Теория и технология новых видов металлургического топлива и восстановителей на основе непрерывного процесса коксования

Решениями ХХУ1 съезда КПСС / I / актуальными и важными задачами для народного хозяйства признаны вопросы комплексного и рационального использования природных ресурсов. Остается в силе необходимость «при решении вопросов технического совершенствования производства предусмотреть: по технологии — широкое внедрение прогрессивных, особенно непрерывных, технологических процессов. указанная в директивах ХХ1У съезда КПСС / 2 /.

Состояние энергетического баланса и прогноз потребления горючих ископаемых делают проблематичным разработку и развитие процессов. основанных на восстановлении руд конвертированным природным газом. H.H. Семенов / 3 / подчеркивает необходимость развития энергетики промышленности на базе угля, считая, что другого пути нет.

В период времени, доступный перспективному планированию развития промышленных процессов, доменное производство останется основой развития черной металлургии и будет определять повышенный и устойчивый спрос на кокс. Одновременно подчеркивается, что повышение технического уровня и постоянный рост производства, качество кокса для которых должно отличаться от требований доменного процесса, вызывает острую необходимость развития специального производства недоменного кокса.

Характерной особенностью работ / 8 — 10 / .рассматривающих перспективы развития доменного производства «является единство выводов, что это развитие и, более того, сам факт существования доменных печей, будет зависеть от быстрого и эффективного перехода их на работу с формованным коксом.

Убедительно показана / П-13 / необходимость перехода на новую технологию производства топлива и восстановителей для недоменных процессов.

Такое положение вызвано принципиальными недостатками существующей технологии слоевого коксования, использующей дефицитные и дорогие марки каменных углей, запасы которых ограничены или уже выработаны на высоких горизонтах. Слоевый процесс коксования не позволяет в полной мере решить задачи, стоящие перед технологией коксования в будущем / 6 /. Во многих странах интенсивно ведется поиск новых методов коксования. Основным направлением в этой области является разработка технологии непрерывного коксования с получением формованного кокса и при одинаковой цели в различных странах выбраны разные пути ее осуществления / 14−16 /.

В нашей стране проведен большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке и освоению непрерывного процесса получения формованного кокса из газовых и слабоспекающихся углей, предложенного Л. М. Сапожниковым.Промышленное внедрение нового процесса коксования представляет технически революционное явление в области технологии переработки каменных углей для металлургии. Этот процесс заложен в проект коксохимического завода будущего / 17 /. В XI пятилетке на Баглейском КХЗ намечено строительство первой в СССР опытно-промышленной установки формованного кокса.

Л.М.Сапожников / 18, 19 /.формулируя основные принципы нового способа коксования. подчеркивал его основную задачу в получении кокса и для других потребителей, а также существенного улучшения условий. труда и окружающей среды / 20 /.Такой подход отражает современные требования к технологии коксования будущего и эти новые задачи играют вое большую роль при оценке перспективь внедрения новых процессов.

Наиболее высокие показатели металлургического производства достигаются в результате совмещения эффектов от подготовки сырых материалов, технологического топлива и восстановителя, а также совершенствования конструкций агрегатов и технологии плавки.

Согласно теории металлургических процессов в технологии новых видов сырых материалов необходимо осуществить ряд принципов / 21 / :

— применить дисперсные руды и уголь для облегчения восстановления окислов руд — окусковывать смеси реагентов с сохранением или увеличением их реакционной поверхности ;

— процесс должен быть организован на принципе «восстановление — плавление.

Существующие способы окускования руд (агломерация, грануляция) не выполняют этих принципов. Для реализации такой научной идеи было предложено ряд способов, основанных на окусковании руд совместно с восстановителем. Получаемые материалы носят различные названия (железококс, рудококс. топливно-плавильные материалы, моношихта и др.) и характеризуются рудно-углеродистой структурой, обеспечивающей интенсификацию восстановительных процессов.

Совместное нагревание различных руд и восстановителей на стадии их получения или непосредственно в металлургическом агрегате характеризуется рядом закономерностей, отражающий химические, фйзические и физико-химические стороны взаимодействия этих веществ. Недооценка особенностей этих взаимодействий часто приводит к существенному ухудшению свойств рудно-углеродистых материалов и снижению их ценности как металлургического сырья. При этом часто наблюдаются попытки снизить различные стороны той функциональной роли, которую кокс выполняет в конкретном металлургическом процессе.

Автор диссертации, понимая актуальность и важность реализации научной идеи по созданию высококачественного металлургического сырьевого материала для резкой интенсификации восстановительных процессов, поставил целью разработать научные основы и технологию формованных рудно-углеродистых материалов (ФРУМ) на основе непрерывной технологии коксования.

В качестве рабочей гипотезы было принято положение, согласно которому при совместном нагревании рудно-угольной смеси, на различных этапах их термической переработки, взаимодействия между углеродной и рудной составляющими будут протекать по различному механизму, а стадийное проведение процесса предопределяет возможность активного влияния на этот механизм.

Решение поставленной задачи вызвало необходимость рассмотрения перспектив развития технологии основных потребителей кокса и на этом фоне проследить возможные изменения в будущем его функциональной роли.

Важными факторами. определяющими возможности новых методов подготовки сырья как средства повышения эффективности металлургических процессов. являются состояние — и перспективы развития рудной и угольной сырьевой базы. Актуальность работы в этом направлении не исчерпывается применением менее дефицитных углей и более бедных руд, но и возможностью организации металлургического производства на местной сырьевой базе, решая таким образом проблему комплексного и рационального использования природных ресурсов.

Приняв в качестве базовой технологию формованного кокса, автор посчитал необходимым провести анализ комплекса исследований, выполненных сотрудниками ИГИ, УХИН, ВУХИН и др. «которые внесли большой вклад в разработку теоретических основ новой технологии коксования.

Полученные автором результаты теоретических и экспериментальных исследований, выявляющих различные стороны взаимодействия угольных и рудных компонентов на разных стадиях непрерывного процесса получения ФРУМ, можно считать научным вкладом в развитие теоретических основ новой технологии коксования.

Результаты исследований по разработке технологии ФРУМ не ограничились лабораторными масштабами, а были продолжены на полузаводской (стендовой) установке непрерывного коксования в цехе опытного коксования Московского коксогазового завода с получением нескольких опытных партий ФРУМ.

В диссертации приведены результаты комплекса исследований по выявлению отличительных свойств новых видов металлургического топлива и восстановителей — формованного кокса и ФРУМ, дан научный прогноз их поведения в различных металлургических процессах.

Высокая интенсивность протекания восстановительных процессов, характерная для ФРУМ, привела к повышению степени извлечения основных компонентов в металл, в сравнении с существующей технологией, марганца и кремния соответственно на 26,4 и 47,2%.

Логичным завершением работы стали исследования, проведенные с участием автора по поведению формованного кокса в доменных и ферросплавных промышленных печах, а ФРУМ — в опытно-промышленных ферросплавных, позволившие выявить эффективность применения новых видов металлургического топлива и восстановителей.

Положительные результаты опытных плавок при использовании в качестве нового вида технологического сырья (ФРУМ) цри выплавке силикомарганца послужило основанием для ГИПРОСТАЛЬ рекомендовать технологию ФРУМ как наиболее перспективную для ферросплавных заводов в будущем. Экономическая эффективность от использования ФРУМ при выплавке 1,0 млн. т. силикомарганца составляет около 15 млн руб.

Результаты промышленных испытаний формованного кокса в доменных печах служат одним из существенных положительных факторов при решении проблемы получения высококачественного металлургического кокса из газовых и слабоспекащихся углей.

Признание ГИПРОСТАЛЬ практической ценности полученных автором результатов исследований позволили считать, что поставленные задачи по получению нового вида технологического сырья (ФРУМ) достигнуты, они решают эту важную народно-хозяйственную проблему и требуют дальнейшего развития в опытно-промышленном и промышленном масштабе.

Автор диссертации вносит на защиту:

— теоретическое и экспериментальное доказательство возможности отечественной непрерывной технологии коксования служит основой для получения новых видов металлургического сырья (ФРУМ) с целью реализации принципов современной теории металлургических процессов;

— теоретические основы технологии ФРУМ и новую технологию получения технологического сырья для различных металлургических процессов;

— выявленные особенности свойств новых видов металлургического топлива (формованного кокса и ФРУМ) и научный прогноз их поведения в различных металлургических процессах;

— исследования поведения новых видов металлургического топлива и восстановителей (формованного кокса и ФРУМ) в опытных и промышленных доменных и ферросплавных печах с определением эффективности их использования.

Представляя диссертационную работу, автор считает обязательным отметить, что большое влияние на развитие работ по созданию.

4 ж. научных основ и технологии ФРУМ оказал член-корреспондент АН СССР Л. М. Сапожников, осуществив первые опыты в этой области.

Большая помощь была оказана автору его первым научным руководителем профессором «доктором технических наук А. С. Бруком.

Автор имеет благоприятную возможность консультироваться и сотрудничать в области получения и, особенно, при оценке металлургических свойств новых видов топлива и восстановителей с академиком АН УССР З. И. Некрасовым.

Автор искренне благодарит своих коллег за их большой труд при проведении совокупности исследований, обобщенных в диссертации.

Выводы:

I.Показана высокая экономическая эффективность от использования новых видов металлургического топлива и восстановителей формованного кокса и ФРУМ — в доменном и ферросплавном производстве.

2. Экономическая эффективность от использования формованного.

4 ч V кокса в доменном процессе только за счет его достигнутой во время плавок экономии составляет свыше 300 тыс. руб. на I млн. т чугуна.

3. Экономическая эффективность от использования ФРУМ обусловлена высокой степенью извлечения ведущих компонентов в сплав, что позволяет рационально использовать природные ресурсы руд и в перспективе создать безотвальное ферросплавное производство.

4. Экономическая эффективность от использования ФРУМ при выплавке 1,0 млн. т силикомарганца ожидается около 15 млн руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Актуальность проблемы обеспечения металлургии высококачественным топливом и восстановителем оцределяется постоянным ростом мощности агрегатов. совершенствованийтехнологии и интенсификации процессов плавки. Поэтому важнейшей научной и практической задачей настоящего исследования явилась разработка теоретических основ и технологии новых видов металлургического топлива и восстановителей. позволяющих резко интенсифицировать восстановительные процессы.

Для получения таких материалов теоретичесш и экспериментально обоснована необходимость применения газовых углей тонкодисперсных рудных концентратов, а создание рудно-углеродис-той структуры, обеспечивающей интенсификацию процессов восстановления, предложено осуществить на базе отечественной непрерывной технологии коксования с получением формованных рудно-угле-родистых материалов (ФРУМ).

Показано, что базовый процесс, осуществляемый по стадиям и представляющий собой наиболее активную форму реализации технологических превращений угля в кокс. позволил вскрыть особенности и экспериментально обосновать пуги управления процессом взаимодействия рудного и угольного компонентов на различных этапах их совместного коксования .В целом, он послужил плодотворной основой для реализации принятых автором положений ра~ бочей гипотезы.

В результате теоретических и экспериментальных исследований получены новые научные данные, вскрывающие особенности взаимо ———;

Ц действия угольных и рудных компонентов в процессе получения ФРУШ. 9.

Представлено теоретическое обоснование и экспериментальное доказательство интенсификации быстрого нагрева при совместном нагревании угольных и рудных компонентов.

Показано, что наличие рудного компонента не изменяет характера процесса уплотнения под давлением термически подготовленной рудно-угольной смеси, а отражается на количественной характеристике возникающей деформации. Рудно-углеродистые формовки имеют структуру, характерную для базового процесса.

Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что наличие рудного компонента позволяет интенсифицировать протекание стадии спекания и прокаливания. Предложена формула для расчета времени, необходимого для достижения конечной температуры нагрева ФРУМ. Установлено, что увеличение содержания рудного компонента приводит к повышению скорости термической обработки рудно-углеродистых формовок.

Показано, что уровень конечной температуры тепловой обработки ФРУМ тесно связан с нарастанием восстановительных процессов внутри изделий между углеродом и рудным компонентом и должен определяться с учетом конкретной:' технологии металлургического передела. При температурах тепловой обработки ФРУМ ниже 650 °C протекают процессы конверсии углеродов с выделением больших количеств водорода и метана.

Доказано, что условия серовыделения в процессе получения ФРУМ более благоприятны, в сравнении с железококсом слоевого коксования.

Комплекс исследований позволил разработать теоретические основы и новую технологию получения ФРУМ для различных металлургических процессов.

Технология ФРУМ освоена в полупромышленном масштабе на * установке МКГЗ с получением ряда опытных партий. Выявлены особенности работы вихревых камер при скоростном нагреве, шнека-выдерживания, шнек-пресса и печей окислительного пиролиза при получении ФРУМ. Показано, что для ФРУМ. содержащих не менее 50% [ угля, тепловые режимы работы печи окислительного пирола являются устойчивыми. При большем содержании рудного компонента необходимо в печь подавать дополнительное количество газа для сжигания.

После отладки технологических параметров установка МКГЗ работала устойчиво в непрерывном режиме в течении 3−5 суток, в зависимости от величины получаемых опытных партий.

Впервые выявлены отличительные свойства новых видов металлургического топлива и восстановителей (формованного кокса и ФРУМ) и дан научный прогноз поведения их в различных металлургических процессах.

Насыпная масс формованного кокса и ФРУМ характеризуется высокой однородностью по размерам кусков, более плотной укладкой и большей объемной массой. Газодинамические показатели ее сравнимы с показателями слоевого кокса узкого класса крупности, с наличием высокой стабильности при наложении разрушающих усилий. Особенностью насыпных масс формованного кокса и ФРУМ являются их высокая устойчивость к дробящим усилиям и истирание кусков по поверхности с образованием, в основном, пылеватого класса.

Макроструктура кусков имеет безтрещиноватое, однородное и мелкопористое строение с высокими показателями реакционной способности, УЭС и термостойкости. Микротвердость углеродной матрицы имеет более высокие показатели, чем у слоевого кокса.

Наличие в составе ФРУМ больших количеств рудного компонента приводит к увеличению насыпной массы до 823−1062кг/м3,а цилиндрическая форма изделий к появлению на первых этапах разрушения в барабане (25 оборотов) «стадии стабилизации» .Остаток в барабане Сундгрена составил 323−329 кг для составов ФРУМ, содержащих до 60 $ ЖРК. Показатель М25 (расчетный) составляет 69,6 — 83,4%, При испытании в малом стандартном барабане показатель М10 = 17,6 — 27,6%.

Микроструктура ФРУМ характеризуется равномерным распределением рудных компонентов в углеродной матрице, с хорошо сцементированными и плотно обволоченными рудными зернами. Обнаружен редкий случай одновременного присутствия нескольких разновидностей вюстита, металлическое железо наблюдается уже при 750−800°С.

Впервые рентгеновским микрозондированием выявлено распределение серы в основных компонентах ФРУМ, показывающие удаление 42,8 $ серы.

Установлено, что термическая устойчивость ФРУМ под нагрузи кой определяется соотношением С/Р. При соотношении ОЭ — 0,7 они ведут себя как кокс, более низкое приводит к интенсивному разупрочнению структуры за счет быстрого расхода углерода на восстановление, а затем к появлению жидкого металла. При вторичном нагревании ФРУМ выявлено торможение фронта распределения температур за счет расхода энергии на восстановление при существенном (на 70−80°С) снижении температуры начала процессов восста новления железной руды.

Полное восстановление ФРУМ. содержащих марганцевый концентрат, заканчивается на 160 °C ниже, чем при обычной шихте для выплавки силикомарганца .

Результаты исследований по поведению новых видов металлургического топлива и восстановителей (формованного кокса и ФУРМ) в.

Зг доменных и ферросплавных печах подтвердили научный прогноз о^{высокой} эффективности применения их в металлургических процес.

V. / с — сах. Работа доменных и ферросплавных печей на новых видах металлургического топлива и восстановителей характеризовалась более / высокой производительностью «более низким удельным расходом углерода и электроэнергии, при хороших газодинамических и тепловых условиях проведения плавок .

Показана высокая экономическая эффективность от использован! новых видов металлургического топлива и восстановителей в доменных и ферросплавных печах. Экономическая эффективность от использования ФРУМ обусловлена высокой степенью извлечения ведущих компонентов в сплав, что позволяет рационально использовать природные ресурсы углей и руд.

Экономическая эффективность от использования ФРУМ только при выплавке 1,0млн.т силикомарганца ожидается около 15 млн руб.