Введение к работе
Актуальность проблемы. Технический прогресс в черной металлургии Украины в настоящее время мажет быть обеспечен только путем более полного использования добываемого сырья, обеспечения глубокой его переработки и роста производства подготовленных высококачественных металлургических материалов, к которым относятся: концентраты, агломераты, брикеты, окатыши, доменный и специальные виды кокса и др.
Актуальными являются всемерная интенсификация технологических процессов и внедрение прогрессивных технологий, улучшающих качество готовой продукции. Отходы металлургического производства, такие как шлаки, пыль газоочисток и др. являются вторичным сырьем, и возврат их в технологический процесс позволяет снизить материальные и энергетические затраты на производство основного продукта и улучшить экологическую обстановку за счет уменьшения выбросов и накапливания отходов.
Физико-химическая обработка металлургических материалов заключается в нагреве, плавлении, затвердевании, химических и фазовых превращениях, для которых важными являются процессы переноса теплоты и вещества. Последние определяются теплофизи- ' ческими свойствами участвующих в процессе материалов. Таким образом, исследование.теплофизических свойств широкого спектра материалов металлургического производства является актуальным, так как знание этих свойств в ряде случаев позволяет снизить затраты теплоты и электроэнергии на производство металлургической продукции. Кроме того, теплофизические свойства материалов необходимы для расчетов и проектирования новых металлургических агрегатов и наладки работы существующего оборудования.
Исследование процессов передачи тепла обязательно связано с решением дифференциального уравнения теплопроводности, в которое входят теплофизические характеристики. В высокоинтенсивных тепловых процессах черной металлургии зависимость теплофизических свойств от температуры существенно влияет на тепловую работу металлургических агрегатов. В настоящее время при расчетах и конструировании агрегатов чаще всего используются постоянные или усредненные теплофизическио характеристики.
Настоящая работа заполняет имеющиеся пробелы в исследовании
-4--зависимостей теплофизических свойств материалов металлургического производства от температуры и других параметров.
Работа выполнялась в соответствии с приказом Минчермета СССР N 768 от 31.12.69 г. и N 402 от 03.05.79 г., в рамках задач, поставленных Всесоюзной межвузовской комплексной целевой программой "Металл", утвержденной приказом Минвуза СССР N 452 от 12.04.82 г. и Региональной комплексной целевой научно-технической программой "Сталь" (раздел 2 "Марганец"), утвержденной Президиумом АН УССР, а также в соответствии с приказом N 1 по БПО "Союэферросплав" от 04.01.87 г. и Государственной научно-технической программой ГКНТ Украины Б.3.7. "Переработка отходов промышленности металлургического и горнообогатительного производств".
Цель работы
Разработка новых высокоэффективных методов определения теплофизических характеристик материалов в зависимости от температуры и создание на их основе комплекса исследовательского оборудования с широким температурным диапазоном исследования.
Создание справочной Сазы теплофизических свойств для материалов таких металлургических переделов как коксохимическое, доменное, сталеплавильное, литейное, ферросплавное производства.
Получение принципиально новых зависимостей теплофизических свойств сложных материалов металлургического производства от состава и температуры с помощью планирования эксперимента.
Применение результатов исследования теплофизических свойств материалов к решению актуальных задач металлургического производства, направленных на борьбу с настылеобрааованием, экономию энергозатрат и увеличение выхода годного продукта.
Научная новизна
Получено новое решение обратной задачи теплопроводности.
Разработаны новые методы исследования теплофизических свойств материалов: метод оболочки, метод баланса тепла, метод регулярного режима применительно к телам произвольной формы.
На базе разработанных методов созданы установки: ОТСМ-ПФ (определение теплофизических свойств материалов произвольной формы), работающая в квагистационарном режиме и используемая для исследования образцов плоской формы; ОТСМ-РР (определение теплофизических свойств материалов в регулярном режиме), позволяющая
- 5 -определять коэффициент температуропроводности кусковых материалов произвольной формы; ОТСМ-1 (определение теплофизических свойств материалов), работающая в квазистационарном режиме и предназначенная для определения комплекса тешюфиаических характеристик дисперсных и сплошных материалов в форме цилиндра.
На.установках ОТСМ-ПФ и ОТСМ-РР впервые исследованы тепло-физические свойства доменного гарниссажа, доменного и формованного кокса в виде кусков произвольной формы.
Для дисперсного пеношамота, трехкомпонентной шихты силико-марганца и рудно-угольных смесей с полимерной добавкой впервые получены математические модели зависимости тешюфиаических свойств от состава и температуры и диаграммы "состав - теплофи-зические свойства" для различных температур в результате применения планирования эксперимента к исследованию теплофизических свойств. Эти модели и диаграммы позволяют прогнозировать тепло-физические свойства в зависимости от состава материалов и выбирать компонентный состав смеси с заданными теплофнэическими свойствами.
Впервые получены теплофизические свойства в зависимости от температуры следующих материалов металлургического производства: марганецсодержащего сырья, шихт, шлаков и специальных коксов %' ферросплавного производства, марганцевых и железорудных окатышей, различных углеродистых материалов и их смесей с другими материалами, конвертерных и синтетических шлаков, литейных смесей, известняков, извести и огнеупорных материалов в интервале температур 100. . .1100 С. Получены уравнения зависимости теплофизических свойств от температуры.
С помощью исследованных теплофизических свойств материалов решены актуальные задачи металлургического производства: получено аналитическое решение задачи плавления и образования гар-ниссажного слоя с учетом динамики распределения температуры в слое гарниссажа и зависимости теплофизических свойств гарниссажа ої температуры, позволяющие найти пути уменьшения настылеобразо-йания; найдено оптимальное сочетание теплоизолирующих материалов прибыльной надставки изложницы, позволяющие увеличить выход годного продукта.
Совокупность полученных в работе результатов, теоретические разработки и их реализация классифицируются как изложение научно обоснованных технических решений, касавшихся исследований тепло-
- в -
физических свойств материалов, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Практическая значимость и результаты реализации работы
Создан комплекс исследовательского оборудования, позволяющий получить необходимые и достоверные данные по теплофивическим свойствам различных материалов. Разработаны и усовершенствованы методики обработки данных теплофизического эксперимента.
Установка ОТСМ-1 паспортизована. Разработанная автором техническая документация на эту установку и методика обработки экспериментальных данных переданы на Павлоградский завод стеновых материалов, где установка используется с 1978 года для обеспечения контроля теплофизических свойств базальтового картона.
На кафедре промышленной теплоэнергетики Государственной металлургической академии Украины установка ОТСЫ-1 широко используется в учебном процессе. На ней выполняются лабораторные работы по дисциплине "Тепломассообмен" а также научно-исследовательские и дипломные работы студентов, связанные с изучением теплофизических свойств материалов.
На кафедре электрометаллургии построена установка ОТСМ-1, которая используется в отраслевой научно-исследовательской лаборатории электротермических процессов и установок для исследования теплофизических свойств углеродистых материалов.
Техническая документация на установку ОТСМ-1 и методика обработки экспериментальных данных для испольгования в учебном процессе переданы на кафедру металлургии черных металлов Грузинского технического университета и с научной целью - в проблемную лабораторию новых металлургических процессов Государственной металлургической академии Украины.
Теплофизические свойства сырой и обожженной гидрогематито-вой руды (железного сурика) Криворожского месторождения использованы Санкт-Петербургским НПО "Пигмент" при проектировании промышленной установки ступенчатого низкотемпературного обесхлори-вающего обжига железного сурика.
Результаты исследования теплофизических свойств материалов использованы (внедрены) в следующих переделах металлургического производства:
в коксохимическом производстве использование теплофизических свойств рудно-угольных смесей с полимерной добавкой позволило выявить, что коэффициент теплопроводности является наибо-
лее существенным свойством, влияющим на интенсивность процесса коксования и качества готового продукта, а также вибирать компонентный состав смесей, направленно влияющий на процесс спекания и качество кокса;
в доменном производстве результаты исследования теплофизи-ческих свойств конвертерных шлаков предприятий отрасли использованы Институтом черной металлургии АН Украины для выполнения проекта "Разработка технологий, обеспечивающих вовлечение отходов металлургического производства в качестве оборотного продуктам металлургию", а результаты исследования теплофизических свойств ферросплавных шлаков - для освоения в промышленных условиях технологии производства литого фракционированного щебня из отвального шлака металлического марганца с целью использования его в шихте доменных печей;
в сталеплавильном производстве результаты исследования теплофизических свойств шихтовых компонентов и шихт для выплавки синтетических шлаков использованы для расчета параметров циклона для получения синтетических шлаков в конвертерном цехе вавода им. Петровского (г. Днепропетровск), спроектированного Укргипро-мезом. На основании проведенных исследований теплофизических свойств шихтовых материалов циклонной плавки показано, что при- *' меняемая на заводе шихта не является оптимальной с точки зрения теплоемкости и может Сыть заменена низкотеплоемкой шихтой из других материалов, шлак из которой не уступает применяемому по своим рафинирующим свойствам.
Результаты исследования теплофизических свойств лигнина и теплоизолирующих смесей из материалов на основе лигнина использованы Волгоградским филиалом Государственного проектного института "Гилробиосинтеэ" при проектировании цеха по производству теплоизолирующих смесей для жидкой стали нз основе лигнина для Ивдельского и Тавдинского гидролизных заводов. Теплофизические свойства использованы для расчета параметров сушки и обжига (пиролиза) лигнина с различными минеральными наполнителями и выбора оборудования для охлаждения готового продукта.
Исследования теплофизических свойств утепляющих смесей и вкладышей, применяемых для изоляции прибыльной надставки изложницы при разливка стали, позволили выбрать для нее оптимальное сочетание теплоиволирующих материалов, обеспечивших уменьшение головкой обреэи на 1,6 X и увеличение Еыхода годного. Экономи-
- 8 -ческий эффект для условий металлургического завода им. Петровского составил 1 руб./т разливаемой стали (в ценах 1991 г.);
в литейном производстве результаты исследований теплофизи-ческих свойств щебенчатого и гранулированного отвального шлака ферромарганца Никопольского завода ферросплавов, используемого взамен известняка при выплавке высокомарганцовистой стали Г13Л в цехе N 1 Днепропетровского стрелочного завода и вальцелитейном цехе Кушвпнского завода прокатных валков, позволили установить снижение расхода тепла на нагрев шихты при соответствии химического состава металла и механической прочности требованиям ГОСТ.
Исследования теплофизических свойств мегаллонаполненных литейных смесей позволили создать новые смеси с чугунной дробью, обладающие разнообразными теплофизическими свойствами (коэффициентом теплопроводности и теплоаккумулирующей способностью), которые использованы институтом проблем технологии машиностроения (г. Краматорск) для получения плотных стальных отливок за счет их дифференциального охлаждения. Результаты исследования тепло-физических свойств литейных смесей металлокерамических форм для насосного машиностроения на основе алюминиевых порошков использованы институтом технологии насосного машиностроения (г. Казань), Казанским компрессорным и Казанским механическим заводами.
В результате исследования теплофизических свойств огнеупорных красок был определен регламентированный уровень термического сопротивления покрытия формы для отливки прокатных валков;
в ферросплавном производстве исследования теплофизических свойств шихт с различными добавками и заменами позволили найти составы шихт с низкой теплоемкостью, не прибегая к дорогому промышленному эксперименту, и возвратить ранее неиспользуемые отходы в технологический процесс, с зтой целью исследованы: шихта среднеуглеродистого ферромарганца с обжиг-гравитационным карбонатным концентратом, заменившим, дефицитный оксидный концентрат; шихты высокоуглеродистого ферромарганца с высокоофлюсованным агломератом, заменяющим традиционный агломерат и игвестняк; шихты передельного силикомарганца с дигнобрикетами, частично заменяющими кокс, и с доломитом, заменяющим известняк; шихты товарного силикомарганца с брикетами из смеси пылей сухой и шлама мокрой газоочисток электропечей, заменяющими традиционный агломерат;
- 9 -шихты малофосфористого шлака с применением отходов производства высокоглиноземистого алюминия и коксохимических рэеодое, заменяющими кварцит; шихты синтетического шлака. Применение этих шихт позволяет экономить теплоту и электроэнергию.
Исследование теплофизических свойств электродных масс и самообжигающихся электродов позволили дать рекомендации, повысившие стойкость электродов.
Исследование теплофизических свойств углеродистых футеро-вочных блоков печи РПЗ-40ЦИ1 для выплавки ферроникеля Побудского никелевого завода позволило определить причины прорыва расплавом ферроникеля футеровки печи.
Годовой экономический эффект от внедрения составил . 1297 тыс. руб. в ценах 1991 г.
Апробация работы. Результаты работы доложены на Международной, 17 Всесоюзных и 12 Республиканских конференциях и совещаниях, а также на ХХП Сибирском теплофизическом семинаре и на научных семинарах кафедр промышленной теплоэнергетики, теплотехники и экологии металлургических печей металлургической академии и секции металлургических печей НТО металлургов Украины.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 печатных работы и получено положительное решение Госкомизобретений СССР О v выдаче авторского свидетельства на изобретение. По материалам работы подготовлен и находится в печати справочник по теплофи-эическим свойствам материалов металлургического производства.
Структуры и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения, содержит: 298 с. машинописного текста, 139 рисунков, 162 таблицы, список литературы из 253 наименований, приложения.