НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
УДК 669.162.001.7:669.18.012.7
Мамешин Валерій Сергійович
УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ РІДКОФАЗНОГО ВІДНОВЛЕННЯ НА ОСНОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ГІДРОДИНАМІКИ ВАННИ МЕТОДОМ ХОЛОДНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
05.16.02- «Металургія чорних і кольорових металів
і спеціальних сплавів»
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ - 2008
Дисертація є рукописом
Робота виконана в Національній металургійній академії України
Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник:
Паніотов Юрій Семенович, кандидат технічних наук, доцент, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри металургії сталі.
Офіційні опоненти:
Чернятевич Анатолій Григорович, доктор технічних наук, професор, Дніпродзержинський державний технічний університет, м. Дніпродзержинськ, завідувач кафедри руднотермічних процесів.
Піптюк Віталій Петрович, кандидат технічних наук, старший науковий співробітник відділу фізико-технічних проблем металургії сталі, Інститут чорної металургії ім. З.І Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ.
Захист відбудеться 17.06.2008р. в 12-30 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, просп. Гагаріна, 4.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, просп. Гагаріна, 4.
Автореферат розісланий 15.05.2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,
доктор технічних наук, професор Л.В.Камкіна
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Агло-коксо-домений комплекс України має високий ступінь зносу основних фондів, відносно низький технічний і технологічний рівень, що спричиняє підвищені енерго- і ресурсовитрати при виробництві чавуну. Технологічне переоснащення його до сучасного світового рівня, вимагає величезних капіталовкладень на рівні сотень млрд. доларів США. Таким чином, для умов України перспективним може бути впровадження одностадійного процесу рідкофазного відновлення, технологія якого заснована на відновленні оксидів заліза з розплавлених шлаків енергетичним вугіллям.
Переваги цих процесів досить значні. Вони не вимагають коксівного вугілля і підготовки залізорудної сировини, можуть переробляти будь-які технологічні відходи, у тому числі з високим вмістом цинку, свинцю, лугів і інших шкідливих для сталей домішок.
На сьогоднішній день, найбільш перспективною вважається технологія рідкофазного відновлення «Romelt», що була випробувана на великомасштабній напівпромисловій установці. Однак, сама технологія і агрегат для її здійснення у тому варіанті, що пропонують їхні автори, має ряд істотних недоліків. У першу чергу, це пов'язано із забезпеченням надійності безперервної роботи агрегату, організації гідродинамічних потоків у рідкій ванні, оптимізацією використання вторинних енергоресурсів.
У зв'язку з цим, важливим і актуальними є дослідження, що спрямовані на вивчення гідродинамічної структури барботажної ванни, вирішенням питань, пов'язаних з розподілом і замішуванням твердої фази у рідкій шлак та аналізом матеріальних і теплових потоків в об’ємі агрегату. Вирішення цих питань дозволить удосконалити технологію одностадійних процесів рідкофазного відновлення заліза, заснованих на застосуванні в якості відновлювача енергетичного вугілля.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до наукових напрямків і планів проведення науково-дослідних робіт кафедр металургії сталі та металургії чавуну Національної металургійної академії України Міністерства освіти і науки України по державній бюджетній темі № Г001G30013 “Теоретичний аналіз і вдосконалення процесів рідкофазного відновлення заліза” (№ Г.Р. 0199U000751).
Мета й завдання дисертаційної роботи. Мета роботи полягає в удосконаленні технології рідкофазного відновлення на основі дослідження гідродинаміки ванни, методом холодного моделювання.
Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі, передбачалося рішення наступних завдань:
- вибрати раціональну схему відновлювальної плавки для умов металургійної промисловості України;
- дослідити механізм рідкофазного відновлення заліза;
- дослідити механізм взаємодії газового струменя з шлаковим розплавом, при бічному підведенні дуття під рівень ванни;
- вивчити гідродинаміку й структуру проточної рідкої барботуємої ванни, провести її аналіз на базі математичних моделей проточних реакторів;
- вивчити процеси теплообміну при допаленні газів, що відходять з барботуємої шлакової ванни;
- дослідити умови стаціонарності режиму рідкофазного відновлення у проточній ванні агрегату «Romelt» та причини його порушення;
- провести техніко-економічне порівняння ефективності виробництва сталі на базі доменного процесу й процесу рідкофазного відновлення.
Об'єкт дослідження – процес рідкофазного відновлення заліза.
Предмет дослідження – гідродинаміка рідкої ванни агрегату «Romelt», механізм взаємодії газового струменю зі шлаковим розплавом при бічному підведенні дуття, структура матеріальних та теплових потоків агрегату «Romelt», механізм рідкофазного відновлення заліза.
Методи дослідження – термодинамічний та кінетичний аналіз процесу рідкофазного відновлення заліза твердим вуглецем, холодне моделювання продувки при бічному підведенні дуття, статистична обробка даних.
Наукова новизна й значимість отриманих результатів:
Уточнено механізм фізико-хімічної взаємодії вугільних часток зі шлаками в процесі рідкофазного відновлення при перемішуванні шлакової ванни барботажним дуттєм за рахунок зовнішнього джерела газу. На основі термодинамічних та кінетичних розрахунків показано, що основна частина заліза відновлюється твердим вуглецем по одностадійній (контактній) схемі в газо-шлако-вугільній суспензії, що розташована у верхньому шарі барботуємої шлакової ванни.
Вперше визначена гідродинамічна структура рідкої ванни агрегату рідкофазного відновлення «Romelt». Встановлено, що ванна складається з комірок барботажу, які ініціюються горизонтальними газовими струменями, що вдмухуються в об’єм шлакової ванни. При цьому горизонтальний газовий струмінь в об’ємі рідини може розглядатися як лінійне джерело барботажу. Встановлено динаміку формування горизонтального газового струменю у рідині при продувці під рівень. Визначені основні параметри зони продувки та барботажних комірок. Виявлено, що в зоні виходу барботуючого газу, шлако-вугільна суспензія відтискується у зону спадних потоків барботажних комірок та займає не більше половини площі дзеркала шлакової ванни.
Вперше проведено аналіз роботи агрегату «Romelt» на базі математичних моделей проточного реактору безперервної дії. Доведено, що барботажна зона може розглядатися з позиції моделі проточного реактору ідеального змішування, а ванна чавуну може бути описана моделлю проточного реактору ідеального витиснення.
Практична значимість отриманих результатів:
На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень встановлено, що для забезпечення стабільної роботи процесу рідкофазного відновлення та високопродуктивного виробництва сталі з чавуну процесу «Romelt», найбільш суттєвими є схема підведення дуття, та спосіб подальшої переробки, цього чавуну.
Розроблена й запропонована нова схема підведення барботажного дуття. Дуття підводиться через вертикальні рухливі фурми, що розташовані у склепінні агрегату, що дозволяє регулювати товщину шару барботуємого шлаку та запобігати неконтрольованому спіненню шлаку.
Запропоновано технологічну схему безперервного рафінування рідкого чавуну з метою одержання сталі. Вона включає агрегат рідкофазного відновлення типу «Romelt», що поєднаний у технологічний ланцюг зі сталеплавильним агрегатом безперервної дії (САБД) конвертерного типу й машиною безперервного розливання сталі.
Новизна й оригінальність розроблених заходів захищена 2 патентами України.
Особистий внесок здобувача: Дисертація є самостійною роботою автора, що заснована на опублікованих результатах досліджень. Теоретичні, лабораторні та експериментальні дослідження виконані при особистій участі автора, а також разом зі співробітниками кафедр металургії сталі й металургії чавуну НметАУ. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачеві належать: [1] – проведено огляд різних напрямків розвитку процесів прямого відновлення заліза, [2,5,11,12] – розрахунки та аналіз результатів, [3,4,6,7] – постановка завдання, обробка експериментальних даних та аналіз результатів, [8,9] – теоретична розробка гідродинамічної моделі, розрахунки та аналіз результатів, [10] – розробка конструкції печі процесу рідкофазного відновлення, [13] – проведення експериментальних досліджень, [14] – теоретична розробка та обґрунтування раціональної технологічної схеми переробки чавуну рідкофазного відновлення.
Апробація результатів дисертації: Результати дисертаційної роботи повідомлені та обговорені на X, XI, XII Міжнародних науково-технічних конференціях «Теория и практика кислородно-конвертерных процессов» (м. Дніпропетровськ, 2002, 2005, 2006), 5th International Scientific Seminar “New Technologies and Achievements in Metallurgy and Material Engeniring”, (Poland Czestochow, 2004), Міжнародній науковій конференції «Современные проблемы теории и практики производства качественной стали» (м. Маріуполь, 2004), Міжнародній науковій конференції «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Болгарія, м. Варна, 2005) і на наукових семінарах кафедри металургії сталі.
Публікації. Основні положення й результати висвітлені в 14 роботах, серед них: 5 статей у спеціалізованих наукових журналах, що входять у перелік ВАК України, 6 тез доповідей у працях Міжнародних науково-технічних конференцій і конгресів, 1 монографії, 2 патентах України.
Структура дисертації. Робота складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатків. Матеріал дисертації викладений на 187 сторінках, включаючи 38 рисунків 24 таблиці. Бібліографічний список містить 208 найменувань робіт вітчизняних та закордонних авторів.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано її актуальність, сформульовано мету й завдання досліджень, визначено наукову новизну й практичну значимість отриманих результатів, їхня апробація й публікації, відзначено особистий внесок здобувача.
У першому розділі «Аналіз процесів безкоксового одержання чавуну й сталі» проведений аналіз патентної та науково-технічної літератури про сучасні технології безкоксового одержання чавуну і сталі, що засновані на застосуванні енергетичного вугілля як енергоносія і відновлювача.
Стосовно до умов чорної металургії України визначені пріоритетні напрямки теоретичних та прикладних досліджень з розробки й освоєнню ресурсо- та енергозберігаючих технологій безкоксового одержання чавуну й сталі.
На основі проведеного аналізу визначені конкретні мета й завдання дослідження.
У другому розділі «Теоретичний аналіз фізико-хімічних процесів відновлення оксидів заліза твердим вуглецем» виконаний теоретичний аналіз механізмів відновлення монооксиду заліза зі шлакового розплаву вуглецем. Проведений аналіз показав, що для процесу рідкофазного відновлення монооксиду заліза твердим вуглецем зі шлакового розплаву двоступінчаста схема Байкова не може відігравати переважну роль. Це пов'язано з низьким температурним рівнем процесу, неможливістю навуглецювання заліза до значних концентрацій через газову фазу, низьким ступенем використання реагенту відновлювача. На основі термодинамічних та кінетичних розрахунків показано, що основна частина заліза відновлюється вуглецем по одностадійній (контактній) схемі в газо-шлако-вугільній суспензії, яка розташована у верхньому шарі барботуємої шлакової ванни.
Уточнено механізм фізико-хімічної взаємодії вугільних часток зі шлаками в процесі рідкофазного відновлення.
Гетерогенний процес відновлення шлаків, що містять оксиди заліза, твердим вуглецем починається на поверхні розподілу "шлак-вуглець" у контакті з газовою фазою. Продукти цієї взаємодії – метал і газ, які спочатку утворюються у вигляді розчинів, потім виділяються в окрему фазу. Це може відбуватися на шматках коксу, які плавають на поверхні шлаку, або в порах шматочків коксу, що перебувають в об’ємі шлаку.
Процес відновлення надалі протікає як на межі “метал – шлак”, так і "шлак – вуглець" і саме на цих границях формується бульбашка СО. Газ накопичується поблизу місця виділення заліза, утворює двомірну область під поверхнею розподілу фаз СО–шлак, що відокремлює твердий вуглець від шлаку, що його не змочує. Таким чином, відновлення заліза розвивається на межі де сходяться три фази – учасниці процесу: вуглець – шлак-газ, або: вуглецевий метал – шлак – газ. Ця межа дозволяє безперервно виробляти СО, що під протилежною дією сил поверхневого натягу шлак-газ і сили Архімеду формує газову бульбашку змінної конфігурації. Перед відривом бульбашки він здобуває форму, що нагадує печатку зі сферичною ручкою.
Сферичний об’єм газової бульбашки періодично відривається й спливає, а нижня частина об’єму, що залишився, знову формує пухир СО (рис. 1). Вуглецева частка добре змочується залізом, що розтікається по ній у вигляді тонкої плівки. По мірі насичення плівки металу вуглецем, збільшується крайовий кут змочування й плівка звертається в краплю.
На одному шматочку коксу одночасно виникають декілька центрів утворення краплі металу. Чавун, що утворився, практично не змочує графіт. Такі краплі поводяться аналогічно краплям ртуті й швидко коалісцирують. По ходу процесу, маса краплі збільшується, а маса шматочка коксу зменшується, порушується центр ваги системи і вона повертається таким чином, що найбільш великі краплі металу розташовуються знизу, а газовий пухир – зверху. |
Краплі металу, які утворилися в інших центрах відновлення, стікають до низу по поверхні шматочку коксу й поступово зливаються в одну велику краплю. Після відриву бульбашки СО змінюється плавучість системи й вона опускається в об’єм шлаку. Процес періодично повторюється. На внутрішній поверхні бульбашок СО можливе відновлення оксидів заліза шлаку за двоступінчастою схемою відновлення.
Рис. 1. Схема утворення бульбашки СО
1 – бульбашка СО (а - до відриву; б - після відриву); 2 - крапля навуглецьованого заліза, що відновилося; 3 – плівка відновленого заліза; 4 – шматок вугілля, що зкоксувалося; 5 – пора; 6 – залишковий об’єм СО.
Розрахунки співвідношення розмірів краплі чавуну й часточок коксу у барботованій шлаковій ванні, виконані на базі уточненої моделі та добре збігаються з експериментальними даними , опублікованими в літературі (рис. 2).
а |
б
Рис.2. Частотний розподіл крапель металу (а) та шматочків вугілля (б)у різних шарах барботажної зони.
1,2 – верхній та нижній шар барботажної зони (розрахунки автора); 1а, 2а – експериментальні дані частотного розподілу по фракціях часточок коксу й крапель чавуну відповідно у верхньому та нижньому шарі барботажній зоні агрегату «Romelt» (за літературними джерелами).
У третьому розділі «Моделювання продувки шлаку крізь сопло, що розташоване горизонтально» методом холодного моделювання досліджували гідродинаміку барботованої шлакової ванни агрегату «Romelt». Подібність процесів на зразку й моделі описували числами подібності: питомим імпульсом газового струменю й числом Маха. Дослідження проводилися на прозорій об'ємній моделі перетином 330х390 мм і висотою 900 мм.
Тиск газу перед соплом варіювали в інтервалі від 1 до 7 атн. Газ у рідину вводили методом гідроудару. Це дозволило дослідити динаміку надходження газового струменю в рідину. При цьому виключається вплив потоків рідини у ванні на розвиток газового струменю та на спливання бульбашок.
Частки вугілля у ванні «Romelt» моделювали шматочками дерева, вкритими парафіном. Щільність цих шматочків була, приблизно, в 1,5 рази менше щільності води й вони розташовувалися рівномірним шаром на поверхні ванни до початку продувки.
Для забезпечення надійності та статистичної вірогідності отриманих результатів проводили 2–3 кратне дублювання дослідів. Були отримані вибірки, що містили від 100 до 150 значень кожного з параметрів, який вивчався. У кожній з вибірок було проведене відсіювання грубих й випадкових помилок по методу 3у. Потім була проведена статистична оцінка вибірок в електронних таблицях Excel за допомогою інструмента «описова статистика».
За характерний розмір зони продувки при обробці експериментальних даних був прийнятий комплекс .
Моделювання бічної продувки рідини, заглибленим горизонтальним струменем газу дозволило встановити, що зона продувки складається з суцільної струменевої ділянки і газо-рідинного потоку, що вигинається догори під дією сил Архімеда та переходить у барботажний стовп. Загальний вид поширення горизонтального газового струменю представлений на рис. 3.
а б в
Рис. 3 Загальний вид поширення звукового горизонтального газового струменю в об’ємі рідини
а – ; б —;
в — .
Експериментально визначені: довжина суцільної ділянки струменю , далекобійність струменя представлені на рис 4. і 5.
Рис.4. Залежність довжини суцільної ділянки від імпульсу струменя | Рис.5. Залежність далекобійності струменя від його імпульсу
^ — діаметр сопла 1мм; ¦ — діаметр сопла 2 мм; ¦ — діаметр сопла 3мм.
Рівняння регресії для довжини початкової ділянки й далекобійності струменя наступні:
; . (1)
, . (2)
де i – імпульс струменя, Н; – прискорення сили ваги, м/с2; — густина рідини, кг/м3.
Подрібнення газового струменю на 3-5 окремих об’ємів їх відрив від струменю й спливання окремих бульбашок спостерігалося за межею суцільної ділянки, тобто на відстані від перерізу сопла. Таким чином, газовий струмінь у рідині можна розглядати як лінійне джерело газу, що розташоване на відстані ,м від сопла, довжиною:
. (3)
Швидкість газорідинного струменю, в кінці суцільної ділянки, було розраховано за законом незмінності імпульсу, з урахуванням доданої маси рідини. Встановлено, що вона відповідає швидкостям бульбашкового режиму витікання газу з сопла (рис.6).
На цій підставі висунуте припущення, що суцільна ділянка є своєрідним продовженням сопла, з кінця якого періодично відриваються газові масиви.
Отже, механізм подрібнення газового неізотермічного струменю в рідині можна представити в такий спосіб: газовий струмінь, що потрапляє в обсяг рідини, утворює суцільну ділянку, на якій інжектується рідина. Зі збільшенням приєднаної маси рідини швидкість газорідинного потоку знижується до величин 30–40 м/с, після чого відбувається подрібнення струменю.
Встановлено, що гідродинаміка рідкої ванни визначається характером спливання газових об’ємів і залежить від безрозмірної глибини розташування сопла відносно рівня ванни (визначається симплексом ). При малому заглибленні сопла вихід газу через поверхню ванни відбувається у вигляді великих бульбашок зі значним викидом рідини. При значному заглибленні сопла, газорідинний потік перетворюється в барботажний стовп. |
При цьому у верхніх шарах ванни спостерігається зона, де відбувається подрібнення великих газових об’ємів на відносно невеликі бульбашки. що утворюють барботажну зону з рівномірним розподілом бульбашок в об’ємі рідини.
У перехідному режимі спостерігається кипіння ванни з періодичним виділенням великих бульбашок.
Співвідношення, що отримані, дозволяють вибрати розміщення барботажних фурм в агрегаті «Romelt».
Рис. 6. Розрахункова зміна швидкості газорідинного потоку на кінці суцільної ділянки залежно від тиску дуття.
1 - діаметр сопла 1мм; 2 - діаметр сопла 2мм; 3 - діаметр сопла 3мм.
У всіх трьох режимах утворюється бурун і відбувається оголення дзеркала ванни від твердої фази. Зона виходу газу має форму еліпса, довга вісь якого спрямована по осі струменя.
Загальний вид виходу газорідинного потоку на поверхню, представлений на рис.7.
а б
в г
Рис. 7. Загальний вид виходу газорідинного потоку на поверхню
а— ; б — ;
в — ; г — .
– діаметр сопла; – надлишковий тиск дуття; – висота стовпа рідини над соплом.
У результаті холодного моделювання розроблена гідродинамічна модель рідкої ванни агрегату «Romelt».
Структурно барботажна шлакова ванна складається з комірок циркуляції, кожна з яких, у свою чергу, складається з барботажного стовпа й спадних потоків шлаку, які утворюють два контури циркуляції. Перший з них утворюється між стінкою агрегату та барботажним стовпом, другий – замикається через спадні потоки в центральній частині агрегату. Барботажні стовпи формуються за рахунок дуття, що подається крізь нижній ярус фурм. Кількість циркуляційних комірок дорівнює кількості барботажних фурм. Межі комірок та масообмін між ними проходить у зоні спадних потоків. Газ, що отримано у процесі відновлення, піролізу вугілля й конверсії вологи, виходить з ванни, в основному, поза барботажними стовпами. Таким чином, поза барботажними стовпами у поверхневому шарі шлакової ванни реалізується режим динамічної піни, а в надфурменій зоні – режим барботування.
Схема циркуляції в агрегаті «Romelt» представлена на рис. 8.
Рис. 8. Схема циркуляції в агрегаті «Romelt»
А — поперечний переріз; B — поздовжній переріз; С — вид зверху; 1 – лещадь; 2 – чавун; 3 – “спокійний” шлак; 4 – бічні фурми; 5 – висхідні потоки; 6 – спадні потоки; 7 – скупчення великих шматків коксу; 8 – газ, що відходить, краплі шлаку, сплески, викиди; 9 – великі бульбашки газу; + – висхідні потоки; – спадні потоки.
Визначено, що тверда фаза, яка плаває на поверхні ванни, відтискується з зони виходу газу та частково затягується в об’єм рідини спадними потоками. Частка твердої фази в об’ємі рідини визначається інтенсивністю барботажу та критичним діаметром часток.
При середніх швидкостях руху спадних потоків рідини в агрегаті «Romelt» порядку 0,05 – 0,25 м/с, критичний діаметр становить 0,00012 – 0,0031 м для часток вугілля та 0,00017 – 0,0045 м для часток вапна. Частки розміром менше критичного замішуються в об’єм шлаку. Розрахунки показують, що доля вугільних часток, в об’ємі шлаку, не перевищує 8 % від його витрат.
У четвертому розділі «Тепловий баланс агрегату Romelt» проведено аналіз теплового балансу агрегату Romelt та показано, що в агрегаті присутні два основних джерела надходження теплоти, які забезпечують покриття всіх теплових потреб агрегату.
Перше джерело – це теплота, яка виділяється при допаленні газів, що відходять. Другим джерелом є теплота горіння вугілля до СО, яке частково спалюється у шлаковій ванні барботуючим дуттям, що містить кисень.
Газ, що виділяється з шлакової ванни та йде на допалювання, складається, в основному, з СО і Н2. Склад газу після допалювання й розподіл кисню на окислення горючих компонентів визначається рівновагою реакції водяного газу.
Рівноважні склади газу після допалювання (залежно від ступеня допалювання й температури) наведені в таблиці 1.
Таблиця 1.
Склади димових газів після допалювання при різних ступенях і температурах допалювання
Склад димових газів після допалювання, % | Ступінь допалювання, частки від од.
0,3 | 0,5 | 0,7 | 0,9
1873 К | 1973 К | 2073 К | 1873 К | 1973 К | 2073 К | 1873 К | 1973 К | 2073 К | 1873 К | 1973 К | 2073 К
СО | 47,527 | 48,006 | 48,430 | 35,671 | 36,059 | 36,394 | 22,094 | 22,318 | 22,509 | 7,522 | 7,602 | 7,718
СО2 | 15,434 | 14,955 | 14,531 | 27,264 | 26,876 | 26,541 | 40,815 | 40,591 | 40,400 | 55,361 | 55,282 | 55,165
H2 | 9,838 | 9,359 | 8,935 | 5,287 | 4,899 | 4,564 | 2,470 | 2,248 | 2,061 | 0,665 | 0,599 | 0,549
H2O | 17,146 | 17,625 | 18,048 | 21,686 | 22,073 | 22,408 | 24,491 | 24,713 | 24,900 | 26,285 | 26,351 | 26,401
N2 | 10,056 | 10,056 | 10,056 | 10,093 | 10,093 | 10,093 | 10,130 | 10,130 | 10,130 | 10,167 | 10,167 | 10,167
Розподіл кисню на допалювання СО і Н2 показано рис.9 (а) і рис.9 (б).
Розрахунок КВП для зони допалювання показав, що при ступенях допалювання від 0,3 до 0,9, КВП, відповідно, становить 0,15 - 0,6 (рис. 10).
Допалювання газів, що відходять, дозволяє зменшити питомі витрати вугілля. Зниження витрат вугілля при допаленні 1 нм3 газу, що відходить, може бути визначене за рівнянням 4.
, (4)
де – кількість теплоти, що залишається в агрегаті після допалювання, кДж/нм3; – тепловий ефект реакції горіння аморфного вуглецю до СО, кДж/кг; - кількість вуглецю вугілля що згоряє у барботуємій шлаковій ванні, %; – зміст нелетючого вуглецю у вугіллі, %.
а б
Рис.9. Розподіл кисню на допалювання СО (а) і Н2 (б).
де 1, 2, 3 – частка кисню, що йде на допалювання СО при температурах, відповідно, 1600, 1700, 1800 оС; 1а, 2б, 3в – частка кисню, що йде на допалювання Н2 при температурах, відповідно, 1600, 1700, 1800 оС. |
Зона допалювання печі Romelt містить значну кількість пилу. Тому передача теплоти з зони допалювання здійснюється, в основному, конвекцією.
Проведено аналіз розподілу теплоти допалювання газів. Конвективний тепловий потік, що спрямований на стіни й склепіння, в 2–6 разів перевищує тепловий потік, що спрямований безпосередньо на рідку шлакову ванну.
Рис.10 Залежність КВП від ступеня допалювання, де 1, 2, 3 - КВП при температурах допалювання, відповідно, 1600, 1700, 1800 оС.
Теплота шлакової плівки, що стікає по стінах агрегату, становить 22–24%.Теплота крапель і бризків шлаку, що повертаються із зони допалювання, становить 35-50% від усієї кількості теплоти, що залишилася в агрегаті. Сумарні тепловтрати через гарнісажну футерівку, залежно від ступеня допалювання, становлять 19–38% від кількості теплоти, що залишилася в агрегаті. Таким чином, з усієї кількості теплоти, що залишилася в агрегаті, в рідку ванну попадає 62–81%.
У п'ятому розділі «Структура проточної ванни агрегату Romelt» показано, що барботажна зона агрегату являє собою багатофазну систему, яка містить рідкий шлак, у якому перебуває тверда фаза (шматки руди, коксу, вапно), краплі чавуну й газова фаза, яка барботує рідкий шлак. Визначено, що внаслідок гравітаційного поділу фаз легка тверда фаза (коксовий залишок, вапно) буде, в основному, перебувати на поверхні шлакової ванни, а великі шматки залізорудних матеріалів можуть поринати до границі чавуну й шлаку. Одночасно відбувається їхнє розчинення в шлаці. Частка твердої фази в об’ємі рідини визначається інтенсивністю барботажу, розміром часток та симплексом . Розрахункова товщина шару твердої фази, притоплено в поверхневому шарі шлакової ванни, становить 200–300 мм. Тут утворюється газо-шлако-вугільн суспензія, яка є основним реакційним об’ємом.
Краплі чавуну осаджуються крізь шар спокійного шлаку, накопичуються на подині, створюючи металеву ванну.
Шлак в барботажній зоні, внаслідок інтенсивного перемішування, досить однорідний як по хімічному складу, так і по температурі. На цій підставі можливо розглядати барботажну зону з позицій математичної моделі реактора ідеального змішування.
Ґрунтуючись на цьому, визначено:–
середній час перебування заліза в барботажній зоні, що є часом відновлення оксидів заліза
, (5)
де — маса заліза в барботируємому шлаці, т; П – продуктивність агрегату, т/годину; 0,95 – вміст заліза в чавуні, частки од.
Так, при продуктивності агрегату «Romelt» 15–30 т/годину, =60 т і (%FeО) = 2...4% середній час перебування оксидів заліза в шлаці становить 4 - 8 хвилин. –
середній час перебування чавуну в агрегаті:
; (6)
для шлаку в цілому: ; (7)
для барботажної зони: ; (8)
для “спокійного” шлаку: . (9)
де - продуктивність агрегату, т/годину; , , , — відповідно, маси чавуну, шлаку, барботованого шлаку, спокійного шлаку в агрегаті, кг; , , - кратність шлаку, барботованого шлаку, спокійного шлаку в агрегаті, т/т чавуну.
Для умов агрегату Romelt при Мч =40т, Мш =100т і П =15; 30; 45; т/годину (при ступені допалювання, відповідно, 50, 71 і 93%) середній час перебування чавуну становить 2,67; 1,33; 0,87 години. Середня швидкість переміщення чавуну уздовж агрегату в чавунній ванні, відповідно, становить: 0,018; 0,0375; 0,0574 м/хв.
Кратність шлаку для відповідної продуктивності дорівнює 0,44; 0,46; 0,49. Тоді середній час перебування шлаку становить 15,2; 7,25; 4,54 години.
Аналіз впливу збурюючих факторів на стаціонарність процесу рідкофазного відновлення заліза в агрегаті «Romelt» показав, що найбільш вагомими є коливання витрат та складу (фракційного і хімічного) шихтових матеріалів, ступеня допалювання СО, потужності барботажу й умов теплообміну в агрегаті. Зміна величини одного із цих факторів, якщо вона не буде компенсуватися за рахунок зміни величин інших факторів, призводить до порушення технологічного режиму й виробничим втратам. У крайньому випадку це може призвести до аварійних зупинок процесу.
На підставі проведеного аналізу матеріальних потоків та їхнього взаємозв'язку з тепловими потоками, запропоновано раціональне конструктивне компонування агрегату, що дозволяє забезпечити більш стабільну й високопродуктивну роботу агрегату «Romelt».
Також запропонована технологічна схема, заснована на сполученні агрегату «Romelt» і САБД конвертерного типу, що дозволяє безперервно (у потоці) виробляти сталь (рис.11).
Рис. 11. Схема об'єднання агрегату «Romelt» (а) - і САБД ДМетІ конвертерного типу (б):
1 – завантажувальна воронка; 2 - водоохолоджувальні кесони; 3 – спрямований факел допалювання; 4 - барботажний стовп; 5 – скупчення часток вугілля на поверхні шлаку; 6 - шар шлаку, що барботується; 7 – металевий сифон; 8 – жолоб для транспортування чавуну; 9 – шар металу; 10 - шар спокійного шлаку; 11 – шлаковий сифон (відстійник); 12 - димовідвідний патрубок; 13- рухливі, двоконтурні барботажні фурми; 14 – фурми для продувки киснем; 15 – вікно для подачі металевих добавок; 16 – склепіння; 17 – вікно для відводу диму; 18 – вікно для спуску шлаку; 19 – жолоб для випуску сталі; 20 –шлаковідокремлююча перегородка; 21 – шар готової сталі, що осіла у відстійній ванні; 22 – шар шлаку, що осів у відстійній ванні; 23 - розділяючий поріг; 24 – шлакометалева емульсія у реакційній ванні; 25 – кисневий струмінь; 26 – міксер, що обігрівається, копильник, або промковш МБЛЗ.
У шостому розділі «Техніко-економічний аналіз процесів одержання чавуну й сталі» проведено техніко-економічне порівняння доменного процесу й процесів безкоксової металургії.
Проведено порівняння показників економічної ефективності виробництва сталі з доменного чавуну й чавуну, що отримано в агрегаті рідкофазного відновлення «Romelt». Розрахунок техніко-економічних показників виробництва чавуну й рідкої сталі виконано у цінах 2007 р.
Таблиця 2
Собівартість чавуну при виробництві його по різних технологічних схемах.
Технологічний процес
Собівартість, грн/ т чавуну (%)
Доменний,
середні показники
кращі показники
1135,62 (100)
900,86 (79,32)
Соrех:
схема з рециркуляцією газів, що відходять
896,14 (78,91)
Romelt,
ступінь допалювання СО до СО2,%:
55
991,59 (87,31)
71
823,75 (72,53)
93
765,76 (67,43) |
Розрахунки виробничої собівартості для доменного чавуну та чавуну, що отримано у процесі Соrех і в агрегаті «Romelt» при різних ступенях допалювання CO до CO2, наведені в таблиці 2.
Для проведення порівняльного аналізу техніко-економічних показників киснево-конверторної плавки, що працює на доменному чавуні або чавуну процесу Romelt, була розроблена комп'ютерна програма. Програма розрахунку на ЕОМ була виконана в математичному середовищі Mathcad. Для розрахунку задалися наступними складами чавунів: доменний – С =4,5%; Si =0,85%; Мn=0,8%; Р= 0,17%; S=0,05%, Romelt – С =4,4%; Si =0,1%; Мn=0,1%; Р= 0,1%; S=0,04%.
Температура для обох чавунів була прийнята рівною 1400°С. Розрахунок проводився для виплавки сталі марки 3кп (табл.3).
Таблиця 3.
Економічні показники виробництва сталі по різних технологічних схемах.
Матеріал | Ціна, грн/т | Базовий варіант | Порівняльний варіант | Зміна
Доменна піч - конвертер | Romelt - конвертор
Пит. витрати, од./т | Вартість,
грн/т | Пит. витрата, од./т | Вартість, грн. | Різн. по пит. витратам, од./т | Вартість,
грн.
Доменний чавун, т | 1135,62 | 0,7840 | 890,33 | - | - | 0,7840 | 890,33
Чавун «Romelt», т | 823,758 | - | - | 0,8870 | 730,67 | -0,8870 | -730,67
Брухт, т | 624,06 | 0,3070 | 191,58 | 0,1880 | 117,32 | 0,1190 | 74,26
Феросплави, т | 3372,93 | 0,0047 | 15,82 | 0,0060 | 20,23 | -0,0013 | -4,41
Вапно, т | 297,96 | 0,0810 | 24,13 | 0,0044 | 1,31 | 0,0766 | 22,82
Магнезитові вогнетриви, т | 508,00 | 0,0037 | 1,88 | 0,0042 | 2,12 | -0,0005 | -0,24
Кисень, тис. м3 | 259,89 | 0,0560 | 14,55 | 0,0520 | 13,51 | 0,0040 | 1,04
Вартість заданого на 1т рідкої сталі | 1138,30 | 885,19
Економічний ефект, грн/т | 253,12
ВИСНОВКИ
1. З нових процесів, що освоєні у промисловому масштабі, й тих, що перебувають на стадії промислового освоєння, найбільш перспективним для України може бути одностадійний процес рідкофазного відновлення «Romelt», технологія якого заснована на відновленні оксидів заліза з розплавлених шлаку енергетичним вугіллям.
2. Проведено теоретичний аналіз механізмів відновлення оксиду заліза зі шлакового розплаву. Виявлено, що для процесу рідкофазного відновлення монооксиду заліза твердим вуглецем зі шлакового розплаву двоступінчаста схема Байкова не може відігравати переважаючу роль. Це пов'язано з низьким температурним рівнем процесу, неможливістю навуглецьовування заліза до значних концентрацій через газову фазу, низьким ступенем використання реагенту – відновника.
Основна частина заліза відновлюється по одностадійній (контактній) схемі, яка припускає, що реакції йдуть на поверхні розподілу трьох фаз - рідкого шлаку, вуглецю коксового залишку й СО. Одночасно з відновленням відбувається навуглецювання й утворення чавуну.
3. Вперше встановлена динаміка формування горизонтального газового струменю у рідині при продувці під рівень, починаючи з моменту подачі газу.
Зона продувки складається з суцільної струмінної ділянки, довжина якої близька до величини , і газо-рідинного потоку, що вигинається догори під дією сил Архімеду і переходить у барботажний стовп.
4. Вперше встановлено, що швидкості газу на кінці суцільної ділянки струменю відповідають швидкостям бульбашкового витікання. Висунуто припущення, що суцільна ділянка є своєрідним продовженням сопла, стінками якого є межа розділу фаз газ-рідина. Горизонтальний газовий струмінь у рідині є лінійним джерелом газу, розташованим на відстані ,м від сопла, довжиною ,м.
5. Гідродинаміка рідкої ванни визначається спливанням газових об’ємів і залежить від глибини розташування сопла. Вперше встановлено, що при розміщенні сопла на глибині ? 7,5 вихід газу через поверхню ванни відбувається у вигляді великих бульбашок зі значним викидом рідини. При розміщенні сопла на глибині більше ? 20 газорідинний потік перетворюється в барботажний стовп. При цьому, у верхніх шарах ванни спостерігається зона, де відбувається подрібнення великих газових об’ємів на відносно невеликі бульбашки, утворюється барботажна зона з рівномірним розподілом бульбашок в об’ємі рідини. Зона виходу газу характеризується рівномірним кипінням. У перехідному режимі (=7,5...20) відбувається кипіння з періодичним виділенням великих бульбашок. Зона виходу газу має форму еліпсу, більша вісь якого спрямована по осі струменю. У зоні виходу газу ванна спучується. При наявності у ванні плаваючої твердої фази відбувається оголення дзеркала ванни.
7. Тверда фаза, що плаває на поверхні ванни, відтискується з зони виходу газу та частково затягується в об’єм рідини спадними потоками. Частка твердої фази в об’ємі рідини визначається інтенсивністю барботажу, критичним діаметром часток і симплексом . Частка вугільних часток в об’ємі шлаку не перевищує 8 % від його витрати.
8. Вперше встановлено, що барботажна шлакова ванна складається з комірок циркуляції, кожна з яких має зону висхідного (барботажний стовп) і спадного потоків шлаку. Барботажні стовпи формуються за рахунок дуття, що подається крізь нижній ярус фурм. Кількість циркуляційних комірок дорівнює кількості барботажних фурм. Межі комірок та масообмін між ними проходять у зоні спадних потоків. Газ, що виділився при відновленні, піролізі вугілля й випару вологи, виходить з ванни, в основному, поза барботажними стовпами. Таким чином, поза барботажними стовпами, в поверхневому шарі шлакової ванни реалізується режим динамічної піни, а в надфурменій зоні – режим барботування.
9. Вперше проведений аналіз роботи агрегату «Romelt» на базі математичної моделі проточного реактора безперервної дії. Показано, що барботажна зона агрегату являє собою багатофазну систему, що містить рідкий шлак, у якому перебуває тверда фаза (шматки руди, коксу, вапна), краплі чавуну й газова фаза. Маса твердої фази у рідкому шлаку визначається часом її розчинення, а розподіл в об’ємі ванни - гравітаційними силами й гідродинамікою потоків рідини. Легка тверда фаза (коксовий залишок, вапно), в основному, перебуває на поверхні шлакової ванни, а великі шматки залізорудних матеріалів занурюються в шлак. Розрахункова товщина шару твердої фази, притопленого у верхньому шарі шлакової ванни, становить 200 – 300 мм. У цьому трьох фазному шарі йде відновлення оксидів заліза вуглецем коксового залишку вугілля й, одночасно, навуглецювання та утворення крапель чавуну. Цей шар є реакційним об’ємом.
10. Внаслідок інтенсивного перемішування шлак в барботажній зоні досить однорідний, як по хімічному складу, так і по температурі, що дозволяє розглядати цю зону з позиції математичної моделі проточного реактору ідеального змішування. Ванна чавуну практично не перемішується. Вона може бути описана математичною моделлю проточного реактору ідеального витиснення.
11. Зроблено розрахунок КВП для зони допалювання, що базується на розподілі кисню між горючими компонентами залежно від їхнього хімічного потенціалу. Залежно від ступеня допалювання величина КВП перебуває в діапазоні 0,15 – 0,6. Проведено аналіз надходження теплоти з зони допалювання в шлакову ванну.
12. На підставі аналізу матеріальних потоків та їхнього взаємозв'язку з тепловими потоками запропоноване раціональне конструктивне компонування агрегату, що дозволяє забезпечити більш стабільну й високопродуктивну роботу агрегату «Romelt». Запропоновано технологічну схему одержання сталі засновану на безперервному рафінуванні рідкого чавуну, отриманого в агрегаті «Romelt» та САБД конвертерного типу.
13. Розрахунок економічних показників виробництва чавуну по різних технологічних схемах показав, що вартість продажу чавуну для процесу «Romelt» (при ступеню допалювання 71%), становить 72,53% від вартості виробництва чавуну в доменній печі. При виробництві сталі за схемою ««Romelt» – конвертер» її собівартість становить 77,78% від собівартості сталі, виробленої за традиційною схемою «доменна піч – конвертер».
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДОБРАЖЕНО В ПУБЛІКАЦІЯХ
1. Процессы бескоксовой металлургии: энергетическая, экологическая, экономическая оценка / В.П Иващенко, Ю.С, Паниотов, В.Д. Зеликман, В.С. Мамешин / Монография. — Дніпропетровськ: РВА “Дніпро-VAL”, 2003. – 104 с.
2. Восстановление оксидов железа шлака твердым углеродом/ Паниотов Ю.С., Тараканов А.К., Иващенко В.П., Мамешин В.С., Орел Г.И. // Металл и литье Украины. – 2004. - № 8-10. С.16-18.
3. Паниотов Ю.С., Мамешин В.С., Котляров В.В. Моделирование продувки жидкости горизонтальной газовой струей на границе раздела фаз. // Современные проблемы теории и практики производства качественной стали. Международная научная конференция. Мариуполь 8-10 сентября 2004 г.– Мариуполь, 2004.–С.135-137.
4. Паниотов Ю.С., Мамешин В.С., Котляров В.В. Развитие газовой струи при продувке через горизонтальное сопло, расположенное под уровнем жидкости. // Теория и практика металлургии. – 2006. - № 1 – 2. С.10-13.
5. Механизм дробления газовой струи в жидкости / Ю.С. Паниотов, В.С. Мамешин, А.Н. Бутурлим, А.А. Борисенко // Металл
