Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ЧОРНОЇ МЕТАЛУРГІЇ ІМ. З.І. НЕКРАСОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

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

ОТОРВІН Павло Іванович

Дніпропетровськ - 2006

АНОТАЦІЯ

Оторвін П.І. Вибір складу шихти, який забезпечує раціональний розвиток процесів шлакоутворення при виплавці чавуну. - Рукопис.

Для багатокритерійної оптимізації шлакового режиму в умовах роботи доменних печей заводів України обгрунтовано використання (підтверджене патентом України) взаємозв'язаних співвідношень CaO/SiO2 та Al2O3/MgO кінцевого шлаку.

Виконана оцінка впливу використаних промивальних матеріалів і відходів на властивості одержаних розплавів. Обгрунтован допустимий діапазон їх складу в проплавляємій шихті. Запропоновані ефективні способи формування шихтових матеріалів (“промивок”), що мають високий ступінь акумуляції ними лужних сполук, із залученням у виробництво вторинних ресурсів. Вперше одержані прогнозні рівняння в'язкості і температури кристалізації беззалізних і залізовмісних шлакових розплавів, що містять луги. Виконана ранжировка промивальних матеріалів по ступеню їх агресивності до футерування печі при попаданні на периферію.

Ключові слова: шихта, чавун, шлак, властивості залізовмісних і шлакових розплавів, промивальні суміші, лужні сполуки.

АННОТАЦИЯ

Оторвин П.И. Выбор состава шихты, обеспечивающего рациональное развитие процессов шлакообразования при выплавке чугуна. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - “Металлургия черных металлов”. - Институт черной металлургии им. З.И. Некрасова НАН Украины, г. Днепропетровск, 2006.

Диссертационная работа посвящена актуальным вопросам разработки и внедрения в производство новых подходов к оптимизации состава шихты, обеспечивающего установление рационального шлакового режима и выплавку чугуна требуемого качества. Существенная колеблемость химического состава компонентов шихты и увеличение их разновидностей обусловили исследования в направлении выбора и обоснования интегральных критериев, позволяющих оценивать качество шихты, состав и свойства продуктов плавки.

На основе теории физико-химического моделирования металлургических расплавов, разработанной Э.В. Приходько, в работе развита методика прогнозирования свойств железорудных материалов, состава и свойств первичных шлаков. Разработаны модели для прогнозирования основных свойств конечного шлака: вязкости, поверхностного натяжения, температур плавления, энтальпии при температуре хорошей текучести шлака, которые положены в основу автоматизированной системы “Шлак”, функционирующей в системах АСУТП ДП комбината “Криворожсталь”.

Для многокритериальной оптимизации шлакового режима в условиях работы доменных печей заводов Украины обосновано использование (подтвержденное авторским свидетельством) взаимосвязанных соотношений CaO/SiO2 и Al2O3/MgO конечного шлака. Установлены их оптимальные пределы для условий ДП №5, 9 ОАО “Криворожсталь”, обеспечивающие выплавку чугуна с содержанием серы до 0,03% и кремния до 0,9%.

Развита методика оценки влияния комплексных критериев шихты и дутьевого режима плавки на процессы межфазного распределения элементов между чугуном и шлаком. Адаптированы алгоритмы и программы системы “Прогноз”, позволяющие корректировать состав шихты, обеспечивающий требуемое качество продуктов плавки в условиях ОАО “Криворожсталь”.

Выполнена оценка влияния используемых промывочных материалов и отходов на свойства получаемых расплавов, обоснован допустимый диапазон их содержания в проплавляемой шихте. Показана целесообразность применения отходов ферросплавного производства (МОЖ) для промывки горна.

Предложены эффективные способы формирования шихтовых материалов (“промывок”), обладающих высокой степенью аккумуляции ими щелочных соединений, с вовлечением в производство вторичных ресурсов. Впервые получены прогнозные уравнения для расчета вязкости и температуры кристаллизации безжелезистых и железосодержащих шлаковых расплавов, содержащих щелочи, позволяющие прогнозировать поведение оксидных расплавов в различных зонах по высоте печи. Разработаны мероприятия с использованием промывочных смесей в сочетании с повышением окислительного потенциала дутьевого потока при сокращении подачи в фурмы топливно-восстановительных добавок. Выполнена ранжировка промывочных материалов по степени их агрессивности к футеровке печи при попадании на периферию.

Ключевые слова: шихта, чугун, шлак, свойства железоуглеродистых и шлаковых расплавов, промывочные смеси, щелочные соединения.

THE SUMMARY

oTORVIN p.I. A сhoice of а charge composition, securing а rational development of slag formation processes at cast-iron melting. - Manuscript.

A dissertation on a competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on a speciality 05.16.02 - “Metallurgy of ferrous metals”. - Iron and Steel Institute by Z.I. Nekrasov NAS of Ukraine, Dnipropetrovs'k, 2006.

The dissertation work is devoted to the actual questions of development and introduction in production of new approaches to the charge composition optimization, which secures the rational slag mode and melting of cast-iron of the required quality.

On the basis of the theory of physical and chemical design of metallurgical fusions, in the dissertation work is developed a method of a forecasting of ferrous materials properties, composition and properties of primary and final slags, which are fixed in the basis of the automated system “SLAG”, functioning in the systems of “Krivoroghstal” blast furnaces.

For the multicriterial optimization of the slag mode in the conditions of blast furnaces work of factories of Ukraine there was grounded an application (confirmed by the copyright certificate) of the associate correlations CaO/SiO₂ and Al₂O₃/MgO of final slag. Their optimum limits are set for the conditions of blast furnaces of “Krivoroghstal”, they secure melting of cast-iron with the maintenance of sulphur about 0,03% and silicon about 0,9%.

In dissertation work is developed a method of estimation of influencing of complex criteria of charge and flowing mode of on the processes of the inter-phase distributing of elements between cast-iron and slag. Algorithms and programs of the system “Prognosis” are adapted, allowing to correct composition of the charge, which secure the required quality of melting products in the “Krivoroghstal”.

Are executed an estimation of influencing of the used flushing materials and wastes on the properties of the got fusions, is grounded a possible range of their composition in the melted charge. Are offered an effective methods of flushing charge formation, possessing a high degree of accumulation by them alkaline halving, with the involving in production of the second resources. First are got the prognosis equalizations of viscosity and the temperature of crystallization of non-ferrous and ferrous slag fusions, containing alkalis. Is executed a classifying of the flushing materials on the degree of their aggressiveness.

Keywords: charge, cast-iron, slag, properties of ferrous-carbon and slag fusions, flushing mixtures, alkaline compounds.

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; шлакоутворення розплав шихта

- 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 1300^оС. 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 розріджуючого впливу оксидів лужних металів від складу шлаку і розроблені прогнозні 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 L_фз.

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 консультаційній допомозі наукового керівника та Можаренко М.М. В публікаціях в співавторстві [1-3, 9, 11, 14, 15] претенденту належить встановлення закономірностей 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 інтервалу плавлення, поверхневого натягу, тепловмісту, сіркопоглинаючої здібності) на хід доменного процесу. Обгрунтовані оптимальні величини властивостей, забезпечуючі ефективне функціонування технологічного 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; Fe_общ - 47,3-62,43 і властивостей: Т_нф - 1245-1475^ОС; Т_мф - 1400-1500 ^ОС; FeO_пш - 6,02-73,57, де Т_нф - температура початку фільтрації; Т_мф - 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 (Т_Л, ⁰С) і кінця кристалізації (Т_С, ⁰С), залежності яких від фізико-хімічних параметрів їх структури е, та температури Т представлені на рис.1.

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 співвідношення 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.

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 С_S=14-20; реальну температуру шлаку на випуску не менш 1450⁰С при температурі кінця кристалізації не більш Т_С=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 (L_Е), відправним постулатом якої є їх залежність від конкретних шихтових і технологічних умов.

Як критерії, що характеризують властивості шихтових матеріалів, використовуються параметри і e, які визначають активність і спрямованість перехідних процесів перерозподілу елементів, а як технологічні показники - основні параметри роботи печі. Прогнозні моделі коефіцієнтів розподілу сірки, кремнію, марганцю, заліза залежать від показників складу шихти (F_Ш) і технології (F_Т): L_Е=f (F_Ш; F_Т), 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 L_фз - разом з традиційним - теоретичною температурою горіння Т_Т - 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 L_Е = f (, e, Р/К, _СО, Т_т, L_фз), 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.

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.

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”

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 технологічний 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, фізичних характеристик шихтових матеріалів і використання спеціально сформованих 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 рекомендувати 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 гетерогенності, що дозволило прогнозувати процеси їх дренажу в реальних умовах роботи доменних печей. Відпрацьовано варіанти промивальних сумішей, які дозволяють розмивати сильно “засмічені” ділянки печі або заплавлені гарнісажеутворюючими 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; неофлюсовані 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:

- 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 властивостей 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 високосортного (S<0,035%) чавуну забезпечується в “інтервалах якості” по ? = 0,708-0,718 то ?e = (-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 L_фз - 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 ефективність 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.