Введение к работе
Актуальность проблемы. Масштабность производства качественного металла в постперестроечный период определяет приоритетное значение процесса прямого получения железа в системе производства металла сегодня и на дальнюю перспективу. Поскольку развитие страны в последние годы характеризовалось как экстенсивное, то это коснулось как доменного производства, так и производства стали и сопровождалось увеличением числа агрегатов большой единичной мощности, интенсификацией плавки, осуществляемой за счет перерасхода топлива и кислорода. Новая концепция развития металлургии до 2005 года и на дальнейшую перспективу предусматривает сокращение выплавки стали за счет ликвидации устаревших агрегатов и повышения экономичности работы остальных печей при одновременном улучшении качеств выплавляемого продукта, повышении требований к экологии и энергосбережению.
Применительно к производству качественной стали эти задачи конкретизируются в направлении дальнейшего снижения расхода электроэнергии, применения дешевых лигатур и повышения степени извлечения легирующих элементов в стали, использования лигатур на основе первородной шихты частично или глубоко восстановленных окатышей, совершенствования методов контроля и управления работой сталеплавильных печей.
В данной работе из многоообразия задач, решение которых обеспечит претворение концепции в жизнь, рассмотрены лишь вопросы совершенствования подготовки сырья к плавке в доменных печах, в сталеплавильном переделе путем разработки, теоретического и экспериментального обоснования нового процесса металлизации, позволяющего применительно к комплексным рудам реализовать также пирометаллургическое обогащение с образованием шлаковой и металлической компактных масс в окатышах.
Технология разработана применительно к уральским комплексным рудам: железованадиевым концентратам Качканарского ГОКа, титано-магнетитовым и ильменитовым концентратам медведевско-копанской группы, бакальским сидеритам.
Как показывает отечественный и мировой опыт, резервы в области улучшения качества сырья использованы не полностью и реализация их является задачей первостепенной важности, поскольку более половины топлива, используемого черной металлургией, теряется на плавку побочных компонентов шихты и производство лигатур. В связи с этим следует
отметить, что большая часть пути эволюционного развития доменного и сталеплавильного процессов уже пройдена, поэтому возрастают трудности его дальнейшего совершенствования, что присуще всем сложным техническим системам. Дальнейшее совершенствование технологии, снижение расхода топлива и повышение производительности возможно только при всестороннем и глубоком исследовании как процесса подготовки сырья, годного для современных условий плавки, так и процесса переработки этого сырья либо в существующих, либо во вновь создаваемых агрегатах. Поэтому создание установки принципиально нового типа для получения металлизовашюго сырья, как и развитие теории тспло-массообмсна для описания протекающих в ней физико-химических процессов, являются актуальными.
Таким образом сформулирована цель работы:
исследование закономерностей металлизации и пирометаллургиче-ского обогащения комплексных руд и разработка агрегата нового типа, сочетающего технологические и теплоэнергетические преимущества колосниковых конвейерных машин и шахтных печей.
Это требует решения следующих задач:
изучения влияния теплового режима нагрева и охлаждения окатышей на физико-химические процессы, происходящие в его минеральной системе и капиллярно-пористой структуре;
теоретического обоснования закономерностей, раскрывающих взаимодействие жидких расплавов с поровой структурой железорудных окатышей;
разработки методов расчетного и экспериментального определения критериев, количественно отображающих связь теплового режима с требуемым качеством окатышей;
разработки новых технических решений, позволяющих осуществить процесс производства металлизованных окатышей при теплотехнических режимах, обеспечивающих максимальную интенсивность процессов и высокое качество готового продукта;
- разработки конструкции принципиально нового технологического
агрегата шахтно-колосникового типа, обеспечивающего технологический
процесс при минимальных энергозатратах и выбросах вредных веществ в
окружающую среду.
Научная новизна. Впервые поставлена и решена важная научно-техническая проблема металлизации и пирометаллургического обогаще-
ния окатышей из комплексных железных руд. Решен комплекс задач, каждая из которых обладает новизной:
- разработан подход к определению закономерностей миграции рас
плава в многокомпонентных системах, претерпевающих ряд фазовых пе
реходов;
предложена модель формирования структуры окатыша при его высокотемпературной металлизации, которая позволяет прогнозировать характер распределения металлической фазы в окатыше п зависимости от его состава и условий протекания процесса;
- впервые сформулированы методы расчетного и экспериментального
определения критериев, количественно отображающих связь режима тер
мообработки с требуемым качеством окатышей;
решена задача тепломассообмена в слое окатышей при их металлизации в условиях изменения теплофизнческих свойств ряда компонентов шихты. Проанализированы закономерности газодинамических свойств слоя переменной в процессе металлизации структуры;
- разработана математическая модель прогнозирования степени вос
становления и качества окатыша, теплового состояния зон нового агрега
та для получения восстановленного сырья.
Практическая ценность исследования связана с разработкой и опробованием в опытных и промышленных условиях методов получения ме-таллизованного сырья из комплексных руд. Это иллюстрируется следующим:
- установлены оптимальные условия термообработки при металлиза
ции железорудных окатышей на основе комплекса экспериментальных
исследований как единичного окатыша, так и слоевого процесса;
изучены взаимодействия образующихся расплавов с пористой структурой окатыша и определены закономерности миграции жидких масс различного состава;
определены режимы, при которых внутри окатышей происходит разделение металлического расплава и пустой породы;
- разработаны инженерные методы расчета массообменных процессов,
происходящих в окатышах;
учтены теплофизические характеристики минеральной матрицы, в частности, ее теплопроводность, что позволило произвести обобщения о возможности разделения металла и пустой породы по рудным группам;
- произведена классификация рудных материалов для производства ме-
таллизованных окатышей по тегшофизическим характеристикам мине-
ралыюй матрицьі, а также определены критерии оценки газообразных видов топлив, используемых при металлизации окатышей;
- разработана тепловая схема принципиально нового агрегата, в кото
ром процесс металлизации осуществляется в дискретных слоях окатышей,
движущихся ступенчато-поступательно навстречу газу-восстаповктелю. В
ней предусмотрена зона высоких - (до 140О-15О0иС), температур для коа
гуляции (коалесценции) металла.
Реализация результатов работы. Результаты экспериментальных и теоретических исследований явились фундаментальной основой для технических решений, технологии металлизации и пирометаллургического обогащения различных по своим свойствам руд путем применения для этих целей принципиально новой конструкции устройства, основанного на дискретно-противоточной схеме теплообмена, позволяющей в одном агрегате объединить преимущества шахтных печей и колосниковых машин.
Разработан до рабочих чертежей шахтно-колосниковый модуль, который наиболее экономично с минимальным количеством вредных выбросов в атмосферу способен обеспечить металлизацию и обогащение различных типов комплексных руд;
Разработан рабочий проект промышленного агрегата производительностью 40-60 тыс.т в год металлизованного продукта.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 11 международных и российских конференциях, совещаниях и семинарах. Основное содержание диссертации опубликовано в периодической печати и нашло свое отражение в 6 авторских свидетельствах на изобретения и 37 печатных научных трудах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 195 наименований. Работа изложена на 389 с. машинописного текста, включая 104 рисунков и 73 таблицы.