Исследование и совершенствование методики оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Витькина, Галина Юрьевна

• Витькина, Галина Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Витькина, Галина Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

1.1. Основные показатели качества железорудного сырья и кокса.

1.1.1. Восстановимость и прочность железорудного сырья.

1.1.2. Реакционная способность кокса.

1.2. Влияние качества сырья на показатели доменной плавки.

1.2.1. Влияние восстановимости и прочности железорудного сырья.

1.2.2. Влияние реакционной способности кокса.

1.2.3. Количественное влияние показателей качества железорудного сырья и кокса на показатели доменной плавки.

1.2.4. Официальная методика оценки влияния технологических факторов на расход кокса и производительность доменных печей.

1.3. Использование математических моделей доменного процесса.

1.4. Цели и задачи исследования.

2. ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЕГО РОЛЬ В ДОМЕННОМ ПРОЦЕССЕ.

2.1. Кинетика восстановления оксидов железа в доменной печи.

2.2. Прочность железорудных материалов.

2.3. Температуры размягчения и плавления железорудных материалов.

2.4. Методика исследования восстановимости железорудных материалов.

3. ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК КОКСА, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЕГО РОЛЬ

В ДОМЕННОМ ПРОЦЕССЕ.

3.1. Теоретическое обоснование.

3.2. Реакционная способность кокса и «горячая» прочность кокса.

3.3. Методика исследования реакционной способности кокса.

3.4. Определение реакционной способности кокса в лабораторных условиях.

3.5. Разработка прогнозной модели оценки качества кокса.

3.6. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ И КОКСА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ.

4.1. Расчет влияния восстановимости и «холодной» прочности железорудного сырья на эффективность доменной плавки.

4.2. Расчет влияния реакционной способности кокса на эффективность доменной плавки.

4.3. Расчет по двумерным математическим моделям.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и совершенствование методики оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки»

Доменное производство является одним из основных звеньев металлургического передела. Эффективность доменной плавки существенно зависит от качества железорудного сырья и кокса, требования к которым становятся все более жесткими. Тенденция изменения сырьевой базы России такова, что запасы коксующихся углей и богатых руд ограничены, и в шихту вводят менее качественное сырье. Это отражается на качестве получаемого кокса и агломерата (окатышей), их физико-химических свойствах, что, в свою очередь, существенно меняет технико-экономические показатели работы доменных печей.

Расход кокса в доменной плавке как энергоносителя (источника теплоты и восстановителя) может снижаться, в основном, двумя путями. Во-первых, за счет использования экстенсивных факторов - повышение содержания железа в шихте, использование прямых заменителей кокса (природного газа, мазута, угольной пыли, восстановительного газа, в том числе колошникового с отмывкой его от диоксида углерода), увеличение температуры дутья, высокопотенциальной теплоты (использование плазмотронов) и т.д.

Во-вторых, за счет использования интенсивных факторов - повышение степени использования теплового и восстановительного потенциала газа в результате улучшения качества железорудного сырья и кокса, характеризуемого восстановимостью, прочностью, температурами размягчения и плавления для железорудного сырья, реакционной способностью и прочностью для кокса.

Восстановимостью железорудного материала называют его способность с большей или меньшей скоростью отдавать кислород, связанный с железом, газообразному восстановителю. Чем выше восстановимость материала, тем меньше может быть время его пребывания в доменной печи, что дает возможность форсировать плавку. При одинаковом времени пребывания в печи легковосстановимые железорудные материалы отдают печным газам больше кислорода, связанного с железом. Это позволяет снизить удельный расход кокса на выплавку чугуна. Таким образом, с любой точки зрения, повышенная восстановимость является весьма желательным свойством и высоко ценится.

Применительно к современным доменным печам влияние физико-химических свойств кокса на процесс доменной плавки возрастает, что указывает на необходимость использования кокса с высокими показателями прочности. Известно, что прочностные свойства кокса находятся в обратной зависимости от показателя реакционной способности кокса. Поэтому показатель реакционной способности кокса следует рассматривать как один из основных при оценке качества кокса и оценке его влияния на эффективность доменных печей.

Резервы первого пути в значительной степени исчерпаны. Таким образом, главным резервом снижения расхода кокса и улучшения технико-экономических показателей плавки является повышение качества железорудного сырья и кокса.

Следует отметить, что некоторые используемые на практике металлургические характеристики железорудных материалов и кокса в практическом интервале изменения не коррелируются напрямую с производительностью доменных печей и удельным расходом кокса. По ним сложно прогнозировать изменение технико-экономических показателей работы доменных печей. Поэтому разработка методических основ оценки металлургических характеристик железорудного сырья и кокса, использование которых позволит объяснить и спрогнозировать изменение технико-экономических показателей доменной плавки, является весьма актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в рамках государственной бюджетной тематики (№ 01201061031), а также при поддержке Программы Президиума РАН (№ 23) и Федерального агентства по науке и инновациям (грант № 02.740.11.0152).

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии доменной плавки путем учета зависимостей между металлургическими характеристиками железорудного сырья и кокса и показателями доменного процесса.

Научная задача работы - теоретическое обоснование и разработка методических основ оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки.

Для выполнения цели и научной задачи работы поставлены следующие задачи:

1. Анализ влияния металлургических характеристик железорудного сырья (агломерат и окатыши) и кокса, а именно восстановимости, прочности, температур начала размягчения и плавления железорудного сырья, реакционной способности и термомеханической прочности кокса, на эффективность работы современных доменных печей, используя литературные данные.

2. Определение и анализ влияния свойств исходного сырья на формирование металлургических характеристик железорудного сырья (восстановимость) и кокса (реакционная способность).

3. Определение и анализ условий формирования металлургических характеристик железорудного сырья и кокса.

4. Разработка математической модели прогнозирования металлургических характеристик кокса (расчет и прогнозирование показателей реакционной способности и термомеханической прочности кокса).

5. Анализ и прогноз основных показателей эффективности доменной плавки при изменении металлургических характеристик шихтовых материалов (восстановимость, «холодная» прочность, температуры начала размягчения и плавления железорудных материалов; реакционная способность кокса) на примере существующих доменных печей металлургических предприятий России с использованием готовых математических моделей доменного процесса: балансовой логико-статистической модели и комплекса двумерных математических моделей.

Научная новизна. Разработана новая методика оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки, заключающаяся в следующем: лабораторные исследования с определением металлургических характеристик железорудного сырья и кокса, аналитическое исследование влияния этих характеристик на эффективность доменной плавки с помощью математических моделей, опытно-промышленные и промышленные испытания.

Разработанные методические основы позволяют получить усовершенствованные критерии оценки металлургических характеристик сырья и объяснить механизм их влияния на реакции прямого и косвенного восстановления в доменной печи, сформулировать рекомендации по совершенствованию технологии доменной плавки.

Методика оценки влияния качественных характеристик сырья дополнена прогнозной математической моделью для комплексного исследования высокотемпературных свойств кокса, основанной на опытных либо, при отсутствии опытных, среднестатистических данных о качестве составляющих исходной шихты для коксования.

Практическая значимость. Предлагаемая методика может быть применена для решения таких практических задач, как оценка влияния металлургических характеристик новых видов сырья на показатели доменной плавки, промышленное испытание которых связано с большими материальными и финансовыми затратами.

На защиту выносятся:

1. Методика оценки влияния металлургических характеристик железорудного сырья и кокса на эффективность доменной плавки.

2. Результаты теоретических расчетов и экспериментального определения кинетических характеристик, определяющих реакционную способность кокса.

3. Прогнозная математическая модель для комплексного исследования высокотемпературных свойств кокса.

4. Результаты анализа влияния металлургических характеристик сырья на показатели доменной плавки на примере промышленных предприятий России с использованием балансовой логико-статистической модели и комплекса двумерных математических моделей доменного процесса.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Восьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 27-28 октября 2009, Санкт-Петербург, Россия; The 5th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids - DSL-2009, 24-26 June, Rome, Italy; Девятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 22-23 апреля 2010, Санкт-Петербург, Россия; The 6th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids - DSL-2010, 5-7 July, Paris, France; Межрегиональной 69-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования», 25-29 апреля 2011, Магнитогорск, Россия; Научно-технической конференции, посвященной 310-летию уральской металлургии и созданию технико-внедренческого центра металлургии и тяжелого машиностроения «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР», 16-17 июня 2011 г., Екатеринбург, Россия; 16 Международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии», 4-6 октября 2011, Днепропетровск, Украина; The Fray International Symposium on Metals and Materials Processing in a Clean Environment: Principles, Technologies and Industrial Practice, 27 November -1 December, 2011, Cancun, Mexico.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, включая 38 рисунков, 21 таблицу, и состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 142 источников отечественных и зарубежных авторов, и 9 приложений.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Витькина, Галина Юрьевна

4.4. Выводы и рекомендации

Расчетным путем при помощи использования балансовой логико-статистической модели доменного процесса и комплекса двумерных математических моделей доменного процесса показано влияние восстановимости и «холодной» прочности, температур начала размягчения и плавления железорудного сырья, реакционной способности кокса на технико-экономические показатели доменной печи. Очевидно, что повышение значений восстановимости и «холодной» прочности железорудного сырья, либо снижение значения реакционной способности кокса является экономически целесообразным и позволит улучшить эффективность доменного процесса.