ІНСТИТУТ ЧОРНОЇ МЕТАЛУРГІЇ ІМ. З.І. НЕКРАСОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

ОТОРВІН Павло Іванович

УДК 669.162.262.4 (043)

Вибір складу шихти, який забезпечує раціональний розвиток процесів шлакоутворення при виплавці чавуну

Спеціальність 05.16.02

Металургія чорних металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2006

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Інституті чорної металургії ім. З.І. Некрасова

Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

ТОГОБИЦЬКА Дар’я Миколаївна,

Інститут чорної металургіі

ім. З.І. Некрасова НАН України,

старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

КОВАЛЬОВ Дмитро Арсенійович,

Національна металургійна академія України, професор кафедри металургії чавуну

кандидат технічних наук

ПЕТРЕНКО Віталій Олександрович,

ВАТ “Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського”, помічник директора

Провідна установа: Дніпродзержинський державний технічний

університет Міністерства освіти і науки України, кафедра руднотермічних процесів

Захист відбудеться “_06_” __жовтня_ 2006 р. о 1400 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1

Автореферат розісланий “23 ” серпня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К 08.231.01 |

Г.В.Левченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Однією з умов успішного рішення питань, пов'язаних з підвищенням якості чавуну і вибору раціональних режимів доменної плавки, є комплексне вивчення впливу складу і властивостей сировини на процеси її плавлення, первинного шлакоутворення, формування кінцевого шлаку з властивостями, що вимагаються, у взаємозв'язку з температурним режимом печі.

В існуючих засобах коректування складу шихти для стабілізації складу і властивостей продуктів плавки основними показниками є вміст заліза, основність, окисненість шихти і рудне навантаження. Проте, орієнтація тільки на ці критерії не завжди дозволяє технологам успішно вирішувати організаційні і технічні задачі, що виникають в повсякденній практиці.

Складність ухвалення оптимальних рішень істотно зростає при збільшенні кількості компонентів шихти і коливанні їх хімічного складу, що обумовлює актуальність досліджень в області вироблення інтегральних критеріїв, які дозволяють взаємозв'язано оцінювати якість шихти, склад і властивості продуктів плавки.

Високий теплоенергетичний потенціал доменної плавки зумовив широкі можливості в рішенні найгострішої проблеми сучасності - утилізації промислових і побутових відходів. Це потребувало застосування нетрадиційних підходів до формування якісних показників залізовмісних матеріалів і компонентного складу шихти, забезпечуючих її задані металургійні властивості, здійснення відбору вторинних ресурсів не нижче за темп їх накопичення при забезпеченні експлуатаційної надійності агрегату.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України. Дослідження проведені в рамках держбюджетних, пошукових і госпдоговірних науково-дослідних робіт, №№ державної реєстрації: 0102U004086, 0102U004734, 0103U007217, 0103U007229, 0104U005554, 0104U005555, 0104U005572, 0105U004576, 0105U004577, 0105U004578, в яких автор брав участь у виконанні наукових досліджень, дослідно-промисловому і промисловому впровадженні нових підходів до оптимізації складу доменної шихти.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є: виявлення нових закономірностей процесів шлакоутворення на основі аналізу теоретичних положень, відомих з літератури, і власних експериментальних досліджень особливостей утворення розплавів, розробка і впровадження у виробництво нових підходів до рішення задач оптимізації складу шихти, що забезпечує раціональний шлаковий режим і виплавку чавуну потрібної якості.

Для досягнення вказаної мети в роботі поставлені основні задачі:

- дослідження впливу властивостей залізорудних матеріалів на процеси шлакоутворення, розробка на цій основі вимог до залізорудної сировини і нових ефективних критеріїв по стабілізації шлакового режиму при роботі на багатокомпонентній шихті;

- розвиток моделей прогнозування фізико-хімічних і технологічних властивостей первинних і кінцевих доменних шлаків по їх повному хімічному складу на основі параметрів міжатомної взаємодії;

- розробка нових принципів вибору оптимального складу шлаку доменної плавки на основі комплексного урахування його фізико-хімічних і технологічних властивостей;

- дослідження і розробка технологічних підходів до формування компонентного складу доменної шихти, що забезпечує раціональні процеси шлакоутворення в нестандартних шихтових умовах;

- здійснення апробації і впровадження в практику доменного виробництва розроблених моделей і технологічних підходів раціонального формування шихти, що забезпечує економічну виплавку чавуну стабільно заданої якості.

Об'єкт дослідження. Технологічний процес доменної плавки.

Предмет дослідження. Процеси шлакоутворення в доменній печі у взаємозв'язку складів і властивостей залізорудних матеріалів і доменних шлаків. Критерії стабілізації шлакового режиму. Закономірності і залежності показників доменної плавки від шихтових і технологічних умов.

Методи дослідження. Фізико-хімічне і математичне моделювання, експериментальні високотемпературні дослідження властивостей залізорудних матеріалів, дослідно-промислові випробування розробок на доменних печах ВАТ “Криворіжсталь”.

Наукова новизна отриманих результатів.

- Вперше на базі досліджень поведінки при нагріві на коксівній насадці залізорудних матеріалів сучасних і перспективних складів та їх сумішей, зокрема, з використанням вторинних ресурсів (шлакі збагачені), виявлені послідовності та закономірності формування складу і властивостей рідких продуктів плавки та їх мас. Одержано аналітичні залежності, які дозволяють з високою точністю прогнозувати вміст FeO, температурний інтервал фільтрації, плавкість та в'язкість первинних шлаків за вмістом оксидів заліза у доменній шихті і показником стехіометрії шлакообразуючої складової.

- Запропоновано новий підхід до управління шлаковим режимом доменної плавки, що базується на оптимізації комплексу фізико-хімічних і технологічних властивостей шлаку. Обгрунтований вибір та визначені чисельні значення інтегральних параметрів шлаку (хімічного еквіваленту е і стехіометрії ) як критеріїв стабілізації шлакового режиму з рівнем в'язкості на випуску 0,3 Пас, температурою затвердіння 1300оС. При цьому досягається добра сіркопоглинаюча здатність та оптимальні ентальпія та поверхневий натяг, що обумовлюють хорошу десульфурацію чавуну та зниження витрати коксу.

- З використанням методу багатокритерійної оптимізації аналітичним картуванням виявлені закономірності зміни вміста сірки і кремнію в чавуні залежно від відношення глинозему до магнезії в кінцевому шлаку і його основності. Показано, що при зменшенні відношення Al2O3/MgO в кінцевому шлаку для досягнення необхідного рівня вмісту сірки та кремнію і зниження витрати коксу необхідно знижувати основність шлаку.

- В результаті аналізу експериментальної інформації з позицій теорії впорядкованої структури оксидних розплавів встановлена залежність розрід-жуючого впливу оксидів лужних металів від складу шлаку і розроблені про-гнозні моделі для оцінки цього впливу на в'язкість і температуру кристалізації залізовмісних первинних і беззалізних кінцевих доменних шлаків, що дозволяє оцінювати поведінку шлакових розплавів в різних зонах доменної печі.

- Вперше за наслідками лабораторних досліджень встановлено, що при проплавленні промивальних матеріалів проміжні залізовуглецеві розплави формуються з пониженим вмістом вуглецю на 0,5-1%. Це дозволяє регламентувати величину промивальної подачі, що забезпечує тривалу стійкість футеровки горну.

Практичне значення отриманих результатів.

Запропоновані фізико-хімічні моделі для прогнозування вмісту FeO і властивостей первинних шлаків. З позицій забезпечення якості чавуну і рівного ходу доменного процесу сформульовані технологічні вимоги до шлакового режиму плавки.

Запропоновано спосіб ведення доменної плавки, що базується на методиці вибору основності шлаку CaO/SiO2 залежно від відношення Al2O3/MgO в кінцевому доменному шлаку. Спосіб захищений патентом України № 62 589 і впроваджений у виробництво в умовах ВАТ “Криворіжсталь”. Запропонована і опробувана у промислових умовах методика керування шлаковим режимом доменної плавки, яка полягає в контролі зміни хімічного (е) і стехіометричного () параметрів, визначаючих комплекс властивостей шлаку та їх стабільність в діапазоні, що забезпечує виплавку чавуну потрібної якості (Патент України №11142).

Запропоновано методику оцінки впливу комплексних критеріїв шихти і дуттьового режиму плавки на процеси міжфазного розподілу елементів між чавуном і шлаком, яка дозволяє прогнозувати склад і властивості продуктів плавки з урахуванням властивостей завантажуваних шихтових матеріалів і теплового стану горну печі, що характеризується узагальненим показником дуттьового режиму - довжини фурменої зони Lфз.

На основі єкспериментальних досліджень виконано узагальнення даних про хімічний і мінералогічний склад вторинних ресурсів з урахуванням їх технологічної корисності (вміст Fe від 26 до 58%) та недоліків (високий вміст шкідливих домішок: Na2O, K2O, Zn, Cu, Pb, S, P). Визначено граничні величини використання цих матеріалів в доменній плавці при формуванні раціонального складу шихти.

На основі натурних досліджень стану вогнетривкої кладки при зупинках доменних печей на капітальні ремонти конкретизований механізм агресивної дії лужних сполук на футеровку печі. Запропоновані емпіричні моделі для розрахунку в'язкості і температур кристалізації шлакових розплавів, які містять лужні сполуки, що дозволяє прогнозувати їх поведінку для різних зон печі. Розроблена технологія промивок горну із залученням у виробництво вторинних ресурсів, зокрема, мартенівського і конвертерного шлаку, відходів феросплавного виробництва (МОЖ), шлаків зварювального і збагаченого.

Особистий внесок претендента. Узагальнення результатів досліджень, наведених в роботі і публікаціях, виконано особисто автором при консуль-таційній допомозі наукового керівника та Можаренко М.М. В публікаціях в співавторстві [1-3, 9, 11, 14, 15] претенденту належить встанов-лення законо-мірностей фрмування складу та властивостей первинних і кінцевих шлаків та їх впливу на якість чавуну; в публікаціях [6, 7, 10] – досвід впровадження в промислових умовах розробленої методики оптимізації шлакового режиму, яка включає моделі, критерії і алгоритми; в публікації [4] – виконано узагальнення даних про хімічний та мінералогічний склад вторинних ресурсів з метою розробки практичних підходів для раціонального їх застосування в складі доменної шихти; в публікаціях [8, 12] - проведення експериментальних досліджень та аналітична оцінка впливу промивальних матеріалів на властивості одержаних розплавів та стійкість футеровки доменної печі; в публікаціях [5, 13] - розробка та впровадження технологічних прийомів і способів формування складу шихти з використанням вторинних ресурсів та промивочних матеріалів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи повідомлені на 5 науково-технічних конференціях, у тому числі: Міжнародній конференції “Теорія і практика виробництва чавуну” (м. Кривий Ріг, 2004 р.), Міжнародній конференції “Енергоресурсозберігання на підприємствах металургійної і гірничої промисловості” (м. Санкт-Петербург, 2004 р.), Міжнародній конференції “Металургія Росії на рубежі ХХI століття” (м. Новокузнецьк, 2005 р.), 1-ій Всеукраїнській конференції “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем” (м. Дніпропетровськ, 2003 р.), Міжнародній конференції “Проблеми математичного моделювання” (м. Дніпродзержинськ, 2005 р.).

Публікації. Основні положення дисертації викладені в 15 публікаціях, із яких 13 статей - в наукових журналах і збірниках, 2 патента України на винахід.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з введення, п'яти розділів, висновків і додатку, викладена на 166 сторінках, із них 124 сторінки основного тексту, містить 32 таблиці, 26 малюнків, список використаних джерел із 145 найменувань, 1 додаток.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність, визначені ціль і задачі досліджень, освітлені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, відзначений особистий внесок претендента, викладені результати апробації, основні положення, які захищаються автором.

В першому розділі виконаний аналіз сучасних поглядів на процеси шлакоутворення в доменній печі. Не дивлячись на величезну кількість виконаних в різні періоди часу досліджень, що свідчать про багатогранний вплив шлакового режиму на хід і стан доменної плавки, розробки узагальнюючих критеріїв його взаємозв'язку з технологічними і, головним чином, з сировинними параметрами вимагають подальшого розвитку. В цьому зв'язку обгрунтований вибір найраціональнішого, розвинутого в ІЧМ підходу до встановлення залежності властивостей шлаків від якості залізорудних матеріалів. Показана важливість встановлення особливостей формування і властивостей первинного шлаку, який визначає стан і активність кінцевого, обгрунтована необхідність оптимізації в ньому частки FeO. Це обумовлює необхідність більш ретельного розгляду ходу первинного шлакоутворення відповідно до якості залізорудних матеріалів. При цьому на основі літературних даних і досліджень ІЧМ конкретизовані вимоги до їх якості.

Запропонована для практичного використання розроблена в ІЧМ методика прогнозування комплексу властивостей залізорудних матеріалів, приведені відповідні модельні рівняння і показано їх застосування для оцінки рівня властивостей агломерату та окатишів в реальних промислових умовах.

В другому розділі проаналізований відповідно до сучасних уявлень вплив найважливіших властивостей доменних шлаків (в'язкості, температурного інтер-валу плавлення, поверхневого натягу, тепловмісту, сіркопоглинаючої здіб-ності) на хід доменного процесу. Обгрунтовані оптимальні величини властивостей, забезпечуючі ефективне функціонування техноло-гічного режиму плавки. Зважаючи на відомі труднощі експериментального визначення властивостей шлаків показана доцільність їх прогнозування на базі фізико-хімічного моделювання. Виконаний критичний огляд існуючих теорій будови шлакових розплавів. Як інформаційне середовище для вирішення задачі прогнозування технологічних властивостей шлаків використана створена в ІЧМ база експериментальних даних, охоплююча властивості доменних шлаків в широкому діапазоні складів (більш 3000 складів).

Як теоретична основа використано аналітичний апарат, розроблений професором Приходько Е.В. Хімічна індивідуальність і реакційна здатність шлакових розплавів як хімічно єдиних систем виявляється через поєднання інтегральних параметрів, основними з яких є хімічний еквівалент складу (е) і показник стехіометрії (). Використання модельних параметрів в якості "згортки" інформації про склад дозволяє кількісно описати вплив складу на його властивості із залученням сучасних математичних методів аналізу і узагальненням великих масивів експериментальної інформації у формі, зручній для вирішення задач прогнозування.

Для побудови прогнозних моделей складу і властивостей первинних шлаків сформована представницька вибірка літературних і отриманих на установках ІЧМ даних про високотемпературні властивості залізорудних матеріалів в широкому діапазоні складу (мас. %): CaO - 0,07-16,43; SiO2 - 3,5-13,42; MgO - 0,2-3,29; Al2O3 - 0,45-4,09; FeO - 1,68-56,76; Fe2O3 - 25,65-89,77; Feобщ - 47,3-62,43 і властивостей: Тнф - 1245-1475ОС; Тмф - 1400-1500 ОС; FeOпш - 6,02-73,57, де Тнф - температура початку фільтрації; Тмф - температура максимальної фільтрації. Як початкові дані про властивості первинних доменних шлаків використані експериментальні дослідження А.А.Гіммельфарба. Для практичного використання отримано комплекс прогнозних рівнянь.

Вміст FeO в первинному шлаку, %

R=0,85 | (1)

Температура початку фільтрації, 0С

R=0,71 | (2)

Температура максимальної фільтрації, 0С

R=0,75 | (3)

де шс - стехіометрія шлакоутворюючої складової доменної шихти (CaO, SiO2, MgO, Al2O3), FeO і Fe2O3 % - вміст в шихті.

Температура початку плавлення первинних шлаків, 0С

R=0,81 | (4) | В'язкість первинних шлаків, Пас

R=0,84 | (5) | де FeO % - вміст FeO в первинному шлаку, е - хімічний еквівалент шлаку, - параметр стехіометріі, Т, 0С - температура.

На основі експериментальних даних про властивості натуральних доменних шлаків, близьких по складу до шлаків заводів України, отримані прогнозні моделі для розрахунку в'язкості (, Па·с), поверхневого натягу (, мН/м) для заданої температури, ентальпії (H, кДж/кг) при температурі доброї текучості шлаку, температур початку (ТЛ, 0С) і кінця кристалізації (ТС, 0С), залежності яких від фізико-хімічних параметрів їх структури е, та температури Т представлені на рис.1.

lg=a1+a2+a32 +a4/T

TC=b1+b2

H=c1+c2(e)+c3(e)2

=d1+d2(e)+d3T

CS=e1+e2,

Т – температура шлаку на випуску, оС;

е – хімічний параметр;

- стехіометричний параметр

Рис. 1. Залежності властивостей кінцевих домених шлаків від фізико-хімічних параметрів їх структури е та

В третьому розділі описана методика управління шлаковим режимом доменної плавки, відповідно до якої для вибору базового шлакового режиму доменної плавки, який забезпечує отримання якісного чавуну, запропоновано спосіб ведення доменної плавки шляхом вибору відношення основності CaO/SiO2 залежно від співвідношення Al2O3/MgO, які в сировинних умовах заводів України якнайповніше відображають стехіометрію доменних шлаків і їх властивості. Для конкретної доменної печі на основі експериментальних даних будуються поліноміальні залежності та картограми зміни сірки і кремнію у вказаних координатах. При зміні хімічного складу або співвідн-ошення компонентів доменної шихти здійснюється попередній розрахунок очікуваного складу кінцевого шлаку, після чого по відношенню оксиду алюмінію до оксиду магнію в шлаці (крапка А) по ізолінії вмісту сірки в чавуні (крапка В) встановлюється необхідна для отримання конкретного вмісту сірки основність кінцевого шлаку (крапка С). Далі виконується коректування шихти на дану основність (рис. 2). В наслідку виконання рекомендацій досягається зниження вмісту сірки і кремнію в чавуні, зменшення витрат коксу і збільшення продуктивності доменної печі.

Рис.2. Залежність вмісту сірки (%) в чавуні від основності шлаку CaO/SiO2 та відношення Al2O3/MgO

Стосовно умов роботи ДП№5 ВАТ “Криворіжсталь” встановлено, що більш переважними є доменні шлаки з відношенням Al2O3/MgO в діапазоні 1,2-1,4, якому відповідає менша основність (СaO/SiO2 = 1,15-1,19), при цьому забезпечується вміст кремнію в чавуні не вище 0,9% і сірки до 0,03%.

В роботі виконано порівняльний аналіз існуючих підходів до вибору раціонального шлакового режиму доменної плавки. Розглянуті традиційні показники для оцінки властивостей шлаку на базі основності і її модифікацій, а також інші показники, що враховують повний хімічний склад (показник стехіометрії ; коефіцієнт структури аніонів КСА Шелудякова; критерій , який характеризує відношення іонних сил оксидів). На основі кореляційного аналізу взаємозв'язку вказаних показників і властивостей доменних шлаків заводів України показано, що інтегральні параметри і е якнайповніше відображають склад і комплекс властивостей шлакових розплавів, що дозволяє їх використовувати як критерії стабілізації шлакового режиму при рішенні практичних задач оптимізації складу завантажуваної шихти. Стосовно до шихтових і технологічних умов конкретної печі визначаються оптимальні діапазони їх зміни (“інтервали якості”) (рис.1), що забезпечують виплавку чавуну: 0,6 [Si] 0,9; 0,02 ? [S] 0,03 при мінімальній витраті коксу. Розробки пройшли промислову апробацію в автоматизованій системі контролю і управління шлаковим режимом у складі АСУТП доменної плавки в умовах роботи доменних печей ВАТ “Криворіжсталь”. Вказані на рис.1 інтервали забезпечують виплавку чавуну: 0.6 [Si] 0.9; 0.02 [S] 0.03 в умовах роботи ДП№9.

Оптимальний склад шлаку визначається числовими значеннями е і , що забезпечують в'язкість в межах 0,3 Па·с і температуру затвердіння 13000С. При цьому величина сіркопоглинаючої здатності прагне максимуму, а величина ентальпії і поверхневого натягу - до мінімуму, що забезпечує добру десульфурацію чавуну і зниження витрат коксу.

Так, в реальних умовах роботи ДП№9 ВАТ “Криворіжсталь” для отримання чавуна із вмістом сірки до 0,035 % необхідно забезпечити такі властивості шлаку: сіркопоглинаючу здатність СS=14-20; реальну температуру шлаку на випуску не менш 14500С при температурі кінця кристалізації не більш ТС=13000С, в'язкість шлаку при температурі біля 15000С 1500 = 0,3 Пас (0,26-0,33); ентальпію (тепловміст) Н=1832 - 1852 кДж/кг; поверхневий натяг 1500 = 429-440 мН/м (рис.1).

В четвертому розділі виконана оцінка впливу шихтових і технологічних умов на показники доменної плавки на основі розвинутої в роботі методики моделювання коефіцієнтів міжфазного розподілу елементів (LЕ), відправним постулатом якої є їх залежність від конкретних шихтових і технологічних умов.

Як критерії, що характеризують властивості шихтових матеріалів, викори-стовуються параметри і e, які визначають активність і спрямованість пере-хідних процесів перерозподілу елементів, а як технологічні показники - основні параметри роботи печі. Прогнозні моделі коефіцієнтів розподілу сірки, крем-нію, марганцю, заліза залежать від показників складу шихти (FШ) і технології (FТ): LЕ=f (FШ; FТ), на основі яких здійснюється прогноз складу первинних і кінцевих розплавів, а також властивостей шлаків. Введення в модель нового узагальненого показника дуттьового режиму - довжини фурменної зони Lфз - разом з традиційним - теоретичною температурою горіння ТТ - дозволяє більш точно врахувати тепловий стан горну печі, кількісно конкретизувати і оцінити ступінь впливу різних факторів плавки на її якісні показники.

Висока фізична змістовність і точність розроблених моделей LЕ = f (, e, Р/К, СО, Тт, Lфз), де Р/К - рудне навантаження, СО - ступінь використання СО, з коефіцієнтом кореляції R=0,8-0,9 дозволяє точніше прогнозувати вміст сірки і кремнію в чавуні, основності шлаку в порівнянні з традиційним підходом при постійних коефіцієнтах розподілу. Отримані моделі разом з моделями для прогнозування властивостей первинних і кінцевих шлаків, критеріями стабілізації шлакового режиму плавки пройшли апробацію у системах АСУТП при рішенні задач вибору раціонального складу шихти, який забезпечує виплавку чавуну потрібної якості, в сировинних і технологічних умовах роботи доменних печей №5 і №9 ВАТ “Криворіжсталь”, зокрема в підсистемі “Прогноз”, проект і технологічні вимоги до інформаційного і алгоритмічного забезпечення якої були розроблені в рамках цієї роботи.

Підсистема “Прогноз” дозволяє в режимі реального часу прогнозувати склад і властивості чавуну і шлаку на етапі формування подачі, здійснити її коректування з урахуванням показників дуттьового режиму на основі критеріїв стабілізації технологічних властивостей шлаку у встановлених “інтервалах якості”.

На основі проведених за допомогою системи “Прогноз” розрахунково-аналітичних досліджень впливу відходів металургійного виробництва на властивості одержаних розплавів показана можливість застосування відходів феросплавного виробництва (матеріалу офлюсованого залізовмісного - МОЗ) в проплавляємій шихті для промивки горну в ДЦ №1 ВАТ “Криворіжсталь”. Приклад розрахунку продуктів плавки по шихті з промивкою МОЗ і залізною рудою для одного з характерних випусків показано на рис. 3, 4.

Рис. 3. Формування завантажуваної подачі з промивочними матеріалами в підсистемі “Прогноз” для умов ДП№5 ВАТ “Криворіжсталь”

Виконана оцінка впливу МОЗ на властивості шлаків в сукупності з дослідженнями, проведеними на ДП№5 по їх використанню в промивальній шихті, показала, що технологічні параметри доменної плавки ДП№ 5 в досліджуваний період залишилися на потрібному рівні. Питома витрата коксу знизилась на 1,7 кг/т чавуну, шлаки при цьому мали знижену ентальпію. Поверхневий натяг шлаків зменшився, внаслідок чого ефективно пройшли процеси десульфурації при тому ж рівні значення в'язкості. Схід шихти став більш рівним, знизився загальний перепад тиску газу по висоті доменної печі. Застосування МОЗ дозволило частково усунути захаращення горну і, як наслідок, в дослідний період не було замінено жодної повітряної фурми.

Рис. 4. Прогноз складу і властивостей продуктів плавки по завантажуваній шихті з промивкою МОЗ та показникам дуттьового режиму в підсистемі “Прогноз”

В п'ятому розділі викладені технологічні підходи до формування раціонального компонентного складу залізовмісної шихти доменних печей.

Високий теплоенергетичний потенціал доменної плавки зумовив широкі можливості в рішенні проблеми утилізації промислових відходів. Це вимагає застосування нових підходів до формування якісних показників залізовмісних матеріалів і компонентного складу шихти з використанням вторинних ресурсів при виплавці чавуну з урахуванням темпів їх постійного накопичення, забезпечуючи при цьому високу експлуатаційну надійність доменної печі.

В роботі вперше для умов чорної металургії України виконано якісний і кількісний аналіз хімічного і мінералогічного складу вторинних ресурсів. Показані їх технологічна цінність та недоліки (табл.1).

Показано, що за змістом заліза шлами агловиробництва і мартенівського цеху відносяться до багатого (Feобщ > 46%) залізняку. Киснево-конвертерні і особливо доменні шлаки відповідають бідному залізняку (Feобщ < 46%). У всіх таких шламах переважають вищі оксиди заліза, а найбільший відсоток двовалентного заліза спостерігається в агломераційних шламах. Проте прямому використанню шламів в аглодоменному виробництві перешкоджає високий вміст шкідливих домішок: Na2O, K2O, Zn, Cu, Pb, S, P. До найсприятливіших по даній ознаці відносяться доменні та мартенівські шлами.

В результаті досліджень в шламах виявлені наступні мінеральні види і різновиди: прості речовини (залізо металеве, графіт), прості і складні оксиди і гідрооксиди, силікати, зокрема олівін (Mg,Fe)[SiO4], анортіт CaAl2[Si2O8], діопсид CaMg[Si2O6] і інші, карбонати, сульфати, галоїди.

Таблиця 1

Вміст основних сполук та шкідливих компонентів в металургійних шламах ВАТ “Криворіжсталь”

Хімічні

елементи | Поточні шлами газоочисток | Шлам

акумулюючої

ємності | Агломера-ційні | Домен-ні | Мартенів-

ські | Конвер-терні | Feобщ. | 55,5-60,1 | 29,7 | 58,2-58,3 | 43,7 | 39,0-52,8 | FeO | 17,9-18,5 | 7,22 | 5,56-12,6 | 11,3 | 7,5-19,9 | Fe2O3 | 58,83-66,07 | 34,46 | 69,52-77,2 | 19,95 | 47,94-53,41 | (CaO+MgO)/SiO2 | 0,74 | 2,67 | 1,49 | 6,22 | 1,66 | Сумар. вміст. шкід. компон. Na2O, K2O, Zn,

Cu, Pb, S, P. |

0,52 |

2,18 |

1,45 |

1,0 |

1,3 |

Виходячи з результатів вивчення хімічного і мінералогічного складу відходів в даний час є значні резерви підвищення їх якості як вторинної залізорудної сировини.

Виконаний науково-обгрунтований аналіз негативного впливу лужних з'єднань на технологію плавки. Встановлено, що неконтрольовані надходження лужних з'єднань не дозволяють достатньо оперативно коректувати технологіч-ний режим доменної плавки для зниження втрат виробництва і перевитрат коксу. В роботі встановлено, що основними джерелами надходження в доменну піч лужних з'єднань є кокс, флюси і вторинна сировина (відходи). Показано, що лужні навантаження в шихтових умовах, що склалися в доменних цехах комбінату, змінюються від 7,8 до 9,8 кг/т чавуну. Для зниження рівня лужної агресії запропоновані ефективні напрями поліпшення хімічного складу, фізич-них характеристик шихтових матеріалів і використання спеціально сформо-ваних складів (“промивок”) з високим ступенем акумуляції лугів, а також зниження основності кінцевого шлаку. Розроблені заходи щодо зниження лужної агресії дозволили виявити розумний рівень введення у виробництво вторинних ресурсів, що важливо для сировинних умов, які склалися на комбінаті, при експлуатаційному і технічному стані рудодобувних підприємств.

Досліджено стан футеровки гарнісажу і настилей доменних печей під час ремонтних робіт першого і другого розрядів. Встановлено нерівномірний розподіл в них шкідливих домішок, особливо лугів і цинку.

В результаті узагальнення експериментальних даних показана істотна розріджуюча дія оксидів лужних металів, особливо перших 3%, на первинні і кінцеві шлаки, що приводить до зниження вогнетривкості футеровки і розвитку її корозії. Запропоновано прогнозні рівняння для оцінки властивостей лужноутримуючих шлаків.

Визначено, що для часткового видалення лужних з'єднань необхідне зниження основності кінцевого шлаку до величини СaO/SiO2 = 1,18-1,22 і застосування періодичних промивок.

Проаналізовано склад горнового конгломерату і встановлені джерела захаращення робочого простору печі в різних зонах: частинки дрібного коксу низької міцності і порожньої породи, скрап, вуглець сажі та ін. Це зумовлює необхідність глибшого вивчення питань промивок доменних печей для видалення лужних з'єднань і завислих твердих частинок в горні.

Виконано лабораторні дослідження високотемпературних властивостей промивальних залізорудних матеріалів і їх сумішей, що дозволило рекоменду-вати найреальніші композиції для видалення з печі коксівного сміття і лужних з'єднань. Крім того, розроблено суміші, що дозволяють зменшити руйнуючу дію на футеровку печі або наростити достатньо стійкий гарнісаж. Вивчено явища фільтрації через коксівну насадку шлакозалізних розплавів різної гетерогенно-сті, що дозволило прогнозувати процеси їх дренажу в реальних умовах роботи доменних печей. Відпрацьовано варіанти промивальних сумішей, які дозволя-ють розмивати сильно “засмічені” ділянки печі або заплавлені гарнісаже-утворюючими матеріалами і при цьому видаляти до 75-80% лужних сполук.

Встановлено, що агресивність досліджених промивальних матеріалів по відношенню до футеровки печі зменшується в такому ряді: фторутримуючі матеріали; шлаки силікомарганцю і феромарганцю; зварювальний шлак; не-офлюсовані окатиші; частково офлюсовані окатиші; високозакисний агломерат; матеріал офлюсований залізистий; шлак мартенівський; шлак збагачений.

На підставі лабораторних досліджень і аналізу високотемпературних властивостей промивальних матеріалів і характеру взаємодії отриманих розплавів з коксівним сміттям, в’язкопластичними конгломератами, кінцевими доменними шлаками, футеровкою шахти і горну доменної печі показано, що для ефективного застосування промивок необхідно обмежити:

- попадання промивальних матеріалів на периферію;

- попадання промивальних матеріалів або їх сумішей в центральну зону печі;

- одноразову кількість суміші промивальних матеріалів величиною 11-19% від маси розплаву в горні печі;

- кількість металовуглецевого розплаву з металовуглецевих шихт розміром 7-10% від маси чавуну в горні.

Лабораторні дослідження і результати дослідно-промислових досліджень на доменній печі дозволили сформулювати основні технологічні положення застосування залізорудних сумішей, призначених для промивки горну. Найефективнішою явилася суміш матеріалу окисленого залізовмісного (МОЗ) з кусковою рудою в співвідношенні 1:3 або 1:4 при рекомендованій масовій кількості МОЗ - 10 т в подачу.

Висновки

1. Виходячи з багатогранності впливу шлакового режиму на хід і стан доменної плавки та важливості направленого формування властивостей розплаву при послідовному перетворенні шихти в первинний, з оптимальним вмістом FeO, і кінцевий шлаки, розвинуті підходи і обгрунтована методика встановлення раціональних властивостей залізорудних матеріалів і вимог до їх якості.

2. Встановлено числові значення і показана роль кількості (маси), активності (вміст FeO), раціонального складу і властивостей шлаку, прогнозованих на основі фізико-хімічного моделювання розплавів по методиці Е.В.Приходько. При цьому використано вдосконалені спільно з ІЧМ модельні рівняння, що дозволяють управляти якістю розплавів.

3. З використанням створеної в ІЧМ бази даних “Шлак” розроблені прогнозні моделі для визначення в'язкості, поверхневого натягу, температур плавлення, ентальпії при температурі доброї текучості шлаку. Запропоновані моделі покладено в основу алгоритмів автоматизованої системи “Шлак”, яка функціонує в режимі оперативного контролю якості чавуну і багатокритерійної оптимізації шлакового режиму в змінюючихся шихтових і технологічних умовах комбінату “Криворіжсталь”.

4. Для багатокритеріальної оптимізації шлакового режиму в сировинних умовах України розроблена методика вибору основності кінцевого шлаку залежно від співвідношення Al2O3/MgO, яка підтверджена Патентом України, опробувана та впроваджена в умовах роботи ВАТ “Криворіжсталь”. Стосовно до умов ДП№5 переважними є доменні шлаки з відношенням Al2O3/MgO = 1,2 -1,38 і основністю CaO/SiO2 = 1,15 -1,19, які забезпечують виплавку чавуну з [S]=0,02-0,03% та [Si]=0.6-0,9%.

5. В роботі запропоновано новий підхід до управління шлаковим режимом доменної плавки, суть якого зводиться до стабілізації комплексу власти-востей кінцевого шлаку в певних для конкретних умов печі інтервалах, що забезпечують виплавку чавуну заданого складу при мінімальній витраті коксу. Так, в умовах роботи ДП№9 ВАТ “Криворіжсталь” виплавка високо-сортного (S<0,035%) чавуну забезпечується в “інтервалах якості” по r = 0,708-0,718 то De = (-2,364) (-2,216) наступними властивостями кінцевого шлаку: сіркопоглинаючою здатністю Сs=14-20; температурою затвердіння не більш Тс=13000С, в'язкістю шлаку при температурі випуску 15000С 1500 = 0,3 Пас (0,26-0,33); ентальпією кінцевого шлаку Н=1832 - 1852 кДж/кг; поверхневим натягом 1500 = 429-440 мН/м.

6. Розвинута, опробувана і промислово реалізована методика моделювання коефіцієнтів міжфазного розподілу елементів шихти, які залежать від конкретних шихтових і технологічних умов. Введення в моделі нового узагальненого показника дуттьового режиму - довжини фурменної зони Lфз - дозволяє врахувати тепловий стан горну печі при прогнозуванні складу і властивостей продуктів плавки, кількісно конкретизувати і оцінити ступінь впливу різних факторів плавки на її якісні показники. Вдосконалені моделі реалізовані в підсистемі “Прогноз”, призначеній для прогнозування складу і властивостей чавуну і шлаку по завантажуваній шихті з урахуванням показників дуттьового режиму. Використання методики забезпечує точність прогнозу на рівні: для сірки - 89%, для кремнію - 83%.

7. Зважаючи на низьку стабільність складу сировини і наявності в ній великої кількості шкідливих домішок (луги, цинк, свинець, мідь та ін.) за допомогою системи “Прогноз” показана можливість оцінки впливу відомих промивальних матеріалів і відходів на властивості одержаних розплавів, обгрунтовано допустимий діапазон їх використання в проплавляємій шихті. Показана доцільність, висока ефектив-ність застосування відходів феросплавного виробництва (МОЗ) для промивки горну.

8. Для конкретних умов комбінату ВАТ “Криворіжсталь” виконано науково-обгрунтований аналіз негативного впливу лужних сполук на технологію плавки. Встановлено, що їх неконтрольоване надходження в шихту не дозволяє оперативно коректувати технологічний режим доменної плавки для зниження втрат виробництва і перевитрат коксу. Встановлено, що лужні навантаження в шихтових умовах, що склалися в доменних цехах комбінату, змінюються від 7,8 до 9,8 кг/т чавуну. Для зниження рівня лужної агресії в роботі запропоновано ефективні способи поліпшення хімічного складу, фізичних характеристик шихтових матеріалів і використання спеціальних сформованих складів (“промивок”), що володіють в умовах зниження основності кінцевого шлаку високим ступенем акумуляції ними лугів. Розроблені заходи щодо зниження лужної агресії дозволили встановити раціональний рівень введення у виробництво вторинних ресурсів, що економічно вигідно за сировинних умов, які склалися на комбінаті, при експлуатаційному і технічному стані рудодобувних його підприємств.

9. Виконано натурні дослідження стану оксидної вогнетривкої кладки (футеровки) при зупинках доменних печей на капітальні ремонти. Встановлено, що одним з основних факторів, що руйнують вогнетриви футеровки доменних печей, є луги. Показано, що найбільш агресивно впливають на кладку впроваджені в неї перші 3% калію і натрію, що приводить до зниження вогнетривкості, температури деформації під навантаженням, підвищення змочуваності вогнетривів і розвитку процесів корозії первинними доменними шлаками. Дослідженнями виявлено, що в умовах ВАТ “Криворіжсталь” часткове видалення лужних з'єднань з робочого об'єму печі досягається зниженням основності шлаку до 1,18-1,22 з застосуванням періодичних промивок. На підставі експериментальних результатів вперше отримано прогнозні рівняння в'язкості і температури кристалізації оксидних беззалізних і залізовмісних шлакових розплавів, які містять лужні сполуки, що дозволяє прогнозувати поведінку оксидних розплавів в різних зонах по висоті печі.

10. На основі досліджень природи захаращення робочого простору печі в різних по висоті зонах встановлено, що для видалення зайвого гарнісажу в шахті печі слід застосовувати промивальні агенти, які містять підвищений масовий вміст SiO2, що створює сприятливі умови для поглинання розплавом лужних сполук. Для промивки горну формуються промивальні суміші, які несуть в ці області підвищений вміст FeO. Особливо ефективним є процес промивки горну в комбінації промивальних сумішей і різкого підвищеного окислювального потенціалу дуттьового потоку при скороченні подачі у фурми паливно-відновних добавок.

11. Аналіз високотемпературних властивостей промивальних матеріалів і характеру взаємодії одержаних розплавів з коксівним сміттям, в’язкоплас-тичними конгломератами, футеровкою шахти і горну доменної печі показав, що завантаження промивальних матеріалів як в центральну зону печі, так і на периферію необхідно здійснювати з урахуванням їх властивостей.

12. На основі експериментальних і розрахунково-аналітичних досліджень вперше проведена ранжировка промивальних матеріалів по ступеню їх агресивності до футеровки печі при попаданні на периферію.

13. Впровадження запропонованих в роботі заходів за рахунок раціонального співвідношення шихтовых матеріалів у складі подачі дозволило в умовах роботи доменних печей №5,6 і 9 ВАТ “Криворіжсталь” отримати економію витрати коксу 2,2 кг/т чавуну. Сумарний економічний ефект від впровадження розробок склав 7 573 грн .

Основний зміст роботи викладено у публікаціях:

1. Оценка достоверности и прогнозирование свойств доменных шлаков заводов Украины / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, А.И. Белькова, П.И. Оторвин, Е.Г. Донсков, Г.П. Костенко // Теория и практика металлургии. – 2004. – № 3-4. – С. 9-15.

2. Выбор рационального шлакового режима доменных печей на основе метода многокритериальной оптимизации / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, А.И. Белькова, Н.М. Можаренко, П.И. Оторвин // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – Днепропетровск, 2003. – Вып. 6. – С. 55-60.

3. Прогнозирование свойств первичных доменных шлаков / А.Ф. Хамхотько, Д.Н. Тогобицкая, А.С Нестеров, П.И. Оторвин, В.С. Евглевский // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – Днепропетровск, 2005. – Вып. 10. – С. 202-206.

4. Нерудные минералы в металлургических шламах ОАО КГМК “Криворожсталь” / В.В Иванченко, А.В. Кекух, П.И. Оторвин, М.И. Котляр, В.М. Корякин // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2004. – №3. – С. 17-22.

5. Опыт комбината “Криворожсталь” по утилизации железосодержащих шламов и вторичной окалины / А.В. Сокуренко, В.О. Шеремет, А.В. Кекух, А.В. Ревенко, П.И. Оторвин // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2005. - № 3. – С.111-114.

Додаткові наукові результати викладені в публікаціях:

6. Совер-шенствование шлакового режима доменной плавки в сырьевых условиях КГГМК “Криворожсталь” / П.И. Оторвин, Д.Н. Тогобицкая, А.И. Белькова, Н.М. Можаренко // Сталь. – Москва. – № 6. – 2004. – С. 24-28.

7. Автоматизированная система контроля и управления шлаковым режимом доменной плавки / Д.Н. Тогобицкая, П.И Оторвин, А.И Белькова, А.Ю. Гринько // Металлург. – Москва. – 2004. – № 4. – С. 43-46.

8. Проблемы щелочной агрессии в доменном производстве / Г.И. Орел, П.И. Оторвин, Г.П. Костенко, А.Д. Джигота, Н.М Можаренко, Н.Г. Бойков, М.Г. Джигота // Теория и практика производства чугуна: Тр. МНТК. –Кривой Рог, 2004. – С. 263-266.

9. Физико-химические основы создания системы контроля и управления шлаковым режимом доменной печи в изменяющихся шихтовых и технологи-ческих условиях / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, А.И. Белькова, П.И. Оторвин // Теория и практика производства чугуна: Тр. МНТК. – Кривой Рог, 2004г. – С. 504- 508.

10. Оптимизация шлакового режима доменной плавки в условиях комбината “Криворожсталь” / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, А.И. Белькова, П.И. Оторвин, С.В. Нынь // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – Днепропетровск, 2005. – Вып. 10. – С. 88-95.

11. Выбор рационального состава доменной шихты на основе физико-хи-мического моделирования свойств расплавов / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, А.И. Белькова, П.И. Оторвин, А.Ю. Гринько // Металлургия России на рубе-же XXI века: Сб. научных трудов МНПК. – Новокузнецк, 2005. – С. 92-99.

12. Огнеупоры для футеровки доменной печи и их взаимодействие с доменными шлаками / В.И. Большаков, А.С Нестеров, П. И. Оторвин, Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – Днепропетровск, 2005. – Вып. 10. – С. 245-261.

13. Совершенствование технологии подготовки железосодержащих отходов / В.А. Шеремет, А.В. Кекух, А.В. Ревенко, Г.И. Орел, П.И. Оторвин // Экология и промышленность. – 2005. – № 4. – С. 37-42.

14. Пат. 62589 Україна, МКІ С21В5/00. Спосіб ведення доменної плавки: Пат. 62589 Україна, МКІ