновку, що найбільш перспективним напрямком організації виробництва недоменного ВВ із підвищеними РЗ та ПЕО являється використання частини існуючого пічного фонду коксохімічних заводів.

Для реалізації цього напрямку потрібно було розробити наукові основи складання вугільних шихт, які при звичайній спікливості ( У =14-16 мм) мають підвищену кількість активуючих елементів (К, Nа, Fе та інш.) не за рахунок введення мінеральних добавок, а завдяки використанню вуглевміщуючого активатора - компонента, що здатний взаємодіяти із спікаючим вугіллям в процесі коксування.

Для досягнення цієї мети була необхідна розробка критеріїв підбору ВВА, вивчення їх речовинного та елементного складів, технологічних властивостей, ролі в процесі коксоутворення та механізму взаємодії із спікливим вугіллям.

У другому розділі викладені основи методології роботи, включаючи вибір об'єктів дослідження, наведено характеристику використаних лабораторних установок УХІНа та НМетАУ, стандартизованих методів вивчення складів і властивостей вугілля, коксів та ВВ.

З метою розробки критеріїв підбору ВВА досліджено 76 зразків кам'яного вугілля та антрацитів Донбасу, які відрізняються за ступенем метаморфізму (Rо), зольності (Аd) та вмістом хлору, а у золі - вмістом оксидів калію, натрію, заліза та інших металів.

На основі обробки даних розраховано емпіричні коефіцієнти парної кореляції (ri) гіпотетичного взаємозв'язку показників Rо і Аd із вмістом окремих елементів у вугіллі та антрациті (табл.1).

Аналіз одержаних результатів дозволив встановити, що для кам'яного вугілля всіх марок, а також антрацитів характерним є зниження вмісту калію із ростом величини Rо, в той час як для вмісту натрію такої залежності не виявлено.

Із ростом зольності вміст калію у вугіллях перших двох груп (марок Д, ДГ, ГЖО) збільшується, а для натрію наявність такого зв'язку не встановлено.

Приймаючи до уваги і прямий зв'язок вмісту у вугіллі хлору з натрієм та зворотний- з калієм (табл.1), автор екстраполює у область не тільки дослідженого кам'яного вугілля, але також антрацитів відомі уяви щодо різного походження калій- та натрійвміщуючих сполук.

Таблиця 1 - Значення ri досліджених взаємозв'язків*

Показники	Номер групи	Сl	К2O	Nа2О	Fе2O3
1	-	-0,703	-	0,852
2	0,472	-0,770	-	0,640
Rо,% 3	-0,658	-0,605	-	-0,574
4	0,456	-0,740	-	0,462
1	-0,636	0,709	-	-
2	-0,446	0,530	-	0,670
Аd,% 3	-0,551	-0,665	-	-
4	-	-	-	-
	1	-0,610	0,503	-
	2	-0,382	0,446	0,484
	3	0,728	-	-
	4	-	0,434	-
		1	-	-0,859
		2	-	-0,767
		3	-	-
		4	-	-0,751
			1	-
			2	-
			3	-
			4	-0,486

*Номери груп відповідають маркам вугілля згідно ГОСТ 25543-88:

1 - Д,ДГ; 2 - ГЖО; 3 - Ж-КЖ; 4 - А.

Раніше це розглядалося як специфіка речовинного складу бурого та довгополум'яного вугілля Західного і Північного Донбасу.

На основі встановлених взаємозв'язків запропоновані показники Rо і Аd як критерії вибору ВВА із вмістом калію, який суттєво забезпечує збільшення РЗ коксу, а також визначені значення цих показників: Rо < 0,9 ( переважно < 0,7) %, Аd 46 %.

Використовуючи ці значення і результати попередніх аналізів, обгрунтовано вибір відходів флотації вугілля із шламонакопичувача колишньої збагачувальної фабрики Дніпродзержинського КХЗ (Rо = 0,88 %, Аd = 57 %) та рядового довгополум'яного вугілля шахти Кремінна ДХК "Лисичанськвугілля" (Rо=0,55 %; А d= 52 %) як об'єктів досліджень.

Приведені схеми та опис збільшеної лабораторної установки УХІНа і установки на основі печі Таммана НМетАУ, що використовувалися для напрацювання та випробування відновнувальної здатності нових зразків ВВ. Визначено необхідний та достатній комплекс експериментальних методів дослідження складу і властивостей вугілля, ВВА, шихт, коксів і ВВ.

У третьому розділі викладено результати досліджень речовинного і елементного складів гранульованих відходів флотації (ГВФ), що були одержані на установці Дніпродзержинського КХЗ

Аналіз одержаних результатів (табл.2) дозволив зробити висновок, що великий вміст у сухій масі ГВФ мінеральних речовин (понад половини) при значній долі органічних сполук (понад третини) обумовлює органомінеральний характер ГВФ в цілому.

Таблиця 2 - Речовинний та елементний склади усредненої проби ГВФ

Результати технічного аналізу, %	Елементний склад сухої маси, %
Wa	Аd	Sdt	Vd	С	Н	N	Сl	Р	0d
1,6	57,4	1.41	15,7	34,2	2,30	0,85	0,11	0,04	3,67
Хімічний склад золи ГВФ
SіО2	А12О3	Fе2О3	СаО	МgО	Nа2О	К2О	SО3	ТіO2	Інші
55,12	24,68	8,36	3,09	2,06	0,51	3,41	1,51	1,01	0,25

За даними табл. 2 визначено код дослідженої проби ГВФ у відомій десятизначній системі кодифікації відходів добування та переробки вугілля, а саме: 3507232220, що характеризує її як високовуглецевий, середньометаморфізований, малосірчаний, середньозалізистий, середньоглиноземний, середньокальцієвий вид відходів флотації.

Комплексний органомінеральний характер проявився на лініях ДТГ і ДТА при дериватографічних дослідженнях ГВФ у вигляді великого числа піків, що відповідають термічним перетворенням органічної та мінеральної складових у інтервалі температур 20-1000 °С.

Результати визначення виходу летких речовин та зольності суміші як ГВФ (ВВА1), так і рядового вугілля марки Д (ВВА2) зі спікливим вугіллям марок Ж і Г переконливо показали, що, на відзнаку від SiO2 (прожарений пісок у аналітичному подрібленні), ВВА слід розглядати як реакційноздатний, а не інертний компонент суміші. Взаємодія його із спікливим вугіллям при спільному нагріванні зумовлює інтенсифікацію поліконденсаційних процесів, про що свідчить зниження фактичного виходу летких продуктів із суміші у порівнянні із розрахованим по адитивності (рис.2).

Реалізації саме такого механізму сприяє, на думку автора, генетичне тісний контакт органічних і мінеральних речовин в складі випробуваних ВВА, дякуючи якому можливі як хімічне реагування реакційноздатних фрагментів органічної природи, так і фізико-хімічна, наприклад, сорбційна взаємодія за участю мінеральних складових.

Аналіз результатів ділатометричних та пластометричних вимірів з оцінкою структурної міцності корольків із пластометричного стакану призвів до висновку, що при коксуванні суміші вугілля з ВВА має місце не запікання інертної речовини, а "власне спікання", під яким розуміють процес міжфазної поліконденсації при наявності тісного пластичного контакту між всіма складниками пластичної системи.

На користь саме такого визначального механізму взаємодії говорить практична постійність товщини пластичного шару досліджених сумішей із вмістом від 5 до 20 " ГВФ (У = 13-14 мм), а також стабільні показники структурної міцності одержаних із них корольків (Пс = 81-83 %).

Результати випробувань якості лабораторних коксів з базової та дослідної шихт також показали (табл.3), що включення ГВФ понижує кускову міцність коксу (П25, И10), тоді як структурна міцність, що рекомендується як найбільш важлива характеристика механічних властивостей ВВ, залишається на рівні не менше 70 % при потрібному значені не менше 60 %. При цьому встановлено помітне збільшення показників РЗ та ПЕО коксів.

Балансовими дослідами показано, що участь ГВФ у дослідних шихтах супроводжується збільшенням виходу коксу на 1-1,5 %, пірогенетичної вологи на 0,5-0,6 % та менш значним -аміаку, сірководню та діоксиду вуглецю, тоді як вихід смоли, сирого бензолу та газу знижується (відповідно на 0,16-0,38; 0,18-0,22 і 1,6-2,0 % абс.)

Результати аналізів хімічного складу підтвердили зростання вмісту оксиду калію у золі коксів із базової і дослідних № 1 та № 2 шихт (відповідно 1,80; 1,98 і 2,10 %), що у перерахунку на кокс з урахуванням його зольності відповідає вмісту калію 0,19; 0,31 і 0,36 %.

Очевидно, що це значно вплинуло на РЗ та ПЕО дослідних коксів (табл.3). кам'яний антрацит метаморфізм термічний

Принципіально подібні результати були одержані при вивченні якості коксу ящичних коксувань шихт за участю 5-20 % ГВФ на коксовій батареї № 5 Дніпродзержинського КХЗ: в порівнянні з коксом із не вміщуючої ГВФ шихти спостерігали зростання РЗ у 1,21-1,87 разів, ПЕО у 1,11-1,39 разів при зберіганні значень Пс нарівні не менше 85 %, а И10 не більше 7,1 %.

У досліді з додаванням у базову шихту 10 % SiО2 РЗ коксу залишається на рівні базового (0,40- і 0,38 см3/г.с), як і ПЕО цих коксів (1140 і 1090 мк. ОМ.м), а стираність різко збільшується (И10 4,8 та 12,6 %).

Наведені результати підтвердили принципову різницю механізмів запікання інертної добавки SiО2 і "власне спікання" ГВФ у сумішах із спікливим вугіллям.

Використане як інший вид ВВА рядове вугілля марки "Д" вміщує біля 36 % органічних сполук у сухій масі, що у поєднанні з великою кількістю мінеральних компонентів (по показнику Аd = 52 %) визначило комплексний органомінеральний характер його складу і відповідно різноманітність властивостей.

Таблиця 3 - Показники якості лабораторних коксів із базової і дослідної шихт

Склади вихідних шихт, %	Аd ,%	Sdt, %	Vd, %	К50, %	П25, %	И10, %	Пс, %	Пор, %	РЗ см3/г.с	ПЕО мкОм.м
Базова: Г-40; Ж-33; К-20; ОС-7	12,8	2,06	1,1	98,7	91,1	8,1	74,8	51,3	0,84	3225
Дослідна - 1:Г-3 6; Ж-30; К-18;ОС-6; ГОФ-10	18,6	2,21	1,1	97,2	88,8	10,0	73,4	50,4	0,98	3330
Дослідна - 2:Г-34; Ж-28;К-17;ОС-6; ГОФ-15	20,9	2,20	1,0	96,8	87,6	11,2	72,8	50,7	1,09	3490

Особливістю дослідженого вугілля у порівнянні із другими донецькими є підвищена кількість сполук хлору, натрію та калію, які при розшаруванні вугілля нерівномірно розподіляються у спливаючий та зануреній фракціях (табл.4).

Одержані результати погоджуються із відомими уявами щодо різного походження натрій -та калійвміщуючих сполук у вугіллі: у склад малозольної спливаючої фракції перейшли переважно речовини з підвищеним вмістом вуглецю, водню, сірки, натрію та хлору, а у склад високозольної - оксидів калію.

Ефективність дослідженого вугілля як ВВА виявилася вельми високою: включення його у склад шихти при масовій долі всього 10 % забезпечило збільшення РЗ лабораторного коксу у 2 рази (до 0,99 см3/г.с), а ПЕО -у 1,8 рази (до 5750 мкОм.м).

Таблиця 4 - Характеристика речовинного складу (% сухої маси) та вмісту оксидів у золі (%) вугілля марки Д та його фракцій питомої ваги

Об'єкт дослідження	А	St	V	С	Н	Сl	Вміст у золі оксидів
							натрію	калію	заліза
Вихідне вугілля	52,5	0,79	21,1	35,6	2,3	0,41	2,07	4,10	7,28
Фракції питомої ваги, кг/м3: менше 1500	6,8	1,57	37,0	78,4	5,4	0,53	4,40	1,80	10,98
більше 1500	67,3	0,53	15,9	23,4	1,3	0,32	1,18	4,68	6,49

При цьому механічна міцність кусків коксу, а також його структурна міцність залишились досить високими: П25, И10 та Пс відповідно 89,7; 8,5 та 73,2 %.

Основні закономірності зміни виходів хімічних продуктів коксування із шихт за участю ВВА у вигляді рядового вугілля марки Д такі самі, як і при використанні ГВФ, а саме - збільшення виходу коксу, пірогенетичної вологи, діоксиду вуглецю та зниження виходу смоли і газу.

Результати балансових дослідів наведені у дисертації.

У четвертому розділі викладені результати експериментальних досліджень залежності РЗ і ПЕО коксу від кількості та складу мінеральних компонентів, які він містить.

Аналізуючи відомі роботи у цьому напрямку, автор констатує, що РЗ, яку розглядають як показник якості коксу, що зв'язаний із його механічними, фізико-хімічними і електрофізичними властивостями, залежить від великої кількості факторів.

Зіставлення запропонованих моделей опису виявило широкий спектр оцінок ступеня впливу на РЗ коксу інтервалів варіювання і абсолютних величин показників якості шихти, складу мінеральних компонентів, умов коксування та інших факторів.

Автор робить висновок, що універсального способу впливу на РЗ і ПЕО немає, а найбільш ефективний можна вибрати тільки на основі експериментальних результатів стосовно конкретних умов одержання ВВ.

У збільшеній лабораторній установці коксували базову шихту слідуючого складу (%): 35 Г, 30 Ж, 20 К, 15 ОС, до якої додавали 10-20 % одного із вибраних ВВА (ГВФ або рядове вугілля марки Д).

Умови підготовки та коксування базової та 14 дослідних шихт були постійними. Результати дослідів опрацьовували методами математичної статистики, що дозволило встановити з вірогідністю не нижче 0,99 існування низки тісних регресивних зв'язків, зокрема, зольності з вмістом у шихті кремнію, алюмінію, калію, заліза, а також залежностей зольності та лужності золи коксу від цих показників шихти, РЗ коксу від складу у ньому калію, заліза, сірки, від лужності коксу та інш.

В роботі наведені одержані методом найменших квадратів математичні описи статистично значних досліджених зв'язків.

Встановлений також тісний взаємозв'язок між РЗ та ПЕО коксів та його опис у вигляді лінійного рівняння.

На рис. 3-5 представлено графіки деяких із досліджених взаємозв'язаних показників, що ілюструють вплив високозольних ВВА через зростання вмісту калію у шихті і у коксі на його РЗ та ПЕО.

У п'ятому розділі на основі аналізу результатів коксування шихт різного марочного складу за участю кожного з вибраних ВВА показано, що найбільш перспективним варіантом сировинної бази є наступний, (%): 30Г; 55Ж; 15ГВФ (або Д, рядовий), а резервним, (%): 55Г; 35Ж; 10ГВФ. З цих шихт напрацьовані зразки нових ВВ для проведення випробувань дослідними плавками на установці НМетАУ.

В табл. 5 зіставлені показники якості одержаних ВВ та коксового горішка Дніпродзержинського КХЗ. Ці дані підтверджують ефективність основної наукової концепції автора, а саме - можливості шляхом введення у склад шихти одного з вибраних ВВА у відносно невеликих масових долях значно покращити якість ВВ у зрівнянні з коксовим горішком щодо показників РЗ, ПЕО і В3.

Експериментально вивчені різноманітні способи підготовки до коксування шихт, які вміщують ГВФ.

Встановлено, що схема "ДШ" (дроблення шихти) у порівнянні із схемою "ДК" (дроблення компонентів) і "ГДК" (групове дроблення компонентів) забезпечує найбільш сприятливе сполучення середньозваженої крупності, гранулометричного складу, насипної густини та спікливості шихти і, як слідство, - найменшу стертість кусків та найбільшу структурну міцність ВВ.

Схема "ДШ" була використана при напрацюванні на коксовій батареї № 5 Дніпродзержинського КХЗ із шихт за участю ГВФ промислових партій ВВ загальним об'ємом 240 тис. т.

Наведена у дисертації характеристика якості свідчить про збільшення РЗ і ПЕО ВВ відповідно у 1,63 та 1,74 рази у зрівнянні з цими показниками коксового горішка, тобто поставлена автором мета досягнута на практиці в умовах промислового виробництва

Використання одержаного ВВ замість коксового горішка на Нікопольському заводі феросплавів забезпечило поліпшення технології та техніко-економічних показників процесу виробництва сілікомарганцю у промислових печах.

Таблиця 5 - Якість дослідних лабораторних зразків ВВ і коксового горішка

Склад вихідної шихти	Показники міцності, %	Твердість, мг	Питома вага, г/см3	Пористість, %	РЗ, см3/г. с	ПЕО, мкОмм	В3*, %
	П25	И10	Пс		dg	dk				1	2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Дослідна1 (30Г; 55Ж; 15 ГВФ)	90,7	8.9	83.2	84	1.857	0.900	51.5	1.13	3820	72.5	98.0
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Дослідна 2 (30 Г; 55Ж; 15 Д ряд)	90.1	9.3	81.8	76	1.875	0.899	52.4	1.08	3710	83.0	95.0
Дослідна 3 (55Г; 35Ж; 10 ГВФ)	88.0	9.6	76.0	71	1.753	0.887	49.3	1.03	3570	79.5	92.0
Заводська шихта Дніпродзержинського КХЗ	-	-	89.8	107	2.000	0.024	46.3	0.37	1200	71.5	90.0

* 1 і 2 - відновлююча здатність у процесах виплавки відповідно сілікомарганцю і високовуглецевого ферохрому.

Економічна ефективність виробництва вуглецевого відновника

Показник	Усього, тис. грн	На 1 т ВВ, грн
Виробник - ВАТ “Дніпродзержинський КХЗ”
Зниження заготівельної вартості сировини	7891,3	32,52
Споживач - ВАТ “Нікопольський завод феросплавів”
Зниження витрат електроенергії	590,9	2,43
Економія на вартості сировини	4725,0	19,47
Додаткові капітальні витрати, пов'язані з заміної коксового горішку на ВВ	50,0	-0,03
Усього економічний ефект у споживача	5308,4	21,87
Загальний (народногосподарський) ефект	13199,7	54,4

ВИСНОВКИ

1. Автор констатує відсутність вітчизняного промислового виробництва вуглецевих відновників для недоменних споживачів, внаслідок чого для одержання феросплавів, у кольоровій металургії, хімічній та інших галузях промисловості використовуються коксовий горішок, ресурси та якість якого не відповідають вимогам.

Щодо прогнозних оцінок тільки для феросплавного виробництва у 2010 р. потрібно буде біля 1300 тис. тонн коксового горішка, що у 2,6 рази більше об'єма його очікуваної виробки.

2. Одержані автором теоретичні та експериментальні результати дозволили вирішити конкретну народно-господарську задачу - розробити технологічний процес та освоїти у коксохімічній галузі металургії промислове виробництво вуглецевого відновника для недоменних споживачів шляхом використання у складі шихти для коксування вуглевміщуючих активаторів, які підібрані на основі розроблених критеріїв ступеня метаморфізму та зольності.

Використання на Нікопольському заводі феросплавів у виробництві сілікомарганцю замість коксового горішка вуглецевого відновника, одержаного під керівництвом і при особистій участі автора на Дніпродзержинському КХЗ, забезпечило у розрахунку на одну тонну відновника економічний ефект 54,4 грн.

Враховуючи обмежені у найближчі роки можливості будівництва в Україні нових промислових установок, а також наявність не повністю завантажених потужностей коксохімічних заводів, автор вперше обгрунтував перспективність та реалізував у промисловій практиці виробництво вуглецевого відновника для недоменних споживачів з використанням існуючої технології шарового коксування та частини пічного фонду.

Запропонований автором принципово новий науково-технічний напрямок одержання вуглецевого відновника поліпшеної якості заснований на упровадженні у склад шихти природного активатору - вуглевміщуючого компоненту, який здатний взаємодіяти із спікаючими компонентами шихти з утворенням за рахунок більшого вмісту активуючих елементів (K, Nа, Fе) коксу із підвищеними реакційною здатністю та питомим електроопором.

Досліджені основні закономірності розподілу активуючих металів і хлору у кам'яному вугіллі та антрацитах Донбасу і вперше встановлено, що зосередження сполук натрію і хлору переважно в органічній, а калію - в мінеральній складових не є специфікою "соленого" вугілля, а характерно для багатьох твердих копалин Донбасу і зумовлено їх генезисом та умовами метаморфізму.

Вперше розроблені критеріальні показники (зольність та ступінь метаморфізму) і визначені їх раціональні значення ( Аd 46 %, R0 < 0,9 %), на підставі яких вибрані конкретні вуглевміщуючі активуючі компоненти шихти для одержання вуглецевого відновника, а саме - гранульовані відходи флотації вугілля та рядове довгополум'яне вугілля шахти Кремінна ДХК "Лисічанськвугілля".

7. Експериментально встановлено, що використані вуглевміщуючі активатори є не інертними, а реакційноздатними компонентами шихти, які вступають при спільному коксуванні у взаємодію із спікливим вугіллям, інтенсифікуючи поліконденсаційні процеси.

Виявлений ефект зумовлений наявністю у складі вуглевміщуючих активаторів більше 30 % органічних сполук, з одного боку, генетично зв'язаних із мінеральними складовими та, з другого боку, взаємодіючих із реакційноздатними продуктами термічних перетворень спікливого вугілля.

8. В результаті вивчення речовинного складу та властивостей гранульованих відходів флотації та вугілля марки Д, а також одержаних із шихт з їх участю продуктів науково обгрунтована функціональна роль кожного із використаних вуглевміщуючих активаторів у процесі коксоутворення, а саме: малометаморфізований високозольний неспікливий усадочний опіснюючий компонент, який сприяє збільшенню виходу коксу, пірогенетичної вологи, діоксиду вуглецю, зниженню виходу смоли та газу, збільшенню реакційної здатності та питомого електроопору коксу.

При цьому структурна міцність., що застосовується для оцінки механічних властивостей вуглецевих відновників, залишається на рівні, що значно перевершує потрібну (Пс > 60 %).

9. З урахуванням діючих і перспективних ресурсів вугілля для коксування, результатів лабораторних і дослідно-промислових (ящикових) коксувань, а також результатів дослідних плавок у печі Таммана вперше розроблені основний і резервний варіанти марочного складу шихти за участю вуглевміщуючих активаторів як сировинної бази виробництва вуглецевого відновника для недоменних споживачів (%), відповідно: Г 30, Ж 55, ВВА 15 і Г 55; Ж 35, ВВА 10.

Показано, що раціональним способом підготовки до коксування, що забезпечує оптимальне сполучення гранулометричного складу, середньозваженої крупності, насипної густини та спікливості шихти, є підготовка за схемою “ДШ”.

Розроблена автором наукова концепція реалізована на практиці при виробництві шести промислових партій вуглецевого відновника загальним об'ємом більше 240 тис. т, що були отримані на коксовій батареї №5 Дніпродзержинського КХЗ та поставлені Нікопольському заводу феросплавів.

При напрацюванні вуглецевого відновника у шихту включали гранульовані відходи флотації вугілля, що забезпечило збільшення реакційної здатності та питомого електроопору відновника відповідно у 1,63 і 1,74 рази у зрівнянні з коксовим горішком при близьких значеннях структурної міцності (83,4 і 88,4 %).

12. Встановлено, що застосування вуглецевого відновника, напрацьованого на Дніпродзержинському КХЗ, замість коксового горішку забезпечило при виробництві сілікомарганцю у промислових печах РПЗ-48:

- стабілізацію процесу плавки за рахунок перерозподілу потужності у ванні печі (збільшення її долі у нижніх горизонтах);

- поліпшення теплофізичних умов відновлення ведучих елементів;

- підвищення ступеню вилучення марганцю на 1,0-1,5 %, а кремнію на 1,5-2,0 %;

- зниження питомої витрати електроенергії на 10-30 кВт. г.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО У ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Улановский М. Л., Меньшикова С. Д, Миненко Е. В., Лихенко А. Н. О сырьевой базе производства углеродистого восстановителя для недоменных потребителей // Кокс и химия-1998, №8.- С.23-26.

2. Лихенко А. Н., Шифрин С. И., Васильев Ю. С. и др. Пути улучшения качества углеродистого восстановителя для электротермических производств// Углехимический журнал. -1999, №3-4. -С.48-52.

3. Улановский М. Л., Меньшикова С. Д., Лихенко А. Н. и др. Свойства углеродистого восстановителя в зависимости от состава исходного сырья// Кокс и химия. - 1999, №10. -С.16-18.

4. Улановский М. Л., Меньшикова С. Д., Лихенко А. Н. и др. Коксование угольных шихт с участием гранулированных отходов флотации //Кокс и химия. - 2000, № 1.- С. 23-26.

5. Лихенко А. Н., Шифрин С. И., Дроздник И. Д. и др. Гранулированные отходы флотации. Получение, состав и свойства //Кокс и химия. -2000, № 1. - С. 36-38.

6. Улановский М. Л., Должанская Ю. Б., Лихенко А. Н. и др. Формирование заданных свойств углеродистого восстановителя для электротермических процессов (обзор).//Кокси химия. -2000, № 4.- С. 14-20.

7. Лихенко А. Н., Васильєв Ю. С., Улановский М. Л. и др. Получение, свойства и испытания новых углеродистых восстановителей в опытных плавках//Углехимический журнал. -2001, № 1-2. - С. 37-41.

8. Лихенко А. Н., Улановский М. Л., Васильев Ю. С. Влияние содержания и состава минеральных компонентов шихты на реакционную способность и УЭС кокса// Углехимический журнал. -2001, № 5-6. -С.12.

9. Лихенко А. Н., Улановский М. Л., Васильев Ю. С. Взаимодействие компонентов шихты с углесодержащим активатором в процессе коксования//Углехимический журнал. -2002., № 1-2. -С. 7-10.

10. Пат. UA 3411, Украина. Способ получения углеродистого восстановителя./
Д. А. Мучник, а. н. Лихенко, С. И. Шифрин.//Опубл. 1994.- Бюл. № 6-1.

11. Likhenko A. N. Production of carbon reducing agents in coke ovens for consumers except blast furnaces.//29th international cokemaking conference, November 6 to 7, 2002, Malenovice, Czech Republic - Ostrava: Czech Cokemaking Society, 2002 - P. 194-196.

12. Улановский М. Л., Мирошниченко Д. В., Кафтан Ю. С., Лихенко А. Н. Сернистость и реакционная способность кокса.//Углехимический журнал. - 2003, №3-4. - С. 45-48.

Особистий внесок здобувача у колективні публікації

Публікації 1, 2, 3, 6, 8. Здобувачу належить ідея використання вуглевміщуючих активаторів як компоненту сировинної бази виробництва вуглецевих відновників із підвищеними реакційною здатністю та питомим електроопором. Ним сформульовані уяви щодо загальної закономірності розподілу калію переважно у мінеральній, а натрію - у органічній частинах твердих горючих копалин Донбасу. Здобувач обгрунтував застосування показників ступеню метаморфізму та зольності як критеріїв підбору активаторів, на цій підставі особисто вибрав об'єкти дослідження: гранульовані відходи флотації та рядове вугілля марки Д.

Публікації 4, 5, 9. Здобувач особисто розробив програму досліджень складу та властивостей гранульованих відходів флотації, що одержуються на створеній під його керівництвом заводській установці, запропонував розглядати ці відходи, а також рядовевугілля марки Д як сировину органомінеральної природи, що здатна взаємодіяти із спікливим вугіллям при коксуванні, інтенсифікуючи поліконденсаційні процеси та підвищуючи реакційну здатність і питомий електроопір коксу.

Публікації 7, 10. Здобувач особисто обгрунтував результатами лабораторних та дослідно-промислових випробувань ефективність застосування вуглевміщуючого активатору для покращення реакційної здатності, питомого електроопору, структурної міцності та відновлювальної здатності дослідних зразків вуглецевих відновників, що використовували у процесах плавки сілікомарганцю та високовуглецевого ферохрому.

Публікація 4. Автором дисертації особисто була зроблена доповідь на конференції.

Публікація 12. Здобувачу належать результати досліджень щодо впливу сполук калію на реакційну здатність коксу, аналіз та інтерпретація цих результатів.

АНОТАЦІЯ

Лихенко О. М. Наукові основи та практика виробництва вуглецевого відновника для недоменних споживачів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.07 - хімічна технологія палива і пально-мастильних матеріалів. - Український державний науково-дослідний вуглехімічний інститут Міністерства промислової політики України. -Харків, 2003 р.

В роботі розроблені та реалізовані на практиці наукові принципи складання вугільних сумішей з участю вуглевміщуючих активаторів, коксування яких забезпечує виробництво вуглецевих відновників поліпшеної якості з використанням частини не повністю завантаженого пічного фонду коксохімічних заводів України.

Встановлені основні закономірності розподілу деяких елементів (К, Nа, Fе, Сl) у кам'яному вугіллі і антрацитах Донбасу та на цій основі розроблені критерії підбору вуглевміщуючих активаторів за показниками зольності ( Аd > 46 %) і ступеню метаморфізму (Ro < 0,9 %).

Досліджена поведінка вибраних за цими критеріями гранульованих відходів флотації і рядового довгополум'яного вугілля у сумішах із спікливим вугіллям та встановлено, що органомінеральний характер обумовлює взаємодію вуглевміщуючого активатора із реакційноздатними фрагментами термічних перетворень як активатора, так і вугілля. Одним із проявів цієї взаємодії є інтенсифікація поліконденсаційних процесів.

Визначено технологічне призначення та раціональна масова доля активатору у складі сировинної бази виробництва вуглецевого відновника із підвищеною реакційною здатністю та питомим електроопором.

Розроблені марочні склади (%) основного (30 Г, 55 Ж, 15 вуглевміщуючого активатора) та резервного ( 55 Г, 35 Ж, 10 вуглевміщуючого активатора) варіантів сировинної бази.

Показано, що схема "ДШ' забезпечує раціональне сполучення гранулометричного складу, середньозваженої крупності, насипної густини та спікливості шихти з вуглевміщуючим активатором.

Результати випробувань дослідними плавками у печі Таммана виявили ряд переваг нових вуглецевих відновників у порівнянні із коксовим горішком, перш за все - підвищені реакційна здатність, питомий електроопір та відновлювальна здатність.

Розроблена автором наукова концепція реалізована при виробництві 240 тис. т вуглецевого відновника із шихти з участю гранульованих відходів флотації на коксовій батареї № 5 Дніпродзержинського КХЗ.

Використання промислового вуглецевого відновника замість коксового горішка у виробництві сілікомарганцю на Нікопольському заводі феросплавів забезпечило стабілізацію процесу плавки, підвищення вилучення марганцю на 1,0-1,5 % і кремнію на 1,5-2,0 %, а також зниження витрат електроенергії на 10-30 кВт. ч на одну тонну сплаву.

Ключові слова: вуглецеві відновники, вуглевміщуючі активатори, елементний склад, гранульовані відходи флотації, реакційна здатність, питомий електроопір, структурна міцність, сировинна база коксування, дослідні плавки.

Лихенко А. Н. Научные основы и практика производства углеродистого восстановителя для недоменных потребителей.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.07 - Химическая технология топлива и горюче-смазочных материалов. - Украинский государственный научно-исследовательский углехимический институт Министерства промышленной политики Украины. - Харьков, 2003 г.

В диссертации разработаны и реализованы на практике научные принципы составления угольных смесей с участием углесодержащих активаторов (УСА), коксование которых обеспечивает производство углеродистых восстановителей (УВ) улучшенного качества с использованием части не полностью загруженного печного фонда коксохимических заводов Украины.

Установлены основные закономерности распределения некоторых элементов (K, Na, Fе, Сl) в каменных углях и антрацитах Донбасса и на этой основе разработаны критерии подбора УСА по показателям зольности (Аd 46 %) и степени метаморфизма (Rо < 0,9 %).

Исследовано поведение выбранных по этим критериям гранулированных отходов флотации и рядового длиннопламенного угля в смесях со спекающимися углями и установлено, что органоминеральный характер обусловливает взаимодействие УСА с реакционноспособными фрагментами термических превращений как УСА, так и углей. Одним из проявлений этого взаимодействия является интенсификация поликонденсационных процессов.

Определены технологическое назначение и рациональная массовая доля УСА в составе сырьевой базы производства УВ с повышенными реакционной способностью (РС) и удельным электросопротивлением (УЭС).

Разработаны марочные составы (%) основного (30 Г; 55Ж; 15 УСА) и резервного (55Г; 35Ж; 10 УСА) вариантов сырьевой базы.

Показано, что схема “ДШ” обеспечивает рациональное сочетание гранулометрического состава, средневзвешенной крупности, насыпной плотности и спекаемости шихты, содержащей УСА.

Результаты испытаний опытными плавками в печи Таммана выявили ряд преимуществ новых УВ в сравнении с коксовым орешком, прежде всего - повышенные РС, УЭС и восстановительная способность.

Разработанная автором научная концепция реализована при производстве 240 тыс. т УВ из шихт с участием ГОФ на коксовой батарее № 5 Днепродзержинского КХЗ.

Использование промышленного УВ взамен коксового орешка в производстве силикомарганца на Никопольском заводе ферросплавов обеспечило стабилизацию процесса плавки, повышение извлечения марганца на 1,0-1,5 % и кремния на 1,5-2,0 %, а также снижение расхода электроэнергии на 10-30 кВт. ч на 1 т сплава.

Ключевые слова: углеродистые восстановители, углесодержащие активаторы, элементный состав, гранулированные отходы флотации, реакционная способность, удельное электросопротивление, структурная прочность, сырьевая база коксования, опытные плавки.

A. N. Likhenko. Scientific fundamentals and practice of production of carbon reducing agent for non-blast furnace users. Manuscript.

Theses for a degree of Candidate of Sciences (Engineering) for speciality 05.17.07 - "Chemical technology of fuels and oils" - Ukrainian State Research Institute for Carbochemistry, Ministry of Industrial Policy of Ukraine. - Kharkov, 2003.

In the dissertation the scientific principles of blending coal mixtures with coal-containing activators (CCA) were developed and implemented; carbonisation of these blends provided the production of carbon educing agents of higher quality (RA) using a part of underloaded coke ovens at Ukraine coke works.

Main relationships were found for the distribution of some elements (K, Na, Fe, Cl) in the Donbass hard coals and anthracites and on this base the criteria were established for choosing CCA using the ash content (Ad 46 %) and rank (Ro < 0.9 %).

The behaviour of granulated floatation rejects chosen by these criteria and raw long-flame coal mixed with caking coals was studied and it was established that the organic and mineral nature enables the interaction between CCA and reactive fragments of thermal transformation in both CCA and coals. One of the manifestation of this interaction is intensification of polycondensation processes.

The technological application and reasonable content of CCA was determined in the raw material base of the production of RA of higher reactivity and specific resistance

A grade composition was developed as a main and reserve variants in the raw material base (%), respectively 30G, 55Zh, 15CCA and 55G, 35Zh, 10CCA.

It is shown that the preparation scheme DSh ensures effective combination of size, weighted mea size, bulk density and caking capacity of the blend containing CCA.

The results of tests in the Tamman furnace revealed a number of advantages of new RA compare to coke nuts, first of all a higher reactivity and specific resistance and reducing capacity.

The scientific conception developed by the author has been realized in the production of 240.000 of RA on coke oven battery NO. 5 at the Dneprodzerzhinsky coke works from the blend containin granulated floatation rejects.

The use of an industrial RA instead of coke nuts in the production of silicomanganese at the Nikopol ferroalloy works helped to stabilize the melting process, to raise the manganese recover}' by 1.0 1.5 % and silicon recovery by 1.5-2.0 % as well as to reduce the energy consumption by 10-30 kW-h per ton of alloy.

Key words: carbon reducing agents, carbon-containing activators, elemental composition, granulated floatation rejects, reactivity, specific resistance, structural strength, raw material base, blast furnace tests.

Размещено на Allbest.ru

...