Исследование гидродинамики шлакоугольных суспензий и особенностей восстановления в них железа с целью совершенствования технологии процесса Ромелт тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Колесников, Юрий Сергеевич

• Колесников, Юрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колесников, Юрий Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Роль шлакоугольной суспензии в современных процессах жидкофазного восстановления.

1.2. Анализ современных подходов к физическому моделированию струйной продувки металлургических расплавов.

1.3. Анализ современных подходов к моделированию частиц в суспензиях.

1.4. Анализ современных исследований восстановления железа в шлакоугольных суспензиях.

1.5. Задачи настоящего исследования.

ГЛАВА 2. ВЫВОД СОВОКУПНОСТИ КРИТЕРИЕВ ПОДОБИЯ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ШЛАКОУГОЛЬНОЙ СУСПЕН- 53 ЗИИ В ПРОЦЕССЕ РОМЕЛТ.

2.1. Разработка методики физического моделирования боковой струйной продувки в процессе Ромелт.

2.2. Разработка методики выбора модельных частиц при физическом моделировании шлакоугольной суспензии процесса Ромелт.

2.2.1. Моделирование частиц взвеси.

2.2.2. Моделирование крупных частиц в турбулентных суспензиях.

ГЛАВА 3. ПАРАМЕТРЫ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВАННЫ ПЕЧИ

РОМЕЛТ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

3.1. Параметры физической модели.

3.2. Разработка конструкции экспериментальной установки и методики проведения экспериментов.

3.2.1. Экспериментальная установка.

3.2.2. Приготовление модельных частиц.

3.2.3. Отбор проб.

3.2.4. Анализ погрешности эксперимента.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ШЛАКОУГОЛЬ-НОЙ СУСПЕНЗИИ ПРОЦЕССА РОМЕЛТ НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕ- 91 ЛИ.

4.1. Влияние на структуру суспензии расхода дутья, высоты ванны, крупности и общего содержания частиц в ванне.

4.2. Влияние параметров гидродинамического режима ванны на эффективность вовлечения твердых частиц в барботажные столбы.

4.3. Влияние диаметра фурм на структуру суспензии.

4.4. Моделирование влияния вязкости шлака на структуру суспензии.

4.5. Структура суспензии при наличии на поверхности ванны «сплошного слоя» из твердых частиц.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА И КИНЕТИКИ ЖИДКО

ФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА ДИСПЕРСНЫМ ТВЕР

ДЫМ УГЛЕРОДОМ.

5.1. Экспериментальная оценка эффективности жидкофазного восстановления железа твердым углеродом по одностадийной и двухстадийной схемам.

5.2. Кинетика жидкофазного восстановления железа дисперсным твердым углеродом.

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА РОМЕЛТ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование гидродинамики шлакоугольных суспензий и особенностей восстановления в них железа с целью совершенствования технологии процесса Ромелт»

Актуальность работы определяется нарастающей потребностью промышленности в технологии бескоксового производства чугуна из руд и железосодержащих отходов. В последние десятилетия в ведущих индустриальных странах мира активно разрабатываются такие процессы нового поколения, главной особенностью которых является проведение интенсивной плавки в высокотемпературных реакторах с шлакоугольной суспензией, которую продувают кислородсодержащим дутьем.

Единственным одностадийным процессом получения железа, успешно испытанным в промышленном масштабе, является процесс Ромелт (Россия). Эта технология была разработана в Московском институте стали и сплавов (МИСиС) научным коллективом под руководством проф. В. А. Роменца. Процесс был запатентован в 13 странах, проданы лицензии ряду фирм в США, Японии, Индии. В настоящее время ГП ВО "Тяжпромэкспорт" в сотрудничестве с МИСиС осуществляет комплекс работ по сооружению первого в мире завода по производству чугуна процессом Ромелт (первая очередь 200 тыс. тонн чугуна в год) в Союзе Мьянма. Ведутся переговоры о строительстве таких заводов в России и Индии.

Основной реакционной зоной процесса Ромелт является шлаковая ванна, продуваемая через систему боковых горизонтальных фурм кислородсодержащим дутьем. В шлаковую ванну непрерывно подают окисленное железосодержащее сырье и уголь. В областях прохода в шлаке струй реагирующего дутья (барботажных столбах) реализуются преимущественно окислительные условия, а в остальном объеме шлакоугольной суспензии - восстановительные. Частицы угля захватываются в контуры циркуляции шлака, генерируемые действием барботажных столбов и замешиваются в объем ванны. За время своего существования в шлаке частицы угля участвуют как в процессах восстановления железа из шлака, так и в процессах горения и газификации в зонах барботажных столбов. В зависимости от количества накопленного в ванне угля, его фракционного состава, а также от параметров продувки, геометрии ванны и физических свойств шлака, характер распределения частиц угля в ванне может сильно изменяться. Эффективность замешивания частиц угля в объем ванны, в свою очередь, влияет на характер вовлечения частиц угля в барботажные столбы и восстановительную работу угля. Кроме того, эффективное замешивание угля может обеспечить безопасную работу печи при высоких насыщениях шлако-угольной суспензии без наступления технологически неприемлемого режима блокировки углем поверхности ванны, сопровождающегося резким ухудшением теплопередачи в ванну из зоны дожигания. Решение данной проблемы позволит вести восстановительную плавку при больших концентрациях угля, что обеспечит повышение производительности печи.

Дальнейшее совершенствование процесса Ромелт и расширение области его применения невозможно без выявления влияния на структуру шлакоугольной суспензии гидродинамического режима ванны, исследования механизма и кинетики восстановления железа из пневматически перемешиваемого шлака дисперсным углеродом.

Целью настоящего исследования являлось совершенствование технологии процесса жидкофазного восстановления железа Ромелт на основе физического моделирования гидродинамики и изучения особенностей восстановления железа в шлакоугольных суспензиях.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- разработать методику и создать экспериментальную установку для холодного физического моделирования гидродинамики шлакоугольной суспензии процесса Ромелт;

- изучить на физической модели закономерности замешивания угольных частиц в объем ванны при варьировании параметров продувки, высоты ванны, физических свойств жидкости, фракционного состава модельных частиц и их общего содержания в ванне;

- изучить на физической модели закономерности наступления режима блокировки поверхности ванны сплошным слоем из угольных частиц;

- экспериментально изучить эффективность основных схем жидкофазного восстановления железа;

- разработать методику формально-кинетического анализа восстановления железа в шлакоугольной суспензии;

- исследовать зависимость кажущейся константы скорости восстановления железа в шлакоугольной суспензии от размеров частиц восстановителя, температуры и интенсивности перемешивания расплава;

- разработать рекомендации по совершенствованию технологии процесса Ромелт.

Автором выносятся на защиту:

- методика холодного физического моделирования гидродинамики шлакоугольной суспензии процесса Ромелт;

- результаты физического моделирования шлакоугольной суспензии процесса Ромелт;

- результаты экспериментального сопоставления эффективности восстановления железа при прямом контакте шлака с графитом и через газовую фазу;

- методика формально-кинетического анализа жидкофазного восстановления железа в шлакоугольных суспензиях и результаты экспериментального исследования

- рекомендации по совершенствованию технологии процесса Ромелт.

Научная новизна работы заключается в следующем: на основе совершенствования гидродинамического режима шлакоугольной суспензии разработаны рекомендации по повышению производительности процесса Ромелт; разработана методика обеспечения динамического подобия при холодном физическом моделировании струйной боковой продувки шлаковой ванны печи Ромелт; определены условия подобия для частиц угольной взвеси в турбулентном шлаковом расплаве; определены условия подобия для крупных частиц угля при большой неоднородности их распределения по высоте турбулентной жидкой ванны; разработаны физическая модель и методика экспериментального исследования структуры барботируемой суспензии; установлена зависимость эффективности замешивания частиц в объем ванны и в барботажные столбы от изменения расхода дутья, диаметра фурм, высоты ванны над фурмами, общего количества частиц в ванне, их фракционного состава, вязкости жидкости; установлены закономерности наступления режима блокировки поверхности ванны сплошным слоем из угольных частиц; экспериментально подтверждена определяющая роль в восстановлении железа в шлакоугольных суспензиях схемы прямого восстановления в одну стадию; разработана методика формально-кинетической оценки скорости жидкофазного восстановления железа в шлакоугольных суспензиях; установлена зависимость константы скорости восстановления железа в шлакоугольных суспензиях от изменения фракционного состава восстановителя, температуры и интенсивности перемешивания расплава.

Практическая значимость. Разработанные на основе результатов проведенных исследований практические рекомендации по повышению производительности процесса Ромелт, по рациональным фракционному составу угля, содержанию угля в шлаковой ванне и вязкости шлака, используются при проектировании печей Ромелт и составлении технологических инструкций по ведению процесса на установках Ромелт.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечена, тем, что основные данные получены с использованием современных методик постановки и проведения экспериментов, обработки результатов, физико-химических методов анализа, методов математического моделирования, согласованностью результатов физического моделирования с экспериментальными данными, полученными в прямых экспериментах на печи Ромелт. Погрешность измерений не превышала 15 %. Уровень надежности полученных экспериментальных данных 0,95.

Личный вклад соискателя. Диссертантом разработана конструкция и изготовлена физическая модель печи Ромелт, разработана методика и проведены исследования структуры шлакоугольной суспензии в печи Ромелт на физической модели. Разработана методика и выполнены исследования механизма и кинетики восстановления железа дисперсным углеродом из шлакового расплава.

Основные положения и научные результаты диссертационной работы, а также положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично диссертантом, или с его непосредственным участием.

Разработаны практические рекомендации по совершенствованию технологии процесса Ромелт на основе результатов выполненных исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах»,

2005 г. Пенза; на Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развития», 2005 г. Тамбов; на Второй Всероссийской конференции молодых специалистов «Металлургия XXI века», 2006 г. Москва; на III Международной научно-практической конференции «Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М. А. Глинкова»

2006 г., Москва, на 2-й Международной Научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса», 2006 г., Тамбов.

Публикации. По результатам работы опубликовано 2 статьи и 5 докладов в сборниках трудов научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из общей характеристики, списка условных обозначений, введения, шести глав, заключения и изложена на 167 страницах. Диссертация содержит 44 рисунка и 1 таблицу. Список литературных источников включает 103 наименования.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ о рг - плотность газа, кг/м ; рж - плотность жидкости, кг/м ; а - скорость звука в газе, м/с; dg - диаметр сопла фурмы, м;

1о - глубина газовой лунки в жидкости, м; 2 g - ускорение свободного падения, м/с ; h - высота спокойной ванны над осью боковой фурмы, м; Un - скорость всплывания пузыря, м/с; иж.г - относительная скорость омывания жидкостью пузыря, м/с; Rj, R2- главные радиусы кривизны поверхности всплывающего пузыря (в предположении его эллипсоидальной формы), м; dn - диаметр пузыря, м; dcmp - диаметр поперечного сечения газового тела струи (неисчезающая газовая полость в зоне ввода газа, существующая при струйном режиме продувки), м; Us0 - среднерасходная скорость газа в выходном сечении фурмы, м; UKp - скорость истечения, при которой начинается струйный режим истечения, м; 1стр- длина газового тела струи, м; смещение вдоль оси Z границы раздела фаз в процессе волновых колебаний поверхности газового тела струи, м; X - длина волны этих колебаний, м;

Ъ - амплитудное значение переменного ускорения, действующего по оси Z и возникающего в результате колебаний границы раздела газового тела струи с жидкостью, м/с ; со - круговая частота колебаний, с"1;

11сж - средняя скорость движения газожидкостной смеси в струе (вне фурменной зоны), м/с;

Q - объемный расход газа в струе (термически расширенного), м3/с; Qo - объемный расход газа, подаваемого через фурму в расплав, нм3/с; Г - средний радиус струи в идеализированной схеме донной продувки (по Д. Ма-зумдару);

R - радиус ковша, половина межфурменного расстояния, м; N - мощность перемешивания жидкости, Вт/кг; - мощность перемешивания жидкости, Вт/м3; уU - динамическая вязкость жидкости, Па*с; - приведенная скорость газа, м/с (называется также «газовой нагрузкой» и представляет собой расход газа в выходном сечении ванны, отнесенный к площади этого сечения;

Р - гидростатическое давление в ванне на уровне оси фурмы, Па;

Рср - среднее гидростатическое давление в барботируемом слое над фурмой; Па;

Тж - температура ванны расплава, К;

Т0= 273 К; v4 - вектор скорости частицы, м/с;

Уж - вектор скорости несущей жидкости, м/с;

И - вектор относительной скорости, м/с;

Umax - максимально возможная для данного потока скорость относительного движения частицы, м/с; - диаметр частицы, м; ^ч - объем частицы, м3;

Fюпр. - сила сопротивления, действующая на частицу при ее обтекании жидкостью, Н;

Xq - внутренний масштаб турбулентности в системе, м;

Kf- коэффициент сопротивления;

S4 - площадь миделева сечения частицы, м2;

Я - масштаб турбулентной пульсации, м;

L - максимальный масштаб турбулентных пульсаций, линейный поперечный размер всего турбулентного потока, м; dny3 - размер пузыря, м;

7- поверхностное натяжение, Н/м; в - краевой угол, град.;

FeO) - концентрация оксида железа в шлаке, % масс; Мщл. - масса шлака в опыте, кг; кп - кажущаяся константа скорости реакции, приведенная к одной частице восстановителя; (icr(FeO)/c); к - кажущаяся константа скорости реакции, приведенная к единице площади всей внешней поверхности дисперсного восстановителя, icr(FeO)/M с);

ОС- порядок реакции;

ТПС - начальная средняя масса частицы восстановителя данной фракции, кг; (Со) - начальное содержание восстановителя в шлаке, % от массы шлака; Еа - энергия активации, Дж/моль;

Sc - суммарная внешняя поверхность частиц восстановителя, м2; Р - производительность печи, KrFe/c;

Xч - среднее по ванне расстояние между центрами частиц, м; Ув - объем ванны, м3; П - число частиц в ванне;

К, - суммарный объем твердых частиц в ванне, м3;

X - характерный размер ванны, м; Xi - линейные размеры печи и шлаковой ванны, м; Xq - базовый размер, м;

5- константа геометрического подобия строения ванны; 8Ч - масштаб геометрического подобия частиц;

Р - объемное содержание частиц в суспензии, доли ед.; С - массовое содержание частиц в суспензии, доли ед.;

Аг. Р*

Ж 1

2 /т 2

- модифицированный критерий Архимеда;

Мжё2(Рж~Рг)2

РД

Gn - ^ ^ - критерий Глинкова (модифицированное число Фруда); Н = h/do - относительная глубина погружения фурмы под уровень жидкости; игсм gh ' число ФРУДа Для ковша (ванны) (впервые введено Д. Мазумдаром); ~ - критерий Рейнольдса струи (по Д. Мазумдару); М

О и1

Аг' =

РжФ вариант модифицированного критерия Архимеда;

Re, тицу при с1ч«Ло\ Рж-Рч

РЧ~Рж * Ч"

Рж .-V

- критерий Рейнольдса для потока, обтекающего час

Re шах

I I РчР1с к Л

- критерий Рейнольдса для потока, обтекающего частицу при d4»Xo\ ж

We= i2 - критерий Вебера; гж& тз.

Агч =

2 - критерий Архимеда; М

Ма = — критерий Маха; а т - ^л.

X " симплекс' описывающий геометрическое подобие модели с образцом для среднего по ванне расстояния между центрами частиц; Рг

Р» симплекс подобия в плотностях газа и жидкости.

ВВЕДЕНИЕ

Основой массового получения чугуна являются доменные печи. Однако, на протяжении уже нескольких десятилетий, не ослабевает интерес к развитию жидко-фазных бескоксовых технологий производства жидкого чугуна (Ромелт (Россия), HIsmelt (Австралия), Auslron (Австралия), DIOS (Япония), Redsmelt-NST (Италия, Германия, ЕЭС)). Эти процессы позволяют производить чугун, используя вместо кокса рядовые энергетические угли, позволяют перерабатывать неокускованные руды и железосодержащие отходы. Особенно перспективно применение таких процессов на мини-заводах [1]. Процессы Ромелт и HIsmelt, находящиеся на стадии сооружения первого завода, являются наиболее разработанными среди новых технологий.

На установке Ромелт отработана технология плавки многих видов железосодержащего сырья (руды, концентраты, пыли, шламы, окалина, стальная стружка и др.). Процесс также может применяться для переработки комплексного железорудного сырья, содержащего, помимо железа, другие ценные металлы. Технология позволяет эффективно извлекать в металл никель, частично ванадий и хром. В процессе Ромелт практически не восстанавливается титан, что открывает перспективы эффективной переработки титаномагнетитов. Показана возможность производства передельного низкофосфористого марганцовистого шлака. В печи Ромелт возможна переработка "красных шламов", отходов производства серной кислоты (пиритные огарки) и некоторых других накопленных железосодержащих отходов цветной металлургии, например шлаков, образующихся при производстве меди. При переработке в печи Ромелт материалов, содержащих цинк, возможно его извлечение с получением сырья для цветной металлургии.

Развитие процесса Ромелт и других новых технологий способствовало развитию металлургической науки. Исследования сконцентрировались в области механизма и кинетики жидкофазного восстановления железа, гидродинамики и тепломассообмена в пневматически перемешиваемой ванне, свойствах эмульсий и суспензий, физической химии металлических и шлаковых растворов. Так, освоение процесса Ромелт стимулировало фундаментальные исследования по всем указанным направлениям. Развитие процесса HIsmelt стимулировало важные исследования по кинетике науглероживания металлического расплава дисперсным углем, смачиваемости угольных частиц металлическим и шлаковым расплавами, кинетике пиролиза дисперсного угля и др.

Некоторые из современных технологий бескоксового производства чугуна реализуются в две стадии (HIsmelt, DIOS (Duplex-DIOS), Redsmelt-NST), с предварительным восстановлением железосодержащей шихты в твердой фазе. Другие процессы (Auslron, Ромелт) реализуются в одну стадию, т.е. являются полностью жид-кофазными. Независимо от стадийности реакторы жидкофазного восстановления всех этих технологий используют некоторые общие технологические и конструктивные принципы:

- восстановление ведется из шлакового расплава с низким (менее 6% (масс.)) содержанием железа;

- в шлаковой ванне обязательно присутствует дисперсный уголь, образуя шла-коугольную суспензию;

- для барботируемой шлаковой ванны применяется водоохлаждаемое ограждение (кессонное);

- в шлаковую ванну струями подают кислородсодержащее дутье для сжигания угля и интенсивного барботажа расплава;

- в надшлаковое пространство подают кислород для дожигания горючих газов выделяющихся из ванны.

Поскольку во всех рассматриваемых технологиях уголь является одновременно и топливом и восстановителем железа, характер распределения частиц угля в объеме шлаковой ванны играет принципиальную роль в эффективности и даже самой возможности осуществления технологического процесса. Соответственно, гидродинамика шлакоугольной суспензии является одним из определяющих факторов технологии.

Исследование гидродинамики шлакоугольных суспензий и особенностей восстановления в них железа имеет одновременно фундаментальное и прикладное значение для совершенствования всех технологий бескоксовой металлургии чугуна. Практика освоения процесса Ромелт также показала, что для успешного ведения плавки необходимо поддерживать параметры гидродинамического режима шлако-угольной суспензии в определенных пределах. Для исследования структуры суспензии на печи Ромелт (на HJIMK) провели отдельные прямые эксперименты, однако полномасштабное исследование в условиях промышленного производства было невозможно.

В настоящей работе методом физического моделирования провели систематическое исследование структуры и свойств, а также особенностей восстановления железа в шлакоугольных суспензиях процесса Ромелт.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Колесников, Юрий Сергеевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведения комплекса теоретических исследований и холодного физического моделирования шлакоугольной суспензии в процессе Ромелт, а также высокотемпературных лабораторных исследований восстановления железа в шлакоуглеродистых суспензиях, получены следующие основные научные результаты и практические рекомендации:

1. Разработана методика обеспечения динамического подобия при физическом моделировании продувки ванны печи Ромелт. Определены условия подобия для частиц, моделирующих угольную взвесь в турбулентном шлаковом расплаве. Определены условия подобия для частиц, моделирующих крупные частицы угля в сильно неоднородных по высоте ванны шлакоугольных суспензиях;

2.Рассчитаны параметры и создана физическая модель, разработана методика экспериментального исследования структуры барботируемой шлакоугольной суспензии;

3.Установлено, что при малых количествах (1-3% от массы ванны) частиц (что характерно для процесса Ромелт), эффективность замешивания частиц в объем ванны возрастает при увеличении высоты ванны над фурмами; увеличении расхода дутья на фурму; увеличении скорости дутья (при постоянном его расходе); при использовании частиц мелкой фракции (при количестве модельных частиц в ванне до 5% (от массы ванны)); а также при пониженной вязкости жидкости.

4. Установлено, что при высоком содержании частиц в поверхностном слое (СПов>9% (масс.)) в центральных областях ванны частицы суспензии образуют сплошной слабо перемешиваемый слой в верхней части ванны. Критическое на

1cy)1jty1 сыщение поверхностного слоя появлялось при общем содержании частиц в ванне С0бЩ >5%. Конкретное значение определялось гидродинамическим режимом ванны. При одновременном увеличении высоты ванны и интенсификации ее продувки в суспензиях из модельных частиц мелкой и средней фракций сплошной слой не образовывался при любых насыщениях суспензии.

5. Установлено, что в барботажных столбах содержание модельных частиц ниже, чем в остальном объеме ванны. Это различие более выражено в верхних горизонтах ванны. Во всем диапазоне содержаний частиц в жидкости с увеличением высоты ванны над фурмами (при одинаковом расходе дутья) содержание частиц в верхней части барботажных столбов уменьшается, а на уровне фурм практически не изменяется. Увеличение расхода дутья влечет за собой незначительное снижение содержания частиц в верхней части барботажных столбов;

6. Экспериментально подтверждена определяющая роль в восстановлении железа в шлакоугольных суспензиях схемы прямого восстановления в одну стадию;

7. Разработана методика анализа кинетики жидкофазного восстановления железа дисперсным твердым восстановителем с определением константы скорости реакции, отнесенной к одной частице восстановителя;

8. Экспериментально установлено, что реакция восстановления железа из шлака дисперсным графитом имеет первый порядок по (FeO). Кажущиеся константы скорости восстановления железа в шлакографитовых суспензиях при Т=1723 К и расходе газа на продувку 0,6 нл/мин составили: для фракции 0,63-0,80 мм - 2,27*10"10 (Kr(FeO)/c), для фракции 1,60-2,00 мм - 2,60*10"9 (Kr(FeO)/c);

9. Установлено, что кажущиеся константы скорости восстановления в шлакографитовых суспензиях зависят не только от размеров частиц и температуры, но и от интенсивности перемешивания расплава. При Т=1723 для фракции 0,630,80 мм они составили: при расходе дутья 0,3 л/мин - 1,86* Ю"10 (Kr(FeO)/c), при расходе дутья 0,6 л/мин - 2,27* Ю"10 (Kr(FeO)/c) и при расходе дутья 1,2 л/мин -2,68*10"10 (Kr(FeO)/c);

10. Разработаны практические рекомендации по увеличению производительности процесса Ромелт на основе совершенствования гидродинамического режима шлакоугольной суспензии:

1. Уровень спокойного шлака над барботажными фурмами целесообразно увеличить с 0,7-0,8 до 1,4-1,6 м; Л

2. Расход дутья на фурму следует увеличить с 600-650 нм /ч до 9501000 нм3/ч;

3. Диаметр сопел барботажных фурм следует оставить неизменным - 30 мм, при этом скорость дутья на выходе из фурмы увеличится с 205 до 265 м/с;

4. Размеры угольных частиц в ванне должны быть менее 20 мм;

5. Содержание угля в ванне должно быть 5-9% от массы ванны;

6. Концентрация FeO в шлаке должна быть 5-6%;

7. Вязкость шлака в печи целесообразно поддерживать на уровне 0,2-0,4 Па*с, повышение вязкости шлака выше 3,0 Па*с нежелательно.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колесников, Юрий Сергеевич, 2006 год

1. Роменец В. А., Валавин В. С., Усачев А. Б. и др. Процесс Ромелт. М.: Руда и металлы, 2005. - 400 с.

2. Ивасаки К., Каваками М., Китагава Т. Результаты эксплуатации полупромышленной установки DIOS // Дзайре то пуросэсу. 1996. - V 9. -№4. - Р. 670.

3. Фукусима X., Сайто Т., Баба М. и др. Сводные результаты экспериментов на полупромышленной установке DIOS // Дзайре то пуросэсу. -1996. -V. 9. №4. - Р. 669.

4. Technical innovations. DIOS use proven systems for new ironmaking option // Metalproducing. 1999. -V. 9. - P. 32.

5. Kitagawa T. Compact, economical and ecological ironmaking process DIOS // International conf. «Commercializing new hot metal processes beyond the blast furnace». - 2000. - Atlanta, Georgia, USA. -June 5-7.-P. 1-15.

6. Macauley D., Price D. HIsmelt a versatile hot iron process // Steel Times International. - 1999. - May. - P. 23 - 25.

7. Dry R., Bates C., Price D. HIsmelt the future in direct ironmaking // ICSTI/ 58th Ironmaking Conf. Proceedings, Chicago, Illinois, USA. - 1999. - V.58. -P. 361 -366.

8. Campbell A. P., Dry R. J., Perazelli P. A. Coal and the versatile HIsmelt Process // Advanced clean coal technology international symposium. 1999. -Tokyo, Japan. -November 1-2. - P. 1-6.

9. Bates P., Muir A. HIsmelt: low cost ironmaking // International conf. «Commercializing new hot metal processes beyond the blast furnace». -2000. Atlanta, Georgia, USA. - June 5-7. - P. 1 - 12.

10. Media-release Rio-Tinto. Commercial-scale HIsmelt plant in Western Australia// Web site of HIsmelt corporation: hismelt.com. 2006.

11. Fogarty J., Hamilton K., Goldin J. Auslron a new direct reduction technology for pig iron production // Skillings Mining Review. - 1998. - May 23. -№5. - P. 4 - 8.

12. Auslron A new smelter for South Australia // Steel Times International. -2001. - №3. - P.13 - 16.

13. Story S., Fruehan R. Kinetics of oxidation of carbonaceous materials by C02 and H20 between 1300 °C and 1500 °C // Metallurgical and Materials Transactions B. 2000. - V. 3 IB. - P. 43 - 54.

14. Гульельмини А., Чиапелли JI., Берточчи П., Де Марчи Дж. Фонтана П. Завод в Пьомбино, работающий по технологии Redsmelt-NST: первые результаты и перспективы // Черные металлы. 2005. - №10. - С. 20-26.

15. Усачев А.Б., Баласанов А.В., Лехерзак В.Е. и др. Исследование системы шлак-уголь-металл в печи РОМЕЛТ. // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1997. - №11. - С. 6-9.

16. Усачев А. Б., Роменец В. А., Баласанов А. В. и др. Управление процессом жидкофазного восстановления Ромелт // Черные металлы. -2000. -№8.-С. 10-14.

17. Гречко А. В., Нестеренко Р. Д., Кудинов Ю. А. Практика физического моделирования на металлургическом заводе. М.: Металлургия, 1976. -224 с.

18. Гинзбург И. П., Сурин В. А., Багаутдинов А. А., и др. // Гидроаэромеханика и теория упругости // Всес. науч. межвуз. сб. Днепропетровск, ДГУ. - 1977. - Вып. 22. - С. 3-17

19. Лебединская Н. А., Живов М. 3., Бейлинсон Л. М. и др. // Теория и практика сжигания газа. 1975. - Л.: Недра, -вып. 6. С. 121-127.

20. Вулис Л. А., Кашкаров В. П. Теория струй вязкой жидкости. М.: Наука, 1965.-430 с.

21. Абрамович Г. Н., Гиршович Т. А., Крашенинников С. Ю. и др. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984. - 717 с.

22. Накорчевский А. И. Гетерогенные турбулентные струи. Киев.: Нау-кова думка, 1980. - 143 с.

23. Спесивцев А. В. Исследование взаимодействия неассимилируемой газовой струи с некоторыми расплавами цветной металлургии: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1973.-21 с.

24. Комков А.А., Васкевич А.Д. Модель двухфазного газожидкостного потока // Известия АН СССР. Металлы. 1989. - №6. - С. 24-29.

25. Themelis N., Tarassoff P., Szekeley J. Gas-liquid momentum transfer in a copper converter // Trans. Met. Soc. AIME. -1969. -V. 245. -P. 2425.

26. Engh T. A., Bertheussen H. Trajectory of a gas/particulate-solids jets in a melt // Scand. J. Metals. 1975. -V. 4. - P. 241.

27. Гречко А. В. Траектория газовой струи в объеме жидкости (расплава) при боковой продувке ванны // Изв. АН СССР. Металлы. 1983. -№5. -С. 32-39.

28. Сборщиков Г. С., Неведомская И. Н., Ковалева А. П. и др. Моделирование гидродинамики аппарата с барботажным слоем // Цветные металлы. -1977.-№7.-С. 13-17

29. Сборщиков Г. С. Исследование и разработка физических основ проектирования и эксплуатации печей с барботажным слоем: Автореф. дисс. докт. техн. наук. М., 2002. - 50 с.

30. Сборщиков Г. С. // Труды III Международной научно-практической конференции «Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М. А. Глинкова», М.: МИ-СиС. 2006.

31. Zhang X., Fruehan R., Vassilicos A., Sarma B. Modeling of the AISI two-zone smelter. Part II: Physical modeling and the AISI pilot plant trials // Iron and Steelmaker. 2001. - June. - P. 55-63.

32. Ballal N. В., Ghosh A.// Metallurgical Transactions B. 1981. - V. 12B. -P. 525-534.

33. Kim S.-H., Fruehan R. Physical modeling of liquid/liquid mass transfer in gas stirred ladles // Metallurgical Transactions B. 1987. - V. 18B. - P. 381-390.

34. Кутателадзе С. С., Стырикович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976. - 296 с.

35. Gestrich W., Kiauss W. Die spezifiche phasen-grenzlachein blasenchichten // Chem. Ind. Techn. -1975. № 29. - P. 360-367.

36. Сурин В. А., Назаров Ю. H. Массо- и теплообмен, гидрогазодинамика металлургической ванны. М.: Металлургия, 1993. - 362 с.

37. Явойский В. И., Дорофеев Г. А., Повх И. Л. Теория продувки сталеплавильной ванны. М.: Металлургия, 1974. - 496 с.

38. Sano М., Mori К., Fujita Y. Size of bubbles in energetic gas ingection into liquid metal // Trans. ISIJ. 1980. - V. 20. - P. 675-681.

39. Меджибожский M. Я., Бакст В. Я., Сельский В. И. Скорость движения газовых пузырей и изменение уровня жидкости при интенсивной ее продувке // Изв. АН СССР. Металлы. 1974. - №2. - С. 6-9.

40. Собакин М. П. Обобщение данных исследований барботажа газа через жидкость на основе теории подобия // Теория металлургических процессов. ЦНИИ ЧМ, сб. 1967. - №56. - С. 101-107.

41. Каплун П. Р., Повх И. Л., Маринин А. В., Перегудов А. С. Влияние параметров дутья и геометрических размеров конвертерной ванны на интенсивность перемешивания // Известия ВУЗов. Черная металлургия. -1974.-№10.-С. 43-47.

42. Mazumdar D. Dynamic similarity considerations in gas-stirred ladle systems // Metallurgical Transactions B. 1990. - V. 21B. - P. 925.

43. Mazumdar D. Guhtrie R., Sahai Y. On mathematical models and numerical solutions of gas stirred ladle systems // Appl. Math. Model. 1993. - V. 17. -P. 225.

44. Mazumdar D., Kim H. В., Guthrie R. Modeling criteria for flow simulation in gas stirred ladles: experimental study // Ironmaking and Steelmaking. 2000. -V. 27.-P. 302-309.

45. Mazumdar D. On the estimation of plume rise velocity in gas-stirred ladles // Metallurgical and Materials Transactions. 2002. - V. 33B. - P. 937.

46. Mazumdar D., Ewans J. W. Macroscopic models for gas stirred ladles // ISIJ International. 2004. - V. 44. - №3. - P. 447-461.

47. Гухман А. А. Введение в теорию подобия. М.: Высшая школа, 1973. - 296 с.

48. Седов Л. И. Методы теории подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1981.- 448 с.

49. Mazumdar D. Guhtrie R. The physical and mathematical modeling of gas stirred ladle systems // ISIJ International. 1995. - V. 35. - №1. - P. 1-20.

50. Sahai Y., Guthrie R. Hydrodynamics of gas stirred melts: Part I. Gas/liquid coupling // Metallurgical Transactions B. 1982. - V. 13B. - June. - P. 193-202.

51. Mazumdar D., Guthrie R. // Metallurgical Transactions B. 1986. - V. 17B. -P. 725-733.

52. Sudhakar V., Mazumdar D. A unified representation of the two-phase plume characteristics in gas-stirred ladle systems // Metallurgical and Materials Transactions. -1996. У. 27B. - P. 704.

53. Koide К., Takazawa A. et al. Gas holdup and volumetric liquid-phase mass transfer coefficient in solid-suspended bubble columns // J. Chem. Eng. Japan. -1984.-№17.-P. 459-466.

54. Yasunishi A., Fukuma M., Muroyama K. Hydrodynamics and gas-liquid mass transfer coefficient in a slurry bubble column with high solid content // Ka-gaku kogaku Ronbunshu. 1986. - №12. - P. 420 - 426.

55. Sada E., Kumazawa H. et al. Gas-liquid interfacial area and liquid-side mass transfer coefficient in a slurry bubble column // Ind. Eng. Chem. Res. -1987. -№26. P. 112-116.

56. Shumpe A., Saxena A., Fang L. Gas/liquid mass transfer in a slurry bubble column // Chem. Eng. Sci. 1987. - №42. - P. 1787 - 1796.

57. Godbole S., Shumpe A., Shan Y. The effects of solid wettability on gas-liquid mass transfer in a slurry bubble column // Chem. Eng. Sci. 1990. - №45. -P. 3593 - 3595.

58. Fukuma M., Muroyama K., Yasunishi A. Specific gas-liquid interfacial area and liquid-phase mass transfer coefficient in a slurry bubble column // J. Chem. Eng. Japan. 1987. - №20. - P. 321 - 324.

59. Sauer Т., Hempel D. Fluid dynamics and mass transfer in a bubble column with suspended particles // Chem. Eng. Technol. 1987. - №10. - P. 180-189.

60. Sanger P., Deckwer W. Liquid-solid mass transfer in aerated suspensions // Chem. Eng. J. 1981. - №22. - P. 179 - 186.

61. Sano Y., Yamaguchi N., Adachi T. Mass transfer coefficients for suspended particles in agitated vessels and bubble columns // J. Chem. Eng. Japan. -1974. №7. -P. 255 -261.

62. Deckwer W., Shumpe A. Hydrodynamic properties of the Fisher-Tropsch slurry process // Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1980. - №19. - P.699-708.

63. Krishna R., Jeroen W. A. et al. Gas holdup in slurry bubble columns: effect of column diameter and slurry concentrations // AIChE Journal. 1997. -№43. -N2. - P.311-316.

64. Shah Y. T. Gas-Liquid-Solid Reactor Design // McGraw-Hill Publ. Co. -New York.- 1979.

65. Sarma В., Cramb A., Fruehan R. Reduction of smelting slags by solid carbon: experimental results // Metallurgical and Materials Transactions. B. 1996. - V. 27B.-№10.-P. 717-730.

66. Story S. R., Sarma В., Fruehan R. J., Cramb A. W., Belton G. R. // Metall. Trans. B. -1998. V. 29B. - P. 929.

67. Seo K., Fruehan R. J. // ISIJ International. 2000. - V. 40. - № 1. - P. 7-15.

68. Зайцев А. К., Роменец В. А., Валавин В. С. и др. // Сталь. 1997. -№12.-С. 56-62.

69. Min D.J., Fruehan R.J. // Metall. Trans. В. 1992. - V. 23В. - Feb. - P. 2937.

70. Усачев А. Б., Лехерзак B.E., Баласанов А.В. Восстановление железа в процессе РОМЕЛТ // Черные металлы. 2000. - № 12. - С. 14-21.

71. Fuva Т. Reduction of liquid iron oxide // Trans. Jap. Inst. Metals. -1988. -V. 29. -№5.-P. 353-364.

72. Mroz J. Redukja tlenkow zelaza z fazy cieklej // Hutnik. 1989. - V. 56. -№2.- P. 67-75.

73. Sugata M., Sugiyama Т., Kondo S. Reduction of iron oxide contained in molten slags with solid carbon // Transactions of ISIJ. 1974. - V. 14. - P. 88 -95.

74. Сато А. Арагане Г. Камихира К. и др. Скорость восстановления расплавленного оксида железа твердофазным углеродным материалом и углеродом, содержащимся в расплаве металлического железа // Тэцу то хаганэ. 1987. - Т. 73. - №7. - С. 812 - 819.

75. Mac Rae D. Kinetics and mechanism of the reduction of solid iron oxides in iron-carbon melts from 1200 to 1500° С // J. Metals. -1965. December. -№17.- P. 1391 - 1395.

76. Lloyd G., Young D., Baker L. Reaction of iron oxide with iron-carbon melts // Ironmaking and Steelmaking. 1975. - V. 2. - P. 49.

77. Lee J., Min D., Kim S. Reaction mechanism on the smelting reduction of iron ore by solid carbon // Metall. and Mater. Trans. B. 1997. - V. 28B. -№12. -P. 1019-1028.

78. Fine H., Meyer D., Janke D. et al. Kinetics of reduction of iron oxide in molten slag by CO at 1873 К // Ironmaking and Steelmaking. 1985. - V. 12. -P. 157-162.

79. Tsukihashi F., Kato K., Otsuka К et al. Reduction of molten iron oxide in CO gas conveyed system // Transactions of ISIJ. 1982. - V. 22. - P. 688 - 695.

80. Хара С., Огино К. Восстановление жидкого шлака на основе оксида железа твердым графитом // Тэцу то хаганэ. 1990. - Т. 76. - №3. - С. 360 -367.

81. Хаяши ILL, Игучи Й. Hydrogen reduction of liquid iron oxide fines in gas-conveyed systems // Тэцу то хаганэ. 1991. - Т. 77. - № 5. - С. 32 - 47.

82. Байдов В. В., Крашенинников М. Г., Филиппов С. И. Закономерности восстановления железа из рудных расплавов водородом // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1964. - №1. - С. 13-19.

83. Попель С.И., Сотников В.Н., Бороненков В.Н. // Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1986. - 462 с.

84. Krishna Murthy G., Sawada Y., Elliott J. Reduction of FeO dissolved in Ca0-Si02-Al203 slags by Fe-C droplets // Ironmaking and Steelmaking. -1993. -V. 20. №3. - P. 179-190.

85. Кухтин Б.А., Смирнов B.M. Механизм реакции восстановления железа из шлаковых расплавов монооксидом углерода // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1990. - №12. - С. 1-4.

86. Кухтин Б. А., Смирнов В. М. Кинетический анализ восстановления железа из силикатного расплава оксидом углерода // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1987. - №2. - С. 3-7.

87. Шурыгин П. М., Бороненков В. Н., Крюк В. И. и др. Кинетика прямого восстановления окислов железа из расплавов // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1965. - №2. - С. 23 - 27.

88. Бороненков В. Н., Есин О. А., Шурыгин П. М. и др. Исследование кинетики прямого восстановления железа из расплавленных оксидов методом поляризационных кривых // Электрохимия. 1965. - № 10. - С. 1245 - 1252.

89. Плышевский А. А., Белогуров В. Я., Михайлец В. Н. Кинетика восстановления окислов железа и кремния из шлаков углеродом // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1982. - №8. - С. 3 -7.

90. Рехтман А. Я., Марков Б. Л., Кривандин В. А. Заводская лаборатория гидравлического моделирования металлургических печей. М.: Металлург-издат, 1956. - 85 с.

91. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 711 с.

92. Брагинский Л. Н., Бегачев В. И., Барабаш В. М. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. - 336 с.

93. Синайский Э. Г. Гидродинамика физико-химических процессов. -М.: Недра, 1997.- 351 с.

94. Warsito, S. Uchida, A. Maezawa, S. Okamura // Journal of Chemical Engineering of Japan. 1997. - V. 30. - №5. - P. 786-792.

95. Левич В. Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматлит, 1959.-699 с.

96. Романков П. Г., Курочкина М. И. Гидромеханические процессы химической технологии. Л.: Химия, 1982. - 287 с.

97. Аэров М. Э., Тодес О. М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. М.-Л.: Химия, 1968.- 510 с.

98. Тодес О. М., Цитович О. Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем. -Л.: Химия, 1981.-296 с.

99. Okada К., Nagata Y., Akagai Y. Effect of packed bed on mass transfer in external-loop airlift bubble column // Journal of Chemical Engineering of Japan. 1996.-V. 29.-P. 582-587.

100. Варенцов А. А., Капустин E. А. О термодинамическом анализе процессов перемешивания расплава // Известия АН СССР. Металлы. -1983. -№6. С. 23-32.

101. Хикс Н. Р. Основные принципы планирования эксперимента. М.: Мир, 1967.-400 с.

102. Зайцев А. К., Криволапов Н. В., Валавин В. С., Вандарьев С. В., По-хвиснев Ю. В. Начальные стадии восстановления железа из шлака процесса Ромелт // Сталь. 2000. - №6. - С. 75-81.

103. Одзава М. Раскисление (FeO) твердым углеродом в жидком шлаке // Дэнки сэйко. 1985. - Т. 56. - №1. - С. 53-62.