НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

На правах рукопису

Севернюк Володимир Васильович

УДК 669.162

УПРАВЛІННЯ КОМПЛЕКСОМ ПАРАМЕТРІВ ДОМЕННОЇ ПЛАВКИ

З МЕТОЮ ЗНИЖЕННЯ ВИТРАТ НА ВИРОБНИЦТВО ЧАВУНУ

05.16.02 – “Металургія чорних металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Лауреат Державної премії України,

доктор технічних наук, професор

Тараканов Аркадій Костянтинович,

Національна металургійна академія України,

завідувач кафедри металургії чавуну.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Довгалюк Борис Петрович, Дніпродзержинський державний технічний університет, професор кафедри автоматизації виробничих процесів;

кандидат технічних наук Можаренко Микола Михайлович, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної академії наук України, завідувач відділу металургії чавуну.

Провідна установа:

Приазовський державний технічний університет, кафедра металургії чавуну, м. Маріуполь.

Захист відбудеться “ 15 ” січня 2002 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України, 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий “ 14 ” грудня 2001 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор ____________________ Іващенко В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виробництво чавуну, що становить початковий і найбільш енергоємний етап виробничого циклу в чорній металургії, вирішальним чином визначає техніко-економічні показники роботи всього гірничо-металургійного комплексу, однією з головних задач якого є підвищення рентабельності чорної металургії. Найбільш прийнятним рішенням головної проблеми, що стоїть перед чорною металургією України, є зменшення питомої витрати коксу на виплавку чавуну, що дозволить знизити енергетичні і фінансові витрати на виробництво металу і ліквідувати дефіцит в Україні коксівного вугілля. Аналізу і реалізації заходів, спрямованих на вирішення зазначеної проблеми, як раз і присвячена дана дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Питання, що розглядаються в дисертаційній роботі, відповідають Державній програмі розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року і Державній програмі енергозбереження. Виконання дисертації було пов'язане з планами наукових робіт Національної металургійної академії України, КДГМК “Криворіжсталь” і Комітету промислової політики.

Мета і задачі дослідження. Кінцевою метою роботи є підвищення ефективності доменної плавки і зниження собівартості чавуну з урахуванням існуючих в Україні умов. Відповідно до цього вирішувалися задачі виявлення найбільш актуальних і доступних для реалізації напрямків технічного удосконалення доменного виробництва і реалізації відповідних заходів, а саме:–

удосконалення шихтових умов роботи доменних печей поліпшенням гранулометричного складу шихтових матеріалів і оптимізацією складу залізорудної частини шихти;–

активізація роботи горну доменної печі за рахунок зміни параметрів повітряних фурм і запобігання його захаращень;–

скорочення витрати природного газу в доменній плавці при заміні його іншими енергоносіями.

Методи дослідження. При виконанні роботи використовувалися методи математичного моделювання, математичної статистики, експериментальні методи оптимізації, фундаментальні положення системного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Розроблені наукові і методичні засади аналітичного дослідження ефективності використання в доменній плавці продуктів переробки конвертерного шлаку (КШ) з виділенням з нього металовмісної фракції (МВФ). На основі виконаних розрахунків встановлена доцільність завантаження КШ у доменні печі, що витрачають сирий флюс, а МВФ – у доменні печі, що працюють з найбільш високим ступенем прямого відновлення.

2. Уперше вирішена задача розрахункового визначення оптимального за критерієм мінімуму собівартості чавуну складу рудної частини шихти з урахуванням показників якості матеріалів, їх

впливу на витрату коксу при заданих цінах і будь-яких обмеженнях.

3. На основі виконаного аналітичного дослідження використання палива в доменному виробництві розроблено нетрадиційний метод скорочення витрати природного газу без підвищення витрати коксу за рахунок оптимального використання коксового газу і продуктів газифікації вугілля, генерованих у вільних від виплавки чавуну обсягах доменних печей і звільнених від насадки повітронагрівачах.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Встановлена залежність мінімального розміру фракції залізорудної сировини, яка відсіюється перед завантаженням у доменну піч, від ефективності просіювання і показана доцільність зменшення цього розміру до 3 мм за умови підвищення ефективності просіювання до 60-65 % за класом -3 мм і до 75-80 % за класом -5 мм, що забезпечує економію залізорудної сировини при виплавці чавуну.

2. Розроблена система підготовки скіпового коксу за схемою “просіювання – дроблення – просіювання” з реалізацією її в одному апараті і обґрунтовані умови застосування і конструктивні параметри колосникового сита для відсіювання коксового дріб'язку перед завантаженням коксу в доменну піч.

3. Запропоновано раціональну схему переробки конвертерного шлаку і його використання в доменній плавці, що полягає у виділенні зі шлаку металовмісної фракції і найбільш раціональному завантаженні речовинних фракцій шлаку в доменні печі.

4. Розроблено алгоритм і комп'ютерну діалогову систему для розрахункового пошуку оптимального складу шихти за критерієм мінімальної собівартості чавуну з урахуванням усіх можливих обмежень.

5. Розроблено спосіб оперативного керування довжиною зони циркуляції фурменого вогнища доменної печі і глибиною проникнення газів до центру горна варіюванням кількості працюючих фурм при зміні якості шихтових матеріалів, що завантажуються в піч, і з урахуванням критерію повної механічної енергії струменю дуття.

6. За рахунок застосування повітряних фурм різного діаметра, що чергуються по колу горна, знайдені сполучення глибини проникнення газів до центра і до периферійних ділянок горна, що забезпечують найбільший загальний ступінь використання газу для доменних печей різного об'єму при їх роботі в різних шихтових і дуттєвих умовах.

7. На підставі способу контролю захаращення горну по характеру виходу рідких продуктів плавки з льотки доменної печі розроблена методика визначення необхідних кількостей промивних матеріалів для ліквідації захаращень горну різного типу.

8. Знайдено й обґрунтовано нетрадиційне рішення задачі скорочення витрати природного газу без підвищення витрати коксу за рахунок заміни природного газу в доменній плавці коксовим, а коксового газу в інших виробництвах – продуктами газифікації некоксівного вугілля, які генеруються у вільних від виплавки чавуну обсягах доменних печей.

9. Показано технічну можливість і обґрунтовано економічну ефективність заміни природного газу в доменній плавці продуктами газифікації вугілля при одержанні їх у звільнених від насадки повітронагрівачах.

Реалізація результатів роботи. Наступні результати досліджень і розробок дисертаційної роботи були випробувані і використані на доменних печах КДГМК “Криворіжсталь”:–

у доменних цехах №1 і 2 реалізовані рекомендації з раціонального використання конвертерного шлаку при виділенні з нього металовмісної фракції;–

у доменному цеху №1 реалізовано спосіб оперативного керування довжиною зони циркуляції фурменого вогнища доменної печі і глибиною проникнення газів до центра горна шляхом варіювання кількості працюючих фурм при зміні якості шихтових матеріалів, що завантажуються в піч; –

на основі розробок дисертанта на доменній печі №7 випробувана система підготовки скіпового коксу, яка включає процес “просіювання – дроблення – просіювання” і реалізована в одному апараті, що дозволило поліпшити гранулометричний склад і міцність скіпового коксу;–

здійснена на основі розробок дисертанта робота доменних печей №1,7 і 8 з чергуванням на них по колу повітряних фурм різного діаметра;–

у доменних цехах №1 і 2 використано розроблений метод контролю і ліквідації захаращень горну доменних печей.

Фактично досягнутий економічний ефект від впровадження наукових розробок дорівнює 437331 грн. на рік. Частка автора в цьому економічному ефекті складає 161812 грн. на рік.

Особистий внесок дисертанта. Основні ідеї і положення дисертаційної роботи розроблені особисто дисертантом. Проведення промислових експериментів і впровадження результатів розробок здійснювалися при сприянні фахівців КДГМК “Криворіжсталь” і співробітників Національної металургійної академії України. Обробка даних, отриманих у ході досліджень, а також узагальнення результатів зроблені автором самостійно. Аналітичні дослідження із застосування конвертерного шлаку і заміни природного газу в доменній плавці виконані з використанням ідей, висунутих Й.Г. Товаровським, якому автор вдячний за керівництво цією частиною робіт і участь у дослідженнях.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, включених у дисертацію, доповідались на міжнародній науково-технічній конференції “Стан і перспективи розвитку аглодоменного виробництва України” (Маріуполь, 1997 р.), IV міжнародному конгресі доменників “Доменне виробництво на рубежі ХХІ століття” (Магнітогорськ, 1997 р.), міжнародній науковій конференції “Виробництво чавуну і сталі” (Словаччина, Кошице, 1998 р.), міжнародній конференції “Наукові школи УПІ-УДТУ. З творчою спадщиною Б.І. Китаєва – у ХХІ століття” (Єкатеринбург, 1998 р.), V міжнародному конгресі доменників “Виробництво чавуну на рубежі сторіч” (Дніпропетровськ – Кривий Ріг, 1999 р.), міжнародній конференції “Збагачення руд – 2000” (Санкт-Петербург, 2000 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Використання відходів виробництва гірничо-металургійного та топливно-енергетичного комплексів України, хімічних і гальванічних виробництв у будівельній індустрії та шляховому господарстві” (Київ-Ялта, 2000 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Автоматизований пічний агрегат – основа енергозберігаючих технологій металургії ХХІ століття” (Москва, 2000 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 3 монографіях, 6 статтях у наукових журналах, 2 матеріалах праць міжнародних конференцій і конгресів і захищені 3 патентами на винахід.

Обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків і додатку; викладена на 151 сторінці друкарського тексту, включаючи 11 малюнків, 19 таблиць, 2 сторінки додатку і список використаних літературних джерел із 151 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ДОМЕННОГО ВИРОБНИЦТВА УКРАЇНИ І

РОЗРОБКА КОНЦЕПЦІЇ УДОСКОНАЛЕННЯ УМОВ ДОМЕННОЇ ПЛАВКИ

Найкращі показники доменного виробництва в Україні мали місце в 1988 році. Надалі йшло спочатку повільне, а потім – у 1991-1994 роках – різке їхнє погіршення внаслідок економічної кризи. Починаючи з 1997 року, умови і результати плавки безупинно поліпшуються, хоча і продовжують залишатися на низькому рівні.

За роки занепаду металургії України у світовій металургії відбулися серйозні позитивні зрушення в технології і техніці виробництва чавуну. Розвиток технології на передових підприємствах світу йде по шляху поліпшення якості сировини і коксу, удосконалення параметрів режиму плавки і керування доменним процесом. Задача удосконалення доменного виробництва України в сучасних соціально-економічних умовах вимагає розробки стратегії розвитку технології на кожному підприємстві і послідовного вирішення комплексу структурно-фінансових, організаційно-господарчих і науково-технічних проблем.

Насамперед необхідно визначити мінімальну потребу в чавуні в конкретних кон'юнктурних умовах і величину коливань потреби в ньому. Без цього неможлива організація сучасної високоекономічної і інтенсивної технології, що повинна бути реалізована на групі доменних печей, які призначені для забезпечення стабільної мінімальної потреби в чавуні. При цьому, поряд із кращою підготовкою шихти, високим нагрівом дуття і вдуванням паливних додатків, на цих печах є доцільним збагачення дуття киснем, що відповідає задачі інтенсифікації роботи групи печей і не суперечить загальному обмеженню обсягу виробництва в межах цеху. Інші придатні для експлуатації доменні печі після доробки й освоєння відповідних технологій можуть бути частково або цілком використані для газифікації некоксівних вугіль з поповненням газової системи підприємства, утилізації відходів і виконання інших енергетичних і санітарно-екологічних функцій. При такій організації технології на групі інтенсивно працюючих доменних печей з'явиться потреба у найбільш ефективних технологічних і конструктивних розробках.

Удосконалення процесів підготовки залізорудної сировини і коксу до доменної плавки, що є генеральним напрямком розвитку, вимагає великих капіталовкладень. У зв'язку з цим на даному етапі необхідно знайти найбільш доступні і менш капіталоємні технічні рішення, що забезпечать істотне позитивне зрушення в ефективності виробництва і створить фінансово-ресурсну базу для реалізації в майбутньому більш капіталоємних заходів щодо модернізації виплавки чавуну. До числа найбільш реальних і першочергових заходів для підвищення ефективності доменної плавки на даному етапі можна віднести: –

поліпшення гранулометричного складу агломерату і коксу за рахунок удосконалення їхнього просіювання перед завантаженням у доменну піч;–

раціональне використання вторинних сировинних ресурсів, зокрема конвертерного шлаку;–

оптимізацію складу доменної шихти шляхом вибору її компонентів за заданими критеріями й обмеженнями;–

удосконалення методів керування процесами плавки, зокрема варіюванням параметрів повітряних фурм і впливом на властивості матеріалів у зонах формування продуктів плавки;–

знаходження способів заміни коксу і природного газу в доменній плавці некоксівним вугіллям і продуктами його газифікації.

Розглянуті напрямки удосконалення доменного виробництва вимагають проведення додаткових досліджень, розробки нових технічних і технологічних рішень і являються змістом наступних розділів даної роботи.

2. УДОСКОНАЛЕННЯ ШИХТОВИХ УМОВ РОБОТИ ДОМЕННИХ ПЕЧЕЙ

Гранулометричний склад шихти

Досвідом експлуатації доменних печей встановлено, що подача в піч стабілізованого агломерату з розміром кусків 5-30 мм при вмісті класу -5 мм не більше 9 % дозволяє збільшити продуктивність печі, знизити витрату коксу. Виходячи з цього, скіповий агломерат з вмістом класу -5 мм у межах 8-9 % на металургійних підприємствах країни вважають задовільним. Зниження вмісту дріб'язку в скіповому агломераті є можливим винятково за рахунок багатостадійних схем (3-6 стадій) його обробки, що дозволяє на ряді закордонних аглофабрик знизити вміст зазначеної фракції до 2-3 % при виключенні фракцій крупніше 40 мм. Однак зі збільшенням кількості стадій обробки спеку зростає складність устаткування, збільшуються вихід звороту і дефіцит підготовленої сировини. У зв'язку з цим виникає проблема зменшення розміру традиційно відсіюємого класу агломерату з -5 мм до -3 мм. Розглянемо підстави для вирішення цієї проблеми.

Проведений нами аналіз хімічного складу агломератів, що надходять на доменні печі КДГМК “Криворіжсталь”, показав, що фракція 0-2,5 мм містить найменшу кількість заліза і найбільше – сірки, так що виведення її з шихти поліпшує склад частини, що завантажується в піч. При вивченні гранулометричного складу колошникового пилу встановлена відсутність у ньому часток розміром >3 мм, що свідчить про повне засвоєння таких часток у стовпі шихти.

Встановлено, що для агломератів, які використовуються на КДГМК “Криворіжсталь”, заміна розміру відсіюємої фракції -5 мм при ефективності просіювання 30 % на розмір -3 мм вимагає збільшення ефективності просіювання до 70 %. Показано також, що обмеження верхнього розміру кусків (40 мм) пов'язане з необхідністю додаткового дроблення спеку і видалення дріб'язку, який утворюється при цьому, що теж вимагає збільшення ефективності просіювання. Зазначені задачі повинні вирішуватися в комплексі на основі розробки відповідного устаткування для класифікації матеріалів.

При виділенні з коксу для завантаження в піч фракції 40-80 мм необхідне виключення великих кусків +80 мм і повне видалення фракції -25 мм. Перше традиційно виконується дробленням, а друге – збільшенням ефективності просіювання. Виконані дослідження властивостей крупного коксу дозволили встановити, що дроблення можна замінити операцією обдирання кусків з одержанням економії скіпового коксу.

Дослідження процесу просіювання коксу показали закономірне збільшення втрат скіпового продукту +25 мм при зниженні частки шкідливої фракції -25 мм за рахунок збільшення розміру відносної площини поверхні, що сіє.

При виборі раціонального режиму просіювання коксу встановлені наступні основні характеристики: питоме навантаження – до 20 т/(год.Чм2), що відповідає товщині шару на верхньому ярусі 2-2,5 середніх діаметрів кусків коксу; кут нахилу сита 15-20°, навантаження нижнього ярусу сит – 15-20 % загального навантаження.

Запропоновано використання поверхні класифікації, що виконана у виді набору подовжньо розташованих колосників, які утворюють щілевидні трапецієподібні отвори. Це знижує витрати на їхнє виготовлення і підвищує стійкість поверхні класифікації. Виконані дослідження роботи такого пристрою дозволили вибрати оптимальний середній розмір ширини щілини між колосниками, що складає 0,82...0,84 від розміру отворів на стандартних ситах із квадратними отворами. Як варіант вирішення проблеми було розроблено і випробувано на ДП №7 дробильно-сортувальний комплекс. Оптимальні розміри дробляче-сіючих елементів комплексу визначені експериментально.

Іспити проводилися на доменній печі №7 протягом 26 діб.

Установлено, що в результаті зниження вмісту фракції +80 мм у коксі на 1,9 % приведена продуктивність доменної печи зросла на 2,2 %, а приведена витрата коксу знизилася на 1,3 %.

Раціональне використання конвертерних шлаків

Конвертерні шлаки містять корисні для доменної плавки компоненти, використання яких дозволяє скоротити витрати для виплавки чавуну сировини, що добувається. Крім заліза, що міститься як у вигляді оксидів, так і у вигляді металу, в них міститься значна кількість надлишкового (щодо доменного шлаку) вапна, а також оксиди магнію і марганцю, використання яких сприяє економії флюсів і марганецьвміщуючих компонентів шихти. Підвищений вміст фосфору обмежує максимальні витрати конвертерного шлаку в доменній шихті. Підготовка конвертерного шлаку до доменної плавки для КДГМК “Криворіжсталь” передбачає фракціонування на класи, у ході якого електромагнітами витягається металовмісна фракція (МВФ). У табл. 1 наводяться середні склади одержуваних на сталеплавильних відвалах КДГМК “Криворіжсталь” конвертерного шлаку (КШТ) і металовмісної фракції поточного виробництва (МВФТ), а також одержуваного на деяких підприємствах високоосновного конвертерного шлаку (КШВО) і багатої залізом металовмісної фракції (МВФ60%Fe) у зіставленні із середнім складом замінюваної ними залізорудної сировини (ЗР) і марганецьвміщуючого компонента – шлаку сілікомарганця (ШСМ).

Таблиця 1.

Склади компонентів конвертерних шлаків і замінюваних

ними в доменній шихті залізо- і марганецьвміщуючих матеріалів

Матеріали Вміст, %

Fe Feмет FeO Fe2O3 SiO2 CaO Al2O3 MgO Mn

КШТ 19,6 1,0 17,0 7,7 22,2 37,8 2,8 6,5 6,1

МВФТ 45,75 40,5 4,5 2,5 12,2 18,1 4,5 3,65 3,8

КШВО 17,5 1,0 14,0 7,2 15,0 55,0 1,5 1,5 5,0

МВФ60%Fe 60,0 52,5 6,5 3,5 11,0 16,0 3,0 3,0 3,0

ЗР 55,3 – 10,0 67,9 9,0 11,0 1,0 1,2 0,1

ШСМ – – – – 44,0 20,0 6,5 5,5 19,4

У дисертації розроблена розрахункова методика визначення коефіцієнтів заміни конвертерним шлаком основних компонентів доменної шихти. За цією методикою виконана серія розрахунків з використанням складів матеріалів з табл. 1 при наступних цінах (В) матеріалів в УГО/кг: ВЗР= 0,035; ВМН= 0,008; ВФ= 0,010; ВК= 0,10; ВДШ= 0,0005; ВКШ= 0,0015; ВМВФ = 0,015. Результати наведені у табл. 2.

Для встановлення фактичного впливу завантаження КШ і МЗФ у доменну піч на показники плавки обрали найбільш характерний період роботи доменної печі № 7 з витратою КШ = 32 кг/т і МВФ = 35 кг/т чавуну (березень-червень 1999 р.) і порівняли його із суміжним періодом після виведення із шихти основної частини КШ і МВФ (липень-вересень 1999 р.).

Таблиця 2.

Економія (+) чи перевитрата (-) матеріалів (кг/кг) і коштів

(100 ЧУГО/ кг) при завантаженні в доменну піч КШ і їх МВФ

Матеріали КШТ МВФТ КШВО МВФ60%Fe

ЗР шихта 0,355 0,827 0,316 1,085

ШСМ 0,310 0,190 0,260 0,155

Вапно 0,213 0,095 0,455 0,077

Вапняк 0,425 0,190 0,910 0,153

Шлак доменний -0,187 -0,085 -0,031 0,074

Кокс при rd = 0,3 (DФ > 0) 0,086 0,099 0,260 0,137

Кокс при rd = 0,5 (DФ > 0) 0,087 0,139 0,261 0,191

Кокс при rd = 0,3 (DФ = 0) -0,037 0,044 -0,004 0,093

Кокс при rd = 0,5 (DФ = 0) -0,038 0,084 -0,003 0,147

Грошова економія при rd = 0,3/0,5 (DФ > 0) 2,21 2,73/3,13 4,67 3,95/4,49

Те ж без витрат на КШ і МВФ 2,36 4,23/4,63 4,82 5,45/5,99

Грошова економія при rd = 0,3/0,5 (DФ = 0) 0,98 2,16/2,56 2,03 3,51/4,05

Те ж без витрат на КШ і МВФ 1,13 3,66/4,06 2,18 5,01/5,55

Зміни витрат склали (+ збільшення; - зменшення), кг/т чавуну:

За балансом Фактично

Залізорудної сировини 31Ч0,355+33Ч0,83=38,4 1778-1728=50,0

ШСМ 31Ч0,31+33Ч0,19=15,9 13,0-3,0=10,0

Вапняку 31Ч0,43+33Ч0,19=19,6 78,0-56,0=22,0

Коксу 31Ч0,086+33Ч0,119=6,6 584-555=29,0

Фактично отримані величини економії залізорудної сировини, ШСМ і вапняку близькі до балансових з урахуванням можливих помилок технологічного обліку, а фактична економія коксу значно перевищує очікувану за балансом. Балансові величини економії при будь-яких умовах і допущеннях не перевищують фактично отриманих і можуть використовуватися для оцінки мінімально можливого ефекту. Економічна оцінка ефекту в цінах 1999 року від введення в доменну шихту печі № 7 додатково 31 кг/т чавуну КШ і 33 кг/т чавуну МВФ оцінюється величиною економії 4,37 грн/т чавуну.

На основі виконаного аналізу виявлені закономірності формування ефекту від завантаження в доменну піч конвертерного шлаку і металовмісного продукту, що відмагнічується в ході підготовки матеріалу до подальшого використання. Сутність їх у тім, що основна маса КШ заощаджує тим більше коксу, чим вище її основність і відповідно – можливості заміни сирого флюсу в шихті доменної печі. Відмагнічена МВФ містить металеве залізо і сприяє тим більшій економії коксу, чим вище ступінь прямого відновлення в доменній печі; відповідно, – вище й економічний ефект.

Оптимізація складу доменної шихти

В сучасних умовах на кожному металургійному підприємстві часто примушені вирішувати питання вибору постачальників залізорудної сировини і палива з метою мінімізації собівартості чавуну. Для забезпечення можливості оперативного рішення цієї задачі дисертантом розроблений алгоритм розрахункового пошуку оптимального складу доменної шихти за критерієм її мінімальної вартості. Мінімізація вартості шихти практично рівнозначна мінімізації собівартості чавуну. Пошукова задача вирішується з використанням симплекс-методу. У розрахунку шихти беруть участь потенційно наявні рудні матеріали, додатки (сталеплавильні шлаки, вапняк та ін.), а також кокс.

Обмеженнями в програмі розрахункового пошуку складу шихти є:

а) максимально припустимі за умовами постачання або з інших міркувань питомі витрати кожного виду шихти; б) фіксовані витрати якихось рудних матеріалів або додатків, наприклад, агломерату власної аглофабрики; в) задана основність шлаку; г) максимально припустимий прихід із шихтою на 1т чавуну кожної зі шкідливих домішок, а також дрібної фракції; д) мінімально припустима чи задана кількість у шихті на 1т чавуну корисних домішок.

Оскільки шихта розраховується за балансом заліза, до обмежень можна віднести також вміст заліза в чавуні. Інформація про всі потенційно наявні шихтові матеріали вводиться користувачем при заповненні або корегуванні основної початкової таблиці.

Рішення пошукової задачі здійснюється після її попередньої лінеаризації за рахунок умовного виключення зі складу шихти коксу, витрата якого залежить від складу рудної частини шихти, і при одночасному використанні в розрахунку не дійсної, а умовної ціни кожного компонента шихти. Умовна ціна враховує вплив витрати цього шихтового матеріалу на витрату коксу і розраховується автоматично за даними про склад матеріалу. У явному вигляді умовні ціни ніде не фігурують. Розрахунок вартості шихти ведеться у доповненнях до заданого базового складу шихти, для якого достовірно відомі рівень витрати коксу і продуктивність доменної печі.

Таблиця 3.

Приклад підсумкової таблиці “Склад шихти мінімальної вартості”

Матеріал Витрата, кг/т чав. Ціна, УГО/т Вартість, УГО/т чав.

Агломерат-2 Окатиші-1 Конвертерний шлак 1000,0 792,6 38,4 21,44 32,70 10,80 21,44 25,92 0,41

Рудна шихта 1831,0 – 47,77

Кокс 524,6 112,0 58,76

Вартість усієї шихти 106,53

3. УДОСКОНАЛЕННЯ УМОВ РОБОТИ ГОРНА ДОМЕННОЇ ПЕЧІ

Параметри фурмених вогнищ і керування дуттєвим режимом

Розміри фурмених вогнищ визначають характер процесів плавки в області горна і формуються під впливом параметрів дуттєвого струму біля фурм. Одним з найважливіших є подовжній розмір розпушеної зони фурменого вогнища, що впливає на розподіл газового потоку уздовж радіуса печі. При цьому, як правило, оперативну оцінку довжини розпушеної зони роблять за посередніми параметрами на основі встановлення зв'язків цих параметрів з довжиною зони розпушення. Найбільш характерним посереднім параметром є кінетична енергія (потужність) дуттєвого потоку, що обчислюється за значеннями параметрів дуття (кількості, тиску, температури, складу) і параметрів фурм. Однак величиною кінетичної енергії (потужності) враховується лише сила динамічного тиску, але не враховується сила статичного тиску струменя дуття на шар коксу перед фурмою доменної печі. Тому вона не відбиває повною мірою баланс сил, що утворюють зону розпушення. Врахування сил статичного і динамічного тиску струменя дуття дало можливість одержати рівняння, що зв'язує довжину зони з параметрами струменя дуття і характеристиками середовища перед фурмами.

Рівняння отримано прямим математичним моделюванням процесів у зоні циркуляції:

де Qод – об'ємна витрата дуття, м3/с;

Рд – абсолютний тиск дуття, Па;

Тд – температура дуття, °С;

n – кількість фурм;

dф – діаметр фурми, м;

rк – насипна щільність коксу, кг/м3;

dк –середній діаметр кусків коксу, м;

a – кут відхилення струменя від первісного напрямку, град; –

коефіцієнт, що характеризує властивості газо-сипучого середовища в зоні горіння (циркуляції коксу).

Характеристика розмірів фурмених вогнищ за критерієм повної механічної енергії (потужності) потоку дуття з визначенням довжини зони горіння на основі отриманого рівняння дозволила розробити спосіб керування параметрами дуттєвого режиму при змінах якості шихтових матеріалів, складу і температури дуття. Повну оптимальну механічну енергію потоку комбінованого дуття визначають у попередні періоди роботи печі з найкращими показниками. Надалі повну оптимальну механічну енергію потоку комбінованого дуття періодично уточнюють і підтримують у нових умовах, змінюючи число працюючих фурм, а краще – діаметр фурм. Якщо частота необхідних змін діаметра фурм висока, то доцільно використовувати вставки у фурми.

В деяких умовах плавки позитивний вплив подовження фурмених вогнищ на газорозподіл у горні супроводжується ослабленням активності периферійних (міжфурмених) ділянок горна за рахунок зменшення поперечних розмірів вогнищ. Так, при малоінтенсивній роботі печі і відповідно малій витраті дуття обсяг фурмених вогнищ є обмеженим, і їхнє подовження за рахунок, наприклад, зменшення діаметра фурм призводить до зменшення поперечних розмірів і втрати “змикання” сусідніх вогнищ. Найкраще рішення задачі може бути знайдене на шляху комбінування фурм різного діаметра по колу печі. Таке рішення є емпіричним і відповідає конкретним умовам доменної плавки. Воно було знайдено для доменних печей КДГМК “Криворіжсталь”.

На доменній печі № 7 об'ємом 2000 м3 встановили повітряні фурми діаметром 160 мм, що чергуються з фурмами діаметром 140 мм. При цьому збільшили витрату дуття при деякому зниженні надлишкового тиску газу на колошнику (з 159 до 151 кПа). Загальний перепад статичного тиску газу при цьому зріс з 126 до 134 кПа, причому порушень рівності ходу печі не спостерігалося. Ступінь використання монооксиду вуглецю збільшився з 42,1 % до 42,5 %, зросла інтенсивність горіння коксу, витрата коксу знизилась на 5,4 кг/т чавуну (у приведеному вигляді – на 10,7 кг/т чав.), продуктивність печі збільшилася на 74,4 т/добу (приведена – на 93,5 т/добу). На доменній печі № 8 об'ємом 2700 м3 у період роботи з комбінуванням по колу фурм діаметром 165 мм із висувом 500 мм і діаметром 170 мм із висувом 650 мм одержали поліпшення показників плавки в порівнянні з роботою на фурмах діаметром 165 мм: приведене виробництво підвищилося на 5,3 %, а приведена витрата коксу знизилась на 6,4 %. На доменній печі №1 об'ємом 1719 м3 у період нестабільної роботи з організаційних причин встановили фурми, що чергуються, діаметром 180 мм і 150 мм замість фурм одного діаметра – 150 мм. Робота печі стабілізувалася.

Керування станом горна доменної печі

Основними причинами захаращення горна доменної печі є утворення коксового дріб'язку через погіршення якості коксу, а також неплавких мас на основі графіту, вапняку і його силікатів або алюмінатів, що випадають у самостійні тверді фази з чавуну і шлаку внаслідок зміни умов їхньої граничної розчинності.

Для аналізу явищ захаращення скористалися фізичною моделлю, що припускає періодичне виникнення в центрі горна нижче повітряних фурм області, непроникної для шлаку внаслідок зниження там температур до рівня, при якому шлак не може знаходитися в рідкорухомому стані. Відповідно до запропонованої моделі накопичення рідких продуктів плавки чавун розміщується в горні по всьому його перетину рівномірно, а шлак накопичується переважно в периферійному кільці. Відношення маси чавуну, що вийшов з льотки до появи нижнього шлаку, до загальної маси чавуну за випуск характеризує дренажну здатність горна і рівномірність прогріву горна по перетину. Наближення відношення до 1,0 вказує на відсутність захаращення горна і його гарний прогрів по перетину. У цьому випадку спочатку з льотки виходить тільки чавун, а потім, наприкінці випуску, – чавун і шлак. Наближення відношення до нуля вказує на захаращення горна і низькі температури в його центрі, при яких шлак не може знаходитися в рідкорухомому стані. У центрі створюється стовп матеріалів, непроникних для шлаку, і він накопичується на периферії, відтискуючи чавун від льотки і виходячи з неї раніше чавуну. Дослідження на доменних печах КДГМК “Криворіжсталь” показали, що стійке захаращення горна починалося зі співвідношення 0,25 і нижче.

Цей спосіб контролю захаращення горна дозволяє вчасно діагностувати стан горна і запобігати розладу ходу доменних печей організацією своєчасних “промивань” з урахуванням встановленого обсягу захаращення горна. Визначення маси необхідного для “промивання” матеріалу включає, крім визначення обсягів захаращення (повного – Vз і центрального – Vцк), встановлення щільності відкладень, вмісту в них вуглецю, а також насипної щільності коксу. Вихідні дані визначаються емпірично і перевіряються результатами використання розрахункових даних на доменних печах. У табл. 4 наводяться результати визначення необхідної кількості зварювального шлаку (52 % Fe) для доменних печей різного об'єму, яка є необхідною для “промивання” горна.

Таблиця 4.

Кількість зварювального шлаку, необхідна для “промивання”

горна при повному (Мсв. ш.) і центральному () захаращеннях

Об'єм печі, м3 Кіл-ть фурм Vз, м3 Vцк, м3 Мсв. ш., т т

1719 20 76,0 25,3 259,4 86,3

2000 24 87,5 35,6 298,6 121,5

2700 24 139,6 55,9 476,4 190,8

4. СКОРОЧЕННЯ ВИТРАТИ ПРИРОДНОГО ГАЗУ ЗА РАХУНОК ЙОГО

ЗАМІНИ ІНШИМИ ЕНЕРГОНОСІЯМИ

В даний час в Україні єдиним замінником частини коксу в доменній плавці є природний газ, вартість якого досягла, а в ряді випадків перевищила, вартість заміненого ним коксу. До того ж основна частина природного газу імпортується в Україну. У цій ситуації розробка і реалізація технології доменної плавки з заміною частини або всього природного газу іншими енергоносіями може позитивно вирішити комплекс економічних, паливно-енергетичних і соціально-структурних проблем чорної металургії на шляху підвищення ефективності її функціонування. Тому на даному етапі особливу значущість набувають технології доменної плавки з заміною природного газу коксовим газом, пиловугільним паливом і продуктами газифікації некоксівного вугілля.

Заміна природного газу коксовим газом

У ситуації, що склалася, проблема коксозбереження може бути вирішена реструктуризацією паливного балансу, суть якої полягає в тому, що природний газ у доменній плавці замінюється коксовим, а потреба коксового газу покривається за рахунок виробництва високотеплотворного газу з некоксівних вугіль у звільнених в зв'язку зі зменшенням загальної виплавки чавуну об'ємах доменних печей. Коксовий газ у даний час використовується в якості високотеплотворного газового палива для енергетичних потреб металургійних і коксохімічних підприємств. Однак його металургійна цінність значно вище теплотехнічної, оскільки в складі коксового газу 94-95 % відновлювальних компонентів (водень, вуглеводи, монооксид вуглецю) – потенційних замінників коксу в процесах відновлення в доменній печі.

Розробка нової технології має за мету вирішення комплексу науково-технічних задач, найважливішою з яких є визначення на основі паливного балансу підприємства максимально можливих обсягів вивільнення коксового газу для вдування в доменні печі з визначенням альтернативних палив для використання в коксохімічному, металургійному виробництвах і на ТЕЦ.

В існуючих умовах альтернативним паливом можуть бути тільки енергетичні вугілля, перетворені на газ. Однак спеціальна організація газогенераторного процесу для забезпечення енергопотреб підприємства вимагає значних витрат. У той же час діючі доменні печі є ідеальними газогенераторами і можуть виконувати цю функцію поряд з основною при наявності резервів потужності. Оскільки резерви потужності є майже у всіх доменних цехах України, рішення задачі можна вважати реальним. Замість зупинки доменних печей доцільно переводити окремі з них у частковий режим газогенератора, тобто в режим зменшення виробництва чавуну і збільшення виходу колошникового газу при побіжному збільшенні виходу шлаку. При цьому треба прагнути підняти теплотворну здатність газу і використовувати для цих цілей низькосортне паливо, а також разом з цим утилізувати відходи.

Для рішення поставленої задачі розроблено спосіб роботи доменної печі, що полягає в переведенні її з переважного виробництва чавуну на переважне виробництво колошникового газу. Це здійснюється частковою чи повною заміною підготовлених залізорудних матеріалів на суміш непідготовлених залізорудних матеріалів, промислових відходів, флюсу, “промивних” матеріалів з низькосортним паливом при мінімально потрібній витраті коксу, а також зміною параметрів комбінованого дуття, наприклад, зниженням його температури. При цьому суміш непідготовлених залізорудних матеріалів, промислових відходів, флюсу, а також “промивних” матеріалів з низькосортним паливом завантажують у проміжне кільце між периферією і центром колошника.

Вдування пиловугільного палива

Виконаний для доменної печі № 9 КДГМК “Криворіжсталь” проект комплексу вдування пиловугільного палива не був реалізований через відсутність коштів на спорудження, але в перспективі розглядається як один з важливих кроків на шляху зниження витрати коксу і скорочення витрати природного газу. Задача забезпечення максимальної заміни коксу вугіллям потребує знаходження нетрадиційних рішень в організації процесу газифікації вугілля, що вдувається, і конструкції вузла введення пиловугільного палива. У рамках цих рішень можливе розширення сортаменту вугіль, що вдуваються, для значного збільшення ефективності нової технології. Тому реалізація проекту спорудження комплексу вдування пиловугільного палива й освоєння технології доменної плавки на доменній печі № 9 КДГМК “Криворіжсталь” може спиратися не тільки на відомі результати, але й на нові дослідження і розробки.

При виборі режимів плавки, що забезпечують максимальну заміну коксу вугіллям при повному вилученні природного газу, буде потрібно передбачити деяке зниження вмісту кисню в дутті і введення додатків, що знижують теоретичну температуру горіння. Найбільш доцільно використовувати коксовий газ. Виходячи з цього, виконали розрахунок очікуваних показників, прийнявши за базу роботу доменної печі в кращий період (табл. 5).

Таблиця 5.

Показники роботи доменної печі об'ємом 5000 м3 у базовому

періоді (Б) і при вдуванні пиловугільного палива і коксового газу (ПВП)

Показники Б ПВП

Продуктивність, т/добу 9590 9590

Витрата коксу, кг/т чав. 454 360

Температура дуття, °С 1112 1200

Кисень у дутті, % 29,2 25,0

Витрата природного газу, м3/т чав. 114 0

Витрата коксового газу, м3/т чав. 0 100

Витрата вугілля, кг/т чав. 0 150

Теоретична температура горіння, °С 2138 2120

З таблиці випливає, що за рахунок вдування вугілля (150 кг/т чав.) і коксового газу (100 м3/т чав.) вивільнюється природний газ (114 м3/т чавуну) і скорочується витрата коксу на 94 кг/т чавуну. За таких умов продукція печі буде конкурентноздатною і окупить витрати протягом 2-3 років.

Заміна природного газу продуктами газифікації вугілля

Одним із шляхів вирішення розглянутої проблеми може бути газифікація вугілля в звільненому від насадки повітронагрівачі (ПН) із вдуванням отриманого газу через фурмені прилади в доменну піч (ДП). Можливі дві схеми технології на основі газифікації кускового і дрібнозернистого вугілля. При газифікації кускового вугілля він завантажується в камеру насадки ПН, що звільнена від насадки, через шлюзуючий пристрій, встановлений на куполі. У нижню її частину подається технологічний кисень (О2) чи нагріте атмосферне дуття (НАД) у суміші з нагрітим колошниковим газом (НКГ). У протитечі стовпа вугілля й окислювача відбувається газифікація. Продукти газифікації прямують в камеру горіння ПН (тепер – камеру рекуперації), де вони віддають частину тепла колошниковому газу, який пропускається через рекуператор і потім направляється в суміші з окислювачем у камеру газифікації. Охолоджені продукти газифікації – відновлювальні гази (ВГ) – направляються по тракту до фурмених приладів ДП (основна частина) і окремим потоком – на вхід у камеру рекуперації для зниження температури продуктів газифікації, що виходять зі стовпа вугілля, від 1300-1350 °С до 900-1100 °С.

Розроблено аналогічну схему газифікації дрібнозернистого вугілля.

Розрахунки провели для двох варіантів: з подачею холодного кисню (ХК) і з подачею нагрітого (1000 °С) атмосферного дуття (НАД). Прийнято наступні ціни (умовних грошових одиниць – УГО): кокс – 100 УГО/т; ПГ – 85 УГО/1000м3; вугілля – 40 УГО/т; кисень – 45 УГО/1000м3; КГ– 8 УГО/1000м3; дуття – 2,5 УГО/1000 м3.

При потрібних витратах вугілля, кисню, дуття і колошникового газу на одержання одиниці ВГ вартість 1000 м3 ВГ складе (УГО): при газифікації кускового вугілля ХК – 17,93; НАД – 12,19; при газифікації дрібнозернистого вугілля ХК – 24,12; НАД – 12,28. Результати – у табл. 6.

Таблиця 6.

Зміна собівартості чавуну при вдуванні ВГ замість

100 м3/т чавуну природного газу, УГО/т (+ збільшення, - зменшення)

Статті витрат Витрата ВГ при газифікації кускового вугілля Витрата ВГ при газифікації дрібнозернистого вугілля

440 м3/т 720 м3/т 440 м3/т 800 м3/т

ХК НАД ХК НАД ХК НАД ХК НАД

Вартість ВГ +7,89 +5,36 +12,9 +8,77 +10,6 +5,4 +19,3 +9,82

Вартість ПГ -8,5 -8,5 -8,5 -8,5 -8,5 -8,5 -8,5 -8,5

Вартість заощадженого коксу – +3,2 -5,0 – -1,25 +3,6 -8,8 –

Вартість заощадженого КГ -0,32 -0,64 -0,53 -1,04 -0,95 -1,22 -1,73 -2,22

Зміна вартості чавуну з урахуванням підвищення температури дуття -3,9 -3,6 -4,1 -3,8 -3,1 -3,7 -2,7 -3,9

ВИСНОВКИ

1. Дисертація присвячена теоретичному обґрунтуванню і реалізації першочергових для сучасних умов заходів щодо зменшення матеріальних і енергетичних витрат на виплавку чавуну.

2. На основі аналізу