Совершенствование технологии производства и плавки титаномагнетитов Качканарского ГОКа в доменных печах

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

 

 

Б.А. Марсуверский 
 
 

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ  
ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ПЛАВКИ  
ТИТАНОМАГНЕТИТОВ КАЧКАНАРСКОГО ГОКа  
В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ 

 

Монография 

 

Москва  2013 

УДК 669.162 
 
М25 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. Уральского федерального университета 
им. первого Президента России Б.Н. Ельцина Н.С Шумаков; 
заместитель генерального директора ОАО «Черметинформация» А.А. Третяк 

Марсуверский, Б.А. 
М25  
Совершенствование технологии производства и плавки титаномагнетитов Качканарского ГОКа в доменных печах : моногр. / Б.А. Марсуверский. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2013. – 
395 с. 

Изложен наименее изученный раздел в металлургии, касающийся механики движения 
шихты, на основе результатов которого разработаны расчеты высоты и очертаний профиля 
доменных печей применительно к условиям плавки титаномагнетитов и АСУ потоком материалов. Впервые разработано устройство для непрерывной регистрации давления потока 
столба шихты в зависимости от сил трения в верхней половине шахты доменной печи и алгоритм подсчета составляющих баланса сил, обеспечивающих движение материалов. 
Для повышения интенсивности доменной ванадиевой плавки усовершенствовали профили типовых доменных печей полезным объемом 1242–1719 м3, а на Качканарском ГОКе 
испытали технологии обжига нескольких видов офлюсованных и неофлюсованных окатышей. Начиная с июня 1993 г. перешли на плавку малоразрушающихся неофлюсованных окатышей и агломерата повышенной основности. Внедрение комплекса мероприятий в 1983–
1988 гг. позволило в сравнении с 1982 г. увеличить выплавку ванадиевого чугуна на 25,1 %, 
уменьшить удельный расход кокса на 4,4 % и снизить содержание серы в чугуне с 0,028 до 
0,022 %. 
Впервые в РФ после передачи металлургии частному капиталу за короткий срок 2004–
2008 гг. на ОАО «НТМК» построен комплекс, состоящий из 2 доменных печей нового поколения. Достигнуты технологические показатели плавки хорошо подготовленных титаномагнетитовых агломерата и окатышей Качканарского ГОКа на уровне передовых предприятий 
за рубежом при использовании магнетитового сырья. Основной причиной снижения кампании доменных печей до 4–5,5 лет следует считать работу на пониженных дутьевых параметрах, при которых в зону потока материалов вошли холодильники заплечиков. Для повышения стойкости холодильников и образования защитного слоя гарнисажа необходимо вести 
доменный процесс с высокой степенью уравновешивания шихты газовым потоком, обеспечивая значение критерия активного веса потока материалов в диапазоне 0,500–0,600. Для 
достижения этой цели предложено подключить к основной турбовоздуходувке дополнительный компрессор высокого давления и изменить конструкцию заплечиков при подготовке к следующей кампании. 
Разработана и внедрена технология доменной плавки передельного чугуна с использованием до 30 % неофлюсованных окатышей на металлургических комбинатах Урала и Сибири, что служит основанием для дальнейшего развития Качканарского ГОКа и разработки 
других месторождений титаномагнетитов. 
Предназначено для научных работников горно-металлургической промышленности, специалистов-технологов и проектных институтов; будет полезно преподавателям, студентам и 
аспирантам металлургических специальностей. Ил. 120. Табл. 79. Библ. список: 225 назв. 

 
© Б.А. Марсуверский, 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................7 
Принятые обозначения...........................................................................11 
1. Железорудное сырье и кокс................................................................15 
1.1. Агломерат Качканарского ГОКа и совершенствование  
его производства .................................................................................15 
1.2. Окатыши Качканарского ГОКа и совершенствование  
режима их обжига...............................................................................18 
1.3. Освоение технологии производства неофлюсованных 
окатышей и агломерата повышенной основности...........................20 
1.4. Кокс КХП НТМК и совершенствование его производства......22 
Выводы ................................................................................................33 
2. Физико-механические характеристики шихтовых материалов  
и поведение их в моделях, сооружениях и доменной печи.................35 
2.1. Физическое состояние потока шихты........................................35 
2.2. Важнейшие механические характеристики сыпучих 
материалов: гранулометрический состав и форма, насыпная  
масса и порозность, углы естественного откоса и внешнего  
трения, коэффициенты внутреннего и внешнего трения................37 
2.3. Разрушаемость железорудного сырья  
при восстановительно-тепловой обработке .....................................43 
2.3.1. Исследование влияния температуры  
восстановительного газа на разрушаемость окатышей  
на лабораторных установках .........................................................43 
2.3.2. Исследование измельчения рудных материалов  
в доменной печи..............................................................................49 
Выводы ................................................................................................53 
3. Давление шихты и газа в моделях, сооружениях  
и доменной печи .....................................................................................54 
3.1. Особенности движения материалов в доменной печи.............60 
3.1.1. Процесс разрыхления слоя при движении .........................61 
3.1.2. Конструктивные решения для повышения  
порозности столба шихты..............................................................65 
3.2. Давление шихты и газа в доменной печи..................................67 
3.2.1. Теоретическое определение давления  
движущегося потока шихты в шахтной печи ..............................67 

3.2.2. Определение вертикального давления  
по распределению насыпного веса, перепада давления газа  
и ускорения движения шихты по высоте печи............................71 
3.2.3. Определение ускорения движения шихты.........................77 
3.2.4. Определение высоты потока шихты...................................82 
3.2.5. Интерпретация результатов расчетов  
применительно к доменной печи..................................................83 
3.3. Метод и устройство для экспериментального  
измерения давления шихты по высоте доменной печи ..................88 
3.3.1. Влияние отдельных факторов на давление шихты ...........96 
3.3.2. Зависимость давления шихты от расхода дутья..............102 
3.3.3. Влияние давления шихты на ширину зоны  
потока материалов........................................................................108 
3.3.4. Влияние давления потока шихты  
на продолжительность службы и основные показатели  
работы доменных печей...............................................................110 
3.3.5. Изменения в балансе сил потока шихты  
в зависимости от физических свойств шихты ...........................122 
3.3.6. Изменения в балансе сил столба шихты в период 
продолжительных остановок и при раздувке печи ...................127 
Выводы..............................................................................................134 
4. Выплавка ванадиевого чугуна из титаномагнетитов Урала.........137 
4.1. Особенности доменной плавки титаномагнетитов ................137 
4.1.1. Условия проведения и метод исследования.....................137 
4.1.2. Температура и состав газа в шахте ...................................140 
4.1.3. Давление газа и шихты в шахте ........................................143 
4.1.4. Технико-экономические показатели.................................144 
Выводы..............................................................................................145 
4.2. Освоение технологии выплавки ванадиевого чугуна  
на ЧусМЗ и на типовых доменных печах НТМК ..........................145 
4.3. Совершенствование конструкции доменных печей  
на НТМК............................................................................................157 
4.3.1. Коррекция профиля доменной печи .................................157 
4.3.2. Модернизация шахты и колошника доменных печей.....163 
4.4. Совершенствование технологии плавки  
титаномагнетитового сырья ............................................................172 
4.4.1. Обогащение дутья кислородом.........................................172 

4.4.2. Плавка офлюсованных окатышей  
повышенной прочности ...............................................................183 
4.4.3. Переход на применение неофлюсованных  
окатышей и агломерата повышенной основности.....................190 
4.4.4. Использование титаномагнетитов  
при выплавке передельного чугуна ............................................219 
4.5. Шлаковый режим.......................................................................237 
4.5.1. Использование ванадий-углекварцевых сланцев ............240 
4.5.2. Производство борсодержащего агломерата  
и плавка в доменной печи............................................................243 
4.5.3. Использование первичного мартеновского шлака..........246 
Выводы ..............................................................................................251 
5. Автоматизированное управление технологическим  
процессом..............................................................................................253 
5.1. Средства контроля и управления .............................................253 
5.2. Обработка информации и существующие  
алгоритмы управления.....................................................................253 
5.2.1. Анализ технологических показателей  
для управления тепловым состоянием .......................................257 
5.2.2. Алгоритмы управления газодинамическими  
и механическими процессами .....................................................268 
5.2.3. Комплексные системы управления...................................271 
5.3. Стабилизация теплового состояния доменных печей  
с использованием АСУ дозированием кокса .................................274 
5.3.1. Устройство и градуировка .................................................275 
5.3.2. Технико-экономические показатели.................................280 
5.4. Автоматизированное управление активным весом шихты ...285 
5.4.1. Алгоритм подсчета составляющих баланса сил  
в доменной печи............................................................................285 
5.4.2. Состав автоматизированной системы  
и отображение информации о ходе доменной печи..................287 
5.4.3. Статистические модели......................................................299 
5.4.4. Анализ работы доменной печи  
с использованием моделей...........................................................319 
5.5. Разработка режима работы печи для образования  
гарнисажа в шахте и заплечиках.....................................................326 
5.5.1. Условия проведения опытных плавок ..............................326 
5.5.2. Результаты исследований ..................................................330 

5.5.3. Выявление границ технологических режимов, 
обеспечивающих сохранность холодильников шахты .............337 
5.6. Разработка модели управления потоками шихтовых 
материалов и газов ...........................................................................340 
5.6.1. Характеристики основных режимов работы  
доменной печи в секторе I...........................................................341 
5.6.2. Характеристики основных режимов работы  
доменной печи в секторе II..........................................................343 
5.6.3. Распределение давления и зоны потока материалов  
по высоте доменной печи ............................................................344 
Выводы..............................................................................................346 
6. Технико-экономические показатели работы  
доменных печей НТМК .......................................................................348 
6.1. Доменные печи типовой конструкции  
до и после реконструкции................................................................348 
6.2. Совершенствование выплавки ванадиевого чугуна...............353 
6.2.1. Обогащение дутья кислородом .........................................353 
6.2.2. Использование различных видов  
офлюсованных окатышей............................................................355 
6.3. Доменные печи нового поколения с использованием  
в шихте неофлюсованных окатышей и агломерата  
повышенной основности..................................................................361 
Выводы..............................................................................................373 
Заключение............................................................................................375 
Список используемой литературы......................................................377 

ВВЕДЕНИЕ 

Россия обладает крупнейшими в мире запасами ванадийсодержащих 
титаномагнетитовых руд. В промышленных запасах железных руд Урала (около 14,8 млрд т) титаномагнетиты составляют 76,8 %. Бедные титаномагнетиты представлены Кытлымской и Качканарской группами, 
Висимским, Сурянским и Велиховским месторождениями, а богатые – 
Кусинским, Копанским и Медведевским месторождениями [1]. 
Впервые выплавку ванадиевого чугуна из титаномагнетитового 
агломерата, спеченного на Гороблагодатской фабрике из Кусинского 
концентрата, в смеси с первоуральской рудой осуществили на Чусовском металлургическом заводе (ЧусМЗ) в 1936 г. на печах малого 
объема Vп = 183 и 257 м3. На которых в 1940–1953 гг. проплавляли 
сырую кусинскую и первоуральскую руду, в том числе и на печи 
среднего объема 600 м3, а начиная с 1953 г. сырую кусинскую руду 
заменили кусинским неофлюсованным агломератом. В дальнейшем, 
с марта 1965 г., к последнему добавили офлюсованный агломерат 
Качканарского ГОКа (КГОК) [2]. 
Если Кусинское месторождение к настоящему времени отработано, то Качканарский рудный комплекс в составе Гусевогорского и 
Качканарского месторождений обладает запасами около 12 млрд т 
титаномагнетитовой руды. Балансовые запасы разрабатываемого Гусевогорского месторождения составляли на 1 января 1993 г. около 
5,8 млрд т, и по объему добычи сырой руды КГОК является одним из 
крупнейших в мире [3]. 
Освоение плавки титаномагнетитов на доменной печи большого 
объема 1033 м3 ЧусМЗ в 1961 г. позволило, после ввода Качканарской аглофабрики, начать регулярную выплавку ванадиевого чугуна 
на двух доменных печах объемом по 1242 м3 Нижнетагильского металлургического комбината (НТМК). С вводом в 1970 г. на КГОКе 
фабрики окатышей для НТМК подключили к выплавке ванадиевого 
чугуна доменную печь объемом 1513 м3, а на ЧусМЗ снизили долю 
сырой руды в шихте. 
Для преодоления известных трудностей технологии доменной 
плавки титаномагнетитов [2], на НТМК печи с одним литейным двором оборудовали вторыми чугунными летками, поворотные желоба 
заменили ваннами для разливки чугуна [4], ввели в эксплуатацию два 
депо для обработки чугуновозных ковшей и одно – для ремонта шла

ковозов, а также установку для выбивки скардовин. С целью облегчения условий труда внедрили пневмогрейферы, трамбовки, усиленные 
бурильные машины и качественную леточную массу, увеличили количество выпусков чугуна и отказались от отработки верхнего шлака [5]. 
В 1970 г. на НТМК начали освоение выплавки низкокремнистого 
чугуна с обогащением дутья кислородом. В итоге содержание кремния и титана в чугуне снизилось соответственно с 0,29 до 0,18–
0,22 % и с 0,25–0,28 до 0,19–0,22 %. Если освоение производства мартеновского чугуна на комбинированном дутье проходило без 
особых трудностей, то при плавке титаномагнетитов ожидаемого 
эффекта от применения кислорода получено не было, главным образом из-за возросших потерь металла со шлаком. Производительность 
печей при выплавке ванадиевого чугуна оставалась ниже, чем при 
использовании местного сырья, несмотря на большее содержание 
железа (на 3–5 %) в титаномагнетитах. 
Значительный вклад в разработку и освоение технологии выплавки низкокремнистого чугуна внесли С.В. Шаврин, И.Н. Захаров, 
А.В. Ченцов, 
В.В. Фролов 
(Имет 
УрО 
РАН), 
А.А. Фофанов, 
В.И. Гладышев, Б.М. Герман (Уральский ин-т металлов), Е.З. Фрейдензон, Г.Е. Овчинников, И.И. Пушкаш, Б.Л. Лазарев (НТМК). Однако к 1982 г. результаты теоретических разработок, проведенных 
лабораторных и промышленных исследований были практически 
исчерпаны. По мнению автора, для дальнейшего повышения эффективности доменной ванадиевой плавки требовалось изучить механику взаимодействия тугоплавких с высокой насыпной массой и абразивностью титаномагнетитов КГОКа со стенками печи и газовым 
потоком, а затем усовершенствовать профиль плавильных агрегатов. 
Впервые в отечественной практике влияние возросшего давления 
шихты в доменных печах проявилось в 1972–1977 гг. на Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК) при переходе с плавки 
офлюсованных доломитом окатышей Соколовско-Сарбайского ГОКа 
(ССГОКа) на неофлюсованные и выразилось в снижении стойкости 
гарнисажа, огнеупорной футеровки и холодильников шахты и заплечиков. Через 1,5 года все десять доменных печей практически были 
выведены из строя, в том числе капитально отремонтированные в 
1971-1972 гг. Продолжительность кампании печей между капремонтами II разряда сократилось вдвое от ранее достигнутого уровня 
3,5 года [6]. 

Благоприятные условия для возобновления широкого изучения 
доменного процесса и механики движения шихты, в частности, на 
печах НТМК создались только в начале 1982 г., когда при поддержке 
В.Г. Удовенко – генерального директора комбината, и инициативе 
В.С. Новикова – начальника доменного цеха, существенно укрепили 
лабораторию металлургии чугуна с созданием группы по проведению промышленных исследований. Значительный вклад в проведение замеров на доменных печах и обработку результатов опытов внесли С.Р. Зорин, Ю.Н. Козин, Г.Я. Хомутов, А.Ю. Чернавин и 
Г.Н. Вернигор (НТМК). 
В монографии обобщены результаты исследований, проведенных 
коллективом лаборатории в период 1982–1994 гг. на НТМК, когда 
автор имел возможность планировать большинство исследований и 
принимать в них личное участие. Позднее, в 1994–1997 гг., автор в 
сотрудничестве с руководством Качканарского ГОКа и С.Г. Меламудом (УралМеханобр) разрабатывал и внедрял технологию плавки 
неофлюсованных окатышей на других металлургических предприятиях Урала [7, 8] и Сибири [9]. Эта мера носила временный характер и совпала с процессом адаптации к рынку производств черной 
металлургии России, переданных Правительством РФ в сферу ответственности частного сектора. В отсутствие регулирования мировых 
финансовых рынков в металлургии произошло снижение цен на металлопродукцию до самого низкого уровня в истории металлургии, 
многие компании [10] были вынуждены сократить производство, в 
том числе и НТМК. 
В условиях несвоевременных платежей со стороны НТМК и 
ЧусМЗ за окускованное сырье и сдерживание сбыта окатышей при 
переполненных складах руководство КГОК для выживания вынуждено было искать новых потребителей сырья. Одним из крупных потребителей явился Западно-Сибирский металлургический комбинат 
(ЗСМК), простаивавший из-за недопоставок рудных концентратов с 
Коршуновского ГОКа. 
Освоение плавки до 30 % неофлюсованных окатышей КГОКа в 
шихте доменных печей ЗСМК (Vп = 2000–3000 м3), оснащенных 
мощными воздуходувными средствами, АСУ ТП, загрузочными устройствами роторного типа и подвижными плитами колошника, прошло в рекордно сжатый срок (август-декабрь 1994 г.) с повышением 
производительности на 1,5 % и снижением удельного расхода кокса 
на 2,5 % [9]. 

Наличие АСУ ТП на ЗСМК позволило автору начать испытание 
устройства для непрерывной регистрации силы трения шихты о 
стенку мощной доменной печи и системы автоматизированного 
управления ходом плавки с использованием данных об активном весе шихты [12]. Позднее, начиная с 1998 г., эта работа получила продолжение в доменном цехе ОАО «Северсталь» на более совершенной 
АСУ ТП. Внедрение новой системы позволило стабилизировать процессы восстановления и плавления по высоте печи, что наиболее актуально при выплавке низкокремнистых ванадиевых чугунов.