СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА УГОЛЬНОЙ ШИХТЫ ДЛЯ КОКСОВАНИЯ
METHOD OF DETERMINIG OF OPTIMAL COMPOUND OF COAL CHARGE FOR COKING

Изобретение относится к производству кокса, в частности к способу подготовки угольной шихты для коксования, и может быть использовано в коксохимической отрасли промышленности для оценки оптимального состава угольных шихт для коксования.
В отечественной коксохимии с момента ее становления коксуются многокомпонентные угольные шихты, в состав которых входят угли различных технологических марок: газовый (Г), газовый жирный (ГЖ), жирный (Ж), коксовый жирный (КЖ), коксовый (К), коксовый отощенный (КО), коксовый слабоспекающийся низкометаморфизованный (КСН), коксовый слабоспекающийся (КС), отощенный спекающийся (ОС). Классификация по маркам производится по ГОСТ 25543-88 [1]. В зависимости от содержания жирных углей и спекаемости (по толщине пластического слоя - у, мм) шихты подразделяются на ожирненные (у≥17 мм), нормальной спекаемости (у=15-16 мм) и отощенные (у≤14 мм) [2]. Позднее марочные составы шихт стали подразделять на компонентой состав: содержание спекающих (Ж + ГЖ) и отощающих (К + КО + КС + КСН + ОС), а в развитии теории шихтовки соответственно «связующее» и «наполнитель» [3].
В шихтах для получения кокса требуемого качества должно соблюдаться совершенно определенное соотношение углей различных марок. На базе исследований ВУХИНа и многолетнего опыта шихтовки в масштабах страны более четко и определенно критерии оптимальности угольных шихт с целью получения кокса максимально возможной прочности сформулированы в работе [4].
Известны лабораторные способы определения оптимального состава угольных шихт [5-7].
ш
В работе [5] определение оптимального состава угольных шихт включает приготовление и коксование навесок шихт с различным содержанием спекающих и отощающих компонентов и определение выхода кокса. Оптимальный состав определяется по максимальному значению показателя приращения выхода кокса ΔК, вычисляемому по формуле:
ш
где ΔК - приращение выхода кокса из шихты, %;
ш
с
о
К, К, К - выходы кокса соответственно из шихты, спекающихся и отощающих компонентов, %;
с
o
m, m - содержание спекающихся и отощающих компонентов в шихте, %.
Способ [6] определения оптимального состава угольной шихты для коксования включает хроматографический анализ коксов из угольных шихт, который сравнивается с коксом из эталонного угля марки К. О соответствии испытуемой шихты оптимальному составу судят по минимальному отклонению значения логарифма суммарного объема мезопор кокса из испытуемой шихты от значения логарифма мезопор кокса из эталонной шихты.
Известен способ определения соотношения спекающих и отощающих компонентов в угольной шихте для коксования [7] путем определения температуры затвердевания пластической массы компонентов. При этом определяют температуру максимальной скорости потери массы компонентов, затем определяют разность между температурой максимальной скорости потери массы и температурой затвердевания пластической массы шихт с различным содержанием компонентов и для коксования берут шихту, которая имеет разность указанных температур в пределах (-20)-(+5)°С.
Общим и существенным недостатком лабораторных методов определения оптимального состава угольной шихты являются их длительность, большая трудоемкость и недостаточная точность прогноза качества кокса.
В работе [8] предложена математическая модель оптимизации состава угольной шихты на базе ее химико-петрографических параметров и прогноза показателей прочности кокса с применением нелинейного программирования. При этом исходили из того, что коксуемость угольных шихт определяется соотношением спекающих (плавких) и отощающих компонентов. Существенный недостаток этого способа - расчет прогнозируемых показателей прочности кокса производится по громоздким формулам с 19 слагаемыми и 7 показателями качества шихты, включающими 5 химико-петрографических параметров, оперативное определение которых невозможно.
к/с
В работе [9] впервые предложен комплексный показатель К, названный авторами «коэффициент баланса состава коксующихся и спекающих компонентов», учитывающий преобладание или недостаток коксующихся компонентов шихты над спекающими. Его расчет производится по формуле
где Vt - содержание витриноидных типов в шихте с показателями отражения витринита 1,20-1,65% и 0,95-1,19%.
Недостаток этого показателя - отсутствие его теоретического обоснования, длительность петрографического анализа распределения витриноидных типов в угольной шихте.
d
0
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ [4, 10] оценки оптимальности состава угольной шихты и требования к ее качеству с целью получения кокса максимально возможной прочности, включающий расчет величины отклонений групп углей по коксуемости по содержанию спекающей основы шихты (Ж + ГЖ + КЖ), отощающей (КС + КСН) и коксовой (ОС + К + КО) присадок от средних оптимальных значений. Критерии оптимальности распространяются как на марочный состав, так и на свойства угольных шихт. Оптимальный марочный состав шихт для коксования, например, кузнецких углей должен быть следующим, %: ГЖ 20-25, Ж 25-20, ОС + К + КО 35-40, КС + КСН 20-15, а показатели ее качества должны быть на уровне V - 25%, у - 15, R - 1,12, Vt>60%.
Существенным недостатком оценки уровня оптимальности угольных шихт по величинам трех отклонений является невозможность объективно оценить уровень оптимальности шихт разных заводов, ранжировать их по значимости и прогнозировать механическую прочность кокса.
Технической задачей изобретения является разработка интегрального, обобщающего показателя оптимальности состава коксуемой угольной шихты, обеспечивающего ее оперативную оценку, в том числе и в ретроспективе, и, главное, прогнозировать механическую прочность кокса.
опт
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем: для оценки оптимальности марочного состава угольной шихты предлагается определять новый обобщающий показатель - коэффициент оптимальности К, представляющий собой произведение коэффициентов оптимальности по трем параметрам:
c
где К - коэффициент оптимальности соотношения спекающих и отощающих компонентов, определяемый как
к
К - коэффициент оптимальности содержания в шихте коксовых углей, определяемый как
ж
К - коэффициент оптимальности содержания в шихте жирных углей, определяемый как
ΣCK, ΣK, ΣЖ - фактическое содержание в шихте спекающих, коксовых компонентов и углей марки Ж;
43, 37, 23 - средние оптимальные содержания соответственно спекающих, коксовых компонентов и углей марки Ж.
опт
с
к
ж
Из формулы К (3) видно, что шихта оптимизирована на 100% лишь в идеальном случае, когда каждый из коэффициентов К, К и К равен 1, т.е. шихта оптимизирована по всем трем параметрам.
В формулах (4-6) подсчитывается абсолютная величина разности между фактическим и оптимальным содержанием компонента без учета знаков ±.
опт
Предлагаемый показатель К позволяет осуществлять оценку оптимальности состава коксуемой угольной шихты как оперативную, так и в ретроспективе.
опт
опт
В таблице №1 представлены отклонения от оптимального состава угольной шихты по некоторым предприятиям России в первом полугодии 2004 г. по данным работы [10] и расчетные величины коэффициентов оптимальности по формуле изобретения. Из таблицы видно, что большие отрицательные отклонения в составе шихты коксовой присадки присутствуют у трех заводов, но невозможно оценить их по значимости и поставить в ряд по ранжированию. По рассчитанному К при среднем коэффициенте оптимальности состава шихты для предприятий России - 71,3%, самый низкий К наблюдался на НТМК - 55,7%, в то время как угольная шихта "Уральской стали" отличалась самым высоким коэффициентом оптимальности - 83,8%.
опт
Таким образом, К позволяет объективно оценить одним обобщающим показателем состояние сырьевой базы коксования в целом по России и ранжировать шихты отдельных коксохимических предприятий.
Таблица 1
Предприятие
Отклонение от средней оптимальной шихты, %
Коэффициенты оптимальности
Ж + ГЖ + КЖ
ОС + К + КО
КС + КСН
К<sub>c</sub>
К<sub>к</sub>
К<sub>ж</sub>
К<sub>опт</sub>, %
Магнитогорский комбинат
5,5
-29,6
16,8
0,950
0,734
0,877
61,15
Нижнетагильский комбинат
14,3
-23,0
5,0
0,774
0,800
0,900
55,73
"Уральская сталь"
1,6
-4,5
0,3
0,050
0,960
0,919
83,81
"Губахинский кокс"
-5,9
-27,3
13,0
0,902
0,732
0,874
57,71
Новолипецкий комбинат
5,9
-10,6
0,6
0,888
0,908
0,928
74,83
РФ, всего
4,5
-17,7
8,3
0,898
0,830
0,957
71,33
опт
В таблице №2 приведены показатели качества шихты и кокса НТМК в 2003-2006 гг. Из таблицы видно, что в результате системной работы по оптимизации состава шихты НТМК К в коксовом цехе №2 возрос с 60,6 до 89,6% и с 59,3 до 90,2% в коксовом цехе №3. При этом существенно возросла и механическая прочность кокса обоих цехов, улучшились показатели реакционной способности (CRI, %) и послереакционной прочности (CSR, %), определение которых начали с августа 2004 г. [11]. Кроме того, с улучшением механической прочности кокса удалось обеспечить высокопроизводительную работу доменной печи №6 и снизить удельный расход кокса на 6 кг/т чугуна.
опт
40
10
25
10
Установлена тесная корреляционная связь (r=0,96) (рис.1) К с показателем механической прочности кокса мокрого тушения (М и M) и сухого тушения (M и М), описываемая линейными уравнениями:
опт
40
25
10
из которых следует, что при К=100% прогнозируемые максимальные значения показателей М, М и М составляют соответственно 76,9 и 9,3; 89,9 и 7,3% соответственно.
п
п
опт
В таблице 2 также приведены расчетные данные по коэффициенту прочности кокса К по методу НТМК-ВУХИН. Между коэффициентом прочности кокса К и коэффициентом оптимальности состава угольной шихты К установлена линейная зависимость (рис.2), описываемая уравнениями:
- для кокса мокрого тушения:
- для кокса сухого тушения:
опт
Таким образом, предлагаемый показатель К позволяет не только объективно и оперативно оценивать уровень оптимальности состава шихты, сравнивать угольные шихты коксохимических предприятий, но и прогнозировать механическую прочность кокса с учетом специфики каждого их них.
Проверка соответствия заявленного изобретения требованиям новизны проводилась с учетом всех опубликованных изобретений, технической и информационной литературы и др. источников. Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить его соответствие критерию изобретения "новизна".
Признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, не были выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники и обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".
Литература
1. ГОСТ 25543-88 «Угли бурые, каменные и антрациты. Классификация по генетическим и технологическим параметрам».
2. Панченко С.И., Новиков В.Н., Цыновников А.С. и др. Изменения свойств кокса в зависимости от степени готовности // Технология коксования углей востока СССР/ Труды ВУХИНа. Вып.5. - М.: Металлургия, 1948. С.56-65.
3. Степанов Ю.В., Попова Н.К., Махортова Л.А. Теория и практика шихтовки в современных условиях // Кокс и химия. 2005. №7. С.6-11.
4. Киселев Б.П., Леушин В.А. Сырьевая база коксования России. 1. Ретроспектива // Кокс и химия. 1999. №11. С.2-9.
5. А.с. СССР №1074889, кл. С10В 57/00, опубл. в БИ №7, 1984.
6. Патент РФ №2088634, кл. С10В 57/04, опубл. 27.08.1997.
7. А.с. СССР №941394, кл. С10В 57/04, опубл. в БИ №25, 1982.
8. Станкевич А.С. и др. Модель оптимизации показателей прочности кокса на основе химико-петрографических параметров углей и нелинейного программирования. Кокс и химия. 2000. №5, с.21-29.
9. Золотухин Ю.А. и др. Особенности формирования угольной сырьевой базы коксования ОАО НТМК и разработка дополнительных критериев оценки ее качества. 1.Ящичные коксования. Кокс и химия. 2005. №12, с.2-10.
10. Киселев Б.П. О перспективной базе коксования. Кокс и химия. 2005. №4, с.2-6.
11. Степанов Ю.В., Кошкаров Д.А., Попова Н.К. О методах определения и оценки качества кокса // Бюллетень «Черная металлургия» ОАО Черметинформации. 2005. №1. С.24-32.