Енергозберігаюча технологія керованого рідкофазного спікання гібридного залізорудного матеріалу для доменного переділу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національна металургійна академія України

УДК 669.162:622.78 (043)

05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Енергозберігаюча технологія керованого рідкофазного спікання гібридного залізорудного матеріалу для доменного переділу

Суліменко Сергій Євгенійович

Дніпропетровськ - 2010

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор ІВАЩЕНКО ВАЛЕРІЙ ПЕТРОВИЧ, Національна металургійна академія України, Перший проректор, м. Дніпропетровськ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ПАЗЮК МИХАЙЛО ЮРІЙОВИЧ, проректор з науково-педагогічної роботи Запорізької державної інженерної академії (м. Запоріжжя),

кандидат технічних наук ПОПОВ ГЕННАДІЙ МИКОЛАЙОВИЧ доцент кафедри металургії чорних металів Донбаського державного технічного університету (м. Алчевськ).

Захист дисертації відбудеться "05" жовтня 2010 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий 30.08.2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої Вченої ради Д 08.084.03 доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

Анотації

Сулименко С.Е. Энергосберегающая технология управляемого жидкофазного спекания гибридного железорудного материала для доменного передела. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - металлургия черных и цветных металлов и специальных сплавов. - Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск, 2010.

Диссертация посвящена разработке способа конструирования слоевых систем с функционально-распределенной твердотопливной насадкой и превращения их в друзы блочно-ячеистой структуры в управляемом жидкофазном синтезе гибридного железорудного материала, который обладает лучшими качествами агломерата и окатышей и предназначен для производства чугуна в доменных печах.

Проведен анализ и теоретические исследования способов получения окускованного железорудного сырья с учетом предъявляемых требований доменной плавки. Показаны основные тенденции развития технологий подготовки шихтовых материалов к доменной плавке. Разработана концепция технологии конструирования единичного реакционного объема - гранулы, как основной составляющей слоевой системы и трансляция этих свойств на всю слоевую систему.

Исследовано влияние на традиционной процесс агломерации гибридного соединения известных методов его интенсификации: введение в состав шихты ферритной смеси, карбонатной извести, раздельная подача топлива. Определено, что агломерат имеет повышенную прочность на удар и истирание, однако это не повлияло на текстуру спеченного продукта.

Исследованы рудно-топливные композиции и сделан вывод о целесообразности слоевого конструирования гранулы и определены температурно-тепловые параметры их обжига.

Установлено, что в объеме слоевой системы распределение частиц твердого топлива происходит в режиме самоорганизации на пусковое, рабочее и топливо термостабилизации. Рабочее топливо приводит к локальному повышению температуры в зонах контакта гранул с зажатым твердым топливом и возникновения оксидного расплава, что обеспечивает формирование блочно-ячеистой структуры готового продукта. Топливо термостабилизации не полностью сгорает за основной период агломерационного спекания и дожигается в восходящем потоке воздуха в зоне охлаждения с образованием восстановительной среды и тем самым блокирует процессы окисления в слое, обеспечивает термостабилизацию температурного поля по высоте слоя спеченного материала. Разработан метод расчета количества твердого топлива на процесс.

Разработан способ получения гибридного окускованного железорудного материала блочно-ячеистой структуры из офлюсованной железосодержащий слоевой системы с функционально распределенной твердым топливом при обжиге гранул в режиме агломерационного спекания. Исследован способ получения гибридного железорудного материала и получены математические модели процесса для основности 1,25.

Приведены результаты опытно-промышленных испытаний технологии получения гибридного железорудного материала в условиях действующего производства ОАО ЦГОК на действующем оборудовании и проплавке его в доменной печи ОАО ДМЗ им. Петровского.

Ключевые слова: слоевая система, гибридный, блочно-ячеистая, спекание, структура.

Суліменко С.Є. Енергозберігаюча технологія керованого рідкофазного спікання гібридного залізорудного матеріалу для доменного переділу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 - металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів. - Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, 2010.

Дисертація присвячена розробці способу конструювання шарових систем з функціонально-розподіленої твердопаливної насадкою і перетворення їх у друзи блочно-коміркової структури в керованому рідкофазному синтезі гібридного залізорудного матеріалу, який має кращі якості агломерату і обкотишів і призначений для виробництва чавуну в доменних печах.

Проведено аналіз та теоретичні дослідження способів отримання огрудкованної залізорудної сировини з урахуванням вимог, що пред'являються доменною плавкою. Показані основні тенденції розвитку технологій підготовки шихтових матеріалів до доменної плавки. Розроблено концепцію технології конструювання одиничного реакційного об'єму - гранули, як основної складової шарової системи і трансляція цих властивостей на всю шарову систему.

Досліджено вплив на традиційній процес агломерації гібридного з'єднання відомих методів його інтенсифікації: введення до складу шихти феритної суміші, карбонатного вапна, роздільна подача палива. Визначено, що агломерат має підвищену міцність на удар і стирання, однак це не вплинуло на текстуру спеченого продукту.

Досліджено рудно-паливні композиції та зроблено висновок про доцільність шарового конструювання гранули та визначено температурно-теплові параметри їх обпалу. твердопаливний залізорудний рідкофазний

Встановлено, що в об'ємі шарової системи розподіл часток твердого палива відбувається в режимі самоорганізації на пускове, робоче та паливо термостабілізаціі. Робоче паливо призводить до локального підвищення температури в зонах контакту гранул із затиснутим твердим паливом і виникнення оксидного розплаву, що забезпечує формування блочно-коміркової структури готового продукту. Паливо термостабілізаціі не повністю згоряє за основний період агломераційного спікання і допалюється у висхідному потоці повітря в зоні охолодження з утворенням відновлювального середовища і тим самим блокує процеси окислення в шарі, забезпечує термостабілізацію температурного поля по висоті шару спеченого матеріалу. Розроблено метод розрахунку кількості твердого палива на процес.

Розроблено спосіб отримання гібридного окускованного залізорудного матеріалу блочно-коміркової структури з офлюсованої залізовмісної шарової системи з функціонально розподіленим твердим паливом при випалюванні гранул в режимі агломераційного спікання. Досліджено спосіб отримання гібридного залізорудного матеріалу і одержані математичні моделі процесу для основності 1,25.

Наведено результати дослідно-промислових випробувань технології отримання гібридного залізорудного матеріалу в умовах діючого виробництва ВАТ ЦГЗК на діючому обладнанні та плавка його в доменній печі ВАТ ДМЗ ім. Петровського.

Ключові слова: шарова система, гібридний, блочно-коміркова, спікання, структура.

S. Sulimenko Energy saving technology of controlled liquid-phase sintering of a hybrid iron material for blast processing - Manuscript.

PhD thesis for the scientific degree of candidate of engineering sciences on specialty 05.16.02 - metallurgy of ferrous and non-ferrous metals and special alloys. - National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2010.

PhD the thesis is devoted to developing a method for constructing layered systems with functionally-distributed solid nozzle and turn them into Druze block the cellular structure in a controlled liquid-phase synthesis of a hybrid iron material, which possesses the best qualities of sinter and pellets and used for the production of pig iron in blast furnaces.

The analysis and theoretical studies of ways to get agglomerated iron ore-qualified domain melting. The basic technology trends preparation of charge materials to the blast furnace smelting. The concept of technology design of a single reaction volume - grains, as the main component of the layered system and translation of these properties for all layers of the system. The influence of the traditional process of agglomeration of the hybrid compounds known methods of its intensification: the introduction into the charge ferrite mixture of carbonate of lime, separate fuel supply. Determined that the agglomerate has a higher resistance to impact and abrasion, but it did not affect the texture of baked products.

Investigated ore and fuel compositions and concluded that the feasibility of constructing layered pellets and set the temperature and thermal parameters of their firing.

Established that the bulk of the layers of distribution of the particles of solid fuel is in a mode of self-organization on the launch pad, the labor and fuel temperature stabilization. Operating fuel leads to local temperature increase in the contact zones of granules with clamped solid fuel and the emergence of the oxide melt, which ensures the formation of block-collar structure of the finished product. Fuel temperature stabilization is not fully consumed for the main period of sintering and sintering burns in an upward flow of air in the cooling zone to form a reducing environment and thus blocks the oxidation processes in the layer provides thermal stabilization of the temperature field across the layer of sintered material. The method of calculating the amount of solid fuel in the process.

A method for producing hybrid agglomerated material iron block the cellular structure of fluxed iron-layered system with the functional distribution of solid fuel pellets during firing in the mode of sintering. Explore ways of obtaining a hybrid iron material and obtained the mathematical model of the process for the core 1,25.

The results of pilot tests of the technology of hybrid iron material in the current production of Central mining and processing integrated plant (Centralniy GOK) on existing equipment and melting it in a blast furnace Dnepropetrovsk Iron and Steel Works named Petrovsky.

Keywords: layered system, a hybrid, block-wire, sintering, structure.

Загальна характеристика роботи

На одностайну думку вітчизняних і закордонних фахівців домінуючу позицію в світовому виробництві первинного металу сьогодні і на перспективу міцно займає доменний процес. Нерозривно з доменним процесом отримання чавуну пов'язано виробництво окускованих залізорудних матеріалів. Вдосконалення технології доменної плавки викликає зростання вимог до фізичних і фізико-хімічними властивостей синтетичних залізорудних матеріалів. Виробництво окускованих залізорудних матеріалів необхідної якості в умовах ГМК України, як зазначає "Концепція розвитку гірничо-металургійного комплексу України на 2000-2010 роки", пов'язане з рішенням цілого ряду проблем: енерго-екологічних, технологічних, технічних, якості окускованих матеріалів, надання їм нових металургійних властивостей.

Актуальність теми. Металургійне виробництво в Україні було й залишається базовою галуззю промисловості, орієнтованої, в основному, на власні сировинні й паливно-енергетичні ресурси. Сучасний етап розвитку доменного виробництва характеризується всебічним удосконалюванням технології й технічним переозброєнням.

З доменним виробництвом нерозривно зв'язане виробництво огрудкованих залізорудних матеріалів і коксу. Вирішення завдання по вдосконалюванню доменної плавки припускає використання залізорудних матеріалів з підвищеними вимогами до фізичних, хімічних і структурних властивостей. На даний момент основними залізорудними матеріалами в Україні є агломерат і обкотиші. Підвищення продуктивності доменної плавки пов'язане з якістю металургійної сировини й припускає вдосконалення існуючих технологій виробництва залізорудних матеріалів або розробку нових. На перший план висувається завдання підвищення якості традиційних окускованих матеріалів - агломерату й обкотишів, а так само розробка нових видів залізорудних матеріалів із заданими властивостями.

Аналізуючи можливі шляхи поліпшення якості залізорудних матеріалів можна виділити як один з напрямків - розробка нових гібридних технологій рідкофазного синтезу окускованої залізорудної сировини, елементи якої поєднують у собі агломерацію й обпал обкотишів.

Дисертаційна робота присвячена розробці й апробації нової технології одержання гібридного окускованного залізорудного матеріалу із заданими властивостями у твердопаливному варіанті енергетичного забезпечення спікання в режимі фільтраційного горіння й повномасштабна реалізація розробленої технології в умовах фабрики огрудкування ВАТ ЦГЗК і проплавку отриманого гібридного окускованного залізорудного матеріалу в доменній печі ВАТ "ДМЗ ім. Петровського".

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами темами. Вирішенні в дисертації завдання повною мірою відповідають меті і завданням національної програми розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010р, проект якої розроблений відповідно до Постанови Верховної Ради України від 6 жовтня 1998р. № 166-XIV, одному з пріоритетів "Концепції розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2005-2010р.р.", затвердженої Верховною Радою України "… здійснення технологічних, економічних і стаціонарних заходів щодо мінімізації витрат на виробництво", а також міжвузівській комплексній цільовій програмі "Метал", планам науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України, Національної металургійної академії України. В основу дисертації покладені результати наукових досліджень, що становлять частину звітів по науково-дослідних роботах: "Розробка теоретичних основ керованого рідкофазного спікання гібридної окускованної сировини в шарових відкритих системах на принципах самоорганізації" - № ДР 0100U000742; "Системний аналіз і синтез шарових композицій відкритого типу із твердопаливної функціонально розподіленої на принципах самоорганізації для здійснення енергозберігаючих процесів одержання гібридних окускованих матеріалів в агрегатах безперервної дії"- № ДР 0103U003230, "Розробка й випробування в умовах фабрики огрудкування ЦГЗК енергозберігаючої технології одержання нового окускованного залізорудного матеріалу" - Договір № 42-13-04/99 від 29 січня 1999р.

Мета і завдання дослідження. Розробка способу конструювання шарових систем з функціонально-розподіленою твердопаливною насадкою й перетворення їх у друзи блочно-коміркової будови в керованому рідкофазному синтезі гібридного окускованного залізорудного матеріалу, що має найкращі якості агломерату й обкотишів і призначений для виробництва чавуну в доменних печах.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні завдання:

1. Дослідити схеми гібридизації процесу окусковання залізорудних матеріалів;

2. Дослідити властивості й визначити характеристики компонентів рудно-паливних сумішей і шихти в цілому;

3. Проаналізувати процеси утворення сумішей гранульованих залізорудних матеріалів із твердим паливом;

4. Дослідити й розробити технологію одержання гібридного окускованого залізорудного матеріалу;

5. Розробити методику розрахунку маси твердопаливної насадки рудно-паливної шарової системи;

6. Провести дослідно-промислове випробування й адаптацію технології одержання гібридного окускованого залізорудного матеріалу в умовах діючого виробництва.

7. Провести доменну плавку із застосуванням гібридного окускованого залізорудного матеріалу.

Об'єкт дослідження: процес отримання шарової системи у вигляді суміші залізорудних офлюсованих гранул і функціонально розподіленого твердого палива, процес рідкофазного спікання її в композит блочно-коміркової будови методом агломераційного спікання.

Предмет дослідження: вплив фізичних і хімічних характеристик шарової системи залізорудних гранул і функціонально розподіленого твердого палива на високотемпературний гетерофазний синтез гібридного окускованого залізорудної матеріалу для доменного переділу.

Методи дослідження: Отримання результатів та висновків при вирішенні науково-прикладної задачі засновано на фундаментальних положеннях законів теорії металургійних процесів, газо- та гідродинаміки, масо- і теплообміну. Експериментальні дослідження та відпрацювання основних параметрів гібридної технології, підготовка компонентів шихти, шихти в цілому, спікання і обробки спека, визначення металургійних властивостей спечених матеріалів і їх фазової будови були виконані з використанням методів фізичного моделювання в лабораторних та промислових умовах та з застосуванням методів математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

У дисертаційній роботі отримали розвиток шляхи вдосконалення високотемпературного гетерофазного синтезу окускованих залізорудних матеріалів у шарових системах з твердопаливною насадкою.

Нові наукові результати, отримані автором, полягають у наступному:

1. Вперше теоретично обґрунтований та практично реалізований спосіб отримання окускованного залізорудного матеріалу блочно-коміркової структури із офлюсованої залізовмісної шарової системи з функціонально розподіленим твердим паливом при обпаленні гранул в режимі агломераційного спікання та показано, що в об'ємі шарової системи розподіл часток твердого палива відбувається в режимі самоорганізації в наслідок змішування матеріалів різної щільності при однаковій крупності, що забезпечує диференціацію функцій різних фракцій палива на пускове, робоче і паливо термостабілізації.

2. Встановлено, що горіння робочого палива призводить до локального підвищення температури в зонах контакту гранул з затисненим твердим паливом, виникнення легкоплавкого оксидного прошарку, що забезпечує формування блочно-коміркової структури готового продукту.

3. Встановлено, що паливо термостабілізації, що має крупність порівняну з верхньою межею крупності гранул, не повністю згоряє за основний період агломераційного спікання і допалюється у висхідному потоці повітря в зоні охолодження спеку з утворенням відновлювального середовища, яке блокує процеси окислення в шарі і забезпечує термостабілізацію температурного поля по висоті шару спеченого матеріалу.

Практичне значення отриманих результатів

Створена високоефективна енергозберігаюча технологія отримання гібридного окускованого залізорудного матеріалу, яка реалізована в існуючій схемі ланцюга апаратів фабрики огрудкування ВАТ ЦГЗК в умови діючого виробництва. Розроблена принципово нова технологія отримання гібридного залізорудної матеріалу в агрегатах безперервної дії. Дослідно-промислова реалізація розробленої технології здійснена в умовах фабрики огрудкування ВАТ ЦГЗК. Основними перевагами розробленої технології є:

- Можливість заміни газоподібного палива твердим на випалювальних фабриках ГЗК і зниження витрат природного газу в 2-2,5 рази:

- Можливість зниження витрати твердого палива на 35-40% в порівнянні з традиційною агломерацією;

- Можливість реалізації нової технології в рамках існуючих технологічних ліній діючого виробництва агломерат або обкотишів.

Новий гібридний залізорудний матеріал являє собою друзи і поєднує в собі кращі металургійні властивості агломерату і обкотишів. Застосування його в доменному переділі дозволяє знизити витрату коксу на 4,4 кг/т чавуну, підвищити продуктивність печі на 1,1% незалежно від виду виплавленого чавуну, що підтверджує доцільність його виробничого застосування, дає підстави вважати конкурентоспроможним на Європейському ринку залізорудних матеріалів, при цьому слід також враховувати, що цей продукт може тривало зберігатися і транспортуватися на значні відстані.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі узагальнені результати експериментальних і теоретичних досліджень, виконаних автором, як відповідального виконавця окремих розділів роботи. Автор самостійно сформулював постановку задач, розробив методики, особисто створив лабораторне устаткування, організував і провів експерименти. У проведенні експериментів брали участь співробітники кафедри металургії чавуну Національної металургійної академії України, а при промислових випробуваннях - співробітники ВАТ ЦГЗК, ВАТ "ДМЗ ім. Петровського". Аналіз одержаних даних і узагальнення результатів досліджень, утворення статей, доповідей виконані особисто автором.

У роботах, приведених в авторефераті і опублікованих із співавторами, автору дисертації належать: [1, 4] - аналіз направленій розвитку технології виробництва залізорудної сировини, [2, 8, 9] - аналіз роботи доменних печей на гібридному залізорудному матеріалі, проведення промислових експериментів по плавке гібридної сировини в доменних печах, [3]- матеріали по промисловій апробації технології виробництва гібридної залізорудної сировини в умовах ЦГЗК, [4] - характеристика гібридного залізорудного матеріалу та ефективність його застосування в доменному виробництві, [5, 6, 7] - концепція та теоретичне обґрунтування технології виробництва гібридної окускованого залізорудного матеріалу для доменного переділу.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, які включені у дисертаційну роботу, повідомлені на "VII Міждународному конгресі доменщиків" - Москва-Череповець, 9-12 вересня 2002р., на 2-ій Міжнародній науково-технічній конференції, м. Ліпецьк, 2005р., на Міжнародній науково-технічній конференції "Пылеугольное топливо альтернатива природному газу при выплавке чугуна" - м. Донецьк, Україна, 18-21 грудня 2006р.

Публікації. Результати роботи опубліковані в 6 статтях в наукових журналах, 3 збірках праць і тез науково-технічних конференцій, 1 патент.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація містить вступ, 4 розділу, загальних висновків, списку використаних джерел з 89 найменувань, 6 додатків. Викладена на 159 стор., 9 табл., 33 рис.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульована мета й завдання досліджень, наукова новизна й практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі виконані аналітичні дослідження існуючих технологій одержання агломерату й обкотишів, сучасного стану теорії й практики, виробництва й застосування окускованих залізорудних матеріалів - агломерату й обкотишів у доменному переділі. Показано, що підготовка шихтових матеріалів до плавки, в тому числі, методами високотемпературного синтезу, перетворилася в цілу підгалузь, що виникла на стику гірничого діла й металургії.

Аналітичні дослідження дозволили розкрити сутність технологій одержання агломерату й обкотишів і оцінити можливі шляхи підвищення їх металургійних властивостей відповідно до вимог сучасного доменного процесу. Одним з шляхів є об'єднання двох основних технологій виробництва окускованної залізорудної сировини в єдиний гібридний процес при використанні в якості основного теплоносія твердого палива. Зарубіжна інформація свідчить про тенденцію, що намітилася, розробки й реалізації сполучених технологій виробництва окускованної залізорудної сировини. Провідне положення займає Японія, що запропонувала процес "HPS". По сукупності позитивних характеристик нового виду окускованого залізорудного матеріалу саме гібридні технології забезпечують прорив на новий рівень розвитку процесів і апаратів підготовки сировини в металургії. Сполучена технологія може бути реалізована в існуючих агрегатах безперервної дії і являє собою альтернативу на шляху вдосконалювання процесів і апаратів у підгалузі виробництва окускованих залізорудних матеріалів.

У другому розділі наведений аналіз і теоретичне обґрунтування основних принципів створення гібридної технології, яка реалізована у вигляді концепції процесу одержання нового виду окускованого залізорудного матеріалу для доменної плавки. Показано, що гібридний варіант процесу одержання окускованого матеріалу може бути хімічно заданий і технологічно реалізований в умовах існуючих схем промислового виробництва.

При створенні таких технологій значну вагу мають питання підготовки шихти до окускування методами конструювання мінерально-паливних композицій, як у локальних об'ємах, так і у вигляді шарової системи. Такий підхід дозволяє прогнозувати процеси в реакційних об'ємах і шаровій системи з них, сприяє істотному збільшенню продуктивності агрегатів, одержанню продукту із заданими характеристиками якості.

Базова ідея роботи - здійснення рідкофазного синтезу оксидних композицій залізорудного сортаменту з теоретично передбаченим його ходом у шарових системах зі сконструйованих реакційних об'ємів із твердопаливною насадкою й одержання окускованих шихтових матеріалів із прогнозованими заданими властивостями.

Ряд наукових досліджень кафедри металургії чавуну дозволив впритул підійти до методів конструювання офлюсованого залізорудного окускованого матеріалу з орієнтацією на його повномасштабне промислове виробництво в рамках існуючих технологічних схем рудопідготовчої бази чорної металургії України. Конструювання локальних рудо-флюсових композицій з теоретично обґрунтованим речовинним складом, низкою хімічних процесів перетворення речовини й фізичних - еволюцій структури, може бути реалізоване методами грануляції й високотемпературного гетерофазного синтезу. При цьому технічно здійсненним є весь комплекс перетворень вихідних компонентів у кінцевий продукт із заданими властивостями як одиничних, так і їх сукупності, відомого інтервалу фрагментованності - продукту перетворення спеченої композиції.

Таким чином, прийнята форма локальної комірки, її розмір та характер геометричних параметрів, спосіб укладання, розподіл джерел і стоків теплоти чисельно визначені, технологічно й апаратно реалізуємо. Як робоча, прийнята модель припечення гранул без палива в шарі із твердопаливною насадкою. У такій постановці визначеними є параметри пакування гранул, число їх контактів, кількість твердого палива, затисненого в контактах, характеристика міжгранульного простору і його єнергозабезпеченість, параметри твердопаливної насадки з функціонально розподілених часток палива, часові характеристики фільтраційного горіння палива в шарі з урахуванням його розподілу на паливо пускове, робоче й термостабілізаційне. Можуть бути обчислені тимчасові характеристики фільтраційного горіння палива в шарі з урахуванням його розподілу.

Сказане дозволяє констатувати реальну можливість створення гібридного окускованного залізорудного матеріалу й можливість його одержання у відомих агрегатах безперервної дії по існуючих технологічних схемах фабрик окускування.

У третьому розділі відповідно до концепції нового процесу одержання блочно-коміркової макроструктури спеку із заданими параметрами блоків і їх сукупності при високому ступені трансляції наведені результати спікання рудно-флюсо-паливних композицій у вигляді шарової систем і їх окремих реакційних об'ємів. Експерименти проводилися в ідентичних шихтових і апаратурно-методичних умовах з використанням концентрату ПГЗКа, руди Кіровського рудоуправління, Єленівського вапняку, вапна й коксового дріб'язку.

У запропонованому форматі нового процесу одержання гібридного окускованого залізорудного матеріалу методом агломераційного спікання залізорудні гранули повинні мати властивість теплопрозорості. Це важливо, як з позицій сушіння гранул, так і їх спікання в основному періоді процесу. У такій постановці вивчали процес нагрівання гранул діаметром 3,0-10,0 мм із шагом розміру 1 мм. Отримані результати дозволили зробити висновок про доцільність обмеження крупності гранул шихти інтервалом 5-10 мм, який займає проміжну область між гранулами шихти (0-7мм) і обкотишами (9,5-12,5мм) та найбільш повно відповідає вимогам процесу одержання гібридного матеріалу.

В наступних дослідженнях визначили вплив на традиційний процес агломерації гібридного сполучення відомих методів його інтенсифікації: введення до складу шихти феритної суміші у вигляді спільно здрібнених 70% звороту і 30% вапняку, карбонатного вапна, спільно здрібнена суміш 40% вапна і 60% вапняку, роздільної подачі палива - 40% палива в шихту до огрудкування і 60% після. Використовували шихту основністю 1,25, у шарі висотою 0,35м і початковому вакуумі 900мм.вод.ст. Зовнішнє нагрівання шару й запалювання палива здійснювали продуктами згоряння природного газу з температурою 12500С протягом 1,8-2,0 хвилини. В оригінальній серії дослідів традиційному нагріванню - запалюванню в ряді спікань передувало сушіння шару теплоносієм з температурою 150-170оС.

У базовій серії визначили оптимальний вміст твердого палива в шихті - 4%. В оригінальній серії дослідів спікали шихту з оптимальною витратою твердого палива скорегованим на роздільну подачу, що містить композиції зі спільно здрібнених сумішей зворот-вапняк, вапно-вапняк у кількості 8,25 і 12,5% відповідно. Отримані результати показали підвищену інтенсивність грануляції шихти при огрудкуванні - ефект введення спільно здрібнених сумішей. Характерним для цієї серії спікань є гранулометричний склад шихти. Переважно шихта складається із часток фракції 5-10 мм - 61,17%, містить практично нарівно фракції +10мм - 17,79% і 3-5мм -14,10% і незначна кількість фракції 0-3мм. Підвищення міцнісних характеристик агломерату пов'язане з інтенсифікацією рідкофазного спікання спільного здрібненими композиціями в шихті й особливо у випадку попереднього сушіння шару перед запалюванням. Роздільна подача палива в інтенсивно гранульовану шихту сприяла розтягуванню зони високих температур у шарі й збільшенню тривалості спікання.

У другій серії дослідів оптимізували введення спільно здрібнених композицій у шихту заміною їх однією, виготовленої з однієї наважки звороту, вапняку й вапна. Як і в попередній серії спостерігалася інтенсивна грануляція шихти й практично незмінний її гранулометричний склад. Введення моно композиції практично не вплинуло на тривалість спікання, й питома продуктивність установки практично не змінилася. У відмінності від попередньої серії спікань попереднє сушіння шару було 5 хвилин і проте питома продуктивність чисто спікання зросла від 1,37-1,47 до 1,86т/м 2·год. У такий спосіб попереднє сушіння шару гранульованої шихти є обов'язковим елементом гібридної технології й дозволяє усунути зону перезволоження. Агломерат у даній серії дослідів у порівнянні з попередньої мав підвищену міцність на удар і стирання. Однак і більш інтенсивна грануляція шихти, і попереднє сушіння не вплинули на текстуру спека. Він руйнувався традиційно й фрагментування його по одержаним грануляцією об'ємам не відбувалося. Потребує уточнення спосіб введення палива в реакційний об'єм і шарову систему в цілому з позицій гетерофазного синтезу спеченого об'єму з регулярною блочно-комірковою структурою.

Розбудовуючи ідею створення спека з керованою блочно-комірковою структурою, дослідили основні закономірності спікання сконструйованих блоків у вигляді гранул заданого речовинного складу. Розглядали гранули як реакційні об'єми з ядром, що плавиться, виходячи з того, що саме просторова локалізація рідкофазного спікання в ядрах гранул характерна для реальних агломераційних спеків.

У такій постановці задачі досліджень гранули являють собою центри рідкофазного спікання, у яких виникає спрямований потік речовини в потоці енергії від палаючих часток твердого палива, функціонально заданого в об'ємі шарової системи. Об'єктом досліджень були брикети у формі куба із гранню 10мм із різною комбінацією в їхньому складі рудних, флюсових і паливних інгредієнтів. Брикети обпалювали у вертикальній трубчастій печі при заданій температурі. В атмосфері повітря обпалювали брикети із шихти без палива, в атмосфері аргону - паливо вмисні брикети. Таким чином, моделювали умови з інтенсивним і обмеженим розвитком рідкофазного спікання. Критеріями якості окускованих залізорудних матеріалів є міцність і відновлювання, а непрямою оцінкою може бути пористість і зміна відносного об'єму.

Максимальний розвиток рідкофазного спікання при випалюванні брикетів досягається за рахунок збільшення основності шихти, частки вапна і кількості палива в ній, а також збільшення температури і часу випалу рис. 1.

При цьому, можливе повне розплавлення брикету та як наслідок неможливість управління процесом рідкофазного спікання. Управління процесом рідкофазного спікання в цих умовах можливо здійснювати за рахунок зниження частки вапна в флюсовій частини шихти або за рахунок зміни режиму температурно-теплової обробки. В умовах відсутності вапна у складі брикетів відбувається незначне зниження показників рідкофазного спікання (рис. 2), проте зберігається контроль над процесом.

Тому доцільно використовувати шихти з підвищеною основністю, кількістю палива, але без вапна, а управління процесом здійснювати за рахунок зміни режимів температурно-теплової обробки (рис. 3).

Встановлений регламент речовинного складу гранул і температурно-теплового режиму випалу був покладений в основу досліджень їх шарового спікання. У цьому випадку шар являє собою блочно-комірковую структуру з реакційних об'ємів заданого складу із джерелами й стоками тепла із просторово розділеними спрямованими потоками тепла й розплаву.

Реакційні об'єми - елементарні фрагменти шару формуються на стадії підготовки шихти як мінерально-паливні композиції із заданим просторовим розташуванням вихідних інгредієнтів. При цьому створюється не тільки реакційний об'єм, але й задається весь процес його еволюції, починаючи від напрямку потоку розплаву, розвитку й протікання відновлювально-окислювальних реакцій, виникнення рідкої фази, її початкового й кінцевого складу, аж до складу й властивостей кінцевого продукту. Основним теплоносієм у процесі було тверде паливо, частки якого розподілялися в об'ємі гранул і просторі між ними. Вважали, що задане у такий спосіб джерело тепла забезпечить випал і спікання гранул без їхньої взаємодії.

У ході досліджень була реалізована серія спікань, у яких варіювали розрідження від 700 до 1000 мм.вод.ст., тривалість запалювання від 1 до 3 хв., вид твердого палива, співвідношення коксового дріб'язку й антрацитового штибу в ньому, тривалість сушіння шару від 5 до 30 хв. Спікали шихту основністю 1,25 у шарі висотою 350 мм на колосникових ґратах у вакуумному режимі, залізорудна частина шихти містила концентрат і ферито-кальцієву суміш - руда й вапняк.

Результати, отримані в області варіювання обраних факторів, показали принципову можливість виникнення явища самоорганізуючого рідкофазного спікання. Однак цей процес не мав регулярного виникнення й сталого розвитку. Переважний і сталий розвиток одержував процес спікання із друзоутворенням. Найбільш високі значення показників процесу спікання й міцності спеченого продукту - питома продуктивність 1,35-1,47т/м 2год, міцність на удар 70,8% і на стирання 10,7% при співвідношенні палива в шихті й у накат 20/80 і тривалості сушіння 5 хв., розрідженні 700 мм.вод.ст. У всіх дослідах без винятку фіксувалось утворення друзоподібних об'єднань, вихід яких коливався від 83 до 98%. Однак зі збільшенням тривалості сушіння до 12-30 хв. міцність друзоподібних об'єднань на удар і стирання знижувалася до 58,77-40,30% і 17,9-31,9% відповідно.

Позитивний вплив на показники процесу спікання і якість спеченого продукту виявило збільшення висоти шару до 500мм. Спікали шихти із залізорудних гранул переважно фракції 5-10 мм (80-90%). Паливо вводили в шар роздільно - у шихту й у міжгранульний простір. У накат паливо подавали попередньо змішане з концентратом у вигляді концентрат-паливних агрегатів, які виконували роль донорів рідкої фази в міжгранульному просторі. При висоті шару 500мм, розрядженні під шаром не більш 400 мм.вод.ст. продуктивність процесу склала 1,9-2,1т/м 2год. Міцність продукту спікання становила: міцність на удар 79,4-84,6%, на стирання 6,5-3,9%.

Прагнення до друзоутворення шарової системи із гранул при заданому складі й температурно-тепловому режимі спікання послужило підставою для проведення досліджень, спрямованих на розробку технології одержання окускованного матеріалу з регулярною блочно-комірковою структурою.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Експериментальна шарова система являла собою залізорудну матрицю з обкотишів крупністю 5-10 мм (90-92%) ідентичного речовинного й хімічного складу із твердопаливною насадкою. Обкотиші основністю 0,7 одержували з реальних шихтових матеріалів фабрики огрудкування ЦГЗК, а в якості твердого палива використовували відсів металургійного коксу фракції 0-10 мм, що містить до 60% класу 0-3 мм. Твердопаливна насадка створювалася в процесі змішування обкотишів і палива в циліндричному барабані й при укладанні шихти шаром 0,3м на колосникові ґрати площею 0,031м 2 циліндричної чаші. Спікання проводили у вакуумному режимі при розрядженні 400 мм.вод.ст. с попереднім сушінням шару теплоносієм з температурою 200-250оС. Запалювання твердого палива здійснювали теплоносієм з температурою 1150-1220оС. Спечений шар охолоджували у висхідному потоці холодного повітря.

У ході досліджень реалізовано 2 серії експериментів, що відрізняються способом уведення палива в шихту й шарову систему, витратою твердого палива, параметрами сушіння, спікання й охолодження спека. У першій серії частина палива (не більш 1%) вводили в шихту до огрудкування, у другій - усю наважку твердого палива змішували з попередньо гранульованою шихтою. Змішування обкотишів з паливом забезпечувало його функціональний розподіл у шаровій системі: на поверхні гранул - пускове паливо, у зазорі між гранулами - основне робоче, найбільш крупне паливо розташовувалося в шарі у вигляді рівноправних гранул і виконувало роль палива теплової стабілізації спека.

Новий гібридний залізорудний матеріал, отриманий у лабораторних умовах, містить по даним РДЛ фабрики огрудкування ЦГЗК 61,9% - Feзаг., 25% - FeО, 7,8% - SiО 2, 5,87% - CaО. Після тривалого зберігання міцнісні характеристики матеріалу перебували на рівні ДСТУ 3200-95: міцність на удар М+5-75,0%, міцність на стирання М-5-6,5%. Макроструктура нового гібридного залізорудного матеріалу показана на рис. 4. Спечений матеріал має блочно-коміркову структуру у вигляді просторової структури сферичних первинних часток, з'єднаних між собою в пористу композицію (друзу) прошарками розплаву.

Формування структури здійснюється в режимі припечення гранул розплавом, що утворюються в зонах їх контакту. Розплав, що утворювався в міжгранульному просторі, надалі мігрує від поверхні гранул до їхнього ядра.

Гранули в переважній більшості являють собою сферичні спекі з гематитовою оболонкою й магнетитовим ядром. Досить розвинена відкрита пористість друзоподібних макрочасток матеріалу в сукупності з мінеральною будовою гранул дозволяє очікувати інтенсивного відновлення у верхній частині печі й прихід у нижню частину шахти магнетитового матеріалу.

У результаті проведених досліджень встановлено, що найбільш прийнятним варіантом реалізації технології одержання нового гібридного окускованного залізорудного матеріалу в умовах фабрик окомкування є змішування обкотишів крупністю 5-10 мм із твердим паливом крупністю 0-10 мм, укладання суміші шаром 0,3м на колосникові ґрати випалювальної машини, сушіння шару в межах зони сушіння, запалювання твердого палива й агломераційне спікання в режимі фільтрації при розрядження 200-400 мм.вод.ст. Спечений шар охолоджується в зоні охолодження. При цьому допалюється паливо більшої крупності, здійснюється теплова стабілізація спека й фіксація його хімічного складу на стадії магнетиту. Газ, що відходить із зони охолодження, утилізується в зонах сушіння й спікання.

Надалі уточнили необхідні технологічні характеристики твердого палива. У модельних уявленнях виходили з того, що необхідна й достатня кількість твердого палива повинна бути розташована моно шаром на поверхні залізорудних гранул. У цьому випадку витрата твердого палива може бути визначена з умови рівності площ поверхні гранул і їх паливної оболонки із часток крупністю 0-1 мм, виконаного щільним укладанням. Питома маса торованого палива (кг/кг гранул) визначається як:

де ст і сгр - щільність шару палива й гранул (кг/м 3) відповідно.

Згідно з моделі при використанні гранул фракції 5-12 мм і палива фракції 0-1мм відповідно, питома поверхня шару становить 392м 2/м 3, а питома маса торованого палива - 0,042кг/кг гранул або 4,2% від маси шихти, що коригується з відомими даними HPS процесу. Таким чином розроблена модель може бути застосована при розрахунку кількості твердого палива на процес отримання гібридного залізорудного матеріалу.

На підставі проведених досліджень була розроблена й захищена патентом технологія виробництва гібридного залізорудного матеріалу для доменного переділу.

З метою отримання моделі процесу при виробництві гібридного залізорудного матеріалу для доменного переділу з більшою основністю в лабораторних умовах провели дослідження одержання гібридного залізорудного матеріалу з залізорудних шихтових матеріалів ВАТ ЦГЗК й основності 1,25. Проведені розрахунки з метою отримання найкращих показників процесу одержання гібридної залізорудної сировини, результати яких представлено на рис. 5. Для отримання гібридного залізорудного матеріалу потрібно мати зону сушки тривалістю 2,4 хвилин, зону дуття знизу протягом 4 хвилин, а вміст і крупність палива впливають на процес, як наведено на рис. 5.

абв

Рис. 5. Залежність продуктивності (а), міцності на удар (б) та міцності на стирання (в) від технологічних факторів процесу.

Найкращі показники якості гібридного залізорудного матеріалу, отримані на математичних моделях, при захисному шарі - 0мм, кількості палива 48кг/т, крупності палива - 0-6мм, час сушки - 2,4 хв., час дуття знизу 4 хв. наступні: продуктивність - 1,28 т/м 2год.; міцність на стирання - 6,3%; міцність на удар - 92,6%.

У четвертому розділі наведені результати промислового випробування, адаптації й промислової реалізації технології, відпрацьованої в лабораторних умовах.

Розроблена технологія одержання гібридного окускованого залізорудного матеріалу була реалізована в умовах фабрики огрудкування ВАТ ЦГЗК, яка не вимагала реконструкції ні технологічної лінії, ні випалювального агрегату. Промислові дослідження були проведені в три етапи: опробування, адаптація й реалізація з одержанням дослідно-промислових партій гібридного матеріалу для проплавки в доменних печах.

У період досліджень у штатних шихтових умовах фабрик огрудкування й одержання сирих обкотишів одержували гібридний залізорудний матеріал на діючій випалювальній машині ОКМ-108 методом агломераційного спікання обкотишів основністю 0,5-0,8 крупністю 5-18мм у шарі висотою 300мм із твердопаливною насадкою. У якості твердого палива застосовували коксовий дріб'язок і антрацитовий штиб різних фракцій, переважно 0-10мм. Особлива увага в період досліджень приділена формуванню твердопаливної насадки в шаровій системі з функціонально заданим розподілом часток твердого палива в її об'ємі. Застосовували способи змішування обкотишів із твердим паливом і укладання суміші на колосникове поле випалювальної машини. Остаточно прийнята система: змішувальний барабан - роликовий укладальник. Режим термообробки шару: сушіння, запалювання палива й охолодження спека висхідним потоком повітря здійснювали на діючому устаткуванні випалювальної машини.

Опробування технології показало реальну можливість промислового здійснення технології одержання продукту за структурою, складом й властивостям, аналогічним лабораторним зразкам, та підтвердили обрані значення основних технологічних параметрів процесу. Отримано гібридний залізорудний матеріал задовільної якості: міцність на удар 74,0-80,0%, на стирання 9,3-12,1% (ДСТУ 3200-95), вміст дріб'язку класу 0-5мм на рівні 7,5-8,1%. Питома витрата енергоносіїв склала: природний газ 15,0м 3/т тверде паливо 40 кг/т. Розрядження під колосниковими ґратами перебувало на рівні 150-170 мм.вод.ст.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На підставі висновків і рекомендацій попередніх досліджень були проведені промислові випробування. Випалювальну машину обладнали змішувальним барабаном. Змішування твердого палива й обкотишів відбувалося протягом 20,0-25,0с. При збереженні всіх інших технологічних параметрів у другому етапі досліджень зроблена перша промислова партія. У період досліджень як основний теплоносій використовували коксовий дріб'язок крупністю 0-10мм, крупність обкотишів склала 0-15мм. Обкотиші завантажували на випалювальну машину без відсівання сирого звороту шаром 200-300мм, сушили при температурі 400-5000С, тверде паливо запалювали теплоносієм з температурою 1150-12200С, і витрата твердого палива склала 35,0-40,0 кг/т гібридного матеріалу. Результати фізико-хімічного аналізу нового матеріалу, показали, що гібридний залізорудний матеріал являє собою спеки сферичних часток з гематитовою оболонкою й магнетитовим ядром (магнетит реліктовий вихідного концентрату) з досить розвинутою відкритою пористістю (рис. 6). Матеріал має міцність на удар 80,0-85% і стирання 6,0-12,0%, кут природного укосу гібридного матеріалу близький до агломерату і складає 34°. По відновлюванню гібридний матеріал практично не відрізняється від традиційних обкотишів. У загальній масі гібридний матеріал має підвищений, навіть у порівнянні з окисленими обкотишами, вміст Feзаг.

У третьому етапі промислових досліджень зроблена друга промислова партія гібридного огрудкованого матеріалу. Промислова партія проплавлена в доменному цеху ВАТ "ДМЗ ім. Петровського" на доменній печі № 2. Гібридний матеріал основністю 0,67 містив 59,33% Feзаг.. У дослідних плавках з гібридного огрудкованого залізорудного матеріалу виробництва ВАТ ЦГЗК було виплавлено ливарного чавуну 5234,0т і передільного 4923,0 тонн. Робота доменної печі із застосуванням у шихті гібридного залізорудного матеріалу незалежно від виду виплавлюваного чавуну відзначалась стабілізацією ходу печі й поліпшенням техніко-економічних показників плавки: витрата коксу знизилася на 4,0-4,4 кг/т чавуну, а продуктивність печі підвищилася на 1,1%.

Загальні висновки

У дисертації представлені теоретичні узагальнення та практичні рішення завдання по підвищенню ефективності процесів огрудкування шляхом дослідження, розробки та опробування гібридного огрудкованого залізорудного матеріалу, який об'єднав в собі найкращі властивості сучасних матеріалів агломерату і обкотишів.

Найважливішим науковими та практичними результатами роботи є:

1. На основі результатів аналітичних і теоретичних досліджень розроблена концепція отримання нового гібридного залізорудного матеріалу, в основу якої покладений принцип формування структури шару шихти, що спікається, за рахунок створення блоків-композитів з інгредієнтів шихти певного розміру, спікання їх по агломераційній технології при зниженому вакуумі.

2. Гібридизація процесу отримання окускованного матеріалу можлива за рахунок введення до складу шихті феритної суміші, карбонатного вапна або роздільної подачі палива при їх визначених оптимальних кількостях у вказаних технологічних прийомах, які забезпечують інтенсифікацію процесу спікання, однак не забезпечують отримання залізорудного матеріалу з блочно-комірковою структурою.

3. Досліджено властивості та визначені характеристики компонентів рудно-паливних сумішей. Показано, що комбінуючи складові мінерально-паливної композиції для заданого режиму зовнішньо-теплової обробки гранули, або режими зовнішньо теплової обробки для заданої мінерально-паливної композиції, як с паливом так і без, можливо проводити кероване рідкофазного спікання.

4. Дослідження спікання гібридного залізорудного матеріалу з твердо паливною насадкою дозволили зробити висновок про можливості самоорганізації шарової системи з функціонально розподіленим твердим паливом. Змішування обкотишів з паливом забезпечувало його функціональний розподіл в шаровій системі: на поверхні гранул - пускове паливо 0-2мм, в зазорі між гранулами - основне або робоче 2-7мм, паливо фракції 7-10мм розташовувалося в шарі у вигляді рівноправних гранул з гранулами залізорудного матеріалу і виконувало роль палива теплової стабілізації спека (термостабілізаційне паливо).

5. Досліджено та розроблено технологію отримання гібридного окускованого залізорудної матеріалу у варіанті: змішування обкотишів крупністю 5-10 мм з твердим паливом крупністю 0-10мм, укладання суміші шаром 0,3 м на колосникові грати випалювальних машин, сушка шару в межах зони сушіння, запалювання твердого палива та агломераційне спікання в режимі фільтрації при розрядження 200-400 мм.вод.ст. В зоні охолодження спечений шар охолоджується та допалається частки палива, здійснюється теплова стабілізація спека і фіксація його хімічного складу на стадії магнетиту, а газ із зони утилізується в зонах сушіння та спікання.

6. Математичне моделювання технології гібридного залізорудного матеріалу дозволило визначити оптимальні показники процесу для шихт основністю 1,25: кількості палива 48кг/т, крупності палива - 0-6мм, час сушки - 2,4 хв., час дуття знизу 4 хв., та показники якості гібридного залізорудного матеріалу: продуктивність - 1,29 т/м 2год.; міцність на стирання - 6,33%; міцність на удар - 92,61%.

7. Проведено дослідно-промислове випробування технології одержання гібридного залізорудного матеріалу в умовах діючого виробництва ВАТ ЦГЗК на діючому обладнанні та показана ефективність його роботи при реалізації розробленої технології отримання гібридного залізорудного матеріалу у вигляді спечених гранул, граничним фрагментом руйнування котрих, в процесі перевантажень і транспортування, є гранула. Мікроструктура - є подвійна структура гранул, внутрішнє ядро яких магнетит, а зовнішня оболонка - гематит. Гранули мають розвинену відкриту пористість і їх відновлення аналогічно окисленим обкотишам без їх руйнування. Характеристика: міцність на удар (+5 мм) - 85-87% і міцність на стирання 5,0-9,0%, кут природного укосу - 34о.

...