Введение к работе
Концепция развития черной металлургии Украины предусматривает сокращение производства металла по сравнению с прежним уровнем при повышении его конкурентоспособности. Ее реализация требует улучшения качества чугуна и снижения расхода кокса в доменной плавке.
В 90-х годах условия работы металлургического комплекса Украины изменились. На большинстве предприятий сокращен объем вдувания природного газа в фурмы доменных печей, снижена температура дутья, растет расход кокса. Увеличение прихода серы в печь осложняет выплавку кондиционного чугуна. Актуален поиск новых эффективных путей экономии кокса. На ряде предприятий запланировано внедрение технологии вдувания пылеугольного топлива (ПУТ) в фурмы доменных печей. Прорабатывается вопрос газификации неспекающихся углей с целью получения горячего восстановительного газа (ГВГ) для вдувания в печь. Указанные проблемы характерны не только для Украины, они отвечают мировой тенденции к более широкому вовлечению неспекающихся углей в промышленное производство, выравниванию долевого участия энергоносителей в запасах и в потреблении.
Актуальность темы. Повышение конкурентоспособности продукции черной металлургии Украины требует поиска новых путей повышения качества чугуна и эффективности его производства в условиях расширения топливной базы доменной плавки. Увеличение прихода серы в печь, в нынешних условиях - с коксом, а в перспективе - в результате вдувания ПУТ, делает актуальной разработку рациональных шлаковых режимов. Эта задача затрагивает выбор состава железорудных материалов, вопросы оценки и учета их влияния на шлакообразование, формирование состава чугуна, тепловую работу печи.
С развитием технологий внепечной десульфурации чугуна растет актуальность рационального соотнесения технологических мер по борьбе с серой - в доменной печи и на установках внепечной обработки.
В перспективе, интенсивное использование заменителей кокса в доменной плавке, увеличение температуры дутья, приведут к росту рудной нагрузки на кокс, что выдвигает повышенные требования не только к качеству кокса, но и железорудных материалов. Особое значение имеют высокотемпературные характеристики сырья, определяющие газопроницаемость зоны вязкопластичного состояния.
Фундаментальными и прикладными исследованиями украинской научной школы доменщиков и научных школ других стран создана теоретическая база и найдены практические пути решения проблем улучшения качества чугуна и повышения эффективности доменной плавки.
Вместе с тем, ряд актуальных вопросов требует решения. Отсутствует оценка влияния состава и высокотемпературных свойств агломерата и окатышей на закономерности теплообмена в печи. При расчетном определении положения горизонта начала плавления не учитываются свойства железорудных материалов. Это затрудняет выбор их рационального состава для конкретных условий плавки и путей развития технологий производства окускованного сырья на предприятиях Украины.
Высокий уровень прихода серы в печь с коксом осложняет выплавку низкосернистого чугуна. Требуется оценка экономической целесообразности мер по борьбе с серой в чугуне в печи и при внепечной десульфу-рации. Представления о влиянии различных компонентов на свойства шлака! в основном базируются на экспериментальных данных. Научного объяснения требует влияние содержания оксида магния на серопоглоти-тельную способность шлака.
Состояние черной металлургии Украины будет зависеть от решения проблемы обеспечения энергоносителями. Вовлечение неспекающихся углей путем вдувания ПУТ или ГВГ в фурмы в условиях угольной базы Украины сопряжено с вопросами снижения содержания серы в чугуне. Отсутствуют опыт работы и прогнозная оценка условий выплавки низкосернистого чугуна при вдувании ПУТ из углей Донбасса в количестве более 100 кг/т чугуна. Не изучены возможности повышения эффективности использования ПУТ либо получаемого из углей восстановительного газа в доменной плавке путем управления составом и свойствами железорудных материалов.
Использование ГВГ из низкосортных твердых топлив для вдувания в фурмы расширяет топливную базу плавки, но его экономическая целесообразность зависит от эффективности преобразования углерода органической массы топлива в горючий газообразный продукт и требует поиска новых технологий газификации, в том числе с использованием вторичных тепловых ресурсов. С учетом концепции развития металлургии Украины представляет также интерес оценка возможности использования выводимых из эксплуатации доменных печей в качестве газогенераторов.
Выполнение работы связано с планами научно-исследовательских работ Государственной металлургической академии Украины (ГМетАУ), решениями координационных совещаний Министерства промышленности, программой «Розробка нових конструкційних матеріалів і технологій їх виробництва на основі енерго- і ресурсозберігаючих одностадійних процесів з використанням сировинної бази і техногенних відходів України" Министерства образования Украины (постановление №68 от 03.03.92).
В диссертации выполнены новые научно обоснованные разработки в области металлургии чугуна, обеспечивающие решение важной при-
кладной проблемы - получения чугуна заданного состава в характерных для Украины условиях расширения топливной базы доменной плавки
Цель работы: на основе экспериментального и теоретического изучения процесса шлакообразования, факторов, определяющих эффективность использования имеющихся в Украине недефицитных видов топлива найти эффективные пути технологического управления качеством чугуна, обеспечивающие возможность расширения топливной базы доменной плавки.
Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:
выявление зависимости температурных характеристик процесса усадки и плавления слоя железорудных материалов при нагреве под нагрузкой от состава шлакообразующеи части и разработка на этой основе путей управления высокотемпературными свойствами агломерата и окатышей при их производстве;
разработка метода расчетной оценки изменения параметров тепловой работы печи и расположения горизонта начала плавления по высоте столба шихты с учетом высокотемпературных свойств используемых железорудных материалов;
уточнение закономерностей распределения серы между чугуном и шлаком в условиях работы доменной печи при использовании кокса с разным содержанием серы без вдувания природного газа, а также выяснение причин и характера влияния содержания MgO на серопоглотитель-ную способность шлака различной основности;
обоснование рационального выбора технологических мер по снижению содержания серы в чугуне в доменной плавке и при внепечной обработке;
разработка путей расширения топливной базы доменной плавки на основе различных вариантов вовлечения неспекающихся углей с учетом максимальной эффективности преобразования углерода твердого топлива в горючие газы и обеспечения выплавки чугуна с низким содержанием серы.
Научная новизна полученных результатов. Соискателем лично предложены следующие новые научные решения:
получило дальнейшее развитие изучение закономерностей поведения железорудного материала в слое при плавлении под нагрузкой путем расчета и анализа температурной зависимости пластической вязкости образующейся массы;
впервые расчетно-аналитически обоснованы пределы содержания оксида магния в шлаке при различной основности, в которых он улучшает серопоглотительную способность шлака, определявшиеся ранее только экспериментально;
усовершенствован метод расчета температурных полей в столбе шихты и положения горизонта начала плавления путем учета высокотемпературных характеристик железорудных материалов и тепловых эффектов их плавления;
впервые экспериментально установлено положительное влияние совместного помола угля и флюсов на связывание сернистых соединений по сравнению с их раздельным помолом;
впервые теоретически и экспериментально обоснована целесообразность утилизации теплоты доменного шлака при аллотермической газификации твердого топлива с целью получения восстановительного газа.
Практическое значение полученных результатов:
исследования закономерностей уплотнения, формирования металлической и шлаковой фаз в слое железорудных материалов при нагреве под нагрузкой позволили разработать рекомендации по улучшению высокотемпературных характеристик агломерата и окатышей путем изменения их состава, которые могут быть использованы в условиях горно-обогатительцых комбинатов и агломерационных фабрик Украины;
разработанный метод расчета тепловых полей в столбе материалов, положения горизонта начала плавления и границы ступеней теплообмена по высоте печи может быть широко использован для инженерных расчетов; этот метод позволяет изучать закономерности доменного процесса в учебных целях и применяется в ГМетАУ при подготовке студентов по специальности 7.090401 - «Металлургия черных металлов»;
разработанные на основе выполненных экспериментальных и теоретических исследований рекомендации, касающиеся выбора шлакового режима в условиях работы на коксе из донецких углей, в том числе при внепечной десульфурации чугуна, внедрены в 1993 году в доменном цехе №1 МК «Криворожсталь» (Акт от 29.11.95); в ходе их использования в 1993-1994 гг обеспечено повышение стабильности состава чугуна по кремнию на 20%, по сере - на 30% при увеличении производительности печи на 0,3% и снижении удельного расхода кокса на 0,25%; фактический экономический эффект составил 10,8 млрд. крб. в ценах января 1995 г;
рекомендации по выбору шлакового режима в условиях вдувания ПУТ предложены МК «Криворожсталь» для внедрения в период планируемого освоения данной технологии, ожидаемый экономический эффект от их использования - 21,9 млрд крб в ценах января 1995 г (Акт от 29.11.95);
предложения по газификации низкосортных твердых топлив Украины с использованием тепла доменного шлака разработаны на уровне исходных данных на проектирование опытной установки.
Личный вклад соискателя. В диссертации обобщены результа-
ты, полученные автором в ходе проведения научно-исследовательски* работ, выполненных в ГМетАУ под его руководством или при его непосредственном участии. В проведении промышленных и лабораторны> экспериментов, внедрении результатов работы автору помогали сотрудники ГМетАУ, Института черной металлургии НАН Украины им.З.И.Некрасова, Украинского государственного научно-исследовательского углехи-мического института, металлургического комбината «Криворожсталь», металлургического завода им. Петровского. Обобщение результатов выполнено автором самостоятельно. Основные идеи работы и методики исследования принадлежат автору.
Апробация результатов диссертации. Результаты исследований, включенных в диссертацию, доложены на: Симпозиуме по кинетике, термодинамике и механизму процессов восстановления (Москва, 1986 г); Республиканской научно-практической конференции «Союз науки и практики к 100-летию Петровки» (Днепропетровск, 1987 г); Всесоюзной конференции «Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии» (Москва, 1991 г); Научно-техническом семинаре «Проблемы преобразования энергии и рационального использования органического топлива в энергетике» (Киев, 1992 г); Украинско-германском симпозиуме «Замена кокса путем вдувания угольной пыли и применения других энергоносителей в доменном процессе с учетом экологических требований» (Донецк, 1992 г); Всеукраин-ской (Днепропетровск, 1993 г) и Международной (Днепропетровск, 1995 г) научно-практических конференциях «Теория и практика решения экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности»; Международном конгрессе доменщиков «Современный опыт и перспективы доменного производства» (Новокузнецк, 1995 г); Международных научно-технических конференциях «Теория и практика производства чугуна и стали» (Липецк, 1995 г); «Теория и технология аглодоменного производства» (Днепропетровск, 1995 г); «Состояние и перспективы развития аглодоменного производства Украины» (Мариуполь, 1997 г).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 1 монографии, 1 учебном пособии, 23 статьях в научных журналах, 1 депонированной статье, 16 материалах трудов и тезисов научно-технических симпозиумов, конгрессов и конференций, 1 патенте, 1 заявке на изобретение.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех разделов и выводов, изложена на 306 страницах, включая 28 таблиц, 92 рисунка, 3 приложения и список использованных литературных источников из 304 наименований.
Автор благодарит ведущего научного сотрудника Института черной металлургии НАН Украины И.Г.Товаровского за предоставленные им ма-
териалы о показателях работы доменных цехов Украины и обсуждение ряда затронутых в диссертации вопросов. Автор искренне благодарен сотрудникам ГМетАУ проф. Л.В.Камкиной, проф. Д.А.Ковалеву, проф. В.Е.Левченко, проф. С.Т.Плискановскому и доц. В.В.Бочке за советы и замечания, высказанные ими при ознакомлении с материалами работы.