Содержание к диссертации
Введение
1. Плавка в кислородном реакторе- новый процесс прямого получения чугуна и ферросплавов 6
1.1. Существующие способы прямого получения металла. Достоинства и недостатки 6
1.2. Отличительные черты кислородного реактора. Его преимущества и ограничения 11
1.3. Моделирование металлургических процессов и агрегатов 21
1.4. Постановка задач исследования 26
2. Экспериментальное исследование процессов тепло- массообмена в кислородном реакторе 27
2.1. Экспериментальная высокотемпературная модель кислородного реактора 27
2.2. Методика проведения эксперимента 31
2.3. Результаты экспериментов и их обсуждение
2.3.1. Восстановление железных руд на коксовой насадке 33
2.3.2. Восстановление никелевых руд на коксовой насадке 41
2.3.3. Получения ферросилиция и переработка ванадийсодержащих материалов на коксовой насадке 49
3. Математическая модель кислородного реактора 58
3.1. Особенности теплообмена в кислородном реакторе 58
3.2. Зональная модель кислородного реактора 59
3.3. Теплообмен при противоточном движении потоков 63
3.4. Теплообмен в системе с излучающим газовым телом 65
3.5. Фильтрация металла и шлака через коксовую насадку 67
3.6. Расчет количества и расположения фурм 68
3.7. Уравнение теплопроводности 69
3.8. Метод конечных разностей 70 з
3.9. Методика расчета материального баланса плавки в кислородном реакторе 73
3.10. Область применения и ограничения математической и физической моделей кислородного реактора 76
4. Моделирование выплавки различных видов ферросплавов в кислородном реакторе 78
4.1. Определение оптимальной формы кислородного реактора 80
4.2. Численные эксперименты по выяснению особенностей выплавки основных ферросплавов 84
4.3. Общие закономерности 87
5. Рекомендации по конструированию кислородного реактора и ведению плавки в зависимости от вида получаемого сплава 96
5.1. Методика конструирования кислородного реактора 96
5.2. Технологические приемы старта и ведения плавки 99
Заключение 102
Список использованных источников
- Отличительные черты кислородного реактора. Его преимущества и ограничения
- Методика проведения эксперимента
- Теплообмен при противоточном движении потоков
- Численные эксперименты по выяснению особенностей выплавки основных ферросплавов
Отличительные черты кислородного реактора. Его преимущества и ограничения
В настоящее время во всем мире наряду с традиционными способами получения чугуна и ферросплавов разрабатываются и совершенствуются способы их прямого получения. Появление большого количества новых процессов обусловлено в первую очередь подорожанием всех видов энергоносителей. Большую часть таких способов представляют зарубежные. /1, 2/
Процесс «Мидрекс» и сходные с ним («Арекс», «Гхаем») основаны на авториформинге технологического газа с использованием высокотемпературного рудного слоя. Процесс HyL-З схож с процессом «Мидрекс», в нем используется комбинация установки риформинга и шахтной печи. Оба процесса достаточно хорошо отработаны, однако их недостатками являются необходимость кусковой руды или окатышей, а так же высокое энергопотребление.
Процесс «Фиор» (фирма «Fior de Venezuela»), реализован на одноименном заводе и представляет собой прямое восстановление руды мелких фракций в агрегате с псевдосжиженным слоем. Усовершенствованный вариант этого процесса- процесс «Финмет» был реализован фирмой «Voest- Alpine» в Венесуэле и Австралии. Недостатками процесса являются его сложность, высокое рабочее давление газа (1100 кПа) и необходимость частых остановок агрегата из-за забивания каналов пылевидным рудным сырьем.
Совместной разработкой фирм «Midrec direct reduction Corp.» и «Kobe steel» является процесс «Спайрекс», представляющий из себя процесс восстановления мелкой железной руды газообразным кислородом. Первая ступень процесса- реактор с циркуляционным псевдосжиженным слоем, вторая-реактор со стационарным псевдосжиженным слоем.
В процессе «Циркоред» фирмы «Lurge» в качестве восстановителя используется водород высокой степени очистки, что обеспечивает более высокую эффективность процесса. Недостатками являются дороговизна и сложность в обслуживании и управлении. В процессе «Циркофер» удалось решить ряд проблем, заменив водород восстановительным газом, получаемым в установке газификации угля кислородом. Однако, несмотря на это, процесс остался достаточно сложным.
Наряду с процессами с газообразным восстановителем широкое распространение получили процессы твердофазного восстановления оксидов железа углеродом. К таким процессам можно отнести SL/RN фирмы «Lurge» и DRC фирмы «Davy», основной частью которых является вращающаяся обжиговая печь. Преимуществом этих процессов является относительно низкая температура начала прямого восстановления- 950 С /3, 4/
Комбинированная установка с движущейся решеткой и трубчатой печью (процесс «Грейт-кар» фирмы «Svedalla ellis Chalmers») является более эффективной за счет утилизации тепла отходящего газа, используемого для спекания окатышей и выработки пара и электроэнергии. Недостатком процесса является высокий расход угля.
Другая разновидность процесса прямого восстановления реализована в процессах на базе печей с вращающимся подом./5/ В процессе «Фастмет» ("FASTMEL") /6/ используются рудоугольные окатыши, которые восстанавливаются до металлизованного продукта в печи с вращающимся подом. Процесс «комет» отличается только исходным сырьем- используются тонкие слои угля и руды мелких фракций, недостатком является сложная конструкция печи. Существенными недостатками этих процессов являются низкая производительность, высокий расход угля и примеси пустой породы в готовом продукте.
Процесс «Согех» и сходные с ним процессы жидкофазного восстановления предполагают прямое превращение руды и кокса в чугун.
В процессах «Ромелт» /7, 8/, «Аусмелт», «DIOS» восстановление происходит в слое вспененного шлака. В процессе «HISMELT», опробованном в Австралии, используется плавильно- восстановительный агрегат с предварительным восстановлением в реакторе с циркулирующим псевдосжиженным слоем.
Существенными недостатками всех этих процессов являются сложность конструкции, необходимость герметизации корпусов в процессах "DIOS" и "HISMELT", высокие требования по подготовке шихтовых материалов, необходимость создания сложной инфраструктуры для утилизации больших потерь тепла.
В работе 191 предложен новый жидкофазный способ получения феррованадия из ванадиевого шлака. Процесс достаточно сложен- протекает в 3 стадии и требует такого же количества каскадно расположенных реакторов. Отсутствуют сведения об опытно- промышленной реализации и экономической эффективности процесса.
В патенте /10/ предложен способ получения жидкого металла из мелкозернистых окислов железа, включающий вдувание предварительно восстановленных восстановительным газом частиц в камеру окончательного восстановления. В этой камере окислы оседают на коксовой насадке, окончательно восстанавливаются и стекают в приемную камеру. Способ сложен для промышленной реализации, требует наличия специального преобразователя для восстановительного газа, периодической замены коксовой насадки.
На кафедре электрометаллургии стали и ферросплавов МИСиС разработан и запатентован /11/ новый способ выплавки чугуна и ферросплавов в пе 9 чи шахтного типа. В основе способа лежит полное использование теплотворного и восстановительного потенциала углерода угля и кокса при прямом карботермическом восстановлении металлов из оксидов /12, 13, 14, 15, 16, 17/. Процесс имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными и представленными выше способами производства первичного металла.
Методика проведения эксперимента
В статье /60/ исследуется влияние теплообменник процессов на нагрев и охлаждение шарообразной камеры, состоящей из трех рабочих слоев- металла кожуха, огнеупорного материала и гарнисажа, имитирующих конструкцию агрегата непрерывного получения металла.
В статье /61/ предложен метод определения температуры газа в пристеночной области шахтной печи с помощью математической модели и термопар, установленных в кладке печи.
Аналогичная модель для диагностики состояния футеровки доменной печи представлена в /62/. Предложенная математическая модель нестационарного теплообмена в футеровке доменной печи позволяет по измерениям температуры в нескольких точках по толщине прогнозировать изменения во времени тепловых нагрузок на кладку печи, степень ее износа, температуры поверхностей футеровки.
В статьях /63, 64, 65/ представлены математическая и статистическая модели для процесса жидкофазного восстановления «РОМЕЛТ».
В статье /66/ рассматривается математическая модель процесса дожигания СО в дуговой сталеплавильной печи. Исследуется влияние количества, расположения, размеров инжекторов, количества подаваемого кислорода на температурный профиль внутри ДСП.
В работе /67/ проведено теоретическое исследование процесса дожигания при использовании кислорода. Показано, что зависимость температуры газовой смеси от количества подаваемого на дожигание кислорода носит экстремальный характер. Максимум, расположенный в сверхстехиометрической области, сглажен тем в большей степени, чем выше начальная концентрация горючих компонентов в печной атмосфере. С помощью программного пакета «Phoenics» получена и апробирована математическая модель течения в радиационном инжекторе без горения при дозвуковых скоростях. Даны рекомендации по организации оп 25 тимального способа дожигания отходящих газов.
В патенте /68/ предложена конструкция кислородной фурмы для дожигания горючих газов в полости сталеплавильных агрегатов, которая может быть использована при создании промышленного кислородного реактора.
В работах /67, 69, 70/ для комплексного моделирования процессов, происходящих в металлургических агрегатах, используется программный продукт «Phoenics» британской фирмы «Concentration Heat and Momentum Ltd». Продукт предназначен для моделирования процессов, связанных с течениями жидкости, тепломассопереносом, химическими реакциями в промышленном оборудовании. Основным препятствием для его использования в моделировании кислородного реактора является высокая цена.
Динамическая модель электрической ферросплавной печи, описанная в /71/, позволяет рассчитывать температурные поля в печи в режиме реального времени. Принципы, изложенные в этой работе, могут быть использованы для разработки математической модели кислородного реактора.
В работе /72/ описывается модель тепловой работы вращающейся печи. Моделирование сложного тепломассообмена в рабочем пространстве печи основано на зональном методе расчета, исходная информация для которого поставляется расчетом турбулентного диффузного факела. Учтено сегментообразное расположение сыпучего материала в печи и ослабление лучистого переноса вследствие запыленности газового потока. Предложен метод расчета характеристик движения материалов в печи. Некоторые элементы этой модели могут быть использованы при моделировании кислородного реактора.
Таким образом, к настоящему времени достаточно хорошо изучены отдельные процессы тепломассообмена, происходящие в металлургических печах, разработаны их математические модели. Несмотря на то, что для большинства шахтных металлургических агрегатов разработаны комплексные математические модели тепломассобмена, ни одна из них не может быть применена к кислородному реактору. Существенные отличия в принципе действия кислородного реактора делают представленные модели абсолютно непригодными либо требующими существенной адаптации. В связи с этим наиболее целесообразным является создание специализированной математической модели, использующей некоторые элементы из представленных выше разработок.
Теплообмен при противоточном движении потоков
На физической модели кислородного реактора исследовали возможность получения ферроникеля из бедных окисленных никелевых руд Серовского месторождения Урала, содержащих в среднем около 1% никеля.
В данное время богатая по никелю часть этой руды перерабатывается по классической схеме цветной металлургии: восстановительно-сульфидирующая шахтная плавка на штейн с последующим конвертированием до файнштейна, окисление файнштейна до оксидной формы и восстановление в электропечи с получением марок ферроникеля с 15 % и 6 %. В процессе переработки все серосодержащие соединения окисляются, сера выбрасывается с отходящими газами в атмосферу, ухудшая экологическую обстановку вблизи никелевых заводов. На 1 т штейна расходуется 11-19 т руды и 3,6 т кокса. Извлечение никеля составляет 80%, частично извлекается железо /76/.
Попытки переработки данной никелевой руды в доменной печи приводят к расстройству хода доменного процесса, в частности, из-за высокой кратности шлака, быстро достигающей значения 3 и более при замене части обычной железорудной шихты на никелевый агломерат.
Снизить кратность шлака при переработке данного сырья можно за счёт восстановления кремния пустой породы и перевода его в металл. Высокие температуры, достигаемые в кислородном реакторе (1800 С) позволяют развить процесс восстановления кремния из пустой породы руды и уменьшить тем самым общее количество шлака.
Другим способом снижения кратности шлака является уменьшение в шихте доли бедной никелевой руды за счет её частичной замены на иной более богатый по восстановимым элементам тип руд, например, на хромовую руду. Конечным продуктом при этом будут сложные лигатуры типа хромоникелевых, пригодные для выплавки нержавеющих сталей В экспериментах на модели кислородного реактора использовали серов-скую никелевую руду следующего состава: Ni - 1 % (0,8-1,2 %), Fe общ.- 13-15%, Сг203 - 1-1.1 %; S - 0,02 %; Р205 - 0,04 %, А1203- 4-12 %, MgO - 13-14 %, Si02- 46-47 %, CaO -1 % и хромовую руду Сарановского месторождения Урала состава: Si02 - 4.9 %. CaO - 1.4 %, MgO - 16,2 %, А1203 - 15.0 %, Р205 - 18.3%, Сг203 -38,4 %; Р - 0.023 %.
В опытах варьировали температуру процесса в пределах 1550 - 1800 С и состав рудоугольных окатышей (Таблица 3). Характер плавления окатышей не отличался от плавления рудоугольных окатышей с железной рудой (см. подраздел 2.З.1.). Истечение капель расплавов из насадки равномерное.
Уменьшение диаметра кусочков кокса при стехиометричном составе шихты наблюдали только в поверхностном слое насадки независимо от соотношения никелевой и хромовой руды в окатышах (Рис. 8). Химический состав образцов металла, извлеченных из замороженной насадки и прошедших через неё и собравшихся в копильнике, практически идентичен. Подача в реактор кусочков никелевой руды вместо рудоугольных окатышей привела к значительному увеличению в шлаке копильника концентрации легковосстановимых оксидов - никеля и железа (см. Таблица 3, плавка ББ-13).
Совокупность данных фактов указывает на локализацию основной доли восстановительных процессов в поверхностном слое насадки при применении рудоугольных окатышей и для других типов руд, а не только железных.
Кратность шлака (Рис. 10) при выплавке обычного ферроникеля из окисленной никелевой руды была около 6. С повышением температуры за счёт перехода кремния в металл (Рис. 11) она снижалась до приемлемых значений равных 2-3. При этом получали комплексный ферросплав никеля с 7-11%) и 15-30%) Si, пригодный для использования в качестве раскислителя и легирующего сплава, так и в качестве восстановителя в силикотермических процессах производства ферросплавов /75, 77/. К аналогичному снижению количества шлака приводит и «разбавление» бедной по легковосстановимым оксидам никелевой руды более богатой хромовой рудой (см. Рис. 10). Кратность шлака при этом составляет величину около 2, а образующийся металл с 30% хрома и 3-4% никеля является ценной лигатурой для выплавки нержавеющих сталей.
К наибольшему снижению кратности шлака приводит совместное разбавление шихты хромовой рудой и повышение температуры процесса. За счёт одновременного перехода в сплав хрома и кремния с образованием силиконикель-хромовой лигатуры кратность шлака снижается до обычных в ферросплавных процессах значений равных единице (см. Рис. 10).
С целью повышения технико- экономических показателей процесса плавки в кислородном реакторе были проведены эксперименты по замене кокса в насадках на уголь.
Насадка, состоящая из 100 % угля сваривается и становится непроницаемой (Рис. 9). При замене до 50 % кокса на уголь проницаемость коксовой насадки снижается, но остается удовлетворительной. Состав получаемого при этом ферроникеля по основным компонентам не отличается от состава металла, полученного на коксовой насадке (см. Таблица 3 ).
Численные эксперименты по выяснению особенностей выплавки основных ферросплавов
В программном комплексе был использован метод расчета состава доменной шихты А. Н. Рамма, адаптированный к кислородному реактору проф. Е.Ф. Вегманом. /55/
Комплексный метод расчета шихты по А. Н. Рамму относится к условиям выплавки чугуна в доменных печах и, естественно, не учитывает многих особенностей кислородного реактора. Необходимо внести в этот метод ряд дополнений и изменений, сохраняя неизменными общие принципы расчета и такие фундаментальные понятия, как тепловой эквивалент компонента шихты, теплоотдача углерода, сгорающего на фурмах и участвующего в прямом и косвенном восстановлении, полезный расход теплоты и др. Вместе с тем, меняется методика расчета многих из перечисленных характеристик шихты.
Согласно /55/, при степени дожигания р суммарный тепловой эффект горения аморфного углерода угля в реакторе может быть вычислен исходя из тепловых эффектов горения углерода в СО и С02 последовательно перед двумя рядами фурм: ас = 33 911р + 10 330(1 - р) кДж/кг Сам.угля. (33) Теплоотдача углерода, участвующего в прямом восстановлении, оценивается с учетом дожигания образующегося в ходе реакции FeO + С = Fe + СО монооксида углерода перед верхним рядом фурм: ?c,= rc-w;. (34) t Т I где Vz,cz,tz- соответственно объем, теплоемкость и температура отходящих газов - продуктов прямого восстановления Теплоотдача летучих угля (qneT.y, кДж/кг угля) вычисляется как разность между теплотой горения их перед двумя рядами фурм со степенью дожигания р и энтальпией отходящих из печи продуктов горения летучих 7лет.у = лет - W !п КДЖ/КГ УГЛЯ, (35) где алет- тепловой эффект горения летучих угля при степени дожигания р, кДж/кг угля; к и И Vг ,cz,t2- соответственно объем, теплоемкость и температура продуктов горения летучих угля, м /кг угля, кДж/(м С), С Теплоотдача сгорающего на фурмах углерода оценивается авторами по результатам его горения перед двумя рядами фурм (объем газов при дожигании чистым кислородом не меняется, так как объемы СО и СОг одинаковые): 7с = с + д д - кг "С С-10 795 РК кДж/кг сф, (36) где Vd ,cd,td- соответственно объем, теплоемкость и температура продуктов горения летучих угля, м , кДж/(м С), С m m m V2 , сг , t2 - соответственно объем, теплоемкость и температура отходящих газов - продуктов горения углерода перед двумя рядами фурм; ф- влажность дутья, м Н20/м сухого дутья. Подсчет теплоотдачи органической и сульфидной серы угля qs ведется с учетом коэффициента ее перехода в газовую фазу Xs и степени дожигания до SO2 и SO3. При этом из теплоты сжигания серы as вычитается энтальпия БОгИ SO3 в отходящих газах печи: 4s = (CTs - so/so, Wr) sSy кДж/кг угля. (37) При отсутствии косвенного восстановления в печи общее тепловое уравнение плавки может быть представлено в следующем виде: СФ 7с,,, + CWc„ + 9s + Ялст.у = Go + CZC, (38) где Q0 - полезный расход теплоты, кДж/кг комп. шихты; С - расход нелетучего углерода, кг/кг комп. шихты; Zc - внешние потери теплоты, кДж/кг С. Учитывая баланс углерода в печи (Сф = С - Счуг - Cd), получаем общее выражение для вычисления теплового эквивалента компонента шихты qm кДж/кг комп. шихты: Йт =(яс - с)с + 7лет.у +?s-( 7c fcJCd +Go- 7ce[CL где є - выход чугуна из компонента шихты, кг/кг; [С] - содержание углерода в чугуне. Практически во всех случаях в кислородном реакторе идет только прямое восстановление железа в брикете углеродом угля. Внешние потери тепла оцениваются исходя из результатов проведенных опытно- промышленных плавок. Таким образом, для расчета интегральных материальных и тепловых балансов плавки чугуна и ферросплавов в кислородном реакторе (с учетом приведенных дополнений) используются следующие исходные данные: Распределение элементов между металлом, шлаком и газом. Степень прямого восстановления металла (Rd =1) Степень дожигания (р=0,9) Концентрация кислорода в дутье нижнего и верхнего ярусов фурм (wi=w2=l) Степень графитизации углерода угля (у=0) Температура дутья нижнего яруса фурм (t=25 С) Температура отходящих газов (t=1800 С) Энтальпия металла (для чугуна 1250 кДж/кг) Энтальпия шлака (1880 кДж /кг)
Коэффициенты распределение элементов между металлом, шлаком и газом и состав шлака задаются по результатам лабораторных и опытно-промышленных плавок, а также по результатам термодинамических расчетов равновесия металл-шлак по программе «Oracul» (автор А.Г. Пономаренко). Составы получаемого металла и шихтовых материалов принимаются по справочным данным, (например /53, 95, 106/).
Адекватность разработанной математической модели была проверена по результатам опытно- промышленных плавок в кислородном реакторе.. На модели рассчитывались варианты распределения температур при дискретной и непрерывной подачей шихтовых материалов и сравнивались с результатами измерения температур в опытно- промышленных плавках. (Рис. 17) Анализ приведенных результатов свидетельствует об удовлетворительном совпадении экспериментальных и расчетных данных.
Представленная математическая модель является первым шагом в моделировании кислородного реактора и исследовании его работы. При создании математической модели было сделано много допущений и предположений о характере происходящих в реакторе процессов, химических реакциях, механизмах передачи тепла. Тем не менее, модель позволяет получать качественные представления о работе кислородного реактора и может быть использована для определения его оптимальных геометрических размеров, поиска технологий выплавки ферросплавов.
