Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние бескоксовых способов плавки железосодержащего сырья 12
1.1. Процессы с предварительным восстановлением железа в твердой фазе и довосстановлением в жидкой фазе 13
1.2. Процессы преимущественно жидкофазного восстановления железа 21
1.3. Процессы полностью жидкофазного восстановления железа 29
2. Создание и совершенствование опытной установки, разработка и освоение технологии процесса РОМЕЛТ 43
2.1. Конструкция и основные параметры печи и опытной установки 45
2.2.Освоение и совершенствование процесса РОМЕЛТ 65
2.2.1. Основные этапы освоения технологии 66
2.2.2. Технология разогрева и запуска печи 70
2.2.3. Дутьевой режим печи РОМЕЛТ 75
2.2.4. Выпуск продуктов плавки 77
2.3. Совершенствование конструкции установки РОМЕЛТ 79
2.3.1. Система подачи шихтовых материалов 79
2.3.2. Газоотводящий тракт 80
2.3.3. Система охлаждения 81
2.3.4. Система подачи энергоносителей 83
2.3.5. Совершенствование печи РОМЕЛТ 85
3. Шлаковый режим: роль и свойства шлака, структура шлаковой ванны 100
3.1. Роль шлаковой ванны 100
3.2. Физические свойства шлаков и особенности шлакового режима 101
3.3. Утилизация шлаков процесса РОМЕЛТ 109
3.4. Зональная структура ванны 110
3.4.1. Экспериментальное исследование системы «шлак-уголь-металл» 110
3.4.2. Методика отбора и анализа проб шлака 111
3.4.3. Структура шлакометаллической эмульсии в печи РОМЕЛТ 118
3.4.4. Структура шлакоугольной суспензии 123
3.4.5. Математическая модель формирования фракционного состава
угля в шлаковой ванне 125
3.5. Распределение железа по высоте шлаковой ванны 139
4. Тепломассообменньее процессы в печи РОМЕЛТ 148
4.1. Перемешивание шлаковой ванны 148
4.1.1. Роль перемешивания шлаковой ванны 148
4.1.2. Теоретическое определение мощности пневматического перемешивания жидкости 149
4.1.3. Мощность перемешивания в характерных зонах шлаковой ванны 154
4.1.4. Исследование эффективности перемешивания шлаковой ванны 154
4.2. Исследование процесса плавления сырья ..161
4.3. Тепломассообмен в зоне дожигания (роль динамического гарнисажа) 170
4.4. Исследование пылеобразования в процессе РОМЕЛТ 187
5. Восстановление железа 196
5.1. Зональность физико-химических превращений 196
5.2. Основные восстанавливающие агенты 197
5.3. Оценка площадей межфазных поверхностей в шлаковой ванне 198
5.4. Допущения, принятые при кинетическом анализе восстановления 209
5.5. Оценка скорости восстановления железа из шлака с участием угольных частиц 211
5.6 Оценка скорости восстановления железа из шлака углеродом капель металла 216
5.7 Анализ роли основных восстановителей железа 218
6. Поведение серы и других сопутствующих элементов 223
6.1. Поведение серы 223
6.1.1. Распределение серы между фазами 223
6.1.2. Удаление серы в газовую фазу 227
6.1.3. Механизм сульфидирования металла 234
6.1.4 Механизм десульфурации металла 237
6.2. Динамическая модель распределения серы между фазами 238
6.3. Поведение других сопутствующих элементов 246
6.3.1. Кремний и марганец 246
6.3.2. Фосфор 254
6.3.3. Поведение хрома, ванадия, титана 256
7. Методика зонального расчета материального и теплового баланса плавки и исследование влияния технологических параметров на показатели процесса 276
8. Статистическое и динамическое моделирование процесса РОМЕЛТ 289
8.1. Статистическая модель процесса 289
8.2. Динамическая математическая модель процесса 296
8.2.1. Структурный синтез модели 296
8.2.2. Общая структура процесса РОМЕЛТ 297
8.2.3. Структура обощенной математической модели 305
8.2.4. Параметрическая идентификация математической модели 305
8.2.5. Результаты идентификации 306
8.2.6. Проверка адекватности модели по равновесным режимам 307
8.2.7. Идентификация параметров по динамическим режимам 308
8.2.8. Иметационное моделирование технологического процесса и
оценка адекватности модели по данным работы опытной установки 309
9. Контроль и управление процессом плавки 312
Заключение 332
Литература 337
Приложение 349
- Процессы преимущественно жидкофазного восстановления железа
- Структура шлакометаллической эмульсии в печи РОМЕЛТ
- Теоретическое определение мощности пневматического перемешивания жидкости
- Оценка скорости восстановления железа из шлака с участием угольных частиц
Введение к работе
Актуальность работы. На протяжении нескольких десятилетий металлурги промьппленно развитых стран параллельно с совершенствованием доменной плавки ведут работы по созданию новых бескоксовых процессов переработки железорудного сырья. Актуальность этих работ обусловлена сокращением запасов коксующихся углей, целесообразностью перехода на более дешевые энергоресурсы, экологической опасностью агломерационного и коксохимического производств, высокими капитальными затратами на их реновацию, стремлением вовлечь в переработку новые виды железосодержащего сырья и отходов, доменный передел которых нецелесообразен.
Интерес к новым процессам связан также с возможностью создания на их основе маломасштабного производства при ограниченности инвестиционных ресурсов и потребности в металлопрокате в конкретных регионах.
Разрабатываемые процессы часто называют «альтернативными», хотя на ближайшую перспективу они должны рассматриваться как дополняющие традиционную аглококсодоменную схему
Процессы прямого получения железа, продуктом которых является твердое губчатое железо, получили ограниченное распространение в основном из-за высокой стоимости природного газа и применения для выплавки стали электросталеплавильного передела.
Разработка класса плавильно-восстановительных технологий, соединяющих хорошо освоенное твердофазное восстановление с плавлением губчатого железа при одновременной газификации угля, явилась новым этапом создания бескоксовой металлургии. Один из этих процессов - COREX - уже освоен в промышленном масштабе. Однако широкое внедрение процессов данного класса сдерживается из-за их сложности, использования богатого железорудного сырья, а в некоторых случаях неполного исключения кокса.
Альтернативным направлением являются процессы полностью жидкофазного восстановления железа, которые позволяют преодолеть трудности, обусловленные стадией предварительного восстановления. Попытки создания таких процессов делались металлургами неоднократно (Dored, Eketorp-Vallak, процесс Ремина). Пред ложенный профессорами МИСиС В.А. Роменцом и А.В. Ванюковым процесс жид-кофазного восстановления, получивший впоследствии название РОМЕЛТ, открыл новую страницу в бескоксовой металлургии. Процесс организован на новых принципах, не применявшихся ранее в черной металлургии.
С учетом перспектив, открываемых новым процессом, Советом Министров СССР было принято постановление N1579-P от 7.07.1980, предусматривавшие создание пилотной установки и проведение на ней всесторонних исследований процесса для определения его возможностей и подготовки промышленного внедрения.
В этой связи целью настоящей работы являлось создание теоретических и технологических основ плавки, совершенствование технологии и конструкции печи РОМЕЛТ на базе прямых экспериментов на пилотной установке промышленного масштаба, а также теоретических и лабораторных исследований физико-химических и тепло физических процессов и свойств материалов.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
- проведен детальный анализ существующих способов внедоменного получения чугуна и развита концепция одностадийной восстановительной плавки железорудного сырья;
- создана пилотная установка и проведены опытно-промышленные испытания, в ходе которых разработана и освоена технология и доработана конструкция установки до уровня помышленного использования.
- изучены термодинамические и кинетические особенности тепломассобменных процессов, протекающих в металлической, шлаковой и газовой фазах при плавке железорудного сырья в агрегате РОМЕЛТ;
- разработаны методы расчета и модели процесса;
- разработаны способы контроля и управления плавкой.
Научная новизна работы заключается в разработке теоретических основ процесса жидкофазного восстановления железа РОМЕЛТ. Наиболее существенные научные результаты:
- обоснована концепция одностадийного процесса жидкофазного восстановления железа;
- получены новые сведения о фазовом составе, комплексе физических и физико-химических свойств (вязкость, теплопроводность, электропроводность, плотность и
т. д.) шлаковых расплавов жидкофазного восстановления. Определен рабочий диапазон вязкости и интервал кристаллизации шлаков;
- экспериментально установлены механизмы и кинетические характеристики плавления руды и металлизованных окатышей в барботируемом кислородсодержащим дутьем шлаке; с использованием адаптированной по экспериментальным данным модели плавления и погружения сырья определены требования к фракционному составу руды;
- впервые получены данные о структуре ванны, зональном строении и характеристиках шлакоугольной суспензии и шлакометаллической эмульсии;
- разработана модель формирования фракционного состава угля, замешанного в шлаке; определены характерные времена существования в шлаке угольных частиц разных фракций и скорости их реагирования со средой;
- установлено, что окисленность шлака в реакционной зоне выше, чем в доменной печи; соотношение Fe2+/Fe3+ составляет 0,75-0,95 при плавке руды и около 1,0 при плавке конвертерного шлама;
- предложена зональная схема протекания физико-химических превращений в рабочем пространстве печи;
- оценена роль основных восстанавливающих агентов в процессе плавки; показано, что до 90% железа восстанавливается с участием угольных частиц, причем около 60% от общей производительности обеспечивается восстановлением в поверхностном слое ванны;
- разработана методика зонального расчета материального и теплового балансов плавки и статическая модель для расчета параметров плавки; определено влияние параметров процесса и свойств сырья на показатели плавки;
- разработаны комплексная (четырехзонная) динамическая и статистическая модели процесса;
- экспериментально обнаружен и теоретически обоснован режим блокировки поверхности ванны углем; определено допустимое содержание угля; даны рекомендации по выводу печи из этого режима на нормальный ход процесса;
- установлены особенности и механизм распределения серы между шлаком, металлом и газопылевой фазой; дано математическое описание поведения серы в процессе жидкофазного восстановления железорудного сырья;
- впервые показаны наличие и роль динамического гарнисажа в виде пленки жидкого шлака; разработана методика и получены характеристики тепломассообмена между ванной и зоной дожигания при образовании на стенах печи динамического гарнисажа.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Введена в эксплуатацию и доведена до уровня промышленного использования пилотная печь РОМЕЛТ промышленного масштаба объемом 140 м3 на которой в ходе опытных кампаний переработано около 80000 т железосодержащего сырья и отходов.
По результатам опытно-промышленных плавок усовершенствованы элементы конструкции печи и вспомогательные системы установки: кессоны, футеровка, отстойники чугуна и шлака, летки, фурмы, системы очистки газов и улавливания пыли, подачи шихтовых материалов.
Обобщение накопленных данных позволило разработать основы конструирования и проектирования печей РОМЕЛТ.
Техническая новизна и оригинальность выполненных разработок подтверждена патентами и авторскими свидетельствами, отмечена медалями Международных салонов изобретений в Женеве и Брюсселе.
Проданы лицензии на способ плавки и печь в Японию, США и Индию.
Показана эффективность получения в промышленных масштабах углеродистого полупродукта методом жидкофазного восстановления РОМЕЛТ с использованием энергетических углей.
Полученные результаты использованы при разработке технических проектов промышленных установок РОМЕЛТ для утилизации железосодержащих отходов КМК (200 тыс. чугуна в год), НЛМК (340 тыс. т чугуна в год) и для переработки хвостов обогащения железных руд (300 тыс. т чугуна в год) фирмы NMDC (Индия).
Автор защищает: концепцию одностадийного процесса жидкофазного восстановления железа, конструктивные и технологические решения по процессу и печи РОМЕЛТ, способы ведения плавки различных железосодержащих материалов, методы контроля и управления процессом.
Методики и результаты:
- экспериментальное исследование свойств шлаковых расплавов,
- теоретические и экспериментальные исследования механизмов и кинетические характеристики плавления материалов в шлаковой ванне,
- кинетический анализ вкладов основных восстановительных агентов в интегральную скорость образования железоуглеродистого расплава,
- экспериментальное исследование структуры ванны, зонального строения и параметров системы «шлак-металл-уголь» в печи РОМЕЛТ,
- изучение массообмена и энергетики перемешивания ванны,
- теоретическое обоснование роли динамического гарнисажа,
- определение критерия возникновения режима блокировки ванны углем,
- экспериментальное исследование особенностей и механизма распределения серы между фазами,
- теоретическая оценка содержания и фракционного состава угля в шлаковой ванне,
- расчет характерных времен существования в шлаке угольных частиц и скоростей их реагирования,
- экспериментальное исследование процесса пылеобразования Методы расчета, модели, программные комплексы:
- зонального расчета материального и теплового баланса (балансовая модель плавки),
- расчет характеристик теплообмена между зоной дожигания и динамическим гарнисажем,
- расчет плавления частиц сырья в шлаковом расплаве,
- статистическая модель процесса на основе метода группового учета аргументов,
- комплексная четырехзонная динамическая модель.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечена в первую очередь тем, что основные данные получены при проведении полномасштабных экспериментов на опытной установке промышленного масштаба, а также использованием современных методик постановки и проведения экспериментов, обработки результатов, методов физического и химического анализа, методов математического и компьютерного моделирования, согласованностью теоретических выводов с экспериментальными данными.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в разработке инженерных решений опытной установки, авторском надзоре за строительством и монтажом, разработке технических инструкций и технологических регламентов, подготовке и проведении опытных кампаний на установке в качестве заместителя руководителя Комплексного научно-исследовательского коллектива МИСиС. Автор возглавлял научно-исследовательскую группу, выполнявшую теоретические и экспериментальные исследования процесса, принимал личное участие в постановке и проведении лабораторных экспериментов, теоретических исследований, разработке методов расчета и моделей.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на IV Всесоюзной конференции по тепло- и массообменным процессам в ваннах сталеплавильных агрегатов (Жданов, 1986), IV Всесоюзной научно-технической конференции «Физико-химия процессов восстановления металлов» (Днепропетровск, 1988 г.), V Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов «Пути повышения эффективности использования углей, процессов и подуктов их переработки» (Свердловск, 1988), Всесоюзном научно-техническом совещании «Интенсификация тепловых, массообменных и физико-химических процессов в металлургических агрегатах» (Свердловск, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции «Непрерывные металлургические процессы «руда, лом - металлопрокат» (Свердловск, 1989), VI Рижской конференции по теплоэнергетике «Повышение эффективности использования топлива в народном хозяйстве» (Рига, 1990), Совместном заседании секций сталеплавильного производства и качественных сталей НТС Минмета СССР (Москва 1989), Национальной научно-технической конференции с международным участием «Новые и усовершенствованные технологии для окускования сырья и производства чугуна и ферросплавов» (Болгария, Варна, 1990), Заседании НТС ГКНТ СССР «Новые процессы в черной металлургии» (Москва 1989), II Европейском симпозиуме "Восток-Запад" по материалам и процессам (Финляндия, Хельсинки, 1991), Международной конференции "Черная металлургия России и СНГ в XXI веке» (Москва, 1994), II и III Конгрессах сталеплавильщиков (Липецк, 1994, Москва, 1995), I Балканской конференции по металлургии «Развитие металлургии на Балканах в начале 21 века» (Болгария, Варна, 1996), Международном конгрессе «Экологические проблемы больших городов: инженерные решения» (Москва, 1996), Международном чале 21 века» (Болгария, Варна, 1996), Международном конгрессе «Экологическиепроблемы больших городов: инженерные решения» (Москва, 1996), Международном симпозиуме по технологии РОМЕЛТ - "ROMELT-97", (Индия, Нью Дели, 1997), III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" (Санкт-Петербург, 1998) V Международном конгрессе доменщиков «Производство чугуна на рубеже столетий» (Днепропетровск - Кривой Рог, 1999), Всероссийской научно-практической конференции "Металлургия на пороге XXI века - достижения и прогнозы" (Новокузнецк, 2000).
Публикации
По теме диссертации опубликовано более 70 научных работ. По результатам работы в соавторстве получено более 40 авторских свидетельств СССР и Российской Федерации на изобретения и патенты, а также 13 зарубежных патентов.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из 9 разделов, заключения, списка литературы (150 наименований) и приложения; изложена на 279 стр. печатного текста, содержит 99 рис. и 50 таблиц.
Процессы преимущественно жидкофазного восстановления железа
Процессы второго направления - с преимущественно жидкофазным восстановлением - появились в результате попыток лучше сбалансировать энерго-химическую работу двух стадий. Такая балансировка заключается в том, что степень предварительного восстановления уменьшают. Это позволяет снизить восстановительный потенциал конечного газа и за счет этого уменьшить количество вторичных энергоресурсов и расход топлива. При этом большая доля восстановительной работы переносится в плавильно - восстановительный реактор.
В современных технологиях этого направления (DIOS, AISI, CCF) незначительное, не более 30%, твердофазное восстановление (иногда с расплавлением - процесс CCF), железосодержащей шихты выделено в отдельную стадию и производится в специальном агрегате. Окончательное восстановление оксидов железа осуществляется в плавильно-восстановительных реакторах - печах жидкофазного восстановления. Восстановление оксидов железа из шлака осуществляется углем и углеродом образующегося чугуна. Как правило процессы преимущественно жидкофазного восстановления железа (кроме первого варианта процесса AISI на окатышах [13]) используют неокускованное, но подготовленное, железосодержащее сырье.
Для обеспечения теплом шлаковой ванны, в которой происходит довосстанов-ление, необходимо частично дожигать газ над ней или в ее объеме. Дожигание газа в плавильно-восстановительном реакторе - характерная черта процессов преимущественно или полностью жидкофазного восстановления железа. Степень дожигания характеризуется отношением (С02+Н20)/(С02+Н20+СО+Н2). Для предварительного восстановления используют отходящий из печи жидкофазного восстановления газ, который имеет более низкий восстановительный потенциал, чем газ из реактора-газификатора процесса COREX.
При работе установок данного типа должна быть решена задача уменьшения влияния на процесс колебаний производительности печи жидкофазного восстановления, чтобы не возникало рассогласования с загрузкой руды в систему подогрева и предварительного восстановления.
Практически все установки преимущественно жидкофазного восстановления работают при повышенном давлении и нуждаются в герметизации. Повышенное давление в агрегатах кипящего слоя при предварительном подогреве и восстановлении мелкого железосодержащего сырья необходимо для интенсификации процесса, а также для снижения пылевыноса. Применение газоплотного ограждения в реакторах жидкофазного восстановления в данной группе процессов можно объяснить опасениями разработчиков, что при ведении жидкофазного восстановления при атмосферном давлении с очень высокими газовыми нагрузками ванна шлака будет неуправляемо кипеть, подобно вскипанию шлака при его скачивании в мартеновской печи при отключении подачи в печь топлива и соответствующем падении давления в печи. Возможно, эти опасения обоснованны для процесса HIsmelt.
Рассмотрим более подробно процесс преимущественно жидкофазного восстановления железа DIOS, успешно прошедший испытания в близком к промышленному масштабе, а также процесс CCF, некоторые технологические и конструктивные решения которого представляют значительный методический интерес. Работы по третьему процессу этого направления (AISI) не ведутся с середины 1990"хгг.
Процесс DIOS [14 - 17] был разработан совместными усилиями японских Федерации чугуна и стали и Центра использования угля при поддержке Министерства внешней торговли и промышленности. Предварительные исследования (1988 - 1991 тт.) вели на 100-тонном опытном реакторе жидкофазного восстановления, переделанном из 170-тонного конвертера, на заводе фирмы Nippon Steel Corp. в г. Sakai. Впервые процесс DIOS был реализован на полупромышленной экспериментальной установке с номинальной мощностью 180 тыс. т. чугуна в год в 1993 г. на заводе Кэйхин японской фирмы NKK. В разное время в проекте принимали участие восемь японских сталеплавильных объединений.
Технологическая схема процесса DIOS представлена на рис. 4. Процесс DIOS трехстадийный. Он предусматривает стадию предварительного подогрева (до 600 С) смеси мелкой руды ( 8 мм) и возврата пыли в реакторе псевдоожиженного слоя (диаметр 2,7 м, высота 5 м), куда поступает очищенный в циклоне газ из агрегата предварительного восстановления. Руда из агрегата подогрева поступает в реактор (диаметр 2,7 м, высота 8 м) предварительного восстановления в псевдоожиженном слое (степень восстановления 27 - 30% при рабочей температуре -780 С). Твердофазное восстановление в этом реакторе осуществляется очищенным в циклоне газом, отходящим непосредственно из агрегата жидкофазного восстановления железа.
Отходящий из агрегата предварительного подогрева руды газ после циклона подвергается окончательной мокрой очистке и выводится из системы.
Из реактора предварительного восстановления подготовленное сырье транспортируется в реактор жидкофазного восстановления конвертерного типа. Крупнозернистая руда загружается самотеком, а пылевидная фракция, уловленная из всех агрегатов предварительной подготовки сырья, вдувается в реактор окончательного восстановления железа в токе азота. Сверху на ванну шлака подают уголь ( 30 мм) и флюс.
Реактор жидкофазного восстановления в экспериментальной установке DIOS представляет собой водоохлаждаемый (применены медные панели), футерованный в нижней части конвертер комбинированного дутья. Верхняя часть реактора (в зоне газофазных реакций) выполнена в виде водоохлаждаемой сужающейся горловины. Ресурс реактора оценивается разработчиками процесса в два месяца (очевидно, по ресурсу футеровки). Процесс ведется под давлением до 2 ати. Восстановление оксидов железа из шлака угольными частицами протекает в условиях продувки шлакового расплава кислородом через центрально расположенную погружную верхнюю фурму (максимальный расход кислорода - 20000 нм3/ч). Выделяющийся от процессов восстановления монооксид углерода дожигается кислородом непосредственно во вспененном шлаке. При этом заявлено, что до 85% тепла от дожигания воспринимается шлаковой ванной. Вдуваемый кислород также реагирует (преимущественно до СО) с кусковым углем, загружаемым на поверхность шлака и находящимся на внутренней поверхности каверны, образуемой факелом горения в шлаковой ванне. Определенное развитие получает и реакция газификации угля СОг.
Степень дожигания отходящих из ванны газов составляет 45-50%. Выше зоны факела дожигания организовано боковое вдувание пылеугля. Реформирование углем частично дожженных печных газов перед выходом из горловины конвертера приводит к снижению степени дожигания газовой смеси до 30 - 40%. При этом повышается восстановительный потенциал отходящих газов, что улучшает их использование в системе предварительного восстановления мелкого железосодержащего сырья. Температура отходящих газов при реформинге уменьшается примерно на 300 К.
Структура шлакометаллической эмульсии в печи РОМЕЛТ
В 1981-1984 гт. было осуществлено проектирование и строительство опытной установки процесса жидкофазного восстановления (ОУ ПЖВ) железа на Новолипецком металлургическом комбинате. Технологическое задание разработал Московский институт стали и сплавов, генеральным проектировщиком был Московский Гипромез, непосредственно печь проектировал институт Стальпроект. Строительство ОУ ПЖВ осуществлял Новолипецкий металлургический комбинат под авторским надзором МИСиС и проектных организаций.
При проектировании ОУ ПЖВ был использован большой опыт, накопленный в цветной металлургии при освоении и эксплуатации опытно-промышленной, а затем промышленной печи плавки в жидкой ванне на медном заводе Норильского горно-металлургического комбината. За основу была взята конструкция печи Ванюкова, снабженная дополнительным рядом фурм выше уровня расплава в печи и расширяющейся шахтой вместо вертикальной.
Несмотря на общее для процессов Ванюкова и РОМЕЛТ использование в качестве реакционной среды барботируемого шлака, эти процессы принципиально отличаются по физико-химической сути. Поэтому на основании опыта реализации процесса Ванюкова ответить на ряд вопросов по технологии и конструкции печи процесса РОМЕЛТ было невозможно. В частности, температурный уровень процесса как в ванне, так и, особенно, в зоне дожигания, должен был быть значительно выше (на 150 С и более). Физические свойства расплавов -плотность, температура плавления, вязкость низкожелезистого шлака и чугуна сильно отличаются от свойств штейна и железосиликатного шлака. Плавка Ванюкова требует создания в возможно большем объеме шлака окислительных условий для взаимодействия кислорода дутья с расплавом и перевода железа из сульфидов в оксиды. Для процесса РОМЕЛТ необходимо, чтобы окислительные зоны подачи дутья были локализованы в возможно меньшем объеме, достаточном для частичного сжигания угля, генерации необходимого количества тепла, создания динамического воздействия на расплав для перемешивания и брызгообразования при минимальном окислении железа. Остальной объем ванны должен иметь высокий восстановительный потенциал, обеспечиваемый замешиванием в шлак угля. В тот период опыта применения угля в процессе Ванюкова не было. Принципиально нозым приемом являлась также подача кислорода в надслоевое пространство печи и организация дожигания газов с максимальной передачей тепла расплаву. Надслоевое пространство при плавке Ванюкова не играет столь существенной роли для процесса и служит по существу для осаждения капельного уноса и отвода газов из ванны. Единственным опытом по этому направлению было частичное дожигание газов в кислородных конверторах.
Учет этих отличий потребовал внесения существенных изменений в конструкцию печи на этапе проектирования ОУ ПЖВ: были разработаны и впервые применены медные кессоны из плит со сверленными каналами вместо литых, которые даже в условиях более низких температур не всегда имели достаточную надежность; - печь была снабжена сплошным усиленным кожухом в целях обеспечения взрывобезопасности и предотвращения выделения оксида углерода на рабочие площадки; печь была выполнена с расширением в надслоевом пространстве до 4 м, ширина в зоне барботажных фурм также была увеличена до 2,5 м, а высота до 6,5 м для увеличения объема надслоевого пространства и тепловоспринимающей поверхности ванны; уровни выпускных отверстий были изменены с учетом плотностей расплавов и увеличения высоты слоя шлака над барботажными фурмами; была разработана новая конструкция фурм нижнего ряда, обеспечивающих большую надежность и безопасность в условиях применения технологического кислорода, фурмы оснащены сменными соплами с диаметрами 30, 45 и 60 мм для возможности оптимизации режима продувки; была разработана конструкция петлевых многосопловых фурм для дожигания, устанавливаемых в верхней части боковых стен с возможностью изменения угла наклона и глубины ввода в рабочее пространство. Следует отметить, что ряд технических решений, впервые примененных на ОУ ПЖВ в дальнейшем использовался для совершенствования плавки Ванюкова. К ним можно отнести использование в качестве дополнительного топлива угля вместо природного газа, дожигание в надслоевом пространстве элементарной серы с использованием тепла от дожигания, расширение рабочего пространства выше уровня ванны, применение кессонов новой конструкции и т.д. При разработке проекта была поставлена задача минимизировать затраты на строительство установки, решив на ней только одну задачу - демонстрацию возможности осуществления заявленного процесса. В связи с этим в качестве площадки было выбрано миксерное отделение ККЦ-2 Новолипецкого меткомбината, где имелось свободное место и фундамент для второго миксера, строительство которого было временно отложено. Такое размещение позволило использовать здание, тракт подачи сыпучих, кислородопроводы, шламопроводы, отстойники и др. коммуникации и цеховые системы в период остановки одного из конверторов на перефутеровку. В связи с этим установка могла работать короткими кампаниями, как правило, не более 5 суток, а также имела ограничения по мощности системы водяного охлаждения печи и охладителя газов, которые были выполнены в одном контуре с применением аппаратов водо-воздушного охлаждения, имевших недостаточную мощность и надежность. Схема подачи угля и отсутствие резервной линии подачи шихты от расходных бункеров к печи приводили к частым нарушениям процесса.
С 1985 г. на ОУ ПЖВ были начаты холодная и горячая обкатка оборудования и собственно проведение испытаний процесса. В пуско-наладочных работах и проведении испытаний участвовали: комплексный научно-исследовательский коллектив МИСиС, а также сотрудники ВНИИМТ (Свердловск), НПО «Энергосталь» (Харьков), ВНИИПИЧЭО (Донецк), Центрэнергочермет (Москва).
Автор диссертации являлся заместителем руководителя комплексного научно-исследовательского коллектива, участвовал в осуществлении авторского надзора за проектированием и строительством, холодных испытаниях оборудования, обучении персонала, разрабатывал технологические инструкции по эксплуатации оборудования, технике безопасности и действиям в аварийных ситуациях, готовил программы испытаний и технологические регламенты кампаний №№ 1-24 ОУ ПЖВ, непосредственно руководил проведением этих опытных кампаний и технологических исследований на установке. В качестве научного руководителя и ответственного исполнителя выполнил несколько научно-исследовательских тем. Выполнял работы по патентованию в стране и за рубежом объектов интеллектуальной собственности, созданной в процессе исследовании.
Теоретическое определение мощности пневматического перемешивания жидкости
Для промышленного варианта печи были разработаны футеровки с наклонной и ступенчатой подиной, уменьшающие массу металлической ванны в печи, которые защищены авторскими свидетельствами.
Водоохлаждаемые элементы. На первых пяти кампаниях на печи были установлены только проектные медные торцевые и стеновые кессоны, коробчатые сводовые кессоны. По ходу проведения плавки измерялись температура сливов воды из каждого холодильника и по диаграммам записи температуры воды на сливах проводили расчет тепловых потоков на стены в разных зонах.
Общие тепловые потери на этих кампаниях составляли 10-25 Гкал/ч. Однако тепловые потоки по длине и высоте печи распределяются неравномерно. Тепловые потоки через кессоны 1-го ряда обычно составляли 30-50 Мкал/час м2, а в верхней части печи (в зоне дожигания) тепловой поток достигал 200-250 Мкал/час м2. Наибольшие тепловые потоки наблюдались на верхних холодильниках торцевых стен печи.
Анализ тепловых потерь по длине печи показал, что наиболее интенсивно процессы теплообмена протекают в печи в ее середине, где тепловые нагрузки на кессоны достигают максимальных значений. В районах крайних по длине печи кессонов теплообмен замедлен, что связано с расположением фурм нижнего ряда на печи. В связи с вышеизложенным были начаты работы по созданию кессонов для зоны дожигания, обеспечивающие уменьшение тепловых потерь.
На кампании № 6 вместо левых торцевых холодильников ЛТХ I, 2 и 3 установили стальной кессон новой конструкции предложенный специалистами НПО «Энергосталь». Кессон был изготовлен из стальных бурильных штанг квадратного сечения 140x140 мм с каналом 085 мм. Для увеличения скорости протока воды пропускное сечение уменьшили за счет установки в канале трубы 057x3,5. Бурильные штанги устанавливались на ребро и соединялись друг с другом косынками из стального листа. В узлах, образованных внешними гранями штанг, устанавливались тонкостенные стальные трубы для удержания огнеупорной набивки из корундовой массы, наносимой на огневую поверхность кессона. Опробование показало, что тепловые нагрузки на опытньй кессон ниже, чем на кессон из медных глиссажных труб, особенно, в начальный период плавки, когда они составляли 170-190 Мкал/час м вместо 310-350 Мкал/час м на медных глиссажных трубах.
На кампаниях № 7, 8 и 9 продолжили испытания новых кессонов, установленных на обоих торцах печи по четыре опытных холодильника. Испытания новых холодильников показали, что тепловые потери на торцах снизились на 10-15%.
Перед кампанией № 10 стеновые медные кессоны 4-го и 5-го рядов заменили кессонами из бурильных штанг. Каждый кессон состоял из двух штанг длиной 8 м, соединенных последовательно. Между штангами были установлены стальные трубы. Кессоны жестко крепились к кожуху на шпильках.
Огнеупорная набивка поверхности с кессонов достаточно быстро смывалась, так как не были решены вопросы технологии ее крепления. При этом тепловые потоки через стальные кессоны были в целом ниже и составляли в среднем 70-100 Мкал/час м вместо 90-120 Мкал/час м . Кроме того, были устранены локальные перегревы. Это позволило, в частности, достичь максимальной производительности печи на камлании N11 (производительность по металлу 18,4 т/час). Однако эксплуатационная надежность кессонов оказалась неудовлетворительной как из-за несоответствия свойств материала (бурильных штанг) условиям эксплуатации, так и вследствие неудачного конструктивного исполнения. В результате стальные кессоны были демонтированы и для продолжения испытаний вместо них были временно смонтированы первоначальные медные кессоны на период до изготовления стальных кессонов новой конструкции.
В связи с этим кампания № 16 была проведена с целью опробования длительной непрерывной работы печи. Если продолжительность обычных кампаний составляла 4-5 суток работы с расплавом, то на этой кампании была поставлена задача проработать в режиме непрерывной плавки сырья 2 недели (14 суток). Из-за использования медных кессонов производительность была ниже, чем на предыдущих кампаниях.
Была разработана новая конструкция стальных кессонов для зоны дожигания из плавниковых труб, сваренных в панели (рис. 28) аналогично поверхностям охлаждения котлов-утилизаторов. Каждый кессон состоял из двух панелей: передней (огневой) и задней. Передняя панель собрана из труб 057x5, установленных на расстоянии 96 мм между осями. Задняя панель собрана из труб 038x5. Трубы задней панели перекрывают просветы между трубами передней панели. На трубы передней панели наваривается арматура для удержания набивки. Удержание набивки должно обеспечиваться в просветах между трубками передней панели с трех сторон. Изготовление кессонов из котельных труб и подвижное соединение панелей должны были обеспечить надежность и прочность кессона. Из аналогичных панелей были изготовлены и сводовые кессоны (рис. 29).
Перед кампанией № 17 на печи были установлены новые кессоны вместо 3-5 рядов медных стеновых кессонов и вместо соответствующих им торцевых кессонов. Были заменены и сводовые кессоны. Для набивки использовали и муллито-корундовый бетон. Испытания этих кессонов на кампаниях NN17-23 показали, что тепловые потоки через них составляют в среднем 60-90 МКал/ч м .
В целом кессоны работали надежно, выдержали большое число теплосмен. Они вполне пригодны для промышленной эксплуатации с учетом дополнительного усовершенствования путем ошиповки поверхности труб передней панели для лучшего удержания огнеупорной массы.
При включении верхней части печи в систему испарительного охлаждения котла -утилизатора в качестве охлаждаемых элементов могут использоваться обычные поверхности нагрева, применяемые на котлах.
Оценка скорости восстановления железа из шлака с участием угольных частиц
Суммарная поверхность этих частиц намного превышает поверхность капель металла, выделенных из проб при их разделке. Наиболее вероятно, что эти капли переходят в шлак с поверхности угольных частиц, т. е. они изначально науглерожены и находятся в жидком состоянии. Попав в массу шлака, подобная микрокапля должна за доли секунды обезуглероживаться до такого содержания [С], когда металл переходит в твердое состояние. Поэтому, по нашему мнению, взаимодействие углерода, растворенного в каплях микровзвеси с оксидами железа шлака затруднено.
Исследование поведения примесей в каплях показало, что процессы рафинирования металла идут с заметными скоростями только в сравнительно крупных каплях, размер которых превышает внутренний масштаб турбулентности, характерный для барботируемой шлаковой ванны. Таким образом, наличие металлической взвеси в шлаке также не оказывает существенного влияния на процессы распределения примесей между металлом и шлаком (формирования конечного металла).
В предположении о неизменности содержания и распределения металлических капель по размерам внутри каждой зоны, можно оценить кажущиеся скорости оседания восстановленного металла в различных зонах шлакового расплава. Для конкретных условий при плавке шлама газоочисток конвертерного производства при скорости загрузки 16 т/час были получены следующие значения скорости и времени прохождения через шлаковый расплав потока оседающих капель металла в характерных зонах: - в поверхностном слое - 2,3 мм/с и 2,2 мин., соответственно; - - в области барботируемого шлака - 5,8 мм/с и 4,3 мин; - - в области спокойного шлака -1,7 мм/с и 6,8 мин. Реальные скорости движения металлических капель в барботируемой шлаковой ванне выше, т. к. их траектории имеют сложный, извилистый характер, и, кроме того, определенное время капли могут витать в шлаке, находясь на поверхности угольных частиц. Время прохождения каплями зоны барботируемого шлака практически равно времени их оседания в подфурменной зоне. Общее кажущееся время пребывания капель в шлаке составило около 13 мин.
Применяемый на печи РОМЕЛТ (НЛМК) сифонный выпуск шлака обеспечивает поступление его в отстойник из зоны спокойного слоя. Шлак из рабочего пространства печи движется через горизонтальный канал, а затем поднимается вверх в отстойнике. За счет достаточно большой площади сечения отстойника скорость поднятия шлака в нем составляет около 0,20 мм/с - при непрерывном выпуске шлака и около 1,8 мм/с - во время периодического выпуска. Скорость погружения капель, характерная для зоны спокойного шлака, оказывается в первом случае намного больше скорости подъема шлака в отстойнике и сопоставимой с ней во втором. Таким образом, отстойник эффективно играет роль осадителя капель. С выпускаемым шлаком теряется только металлическая микровзвесь.
На опытных плавках изучали также влияние различных факторов на структуру шлакометаллической эмульсии. Из-за значительного разброса данных при ограниченном в силу технических причин количестве опытов, приводимые ниже зависимости могут рассматриваться лишь как качественные.
Изменение режимов загрузки сырья сказывалось на структуре шлакометаллической эмульсии в зонах барботируемого шлака практически сразу. При увеличении производительности агрегата содержание металла в шлаке и площадь поверхности капель в 1 м3 шлака возрастали, а площадь капель в пересчете на 1 кг металла в шлаке имела тенденцию к снижению, что указывало на изменение фракционного состава в сторону увеличения доли крупных капель.
Зона спокойного шлака значительно более инерционна по отношению к изменению производительности. Так, непосредственно после снижения в два раза скорости загрузки руды отмечено значительное уменьшение концентрации металла в бар-ботируемой зоне. В то же время содержание металлических капель в зоне гравитационной седиментации (подфурменная зона) практически не изменилось.
При переходе от плавки окисленного сырья к плавке частично восстановленного до металлического железа (22 т/час отсева металлизованных окатышей содержащих Feo6m. - 80,5% и FeMeT. - 56,0%) зональное строение шлакометаллической эмульсии претерпело изменения. В поверхностном слое ванны заметно снизилась концентрация металлических капель (0,4 - 1,1% масс). Преобладающими стали мелкие фракции, а капель с размерами более 1,6 мм практически не было.
По-видимому, это связано с особенностями формирования капель при плавлении металлических частиц (кусочков губчатого железа). Первичные капли металла в данном случае преимущественно формируются из самих частиц сырья, основная масса которых замешивается в глубину шлакового расплава прежде, чем завершится их плавление.
При отработке технологии получения марганцовистого низкофосфористого шлака, когда в печь длительное время подавали только марганцевый агломерат (Мпобщ= 36,5 - 42,2%, Feo6[U = 2-3%) с расходом 12 т/час и Кузнецкий уголь марок ТСШ и ОС с расходом 14 т/час (в отдельные периоды подавалась небольшая добавка аглоруды), структура шлакометаллической эмульсии также изменялась (см. табл. 5). Доля крупных капель в зоне барботируемого шлака заметно снизилась. В то же время содержания металла в зоне спокойного шлака и, особенно, в поверхностном слое бар-ботируемой зоны оказались значительными, сравнимыми с содержанием капель при работе агрегата на железосодержащем сырье. Возможно, это обусловлено характерным для плавки на марганцовистый шлак сочетанием его низкой вязкости и вызванного этим перехода шлаковой ванны в режим с подавленным волно- и брызгообразо-ванием. При такой менее активной ванне увеличивается максимальный размер газовых пузырей на каплях, допускаемый степенью развития турбулентности в системе. При этом осаждение восстановленного металла в шлаковой ванне может быть значительно замедлено.
Таким образом, на формирование межфазной поверхности "металл-шлак" в печи РОМЕЛТ оказывают влияние все основные технологические факторы: производительность, состав шихты, физические свойства получаемого шлака, а также, опосредованно, режим продувки, определяющий мощность перемешивания расплава.
