Разработка процесса бескоксового получения чугуна с использованием парокислородного дутья тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Харченко, Олег Алексеевич

• Харченко, Олег Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Харченко, Олег Алексеевич

Введение.

1. Состояние вопроса.

1.1. Внедоменные способы восстановления, переработки железорудного сырья и агрегаты для их реализации.

1.2. Приоритетные пути интенсификации процессов восстановления железорудного сырья.

1.3. Технологические особенности применения парокислородного дутья.

1.4. Постановка задачи исследования и цель работы.

2. Обоснование способа восстановления железорудного сырья и принципиальных основ конструкции агрегата.

2.1. Теоретические основы реализуемого процесса восстановления железорудного сырья.

2.2. Технологическая схема предлагаемого способа восстановления железорудного сырья.

2.3. Термодинамическое моделирование и анализ предлагаемого металлургического процесса.

2.4. Принципиальные основы конструкции предлагаемого агрегата.

Выводы.

3. Анализ основных параметров по зонам агрегата.

3.1. Расчет теплофизических процессов в струйном реакторе.

3.1.1. Математическое описание горения угольных частиц в струйном реакторе.

3.1.2. Математическое описание теплофизических процессов взаимодействия железорудного материала с газовым потоком в струйном реакторе.

3.2 Расчет процессов плавления и восстановления в циклонном реакторе.

3.2.1. Описание процессов в циклонном реакторе.

3.2.2. Рассмотрение взаимосвязи конструктивных размеров циклона с пылеосаждением.

3.3. Расчет седиментации шлакометаллического расплава. в миксерной зоне реактора.

Выводы.

4. Экспериментальное определение некоторых параметров предлагаемого процесса восстановления железорудного сырья.

4.1. Объекты исследования и определение параметров подобия моделируемых процессов.

4.2. Экспериментальный стенд для исследования металлургических процессов.

4.3. Методы проведения экспериментов.

4.4. Исследования теплофизических процессов на реакторе восстановления оксидов в потоке газа.

4.5. Исследования теплофизических процессов восстановления с применением пароплазменного нагрева.

Выводы.

5. Расчет показателей процесса восстановления железа в предлагаемой технологии.

5.1. Математическая модель реализуемых процессов.

5.1.1. Предварительное определение выхода восстановленного железа.

5.1.2. Определение расхода восстановителя.

5.1.3. Уточненное определение количества металла.

5.1.4. Определение расхода парокислородного дутья и состава образующегося газа.

5.1.5. Расчет теплового баланса.

Выводы.

6. Разработка технического задания на проектирование металлургического агрегата с парокислородным дутьем (ПКМА).

6.1. Общие положения.

6.2. Структура ПКМА.

6.3. Рабочее пространство (миксер - отстойник).

6.4. Газификатор.

6.5. Струйный реактор.

6.6. Циклонный ректор.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка процесса бескоксового получения чугуна с использованием парокислородного дутья»

Известны огромные заслуги российской научной школы в становлении и развитии теории и технологии доменного процесса и работы доменных печей [1]. В соответствии с их рекомендациями и опытом работы многочисленной армии профессионалов доменное производство было и еще долго будет основой черной металлургии.

Однако ухудшение качества рудного сырья и неизбежный и непрерывно возрастающий дефицит коксующихся углей вызывают необходимость создания альтернативных процессов организации восстановления.

В связи с этим за последние 50 лет в черной металлургии получили развитие внедоменные способы получения чугуна, позволяющие обойтись без дорогостоящих кокса и агломерата, производимых по экологически вредным технологиям.

Внедоменная металлургия развивается по двум направлениям. По одному из направлений подготовленную железную руду, например окатыши, подвергают металлизации путем твердофазного восстановления оксидов железа твердым или газообразным восстановителем. Примером данного процесса являемся Мидрекс [2, 3]. Металлизованные 80-94% окатыши могут сразу использоваться в сталеплавильных агрегатах. По другому направлению оксиды железа из шихты восстанавливают в жидкой шлаковой фазе твердым или газообразным углеродистым восстановителем, при этом, как правило, получают чугун. Примерами жидкофазного восстановления оксидов железа с получением чугуна могут быть процессы Корекс, Ромелт, Диос, БАС-Домна и др. [4-8], но, так как нет однозначного ответа о выборе приоритетной технологии, то поиски в этом направлении продолжаются.

В данной работе предлагается еще один вариант организации технологического процесса жидкофазного восстановления железорудного сырья с использованием парокислородного дутья. Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре теплотехнических и энергетических систем.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Харченко, Олег Алексеевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан процесс внедоменного восстановления железорудного сырья с применением парокислородного дутья. Основными особенностями которого являются:

- переработка железорудного сырья, в том числе непригодного для доменной плавки без предварительного окускования или агломерации;

- организация безазотной восстановительной высокотемпературной (1600-2000 °С) среды, рециркулирующей в системе реакторов;

- использование в качестве топлива малосернистых энергетических углей.

2. Разработана математическая модель расчета предлагаемого процесса восстановления железорудного сырья при использовании парокислородного дутья или пароплазменного нагрева при высокотемпературной рециркуляции отходящих газов, обеспечивающая возможность обоснованного выбора конструктивных и режимных решений при проектировании металлургических агрегатов. Адекватность математической модели проверена путем прямого эксперимента на разработанных лабораторных стендах.

3. Посредством математического моделирования определены технологические параметры для различной организации разрабатываемого процесса.

4. Выполнены численные расчеты для варианта использования Канско-Ачинского угля. Определены временные диапазоны стадий его горения по зонам агрегата с образованием восстановительных атмосфер. Установлено, что данные частицы угля с d>0,3 мм не успевают полностью сгореть в струйном реакторе и образуют разогретый слой коксового остатка на стенках циклона, который в дальнейшем может участвовать в восстановительных металлургических процессах.

5. Разработана методика определения основных показателей предлагаемого способа восстановления, позволяющая составлять материальные и тепловые балансы реализуемых процессов и выполнять технико-экономическое сравнение основных показателей. Рассчитана энергоемкость предлагаемого процесса получения чугуна из титаномагнетитового сырья при использовании энергетических углей. Она составила при организации парокислородного дутья 960-1100 кг у .т., при применении пароплазменного нагрева 1000-1250 кг у.т.

6. На основе предложенного способа на экспериментальном стенде опробована возможность переработки титаномагнетитовых руд с содержанием ТЮ2 8-12 % с получением расплава, близкого по химическому составу к чугуну (содержание, %: С=4,5; Si=0,78; V=0,26; Ti=0,4; S=0,007; Р=0,06).

7. При использовании пароплазменного нагрева установлено, что применение в качестве плазмообразующего газа водяного пара интенсифицирует перевод углерода в газовую фазу. Использование углесодержащих материалов только в роли восстановителя позволяет, регулируя соотношение вводимых в печь углерода и электрической энергии, получать широкую гамму сплавов Fe-C. При этом возможно обеспечить высокую производительность восстановительного реактора при небольших относительных размерах агрегата.

8. Разработана конструкция агрегата восстановления оксидов, конструкция шлакоганулятора-газификатора, на которую получен патент РФ на полезную модель. Разработано техническое задание на проектирование рециркуляционной печи для выплавки чугуна из титаномагнетитовой шихты в условиях ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Промышленная реализация предлагаемого процесса восстановления железорудных материалов будет способствовать расширению использования сырьевой базы Южного Урала и Сибири, снижению себестоимости металлопродукции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Харченко, Олег Алексеевич, 2006 год

1. Кожевников И.Ю. Бескоксовая металлургия железа. М.: Металлургия, 1970.-321 с.

2. Линчевский Б.В., Соболевский А.Л. Металлургия черных металлов. М.: Металлургия, 1986. - 360 с.

3. Курунов И.Ф., Савчук Н.А. Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа. М.: Черметинформация, 2002. - 198 с.

4. Восстановительная плавка железных руд по типу «Корекс» / Л. Богдани, В. Нидер, Г. Шмидт и др. // Черные металлы. 1998. № 10. С. 28-36.

5. Роменец В.А. «РОМЕЛТ» полностью жидкофазный процесс получения металла// Известия вузов. Черная металлургия. 1999. № 11. - С. 13-23

6. Новые процессы производства металла: состояние и перспективы / В.А. Роменец. Металлург. 2001. №11. - С. 30-38.

7. Шевелев Л.Н. Анализ тенденций развития мирового рынка стали // Электрометаллургия. 2006. № 2. С. 2-13.

8. Юсфин Ю.С., Гиммельфарб А.А., Пашков Н.Ф. Новые процессы получения металла. М.: Металлургия, 1994. - 319 с.

9. Федулов Ю.В. Альтернативные направления развития доменного производства в XXI веке // Сталь. 2002. № 10. С. 8-13.

10. Ширяев П.А., Ярхо Б.Н., Борц Ю.М. Металлургическая и экономическая оценка железорудной базы СССР. М.: Металлургия, 1978. - 230 с.

11. Пришел черед комплексных руд / Л. Быховский, Л. Тигунов, М. Масловский. Металлы Евразии. 2005. № 3. - С. 28-32.

12. Проблемы доменной плавки титаномагнетитов и пути их решения / С.К. Носов, В.В. Филиппов, С.В. Шаврин и др. // Сталь. 2003. № 6. С. 6-9.

13. Волков Ю.П., Манаенко И.П., Федулов Ю.В. Доменный цех Магнитки: дела и люди. — Магнитогорск: Дом печати, 2001. — 447 с.

14. Патент по а.с. СССР № 129213. МКИ (С21В 13/14) Устройство для прямого получения железа / В.М. Зудин, И.И. Морев, Ф.Д. Воронов и др. // Приоритет 24.11.1959.

15. Патент по а.с. (СССР) МКИ (С21В 13/14) № 148816. Установка для прямого получения стали / В.М. Зудин, И.П. Манаенко, И.И. Морев и др. // Приоритет 28.02.1961.

16. Миляев В.М. Прямое получение железа в жидком виде // Домез.1932. № Ю.-С. 21-27.

17. Карпенко Е.И., Мессерле В.Е. Введение в плазменно-энергетические технологии использования твердых топлив. Новосибирск: Наука. - Сиб. изд. фирма РАН, 1997. - 119 с.

18. Первые промышленные результаты производства чугуна по способу Ко-рекс // Черные металлы. 1990. № 3. С. 45- 47.

19. А.с. СССР № 1608225. МКИ (С21В 13/14) Способ восстановления железорудного сырья в жидкой шлаковой ванне / В.А. Роменец, А.В. Ванюков. В.П Быстров и др.

20. А.с. СССР № 1608226 МКИ. (С21В 13/14) // Открытия. Изобретения.1990. №43.

21. Роменец В.А. Процесс жидкофазного восстановления железа; разработка и реализация // Сталь. 1990. №8. С. 20-27.

22. Шелудченко В.И., Кравцов В.В., Кучер С.В. К вопросу охлаждения реакционной зоны агрегатов жидкофазного восстановления железа и газификаторов с жидким шлакоудалением: Сб. науч. тр. Т.6. -- Днепропетровск: ДГМИ, 2002. С. 37-39.

23. Кравцов В.В., Шелудченко В.И., Кучер С.В. Исследование процесса жидкофазного восстановления железа в газификаторе ПЖВ - Донецьк: Науков1 пращ ДонДТУ. Металурпя. - 2001. - 172 с.

24. Пат. РФ № 2151197. МКИ7 Способ выплавки чугуна и агрегат для его осуществления / Ю.В. Федулов

25. А.с. СССР № 1197465 МКИ7 С21В 13/02. Способ получения железа из железной руды / A.M. Бигеев, А.Н. Горбатов, Ю.А. Колесников и др. (SU). 3722724/22-04; опубл. 09.04.1984.

26. Необходимость и принципиальные основы создания технологии многостадийного бескоксового жидкофазного восстановления железного сырья / A.M. Бигеев, Р.С. Тахаутдинов, В.А. Бигеев, и др. // Тезисы Междунар. науч.-практ. конф. М.: МИСиС, 2000. - С. 42-49.

27. Цымбал В.П., Мочалов С.П. Модели и механизмы самоорганизации в технике и технологиях. Новокузнецк: СибГИУ, 2003. - 500 с.

28. Доменное производство: Справочник под ред. И.П. Бардина в 2-х т. -М.: Металлургиздат, 1963.

29. Е. van S. Callenfells, К. Meijer. Smelting reduction processes. MILLENNIUM STEEL. The leading review of advenced process technology worldwide. 2001. p. 75-82.

30. Есин O.A., Гельд В.П. Физическая химия пирометаллургических процессов. 4.1. М.: Металлургиздат, 1962. - 654 с.

31. Высокотемпературная дисперсная система как способ интенсификации процесса восстановления окислов железа / В.М. Немкин, И.И. Морев и др., // Термодинамика и кинетика процессов восстановления: сб. науч. тр. -М.: Наука, 1972.-С. 86-88.

32. Филиппов С.И. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1967.-279 с.

33. Троянкин Ю.В. Проектирование и эксплуатация высокотемпературных технологических установок: Учеб. пособие для студентов вузов. М.: МЭИ, 2002. - 324 с.

34. Моссэ A.JL, Буров И.С. Обработка дисперсных материалов в плазменных реакторах. Мн.: Наука и техника, 1980. - 208 с.

35. Смульский И.И. Аэродинамика и процессы в вихревых камерах. Новосибирск: Наука, 192.-301 с.

36. Высокотемпературные теплотехнические процессы и установки: Учеб. для вузов / И.И. Перелетов, Л.А. Бровкин и др.; под редакцией А.Д. Ключникова. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 336 с.

37. Теория металлургических процессов / Д.И. Рыжонков, П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев и др. М.: Металлургия. 1989. - 392 с.

38. Иванов Н.И. Применение кислорода в мартеновских печах. Свердловск: Металлургиздат, I960. - 216 с.

39. Глинков М.А., Глинков Г.М. Общая теория печей. М.: Металлургия, 1978.-264 с.

40. Миткалинный В.И. Струйное движение газов в печах. М.: Металлургиздат. 1961. - 184 с.

41. Головина Е.С. Высокотемпературное горение и газификация углерода. -М.: Энергоатомиздат, 1983. -173 с.

42. Глинков М.А. Основы общей теории печей. М.: Металлургия, 1962. -576 с.

43. Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин и др. М.: Металлургия, 1989.- 512 с.

44. Воронин Г.Ф. Основы термодинамики. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. -192 с.

45. Сурис А.Л. Термодинамика высокотемпературных процессов: Справочник. М.: Металлургия, 1985. - 586 с.

46. Пригожин И., Дефей Р. Химическая термодинамика. Новосибирск: Наука, 1966.- 510 с.

47. Моисеев Г.К., Ватолин Н.А. Некоторые закономерности изменения и методы расчета термохимических свойств неорганических соединений. -Екатеринбург: Изд. УрО РАН, 2001. 136 с.

48. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. М.: Высш. школа, 1976.-479 с.

49. Ватолин Н.А., Моисеев Г.К., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. М.: Металлургия, 1994. - 353 с.

50. Трусов Б.Г. Термодинамический метод анализа высокотемпературных состояний и процессов и его практическая реализация. М.: МГМИ, Дисс. . докт. техн. наук, 1984. - 292 с.

51. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов / Г.Б.Синярев, Н.А.Ватолин, Б.Г.Трусов, Г.К.Моисеев. -М.:Наука, 1982.- 263с.

52. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание: В 4-х т./ Л.В.Гурвич, И.В. Вейц, В.А. Медведев и др. М.: Наука, 1982.

53. JANAF Thermochemical tables: 2-nd edition. NSRDS-NBS 37.- Washington: US Gov.Print.Office, 1971. 1141p.

54. Основные свойства неорганических фторидов: Справочник / Под ред. Н.П. Галкина. М.: Атомиздат, 1975. - 400 с.

55. Болгар А.С., Турчанин А.Г., Фесенко В.В. Термодинамические свойства карбидов. Киев: Наук, думка, 1973. - 270 с.

56. Barin J., Knacke О. Thermochemical properties of inorganic substances. -Berlin: Springer-Verlag, 1973. 921 p.

57. Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика сплавов железа. М.: Металлургия, 1984. - 207 с.

58. Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов: Учеб. пособие для вузов. М.: Металлургия, 1988. - 288 с.

59. Вегман Е.Ф. Краткий справочник доменщика. М.: Металлургия, 1981. -240 с.

60. Теплофизические свойства топлив и шихтовых материалов черной металлургии: Справочник / В.М. Бабошин, Е.А. Кричевцов и др. М.: Металлургия, 1982. - 152 с.

61. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольно-го факела. М.: Энергоатомиздат. 1986. - 206 с.

62. Мастрюков Б.С. Расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1986.- 375 с.

63. Равич М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. М.: Наука, 1966.-416 с.

64. Латс М.К., Фришман Ф.Л. О допущениях, применяемых при расчете двухфазной струи // Изв. АН СССР. 1970. № 2. С. 125—129.

65. Абрамович Г.Н. О влиянии примеси твердых частиц пли капель на структуру турбулентной газовой струи // ДАН СССР. 1970. № 5. С. 118—125.

66. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. Л.: Химия, 1977. - 280 с.

67. Плазмохимическая переработка угля / М.Ф.Жуков, Р.А. Калиненко и др., -М.: Наука, 1990.-200 с.

68. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики М.: Наука, 1966.-724 с.

69. Жигалов Г.П., Харченко О.А. Утилизация отходов огнеупорного производства в плазменных печах.// Огнеупоры. 1994. № 3. С. 16-17.

70. Сабуров Э.Н., Аэродинамика и конвективный теплообмен в циклонных нагревательных устройствах. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1982. - 240 с.

71. Бигеев A.M. Математическое описание и расчеты сталеплавильных процессов: Учеб. пособие для вузов. М.: Металлургия, 1982. - 160 с.

72. Морозов А.П., Агапитов Е.Б. Интенсификация комплексной обработки стали при циркуляционном вакуумировании с плазменным нагревом: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2003. 139 с.

73. Химические вещества из угля. Пер. с нем. / Под ред. И.В.Калечица М.: Химия. 1980.- 616 с.

74. Цымбал В.П. Математическое моделирование металлургических процессов. М.: Металлургия, 1986. - 240 с.

75. Блинов О.М., Беленький A.M., Бердышев В.Ф. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1993. - 288 с.

76. Харченко О.А., Ячиков И.М., Иванов Н.И. Исследования восстановления железорудного сырья с использованием паро-плазменного нагрева // Сталь. 2006. № 9. С. 4-5.

77. Рамм А.Н. Комплексный метод расчета материального и теплового баланса доменной плавки // Труды Гипромеза. Высш. Ш. М.: Металлург-издат, 1941. вып. 3. - 68 с.

78. Бабарыкин Н.Н. Расчет материального и теплового балансов доменной плавки по опытным данным: Метод, пособие. Магнитогорск: МГМИ, 1992.-32 с.

79. Петров JI.B., Котий В.Н., Универсальная методика расчета равновесного состава высокотемпературных технологических газов // Производство чугуна: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: МГМИ, 1990. - С. 78-83.

80. Товаровский И.Г. Сопоставление расхода топлива в доменной плавке и процессе жидкофазного восстановления Ромелт // Сталь. 1998. № 12. -С. 7-12.

81. Теплотехнические расчеты металлургических печей / Б.Ф. Зобнин, М.Д. Князяев, Б.И. Китаев и др. М.: Металлургия, 1982. - 360 с.

82. Шаргут Я. Теплоэнергетика в металлургии. М.: Металлургия, 1976. -152 с.

83. Шаргут Я. Эксергия. М.: Наука. 1980. - 220 с.

84. Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агрегаты / А.П. Воинов, В.А. Зайцев и др. / Под ред. JI.H. Сидельковского. М.: Энергоатомиздат, 1989.-272 с.

85. Пат. РФ. ПМ № 45135 МКИ7 С04В 5/02 Устройство для грануляции расплава шлака / О.А. Харченко, опубл. 27.04.2005.