МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Тіщенко Антон Петрович

УДК 669.187.25

Виплавка напівпродукту в дугових електропечах з використанням металізованої сировини, що відновлена в сводовiй камері

Спеціальність: 05.16.02 - Металургія чорних металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Троянський Олександр Анатолійович,

Донецький національний технічний університет,

завідувач кафедри “Електрометалургія”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент, Ванюкова Наталія Дмитрівна, Національна металургійна академія України, доцент кафедри “Металургія чавуну”, м. Дніпропетровськ;

кандидат технічних наук, доцент, Сафонов Володимир Михайлович Донецький національний технічний університет, доцент кафедри “Металургія сталі”.

Провідна установа – Приазовський державний технічний університет, кафедра “Теорія металургійних процесів”, МОН України, м. Маріуполь.

Захист відбудеться “09” червня 2005 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.01 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, I навч. корп., ВАЗ.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навч. корп.

Автореферат розісланий “06” травня 2005р.

Вчений секретар | В.І. Алімов

спеціалізованої вченої ради Д11.052.01,

доктор технічних наук, професор

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Чорна металургія і, зокрема, сталеплавильне виробництво, відносяться до базових галузей промисловості України, що виробляє до 30% валового продукту й забезпечує половину валютних надходжень від експорту продукції.

Проте, галузь відчуває дефіцит сучасних високоефективних технологій і технічних рішень, які повинні забезпечувати конкурентоспроможність продукції на світовому ринку.

Одним з найбільш перспективних шляхів проведення інноваційної політики України в галузі сталеплавильного виробництва є пошук і розробка власних оригінальних енерго- і ресурсозберігаючих технологічних варіантів електроплавлення в дугових сталеплавильних печах (ДСП). При цьому, необхідно враховувати складну проблему в Україні, пов'язану з утилізацією відходів металургійного виробництва, накопичених за останні роки. Оцінка запасів залізовмісних відходів тільки в Донецькому регіоні дозволяє розраховувати на виробництво до 400 тис. т металу на рік протягом 5 – 8 років при використовуванні їх у шихті в кількості до 30% за масою. Застосування цих відходів як шихтових матеріалів безпосередньо в дуговій печі при дефіциті, подорожчанні і зростанні забруднення металевого брухту домішками кольорових металів сприятиме підвищенню ефективності електроплавлення.

У зв'язку з цим, розробка технологічних процесів електроплавлення з можливістю переробки промислових відходів, у тому числі залізо-оксидних матеріалів, є досить актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до планів науково-дослідних робіт Донецького національного технічного університету: “Розробка енергозберігаючих і високоефективних стінних водоохолоджуваних панелей нового покоління для дугових сталеплавильних печей ВАТ “Дніпроспецсталь” (за договором №1342 (00Д №01-203 від 27.07.2000 р.). Автор був виконавцем цієї роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є дослідження і розробка нового технологічного варіанту електродугової виплавки напівпродукту із застосуванням металізованої сировини, отриманої шляхом відновлення оксидного матеріалу в робочому просторі електропечі. Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно було вирішити такі задачі:

·

·

·

·

Об'єкт дослідження - процес виплавки напівпродукту в ДСП з використанням залізо-оксидних матеріалів.

Предмет дослідження - параметри процесу відновлення залізо-оксидних обкотишів у сводовому просторі ДСП і їх плавлення в рідкій ванні.

Методи дослідження - в роботі використовувалися теоретичні і експериментальні методи досліджень, у тому числі: математичне і фізичне моделювання процесів відновлення залізо-оксидних обкотишів та їх плавлення в рідкій ванні; лабораторні дослідження газової фази у сводовій камері з використанням газової хроматографії; методи математичної статистики і засоби обчислювальної техніки для обробки експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримали подальший розвиток уявлення про процес виплавки напівпродукту в електродуговій печі з використовуванням, в якості замінника металобрухту (до 20%), залізовмісних відходів у вигляді оксидо-вугільних обкотишів. Теоретично і експериментально обгрунтована можливість поєднання в електродуговій печі процесів відновлення оксидо-вугільних обкотишів у сводовій камері з їх подальшим плавленням в рідкій ванні.

2. Уперше встановлена залежність ступеня металізації оксидо-вугільних обкотишів (?, %) від кута розкриття газодинамічного розподільника сводової камери (? в діапазоні 150 – 210 град) і швидкості обертання тарелі (щ ?ід 2 до 8 об/год):

3. Для умов ДСП зі сводовою камерою встановлена залежність між параметрами швидкості плавлення відновлених оксидо-вугільних обкотишів (?, кг/год), питомої швидкості їх подачі в рідку ванну і маси металевого розплаву в печі (m, кг), яка являє собою вираз: , що дозволяє забезпечити необхідний температурний режим шлакового і металевого розплаву.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено новий технологічний процес дугового електроплавлення, що дозволяє сполучити в одному агрегаті відновлення оксидо-вугільних обкотишів і виплавку вуглецевого напівпродукту. Він дозволяє використовувати в шихті електропечі до 20% обкотишів із залізо-оксидних матеріалів і вугільного порошку.

2. Розроблено конструкцію відновлювальної сводової камери дугової сталеплавильної печі, якою можуть бути оснащені діючі ДСП без істотних капітальних витрат.

3. Розроблено конструкцію і виготовлено дослідно-промислову електропіч ДСП-0.2, що дозволяє реалізувати процеси одночасного відновлення залізо-оксидної сировини у сводовій камері і отримання вуглецевого напівпродукту.

4. Результати виконаної роботи включені в перспективний план реконструкції електросталеплавильного цеху ВАТ “Енергомашспецсталь” (м. Краматорськ). Упровадження результатів роботи може дати економічну ефективність підприємству в 55 грн/т.

5. За результатами даної роботи підготовлений контракт з фірмою Danieli (Італія) на розробку промислової ДСП з відновлювальною сводовою камерою.

Особистий внесок автора. Основні результати роботи отримані автором самостійно. В наукових роботах, які приведені в авторефераті і виконані спільно із співавторами, автору належить: [1] – запропоновано технічні рішення створення процесу виплавки напівпродукту в ДСП з використанням залізо-оксидних матеріалів, відновлених в сводовій камері; [2] – вивчено мінералогічний склад рудо-вугільних обкотишів після обробки пічними газами в ДСП-0.2; [5] – виконано моделювання і обробку результатів з нагріву і відновлення оксидо-вугільних обкотишів в сводовій камері ДСП.

Апробація результатів дисертації. Основні дослідження і результати роботи обговорювалися на: XI Всеукраїнській науковій конференції “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”, м. Донецьк, 2001 р.; 8-й міжнародній конференції “Экономика для экологии”, м. Суми, 2001 р.; 9-й міжнародній конференції “Экономика для экологии”, м. Суми, 2002 р.; міжнародному науково-практичному семінарі “Пути решения экологических проблем горно-металлургической отрасли стран СНГ” м. Маріуполь, 2002 р.; II Міжнародній науковій конференції “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”, м. Донецьк, 2003 р.; міжнародній науковій конференції з проблем і напрямів розвитку металургії, м. Дніпропетровськ, 2003 р.

Публікації. Основні наукові положення, результати досліджень, висновки і рекомендації автора опубліковані в 5 наукових статтях, у виданнях рекомендованих ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновку, списку використаних джерел з 126 найменувань. Робота викладена на 156 сторінках, містить 66 рисунків, 18 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульована мета і задачі досліджень, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також особистий внесок здобувача.

У першому розділі “Сучасний стан питання і постановка задачі” виконано аналіз сучасних технологічних варіантів виплавки сталі з позиції енерго- і ресурсозбереження. Встановлено, що проблема ефективного використовування вторинних енергоресурсів, до яких, перш за все, відноситься фізичне тепло і хімічний потенціал пічних газів, а також відходів металургійного виробництва залишається в більшості випадків не вирішеною. Крім того, при всій очевидності переваг застосування сталевого брухту в шихті електропечей найскладнішою задачею є забезпечення в підготовленому брухті мінімального вмісту домішок кольорових металів (особливо мідь і олово). Відомі процеси: Consteel і шахтна електропіч з утримуючими пальцями фірми “Fuchs” розроблені з метою утилізації тепла газів, що відходять; шахтні процеси Midrex і HYL дозволяють виробляти металізовану сировину, проте вони лише частково дозволяють вирішувати ці проблеми.

Прогрес в галузі вдосконалення конструкції дозволяє здійснювати пошук нових технологічних варіантів, що розширюють можливості дугової електропечі. У зв'язку з цим, з точки зору витрати енергії, більш вигідним може бути процес, який безпосередньо в плавильному агрегаті ефективно використовує тепловий і хімічний потенціал газів, що відходять. Тому, розробка технології електроплавлення з одночасним відновленням залізовмісних відходів власного виробництва і плавленням відновлених матеріалів є актуальною задачею.

У другому розділі “Обладнання, матеріали і методики досліджень ” описано металургійне обладнання, використані матеріали і методики проведення експериментів і досліджень. Експериментальні і дослідно-промислові плавки проводили на печі ДСП–0.2, розробленій і виготовленій на базі промислової флюсоплавильної печі У-560. Оксидо-вугільні обкотиші відновлювали у сводовій камері ДСП з подальшим розплавленням металізованої сировини. Хімічний склад обкотишів наведений в табл. 1.

Таблиця 1

Хімічний склад обкотишів %

Компо-ненти |

Feзаг |

С |

Fe2O3 |

Fe3O4 |

FeO |

P |

S |

Cu | Шлако-створюючі | H2O | Летю-чі

К*

Ш*

У* |

44.8 |

15.4 |

23.12 |

34.96 |

4.24 |

0.016 |

0.57 |

0.012 |

13.964 |

5.912 |

1.798

Прим.: К – концентрат, Ш – шлам, У – вугілля.

Обкотиші діаметром 10–12мм виготовляли на тарілчастому барабані, що обертається, з наступних матеріалів: 40% концентрат (фракція 0.07мм складає 90%), 40% шлам конверторний (фракція 0.6мм складає 42%, 0.7-6мм складає 35%), 20% - вугілля (фракція 0.1мм - 95%), зв'язуюче – бентоніт. Міцність обкотишів - 1.0–1.5 кг/обк.

Сирі і відновлені матеріали піддавали хімічному і петрографічному аналізам. Результати роботи оброблялися за допомогою розроблених комп'ютерних програм.

У третьому розділі “Дослідження можливості використовування теплового і хімічного потенціалу пічних газів плавки для процесів нагріву і відновлення залізо-оксидних матеріалів в робочому просторі дугової електропечі” наведені результати дослідження можливості використовування теплового і хімічного потенціалу пічних газів плавки для процесів нагріву і відновлення залізо-оксидних матеріалів в робочому просторі дугової електропечі.

Умовою переходу вищих оксидів заліза в нижчі, а також в залізо є наявність надлишку відновного газу СО над рівноважним для кожної з реакцій (1-4)

Fe2O3+CO = 2Fe3O4+CO2 +37.25 МДж/кмоль (1)

Fe3O4+CO = 3FeO+CO2 -20.96 МДж/кмоль (2)

FeO+CO = Fe+CO2 +13.65 МДж/кмоль (3)

CO2+C = 2CO -166.32 МДж/кмоль (4)

Проте в реальних умовах плавки можливі значні коливання температури і складу пічних газів під час процесу. Можливість відновлення гематитових і рудо-вугільних обкотишів оцінювали на промисловій електропечі ДСП–100Н3А ММЗ “ІСТІЛ (Україна)”. Обкотиші в спеціальному контейнері розміщували в робочому просторі печі під газовідвідним патрубком (рис.1).

Рис. 1. Схема розташування контейнера з обкотишами у склепінні ДСП:

1 – склепіння, 2 – електроди, 3 –водоохолоджувальна панель, 4 - тороїдальна камера, 5 - газовідвідний патрубок, 6 - контейнер з обкотишами, 7 - полиця на трубчастих гратах, u – відносна величина напряму вектора швидкості газового потоку.

Проби для хімічного аналізу відбирали через певні проміжки часу перебування обкотишів в потоці пічних газів. Отримані дані свідчили про те, що при обробці пічними газами гематитових обкотишів досягається попереднє відновлення вищих оксидів. Так, після 60-хвилинної витримки вміст Fe2O3 в обкотишах знизився більш ніж у два рази (ступінь відновлення склала 33%), а при обробці оксидо-вугільних обкотишів ступінь відновлення склала 56%.

На підставі отриманих результатів запропонована технологічна схема виробництва сталі в електропічному агрегаті, в якому відбувається одночасне відновлення і плавлення залізовмісних матеріалів. Ідея агрегату полягає в розділенні робочого простору печі традиційної конструкції в горизонтальній площині на дві зони. Нижня зона робочого простору включає ванну розплаву і вільний простір над нею. Верхня частина простору відокремлена від нижньої обертовою тареллю, яка виконує роль конвейєра і за один оберт дозволяє передати шихтові матеріали, що нагріваються, від засипного пристрою до місця введення їх у ванну. Сводова камера, утворена верхньою поверхнею тарелі із шихтовими матеріалами й внутрішньою поверхнею свода печі, а також стінками-перегородками, які формують рух потоку газів з центрального отвору тарелі так, щоб тривалість його контакту із шихтовими матеріалами у верхній робочій зоні була максимальною.

Схема руху пічних газів у сводовій камері наведена на рисунку 2. Потік пічних газів поступає в сводову камеру через центральний отвір 1, далі рухається в камері по каналу, утвореному зовнішніми стінками 2 і внутрішнім газодинамічним розподільником 3. Пічні гази відводять з печі через газовідвідний патрубок 4.

Через конверсійні газокисневі пальники 6 у сводову камеру подається відновлювальний газ у зону остаточного відновлення С, для подальшого нагріву матеріалів на тарелі, а також для запобігання вторинного окислення периферійної області обкотишів. В нижній частині сводової камери розташована обертова тарель 8, на якій знаходиться шар обкотишів. Тарель обертається в напрямі, протилежному напряму руху пічних газів 7. Обкотиші засипаються на тарель через газовідвідний патрубок. Переміщаючись разом з тареллю, обкотиші в зоні А нагріваються пічними газами, що відходять. В зоні В їх температура досягає величини, достатньої для відновлення заліза. Наприкінці зони С відновлені обкотиші зіштовхуються в піч водоохолоджуваним шнеком 5. Для оцінки ступеня відновлення рудо-вугільних обкотишів у сводовій камері електропечі виконані розрахунки їх нагріву на етапах транспортування, у газовідвідному патрубку, на обертовій тарелі й при вивантаженні в робочий простір ДСП. Розрахунок нагрівання шару кускових матеріалів при фільтрації через нього теплоносія заснований на відомих розв’язаннях рівнянь Шумана й Анцелиуса.

Відносна температура шару обкотишів

ИM = (tокатыш– tнач)/(tfin – tнач) (5)

розраховувалася залежно від критерію висоти

; (6)

і критерію часу

, (7)

де kv - сумарний об'ємний коефіцієнт теплопередачі, що враховує внутрішній тепловий опір обкотиша, Вт/м3К; Hk – висота камери, м; Cmix - середня об'ємна теплоємність газової суміші, Дж/м3К; w0 - швидкість руху газового потоку у вільному перетині із шихтою, м/с; Cм - середня об'ємна теплоємність обкотишів, Дж/м3К; tнагр – час нагрівання, хв; f – коефіцієнт порозності шару матеріалів.

Визначена максимальна температура нагрівання рудо-вугільних обкотишів:

- на транспортері в тунелі до 200 - 300°С.

Рис. 2. Схема руху пічних газів у сводовій камері (а - вид зверху,

б - аксонометрія)

Під час нагрівання відбувається процес випарювання води, а також спостерігається твердофазне зміцнення матеріалу, пов'язане з реакціями мінералоутворення в найбільш дрібних субмікроскопічних пилуватих частках;

- у шарі (3 - 5 обкотишів) у газовідвідному патрубку на газопроникній решітці 300 - 800°С. Відбувається попереднє відновлення гематитової частини обкотишів, починається виділення летких вугілля;

- на тарелі в зоні підігріву A до 800 - 900°С;

- на тарелі в зоні попереднього відновлення B до 900 - 1100°С. При даних температурах відбувається відновлення важковідновлювальних оксидів заліза: магнетиту й вюститу. Протікає реакція утворення монооксиду вуглецю із твердого вуглецю вугілля з використанням діоксиду вуглецю;

- у зоні остаточного відновлення до 1100 - 1200°С. Відбувається відновлення оксидів заліза, ступінь металізації становить 90%.

Утилізація тепла пічних газів, що відходять, дозволяє збільшити тепловий к.к.д печі на 3-5% і зменшити теплове забруднення навколишнього середовища.

У четвертому розділі “Дослідження процесів нагріву і відновлення залізорудних матеріалів в сводовій камері дугової електропечі” представлені результати математичного і фізичного моделювання руху газових потоків у сводовій камері печі і взаємодії їх з обкотишами.

Параметри оптимізації - швидкість газового потоку і профіль заповненості технологічними газами каналу сводової камери. Швидкість потоку впливає на характер хімічної взаємодії між обкотишами і технологічними газами, що відходять. Швидкість повинна бути мінімальною, щоб зменшити ефект вторинного окислення. Для забезпечення ефективного нагріву і відновлення оксидо-вугільних обкотишів профіль заповнення каналу технологічними газами повинен максимально наближатися до профілю сводової камери. Для оцінки характеру перебігу газового потоку в області входу в газодинамічний розподільник (рис. 2), використовували систему рівнянь Рейнольдса, доповнену рівнянням нерозривності. Задачу вирішували в двовимірній постановці в декартових координатах. Система рівнянь має вигляд:

, (8)

де u – поздовжня та ? – поперечна швидкості газового потоку, Р – тиск газу, складові виду - напруги Рейнольдса.

На підставі результатів математичного моделювання отримано оптимальне поле швидкостей газового потоку в сводовій камері. Що дозволило визначити параметри сводової камери, газодинамічного розподільника, необхідну кількість і розташування конверсійних газокисневих пальників, витрату відновлювального газу.

Конфігурацію елементів сводової камери уточнили шляхом фізичного моделювання газових потоків (з кольорового диму) на прозорій моделі 100-т дугової печі в масштабі 1:10.

На підставі результатів математичного і фізичного моделювання визначені наступні параметри:

-

-

-

-

-

-

-

П'ятий розділ “Дослідження технологічної схеми процесу і розробка конструкції дослідно-промислової електропечі” присвячений розробці технологічної схеми процесу і конструкції дослідно-промислової електропечі.

Дослідно-промислова установка є однофазною електропіччю змінного струму з графітованим і сталевим подовим електродами. Піч (рис. 3) обладнана футеро-ваним кожухом, сводовою камерою з обертовою тареллю і електромеханічним приво-дом, розвантажувальним шне-ком, а також конверсійним газокисневим пальником.

Рис. 3. Загальний вигляд дослідно-промислової електропечі

Найважливішим елементом конструкції пропонованого агрегату є газодинамічний розподільник, який визначає характер руху пічних газів у сводовій камері і ступінь відновлення обкотишів. Початкові параметри розподільника визначені математичним і фізичним моделюванням.

Встановлено, що при обробці рудо-вугільних обкотишів в сводовій камері ДСП, високотемпературні пічні гази проникають в периферійні шари обкотишів і викликають в зонах А і В (рис. 2) ефект вторинного окислення на глибину h=0.35мм (рис. 4).

Рис. 4. Розріз обкотиша із зоною вторинного окислення (X 90)

Це обумовлено наявністю окислювальних газів в пічній атмосфері в період плавлення (середній зміст СО2 46%, О2 5%). Установка в зоні С конверсійних газокисневих пальників дозволяє створити відновну атмосферу, зону високих температур і запобігти подальшому розвитку процесів вторинного окислення обкотишів.

Експериментальним шляхом отри-мана основна залежність ступеня металізації обкотишів (?, %) від швидкості обертання тарелі (?, об/год) і кута розкриття газодинамічного розподільника (?, град), представлені на рис. 5. Шляхом статистичної обробки експериментальних даних встановлено, що ступінь металізації оксидо-вугільних обкотишів залежить від кута розкриття газодинамічного розподільника і швидкості обертання тарелі таким чином:

(9)

Рис. 5. Залежність ступеня металізації (?,%) від кута розкриття газодинамічного розподільника (?, град) при різних швидкостях обертання тарелі: 1-10 об/год, 2 – 8 об/год, 3 – 6 об/год, 4 – 4 об/год, 5 – 2 об/год

Оптимальні умови відновлення досягаються при таких значеннях параметрів: ? = 6 об/год, ? = 175°. При цьому відновлення обкотишів на тарелі до ступеня металізації 88 – 90% відбувається за 10 хвилин.

Досліджений вплив геометричних парамет-рів сводової камери і газовідвідного патруб-ка, на ступінь відновлення. Експериментально підтверджено, що відношення висоти шару обкотишів до висоти сводової камери повинно складати 0.040 – 0.075, а відношення висоти газовідвідного патрубка до його діаметра - 0.8 – 1.73.

Встановлено, що найенергоємніша реакція (4) можлива в області входу пічних газів у сводову камеру, де температура досягає 1100 - 1400°С.

У шостому розділі “Розробка технології виплавки напівпродукту з використанням металізованої сировини в дослідно-промисловій електропечі” розглянуті основи технології виплавки напівпродукту з використанням відновленої у сводовій камері металізованої сировини у створеному агрегаті.

Для забезпечення стійкості технологічного процесу необхідно синхронізувати швидкості процесів відновлення і подачі обкотишів у ванну і плавлення шихти. Для відновлення необхідний постійний потік газів СО-СО2, для чого ванна повинна “кипіти” з певною інтен-сивністю. Концентрацію вуглецю у ванні підтри-мують на стабільному рівні за рахунок залишко-вого вуглецю металізо-ваного матеріалу (рис. 6).

Рис. 6. Оцінка газовиділення СО і поведінки вуглецю, кисню під час плавки

Технологія виплавки напівпродукту в електро-печі зі сводовою камерою базується на технології електроплавлення, яке включає етапи завантаження матеріа-лів, періоду плавлення, окислювального періоду, випуску напівпродукту. Відмітним є те, що як частковий замінник металобрухту використовують відновлені у сводовій камері обкотиші. Подача їх здійснюється після наведення на подину печі деякої металевої ванни при першій плавці, або “болото” від попередньої плавки. Маса наведеної “стартової” металевої ванни, або “болота” визначає масову швидкість подачі обкотишів і, як наслідок, продуктивність процесу.

Експериментально встановлена залежність (рис. 7) швидкості плавлення відновлених обкотишів (д, ?г/ч) від маси металевого розплаву в печі (m, кг), яка має наступний вигляд:. (10)

Рис. 7. Залежність швидкості відновлення й плавлення обкотишів від маси рідкої ванни

Слід зазначити, що запропонований варіант плавки дозволяє значно, до 30%, знижувати вміст домішок кольорових металів в розплаві. Так, при переплавці брухту з 0.3% міді в отриманому напівпродукті її вміст знизився до рівня 0.20-0.21%.

В таблицях 2 і 3 представлені матеріальний і енергетичний баланси плавок. Як видно, запропонована технологія дозволяє ефективно використовувати тепло пічних газів (98 кВт*год) для нагріву і відновлення обкотишів. При цьому втрати тепла з газами, що відходять, не перевищують 45 кВт*год, що нижче за показники крупних промислових шахтних печей з утримуючими пальцями фірми “Fuchs” (53 кВт*год).

Таблиця 2

Матеріальний баланс плавки

Прихід | Кількість, кг | % | Одержано | Кількість, кг | %

Металобрухт | 14.00 | 40 | Рідкий напівпродукт | 20.00 | 57

Обкотиші | 14.00 | 40 | Шлак | 10.50 | 30

Шлакотвірні | 3.90 | 11 | Пічні гази | 4.40 | 13

Природний газ, кисень | 3.00 | 8.6

РАЗОМ: | 34.90 | 100 | РАЗОМ: | 34.90 | 100

Таким чином, розроблений новий спосіб виробництва вуглецевого напівпродукту із застосуванням оксидо-вугільних матеріалів (відходи металургійного виробництва, залізорудний концентрат, вугілля). В основі процесу лежить безперервний нагрів і відновлення шихтових матеріалів у сводовій камері дугової печі з подальшою подачею і плавленням їх у ванні печі. При цьому окислення вуглецю рідкої ванни забезпечує достатнє газовиділення, необхідне для нагріву і відновлення обкотишів.

В сьомому розділі “Техніко-економічна оцінка технології процесу виплавки напівпродукту в дуговій електропечі зі сводовою камерою” виконано техніко-економічну оцінку виплавки напівпродукту з використанням залізо-оксидних матеріалів в модифікованій дуговій електропечі. Оцінка базується на заміні 20% металобрухту залізо-оксидним матеріалом у вигляді рудо-вугільних обкотишів. Процес виплавки напівпродукту в ДСП доцільно організувати з використанням резервних стотонних дугових печей типу ДСП-100Н3А мініметалургійного заводу “ІСТІЛ – Україна” (м. Донецьк), або ВАТ “Енергомашспецсталь” (м. Краматорськ). В умовах даних підприємств економічна ефективність складе 55 грн/т сталі.

Таблиця 3

Тепловий баланс виплавки напівпродукту в дослідно-промисловій електропечі

Прихід тепла | К-кість, кВт*год | % | Витрата тепла | К-кість, кВт*год | %

Ванна печі

Електроенергія | 1348.33 | 90.64 | Ентальпія металу | 342.50 | 23.03

Тепло екзотермічних реакцій у ванні | 62.40 | 4.20 | Ентальпія шлаку | 132.50 | 8.91

Фізичне тепло шихтових матеріалів | 0.23 | 0.02 | Акумульоване тепло й втрати поверхнею печі | 790.00 | 53.10

Фізичне тепло обкотишів | 76.50 | 5.14 | Втрати з охолоджувальною водою | 95.00 | 6.39

Ендотермічні реакції у ванні | 29.46 | 1.98

Тепло газів, що надходять у сводову камеру | 98.00 | 6.59

1487.46 | 100.00 | 1487.46 | 100.00

Сводова камера

Тепло газів, що надходять у сводову камеру | 98.00 | 41.78 | Фізичне тепло обкотишів | 76.50 | 32.62

Окислювання природного газу (пальники) | 19.31 | 8.23 | На нагрівання й відновлення обкотишів | 114.25 | 48.71

Тепло окислювання летких і вуглецю обкотишів | 117.24 | 49.99 | З пічними газами | 43.80 | 18.67

234.55 | 100.00 | 234.55 | 100.00

Сумарний баланс

Електроенергія | 1348.33 | 87.13 | Ентальпія металу | 342.50 | 22.13

Тепло екзотермічних реакцій у ванні | 62.40 | 4.03 | Ентальпія шлаку | 132.50 | 8.56

Фізичне тепло шихтових матеріалів | 0.23 | 0.01 | Акумульоване тепло й втрати поверхнею печі | 790.00 | 51.06

Окислювання природного газу (пальники) | 19.31 | 1.25 | Втрати з охолоджувальною водою | 95.00 | 6.14

Тепло окислювання летких і вуглецю обкотишів | 117.24 | 7.58 | Ендотермічні реакції у ванні | 29.46 | 1.90

На відновлювання обкотишів | 114.25 | 7.38

З пічними газами | 43.80 | 2.83

1547.51 | 100.00 | 1547.51 | 100.00

ВИСНОВКИ

Дисертація містить вирішення наукового завдання, що полягає у розвитку технологічного варіанту електродугової виплавки напівпродукту із застосуванням металізованої сировини, отриманої шляхом відновлення оксидного матеріалу в робочому просторі електропечі.

1. Розроблено і досліджено технологію виробництва вуглецевого напівпродукту із застосуванням оксидо-вугільних матеріалів. В основі її лежить безперервна подача, нагрів і відновлення оксидо-вугільних обкотишів пічними газами у сводовій камері дугової печі з подальшим плавленням їх у ванні. Технологія дозволяє використовувати в шихті електропечі до 20% обкотишів, до складу яких входять залізо-оксидні матеріали, у тому числі і відходи металургійного виробництва, а також порошок вугілля.

2. Методами математичного і фізичного моделювання досліджено відновлення оксидо-вугільних обкотишів у сводовій камері дугової електропечі з використанням фізичного тепла і відновного потенціалу пічних газів. Для ефективного управління потоками пічного газу у сводовій камері печі розроблений газодинамічний розподільник з кутом розкриття в 175°.

3. Розроблено конструкцію і виготовлено дослідно-промислову електропіч ДСП-0.2 зі сводовою камерою, що дозволяє поєднувати процеси відновлення оксидного матеріалу і виплавки вуглецевого напівпродукту.

4. Встановлена залежність ступеня металізації оксидо-вугільних обкотишів (?, %) від швидкості обертання тарелі (?, об/год) і кута розкриття газодинамічного розподільника (?, град): . Оптимальні умови відновлення досягають при швидкості обертання тарелі 6 об/год і при куті розкриття газодинамічного розподільника в 175°.

5. Досліджений вплив геометричних параметрів сводової камери і газовідвідного патрубка на ступінь відновлення. Встановлено, що відношення висоти шару обкотишів до висоти сводової камери повинно складати 0.04-0.075, а відношення висоти газовідвідного патрубка до його діаметру – 0.8-1.75.

6. Розроблена технологія дозволяє знижувати до 30% вміст кольорових металів у вуглецевому напівпродукті за рахунок використовування в шихті 20% оксидо-вугільних обкотишів, відновлених у сводовій камері дугової сталеплавильної печі.

7. Експериментально встановлена залежність швидкості плавлення відновлених обкотишів (д, ?г/ч) від маси металевого розплаву в печі (m, кг): .

8. Розроблена технологія електроплавлення дозволяє ефективно утилізувати тепло пічних газів для організації нагріву і відновлення обкотишів. При цьому втрати тепла з газами, що відходять, не перевищують 45 кВт*год, що нижче за показники крупних промислових шахтних печей з утримуючими пальцями фірми “Fuchs” (53 кВт*год).

9. Технологія виплавки напівпродукту з використанням металізованої сировини відновленої у сводовій камері ДСП, в умовах ВАТ “Енергомашспецсталь” (м. Краматорськ), забезпечить економічну ефективність у розмірі 55 грн/т сталі.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1. Троянский А.А., Тищенко П.И., Тимошенко С.Н., Тищенко А.П. Разработка основ непрерывного плавильно-восстановительного процесса в дуговой печи // Науковi працi ДонНТУ. Металургiя. Випуск № 40. – Донецьк, ДонДТУ, 2002. - С. 76 – 81.

2. Купенко В. И., Тищенко А.П. Исследование процесса нагрева и восстановления рудо-угольных окатышей в потоке отходящих газов дуговой сталеплавильной печи // Науковi працi ДонНТУ. Металургiя. Випуск № 73. – Донецьк, ДонДТУ, 2004. – С. 33 – 37.

3. Тищенко А. П. Технологические процессы выплавки стали в металлургических агрегатах нового поколения // Збiрник наукових праць. Металургiя. - Запорiжжя: ЗДIА, 2004. - №9. – С. 29 – 33.

4. Тищенко А. П. Исследование динамики восстановления рудо-угольных окатышей при моделировании условий интегрированного процесса // Металлургическая и горнорудная промышленность. Днепропетровск, 2003. - №6. – С. 18 – 21.

5. Троянский А. А., Симоненко В.И., Тищенко А. П. Моделирование нагрева и восстановления рудо-угольных окатышей в сводовой камере печи интегрированного процесса // Теория и практика металлургии. Днепропетровск, 2003. - №3 - С. 20–23.

АНОТАЦІЇ

Тіщенко А.П. “Виплавка напівпродукту в дугових електропечах з використанням металізованої сировини, що відновлена у сводовій камері” - рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 – “Металургія чорних металів”. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена розробці основ технології виплавки вуглецевого напівпродукту, що включає процес відновлення залізовмісних матеріалів у сводовій камері дугової сталеплавильної печі за рахунок використовування теплового і хімічного потенціалів пічних газів, що відходять, і подальше їх плавлення у ванні печі. Оптимальні газодинамічні характеристики у сводовій камері забезпечує газодинамічний розподільник.

Для створення умов нагріву і відновлення в дуговій сталеплавильній печі розроблені технічні рішення: сводова камера з обертовою тареллю, газодинамічний розподільник для створення спрямованого потоку пічних газів, що відходять, газовідвідний патрубок з похилою газопроникною решіткою.

Методами математичного і фізичного моделювання визначені оптимальні, з погляду відновлення обкотишів, поля швидкостей газового потоку в сводовій камері.

Встановлені основні технологічні параметри процесу, зокрема кут розкриття газодинамічного розподільника(?, 175°), швидкість обертання тарелі (?, 6 об/час), масова швидкість подачі обкотишів у ванну (0.74 кг/кг*год) і ступінь їх металізації (?, 90%).

Дана технологія дозволяє залучити в металургійну переробку відходи металургійного виробництва (окалина, шлами), знизити вміст домішок кольорових металів у сталі і знизити ступінь забруднення навколишнього середовища.

Використовування фізичного тепла газів, що відходять, для нагріву і відновлення помітно підвищує енергетичну ефективність дугової сталеплавильної печі.

Основні результати роботи планується використовувати при реконструкції дугових сталеплавильних печей.

Ключові слова: металургія, чорні метали, дугова сталеплавильна піч, сводова камера, обертова тарель, пічні гази, газодинамічний розподільник, відновлення, металізована сировина.

Тищенко А.П. “Выплавка полупродукта в дуговых электропечах с использованием металлизированного сырья, восстановленного в сводовой камере”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 – “Металлургия черных металлов”. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2005.

Диссертация посвящена разработке основ технологии выплавки углеродистого полупродукта, включающей процесс восстановления железосодержащих материалов в сводовой камере дуговой сталеплавильной печи за счет использования теплового и химического потенциалов отходящих печных газов и последующее их плавление в ванне печи. Оптимальные газодинамические характеристики в сводовой камере обеспечивает газодинамический распределитель.

Для создания условий нагрева и восстановления в дуговой сталеплавильной печи разработаны технические решения: сводовая камера с вращающейся тарелью, газодинамический распределитель для создания направленного потока отходящих печных газов, газоотводящий патрубок с наклонной газопроницаемой решеткой.

Методами математического и физического моделирования определены оптимальные, с точки зрения восстановления окатышей, поля скоростей газового потока в сводовой камере.

Установлены основные технологические параметры процесса, в частности угол раскрытия газодинамического распределителя (б, 175°), скорость вращения тарели (щ, 6 ?б/час), массовая скорость подачи окатышей в ванну (0.74 кг/кг*час) и степень их металлизации (з, 90%).

Данная технология позволяет вовлечь в металлургический передел отходы металлургического производства (окалина, шламы), снизить содержание примесей цветных металлов в стали и понизить степень загрязнения окружающей среды.

Использование физического тепла отходящих газов для нагрева и восстановления заметно повышает энергетическую эффективность дуговой сталеплавильной печи.

Основные результаты работы планируется использовать при реконструкции дуговых сталеплавильных печей.

Ключевые слова: металлургия, черные металлы, дуговая сталеплавильная печь, сводовая камера, вращающаяся тарель, печные газы, газодинамический распределитель, восстановление, металлизованное сырье.

The summary. Tishchenko A.P. “Melting of semi-product in electric arc furnaces with usage of metallized product which is reduced in roof’s chamber”. – The manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.16.02 “Metallurgy of ferrous metals”. – Donetsk national technical university, Donetsk, 2005.

The dissertation is devoted to elaboration of bases of technology of melting a carbon semiproduct in electrical arc furnace.

The ability of organization of the reduction process of iron-laden wastes was investigated in working space of electrical arc furnace. This process takes place due to usage of physical heat and reduction potential of furnace’s gases with accounting of their temperature and degree of oxidation during heat.

Is determined the ability of joining of reduction process of iron-oxide materials and melting of reduced materials in limits of working space in one technological unit.

Are developed technical designs with the purpose to organize the reduction process of iron-oxide materials in the working space of electrical arc furnace up to given degree of metallization.

Is investigated the influence of addition into the bath of electrical arc furnace of metallized materials onto parameters of melting and slag formation.

This technology involve the process of reduction of iron oxides. These materials are shaped into pellets. The pellets consist iron ore, sludge, scale and coal powder. The coal plays the role of main reductant. Before reduction the coal is gasified onto reduction gas, which provides solid-phase reduction.

Processes of heating and reduction take place in the roof’s chamber. The roof’s chamber has optimal gas-dynamic characteristics due to usage of gas-dynamic distributor.

Gas-dynamic distributor manages the outgoing gas flux. Optimal usage of thermal and chemical potentials of outgoing furnace’s gases is possible with 175° of gas-dynamic distributor opening angle.

For providing of heating and reduction conditions in electrical arc furnace were designed the next technical solutions: roof’s chamber; rotateable plate, which is bottom part of roof’s chamber; gas-dynamic distributor; elbow with declined gas penetrable grid.

The theoretical investigations of gas-dynamic processes were done in the roof’s chamber with usage of mathematical modeling. With the help of modeling, from the point of view of the best reduction of pellets, the gas flux’s fields of velocities were obtained in the roof’s chamber. There were some additional conditions during investigation: thermal regime of melting and reduction, non-stable chemical composition of outgoing gases during melting. For the first time the analytical equation of dependence between reduction degree (з, %), angle of opening of gas-dynamic distributor (б, deg) and velocity of revolution of rotateable plate (щ, rev/h) is established.

Were obtained main technological parameters of the process, in particular the angle of opening of gas-dynamic distributor (б, 175°), velocity of revolution of rotateable plate (щ, 6 rev/h), melting rate of reduced pellets in a bath (0.74 kg/(kg*h)) and degree of metallization of pellets in the region of discharging screw (з, 90%).

Is developed the construction and made the experience-industrial pilot electrical arc furnace on the base of electrical arc furnace for melting of fluxes. This pilot furnace permits to realize reduction processes of iron-oxide pellets in the roof’s chamber in one time with melting of reduced pellets and obtaining of carbon semiproduct.

As a result of physical modeling in a pilot unit EAF-0.2 the equation of dependence of mass dosage (д, kg/h) of reduced pellets from melting rate and mass of liquid “heel” is established.

Proposed technology permits involve in the metallurgical production the metallurgical wastes (scale, sludge), reduce contain of contaminated additions of non-ferrous metals (cuprum, tin) in the steel and reduce of degree of contamination of environment.

Usage of physical heat of outgoing gases for heating and reduction drastically increases energetic efficiency of electrical arc furnace.

The main results of dissertation are planed to use during reconstruction of EAFs.

Key words: metallurgy, ferrous metals, electrical arc furnace, roof’s chamber, rotateable plate, furnace’s outgoing gases, gas-dynamic distributor, reduction, , metallized product.