ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА ИЗ ТИТАНОМАГНЕТИТОВОГО СЫРЬЯ
|
Актуальность работы. Мировая тенденция развития металлургии такова, что происходит быстрое истощение запасов железорудного сырья, поэтому возникает острая необходимость перехода в ближайшем будущем на использование комплексных руд сложного состава. К таким рудам относятся титаномагнетиты, имеющие широкое распространение и огромные запасы в недрах земли.
Плавка на высокотитанистой шихте — одна из самых трудных в практике доменного производства, т.к. наряду с компактными массами чугуна и шлака в печи образуются малоподвижные конгломераты из коксовой мелочи, металла, шлака и карбонитридов. В связи с этим ухудшается фильтрация расплавов, увеличиваются потери металла, возрастает перепад давления газа в нижней части печи и снижается ее производительность. В условиях доменной плавки на ОАО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» (ОАО «ЕВРАЗ НТМК») содержание оксида титана в шихте составляет 48 —50 кг на 1 т чугуна, что почти в два раза превосходит максимально допустимое количество титана в шихте на металлургических заводах других стран, например Японии. В перспективе содержание титана в шихте будет расти (разработка Качканарского месторождения).
Значительный объем исследований в области комплексной переработки титаномагнетитовых руд выполняли и выполняют ИМЕТ УрО РАН, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, ЦНИИчермет им. И.П. Бардина. Данные исследования показали, что основная сложность выплавки ванадиевого чугуна связана с наличием титана в шихтовых материалах, который в условиях доменной печи восстанавливается до карбидов и карбонитридов, которые имеют высокую температуру плавления. Существенный вклад в разработке теоретических основ и решении проблем, связанных с извлечением ванадия и титана, внесен Уральским институтом металлов (УИМ). Институт занимается этими вопросами с 1954 года совместно с научными лабораториями ОАО «ЕВРАЗ НТМК» и в течение многих лет является ведущей организацией в черной металлургии нашей страны по данному направлению.
В 2005-2006 годах была проведена реконструкция доменных печей ОАО «ЕВРАЗ НТМК». Диссертационная работа содержит результаты мероприятий 2006-2012 годов, направленных на совершенствование технологии выплавки ванадиевого чугуна с целью повышения производительности доменных печей и снижения рисков, связанных с образованием карбидов титана.
Целью диссертационной работы является научное обоснование и оценка эффективности мероприятий ОАО «ЕВРАЗ НТМК» по оптимизации технологических режимов выплавки ванадиевого чугуна (свойства шихты, кокса, шлака, давление) и конструкции печи, которые оказывают значительное влияние на восстановительные и теплообменные процессы, протекающие в зоне повышенных температур и шлакообразования, с учетом перспективы развития производства и тенденции изменения сырьевых условий.
Научная задача работы заключается в разработке методики анализа проведения титана в доменной печи (с использованием математических расчетов и ЭВМ), которая включает в себя уточненный способ термодинамического и кинетического анализа восстановительных процессов во взаимосвязи с теплообменом между шихтой и газом по высоте нижней зоны печи с учетом ее конструкции и тенденции роста содержания титана в шихтовых материалах.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. выявить доминирующие факторы и их количественное влияние на термодинамику и кинетику реакций восстановления титана из оксида;
2. усовершенствовать модель теплового состояния нижней зоны доменной печи с целью применения ее к анализу влияния свойств шлака, кокса, давления и конструкции печи на процесс карбидообразования;
3. оценить эффективность основных мероприятий по изменению технологических режимов работы существующих доменных печей и проектированию новых печей.
Научная новизна. Разработан новый подход к анализу работы доменных печей выплавляющих чугун из титаномагнетитового сырья, который основан на совместном решении задачи теплообмена и кинетики реакций восстановления титана из оксида.
Усовершенствована модель теплового состояния доменной печи в системе газ-кокс-шлак-чугун.
На основе нового подхода к оценке развития реакций восстановления разработаны алгоритмы решения технологических задач и получены количественные зависимости, учитывающие влияние свойств шихты, шлака, кокса, давления в печи и ее конструкции на процесс карбидообразования.
Практическая значимость. Предложенная методика позволяет решать широкий круг технологических задач, возникающих при переработке титаномагнетитового сырья в существующих доменных печах и определить рациональный профиль новых доменных печей, что дает возможность устранить проблемы, связанные с карбидообразованием. Методы анализа (математическое моделирование с использованием производственных данных и построение графических зависимостей) влияния профиля печи на нагрев продуктов плавки могут быть использованы при реконструкции доменных печей выплавляющих чугун из классических руд.
На защиту выносятся:
1. Математическое описание проведения титана в доменной печи во взаимосвязи с теплообменом между шихтой и газом по высоте нижней зоны печи с учетом ее конструкции.
2. Результаты оценки влияния свойств шлака, кокса, давления и конструкции печи на тепловое состояние нижней зоны доменной печи, термодинамику и кинетику реакций образования кремния и карбида титана;
3. Методы анализа поведения титана в доменной печи и предполагаемые результаты их реализации в промышленных условиях с целью снижения рисков, связанных с карбидообразованием.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции, посвященной улучшению качества транспортного металла, 4-6 декабря 2007, Нижний Тагил, Россия; Третьей международной конференции «Трансмет-2007» «Современные технологии производства транспортного металла», ноябрь 2008, Екатеринбург, Россия; Международной научно-практической конференции «Повышение качества образования и научных исследований» в рамках VII Сатпаевских чтений, 10-12 апреля 2008, Экибастуз, Россия; Восьмой научно-практической конференции «Новые перспективные материалы, оборудование и технологии для их получения» и Шестой научно-практической конференции «Современные технологии в области производства и обработки цветных металлов», 10-13 ноября 2009, Москва, Россия; Международной научно-практической конференции, 18¬21 сентября 2012, Екатеринбург, Россия; Technological solutions’ for intensive production of low silicon hot metal in blast furnace processing vanadium containing titania-magnetite, Technical contribution to the 6th International Congress on the Since and Technology of ironmaking - ICSTI, 42nd International Meeting on ironmaking and 13th International Symposium on iron Ore, October 14th to 18th , 2012, Rio de Janeiro, RJ, Brazil.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 127 страницах машинописного текста, включая 70 рисунков, 7 таблиц, 74 формулы и состоит из введения, 3 глав, заключения, библиографического списка из 89 источников отечественных и зарубежных авторов.
Плавка на высокотитанистой шихте — одна из самых трудных в практике доменного производства, т.к. наряду с компактными массами чугуна и шлака в печи образуются малоподвижные конгломераты из коксовой мелочи, металла, шлака и карбонитридов. В связи с этим ухудшается фильтрация расплавов, увеличиваются потери металла, возрастает перепад давления газа в нижней части печи и снижается ее производительность. В условиях доменной плавки на ОАО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» (ОАО «ЕВРАЗ НТМК») содержание оксида титана в шихте составляет 48 —50 кг на 1 т чугуна, что почти в два раза превосходит максимально допустимое количество титана в шихте на металлургических заводах других стран, например Японии. В перспективе содержание титана в шихте будет расти (разработка Качканарского месторождения).
Значительный объем исследований в области комплексной переработки титаномагнетитовых руд выполняли и выполняют ИМЕТ УрО РАН, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, ЦНИИчермет им. И.П. Бардина. Данные исследования показали, что основная сложность выплавки ванадиевого чугуна связана с наличием титана в шихтовых материалах, который в условиях доменной печи восстанавливается до карбидов и карбонитридов, которые имеют высокую температуру плавления. Существенный вклад в разработке теоретических основ и решении проблем, связанных с извлечением ванадия и титана, внесен Уральским институтом металлов (УИМ). Институт занимается этими вопросами с 1954 года совместно с научными лабораториями ОАО «ЕВРАЗ НТМК» и в течение многих лет является ведущей организацией в черной металлургии нашей страны по данному направлению.
В 2005-2006 годах была проведена реконструкция доменных печей ОАО «ЕВРАЗ НТМК». Диссертационная работа содержит результаты мероприятий 2006-2012 годов, направленных на совершенствование технологии выплавки ванадиевого чугуна с целью повышения производительности доменных печей и снижения рисков, связанных с образованием карбидов титана.
Целью диссертационной работы является научное обоснование и оценка эффективности мероприятий ОАО «ЕВРАЗ НТМК» по оптимизации технологических режимов выплавки ванадиевого чугуна (свойства шихты, кокса, шлака, давление) и конструкции печи, которые оказывают значительное влияние на восстановительные и теплообменные процессы, протекающие в зоне повышенных температур и шлакообразования, с учетом перспективы развития производства и тенденции изменения сырьевых условий.
Научная задача работы заключается в разработке методики анализа проведения титана в доменной печи (с использованием математических расчетов и ЭВМ), которая включает в себя уточненный способ термодинамического и кинетического анализа восстановительных процессов во взаимосвязи с теплообменом между шихтой и газом по высоте нижней зоны печи с учетом ее конструкции и тенденции роста содержания титана в шихтовых материалах.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. выявить доминирующие факторы и их количественное влияние на термодинамику и кинетику реакций восстановления титана из оксида;
2. усовершенствовать модель теплового состояния нижней зоны доменной печи с целью применения ее к анализу влияния свойств шлака, кокса, давления и конструкции печи на процесс карбидообразования;
3. оценить эффективность основных мероприятий по изменению технологических режимов работы существующих доменных печей и проектированию новых печей.
Научная новизна. Разработан новый подход к анализу работы доменных печей выплавляющих чугун из титаномагнетитового сырья, который основан на совместном решении задачи теплообмена и кинетики реакций восстановления титана из оксида.
Усовершенствована модель теплового состояния доменной печи в системе газ-кокс-шлак-чугун.
На основе нового подхода к оценке развития реакций восстановления разработаны алгоритмы решения технологических задач и получены количественные зависимости, учитывающие влияние свойств шихты, шлака, кокса, давления в печи и ее конструкции на процесс карбидообразования.
Практическая значимость. Предложенная методика позволяет решать широкий круг технологических задач, возникающих при переработке титаномагнетитового сырья в существующих доменных печах и определить рациональный профиль новых доменных печей, что дает возможность устранить проблемы, связанные с карбидообразованием. Методы анализа (математическое моделирование с использованием производственных данных и построение графических зависимостей) влияния профиля печи на нагрев продуктов плавки могут быть использованы при реконструкции доменных печей выплавляющих чугун из классических руд.
На защиту выносятся:
1. Математическое описание проведения титана в доменной печи во взаимосвязи с теплообменом между шихтой и газом по высоте нижней зоны печи с учетом ее конструкции.
2. Результаты оценки влияния свойств шлака, кокса, давления и конструкции печи на тепловое состояние нижней зоны доменной печи, термодинамику и кинетику реакций образования кремния и карбида титана;
3. Методы анализа поведения титана в доменной печи и предполагаемые результаты их реализации в промышленных условиях с целью снижения рисков, связанных с карбидообразованием.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции, посвященной улучшению качества транспортного металла, 4-6 декабря 2007, Нижний Тагил, Россия; Третьей международной конференции «Трансмет-2007» «Современные технологии производства транспортного металла», ноябрь 2008, Екатеринбург, Россия; Международной научно-практической конференции «Повышение качества образования и научных исследований» в рамках VII Сатпаевских чтений, 10-12 апреля 2008, Экибастуз, Россия; Восьмой научно-практической конференции «Новые перспективные материалы, оборудование и технологии для их получения» и Шестой научно-практической конференции «Современные технологии в области производства и обработки цветных металлов», 10-13 ноября 2009, Москва, Россия; Международной научно-практической конференции, 18¬21 сентября 2012, Екатеринбург, Россия; Technological solutions’ for intensive production of low silicon hot metal in blast furnace processing vanadium containing titania-magnetite, Technical contribution to the 6th International Congress on the Since and Technology of ironmaking - ICSTI, 42nd International Meeting on ironmaking and 13th International Symposium on iron Ore, October 14th to 18th , 2012, Rio de Janeiro, RJ, Brazil.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 127 страницах машинописного текста, включая 70 рисунков, 7 таблиц, 74 формулы и состоит из введения, 3 глав, заключения, библиографического списка из 89 источников отечественных и зарубежных авторов.
Диссертационная работа посвящена изучению особенностей поведения титана в доменной печи при выплавке чугуна из титаномагнетитового сырья путем совместного решения задач теплообмена и кинетики реакций восстановления титана и кремния из оксидов.
Выполненный анализ физико-химических процессов, протекающих при доменной плавке ванадийсодержащего титаномагнетитового сырья, позволил сформулировать следующие выводы:
1. Установлено, что доминирующим фактором в процессе карбидообразования является время пребывания оксидного расплава в области высоких температур.
2. Разработана новая методика оценки влияния технологических факторов и конструкции печи на время пребывания расплава в области высоких температур.
3. Разработана математическая модель тепло- и массообмена в нижней зоне доменной печи, которая позволяет количественно оценить влияние технологических режимов доменной плавки и конструкционных особенностей печи на процессы восстановления.
4. Показано, что давление в доменной печи позволяет не только сместить равновесие реакций восстановления, но и увеличить интенсивность плавки, сократить время пребывания расплава в области высоких температур.
5. Установлено, что качество кокса, которое определяется его горячей прочностью является одним из основных факторов, обеспечивающих высокоэффективную работу доменной печи. Показано, что при увеличении горячей прочности кокса существенно снижается время пребывания расплава в нижней зоне доменной печи, уменьшается прогрев шлака и кокса, что позволяет снизить содержание кремния и, соответственно, титана в чугуне, уменьшить вероятность образования карбидных фаз.
6. С использованием разработанной модели показано, что конструкция горна доменной печи и угол наклона заплечиков оказывает существенное влияние на развитие теплообмена и физико-химических процессов, что позволяет сформировать научных подход к выбору профиля печи.
7. Увеличение давления в доменной печи и горячей прочности кокса, повышение основности шлака, уменьшение угла наклона заплечиков печи позволяют сократить протяженность зоны восстановления титана, а, следовательно, и время пребывания оксидного расплава в области высоких температур, уменьшить вероятность образования карбидных фаз.
Полученные количественные зависимости между технологическими режимами доменной плавки, конструкционными параметрами печи и развитием процессов восстановления кремния и титана из оксидов могут быть использованы как при проектировании новых доменных печей, так и при переводе существующих доменных печей на работу с повышенным содержанием оксида титана в шихтовых материалах.
Выполненный анализ физико-химических процессов, протекающих при доменной плавке ванадийсодержащего титаномагнетитового сырья, позволил сформулировать следующие выводы:
1. Установлено, что доминирующим фактором в процессе карбидообразования является время пребывания оксидного расплава в области высоких температур.
2. Разработана новая методика оценки влияния технологических факторов и конструкции печи на время пребывания расплава в области высоких температур.
3. Разработана математическая модель тепло- и массообмена в нижней зоне доменной печи, которая позволяет количественно оценить влияние технологических режимов доменной плавки и конструкционных особенностей печи на процессы восстановления.
4. Показано, что давление в доменной печи позволяет не только сместить равновесие реакций восстановления, но и увеличить интенсивность плавки, сократить время пребывания расплава в области высоких температур.
5. Установлено, что качество кокса, которое определяется его горячей прочностью является одним из основных факторов, обеспечивающих высокоэффективную работу доменной печи. Показано, что при увеличении горячей прочности кокса существенно снижается время пребывания расплава в нижней зоне доменной печи, уменьшается прогрев шлака и кокса, что позволяет снизить содержание кремния и, соответственно, титана в чугуне, уменьшить вероятность образования карбидных фаз.
6. С использованием разработанной модели показано, что конструкция горна доменной печи и угол наклона заплечиков оказывает существенное влияние на развитие теплообмена и физико-химических процессов, что позволяет сформировать научных подход к выбору профиля печи.
7. Увеличение давления в доменной печи и горячей прочности кокса, повышение основности шлака, уменьшение угла наклона заплечиков печи позволяют сократить протяженность зоны восстановления титана, а, следовательно, и время пребывания оксидного расплава в области высоких температур, уменьшить вероятность образования карбидных фаз.
Полученные количественные зависимости между технологическими режимами доменной плавки, конструкционными параметрами печи и развитием процессов восстановления кремния и титана из оксидов могут быть использованы как при проектировании новых доменных печей, так и при переводе существующих доменных печей на работу с повышенным содержанием оксида титана в шихтовых материалах.
Подобные работы
- ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГО-ПАРНИКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОКСОВЫХ И БЕСКОКСОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ ЧУГУНА И СТАЛИ
Диссертации (РГБ), металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 4355 р. Год сдачи: 2016