Исследование и совершенствование технологии производства агломерата

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

2000р.

Bhtl№10

УДК 622.788.36

Русских В.П.1, Тарасов В.П.2, Кривенко О.В.3

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА АГЛОМЕРАТА

Кратко представлены направления и основные результаты исследований агломерационного процесса, проведенных кафедрой металлургии чугуна в 1982-2000 гг. Приведены наиболее существенные предложения по совершенствованию технологии производства агломерата.

Анализ развития доменного производства за последние десятилетия показывает, что темпы роста единичных мощностей доменных печей, совершенствования технологии выплавки чугуна были значительно выше, чем темпы улучшения показателей агломерационного производства - основного поставщика железорудной составляющей доменной шихты. Это явилось причиной того, что основные показатели качества агломерата не соответствуют требованиям доменного производства. Развитие науки и техники позволяет разрабатывать новые технологии интенсификации аглопроцесса и улучшения качества агломерата, сбережения материальных и энергетических ресурсов и на этой основе вскрываются новые резервы производства и качества готового продукта. Этому направлению и посвящены научные исследования и разработки.

Вместе с тем, существует и другой тип резервов в агломерации - это устранение потерь производства и повышение качества агломерата. Выявление, анализ и устранение причин потерь производства и качества агломерата дали возможность значительного улучшения показателей работы аглофабрик.

Существенное влияние на технико-экономические показатели агломерационного процесса оказывают перебои в поставке, качество усреднения, гранулометрический и химический состав исходных шихтовых материалов. Номенклатура потребляемого сырья: железных и марганцевых руд, концентратов, флюсов, топлива, побочных продуктов металлургического производства включает около 50 наименований. Наблюдается явная тенденция к расширению сырьевых баз аглофабрик. Большое разнообразие, частая смена и неритмичность поставок компонентов аглошихты осложняют учет их приема, контроль за усреднением и наличием запаса, подбор шихты для спекания в агломерат заданных свойств и химического состава.

Для облегчения учета поступления, расхода и остатков шихтовых материалов, распределения их по штабелям на усреднительных складах, определения химического состава усредненной шихты, целенаправленного выбора и оперативной коррекции расходных коэффициентов на аглофабрике ММК им.Ильича разрабатывается и внедряется пакет прикладных сервисных программ [1]. С его помощью решаются задачи определения химического состава шихтовых смесей: железорудной смеси, смеси флюсов, марганецсодержащих материалов и топлива; химического состава агломерата по известным расходным коэффициентам и составам компонентов агломерационной шихты; расхода флюсов для обеспечения заданной основности агломерата; расхода известняка и топлива в агломерационную шихту по заданным основности агломерата и содержанию ГеО; полный расчет аглошихты.

Проведены исследования по определению оптимальной крупности аглоруды применительно к шихтовым условиям аглофабрики комбината им.Ильича. В результате анализа полученных данных установлено, что оптимизация гранулометрического состава железной руды позволяет увеличить выход годного агломерата на 5-5,5 %. Максимальная прочность агломерата наблюдалась при полном исключении из состава руды фракций крупностью более 5 мм. Показана возможность значительного снижения удельного расхода твердого топлива на производ-

1ПГТУ, канд. техн. наук, доц.

2 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.

3 ПГТУ, канд. техн. наук, асс.

ство агломерата, сокращения вредных выбросов в атмосферу оксидов углерода.

Для оптимизации гранулометрического состава агломерационной руды предусмотрен комплекс ее сортировки по крупности и додробления крупных фракций, который включается в существующую технологическую цепь аглофабрики. Существует проблема сортировки аглору-ды по крупности в связи с залипанием классифицирующей поверхности грохота, обусловленной природной влажностью руды. Поэтому были предложены новые конструкции грохотов, исключающие этот недостаток. Наиболее удачной конструкцией обладает грохот с подвижными рабочими элементами, что обеспечивает их самоочищаем ость.

С целью снижения себестоимости агломерата за счет использования более дешевого сырья были проведены исследования спекания аглошихт с заменой марганцевой руды марганцовистыми шлаками Никопольского ферросплавного завода. Сделан вывод о возможности спекания агломерационной шихты с марганцовистым шлаком при условии увеличения расхода топлива на 6 кг/т агломерата или при увеличении высоты спекаемого слоя.

Ранее проведенные исследования закономерностей распределения твердого топлива в массе окомкованной агломерационной шихты и его горения в спекаемом слое выявили, что не менее 50 % твердого топлива попадает внутрь образующихся при окомковании гранул и сгорают в условиях замедленной диффузии кислорода к поверхности горящей частицы топлива. В результате значительно снижается его термическая активность. Часть топлива вообще не сгорает, о чем свидетельствует наличие углерода в агломерате и возврате. Это явление тем заметнее, чем больше доля концентрата в шихте и интенсивнее ее окомкование.

Подача части топлива в конце окомкования агломерационной шихты снижает степень закатывания топлива внутрь гранул, ускоряет его горение, снижает потери тепла за счет меньшего содержания остаточного углерода в агломерате и возврате. Топливо является наименее ком-куемым компонентом. Поэтому вывод его из смеси на начальной стадии процесса окомкования шихты повышает интенсивность образования гранул. Подача топлива на предварительно оком-кованную шихту создает возможность активно влиять на температурный уровень спекаемого слоя, что в значительной степени определяет качество ркускованного сырья. Была разработана и внедрена технология агломерационного процесса с подачей части твердого топлива на предварительно окомкованную шихту на шести агломашинах аглофабрики ММК им.Ильича. Промышленная отработка и освоение новой технологии показали ее высокую эффективность и технологичность.

Эффективность использования топлива (основного источника тепла для спекания, самого дорогого и дефицитного компонента шихты) во многом зависит также от умения направленно воздействовать на его технологическую активность. Особая роль при этом принадлежит гранулометрическому составу топлива. Исследовалось влияние крупности топлива на показатели процесса спекания, сформулированы основные требования к гранулометрическому составу л характеру распределения углерода в шихте. Предложены новые методы и технические средства формирования гранулометрического состава топлива и рационального распределения углерода в гранулах и в слое шихты.

По новой технологической схеме исходное топливо подается из бункера ленточным конвейером через лоток на поверхность вращающегося конуса [2]. На конусе происходит разделение топлива по крупности. Крупные зерна топлива сходят с конуса и попадают в загрузочную воронку четырехвалковой дробилки, а мелкие остаются на поверхности и скребком удаляются с него. Далее, минуя дробилку, мелкая часть топлива направляется на конвейер дробленного топлива. Таким образом, снижается нагрузка на дробилки и возможность переизмельчения твердого топлива.

Применение извести оказывает весьма разностороннее положительное влияние на агломерационный процесс. В аглошихту обычно вводят или гидрат окиси кальция, или активную известь, которая вводится в процессе перемешивания агломерационной шихты, или в штабель железорудных материалов. Благодаря своим вяжущим свойствам гидрат окиси кальция улучшает процесс окомкования шихты и увеличивает прочность сырых комков, которая сохраняется повышенной в зонах переувлажнения, подсушки и интенсивного нагрева, что повышает газопроницаемость слоя шихты при спекании. Положительное действие извести объясняется тем, что она, обожженная или гашенная, обладает способностью впитывать влагу, что уменьшает образование зоны переувлажнения.

Были проведены исследования зависимости показателей процесса спекания и качества агломерата от содержания извести в шихте при подаче топлива в разгрузочный конец барабана-окомкователя на предварительно окомкованную аглошихту.

Перед металлургическими предприятиями полного цикла, имеющими в своем составе йз-вестково-обжиговое производство, неизбежно появляется проблема использования известковой пыли в собственном производстве, поскольку наладить устойчивую ее реализацию на сторону по приемлемым ценам крайне затруднительно. Рациональным решением этой проблемы является использование известковой пыли в качестве полноценной замены известняка в собственном агломерационном производстве.

В результате исследований процесса агломерации с использованием известковой пыли установлено, что как флюсующий материал по своим металлургическим свойствам (флюсующей и реакционной способности,, степени обжига, вяжущим свойствам, чистоте от вредных примесей) она занимает промежуточное место между известняком и известью, а ее дисперсность положительно влияет на качество.агломерата. В связи с этим сделан вывод о целесообразности замены сырого известняка известковой пылью с коэффициентом замены 12 кг известняка на 1 кг известковой пыли при основности агломерата 2,0. Для устранения проблем транспортировки, перегрузок и дозирования, связанных с высокой подвижностью пыли, предложено смешивать ее с влажным шламом, отличающимся низкой подвижностью.

Успешное протекание агломерационного процесса во многом зависит от газопроницаемости слоя аглошихты. Одной из характеристик качества окомкования агломерационной шихты и газопроницаемости спекаемого слоя является порозность слоя, которая в основном определяет затраты энергии на достижение заданных скоростей фильтрации газов. Кроме того, порозность характеризует удельную поверхность теплообмена в слое.

Барабаны-окомкователи являются объектами с распределенными параметрами. Следовательно, для оптимального управления окомкованием агломерационной шихты необходимо применять достаточно сложные математические методы, теорию автоматического управления, приемы оптимизации динамических систем с распределенными параметрами74 Поэтому ЭВМ необходимо использовать как в исследовательской практике, так и в процессе управления окомкованием аглошихты.

Максимальные технико-экономические показатели аглопроцесса невозможны без высокого качества окомкования исходной аглошихты. Один из факторов, обеспечивающих качество окомкования - влажность окомкованной аглошихты. Основная задача окомкования агломерационной шихты - получение оптимальных по крупности гранул с минимальным отклонением от требуемого диаметра. Гранулометрический состав окомкованной аглошихты существенно влияет на порозность слоя. Большинство предлагаемых способов управления по порозности обладают низкими показателями качества управления.

Разработан способ управления окомкованием аглошихты по ее порозности на выходе из барабана-окомкователя на основе комплексной динамической модели 13]. В рассматриваемом способе для регулирования качества окомкования аглошихты используется комплекс технологических параметров аглошихты (влажность, массовый гранулометрический состав, физико-химические свойства исходных материалов и др.). Управление осуществляют путем сравнения результатов моделирования и текущих параметров окомкованной аглошихты с целью получения максимального значения порозности. При этом качество окомкования регулируют соотношением комкующих и комкуемых фракций в аглошихте на входе в барабан-окомкователь и влажностью аглошихты на выходе из него.

Разработанная комплексная динамическая модель процесса окомкования определяет порозность слоя по массовому гранулометрическому составу, физико-химическим свойствам агломерационной шихты на входе в барабан-окомкователь и количеству добавляемой воды на увлажнение. Она содержит: 1) модель определения порозности слоя агломерационной шихты различного фракционного состава путем укладки гранул на поверхность наибольшей из них и разбиения полученного слоя на пирамиды; 2) модель для описания массового и количественного гранулометрических составов многокомпонентных агломерационных шихт с учетом влияния влажности; 3) динамическую модель скорости подачи комкуемых частиц аглошихты к поверхности центров накатывания по длине барабана-окомкователя с учетом текущей и заданной массовой влажности аглошихты на выходе из барабана-окомкователя, текущего объема всех

частиц шихты, общего объема комкуемых частиц и распределения объемов накатываемых ком-куемых частиц и воды пропорционально объемам остальных фракций. При моделировании поведения слоя аглошихты в процессе окомкования формируется элементарный объем разбиения. Дли этадтэ разрабагала методикаопределения количества частиц (гранул) различного диаметра, приходящихся на одну наибольшую из них, на основе массового гранулометрического состава, ..V. Для реализаций способа управления окомкованием аглошихты на основе комплексной динамической модели разработан новый способ определения порочности слоя аглошихты в потоке. Предлагаемый способ основан на измерении объема воздуха в пустотах ее слоя. Агло-

- • - -шнхту -подают непрерывно в измерительную камеру рабочего прибора и смешивают с подаваемым в нее дополнительно контролирующим газом. В результате ссыпания сыпучего лгатериала воздух пустот смешивается с контролирующим газом. При этом, текущая концентрация контролируемой составляющей газа изменится. Концентрации контролируемой составляющей газа в камерах выравнивают. По положению регулирующего органа и на основе градуировочной характеристики прибора рассчитывают порозность слоя аглошихты.

Разработан способ управления окомкованием на основе нового способа определения газопроницаемости слоя окомкованной аглошихты в потоке [4]. В результате предварительных исследований на аглофабрике ММК им.Ильича установлена возможность значительного улучшения качества окомкования, возможность повышения высоты спекаемого слоя и снижения расхода твердого топлива. Для измерения газопроницаемости слоя окомкованную аглошихту непрерывно ссыпают из барабана-окомкователя в загрузочный бункер прибора. В измерительную камеру прибора подают аглошихту и воздух с постоянными расходами. Слой аглошихты в загрузочном бункере препятствует прохождению воздуха наружу. Поэтому при закрытом клапане разгрузочного узла давление в измерительной камере зависит от газопроницаемости слоя.

Проведенные Исследования на аглофабрике ММК им. Ильича показали возможность существенного улучшения технико-экономических показателей работы аглофабрики за счет управления процессом окомкования с использованием разработанных приборов определения газопроницаемости (порозности) слоя окомкованной агломерационной шихты в потоке.

Для определения характеристик слоя окомкованной аглошихты любого гранулометрического состава с учетом его изменения по высоте слоя разработана новая модель газопроницаемости слоя! Модель основана на определении потерь давления газа по высоте сформированного слоя с учетом изменения гранулометрического состава окомкованной аглошихты и свойств газа по высоте. Для определения содержания каждой фракции разработана модель распределения гранулометрического состава окомкованных аглошихт, устанавливающая взаимосвязь массовых гранулометрических составов вверху и внизу слоя с помощью разработанной функции сегрегации аглошихты. Разработана новая модель слоя окомкованной аглошихты, в которой по известному массовому гранулометрическому составу по высоте слоя осуществляется укладка гранул в цилиндрическое тело. Для определения давления газа на различных уровнях аглошихты усовершенствована модель его фильтрации, основанная на уравнении Дарси-Вейсбаха.

Для получения высокой производительности агломерационной машины и высококачественного агломерата при минимальных энергетических затратах на основе модели газопроницаемости слоя аглошихты разработан новый способ оптимизации процесса агломерации. Это достигается регулированием начальной газопроницаемости слоя агломерационной шихты, процессов ее загрузки на агломашину, зажигания и спекания.

Использование технологии агломерации с дроблением спеченного слоя шихты связано с увеличением циркуляционной нагрузки возврата. При этом заметно возрастает значение влияния его гранулометрического состава на показатели процесса спекания. Проведено изучение данного вопроса с применением плана эксперимента "сложных симплексных меток", который позволяет получить модели зависимостей показателей Процесса от содержания в шихте возврата той или иной крупности при различном соотношении его фракций.

Основными недостатками существующей технологии обработки спеченного слоя шихты , являются: недостаточное количество выделяемого возврата (15-18 % при оптимальном его содержании в шихте не ниже 25-30 %), образование большого количества мелочи непосредственно при загрузке агломерата в вагоны (содержание фракций -5мм в маршрутном агломерате составляет 14-18 %), низкая стойкость вибрационных грохотов. •"А

В результате технических проработок совершенствования узла обработки агломерата, с

целью устранения перечисленных недостатков, предложена новая технология, исключающая стационарный и вибрационный грохоты, стабилизирующая гранулометрический состав и меха-ническую прочность агломерата, увеличивающая выход возврата, позволяющая исключить из технологической цепи барабаны охлаждения возврата.

Сущность предложенной технологии заключается в том, что агломерат после дробления существующей роторной дробилкой поступает во вращающийся барабан, внутри которого по всей его длине расположена коническая просеивающая поверхность, выполненная из колосников с зазором между ними 10-12 мм. Частицы агломерата, имеющие размер меньше зазора ме->ivTv колосниками, поступают в шихтовое отделение. Разгрузка годного агломерата и возврата осуществляется с противоположных торцов устройства. Стабилизация гранулометрического состава и механической прочности агломерата осуществляется за счет частичного его разрушения под действием механических нагрузок, возникающих при обработке спеченного слоя шихты на вращающейся просеивающей поверхности. Исследования показали возможность увеличил) выход возврата на 8-10 %, повысить механическую прочность агломерата на 4-6 %.

Выводы

В результате исследований агломерационного процесса, проведенных кафедрой металлургии чугуна ПГТУ в 1982-2000 г.г., разработаны новые способы интенсификации аглопро-цесса, улучшения качества агломерата, сбережения материальных и энергетических ресурсов. Внедрение результатов разработок позволило существенно повысить технико-экономические показатели работы агломерационных фабрик и качество производимого агломерата.

Перечень ссылок

1. Учет поступления, усреднения и расхода сырых материалов, определение и коррекция расходных коэффициентов агломерационной шихты с применением IBM PC в условиях агло-фабрики МК им.Ильича / Томаш А.А., Райхелъ В.В., Семакова В.Б. и др./ Металл и литье Украины. - 1997. - №2 - 4 - С. 10-11.

2. Белоног В.А. Разработка и внедрение новых способов подготовки и использования твердого топлива при агломерации железорудных материалов: Дис... канд. техн. наук 05.16.02. - Жданов, 1988 - 105 с.

3. Кривенко О. В. Разработка динамической модели окомкования и оптимизация на ее основе технологических параметров аглошихты. Дис... канд. техн. наук: 05.16.02. - Мариуполь, 1998,- 151 с.

4. Русских В.П., Кривенко СВ. Повышение газопроницаемости спекаемого слоя аглошихты // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1999. - Вып. 8. - С. 15-17.

Русских Владимир Петрович. Канд. техн. наук, доц. кафедры металлургии чугуна, окончил Ждановский металлургический институт в 1966 году. Основные направления научных исследований - совершенствование агломерационного и доменного процессов и снижение себестоимости производимого агломерата и чугуна, снТижение энергозатрат на производство. Тарасов Владимир Петрович. Д-р техн. наук, проф. кафедры металлургии чугуна, окончил Московский институт стали и сплавов в 1954 году. Основные направления научных исследований - совершенствование агломерационного и доменного процессов и снижение энергозатрат на выплавку чугуна; изучение закономерностей движения зернистых материалов и газов в про-тивоточных реакторах.

Кривенко Ольга Викторовна. Канд. техн. наук, асе. кафедры информатики, окончила Мариупольский металлургический институт в 1993 году. Основные направления научных исследований - совершенствование аглоггроцесса и снижение себестоимости производимого агломерата, изучение закономерностей движения газов в слое зернистых материалов.