ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На протяжении нескольких десятилетий металлурги Щ промышленно развитых стран параллельно с совершенствованием доменной плавки

ведут работы по созданию новых бескоксовых процессов переработки железорудного сырья.

жайшую перспективу они должны рассматриваться как дополняющие традиционную аглококсодоменную схему

Процессы прямого получения железа, продуктом которых является твердое губчатое железо, получили ограниченное распространение в основном из-за высокой стоимости природного газа и применения для выплавки стали электросталеплавильного передела.

Разработка класса плавильно-восстановительных технологий, соединяющих хорошо освоенное твердофазное восстановление с плавлением губчатого железа при одновременной газификации угля, явилась новым этапом создания бескоксовой металлургии. Один из этих процессов - COREX - уже освоен в промышленном масштабе. Однако широкое внедрение процессов данного класса сдерживается из-за их сложности, использования богатого железорудного сырья, а в некоторых случаях неполного исключения кокса. Ф Альтернативным направлением являются процессы полностью жидкофазного

восстановления железа, которые позволяют преодолеть трудности, обусловленные стадией предварительного восстановления.

С учетом перспектив, открываемых новым процессом, Советом Министров СССР было принято постановление N1579-P от 7.07.1980, предусматривавшие создание пилотной установки и проведение на ней всесторонних исследовании процесса для определения его возможностей и подготовки промышленного внедрения.

В этой связи целью настоящей работы являлось создание теоретических и технологических основ плавки, совершенствование технологии и конструкции печи РОМЕЛТ на базе прямых экспериментов на пилотной установке промышленного масштаба, а также теоретических и лабораторных исследований физико-химических и теплофизических процессов и свойств материалов.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

проведен детальный анализ существующих способов внедоменного получения чугуна и развита концепция одностадийной восстановительной плавки железорудного сырья;

создана пилотная установка и проведены опытно-промышленные испытания, в ходе которых разработана и освоена технология и доработана конструкция установки до уровня помышленного использования.

изучены термодинамические и кинетические особенности тепломассобменных процессов, протекающих в металлической, шлаковой и газовой фазах при плавке железорудного сырья в агрегате РОМЕЛТ;

разработаны методы расчета и модели процесса;

разработаны способы контроля и управления плавкой.

Научная новизна работы заключается в разработке теоретических основ процесса жидкофазного восстановления железа РОМЕЛТ. Наиболее существенные научные результаты:

обоснована концепция одностадийного процесса жидкофазного восстановления железа;

получены новые сведения о фазовом составе, комплексе физических и физико- химических свойств (вязкость, теплопроводность, электропроводность, плотность и

т.

экспериментально установлены механизмы и кинетические характеристики плавления руды и металлизованных окатышей в барботируемом кислородсодержащим дутьем шлаке; с использованием адаптированной по экспериментальным данным модели плавления и погружения сырья определены требования к фракционному составу руды;

впервые получены данные о структуре ванны, зональном строении и характеристиках шлакоугольной суспензии и шлакометаллической эмульсии;

разработана модель формирования фракционного состава угля, замешанного в шлаке; определены характерные времена существования в шлаке угольных частиц разных фракций и скорости их реагирования со средой;

установлено, что окисленность шлака в реакционной зоне выше, чем в доменной печи; соотношение Fe2+/Fe3+ составляет 0,75-0,95 при плавке руды и около 1,0 при плавке конвертерного шлама;

предложена зональная схема протекания физико-химических превращений в рабочем пространстве печи;

оценена роль основных восстанавливающих агентов в процессе плавки; показано, что до 90% железа восстанавливается с участием угольных частиц, причем около 60% от общей производительности обеспечивается восстановлением в поверхностном слое ванны;

разработана методика зонального расчета материального и теплового балансов плавки и статическая модель для расчета параметров плавки; определено влияние параметров процесса и свойств сырья на показатели плавки;

разработаны комплексная (четырехзонная) динамическая и статистическая модели процесса;

экспериментально обнаружен и теоретически обоснован режим блокировки поверхности ванны углем; определено допустимое содержание угля; даны рекомендации по выводу печи из этого режима на нормальный ход процесса;

установлены особенности и механизм распределения серы между шлаком, металлом и газопылевой фазой; дано математическое описание поведения серы в процессе жидкофазного восстановления железорудного сырья;

- впервые показаны наличие и роль динамического гарнисажа в виде пленки жидкого шлака; разработана методика и получены характеристики тепломассообмена между ванной и зоной дожигания при образовании на стенах печи динамического гарнисажа.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

По результатам опытно-промышленных плавок усовершенствованы элементы конструкции печи и вспомогательные системы установки: кессоны, футеровка, отстойники чугуна и шлака, летки, фурмы, системы очистки газов и улавливания пыли, подачи шихтовых материалов.

Обобщение накопленных данных позволило разработать основы конструирования и проектирования печей РОМЕЛТ.

Техническая новизна и оригинальность выполненных разработок подтверждена патентами и авторскими свидетельствами, отмечена медалями Международных салонов изобретений в Женеве и Брюсселе.

Проданы лицензии на способ плавки и печь в Японию, США и Индию.

Показана эффективность получения в промышленных масштабах углеродистого полупродукта методом жидкофазного восстановления РОМЕЛТ с использованием энергетических углей.

Полученные результаты использованы при разработке технических проектов промышленных установок РОМЕЛТ для утилизации железосодержащих отходов КМК (200 тыс. чугуна в год), НЛМК (340 тыс. т чугуна в год) и для переработки хвостов обогащения железных руд (300 тыс. т чугуна в год) фирмы NMDC (Индия).

Автор защищает: концепцию одностадийного процесса жидкофазного вос-становления железа, конструктивные и технологические решения по процессу и печи РОМЕЛТ, способы ведения плавки различных железосодержащих материалов, методы контроля и управления процессом.

Методики и результаты:

- экспериментальное исследование свойств шлаковых расплавов,

теоретические и экспериментальные исследования механизмов и кинетические характеристики плавления материалов в шлаковой ванне, кинетический анализ вкладов основных восстановительных агентов в интегральную скорость образования железоуглеродистого расплава,

экспериментальное исследование структуры ванны, зонального строения и параметров системы «шлак-металл-уголь» в печи РОМЕЛТ,

изучение массообмена и энергетики перемешивания ванны,

теоретическое обоснование роли динамического гарнисажа,

определение критерия возникновения режима блокировки ванны углем,

экспериментальное исследование особенностей и механизма распределения серы между фазами,

теоретическая оценка содержания и фракционного состава угля в шлаковой ванне,

расчет характерных времен существования в шлаке угольных частиц и скоростей их реагирования,

экспериментальное исследование процесса пылеобразования

Методы расчета, модели, программные комплексы:

зонального расчета материального и теплового баланса (балансовая модель плавки),

расчет характеристик теплообмена между зоной дожигания и динамическим гарнисажем,

расчет плавления частиц сырья в шлаковом расплаве,

статистическая модель процесса на основе метода группового учета аргументов,

комплексная четырехзонная динамическая модель.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечена в первую очередь тем, что основные данные получены при проведении полномасштабных экспериментов на опытной установке промышленного масштаба, а также использованием современных методик постановки и проведения экспериментов, обработки результатов, методов физического и химического анализа, методов математического и компьютерного моделирования, согласованностью теоретических выводов с экс-периментальными данными.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в разработке инженерных решений опытной установки, авторском надзоре за строительством и монтажом, разработке технических инструкций и технологических регламентов, подготовке и проведении опытных кампаний на установке в качестве заместителя руководителя Комплексного научно-исследовательского коллектива МИСиС.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на IV Всесоюзной конференции по тепло- и массообменным процессам в ваннах сталеплавильных агрегатов (Жданов, 1986), ГУ Всесоюзной научно-технической конференции «Физико-химия процессов восстановления металлов» (Днепропетровск, 1988 г.), V Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов «Пути повышения эффективности использования углей, процессов и подуктов их переработки» (Свердловск, 1988), Всесоюзном научно-техническом совещании «Интенсификация тепловых, массообменных и физико-химических процессов в металлургических агрегатах» (Свердловск, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции «Непрерывные металлургические процессы «руда, лом - металлопрокат» (Свердловск, 1989), VI Рижской конференции по теплоэнергетике «Повышение эффективности использования топлива в народном хозяйстве» (Рига, 1990), Совместном заседании секций ста-леплавильного производства и качественных сталей НТС Минмета СССР (Москва 1989), Национальной научно-технической конференции с международным участием «Новые и усовершенствованные технологии для окускования сырья и производства чугуна и ферросплавов» (Болгария, Варна, 1990), Заседании НТС ПСНТ СССР «Новые процессы в черной металлургии» (Москва 1989), II Европейском симпозиуме "Восток-Запад" по материалам и процессам (Финляндия, Хельсинки, 1991), Международной конференции "Черная металлургия России и СНГ в XXI веке» (Москва, 1994), II и III Конгрессах сталеплавильщиков (Липецк, 1994, Москва, 1995), I Балканской конференции по металлургии «Развитие металлургии на Балканах в начале 21 века» (Болгария, Варна, 1996), Международном конгрессе «Экологические проблемы больших городов: инженерные решения» (Москва, 1996), Международном

чале 21 века» (Болгария, Варна, 1996), Международном конгрессе «Экологические проблемы больших городов: инженерные решения» (Москва, 1996), Международном симпозиуме по технологии РОМЕЛТ - "ROMELT-97", (Индия, Нью Дели, 1997), III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" (Санкт-Петербург, 1998) V Международном конгрессе доменщиков «Производство чугуна на рубеже столетий» (Днепропетровск - Кривой Рог, 1999), Всероссийской научно-практической конференции "Металлургия на пороге XXI века - достижения и прогнозы" (Новокузнецк, 2000).

Публикации

По теме диссертации опубликовано более 70 научных работ.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из 9 разделов, заключения, списка литературы (150 наименований) и приложения; изложена на 279 стр. печатного текста, содержит 99 рис. и 50 таблиц.