Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор по проблеме подбора сырье вой угольной базы для слоевого коксования 7
1.1. Подбор шихт на основе марочного состава углей и данных элементного и технического анализов 7
1.2. Петрографические методы составления коксовых шихт 14
1.3. Математические методы в подборе сырьевой базы коксования 23
2. Формирование сырьевой базы коксования на череповецком металлургическом комбинате в новых условиях хозяйствования 33
2.1. Современное состояние коксохимического производства ОАО «Северсталь» 33
2.1.1. Характеристика коксовых батарей 33
2.1.2. Структурные изменения сырьевой угольной базы 34
2.1.3. Показатели качества кокса как сырья для доменного процесса 39
2.2. Создание базы данных по углям для коксования 41
2.3. Совершенствование методик анализа показателей качества углей, угольных шихт и кокса 48
3. Установление взаимосвязей между показателями прочности и реакционной способности кокса 54
3.1. Построение теоретических зависимостей 54
3.2. Апробация зависимостей на основе промышленных экспериментов 62
3.3. Взаимосвязи между различными показателями прочности кокса 70
4. Разработка и применение компьютерного метода формирования сырьевой угольной базы в современных условиях производства металлургического кокса 72
4.1. Разработка и апробация компьютерной программы расчета прочностных характеристик кокса по данным петрографического анализа компонентов угольной шихты 72
4.2. Производственные испытания разработанной с применением компьютерного моделирования новой сырьевой базы на основе углей Кузнецкого бассейна 90
4.3. Определение пригодности зарубежных углей в качестве компонентов коксовых шихт 100
4.4. Экологические аспекты коксохимического производства 107
4.5. Экономический эффект предложенных мероприятий 108
Заключение 110
Выводы 111
Список литературы 113
Приложение 124
- Петрографические методы составления коксовых шихт
- Создание базы данных по углям для коксования
- Апробация зависимостей на основе промышленных экспериментов
- Производственные испытания разработанной с применением компьютерного моделирования новой сырьевой базы на основе углей Кузнецкого бассейна
Петрографические методы составления коксовых шихт
Наиболее перспективными при составлении коксовых шихт следует рассматривать методы, основанные на результатах петрографического изучения углей, дополненного данными по их спекаемости [3,7,15]. При этом вещественный состав органической массы - основного носителя свойств ископаемых углей - передается соотношением петрографических микрокомпонентов (ма-цералов), структурные особенности органического вещества мацералов характеризуются показателем отражения витринита, а специфика поведения угля при термическом воздействии - показателями спекаемости (толщина пластического слоя;;, индекс свободного вспучивания SI, индекс Рога&Г).
Впервые в мировой практике петрографический метод составления коксовых шихт был сформулирован в работе [52] и развит в дальнейших публикациях [53,54]. Подробное его описание содержится в монографиях [3,7], поэтому в данном обзоре приводятся лишь основные сведения об этом методе . Оценка шихт базируется на значениях коэффициента коксуемости шихты Кш и коэффициента (индекса) ее отощения Кот. Каждый из этих коэффициентов определяется на основе петрографических характеристик углей, участвующих в шихте: среднего значения показателя отражения витринита R0 (%), содержания (об. %) в чистом угле плавких компонентов ПК (они же - спекающие компоненты СК) и отощающих компонентов ОК. Для оценки степени восстановленное углей используется значение пластометрического показателя -толщины пластического слоя у (мм).
Коэффициенты отощения и коксуемости шихты являются основополагающими параметрами угольных смесей, определяющими прогнозируемую прочность кокса по его остатку при испытании в большом колосниковом барабане (рис. 1.1). Величина Кот представляет собой соотношение количества отощающих компонентов Е(Ж, присутствующих в углей (с поправкой на степень восстановленности), и их количества, необходимого для получения кокса с максимально возможной для каждого из углей прочностью. Коэффициент отощения Кот характеризует при этом сплавленность и прочность тела кокса. Второй параметр (Кш) представляет собой комплексный показатель, находящийся в прямой пропорциональной зависимости от трещиноватости и прочности кокса. Необходимость в коэффициенте коксуемости обусловлена тем, что при одинаковых значениях коэффициента отощения угли различной стадии метаморфизма характеризуются неодинаковой коксуемостью. Поэтому значения Кш позволяют учесть различия в качестве получаемого кокса из углей неодинаковой стадии метаморфизма при одних и тех же значениях коэффициента отощения.
Учет влияния степени восстановленности проводится с использованием эталонной зависимости между величиной ЪОК и толщиной пластического слоя у для углей различной степени метаморфизма (рис. 1.2).
При отклонении величины у, определяемой по рис. 1.2, более чем на ±3 мм от экспериментальной величины, для отощающих компонентов принимается значение ОК, которое соответствует фактической толщине пластического слоя.
Разработаный в Институте горючих ископаемых [52,53] петрографический метод прогноза прочности кокса был положен в основу аналогичных методик, используемых в США [55], Канаде [56], Германии и Австралии [57], Чехии [58], Японии [59,60].
В России метод Аммосова-Еремина получил наиболее широкое применение в работах И.М. Глущенко [61,62], А.С. Станкевича и соавторов [63-71]. В работах этих исследователей в качестве основополагающих приняты исходные положения петрографического метода об определяющем влиянии на прочность металлургического кокса стадии метаморфизма углей (по показателю отражения витринита R0), мацерального состава (содержания спекающих СК и отощающих ОК компонентов) и степени восстановленности (по отклонению величины пластического слоя от эталонного значения). При этом И.М. Глущенко представляет прочность кокса эмпирическими уравнениями регрессии, передающими значения различных индексов прочности в зависимости от петрографических параметров шихты, определяемых аддитивно по параметрам углей с учетом предполагаемого компонентного состава шихты. Например, для истираемости кокса на основе карагандинских углей в [62] получено: М10 = 274,09 + 0,9984(2 Ж) - 60,069ДЯ + 0,0043(ZOK)2 -0,l24Ra(ZOK) + 3,4lRa2, (1.7). где Ra - показатель отражения в среде воздуха.
В работах А.С. Станкевича используется аналогичное (1.7) представление индексов прочности, но с несколько иным набором петрографических показателей, дополняемых химико-технологическими параметрами (зольность, влажность, окисленность, продолжительность коксования). В [63] индекс отощения шихты определяется так же по формуле (1.6) с учетом (1.5), но зависимость параметра а от степени метаморфизма углей предполагается несколько иной, как это следует из рис. 1.3, построенного для случая угля нормальной степени восстановленности. Последняя согласно [63] передается значением коэффициента восстановленности Кв, равного отношению толщины пластического слоя спекающих компонентов
Различие углей в шихте по степени метаморфизма оценивается дисперсией a R (или среднеквадратическим отклонением oR) показателя отражения витринита, а различие по мацеральному составу - аналогичными параметрами (а ск, ск) Для спекающих компонентов. С использованием указанных параметров и зольности шихты Ad в [63] получен набор регрессий для описания различных характеристик прочности кокса, получаемого в полупромышленных условиях. ). Предполагают, что для эталонного угля при R0 — 1,0-1,1% и Кв = 1 отношение количества спекающих компонентов к отощающим должно составлять 1,5 (т.е. СК = 60, ОК = 40%). Поэтому значение коэффициента Кэ указывает на ту или иную потерю спекаемости относительно эталонного угля. Значения Кэ в зависимости от параметров R0 и Кв, а также значения уэ, необходимые для определения Кв по (1.9), приводятся авторами [64,66] в табличном виде для двух вариантов задания мацерального состава спекающих компонентов (без учета, либо с учетом семивитринита). В табл. 1.2 приводится выборка соответствующих данных при Кв = 1 и варьировании показателя отражения витринита. В дальнейшем табличные данные авторами [71] были преобразованы в полиномиальные зависимости, вид которых вследствие сложности и громоздкости авторами не приведен.
Поскольку уравнения регрессии получают при обработке данных полупромышленных коксований (с загрузкой шихты около 200 кг), для перехода к промышленным условиям требуется внесение поправок в результаты расчета [65-68]. Так, при коксовани одной из шихт АО «Алтай-Кокс» получен кокс с показателями М25 = 82,1; Мю — 9,2%, а расчет по уравнениям статьи [68] давал значения М25 = 84,5; Мю = 11,1%. Для другой шихты при расчетных данных М25 = 85,3; М10 10,5% кокс характеризовался показателями М25 = 83,1; Мю = 9,2%. Таким образом, по расчетным значениям M2s качество кокса завышалось, а по Мю - занижалось в сравнении с фактическими данными комбината.
Оказалось также, что для разных коксохимических производств уравнения регрессии типа (1.13) отличаются как общим числом членов разложения, так и численными значениями коэффициентов (табл. 1.3). Наряду с рассмотренными выше параметрами, в уравнениях учитывается показатель окислен-ности шихты П0 и период коксования г.
Таким образом, предложенные в [63-71] уравнения для прогноза качества кокса конкретных предприятий приходится каждый раз выводить заново, либо модифицировать. По существу описанную методику следует отнести к одному из рассматриваемых ниже математических способов оценки прочностных характеристик кокса, использующих петрографические показатели углей и шихт. Аналогичный подход, например, применен ранее для расчета дробимости кокса Новолипецкого металлургического комбината [72].
При использовании петрографических методов в коксохимии особое внимание уделяется рефлектограммному анализу, поскольку информация о распределении основной группы мацералов - витринита - необходима как для определения спекающей и коксующей способности угольных компонентов коксовой шихты, так и для контроля марочного состава угольного сырья для коксования [13,67,73-76].
Создание базы данных по углям для коксования
Основу компьютерной базы данных, разработанной в диссертации, составили приведенные в [22] результаты петрографического анализа пластовых проб углей различных марок, отобранных на шахтах (разрезах) Печорского и Кузнецкого бассейнов, а также на ряде разведанных участков. Основное внимание уделено маркам углей, используемых на ЧерМК, а также иным маркам, предназначаемым по ГОСТ 25543-88 для слоевого коксования [7,22]: КЖ, К, Ж, ГЖ, ОС, ГЖО, Г, КС, КСН, ДГ, ТС,СС. Как указывалось выше, поставляемое угольное сырье нередко представляет собою смеси, содержащие наряду с коксующимися углями и угли энергетических марок. Поэтому в базу была включена также информация по углям марок Д и Т. Общее число проб углей составило 863, в том числе 112 по Печорскому и 751 по Кузнецкому бассейнам. Интервальные характеристики марок углей созданной базы данных приведены в табл. 2.4, 2.5. Марки расположены по убыванию спекающей способности углей (среднего значения толщины пластического слоя j).
Сведения о петрографическом составе углей были дополнены в базе данных оценочными значениями показателей элементного состава, для которых справедлив принцип аддитивности [111]: эм = 3LXL + 3v(Xvt + э + Э]Хь (2Л) где Эм - содержание элемента (С, Н, О, N, S) в органической массе мацерала группы М— L, Vt, Sv, I; Хм- массовая доля мацерала группы М.
Наиболее важной задачей, решаемой с использованием информации базы данных, является подбор перспективных для коксования углей. Приемлемую шихту на 80% образуют угли марок ГЖ, Ж, К+КЖ, КО+ОС [17,18]. Поэтому, учитывая допустимые значения характеристик этих марок (R0, ЪОК, у, Vі), задача определения шахтопластов, сложенных соответствующими углями, заключается в переборе позиций базы, параметры которых удовлетворяют заданным ограничениям. Компьютерный поиск показал, что из добываемых в Кузнецком бассейне углей наиболее перспективны для целей коксования следующие (в качестве иллюстрации приводится часть выборки). По марке ГЖ шахт: Абашевская (пласт 266, III район); Байдаевская (26а); Полосухинская (29а, 30); Распадская (все разрабатываемые пласты). По марке Ж шахт: Абашевская (14, I район; 16, II район); Высокая (.10); Капитальная (10); Кара-гайлинская (Рытвинный, Сергеевский). По марке К шахт: № 5-6 (III и IV Внутренние); Красногорская (I, II, III, IV и VI Внутренние); Тайбинская (И Внутренний, Спорный). По марке КО шахт: № 5-6 (Прокопьевский); им. Калинина (Садовый); Суртаиха (Характерный). По марке ОС шахт: им. Вахру-шева (II и IV Внутренние); им. Дзержинского (Садовый, Безымянный II); им. Ленина (все разрабатываемые пласты); Суртаиха (Характерный).
Очевидно, что при условии достаточных запасов, мощности добывающих угли предприятий и селективной добыче определенных марок углей проблема снабжения сырьем коксохимических предприятий не представляла бы особой сложности. Именно такая стратегия реализуется зарубежными производителями коксующихся углей, определяющими структуру мирового рынка углей. В перспективе аналогичная ситуация вполне вероятно реализуется и на внутреннем угольном рынке России при квалифицированном подходе к проблеме предприятий угледобычи и переработки (обогащения), с одной стороны, и при том или ином типе объединения предприятий металлургии и угледобычи, с другой.
В настоящее же время селективная разработка угольных пластов практически отсутствует и угольная продукция шахт, разрезов и обогатительных фабрик, как уже упоминалось, имеет существенно смесевой и зачастую произвольный характер. В этих условиях информацию базы данных целесообразно использовать как вспомогательную при контроле марочного состава поступающего на комбинат сырья и определения его технологической ценности для коксования [112]. С этой целью по значениям выхода летучих веществ у и толщины пластического слоя у, объявленных поставщиком партии угля (и проконтролированных независимо на комбинате), при задании кода бассейна и кода марки производится поиск подходящих углей из базы данных.
Компьютерная программа открывает раздел базы данных для искомой марки угля соответствующего бассейна и проходит построчно все элементы базы (базовые угли), определяя абсолютное значение разницы выхода летучих веществ Ai = abs{ (пробного угля) - Иа/(угля базы)} (2.2) и разности значений толщины пластического слоя: А2 = abs(y(npo6Horo угля) -_у(угля базы)}. (2.3)
Программа запоминает те угли базы, для которых характерны наименьшие значения суммарного показателя Aj + А2 и для нескольких (при задании их числа) таких углей выдает содержащиеся в файле базы петрографические показатели (R0, Vt, Sv, I и L), а также их средние значения. В результате получают значения классификационных параметров, необходимых для контроля отнесения угля к той или иной марке в соответствии с ГОСТ 25543-88. Этот контроль выполняется также в автоматизированном режиме с определением класса угля по величине R0, категории по ЪОК, типа по v и подтипа по у, набор которых определяет марку, группу и подгруппу угля в рамках единой петролого-генетической классификации.
Кроме того, для углей используемых на ЧерМК марок нами разработан метод аппроксимации данных петрографии по величинам выхода летучих веществ и толщины пластического слоя [112]. Получены следующие уравнения регрессии:
R0 = щ + ೥а/+ а2У /у, (2.4)
ХСК = Ь0 + ЬУа/+ ЬгУ 1у. (2.5)
Коэффициенты этих уравнений определены методом наименьших квадратов по информации базы данных для углей каждой марки отдельно. Численные значения коэффициентов, а также математико-статистические характеристики описания данных приведены в табл. 2.6. Поскольку в пределах каждой марки диапазон изменения выхода летучих веществ небольшой, оказалось достаточным принять линейные по V1 модели (2.4) и (2.5), с дополнительной коррекцией по величине отношения yf/y.
Как видно из данных табл. 2.6, наиболее надежно по этому алгоритму оценивается значение показателя отражения витринита, величина среднеквад-ратического отклонения которого сопоставима с разбросом значений R0 по рефлектограммам углей. В то же время, оценка содержания спекающих (и соответственно отощающих) компонентов углей оказывается менее надежной. Так, в случае отощенных спекающихся (ОС) и коксовых слабоспекающихся (КС) углей Кузбасса среднее абсолютное отклонение s параметра ЪСК при его оценке по У иу составляет соответственно 7 и 9%. Поэтому при использовании получаемых по данной модели петрографических показателей, например, для прогноза прочностных характеристик кокса, необходимо учесть соответствующий разброс расчетных показателей углей (+ а).
Осуществленные разработки дали возможность по производственным данным о выходе летучих веществ и толщине пластического слоя углей, используемых коксохимическим производством ОАО "Северсталь", оценивать петрографические показатели (табл. 2.7 на примере угольных концентратов для шихты батарей № 4-6 по данным за 1999 г.).
Апробация зависимостей на основе промышленных экспериментов
В данном разделе на основе полученных автором диссертации на коксохимическом производстве ОАО "Северсталь" результатов исследования кокса батарей № 4, 5-6 и 7-10 проведен анализ взаимосвязей между показателями реакционной способности Кт (по ГОСТ 10089-89) и CRI (по ГОСТ 50921-96) соответственно для измельченного и кускового металлургического кокса. Затем установлена взаимосвязь между показателем CRI и горячей прочностью кокса по показателю CSR.
Для математико-статистической обработки были отобраны результаты одновременных определений как всех трех показателей качества (Кт, CRI, CSR), так и пар (CRI, CSR), когда показатель Кт не фиксировался. Первому случаю удовлетворяли 65 партий кокса с батарей № 4, 5-6 и 7-Ю, а второму -дополнительно 5 партий. При анализе взаимосвязи между Кт и CRI первичная обработка заключалась в выявлении данных, выпадающих из общих тенденций (8 точек, удаленных от кластеризации основного множества значений показателей). На расхождение данных по этим партиям влияли, по-видимому, различия в методиках определения двух показателей реакционной способности кокса, в особенности существенно меньшая (в 20 раз) масса испытываемого образца при оценке показателя Кт по ГОСТ 10089-89. Тем не менее, в целом следует отметить довольно высокую степень сопоставимости производственных данных по Кт и CRI, поскольку 87% результатов образуют общее множество.
При сопоставлении значений реактивности CRI и послереакционной прочности кокса CSR ситуация несколько отлична, поскольку оба показателя определяются в рамках единой методики. В исходном массиве производственных данных размерностью п = 70 имелось лишь 6 выделяющихся значения в парах реактивность-прочность кокса.
В табл. 3.2 для кокса каждой из батарей дается сопоставление значений обоих показателей реакционной способности (данные для коксов с близкими значениями Кт усреднены). Взаимосвязь между показателями Кт и CRI по данным табл. 3.2 передается уравнением регрессии: CRI = 23,91 + 45,494т (3.19) при среднеквадратическом отклонении о = 0,51%, среднем относительном отклонении А = 1,3% и коэффициенте корреляции г = 0,952. Графически взаимосвязь между показателями реакционной способности показана на рис. 3.5, где пунктиром воспроизведена корреляционная линия, найденная в предыдущем разделе для коксов Ruhrkohle AG (см. рис. 3.3).
Как показывает рис. 3.5, данные по взаимосвязи Кт и CRI для коксов ОАО "Северсталь" удовлетворительно (в пределах разброса опытных точек) согласуются с аналогичной корреляцией для зарубежных коксов. Небольшие расхождения могут объясняться некоторыми отличиями в методике определения показателя Кт, принятой в России (ГОСТ 10089-89) и за рубежом (стандарт ЕСЕ, рекомендованный Экономической комиссией ООН для Европы). Практическая же параллельность сплошной и пунктирной линий на рис. 3.5 обусловливается, по-видимому, сходным характером взаимодействия материала кокса с С02 при повышенной температуре в условиях определения реакционной способности по ГОСТ 10089-89 и по стандарту ЕСЕ.
Мы проанализировали также реакционную способность образцов доменного кокса Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК), которые при Кт = 0,139 см г с характеризовались значением CRI = 29,8 1,4%. Расчет по (3.19) при указанном значении Кт дает CRI = 30,2%, что практически совпадает с экспериментальной величиной. Таким образом, подтвержденная промышленным экспериментом существенная коррелированность между Кт и CRI позволяет рекомендовать модель (3.19) для оценки реактивности кускового кокса по кинетическим данным для измельченных образцов.
Следует отметить также (см. рис. 3.5), что в среднем наибольшей реакционной способностью по обоим показателям реактивности характеризуется кокс, получаемый в печах батарей № 5-6 и подвергаемый мокрому тушению, а наименьшей реакционной способностью - кокс сухого тушения с батарей № 7-10. При этом данные по коксу батареи № 4, который подвергается сухому тушению лишь частично, занимают промежуточное положение в общей корреляции.
Результаты промышленного эксперимента подтвердили также приведенную выше (см. рис. 3.1) характерную зависимость эффективной энергии активации Еа реакции газификации кокса от показателя Кт. Как показывает рис. 3.6, этой зависимости удовлетворяют данные для кокса, получаемого в печах всех батарей ОАО «Северсталь», а также кокса НЛМК.
Изучение взаимосвязи между реактивностью CRI и горячей прочностью кокса CSR выполнено по результатам анализа 64 партий кокса, включая соответственно 16, 19 и 29 образцов кокса, полученного на батареях № 4, 5-6 и 7-10 (табл. 3.3).
Как отмечено в разделе 3.1, взаимосвязь между показателями CRI и CS7? должна определяться обратной корреляцией, что отражается формулой (3.18). Для установления численных значений коэффициентов а и Ъ этой формулы анализировались данные табл. 3.3 для кокса, полученного в печах отдельных батарей. Результаты обработки данных по формуле (3.18) приведены в табл. 3.4. Там же указаны и математико-статистические параметры описания данных: среднеквадратическое отклонение а при расчете величины CSR, среднее относительное отклонение А и коэффициент корреляции г.
Из данных табл. 3.4 следует, что численные значения коэффициентов формулы (3.18) для кокса разных батарей несколько отличаются. При этом наиболее заметные различия могут характеризовать кокс батарей № 5-6 и № 7-10 соответственно при мокром и сухом тушении кокса. Тем не менее, при учете доверительных интервалов коэффициентов (удвоенных значений указанных со знаком ± среднеквадратических отклонений) они согласуются между собой, что дает возможность получить усредненную зависимость между CSR и CRI
Модель (3.20), как следует из рис. 3.7, также хорошо описывает данные по CRI и CSR для ряда образцов кокса ОАО "НЛМК". Кроме того, аналогичное заключение относительно данных показателей можно сделать и для промышленного кокса других производителей, включая партии кокса ОАО "Алтай-кокс". Так по данным [97] для 19 образцов кокса расчет по (3.20) величины CSR характеризуется средним отклонением от фактических значений, равным 2,7% при коэффициенте корреляции между вычисленными CSR и замеренными г = 0,924. При наибольшей реактивности кокса CRI = 38,5% показатель прочности составлял CSR = 39,4%, а при наименьшей (CRI = 18,0%) прочность достигала 72,0% [97]. Расчет показателя горячей прочности по модели (3.20) для наибольшей и наименьшей реактивности кокса дает соответственно CSR = 41,9 и 72,4%.
Следует отметить, что в период внедрения новых методов контроля качества кокса сырьевая угольная база коксохимического производства ОАО "Северсталь" не отличалась стабильностью. Поэтому партии кокса из печей каждой батареи характеризовались заметным разбросом показателей CRI и CSR (см. табл. 3.3). Тем не менее, при большинстве коксований благодаря контролю за петрографическим составом шихт получали кокс с повышенной доменной прочностью CSR 50%. При этом относительная доля партий такого кокса, получаемого в печах различных батарей, зависела от указанного выше способа тушения и составляла 53, 75 и 80% соответственно для кокса батарей № 5-6, 4 и 7-Ю.
По-видимому, при сухом способе тушения в атмосфере циркулирующего газа за счет реакций активных компонентов (СОг, НгО) с наиболее реакцион-носпособными структурами углерода кокса происходит частичное их выгорание. На это указывают, в частности, термодинамические оценки химических реакций углерода с компонентами циркулирующего газа в камерах УСТК, где угар кокса может достигать 1,5% [117]. Очевидно, что это ведет к повышению в структуре кокса доли невыгорающих менее реакционноспособных структур и способствует тем самым снижению реактивности CRI и соответствующему повышению горячей прочности кокса CSR. В связи с этим становится актуальной проблема оптимизации условий тушения кокса на УСТК с контролем состава газовой среды, температуры в камерах и времени пребывания в них кокса.
Производственные испытания разработанной с применением компьютерного моделирования новой сырьевой базы на основе углей Кузнецкого бассейна
С целью дальнейшего совершенствования сырьевой базы на коксохимическом производстве ОАО "Северсталь" при непосредственном участии автора диссертации проведена серия промышленных экспериментов с постепенной заменой части печорских углей концентратами ряда обогатительных фабрик Кузбасса [124]. Производственные опыты проведены на батареях № 4 и № 5-6. При составлении пробных шихт учитывалась возможность значительных колебаний состава концентратов. Так, для ЦОФ Абашевская содержание угля марки ГЖ в продукции фабрики могло меняться от 1,4 до 23,9 %. Концентрат ЦОФ Березовская, наряду с объявленными марками К+КО+КС (при существенно изменчивом их соотношении), содержит угли марок КСН, ТС и ГЖ. Гс-тественно, что для каждого из компонентов концентратов могли меняться и их свойства в пределах диапазона той или иной марки.
В связи с этим, до проведения производственных коксований шихт с повышенной долей углей Кузбасса представлялось целесообразным проанализировать возможное влияние нестабильности состава кузнецких концентратов на ожидаемый разброс показателей прочности кокса М25, Mi0. Такой анализ проведен с применением разработанной в разделе 4.1 петрографической модели прогноза прочности кокса, использование которой показало хорошую сходимость результатов расчета и производственных данных ЧерМК [112]. Данная модель адекватно передает показатели прочности кокса и для шихт, составленных только из углей Кузбасса. Это подтверждается расчетом: производственной шихты КМК по данным [71]. Для периода стабильности сырьевой базы комбината (1988 г.), включавшей концентраты фабрик (%): Абашевская (5), Беловская (18), Сибирь (35), Томусинская (18), Тайбинская (24), расчет по разработанной дает остаток кокса в большом колосниковом барабане G = 334 кг, что соответствует весьма высокой коксуемости. При этом расчетное значение показателя истираемости кокса Мю = 7,6% хорошо согласуется с фактическим М\о = 7,7%, а расчетное и фактическое значения показателя дробимости совпадают (М25 = 87,3%). В 2000 г. производственная шихта КМК характеризовалась ухудшенным составом и для нее наш расчет привел к значению G = 326 кг, что объясняет наблюдавшееся понижение прочности кокса (снижение М25 и ростМ10 [71]).
При разработке рабочего плана производства кокса на ОАО "Северсталь" с постепенным увеличением доли кузнецких концентратов первоначально рассмотрены 5 вариантов марочного состава, для каждого из которых предполагалось по 6 комбинаций поставщиков концентратов (табл. 4.12). В расчетах шихт учитывалась возможность замены концентрата ГЖ+Ж с ЦОФ Абашевская на Г+ГЖ+Ж с ЦОФ Кузнецкая и концентрата К+КО+КС с ЦОФ Березовская на угли ГОФ Томусинская или ЦОФ Сибирь-2. Для каждого из кузнецких концентратов предполагаемое рабочим планом количество их в шихте подразделялось на отдельные марки, петрографические показатели которых были приняты по [7].
Для каждого из 5 вариантов перехода производства на кузнецкие концентраты анализировалось 6 комбинаций возможных поставщиков концентратов (A-F). Результаты расчета интервалов разброса и средних значений прогнозируемого показателя истираемости кокса М]0 приведены в табл. 4.13. Результаты моделирования показали, что для исходного варианта 1 традиционной шихты ЧерМК характерна высокая устойчивость результатов к замене поставщиков концентратов сходного марочного состава. При этом несущественно меняются средние значения различных характеристик смесей (выход летучих веществ 28,5-29,1%, толщина пластического слоя -15 мм, показатель отражения витринита 1,08-1,10%). Индекс отощения шихты и коэффициент коксуемости составляют в среднем 1,16-1,17 и 5,53-5,56 соответственно. Достаточно стабильны к замене кузнецких концентратов разных фабрик и прогнозируемые значения дробимости (М25 = 89,8-89,9%) и истираемости кокса (Мю = 7,64-7,73%). Все это свидетельствует о повышенной способности используемых на комбинате углей Печорского бассейна, составляющих ядро коксуемых шихт, к "поглощению" определенного количества кузнецких углей широкого и непостоянного марочного состава без драматических последствий.
Однако при увеличении доли в шихте концентратов Кузбасса указанное свойство печорских углей начинает постепенно ослабевать. Так, при увеличении доли кузнецких углей в шихтах для каждого набора поставщиков (А, В, С, D, Е, F) выявляется почти монотонное повышение индекса отощения шихты и снижение коэффициента ее коксуемости, что естественно ведет к ухудшению прочностных характеристик кокса. Из данных табл. 4.13 видно, что при полном выводе из состава шихт традиционных углей Печорского бассейна значения Мю могут повыситься почти на 1% в абсолютном исчислении.
Снижение доли печорских углей в шихте приводит к усилению колебаний всех показателей (как шихты, так и кокса) относительно средних значений. Основная причина этого заключается, с одной стороны, в изменчивости свойств углей в пределах определенных марок и, с другой стороны, - в широкой вариативности марочного состава концентратов, производимых в настоящее время на фабриках Кузнецкого бассейна. При этом выбор того или иного поставщика может оказаться критическим. Так, по данным табл. 4.13 при полной замене сырья ЧерМК (вариант 5) использование концентрата ЦОФ Кузнецкая вместо угля ЦОФ Абашевская и концентрата ГОФ Томусинская вместо угля ЦОФ Березовская (шихта Е) среднее значение Мю повышается с 8,53 до 8,96%, а максимальное - с 12,09 до 14,25%.
В связи с этим при разработке рабочего плана по производству кокса из кузнецких концентратов особое внимание уделено их фактическому марочному составу, что было реализовано проведением рефлектограммного анализа поступающего на ОАО "Северсталь" угольного сырья. Типичные рефлекто-граммы витринита концентратов ряда ОФ Кузбасса приводились выше в разделе 2.3 (см. рис. 2.2). Рефлектограммы шихт, подвергнутых производственным коксованиям в соответствии рабочим планом, даны на рис. 4.5
Наличие рефлектограмм и данных технического анализа углей позволило установить фактический марочный состав шихты и при использовании петрографической модели прогноза показателей коксования осуществить направленный подбор угольных смесей для производства кокса в печах батарей № 4 и № 5-6. Опыты проведены в пять этапов длительностью по три недели каждый с постепенным повышением в шихте углей Кузбасса (табл. 4.14). Часть печей с батареи № 4 (70-88%) потушена на УСТК. Показатели качества полученного кокса в сравнении с данными базисного периода приведены в табл. 4.15,4.16.
Видно, что при переходе от базисного периода к этапам I-V с постепенным увеличением в шихте доли углей Кузбасса наблюдается постепенное снижение показателей механической прочности кокса: заметно уменьшается индекс дробимости М25 и повышается индекс истираемости кокса Mw. Аналогичным образом ведут себя пары индексов М40, М10 и /4о Ло- При этом более чувствительны к вводу кузнецких углей показатели качества кокса батарей № 5-6 с мокрым тушением. Показатель Кт реакционной способности кокса по ГОСТ 10089-89 (при 1000С) для опытных этапов в среднем несколько ниже в сравнении с базисными данными, что может обусловливаться как составом минеральных компонентов, так и особенностями текстуры кокса. При этом показатель CRI, характеризующий реактивность кускового кокса при более высокой температуре (1100С), повышается относительно базиса на этапах I и II, уменьшаясь при дальнейшем повышении доли кузнецких концентратов с увеличенным содержанием углей марок ОС+КС. В соответствии с этим, показатель CSR, характеризующий "горячую" прочность кокса, принимает в конце испытаний (этапы IV, V) наиболее высокие значения. Кокс, получаемый на батарее № 4 и подвергаемый сухому тушению, характеризуется в среднем меньшей реактивностью CRI и более высокой доменной прочностью по индексу CSR, а на этапе V получены оптимальные характеристики по всем показателям. Обработкой производственных данных выявлены следующие тенденции в поведении показателя CSR кокса [116]
