Міністерство освіти і науки україни

національна металургійна академія україни

МОВЧАН Володимир Петрович

УДК 622.7: 622.785.6

Підвищення ефективності виробництва залізорудних

обкотишів на основі впровадження нових

енерго- і ресурсозберігаючих технологій

05.16.02 - “Металургія чорних металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України

Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: | Доктор технічних наук, професор

КОВАЛЬОВ Дмитро Арсентьович,

Національна металургійна академія України, Професор кафедри металургії чавуну | Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Чернятевич Анатолій Григорович

завідувач кафедрою руднотермічних процесів Дніпродзержинського державного технічного університету (м.Дніпродзержинськ); | доктор технічних наук, професор Петрушов Станіслав Миколайович

професор кафедри “Металургія чорних металів” Донбаського державного технічного університету (м.Алчевськ); | доктор технічних наук, професор Донсков Євген Гаврилович

головний технолог аглодоменого і коксового виробництва ВАТ “Криворіжсталь”

(м.Кривий Ріг); | Провідна установа: Приазовський державний технічний університет,

кафедра металургії чавуну (м.Маріуполь). |

Захист відбудеться “_28_” _____12____ 2004 р. в ___1230__ годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.084.03 Національної металургійної 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 “_25_” ____11___ 2004 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор______________________________Л.В. Камкіна.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Висока ресурсоємність металургії є не тільки наслідком матеріалоємності виробництва, а й результатом недосконалості технологічних процесів і низької якості продукції на всіх стадіях переділу, починаючи від здобичі і збагачення залізняку і закінчуючи виробництвом прокату. Достатньо сказати, що при збагаченні залізняку втрачається до 25 – 30 % заліза; вміст дріб`язку (фракція менше 5 мм) в товарних обкотишах складає 5 – 6 %, тоді як в зарубіжних аналогах ці показники складають відповідно 10 – 15 % заліза і близько 3,5% дріб`язку. Крім фактичних втрат сировини, які пов'язани з винесенням пилу, підвищений вміст дрібних фракцій в залізорудній частині шихти доменних печей супроводжується перевитратою коксу, яка складає 0,2 % на кожен відсоток збільшення дріб`язку. Резерв економії енергоресурсів в металургійній галузі України оцінюється величиною близько 30 %. Це вимагає розробки теоретико-методичної основи для підвищення ефективності виробництва залізорудних обкотишів, а також створення і впровадження нових технологій, що забезпечують зниження енерговитрат на виробництво залізорудної сировини і поліпшення ії якості.

Рішення поставленої проблеми здійснене в дисертації за рахунок утилізації відходів збагачення залізняку і металургійного виробництва; вдосконалення технології обпалення обкотишів комбінованим паливом.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Державної програми розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року і Державної програми енергозбереження. Основу дисертації складають наукові дослідження, які виконані при проведенні науково-дослідних робіт: “Розробка рекомендацій по зниженню витрати активаторів при виробництві бентоніта з лужноземельних глин для виробництва обкотишів” - № державної реєстрації 0398U006160; “Розробка технології виробництва обпалених обкотишів з використанням різних видів твердого палива” - № державної реєстрації 0102U005713; “Оптимізація технологічних параметрів термічної обробки залізорудних обкотишів, що містять різні види твердого палива” - № державної реєстрації 0103U002294; “Поліпшення металургійних властивостей залізорудних обкотишів при добавках в шихту колошникового пилу доменних печей” - № державної реєстрації 0103U002293; “Підвищення ефективності виробництва залізорудних обкотишів на основі впровадження нових енерго- і ресурсозберігаючих технологій” - № державної реєстрації 0102U005712. Виконання дослідженнь здійснювалося по планах науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток наукового і практичного базису вдосконалення виробництва залізорудних обкотишів за рахунок розробки і впровадження енерго- і ресурсозберігаючих технологій, що забезпечують найбільш повне використання різних видів палива і утилізацію відходів збагачувальних фабрик, які містять залізо. Для вирішення поставленої проблеми визначено задачі дослідження:

- комплексне дослідження газодинамічних процесів і тепломасообміну при термічній обробці залізорудних обкотишів з використанням різних видів палива і розробка физико-хімічної моделі окислювально-відновлювальних процесів в шарі залізорудних обкотишів;

- розробка ефективних способів інтенсифікації газодинамічних процесів і тепломасообміну при обпаленні обкотишів на конвейєрних машинах;

- комплексне дослідження процесів розділення по мінералогічному складу відходів, які містять залізо, після збагачення при зливі їх в хвостосховище і розробка математичної моделі для розрахунку концентрації магнітних і окислених фракцій заліза в певних зонах хвостосховища;

- розробка технологічних і технічних рішень для підвищення ефективності використання комбінованого (газоподібного і твердого) палива при обпаленні обкотишів з магнетітового і гематітового концентратів для отримання обкотишів з металургійними властивостями, що задовольняють вимогам доменної плавки, розрахованіми з використанням розроблених регресійних моделей;

- розробка рекомендацій по оптимізації складу шихти на основі прогнозних оцінок з відповідною корекцією вмісту вуглецю, основності, виду залізорудного концентрату і флюсу;

- розробка технологічної схеми підготовки і утилізації відходів, які містять залізо і заскладьовани в хвостосховище, з метою отримання високоякісних концентратів для виробництва залізорудних обкотишів.

Об'єкт дослідження: процеси термічної обробки обкотишів на конвейєрних обпалювальних машинах з використанням комбінованого палива, металургійні властивості обкотишів; процеси розділення відходів збагачення по мінералогічному складу при зливі їх в хвостосховище.

Предмет дослідження: методи і способи енерго- і ресурсозберігання при виробництві залізорудних обкотишів.

Методи дослідження. На основі наукових узагальнень, теоретичних розробок і експериментальних досліджень в лабораторних умовах і на промислових агрегатах розв'язана важлива науково-прикладна проблема підвищення ефективності виробництва залізорудних обкотишів. Для досягнення поставленої мети були використані методи математичного і фізичного моделювання, фундаментальні положення законів масо- і теплообміну, газо- і гідродинаміки. Физико-хімічні процеси, що протікають в суміші шихтових матеріалів, досліджували методом диференціально-термічного аналізу. Визначення основних технологічних параметрів обпалення обкотишів здійснене на експериментальних установках фабрики огрудкування Центрального ГЗКу, інституту “Механобрчормет” і Національної металургійної академії України. Визначення металургійних властивостей обкотишів виконано на експериментальних установках інституту чорної металургії НАН України відповідно до Державних стандартів України.

Промислові дослідження і впровадження нових і вдосконалених технологій по енерго- і ресурсозберіганню здійснено на Центральному гірничо-збагачувальному комбінаті.

Наукова новизна отриманих результатів, які виносяться на захист. В дисертаційній роботі одержали подальший розвиток наукові основи енерго- і ресурсозберігання при виробництві залізорудних обкотишів за рахунок використання комбінованого палива і утилізації відходів збагачення гірничо-збагачувальних комбінатів, які містять залізо.

Нові наукові результати, які одержані автором, полягають в наступному:

1. На основі аналізу окислювально-відновлювальних процесів, що протікають при обпаленні обкотишів комбінованим (газоподібним і твердим) паливом, уперше на відміну від загальноприйнятої теорії, встановлено, що при добавках твердого палива в шихту частина теплоти від горіння вуглецю в струмі газу-теплоносія безпосередньо використовується в зоні обпалення. Друга частина теплоти виділяється в зоні охолоджування при окисленні магнетиту, що утворився в результаті процесів відновлення при обпаленні обкотишів. Теплота, що виділилася, повертається в зони термообробки обкотишів з нагрітим в зоні охолоджування повітрям. Частка теплоти, яка внесена за рахунок підвищення вмісту теплоти нагрітого повітря при окисленні магнетиту, складає 55,4 – 65,2 % від теплоти заощадженого природного газу.

2. На основі аналізу параметрів нагрітого повітря над зоною охолоджування розроблені науково-методичні основи розділення нагрітого повітря на високотемпературне (ВТП) і низькотемпературне (НТП) з використанням їх параметрів: об'єму і температури; об'єму повітря для охолоджування і температури охолоджених обкотишів. Межею між ВТП і НТП прийнята температура охолоджених обкотишів 500С. У інтервалі температур 1200С -500С об'єм нагрітого повітря уздовж обпалювальної машини зменшується, а при охолоджуванні обкотишів від 500С до 100С витрата охолоджуючого повітря збільшується.

3. Одержали подальший розвиток наукові основи управління технологічним процесом обпалення залізорудних обкотишів продуктами горіння природного газу і добавками твердого палива в шихту за рахунок оптимізації тепломасообміну по висоті шару. Встановлено, що добавка твердого палива в шихту забезпечує нагрів шару обкотишів тепловою хвилею, на відміну від нагріву тепловим фронтом при спалюванні природного газу. Нагрів тепловою хвилею збільшує частку рекупірованої теплоти в нижніх частинах шару, що забезпечує рівномірність обпалення обкотишів по висоті шару.

4. На основі наукового аналізу гідродинамічних, седіментаційних і сегрегаційних процесів при зливі відходів збагачення залізної руди (пульпи) в хвостосховище розвинені закономірності формування ділянок з підвищеною концентрацією оксидів заліза та їх прогнозного оцінювання з урахуванням критеріїв розділення оксидів заліза і порожньої породи, відносних швидкостей потоку пульпи і твердих часток, швидкостей седіментації і сегрегації часток за висотою шару, що формується.

Встановлена нижня межа концентрації заліза в магнетитових фракціях ділянок, які були збагачені, при якій економічно доцільно видобувати залізо з відходів збагачення. Ділянки хвостосховища з концентрацією магнітного заліза більш 10 % утворюють “техногенне родовище”.

5. Уперше розрахунково-аналітичними дослідженнями обгрунтована необхідність використання для оцінки якості обкотишів з перспективних складів шихт, розроблених комплексних критеріїв складу шихти, які адекватно відображають зміну металургійних властивостей обкотишів. Зниження кількості первинного високозакисного розплаву і зменшення в ньому концентрації монооксиду заліза здійснюється за рахунок зменшення вмісту кремнезему, збільшення основності, заміни оксиду кальцію на оксид магнію, введення добавок, які містять вуглець.

Одержані результати складають теоретико-методичну основу для створення ефективних технологій енерго- і ресурсозбереження.

Вірогідність результатів дослідження. Сформульовані наукові положення дисертаційної роботи, висновки і рекомендації є вірогідними і відповідають об'єктивній дійсності. Вірогідність одержаних результатів і висновків при рішенні проблеми базується на обгрунтованості застосованих методів дослідження: використання сертифікованої установки для оцінки високотемпературних властивостей агломерату і обкотишів, і термогравіметричних характеристик шихт, які містять вуглець; використання вимірювальних приладів, які пройшли повірку держстандарту; застосування математичної моделі для розрахунку концентрації оксидів заліза і порожньої породи в певних місцях хвостосховища, адекватність якої була доведена і практично підтверджена; задовільною збіжністю результатів моделювання, теплотехнічних розрахунків, стендових випробувань і результатів впровадження на промислових агрегатах.

Практичне значення одержаних результатів.

Проведені дослідження дозволили створити ефективні технології підготовки залізорудної сировини для доменної плавки і її огрудкування на базі розроблених автором физико-хімічних і математичних моделей.

- розроблена вдосконалена технологія виробництва залізорудних обкотишів з шихт із добавкою 8-10 кг твердого палива. Нове рішення полягає у тому, що для запобігання переоплавлення обкотишів температури обпалення повинні змінюваться в інтервалі 1180-1230С, а період окислення при 1000-1050С поєднується з охолоджуванням. Це дозволило понизити витрату природного газу на 4,5 м3/т обкотишів. Технологія знаходиться в експлуатації з 2000 року. Економічний ефект склав 2920,3 тис. грн.

- розроблена технологія підготовки відходів збагачення, які містять залізо і заскладовані в хвостосховище для отримання з них концентратів. Технологія дозволяє виробляти залізорудний концентрат із вмістом заліза більше 66 %. Вона знаходиться в експлуатації з 2000 року. Економічний ефект склав близько 9,452 млн. грн.

Практичне значення результатів дисертації полягає у тому, що в результаті узагальнення відомих технологічних показників і розробки нових наукових положень закладені сучасні методологічні основи підвищення ефективності виробництва залізорудних обкотишів на базі створених і впроваджених технологій.

Розроблені технології впроваджені на Центральному гірничо-збагачувальному комбінаті.

Особистий внесок здобувача. Постановка і формулювання наукової проблеми, мети і задач роботи; розробка нової методології досліджень і теоретичних основ процесів термічної обробки залізорудних обкотишів комбінованим паливом і формування техногенного родовища з відходів збагачення виконані автором самостійно. Експериментальні роботи проведені при особистій участі автора як керівника робіт.

У роботах, які приведені в авторефераті і опубліковані із співавторами, автору дисертації належать: [1] – розділи 12; 13; 14; [2] – розділи – 3; [3] – розділи – 6,8; [4, 5, 16, 19] – розробка технології і наукове обгрунтування перерозподілу зон обпалювальної машини; [6, 7, 10] - наукове обгрунтування впливу добавок вуглецю на якість обкотишів, розробка статистичних моделей для термообробки обкотишів при обпаленні окислених і магнетитових обкотишів і розробка физико-хімічної моделі обпалення обкотишів з твердим паливом; [18, 19, 23, 24] – наукове обгрунтування формування техногенного залізорудного родовища в хвостосховищах ГЗКів і удосконалення технологічних схем їх підготовки; [28 - 33] – формулювання наукової новизни технічних рішень і керівництво їх впровадженням. Проведення лабораторних і промислових експериментів, впровадження результатів розробок здійснювалося за участю співробітників НМетАУ, Інституту чорної металургії НАН України, інституту “Механобрчормет”, Центрального гірничозбагачувального комбінату, Енакиєвського металургійного заводу і металургійного заводу ім. Петровського. Основні ідеї і наукові положення дисертаційної роботи розроблені і опубліковані автором одноосібно.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, які включени в дисертаційну роботу, повідомлені на Міжнародному конгресі доменщиків “Виробництво чавуну на рубежі сторіч” (м. Дніпропетровськ – м. Кривий Ріг, 1999 р.); на III міжнародній конференції “Нові технології в металургії і інженерному матеріалознавстві” (Політехнічна академія, м. Ченстохов, Польша, – 2002 р.); на Міждержавній науково-технічній конференції “Сучасна металургія початку нового тисячоріччя” (м.Липецьк, Росія, 2001р.), на міжнародній конференції “Теплотехніка і енергетика в металургії” (м. Дніпропетровськ, 2002 р.), на Міжнародному конгресі металургів (м. Шибеник, Хорватія, 2002 р.), на III Міжнародному симпозіумі “Якість 2000” (м. Кривий Ріг, КТУ, 2002 р.), на Науково-технічній конференції “Перспективи розвитку залізорудної промисловості Кривбасса (м. Кривий Ріг, АГН, 2002 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Теорія і практика виробництва чавуну” (до 70-річчя КДГМК “Криворіжсталь” - м. Кривий Ріг - 2004 р.

Публікації. Результати роботи опубліковані в 2 монографіях, 23 статтях в наукових журналах і збірниках наукових праць, 1 авторському свідоцтві СРСР, 6 патентах України і 1 патенту Росії, 2 матеріалах праць науково-технічних конференцій і конгресів, 1 учбовому посібнику.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, список використаних джерел з 264 найменувань на 28 сторінках і 4 додатків на 19 сторінках, викладена на 421 сторінках, 80 таблиць (з них 32 на окремих сторінках), 63 рисунка.

Основний зміст роботи

ОЦІНКА ЯКОСТІ АГЛОМЕРАТУ І ОБКОТИШІВ І АНАЛІЗ ШЛЯХІВ ЕНЕРГО- І РЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ ПРИ ПІДГОТОВЦІ МЕТАЛУРГІЙНОЇ СИРОВИНИ Для ДОМЕННОЇ ПЛАВКИ

Рішення проблеми енерго- і ресурсозбереження при підготовці металургійної сировини для доменної плавки, а саме при виробництві обкотишів, за рахунок заміни частини природного газу твердим паливом засновано на інтенсифікації тепло- і масообміну при використанні комбінованого палива і теоретичному обгрунтуванні технічних рішень і їх впровадженню у виробництво по отриманню концентратів з відходів, які містять залізо і заськладьовани в хвостосховищах гірничозбагачувальних комбінатів.

Тепло- і масообмін має вирішальне значення для термообробки обкотишів, визначаючи питомі витрати палива, ступінь закінченості хіміко-мінералогічних перетворень, фізичних явищ ущільнення дисперсних шихт і продуктивність агрегатів по термічній обробці і міцність обпалених обкотишів.

З раніше проведених робіт в інституті чорної металургії НАН України, Механобрчорметі, УНЦ АН СРСР, ВНДІМТі, Уралмеханобрі, Донбасівському технічному університеті, НМетАУ – З.І. Некрасовим, М.М.Бережним, Ф.М. Журавльовим, О.А. Паталахом, А.В. Петровим, В.І. Клейном, В.Н. Абзаловим, М.Г.Ладигичевим, М.С. Барановим, Г.М. Майзелем, С.М. Петрушовим, Г.Г. Ефименко, Н.Д. Ванюковою, Д.А. Ковальовим і ін. встановлено, що тверде паливо при огрудкуванні залізорудної сировини може застосовуватися як єдине джерело теплоти або в комбінації з іншими видами палива (газоподібними, рідкими).

Найпростішим технологічним рішенням є добавка твердого палива в шихту і рівномірний його розподіл в об'ємі обкотиша. Піонером в розробці цієї технології є Центральний ГЗК, де вперше було здійснене обпалення залізорудних обкотишів з добавкою твердого палива в шихту. Дослідження, які виконані сумісно з Механобрчорметом, показали, що добавка антрациту в шихту підвищує продуктивність зони обпалення і знижує витрату природного газу. Металургійні властивості обкотишів характеризуються тим, що збільшується їх пористість, незначно знижується міцність в холодному стані і зростає міцність обкотишів при відновлювально-тепловій обробці. Аналогічні результати одержані: у Японії (фірма “Ніппон кокан”), в Німеччині (фірма Лурги), в Ліберії. Промислового використання ця технологія не одержала.

Це пов'язано як з організаційними причинами і кон'юнктурною ситуацією на ринку природного газу і рідкого палива, так і з необхідністю розробки наукових основ економії теплоти при використанні комбінованого палива.

Тверде паливо, що знаходиться в об'ємі обкотиша, контактує з оксидами заліза і обумовлює протікання відновлювальних процесів з утворенням підвищеної кількості монооксиду заліза і при вторинному окисленні останнього вже в зоні обпалення виділяється додаткова кількість теплоти, що забезпечує підвищення температури обкотишів у середині і нижній частині шару. Розвитку цих положень присвячені теоретичні і експериментальні дослідження дисертації, що є базою для промислового використання нової технології на обпалювальних машинах нового покоління. Переглянуті і уточнені існуючі уявлення про механізм впливу твердого палива на процеси формування структури обкотишів, формування теплоносія, температурні і газодинамічні умови обробки обкотишів, що містять вуглець. Визначені задачі досліджень по вдосконаленню технології обпалення обкотишів з шихт з добавками твердого палива з метою зниження енерговитрат.

Одним з можливих напрямів розширення сировинної бази для виробництва обкотишів є використання накопичених в шламосховищах відходів збагачення залізної руди, в яких заскладовано близько трьох млрд. тонн відходів з масовою часткою загального заліза 14 – 20 % і заліза в магнетитових різницях 1,5 – 7,2 %.

У інститутах НІГРІ, Механобрчормет і Криворізькому технічному університеті - А.І. Шитовим, В.М. Козаком, Е.Н. Русаковою, В.М. Богомоловою В.Г. Губіною - виконаний комплекс робіт за геолого-промисловою оцінкою заскладованих відходів збагачення ЦГЗКу, процесах, що відбуваються при просуванні пульпи в хвостосховище і висновок про доцільність їх переробки.

Для ефективнішої роботи фабрик огрудкування виявлена необхідність розробки і уточнення наукових основ використання комбінованого палива, що забезпечує зниження витрати теплоти на обпалення обкотишів і заміну дефіцитного природного газу твердим паливом, що разом з необхідністю утилізації відходів збагачення вирішує проблему підвищення ефективності виробництва залізорудних обкотишів і поліпшення їх металургійних властивостей.

Наукові основи енергозбереження в процесах огрудкування залізорудних матеріалів

В дисертаційній роботі проаналізовані шляхи енергозбереження при обпаленні обкотишів, однією з яких є використання комбінованого (газоподібного і твердого) палива.

Теплообмін при фільтрації газу через шар обкотишів відбувається як між газом і окремими обкотишамі, так і в об'ємі самих обкотишів. При обпаленні обкотишів спалюванням газу або рідкого палива над шаром теплообмін характеризується швидкістю руху і шириною теплового фронту. Під тепловим фронтом мається на увазі об'єм шару, обмежений горизонтальними площинами, в яких обкотиші мають мінімальну (20 – 50С) і максимальну (1200 – 1300С) температуру. Швидкість переміщення теплового фронту по висоті шару у напрямі руху теплоносія визначається переважно швидкістю його фільтрації. Обпалення закінчується, коли максимум температури теплового фронту досягає постілі. При цьому шар по всій висоті повинен бути нагрітий до температури, близької до температури теплоносія, необхідної для отримання міцних обкотишів

При обпаленні обкотишів із шихт з добавками твердого палива процес теплообміну характеризується не тільки наявністю фронту нагріву, але і фронту охолоджування, які утворюють теплову хвилю. Процес обпалення закінчується, коли максимум температури теплової хвилі проходить весь шар до постілі. Тверде паливо загорається на фронті теплопередачі, а вигоряє на фронті охолоджування. Переваги нагріву обкотишів тепловою хвилею в порівнянні з тепловим фронтом виявляються, якщо фронт полум`я слідує безпосередньо за фронтом теплопередачі. У випадку, якщо швидкість переміщення фронту теплопередачі значно перевищує швидкість переміщення фронту полум`я, виникає значне розширення високотемпературної зони. При добавках твердого палива в шихту відставання фронту полум`я від фронту теплопередачі можливе, коли в теплоносії відсутній вільний кисень. В цьому випадку нагрів обкотишів відбувається тепловим фронтом.

При обпаленні обкотишів тепловою хвилею відбувається збільшення кількості теплоти, закумульованої шаром, що пояснюється положенням максимуму теплової хвилі у верхній частині шару. Кількість теплоти, внесеної у високотемпературну частину шару, і винесені з газами, що відходять, однакова при обпаленні тепловим фронтом і тепловою хвилею. Проте витрати палива на обпалення тепловою хвилею в 1,5 – 1,7 рази менше, оскільки на нагрів теплоносія використовується теплота верхньої частині шару обкотишів (верхній ступінь теплообміну) завдяки явищу рекуперації теплоти. Це дозволяє понизити температуру теплоносія на останніх вакуум-камерах зони обпалення, і тим самим, витрати природного газу.

Порівняння температурних умов обпалення обкотишів для трьох типів обпалювальних агрегатів показує, що обпалення на конвейєрній машині відрізняється якнайменшою тривалістю перебування обкотишів при максимальних температурах обпалення, яка для обкотишів нижньої частини шару складає 1 хв. Це приводить до нерівномірного обпалення обкотишів по висоті шару і з погіршенням їх металургійних властивостей, що є загальним недоліком конвейєрних машин.

Зниження максимальних температур по мірі просування теплового фронту в глиб шару, що не містить палива, зв'язане не тільки з розсіянням теплоти і пониженням енергетичного рівня, але і з тим, що теплоносій, що проходить через даний нагрітий шар, не може нагрітися до температури обкотишів цього шару. Із збільшенням швидкості фільтрації теплоносія рівень максимальних температур знижується на всіх горизонтах шару. Вирівнювання максимальних температур по висоті шару досягається введенням в шихту твердого палива. При цьому збільшується питома продуктивність зони обпалення, а нагрів шару відбувається рівномірно по висоті.

Таким чином, в дисертації одержали подальший розвиток наукові основи обпалення залізорудних обкотишів комбінованим паливом. Добавка твердого палива в шихту розвиває нагрів шару обкотишів тепловою хвилею, забезпечує рекуперацію теплоти і перенесення її в нижні шари, поліпшуючи рівномірність теплової обробки обкотишів по висоті шару. Витрати газоподібного палива при цьому скорочуються в 1,5 – 1,7 рази.

На цей час теплоносій готують двома способами: а) спалюванням природного газу, мазуту або пилевугільного палива в суміші з низькотемпературним повітрям (НТП) з другого ступеня зони охолоджування і змішування з високотемпературним повітрям з первинної стадії охолоджування (ВТП); б) подачею гарячого повітря (ВТП) із зони охолоджування перетіканням в зони обпалення і рекуперації, і в підмішуванні до нього продуктів спалювання газу в холодному повітрі, а НТП використовується в інших зонах обпалювальної машини (сушки, підігріву).

У дисертації доведені переваги другого способу.

В зону охолоджування обкотиші поступають з температурою більше 1200С. Прі цьому необхідно враховувати, що зниження температури обкотишів по довжині зони охолоджування відбувається послідовно, а повітря, яке фільтрується через шар перпендикулярно руху палет, нагрівається пропорційно охолоджуванню обкотишів до виходу з шару. Над шаром охолоджуваних обкотишів високо- і низькотемпературне повітря (ВТП і НТП) розділені в просторі, що обумовлює можливість їх диференційованого використання в зонах обпалювальної машини: сушки, підігріву, обпалення. Для розділення нагрітого над зоною охолоджування обкотишів повітря використані критерії: ступінь охолоджування обкотишів, температура і об'єм нагрітого повітря, які якнайповніші характеризують закінченість теплообміну. Межею між ВТП і НТП прийнята температура 500С. Прі охолоджуванні обкотишів в інтервалі температур 1200 – 500С об'єм повітря уздовж обпалювальної машини зменшується, а в інтервалі 500 – 100С об'єм охолоджуючого повітря збільшується.

ВТП перетіканням прямує в зону обпалення і рекуперації, а НТП вентилятором подається на пальники в зони обпалення або сушки обкотишів дуттям знизу. Оптимальний розподіл нагрітого в зоні охолоджування повітря на ВТП і НТП має важливе значення для економії теплоти для обпалення обкотишів на конвейєрній машині, оскільки витрати теплоти повертаються пропорційно вмісту теплоти готових обкотишів. Параметри ВТП визначають розміри горну і прямоточного колектора. Відношення швидкості НТП в шарі (кінець зони охолоджування) до швидкості ВТП на початку зони охолоджування збільшується з підвищенням ступеня охолоджування (рис. 1). Аналогічна залежність і для відношення об'ємів повітря від ступеня охолоджування шару. Проте при ступені охолоджування до 0,6 воно менше, ніж відношення швидкостей, а при ступенях охолоджування вище 0,6 – більше. Це свідчить про те, що у високотемпературній частині шару в нього входить достатній об'єм повітря і є деяка вірогідність зниження температури повітря. У низькотемпературній частині при цьому в шар подається недостатній об'єм повітря. У зв'язку з цим необхідно підвищувати тиск під шаром порівняно з початком зони охолоджування. Розподіл нагрітого повітря на НТП і ВТП умовний, оскільки кожне з них вносить свою частку в тепловміст теплоносія. Теплотворення природного газу дорівнює Qн = 35530 кДж/м3; пірометрічний коефіцієнт ? = 0,85; коефіцієнт надлишку повітря ? = 2,2; теоретична витрата повітря і вихід диму, розрахованій по фактичному складу природного газу відповідно рівні ?0 = 12 нм/м3; D0 = 13 нм3/м3. При цьому тепловміст диму буде:

де iвн - тепловміст НТП, кДж/м3.

Рис. 1. Залежність відношення об'ємів нізько- і високотемпературного повітря (V0) і відповідно швидкостей (w) в шарі від ступеня охолоджування шару.

w0(НТП) ; w0(ВТП) – відповідно швидкості низькотемпературного і високотемпературного повітря;

V0(НТП); V0(ВТП) – відповідно об'єми НТП і ВТП.

tн – температура обкотишів перед охолоджуванням, С;

tк – температура охолоджених обкотишів, С.

Частина ВТП в теплоносії (в) залежить від співвідношення різниці тепловмістів.

,

,

де - відповідно тепловмісту теплоносія і високотемпературного повітря (ВТП), кДж/м3.

Об'єм теплоносія, який можна одержати при спалюванні 1 м3 природного газу визначається з рівнянь:

Об'єм ВТП на 1м3 природного газу, який може бути використаний для приготування теплоносія рівний:

При підвищенні температури і тепловмісту ВТП (iвв) збільшується температура і тепловміст первинного диму iд. Тому при заданій постійній температурі обпалення (iT=const), частка ВТП в теплоносії (n) збільшується. Аналогічно зростає об'єм теплоносія VТГ і ВТП Vвв на 1 м3 природного газу. При підвищенні температури обпалу і тепловмісту первинного диму iд і ВТП iвв, зменшується частка ВТП в теплоносії, об'єм теплоносія VТГ і ВТП Vвв.

Тепловміст газів залежить від температури, яка легко вимірюється. Наведене вище можна представити у вигляді залежностей частини ВТП в теплоносії, кількості теплоносія і ВТП від температури обпалення (tТ), НТП (tнв) і ВТП (tвв). Температури змінювалися таким чином: НТП від 20 до 400С (максимальна температура, яка допустима на сучасних димососах), ВТП від 500 до 1200С: температура обпалення (теплоносія) від 1200С до 1400С (максимально допустима для футеровки горну). У дисертаційній роботі (рис. 2) показано, що при підвищенні температури обпалення (tТН) зменшується частка ВТП в теплоносії (n) і кількість теплоносія (ДТ) на 1м3 природного газу, а також зменшується вплив температури і об'єму ВТП на витрату природного газу і посилюється вплив нагріву НТП.

Рис. 2. Залежність частки ВТП в теплоносії і об'єму теплоносія на 1м3 природного газу від температури НТП і ВТП (tнв; tвв).

1 - 5 - tнв - відповідно: 20; 100; 200; 300; 400?С

Так при температурі теплоносія 1200С і температурі ВТП – 1100С частка НТП в теплоносії складає 0,82, а при 1400С - 0,5.

Добавка до концентрату вапняку збільшує витрати теплоти на його дисоціацію, а також знижує вміст магнетиту в шихті, що скорочує кількість теплоти, яка виділилася при окисленні магнетиту. Тому підвищення основності обкотишів приводить до збільшення витрати природного газу унаслідок додаткових витрат теплоти на дисоціацію вапняку і зменшення приходу теплоти від екзотермічної реакції окислення магнетиту. Відповідно зменшується на 0,415 – 0,455 % вихід годних з сухих обкотишів при зміні вмісту вапняку в шихті на 1 %.

При добавці в шихту вапняку температура обпалення обкотишів знижується, а їх тепловміст (нагрів до 1200С) менше порівняно з тепловмістом неофлюсованих обкотишів (нагрів до 1400С). У зв'язку з тим, що газ-теплоносій, нагріваючі обкотиші, сам охолоджується від нижчої температури (від 1200С, а не від 1400С), тепловіддача 1 м3 теплоносія офлюсованим обкотишам менше, ніж неофлюсованим. Тому температуру теплоносія необхідно вибирати залежно від добавки вапняку.

Приведені розрахунки витрати природного газу на обпалення обкотишів залежно від складу шихти. Одержані дані по збільшенню витрат природного газу на кожен відсоток добавки вапняку, а також зміни вмісту монооксиду заліза в концентраті. Аналіз цих залежностей показав, що фактичні витрати природного газу на великих обпалювальних машинах нижче розрахункових. Це обумовлено нижчою середньою температурою теплоносія над шаром по довжині машини. У шарі температура може бути вище за рахунок теплоти, що виділяється при окисленні магнетиту.

Виконані в дисертації розрахунки дозволили провести аналіз залежностей частки використаної теплоти природного газу і вторинного теплоносія. На прикладі впливу вмісту монооксиду заліза в концентраті на частину теплоти природного газу в теплоносії показано, що із зростанням теплопотреби шару необхідність в теплоті від окислення вуглецю твердого палива підвищується.

В дисертації проаналізована роль твердого палива, яке міститься в сирих обкотишах, у физико-хімічних процесах. Систематизація відомостей, що є в літературі, дозволила виявити физико-хімічні особливості процесів, що відбуваються при огрудкуванні з добавкою твердого палива і встановити недостатньо вивчені питання. Одно з них полягає у визначенні комплексного впливу процесів окислення і відновлення оксидів заліза, дисоціації карбонатів при сумісному нагріві магнетітового концентрату з добавками, які містять вуглець, і вапняком. Ці дослідження виконані термогравіметрічним методом на деріватографі і з використанням високотемпературного мікроскопу в інертній і окислювальній атмосферах. Встановлено, що сумісний нагрів Fe2О3 з матеріалами, що містять вуглець, приводить до зниження температури початку відновлення на стадії Fe2O3 ? Fe3O4 на 200-240С і Fe3O4 > FexO на 80 – 140С, що дозволяє одержувати достатню міцність обкотишів при відносно невисоких температурах обпалення і тим самим економити теплоту. Дослідження у області високих температур сумішей оксидів заліза (ч.д.а) з твердим паливом, виконані на високотемпературному мікроскопі показали, що початок плавлення приходиться на температурі 1490 – 1520С, а інтервал плавлення 1560 – 1600С. Враховуючи, що температури плавлення Fe2O3 і Fe3O4 (1563С і 1597С відповідно) лежать в інтервалах температур плавлення, можна вважати, що основними фазами досліджуваної системи є магнетит і гематит.

Експериментально встановлено, що процес відновлення гематиту в обкотишах, що містять вуглець, починається при 750С. Швидкість утворення магнетиту вище при використанні вугілля, яке містить летки. В інтервалі температур 1050 – 1100С кількість магнетиту, що утворився, складає 60 – 65 %.

Взаємозв'язок функцій твердого палива при добавках його в шихту для окомкування представлений у вигляді физико-хімічної моделі (табл. 1). На відміну від існуючої точки зору, яка пояснює економію природного газу при добавках твердого палива в шихту за рахунок теплоти, що виділяється, при горінні вуглецю твердого палива, встановлено, що основна кількість теплоти виділяється в зоні охолоджування при окисленні магнетиту, що утворився в результаті процесів відновлення при обпаленні обкотишів. Теплота, яка виділилася, повертається в зони термообробки обкотишів з нагрітим в зоні охолоджування повітрям.

Промисловимі випробуваннями обпалення обкотишів, які вироблені з добавкою в шихту твердого палива встановлено, що температура повітря із зони охолоджування в переточному колекторі зросла на 40 – 70С, в порівнянні з обпаленням обкотишів, які не містять тверде паливо. Це підвищення температури відповідає зниженню витрати природного газу на 212 – 372 м3/час. По відношенню до заощадженої витрати природного газу це складає 55,4 – 65,2%.

Наукові основи формування техногенного залізорудного родовища в хвостосховище і вдосконалення технологій підготовкі залізорудних концентратів і виробництва обкотишів із шихт з добавкою твердого палива.

Рішення проблеми ресурсозбереження, яка поставлена в дисертаційній роботі, здійснене за рахунок утилізації відходів збагачення, які містять залізо. Ці відходи у вигляді пульпи з концентрацією твердого 3 – 4 % скидаються в хвостосховище, донна поверхня (пляж) якого, розташовується під певним кутом. Тверда речовина пульпи включає оксиди заліза, порожню

Таблиця 1

Фізико-хімічна модель обпалу офлюсованих обкотишів з магнетитового концентрату з домішкою твердого палива

Положення по высоті шару і перетині обкотиша | Зона підігріву

(900 – 1100С ) | Зона обпалу

(1250 – 1270С ) | Зона охолодження

Верх шару

- поверхня обкотиша |

С + О2 > СО2 +393 кДж

4Fe3O4 + O2 6Fe2O3 + 500 кДж/кгFe3O4

СаСО3 > СаО + СО2 – 178 кДж |

Fe2O3 | Fe2O3

- центр обкотиша | Fe3O4 + C ? 3FeO + CO – 187,2 МДж

СаСО3 > СаО + СО2

СО2 + С > 2СО – 172 кДж

Fe2O3 + C ? 2Fe3O4 + CO – 129 МДж

(поверхня) | 4Fe3O4 + О2 6Fe2O3 | Fe2O3

- пори між обкотишами | O2; N2; CO2; CO | O2; N2; CO2 | O2; N2-

Середня частина шару

- поверхня обкотиша |

С + O2 ? CO2

CaCO3 ? CaO + CO2

4Fe3O4 + O2 6Fe2O3 + 500 кДж/кгFe3O4

CO2 + C = 2CO | Fe2O3 | Fe2O3

- центр обкотиша | Fe3O4 + C ? 3FeO + CO

СаСО3 > СаО + СО2

СО2 + С > 2СО

3Fe2O3 + C ? 2Fe3O4 + CO – 129,07 МДж

(поверхня) | 4Fe3O4 + О2 6Fe2O3 | 4Fe3O4 + O2 = 6Fe2O3

- пори між обкотишами | O2; N2; CO2; CO | O2; N2; CO2 | O2; N2-

Низ шару

- поверхня обкотиша | C + O2 = CO2

CaCO3 ? CaO + CO2

4Fe3O4 + O2 6Fe2O3 + 500 кДж/кгFe3O4

CO2 + C ? 2CO | 3Fe2O3 + C ? 2Fe3O4 + CO

CaCO3 ? CaO + CO2

CO2 + C = 2CO

Fe2O3 + CO = Fe3O4 + CO2 | 4Fe3O4 + O2 = 6Fe2O3

- центр обкотиша | Fe3O4 + C ? 3FeO + CO

СaCO3 = CaO + CO2

CO2 + C = 2CO

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + СО2 | Fe3O4 + C = 3FeO + CO

СaCO3 ? CaO + CO2

CO2 + C = 2CO

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 | 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

4Fe3O4 + O2 = 6Fe2O3

- пори між обкотишами | O2; N2; CO2; CO | O2; N2; CO2; CO | Дуття снизу – (повітря для охолоджування) O2; N2-

породу, зростки цих компонентів різної крупності. Тому при зливі пульпи відбуваються процеси седіментації, сегрегації і розділення твердих часток по крупності і питомій масі.

Аналіз сил взаємодії і швидкостей при просуванні пульпи по довжині пляжу хвостосховища показує, що основними критеріями, які впливають на швидкість процесів розділення оксидів заліза і порожньої породи, є: швидкість потоку по похилій площині; швидкості седіментації і сегрегації часток по питомій масі і крупності в придонному прикордонному шарі потоку; кут нахилу площини пляжу до горизонту. Ці критерії визначають перерозподіл твердої речовини по довжині пляжу. Очевидно, оксиди заліза випадуть в осад ближче до точки скидання, а дрібні частинки (менше 74 мкм – близько 50%) порожньої породи на більшій відстані. Як наслідок цього змінюється концентрація корисних мінералів в осаді і рухомому потоці по довжині і глибині залягання.

Для розрахунку процесів масопереносу по довжині хвостосховища, концентрації загального заліза і заліза, яке міститься в магнітних фракціях, а також прогнозування максимально можливого вмісту магнітних оксидів заліза по довжині пляжу, розроблена математична модель шару, в якій об'єднані критерії, які визначають швидкість розділення оксидів заліза і порожньої породи.

де і - концентрація вільних (зважених) і випавших в осад часток в шарі пляжу в певній точці по довжині хвостосховища;

і - постійні коефіцієнти інтенсивності осадження, вкраплення і відриву в даній точці шару пляжу;

- відносна швидкість потоку;

- відносна швидкість твердих часток;

і - швидкості седіментації і сегрегації часток по висоті шару пляжу.

Вирішуючи рівняння послідовною інтеграцією, одержуємо рівняння профілю концентрацій для випавших в осад часток по довжині шару пляжу хвостосховища:

де d0 і d1 – постійні інтегрування.

Порівняння розрахованіх по моделі значень вмісту заліза і кварцу по довжині шару пляжу і результатів випробування показало хорошу збіжність показників, що свідчить про адекватність моделі і її застосовності для оптимізації розрахунків розподілу запасів заліза по його концентрації і іншим показникам (табл.2).

На основі проведених досліджень встановлено, що тільки певний масив хвостосховища містить залізо в магнітних фракціях, який може бути використаний для отримання залізорудного концентрату. Цей масив одержав в дисертації визначення як “техногенне родовище”, що сформувалося в результаті гідравлічного і гравітаційного процесів розділення в потоці пульпи.

З використанням розроблених наукових основ енергозбереження при виробництві обкотишів розроблена вдосконалена технологія виробництва залізорудних обкотишів з шихт з добавкою твердого палива. Досліджені процеси окомкування шихт з добавкою різних видів твердого палива в широкому інтервалі його витрат. Встановлено, що їх вплив на якість сирих обкотишів незначний. Розроблена технологія термообробки обкотишів з шихт з добавкою твердого палива і підвищенням основності від 0,6 до 1,2.

Дослідження різних технологічних режимів термічної обробки обкотишів з добавкою твердого палива в шихту показали, що введення твердого палива в шихту для окомкування дозволяє істотно підвищити продуктивність конвейєрної обпалювальної машини і понизити витрату природного газу. Величина цієї зміни зростає із збільшенням витрати твердого палива. Максимальна витрата вуглецю в шихту складає не