МІНІСТЕРСТВО ПРОМИСЛОВОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ПРОМИСЛОВОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ
УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ
ВУГЛЕХІМІЧНИЙ ІНСТИТУТ УХІН
На правах рукопису
ЖУРАВСЬКИЙ Анатолій Олександрович
УДК 662.749.2:536.5
КОМПЛЕКСНА ОЦІНКА МІЦНОСТІ КОКСУ ПІД
ВПЛИВОМ РОЗДАВЛЮЮЧИХ НАВАНТАЖЕНЬ В
УМОВАХ ВИСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
Спеціальність 05.17.07 – хімічна технологія
палива і паливно-мастильних матеріалів
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
м. ХАРКІВ - 2006
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в УХІНі Мінпромполітики України.
Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор Слободськой Станіслав Олександрович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” МОН України, завідувач кафедри технології палива та вуглецевих матеріалів
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук Старовойт Анатолій Григорович, Українська науково-промислова асоціація “Укркокс” м.Дніпропетровськ, генеральний директор,
кандидат технічних наук Джигота Олександр Дмитрович, Інститут чорної металургії НАН України, м. Дніпропетровськ, старший науковий співробітник
Провідна організація: | Донецький національний технічний університет МОН України, кафедра хімічної технології палива
Захист дисертації відбудеться “ 27 ”___06_________2006 р. о 1300____годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.822.01 при Українському державному науково-дослідному вуглехімічному інституті.
Адреса: 61023, м. Харків, вул. Весніна, 7, УХІН.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного науково-дослідного вуглехімічного інституту.
Автореферат розісланий “_23_”__05__ 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 64.822.01
к.т.н., с.н.с. М.І. Рудкевич
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Кокс є єдиним компонентом доменної шихти, що доходить до рівня фурм у твердому стані, тому від його міцності залежить ефективність доменного виробництва. Вдування у домну спеціальних видів пилоподібного палива, що дозволяють знизити витрати коксу на тонну чавуну, стримується недостатньою міцністю коксу. Дренажна здатність стовпа шихтових матеріалів значною мірою залежить від якості коксу і, насамперед, від характеру зміни його механічних властивостей під впливом високих температур, агресивного газового середовища і механічних навантажень, що діють в умовах доменної плавки. Відомі методи визначення механічних властивостей коксу не завжди дозволяють об'єктивно оцінити вплив зазначених факторів, оскільки випробуванню піддають охолоджені проби коксу. Вирішення цієї задачі ускладнюється також мінливістю якісних показників коксу, що пов'язано з нестабільністю параметрів вугільної шихти та зміною технологічних факторів при виробництві коксу. Тому залишається актуальною задачею розробка нових методів і прийомів, що дозволяють прогнозувати міцність коксу в залежності від реальних умов його виробництва та використання у доменному процесі. Рішенню зазначеної задачі присвячена дана дисертація.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт УХІНу, координаційних планів міністерства чорної металургії СРСР і планів по нової техніці ВАТ "Авдіївський коксохімічний завод" і ВАТ "Запорожкокс" протягом 1985-2004 рр. (ДР №01830006796, №81014904, №0193U030844).
Мета і задачі роботи - розробка нової методики визначення термічної сталості коксу з урахуванням роздавлюючих зусиль, які діють на кокс у доменній печі. Це дає змогу вивчити усі фактори, які впливають на здатність коксу опиратися руйнівній силі високих температур і агресивного газового середовища та розробити технічні і технологічні засоби, що дозволять підвищити якість коксу.
Така мета роботи викликала необхідність вирішення наступних задач:
- вивчення існуючих засобів визначення термічної сталості коксу;
- розробки нової методики випробовування здатності коксу опиратися руйнівній дії високих температур та агресивного газового середовища;
- дослідження усіх чинників, яки впливають на термічну сталість коксу;
- розробка нових засобів, що можуть покращати здатність коксу опиратися руйнівній дії високих температур та агресивного газового середовища;
Об'єкт дослідження. Процеси руйнування коксу в умовах високих температур і агресивних середовищ.
Предмет дослідження. Нова методика визначення якості коксу, фактори, що впливають на термотривкість коксу, і заходи, що дозволяють поліпшити термомеханічні властивості коксу.
Методи дослідження. Для характеристики здатності коксу протистояти термічним, механічним і хімічним впливам використовувалися традиційні наявні в УХІНі комплекси стандартних і спеціальних хімічних та фізико-хімічних дослідницьких методів:
- реакційної здатності коксів (метод ГІАП) згідно ГОСТ 10089-89;
- структурної міцності коксу згідно Грязнову ГОСТ 9521-74;
- щільності та пористості коксу згідно ГОСТ 10220-82;
- механічної міцності коксу у малому колосніковому барабані;
- ренгеноструктурних характеристик коксів;
- питомого електроопору коксів (метод ІГІ-ДМетІ).
При виконанні роботи та обробці отриманих експериментальних даних використана оригінальна методика одержання математичної моделі описуваних процесів, а також моделювання окремих процесів на ПЕОМ.
Наукова новизна отриманих результатів: Наукова новизна виконаних досліджень характеризується наведеними в дисертації вперше отриманими науковими даними, розробленими методами, методиками і рекомендаціями, у числі яких:
- на підставі положень теорії пружності та моделювання на ЕОМ процесу руйнування коксу в доменній печі було визначено, що в реальних умовах на кокс діють ще й роздавлюючі навантаження, участь котрих в руйнуванні коксу ще недостатньо вивчено;
- розроблено новий критерій механічної стійкості коксу, названий індексом роздавлювання Ind G, що дорівнює відношенню класів +10 і -1мм після роздавлювання проби коксу у матриці при навантаженні 7 МПа;
- уперше вивчено зміну індексу роздавлювання в залежності від температури вторинного нагрівання, рівня механічних навантажень, геометричних розмірів матриці та кількості коксу, що піддається випробовуванню;
- здійснено теоретичне і практичне обґрунтування запропонованих критеріїв, які характеризують термомеханічну сталість коксу при впливі на нього зусиль, що роздавлюють, вторинного нагрівання і часткової газифікації;
- уперше встановлено, що при вторинному нагріванні при температурі 1000 0С для кусків коксу, розмір яких перевищує 40 мм, домінують процеси послаблення їхньої міцності за рахунок розрихлення приповерхневого шару при частковій газифікації і виникнення тріщин при термічних напругах; для кусків коксу, розмір яких менше 40 мм, має місце збільшення міцності за рахунок подальших структурних перетворень речовини коксу;
- розроблено нові засоби підвищення міцності коксу на стадіях підготовки вугільної шихти, у процесі її коксування і за допомогою позапічної механічної обробки коксу.
Обґрунтування і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, сформульованих у дисертації, визначаються:
- проведенням широкомасштабних експериментів, здійснених у лабораторних та підтверджених у промислових умовах;
- використанням при проведенні лабораторних і промислових експериментів стандартизованих методик, сучасних методів дослідження та обробки отриманих результатів;
Встановлені у роботі наукові факти належно аргументовані, їх пояснення доводиться на базі сучасних уявлень хімії високомолекулярних сполук, теоретичної фізики та основних положень вуглехімії.
Практична цінність отриманих результатів полягає:
- у встановлені закономірності руйнування коксу в залежності від комплексу термічних і механічних навантажень, що дають можливість прогнозувати його поводження в умовах доменного процесу;
- у визначенні взаємозв'язку між марочним складом, умовами підготовки та коксування шихт із термічною сталістю отриманого коксу, що дає можливість отримувати кокс із заздалегідь зазначеними властивостями;
- у визначенні критичного вмісту суми спікливих компонентів та виявленні факторів, що впливають на критичну величину цієї суми, а також у отриманні рівнянь, які дозволяють розрахувати цю величину в залежності від умов отримання коксу;
- у розробці та випробуванні у промислових умовах засобу підвищення термічної стійкості коксу на різних стадіях його виробництва;
- у реалізації основних результатів роботи на ВАТ "Авдіївський коксохімічний завод" на коксових батареях №№ 8, 9, на коксосортировці №№ 2, 3 і на ВАТ "Запорожкокс" на коксовій батареї №2 БІС, на ВАТ "Дніпродзержинський КХЗ" та КХВ ВАТ "Криворіжсталь";
- у впровадженні практичних методик, розроблені в ході виконання роботи, в навчальну практику кафедри "Технології палива та вуглецевих матеріалів" НТУ "ХПІ".
Особистий внесок здобувача. Автор особисто:
- сформулював мету і завдання досліджень;
- обґрунтував методику визначення термічної сталості коксу;
- брав участь у виконанні лабораторних досліджень щодо розробки і визначення термічної стійкості коксів;
- провів дослідження в промислових умовах по підвищенню термічної стійкості коксів;
- виконав обробку експериментальних даних за оригінальною методикою.
Апробація роботи: Основні положення роботи доповідалися на вуглекоксовій секції НТС УХІНу (м. Харків, 1986 - 1988 рр), а так само на конференції молодих вчених та спеціалістів УХІНу, 1986 р, конференції молодих вчених та спеціалістів ДІПРОКОКСу і УХІНу "Інтенсифікація процесів коксохімічного виробництва", 1984 р, на III і IV науково-технічних конференціях молодих вчених і фахівців із проблеми "Изучение углей, процессов и продуктов их переработки", (м. Свердловськ, 1985, 1988 р), технічній ради ОАО "Авдіївський коксохімічний завод" (м. Авдіївка, 2003 р), на науково-технічних семінарах кафедри "Технологія твердого палива та вуглецевих матеріалів" НТУ "ХПІ" (м. Харків, 2003 р.), на семінарі циклових комісій фізики, механіки, вимірів і стандартизації Харківського машинобудівного коледжу, 2004 р.
Публікації: Основний зміст дисертації викладено у 15 статтях у фахових журналах та наукових збірках та двох тез доповідей на науково-технічних конференціях. За темою дисертації отримано чотири авторських свідоцтва та патентів України.
Структура й обсяг роботи: Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів з висновками, загальних висновків, переліку використаних літературних джерел, усього 148 сторінок машинописного тексту, 41 таблиця, 13 малюнків і фотографій, 7 додатків; бібліографія включає 101 джерел вітчизняної та закордонної літератури.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
ОГЛЯД ТА КРИТИЧНИЙ АНАЛІЗ СУЧАСНИХ СПОСОБІВ ВИЗНАЧЕННЯ
ТЕРМІЧНОЇ СТІЙКОСТІ КОКСІВ
Виконаний автором ретроспективний аналіз відомих засобів і пристроїв визначення термічної стійкості коксу показав, що в більшості випадків умови проведення випробувань, як правило, лише приблизно відповідають умовам, що існують у доменній печі. Механічні навантаження, високі температури та газове середовище діють тривалий час та у таких співвідношеннях, що їх важко змоделювати. Практично у всіх методиках відсутня можливість перерахування результатів, отриманих при використанні коксу лабораторного подрібнювання, на кокси промислової крупності, хоча вочевидь, що кокси ідентичні за своїми властивостями, але, відрізняючись тільки розмірами, у домні будуть поводитися по-різному. Навіть деякі сучасні методи, засновані на попередній термічній обробці коксу в окислювальному середовищі, передбачають потім оцінку механічних властивостей охолодженого коксу.
ОБҐРУНТУВАННЯ МЕТОДИЧНОГО ПІДХОДУ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ
МЕХАНІЧНОЇ МІЦНОСТІ КОКСУ
Математичне моделювання зміни гранулометричного складу коксу при руйнуванні його у доменній печі , виконане здобувачем за допомогою ЕОМ, показало, що урахування тільки стирання та горіння коксу призводить до збільшеного вмісту середніх і великих та зменшеному вмісту дрібних класів коксу у порівнянні з фактичними значеннями, отриманими при розбиранні охолодженої доменної печі. Якщо ж враховувати не тільки стирання і горіння куска коксу, але і його роздавлювання під дією вищележачих шарів доменної шихти, то гранулометричний склад коксу, отриманий при моделюванні на ЕОМ, відповідатиме дійсному гранулометричному складу кокса, що знаходиться у домні. Таким чином, здатність коксів протистояти роздавлюючим зусиллям істотно визначає його споживчі характеристики, хоча ці здібності дотепер аж ніяк не враховуються при оцінці якості коксу.
Аналітичне вивчення напруженого стану куска коксу показало, що його термічна сталість прямо пропорційна виникаючим в уламку коксу напругам та прямо пропорційна коефіцієнтам температуропроводності та всебічного стиску, але зворотно пропорційна модулю пружності та коефіцієнту термічного розширення. При збільшенні розміру куска термотривкість коксу знижується.
ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ МІЦНОСТІ КОКСУ ПРИ ВПЛИВІ
РОЗДАВЛЮЮЧИХ ЗУСИЛЬ
Для дослідження міцності коксу було підготовлено ряд проб із широким діапазоном властивостей, що відбивають взаємозв'язок як з вихідним складом вугільних шихт, так і з умовами його одержання. Це забезпечило розробку нового методу визначення термічної стійкості коксу на зразках, що представляють широку гаму практично усіх сучасних технологій; виявити нові закономірності зміни властивостей коксу в процесі виробництва та зіставити ефективність різних способів його виробництва.
Дослідження, проведені як у нашій країні, так і за кордоном, показали, що міцність коксу на стиск і розтягання мало змінюється у досить широкому діапазоні температур, тому не буде дуже великою помилкою розділити термічні і механічні навантаження у часі, що дозволить спростити методичний підхід і апаратурне оформлення вимірювальних пристроїв. У розробленій методиці пробу коксу поміщали в спеціальну матрицю, прикладали зусилля, що роздавлює, і розсіювали зруйнований кокс на окремі класи крупності (рис. 1).
З наведеного графіка випливає, що зі збільшенням зусиль, що роздавлюють, найбільш динамічно змінюється вихід класів +10 та -1 мм, що було покладено в основу розробки критерію механічної міцності коксу, названого індексом роздавлювання Ind G:
Ind G = a/b (1)
де: а - вихід класу +10мм, b - вихід класу -1мм.
Встановлено, що зміни індексу роздавлювання в залежності від середніх розмірів кусків (d) і висоти засипки коксу (H), а так само діаметра матриці (D) при довільному зусиллі, що роздавлює Р, може описуватися рівнянням:
EMBED Equation.3 (2)
де: Ind Gfix - відповідно індекс роздавлювання, отриманий при фіксованих (базових) значеннях вихідного розміру куска коксу dfix, висоти засипки Hfix і діаметра матриці Dfix і базовому зусиллі, що роздавлює, Рfix. Використовуючи рівняння (2) можна отримані у різних умовах результати привести до єдиного порівнянного значення, що значно спрощує користування методом.
Індекс роздавлювання коксу залежить від фракції, з якої він виділений для аналізу (див. рис. 2). Ця закономірність описується рівнянням виду:
EMBED Equation.3 (3)
де: Ind G - індекс роздавлювання коксу, виділеного з фракції із середнім розміром куска di; A,B - коефіцієнти пропорційності.
Щоб переконатися у тому, що зміни індексу не пов'язані з механічними навантаженнями, яким кокс піддавався при попередньому дробленні, була проведена перевірка фізико-механічних показників коксу (структурної міцності і твердості) з різних класів крупності. Результати перевірки приведені в табл.1, з якої видно, що окремі класи крупності коксу відрізняються не тільки розмірами, але і фізичними властивостями, що дає змогу завжди перерахувати дані, отримані в лабораторних умовах, на умови реального процесу.
EMBED MSGraph.Chart.8 \s
Таблиця 1
Фізико-механічни властивості коксів у залежності від класу
крупнисті, з якого він виділявся для аналізу
Клас крупності, з якого виділяється кокс для аналізу, мм.Індекс роздавлю-ванняФізико-механічні властивості коксуАбразивна міцність, мгСтруктурна міцність, %+801,6311085,780-601,8212186,160-402,0812986,940-252,4213987,4
Щоб мати можливість цілеспрямовано впливати на показник термічної стійкості виробленого коксу була отримана залежність між індексом роздавлювання коксу й умовами його одержання:
EMBED Equation.3 (4)
де: ? - період коксування, година; П - помел шихти (вміст у шихті класів менше 3 мм); EMBED Equation.3СК - сума спікливих компонентів (Ж+К+ОС); ? - щільність шихти в камері коксування, т/м3; ? - коефіцієнт інтенсивності механічної обробки
ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ ВТОРИННОГО НАГРІВАННЯ НА МІЦНІСТЬ КОКСУ
Для виявлення закономірностей впливу вторинного нагрівання на міцність коксу його пробу нагрівали при температурі 1000 ?С протягом 15 хв., а потім охолоджували і піддавали руйнуванню в матриці. Зміна значень індексу роздавлювання різних коксів у залежності від кількості циклів "нагрівання-охолодження" (числа термозмін) приведені на рис.3.
Збільшення індексу роздавлювання у початковій стадії, а потім різке його зменшення слід пояснити протіканням двох протилежних процесів: зміцнення речовини коксу за рахунок подальшого збільшення ступеня його готовності, що підтверджується даними, приведеними в табл. 1, та послаблення його міцності внаслідок утворення численних тріщин за рахунок термічних напруг, по яких при накладенні механічних навантажень йде руйнування. На користь цього говорить збільшення значень міцності коксу як на мікрорівні (твердість, структурна міцність), так і на макрорівні (індекс роздавлювання), а також підвищєннся ступіня упорядкування атомів у пачці шарів (показник EMBED Equation.3), міжсіткова упорядкованість d002 вуглецевих блоків і збільшення висоти блоків LC вуглистої структури коксів при практичній незмінності їхньої довжини Lf і кількості Сб (табл.2).
На основі експериментальних даних було отримане рівняння зміни величини індексу роздавлювання в залежності від числа термозмін:
EMBED Equation.3 (5)
де: Ind G- індекс роздавлювання коксу після X числа термозмін; ?, ? і EMBED Equation.3 коефіцієнти пропорційності.
Коефіцієнт ? визначає максимальне значення, яке може досягти індекс роздавлювання при вторинному нагріванні. Коефіцієнт ? відбиває швидкість зміни індексу роздавлювання, а коефіцієнт EMBED Equation.3 показує кількість термозмін, протягом яких спостерігається ріст цього показника.
Зміну коефіцієнтів EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 можна визначити по наступному рівнянню:
EMBED Equation.3, (6)
EMBED Equation.3 (7)
де: Ind G0 - нульовий (початковий) індекс роздавлювання
Таблиця 2
Визначення фізико-механічних і рентгеноструктурних характеристик
коксу у залежності від кількості циклів термонавантажень
Фізіко-механічні та рентгеноструктурні характеристикиЧисло циклів термонавантаження012Індекс роздавлювання2,422,512,48Угар коксу, %1,802,503,00Твердість згідно Гінзбургу, мг127147149Структурна міцність коксу, %85,386,586,8Питомий електричний опір, Ом?см0,0940,0960,096Дійсна густина, г/см31,9121,9551,967
Рентгеноструктурні характеристикиEMBED Equation.3,нм0,3840,3540,356Lc, нм2,022,072,14La, нм7,47,07,2Сб, %55,362,475,5I002/EMBED Equation.31,21,62,1
Зміна значень індексу роздавлювання залежить від середнього розміру куска коксу (див. рис. 4). Зі збільшенням середнього розміру куска коксу у вихідній пробі підвищується і значення індексу роздавлювання, що добре погодиться з рівнянням (2). При цьому у коксів великих класів величина індексу роздавлювання монотонно зменшується, а в більш дрібних класах - спочатку зростає, а потім також зменшується. Це пов'язано з протіканням двох протилежних процесів при вторинному нагріванні - зміцнення речовини коксу та послаблення міцності куска коксу за рахунок розрихлення поверхневого шару при частковій газифікації та термічних напруг, причому останні будуть тим більше, чим більше розміри куска коксу. При визначеному розмірі куска коксу зниження його міцності за рахунок утворення та розвитку мережі тріщин при термічному ударі не може бути компенсовано зміцненням речовини коксу і тоді при накладанні механічних навантажень індекс роздавлювання буде менше, ніж у вихідного зразка. Тому в коксів великих класів коефіцієнт ? має негативне значення, і це означає, що за даних умов вторинного нагрівання процеси зменшення міцності коксу будуть домінувати при будь-якій кількості термозмін.
Зміна коефіцієнтів ?, ? і ? в залежності від масштабного фактору описується системою рівнянь:
EMBED Equation.3 (8)
де: ?, ? і ? - коефіцієнти при довільному розміру куска коксу d; ?0, ?0 і ?0 - ті ж коефіцієнти при базовому розміру кусків у пробі коксу.
Рівняння (8) має екстремум у точці d = 40,6 мм. Це так званий критичний розмір куска коксу. У коксів, розмір яких менше цього значення, процеси зміцнення речовини при вторинному нагріванні до температури 1000 ?С можуть превалювати над процесом руйнування куска, а в коксів, розмір яких більше критичного, при вторинному нагріванні буде домінувати процес руйнування куска. Не менш важливим є питання, як буде мінятися індекс роздавлювання коксу після вторинного нагрівання у залежності від класу крупності, з якого він виділений. Характер цих зміни представлено на рис.5.
Зі збільшенням класу крупності, з якого виділена випробувана фракція коксу коефіцієнти ?, ? і ? закономірно зменшуються і можуть бути описані наступною системою рівнянь:
EMBED Equation.3 (9)
де: EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 - відповідні коефіцієнти для коксу, вилученого з фракції 40-25мм.
Зміна індексу роздавлювання у залежності від температури вторинного нагрівання приведено на рис. 6. Як видно з приведених даних, з ростом температур, при яких відбувається вторинне нагрівання, збільшується коефіцієнт ?, але зменшується ?. Збільшення коефіцієнта ? можна пояснити тим, що з ростом температур більш інтенсивно йдуть процеси подальшого структурного перетворення речовини коксу (див. табл. 2) і, отже, до збільшення його міцності. Але, з іншого боку, збільшення температури веде до росту термічних напруг у кусках, а так само часткової їхньої газифікації з розпушенням поверхневого шару й утворенням значних кількостей дрібних фракцій коксу при накладенні механічних навантажень, що знаходить своє відображення в зменшенні коефіцієнта ?.
Ці зміни описуються емпіричним рівнянням
EMBED Equation.3 (10)
де ?T, ?T - відповідно коефіцієнти ? й ? у рівнянні (5) при відповідній температурі, ?С; EMBED Equation.3- базовий коефіцієнт, визначений при температурі 1000 0С; Ind - індекс роздавлювання при "нульовому" іспиті (без термічного навантаження);
ОЦІНКА ВПЛИВУ ЧАСТКОВОЇ ГАЗИФІКАЦІЇ НА
МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОКСУ
При вивченні впливу часткової газифікації на механічні властивості коксу пробу коксу поміщали в спеціальний реактор і продували газом-окислювачем протягом 3-х годин. Після охолодження визначали втрату маси коксу (вигар). Оцінку міцності коксу проводили за результатами його іспитів у колосниковому барабані по кількості провалу, що характеризується вмістом фракції менш 10 мм. Зміна кількості коксу у малому колосниковому барабані після газифікації залежить від величини вигару коксу і може бути описана наступним рівнянням:
EMBED Equation.3 (11)
З погляду оцінки характеристик міцності коксу після газифікації бажано, щоб співвідношення (11) дорівнювало або було більше одиниці. Це означає, що при вторинному нагріванні за рахунок протікання подальших структурних перетворень йде зміцнення речовини коксу. Тоді можна одержати співвідношення, що визначає напрямок і ступінь зміни стираності коксу в малому колосниковому барабані після газифікації:
EMBED Equation.3 (12)
Таким чином, щоб збільшити стійкість коксу до стирання в процесі газифікації, необхідно або понизити температуру, при якій ведеться обробка коксу, або збільшити розмір кусків коксу, що завантажується.
Були отримані рівняння, що зв'язують між собою показники термічної стійкості коксу і його реакційної здатності:
EMBED Equation.3 , (13)
EMBED Equation.3, (14)
Відповідно до рівняння (14) з ростом реакційної здатності збільшується значення коефіцієнта ? і навпаки. Однак, на реакційну здатність коксів впливає не тільки хімічна активність речовини коксу, але і його структура: велика поруватість коксу збільшує його поверхню, що за інших рівних умов збільшує реакційну здатність, однак при цьому ж зменшується поперечний переріз кусків, що приводить до зменшення їхньої механічної міцності. Таким чином, зі збільшенням реакційної здатності повинна зменшуватися здатність коксів опиратися механічним, у тому числі і роздавлюючим навантаженням, що характеризується індексом роздавлювання. Проведені експерименти дозволили науково обґрунтувати і розробити нову методику оцінки термічної стійкості коксу.
МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОГО ВИПРОБУВАННЯ КОКСУ
ТА РОЗРАХУНКУ ІНДЕКСУ РОЗДАВЛЮВАННЯ
На підставі виконаних досліджень була розроблена методика визначення термічної стійкості коксу, що включає:
- добір проб коксу за ДСТУ 34083 - 78 з наступними доповненнями:
Лабораторну пробу коксу, складену як для визначення механічної міцності М25 та М10, дроблять і просівають на ситах із круглими отворами 25 і 20 мм. Кокс розміром більш 25 мм додроблюють і так само розсіюють, а потім приєднують до раніше отриманої проби. Отриману пробу в кількості 0,6 кг підсушують у сушильній шафі при температурі (200EMBED Equation.310)?С протягом 1 години.
- проведення іспитів. Для проведення дослідів готують шість проб коксу по 200 г. для 3-х рівнобіжних випробовувань. Перші дві проби піддають руйнуванню, після чого розсівають на класи +10 і -1 мм. Відношення ваги класу +10 мм до класу -1 мм називається індексом роздавлювання Ind G. Інші проби, попередньо висушені до постійної ваги в сушильній шафі при температурі
(200EMBED Equation.35)0С, на листах встановлюють в попередньо розігріту до (1000+10)?С муфельну піч і витримують протягом 15 хв., після чого охолоджують. Далі дві проби по черзі піддають руйнуванню в матриці з визначенням індексу роздавлювання, а інші піддаються повторному нагріванню й охолодженню. Після кожного циклу "нагрівання-охолодження" відбираються дві рівнобіжні проби для визначення індексу роздавлювання.
- розрахунок значень індексу роздавлювання. Індекс роздавлювання визначається по формулі:
Ind G= G+10/G-1 (15)
де: G+10 - вага коксу класу +10 мм, г; G-1 - вага коксу класу - 1 мм, г після руйнування в спеціальній матриці.
Коефіцієнти (,( і ( визначаються по наступним формулам:
EMBED Equation.3 , (16)
EMBED Equation.3 , (17)
(=Ind0.Exp((.(2), (18)
де: Ind Go ,Ind G1 і Ind G2 індекси роздавлювання складу коксу отримані відповідно до термічного навантаження, після одно- і дворазового термонавантаження.
За результат приймається середнє арифметичне значення результату двох рівнобіжних визначень.
СПОСОБИ СПРЯМОВАНОГО ПІДВИЩЕННЯ
ТЕРМІЧНОЇ СТІЙКОСТІ КОКСУ
Розроблений у дисертації комплексний метод оцінки міцностних властивостей коксу дозволяє оцінити умови, при яких змінюються термічні властивості коксів, і рекомендувати рішення для збільшення його термічної стійкості та механічної міцності.
Поліпшення термічної стійкості коксу відповідно до рівняння (4) можливо на всіх стадіях його виробництва.
З відомих способів підвищення термічної стійкості коксів можна відзначити використання шихт зі збільшеною часткою добре спікливого вугілля EMBED Equation.3 (див. рівняння (4)), а також застосування спеціальних засобів підготовки вугільних шихт (трамбування, брикетування і термічна підготовка), оскільки вони пов'язані з підвищенням щільності шихти в камері коксування ?, що веде до підвищення термотривкості коксів.
Як випливало з аналітичного дослідження, виконаного в дисертації, термічна напруга, що виникає у кусках коксу (а значить і термічна сталість) залежить від коефіцієнтів тепло- та температуропроводності. Великий вплив на ці коефіцієнти має тріщинуватість коксу. Для поліпшення термічної стійкості коксу був розроблений пристрій для механічної обробки коксу, в ході якої в першу чергу будуть руйнуватися куски, ослаблені мережею мікро- та макротріщин, отриманими в ході виробництва, гасіння і транспортування коксу. При цьому руйнування буде йти саме по цих тріщинах і в знову утворених кусках тріщин буде значно менше, і такі куски будуть міцніші. У рівнянні (4) це знайшло своє відображення в коефіцієнті механічної обробки ?. Даний пристрій був впроваджений у КЦ №№ 2,3 ВАТ "Авдіївський коксохімічний завод".
У процесі виконання роботи на стадії лабораторних досліджень був розроблений порівняно простий спосіб поліпшення властивостей вугільної шихти за рахунок безпосереднього підведення електричного струму. У лабораторних умовах були отримані дослідні партії вугілля марки Г, піддані електробробці. Кокс, отриманий з таких брикетів, мав більшу термотривкість, ніж кокс, отриманий з тієї ж шихти, але без електрообробки. Даний ефект спостерігається уперше, що є одним з аспектів наукової новизни даної роботи.
Однією з важливих умов одержання коксу високої якості є рівномірний прогрів пирога по довжині і висоті камери коксування відповідно до його щільності ? (див. рівняння (4)). Для того, щоб
перерозподіляти теплові потоки відповідно до щільності вугільної шихти, був розроблений новий спосіб її визначення безпосередньо в камері коксування по електрофізичних характеристиках вугільної шихти. Поліпшення прогріву шихти за рахунок подачі оптимальної кількості тепла (відповідно до щільності вугільної шихти) призве???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????хідну (відповідно до щільності вугільної шихти) кількість газу в крайні вертикали і тим самим нормалізувати їхню роботу - це дифузорно-конфузорні насадки і параболічні плотинки. Вони впроваджені на ВАТ "Авдіївський КХЗ" (бат. №№ 3,4) і щорічно приносять прибуток у розмірі приблизно по 500000 грн/рік та захищені
авторськими свідоцтвами і патентами, що є ще одним з аспектів наукової новизни даної дисертації.
Оскільки при вторинному нагріванні зразків коксу відповідно до рівняння (5) у більшості випадків спостерігалося підвищення індексу роздавлювання на 10-20% за рахунок своєрідної "термічної підготовки" коксу також можна підвищити його здатність протистояти термомеханічним навантаженням.
ВИСНОВКИ
1. Одержані наукові та експериментальні результати дозвол????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????енної термічної сталості. Це забезпечує економічний ефект від впровадження понад 300-500 тис. грн щороку на кожну коксову батарею.
2. Вперше у вітчизняній практиці доведена наявність раздавлюючих навантажень на кокс у доменній печі, вплив яких на кокс ще недостатньо вивчений.
3. Для характеристики здатності коксів протистояти зусиллям роздавлюавння, запропонована нова характеристика, названа індексом роздавлювання, що визначається як співвідношення класів крупності +10 і -1 мм після накладення навантажень, що роздавлюють
кокс у спеціальній матриці; показано, що шляхом визначення індексу роздавлювання можна розрахувати вміст коксу будь-якої фракції після його руйнування.
4. Науково доведено, що при руйнуванні коксу, незалежно від вихідної шихти й умов його одержання, зміни гранулометричного складу відбуваються по однаковому закону.
5. Експериментально виявлені закономірності зміни індексу роздавлювання від умов руйнування коксу; зі збільшенням розмірів матриці, у якій відбувається руйнування коксу, середнього розміру куска і висоти засипки коксу чисельне значення індексу роздавлювання збільшується.
6. Вперше у вітчізняній практиці науково обґрунтовано положення про те, що зміна індексу роздавлювання залежить не тільки від вихідної крупності кусків, але і від різниці фізико-
механічних властивостей коксів різних фракцій; отримані рівняння, що описують ці зміни.
7. Вперше експериментально виявлені залежності, що зв'язують індекс роздавлювання і гідравлічний опір засипки коксу.
8. Вперше на основі аналізу виявлених фізичних властивостей встановлено, що при вторинному нагріванні в окисному середовищі протікають два взаємно протилежних процеси: зміцнення речовини коксу за рахунок подальшого протікання структуруючих процесів та послаблення міцності куска коксу за рахунок утворення безлічі тріщин через виникаючі термічні напруги, а так само за рахунок розпушення поверхневого шару при частковій газифікації коксу. Співвідношення процесів зміцнення й ослаблення міцності коксу при вторинному нагріванні до 1000 ?С, за інших рівних умов залежить від розмірів куска коксу: для коксу кусків менших 40 мм домінують процеси зміцнення, при розмірах кусків більш 40 мм - їхня міцність зменшується.
9. У ході проведення експериментів доведено, що вторинне нагрівання коксу дозволяє так само значно підвищити здатність коксу протистояти механічним і термічним навантаженням.
Основний зміст дисертації викладено у публікаціях:
1. Журавский А.А., Семисалов Л.П., Саливон Н.И. // Оценка термомеханических свойств кокса. Кокс и химия. - 1986 - № 11. - с.15-20.
2. Журавский А.А., Семисалов Л.П., Преображенская Н.А. // Исследование влияния технологических и теплотехнических факторов на качество кокса. - Кокс и химия. - 1990. - № 1. - с.11-14.
3. Журавский А.А., Сытенко И.В., Васильев Ю.С. и др. // О производстве кокса в печных камерах большого объема. - Кокс и химия - 1990 - № 8. - с.9-12.
4. Журавский А.А., Сытенко И.В. // Изучение электрофизических характеристик углей в свободно-засыпанном состоянии. - Кокс и химия. - 1996. - № 2. - с. 8-12.
5. Журавский А.А., Торяник Э.И., Шульга И.В. и др. // Коксосортировка №2 Авдеевского коксохимического завода. Повышение эффективности работы. - Кокс и химия. - 1999. - № 8. - с.11-15.
6. Журавский А.А., Торяник Э.И., Крышень И.Г. и др. // Автоматическое построение математической модели функционирования объекта. - Кокс и химия. - 2000. - № 3 - с.22-28.
7. Журавский А.А. // О математическом моделировании взаимодействия угольной частички с потоком тепла. - Кокс и химия. - 2000 - № 7. - с 18-21.
8. Журавский А.А., Слободской С.А., Торяник Э.И. // Исследования изменения свойств кокса при частичной газификации. - Углехимический журнал. - 2001. - № 1-2. - с.28-33.
9. Карпов А.В., Торяник Э.И., Журавский А.А. // Зависимость термомеханических и физико-химических свойств кокса от технологических условий коксования и марочного состава шихт. - Углехимический журнал. - 2002. - № 1-2. - с.38-42.
10. Журавский А.А., Торяник Э.И., Бесценный В.И., Слободской С.А. и др. // О механизме сил, действующих на кокс в доменной печи. - Углехимический журнал. - 2002 - № 1-2. - с.42-47.
11 Кучма Н.В., Зоря Е.С., Журавский А.А. и др. // Применение статистических методов при анализе влияния изменений угольной шихты на качество кокса. - Углехимический журнал. - 2003. - № 5-6. - с15-23
12. Журавский А.А., Семисалов Л.П., Абрамочкин С.Н., Булат Е.А. // Изучение термической устойчивости различных коксов. Методы оценки кокса как доменного сырья. - Тематический сборник научных трудов. - "Металлургия", М. - 1990. - 74 с. с ил.
13. Журавский А.А., Лобов А.А., Подольская Т.С., Долгий В.А. // Разработка метода определения насыпной массы угольной шихты в камере коксования. Повышение эффективности коксохимического производства. - Сб. научн. трудов. - Гипромез. - Харьков. - 1984.
14. Сытенко И.В., Журавский А.А., Жупранер З.С. и др. // Оценка влияния теплотехнических факторов и состава шихты на качество кокса. - Тематический сборник научных трудов. - Металургія. - М. - 1990. - 79 с.
15. Сытенко И.В., Журавский А.А., Жупранер З.С., Лурье М.В. // Оценка влияния теплотехнических факторов и состава шихты на качество доменного кокса. Методы оценки кокса как доменного сырья. - Сб. научных. Трудов. - Металлургия. - М. - 1990. - с.44-50.
16. Лобов А.А., Журавский А.А., Фидчунов Л.Н. и др. // Авторское свидетельство СССР № 1503284. - Устройство для подачи воздуха и газа в отопительные каналы коксовых печей. - БИ № 31. - 1989 г. - с. 247. - Опубл. 23 августа 1989 г.
17. Журавский А.А., Сытенко И.В., Гаврилюк В.И. и др. // Авторское свидетельство СССР № 1529709. - Устройство для подачи воздуха и бедного отопительного газа в отопительные каналы коксовой печи. - БИ № 46. - 1989. - с.276. -Опубл. 15 января 1989 г.
18. Журавский А.А., Сытенко И.В., Полякова И.Б. и др. // Авторское свидетельство СССР № 1659446. - Устройство для механической обработки кокса. - БИ № 24. - 1991б с. - 94. - Опубл. 30 июня 1991 г.
19. Журавский А.А., Фидчунов Л.Н., Панкратьев О.Н. и др. // Авторское свидетельство № 1677915. - Способ обогрева горизонтальной коксовой печи. - БИ №34б. - 1991б с. - 23. - Опубл. 15 сентября 1991 г.
20. Журавский А.А., Подольская Т.С., Саливон Н.И. // Разработка новой методики оценки термической устойчивости кокса. - Тезисы доклада на IV научно-технической конференции молодых ученных и специалистов по проблеме "Исследование углей, процессов и продуктов их переработки". - Свердловськ. - 1985г.
21. Журавский А.А., Подольская Т.С. // Разработка метода замера плотности угольной шихты в действующих коксовых печах. - Тезисы доклада на III научно-технической конференции молодых
специалистов по проблеме "Исследование углей, процессов и продуктов их переработки". - Свердловськ. - 1988.
Особистий внесок здобувача у колективних публікаціях:
1. Публікації 1-8, 10,12, 13, 15 - 17, 20, 21 - Здобувачем особисто виконане проведення промислових експериментів, обробка результатів, аналіз і висновки щодо отриманих результатів;
2. Публікації 9,11,14 - Здобувач брав участь у проведенні експерименту, обробці результатів;
3. Публікація 16 - Здобувач брав участь у розробці пристрою, впровадженні в промисловість і визначенні зміни термічної стійкості коксу після упровадження винаходу
АНОТАЦІЯ
Журавський А.А. Комплексна оцінка міцності коксу під впливом роздавлюючих навантажень в умовах високих температур. - Рукопис
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.17.07 хімічна технологія палива і паливно-мастильних матеріалів. - Український державний науково-дослідний вуглехімічний інститут УХІН Міністерства промислової політики України, 2006.
Теоретично обґрунтований вплив зусиль, що роздавлюють, на міцносні характеристики коксу, розроблена нова методика визначення термічної стійкості коксів, показане співвідношення розробленого показника зі стандартними методиками визначення якості коксу, розроблені прогнозні рівняння, що дозволяють на основі показників якості вихідної шихти, умов підготовки і режиму коксування прогнозувати міцносні характеристики одержуваних коксів. Розроблено і впроваджені заходи і технологічні прийоми, що дозволяють одержати кокси з поліпшеними прочностними характеристиками.
Ключові слова: гранулометричний склад, математичне моделювання, механічна міцність коксу, роздавлюючи зусилля, рентгеноструктурний аналіз, термічна сталість коксів, вугільна шихта, щільність.
АННОТАЦИЯ
Журавский А.А. Комплексная оценка прочности кокса под действием раздавливающих усилий в условиях высоких температур. - Рукопис
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.17.07 химическая технология топлива и горюче-смазочных материалов. - Украинский государ-
ственный научно-исследовательский углехимический институт УХИН Министерства промышленной политики Украины, 2006.
На основе литературного анализа показано, что в настоящее время отсутствуют методики испытания, которые наиболее полно отражали бы все нюансы нагрузок, действующих на кокс в доменной печи. На основе моделирования этих процессов на ЭВМ было теоретически обосновано влияние раздавливающих усилий на прочностные характеристики кокса и разработана новая методика определения термической стойкости коксов. В качестве показателя способности коксов противостоять раздавливающим нагрузка предложен новый показатель - индекс раздавливания Ind G, представляющий соотношение классов +10 и -1 мм после его разрушения в специальной матрице при помощи гидравлического пресса. Для разработки новой методики были взяты коксы, характеризующие использованием широкой гаммы каменных углей, используемых на коксохимических заводах Украины, а также различные способы подготовки шихты к коксованию и коксования. Изучено влияние на вновь разработанный показатель условий проведение опыта - величина испытуемой нагрузки, крупность кокса, взятого для анализа, фракции, из которой взят кокс и т.п. С помощью статистического анализа были получены эмпирические уравнения, которые позволили рассчитать изменение индекса раздавливания в зависимости от условия проведения опыта, что по
зволило научно обосновать методику определения индекса раздавливания. Показано соотношение разработанного показателя индекса раздавливания со стандартными методиками определения качества кокса, разработаны прогнозные уравнения, позволяющие на основе показателей качества исходной шихты, условий подготовки и режима коксования предсказать прочностные характеристики получаемых коксов. Показано изменение свойств кокса при частичной газификации и взаимосвязь показателя индекса раздавливания с испытанием кокса после газификации в малом колосниковом барабане. Было изучено изменение индекса раздавливания после проведения термических нагружений. Показано, что при вторичном нагревании в куске кокса действуют два взаимнопротивоположных процесса - упрочнение вещества кокса за счёт дальнейших структурных превращений и ослабления куска кокса за счёт развития сети микротрещин, являющихся следствием термических напряжений и разрыхления поверхностного слоя за счёт частичной газификации. Показано, что на соотношение этих процессов, при прочих равных условиях, влияет размер кусков кокса. Так, при проведении вторичного нагрева кокса до температуры 10000С, критическим размером оказался размер куска кокса 40
