Содержание к диссертации
I. ВВЕДЕНИЕ 9
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ ДОМЕННОГО КОКСА 18
1.1. Роль кокса в доменном процессе и возрастание требований к его качеству
1.2. Дефекты структуры и направленная неоднородность кусков кокса как следствие процесса слоевого коксования 21
1.3. Влияние внепечных процессов на свойства кокса.
1.3.1. Сухое и мокрое тушение 26
1.3.2. Сортировка и механическая обработка... 33
1.4. Анализ современных теоретических воззрений на процессы, обусловливающие преобразование свойств кокса после выдачи его из печных камер
1.4.1. Состояние теории термических воздействий на свойства кокса.
1.4.2. Анализ современных представлений о разрешении хрупких тел и кусковых материала... 56
1.5. Формирование физико-механических свойств кокса вне камер коксования как направление развития технологии его производства, позволяющее решить важную народнохозяйственную проблему.
Задачи дальнейших исследований 71
2. ИССРДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ 3AK0H0MEPH0 СТЕИИЗМЕНБНИЯ СВОЙСТВ КОКСА ВНЕ КАМЕР КОКСОВАНИЯ.. 77
2.1. Исследование поведения кускового кокса при термическом воздействии. 77
2.1.1. Постановка задачи 77
2.1.2. Изучение процесса охлаждения кокса водой. Эквивалентная температуропроводность и коэффициент термического расширения 80
2.1.3. Аналитическое исследование полей термоупругих напряжений. Раскрытие негативного влияния существующей технологии мокрого тушения на прочность кокса 105
2.1.4. Анализ явлений тепло- и массообмена в процессе мокрого тушения и предпосылки новой технологии охлаждения 123
2.1.5. Исследование поведения кокса под влиянием нагрева.
2.2.1. Представления о сущности процессов, лежащих в основе диспергирования насыпной Т1 массы кокса
2.2.2. Исследование некоторых закономерностей, сопутствующих диспергирования, и доказательство справедливости развитых представлений.
2.2.3. Форма кусков кокса в динамике его разрешения 169
2.2.4. Математическое описание диспергирования насыпной массы кокса в процессе разрушения 179
2.2.5. Динамика изменения среднего размера кусков кокса в процессе разрушения... 206
2.2.6. Общие закономерности разрушения кокса и других хрупких кусковых материалов 217
2.3. Вывод ы 222
3. ПРИМЕНЕНИЕ УСТАНОВЛЕННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ НАСЫПНОЙ МАССЫ КОКСА ДІЯ ОЦЕНКИ ЕГО СВОЙСТВ... 226
3.1. Разработка некоторых вопросов теории оценки физико-механических свойств кокса 226
3.2. Параметры статистического распределения и коэффициенты математической модели разрушения кокса как критерии оценки его свойств 23S
3.3. Новый расчетный метод определения газодинамической характеристики насыпной массы кокса.
Комплекс расчетных показателей 254
4. МЕТОДИК ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОКСА В ДИНАМИКЕ ИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВНЕ КАМЕРЫ КОКСОВАНИЯ... 283
4.1. Принцип идентификации диспергирования насыпной массы кокса при отличающемся характере механических воздействий 283
4.2. Применение математической модели диспергирования насыпной массы кокса для решения прикладных задач
4.3. Ретроспективный прогноз качества рампового кокса
4.4. Прогноз гранулометрического состава скипового кокса и потерь от измельчения при транспортировке
4.5. Прогноз стандартных показателей качества кокса
на разных стадиях его подготовки для доменных г печей JU0
4.6. В ы в о д ы 309
5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВОПРОСОВ ТЕЖШОГИИ ПОДГОТОВКИ ДОМЕННОГО КОКСА РАЗРУШАВДИМИ НАГРУЗКАМИ... 314
5.1. Разработка способа определения и исследование условий формирования заданных физико-механических свойств кокса.
5.2. Определение глубины и способа разрушения кокса, обеспечивающих наибольшую эффективность его потребления. 323
5.3. Изучение предпосылок и разработка рационального технологического процесса оптимальной «м подготовки кокса для доменных печей.
5.4. Разработка некоторых элементов предлагаемой технологии управляемой дискретной механической обработки кокса 367
6. ИСШЩДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЮГШ ПОДГОТОВКИ КОКСА И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
6.1. Промышленные испытания и внедрение импульсного тушения 380
6.2. Исследование и экономическая целесообразность 4(р механической обработки кокса свободным ударом.
6.3. Исследование эффективности механической обработки кокса регламентированным давлением 4.16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 427
ЛИТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЯ (том 2):
Введение к работе
Исторические решения ХХУ съезда КПСС определили развитие народного хозяйства СССР в Х-й пятилетке преимущественно за счет повышения эффективности, интенсификации производства и улучшения качества продукции во всех отраслях производства, в том числе и в черной металлургии. В частности, интенсификация и повышение эффективности доменного процесса требуют улучшения качества кокса.
Постоянное внимание к вопросам качества кокса на протяжении многих лет обусловило значительное истощение резервов технологии в этом направлении. Тем не менее, вследствие непрерывного ухудшения сырьевой базы коксования и специфики слоевого процесса производства получение высокопрочного кокса, достаточно однородного по крупности кусков, не обеспечивается. Мокрое тушение, применяемое на большинстве заводов, приводит к появлению влаги в коксе, количество которой непостоянно. Сортировка кокса в современных условиях дает возможность ограничить нижний предел кусков, но не позволяет активно воздействовать на его физико-механические свойства. Весь цикл технологического процесса производства кокса в аспекте качества продукта практически неуправляем.
В этих условиях удовлетворение повышенных требований к свойствам доменного кокса вырастает в серьезную проблему, имеющую большое народнохозяйственное значение, поскольку в себестоимости чугуна примерно половину составляет стоимость кокса, а свойства последнего обусловливают его удельный расход и возможность интенсификации доменного процесса.
Практически единственным направлением, обеспечивающим возможность удовлетворения современных требований металлургии к качеству кокса является формирование его свойств за пределами кок совых камер.
После выдачи из печей кокс претерпевает термические и механические нагрузки. Поведение кокса под влиянием механических нагрузок изучалось неоднократно. Это работы Л.М.Сапожникова, Г.В.Сперанской, К.Й.Сыскова, А.С.Брука, А.П.Щукина, М.Г.Скляра, С.А.Шварца, К.А.Богоявленского, Л.Л.Еркина, Н»С.Грязнова, И.М.Лазовского и др. ученых. Благодаря выполненным исследованиям, вскрыты наиболее общие закономерности процессов. Но установленные зависимости носили, в основном, качественный характер, ввиду чего названные работы, при всей их важности и значимости, не удавалось объединить и применить для решения различных прикладных задач, в частности, оптимизации подготовки кокса для доменных печей.
Результат механических воздействий проявляется преаде всего в изменении гранулометрического состава насыпной массы кокса, поэтому насущной необходимостью является разработка теоретических основ процесса и создание математической модели его.
Установленная возможность повышения прочности вне камер коксования послужила основой для предложений механически обрабатывать кокс перед подачей в доменный цех-. Сопутствующие такой обработке потери ресурсов крупнокускового продукта делают процесс неоднозначно целесообразным. В некоторых немногочисленных работах рассматривалось влияние глубины разрушения на экономическую эффективность механической обработки. Однако разрушение может отличаться не только по глубине, но и по способу осуществления процесса, что весьма существенно. Вопрос оптимизации характера налагаемых усилий в литературе не поднимался. В то же время очевидно, что выбор наиболее целесообразного режима подготовки кокса должен осуществляться с учетом совокупности влияющих факторов. Решение поставленной задачи эмпирическим путем требует настолько большего объема работ, что, с учетом переменных свойств кокса, делает практически невозможным использование результатов для практики. Создав теоретические основы диспергирования насыпной массы и математическую модель явления, ответ удалось бы, видимо, получить методами математики с применением ЭВМ, что открыло бы путь к оперативному использованию информации в целях регулирования свойств потребляемого кокса.
В известных исследованиях механической обработки кокса рассматривали этот процесс вне связи с предшествующими и последующими воздействиями, которые также сопровождаются переходом части доменного кокса в недоменный Но большие масштабы производства кокса, его высокая себестоимость, возрастающие капиталовложения в добычу коксуемых углей вместе с трудностями подземных горных работ, а также ограниченные ресурсы хороших коксующихся углей говорят о том, что в процессе внепечной подготовки необходимо добиваться максимально возможного улучшения качества кокса, но образование мелочи из крупнокускового продукта на всех этапах от рампы коксовых печей до скипа доменных печей не должно превышать некоторого целесообразного уровня. Сформулированная задача прежде не ставилась. Ее решение возможно лишь на основе глубокого познания закономерностей разрушения, позволяющего описать процессы аналитически, а также создания математической модели для оптимизации процесса коксоподготовки. Без этого невозможно и управление качеством кокса, требуемое современным уровнем развития технологии.
Выполненные ранее исследования температурного воздействия на кокс охватывали только один аспект - возникновение напряжений под влиянием усадки, происходящей при вторичном нагреве. Однако коксу, как и большинству материалов, свойственно температурное расширение при нагреве и сжатие при охлаждении. Напряжен - 12 ное состояние кусков под влиянием этого фактора не рассматривалось. В то же время, охлаждение кокса, выданного из печей, и нагрев его после загрузки в доменную печь связаны со значительным изменением температуры кусков за относительно короткий интервал времени. Исследование термонапряженного состояния кокса, обусловленного чисто термическим изменением объема, может определить целесообразные режимы тушения. Кроме того, это пополнит багаж знаний о поведении кокса в доменной печи. Последнее, в свою очередь, связано с требованиями, которые должны предъявляться к доменному коксу.
По некоторым показателям качества лучшими свойствами обладает кокс классов крупности 25-40 и 40-60 мм. Увеличение этих классов в общей массе выдаваемого из печей кокса обусловливает при мокром тушении повышение средней влажности кокса. Таким образом, традиционное мокрое тушение вошло в противоречие с современными требованиями к свойствам кокса. Совершенствование этого важного элемента коксоподготовки может быть осуществлено на основе глубокого изучения всех явлений, сопровождающих мокрое тушение.
Прогресс в технологии производства кокса может идти двумя путями. Один из них - разработка новых установок и технологии производства. Такой путь ориентирован на длительное освоение созданной технологии,реконструкцию и замену действующего основного производственного фонда, что связано,естественно,с эффектом, который может быть получен через многие годы. Однако велением времени является улучшение свойств кокса уже сегодня, что может быть осуществлено путем создания некоторых элементов общего процесса, которые могут быть использованы в рамках традиционно сложившихся и действующих условий производства. В диссертации рассмотрены и даны решения как в первом, так и во втором направлении.
Изучен процессе взаимодействия раскаленного кокса и воды, а также изменение температуры кусков кокса при охлаждении. Составлено уравнение термонапряженного состояния кусков и выполнено аналитическое исследование полей термоупругих напряжений в процессе тушения. Для этого потребовалось предварительное экспериментальное определение коэффициента температуропроводности и термического расширения. Разработанные методики позволили установить зависимость коэффициента линейного расширения кокса от температуры, найти среднюю величину его и учесть проникновение воды вглубь кусков путем введения коэффициента эквивалентной температуропроводности, средняя величина которого для интервала температур 200-900°С в 1,5 раза больше коэффициента эффективной температуропроводности.
Результаты исследований вскрыли, что при мокром тушении образуются трещины в коксе, величина которых зависит от размера кусков, свойств кокса и уменьшается с увеличением времени охлаждения. Общие теоретические воззрения на процесс тушения позволили предположить, а лабораторные исследования доказали, что тушение кокса пульсирующим потоком воды позволяет снизить влагу в мелких классах, стабилизировать влажность кокса и повысить его механическую прочность.
Выполнено аналитическое исследование термонапряженного состояния кусков кокса под влиянием температурного расширения в экстремальных условиях нагрева в доменной печи. Установлено, что в центре кусков средним диаметром более 60 мм вероятно образование трещин протяженностью до k0% диаметра кусков. Предложены формулы для определения наибольшего, безопасного для образования трещин, радиуса куска, для вычисления глубины трещин в кусках заданного размера, а также рекомендовано выражение для оценки термостойкости кокса под действием расширения. Поскольку тер - m мостойкость обусловлена не только свойствами материала, но и размерами кусков, предложено понятие "термостойкость насыпной массы" и показатель его характеристики.
Изучена специфика процесса разрушения кокса. Найдено, что форма кусков не претерпевает существенных изменений, а истирание кусков происходит неравномерно по поверхности. Направленное изменение прочности от головочной к приосевой части кусков объяснено с позиций общей теории прочности на основании уравнения Орована. В целом результаты исследования позволили сформулировать теоретические представления о диспергировании насыпной массы кокса в процессе разрушения. Составлены дифференциальные уравнения, описывающие преобразования гранулометрического состава при наложении равных механических нагрузок (числа оборотов барабана, сбрасываний и т.п.). Проверка с помощью F -критерия показала адекватность математического описания процесса независимо от способа разрушения, исходной крупности и механических свойств кокса.
На основании полученных данных составлены уравнения зависимости стандартных показателей прочности от глубины разрушения, предложена единица измерения эффекта диспергирования и принцип идентификации диспергирования при его осуществлении в различных условиях.
Разработаны методики ретроспективного прогноза состава и свойств рампового кокса и прогноза качества скипового кокса, а также потерь от измельчения при транспортировании по данным стандартного испытания товарного кокса. Показана возможность аналитического определения требуемых механических воздействий для формирования заданных механических свойств кокса.
Составлено динамическое уравнение конкурирующих сторон процесса механической обработки кокса и разработан алгоритм поиска оптимальных условий по глубине и интенсивности разрушающих воздействий. Экспериментальные исследования наглядно показали работоспособность математической модели.
Выполненные аналитические исследования по формированию оптимальных свойств кокса в условиях различного качества и пределов крупности исходного продукта убеждают в целесообразности механической обработки не только крупных, но и мелких классов, однако условия и глубина механического воздействия дифференцированы .
Разработанная теория диспергирования насыпной массы кокса в процессе разрушения использована для развития научных основ оценки его физико-механических свойств. Предложен комплекс показателей, четко фиксирующий любое изменение свойств кокса и вполне информативный для управления технологией коксового и доменного производства.
Теоретические и экспериментальные исследования явились фундаментом, на базе которого даны некоторые решения по технологии подготовки кокса для доменных печей. На основе изучения процесса охлаждения разработан способ импульсного тушения кокса. В условиях промышленных испытаний доказано, что предложенная технология обеспечивает повышение равномерности кокса по влажности и улучшение его механических свойств. Опытные доменные плавки показали, что применение кокса импульсного тушения позволяет сократить его удельный расход и повысить производительность доменной печи. На предложенный способ тушения Госкомитет по делам изобретений дал положительное решение о выдаче авторского свидетельства.
Разработана принципиальная схема коксоподготовки, позволяющая осуществлять управляемые воздействия на кокс и обеспечить максимальную эффективность потребления получаемого в печах ва -16 лового кокса. Предлагаемая для этой схемы конструкция аппарата для совмещенной механической обработки и классификации защищается авторским свидетельством.
Для осуществления оптимальной механической обработки, рассматриваемой как комплекс дискретных воздействий, предложены способы избирательного дробления крупных кусков свободным ударом и регламентированным давлением. Оба способа могут быть осуществлены в традиционных условиях коксовой сортировки и прошли промышленные испытания. Устройство для механической обработки регламентированным давлением защищается авторским свидетельством.
Разработанные элементы технологии подготовки кокса внедрены в промышленную практику с реальным экономическим эффектом более 1,4 млн.руб. в год. Внедрение апробированной технологии только на заводах УССР обеспечит годовой народнохозяйственный эффект в размере более 12 млн.руб.
На защиту выносятся:
1. Теоретическое и экспериментальное доказательство влияния термических воздействий при мокром тушении, а также в верхней части доменной печи на свойства кокса и новая технология тушения.
2. Теория и математическая модель диспергирования насыпной массы кокса при механических нагрузках.
3. Принцип идентификации диспергирования при разрушении в различных условиях и его математическое выражение.
4. Методики прогнозирования физико-механических свойств кокса на разных этапах его подготовки для доменных печей.
5. Методы аналитических исследований по формированию вне камеры коксования свойств кокса и нахождению оптимального регламента подготовки кокса для доменных печей.
6. Развитие теоретических основ оценки физико-механических свойств и комплекс показателей качества кокса.
7. Новые способы механической обработки кокса и технология оптимальной коксоподготовки.
Основные результаты исследований изложены в 33 статьях и трех монографиях, на которые даются ссылки в соответствующих местах диссертации. В большинстве работ, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит постановка задачи, разработка методик, исследований, участие в эксперименте, математические решения, анализ результатов и общие выводы. Работы, в которых изложены идеи или результаты, принадлежащие в основном соавторам, отмечены звездочкой.
