Введение к работе
Актуальность исследования. Металлургический комплекс - базовая отрасль экономики России, однако для него, как и для других индустриальных отраслей, одной из наиболее болезненных проблем является изношенность основных производственных фондов.
НТМК является одним из лидирующих российских предприятий с полным технологическим циклом, включающим коксохимическое, доменное, сталеплавильное, прокатное производства, а также энергетический комплекс. В 2004 году было положено начало реализации комплексной программы реконструкции основных производств. Приоритетным направлением реконструкции явилось модернизация доменного производства, которое является наиболее энергозаграгным.
Сырьевой базой для выплавки чугуна в доменных печах служит Качканарское месторождение ванадийсодержащих титаномагнетитов.
Специфика ванадиевой плавки связана с наличием в шихте титана, который ограниченно растворяется в чугуне и в доменной печи образует гамму оксидов и тугоплавких соединений - нитридов и карбонитридов, что в обычных условиях приводит к повышенным потерям ванадия и металла со шлаком, нарушениям работы горна печей, осложнениям при выпуске продуктов плавки.
Повышение технико-экономических показателей выплавки ванадиевого чугуна одна из приоритетных задач развития доменного производства ОАО «НТМК». Во многом на решение данной задачи направлен характер проведенной в доменном цехе реконструкции. Инновационными разработками, осуществленными на ОАО «НТМК» и основанными на результатах научных исследований, являются: реконструкция доменных печей № 6 и № 5, оптимизация теплового состояния низа печи и загрузки шихтовых материалов, а также реконструкция системы выдачи продуктов плавки.
Проекты реконструкции доменных печей в России, как правило, были ориентированы на внедрение нового оборудования и слабо увязывались с программами направленными на совершенствование технологии выплавки чугуна. Концепция реконструкции доменных печей НТМК была сориентирована на решение задач по совершенствованию технологии переработки ванадийсодержащих титаномагнетитов.
Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований направлен на научное обоснование и реализацию мероприятий, обеспечивающих снижение материальных и энергетических затрат на выплавку чугуна.
Решение этих задач было осуществлено с участием коллективов научных и проектных организаций.
Объект исследования — технология выплавки чугуна во взаимосвязи с конструкцией печи и оборудованием цеха.
Предмет исследования - совершенствование технологии выплавки ванадиевого чугуна во взаимосвязи с задачей производства качественных изделий из стали.
Цель работы. Целью работы является научное обоснование, разработка и реализация технологических и реконструктивных мероприятий, обеспечивающих повышение производительности печей и качества выплавляемого чугуна, снижение материальных и энергетических затрат на производство чугуна, снижение нагрузки на окружающую среду и обеспечение длительной и безаварийной работы доменных печей.
Задачи исследований:
- синтез проблематики исследования и выход на пакет научных и
корпоративных прототипов;
развитие теоретических основ выплавки чугуна из ванадийсодержащихтитаномагнетитов;
выбор профиля доменной печи;
выбор конструкции системы охлаждения и материалов огнеупорной футеровки;
проведение экспериментов по изучению работы нового оборудования;
разработка мероприятий, обеспечивающих скорейшее достижение печами проектных показателей;
мониторинг работы доменных печей после реконструкции.
Научная новизна работы.
1. Развиты теоретические основы плавки ванадийсодержащих
титаномагнетитов:
установлено, что титан в доменной печи восстанавливается преимущественно с образованием карбидов, при этом доминирующим фактором является давление;
доказано, что количество восстановленного титана определяется временем пребывания расплава в зоне высоких температур;
научно обоснованы режимы плавки, при которых достигается высокопроизводительная работа доменных печей и обеспечивается выплавка чугуна с минимальным содержанием примесных элементов;
- определена рациональная конструкция доменной печи.
В результате экспериментальных исследований получены новые данные о закономерностях формирования столба шихтовых материалов.
Разработан подход к решению сложной задачи реконструкции доменных печей.
Практическая значимость работы.
Реализация комплексной программы развития ресурсо- и энергосберегающих технологий производства качественных изделий массового назначения из стали, включая решение задач охраны окружающей среды н повышения культуры производства, позволила увеличить удельную производительность доменных печей более чем до 3 тонн с кубического метра, снизить удельный расход кокса более чем па 25 кг на тонну чугуна. На реконструированных доменных печах достигается снижения примесей в чугуне, что способствует повышению качества изделий из стали. Внедрение системы аспирации позволяет улавливать и возвращать в производство более 40000 тонн пыли, содержащей 45 - 50 % железа. Реконструкция системы шихтоподачи обеспечила снижение колебаний химического состава продуктов плавки, а, следовательно, доли некондиционного чугуна более чем на 20 % (отн.). Снижение колебаний химического состава продуктов плавки позволило снизить брак изделий из стали. Рекомендации по изменению профиля и конструкции элементов печей являются общими для современных условий плавки.
Методы исследований:
математическое и физическое моделирование процессов выплавки чугуна в доменных печах ОАО «НТМК»; анализ литературных данных о современных технических и технологических решениях конструкций и оборудования доменных печей; мониторинг работы доменных печей; экспериментальное изучение закономерностей формирования столба шихтовых материалов.
Положения, выносимые на защиту:
технологические решения по выплавке низкопримесных чутунов из руд Качканарского месторождения;
профиль доменной печи и конструкция основных систем;
конструкция системы охлаждения с использованием медных холодильников.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования доложены на международных конференциях: «Творческое наследие Б.И. Китаєва» (г. Екатеринбург, 2009 г); «Повышение качества образования и научных исследований в рамках VII сатпаевских чтений» (г.Екибастуз, 2008 г); и Международном конгрессе «Доменное производство XXI век» (г. Москва, 2010 г).
Публикации
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 10 статьях и докладах, по результатам исследований получено 10 патентов.
Структура диссертационного исследования приведена на рис.1
Социальный заказ
Информация о мировом уровне
Программа 1. Проблематика доменной плавки титаномагнетитов.
Проект 11.-
латературно-аналитический обзор по направлениям исследований
Проект 1.2-
аналогии прототипы
Подгроекгы
Проект 1.3.-задачи совершенствования технологии и гипотезы об их решениях
Программа 2 Развитие теоретических основ технологии плавки ванадийсодержащих титаномагнетитов
Проект 2.1-
термо динамический анализ
восстановления титана
Проект 2 2-
анализ кинетики
восстановления
титана
Проект 2.5-
модель движения расплава в горне печи
Проект 24-
заддчи
реконструкции доменных печей
Проект 32.-
технические решения по системе загс теки
ПрсграммаЗ. Разработка инновационных решений при реконструкции доменных печей
Программа 4. БИ ОКР поддержки
Проект 4.1-
разработна мероприятий по пуску печи.
Проект 4.2-
исследшания формирования порции бесконусным загрузочным аппаратом
Проект 43-
сценга
эффективности проектных решений
Проект 4.4-
формирование типового подхода к реконструкции доменник печей
Рис. 1. Структура диссертационного исследования в программах и проектах (подпроекты: 1.2.1.-анализ прототипов; 1.2.2-прототип 0-го ранга; гипотезы о развитии: 1.3.1. прототипа 0-ого ранга; 1.3.2-первый прототип 1-ого ранга; 1.3.3- второй прототип 1-ого ранга; 1.3.4- третьийпрототипа 1-ого ранга, 1.3.5-четвертыйпрототипа 1-огоранга; 1.3.6.-пятый прототипа 1-ого ранга; 3.1.1-решения папрофилю печи; 3.1.2. -решения по огнеупорной футеровке; 3.1.3-решения по системе охлаждения)
