Расширение функциональных возможностей агрегатов для подготовки железорудного сырья к металлургической плавке
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Павловец Виктор Михайлович
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 328
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-9729-1170-7
Артикул: 815387.01.99
Раскрыта проблема расширения функциональных возможностей агрегатов для подготовки железорудного сырья к металлургической плавке в сфере производства железорудных окатышей. Изложены основы теории и технологии производства железорудных окатышей. Представлены результаты научных исследований и технические разработки автора в области теории и технологии подготовки железорудного сырья к металлургической плавке, посвященные новой технической концепции производства железорудных окатышей. Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Металлургия», а также аспирантов и инженерно-технических работников.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.02: Металлургия
- ВО - Магистратура
- 22.04.02: Металлургия
- Аспирантура
- 22.06.01: Технологии материалов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
В. М. Павловец РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЛАВКЕ Монография Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023 1
УДК 669.162.23 ББК 34.323 П12 Рецензенты: доктор технических наук, профессор кафедры металлургии черных металлов Юргинского технологического института (филиала) ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» Р. А. Гизатулин; кандидат технических наук, доцент кафедры теплофизики и информатики в металлургии Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина В. И. Матюхин Павловец, В. М. П12 Расширение функциональных возможностей агрегатов для подготовки железорудного сырья к металлургической плавке : монография / В. М. Павловец. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 328 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1170-7 Раскрыта проблема расширения функциональных возможностей агрегатов для подготовки железорудного сырья к металлургической плавке в сфере производства железорудных окатышей. Изложены основы теории и технологии производства железорудных окатышей. Представлены результаты научных исследований и технические разработки автора в области теории и технологии подготовки железорудного сырья к металлургической плавке, посвященные новой технической концепции производства железорудных окатышей. Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Металлургия», а также аспирантов и инженерно-технических работников. УДК 669.162.23 ББК 34.323 ISBN 978-5-9729-1170-7 Павловец В. М., 2023 Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 2
СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................................. 6 ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................... 7 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПОДГОТОВКИ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЛАВКЕ .............................................................................................................................. 10 1.1. Общие сведения о практике использования и производстве железорудных окатышей ................................................................................................. 10 1.2. Общая характеристика технологии производства железорудных окатышей ........................................................................................................................... 13 1.3. Основы теории и практики окомкования железорудных окатышей ................... 17 1.4. Основы теории и практики термообработки железорудных окатышей .............. 23 1.4.1. Закономерности сушки капиллярно-пористых тел ........................................ 23 1.4.2. Характеристика физико-химических процессов высокотемпературного обжига окатышей ................................................................ 29 1.4.3. Физические основы процесса спекания .......................................................... 37 2. АНАЛИЗ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ РЕЗЕРВОВ И РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОЙ СТРУКТУРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОДГОТОВКИ ЖЕЛЕЗОРУДНОЙ ШИХТЫ К СПЕКАНИЮ .................................... 43 2.1. Разработка технологического алгоритма альтернативных способов подготовки железорудной шихты к спеканию на основе морфологического анализа ............................................................................................. 43 2.2. Анализ структурно-технологической схемы и совместимость элементов способов подготовки шихты к спеканию с заданными технологическими условиями ......................................................................................... 53 3. ОРГАНИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ, СТРУКТУРНО СОДЕРЖАЩЕГО ПРИНУДИТЕЛЬНОЕ ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЕ СПОСОБОМ НАПЫЛЕНИЯ ВЛАЖНОЙ ШИХТЫ НА ДОННЫЙ ГАРНИСАЖ ОКОМКОВАТЕЛЯ ............................................................................................................. 61 3.1. Организация технологической схемы и проектирование экспериментальной установки для получения сырых железорудных окатышей, структурно содержащей систему аппаратов для принудительного зародышеобразования ................................................................ 61 3.1.1. Общие принципы организации технологической схемы принудительного зародышеобразования влажной шихты напылением ВШС в холостой зоне окомкователя ................................................... 61 3.1.2. Математическое описание движения зародыша на тарели окомкователя в технологии принудительного зародышеобразования .................. 72 3.1.3. Конструкция экспериментальной установки для получения железорудных окатышей, структурно содержащая систему аппаратов для принудительного зародышеобразования ........................................................... 80 3.1.4. Методика экспериментов и определения физических параметров напыленного слоя, зародышей и окатышей ......................................... 90 3.2. Теплофизическая модель воздушношихтовой струи на участке загрузки шихты в окомкователь и динамика взаимодействия струи со слоем влажных железорудных материалов .............................................................. 92 3
3.2.1. Исследование физических характеристик трехфазной воздушношихтовой струи и ее структурных составляющих .................................. 92 3.2.2. Исследование температурных полей воздушношихтовых струй и теплового взаимодействия струи с шихтовыми материалами ........................... 103 3.2.3. Расчет давления воздушношихтовой струи на шихтовый гарнисаж окомкователя ............................................................................................. 105 3.2.4. Аэродинамические исследования при взаимодействии струи воздуха с поверхностью ограждения ............................................................ 114 3.3. Организация технологической схемы и исследование режимов напыления влажной шихты воздушношихтовыми струями на шихтовый гарнисаж в холостой зоне тарельчатого окомкователя ...................... 120 3.3.1. Исследование механизма напыления влажной шихты на шихтовый гарнисаж окомкователя ..................................................................... 120 3.3.2. Исследование геометрических и прочностных параметров напыленного слоя шихты, сформированного на шихтовом гарнисаже окомкователя .............................................................................................................. 132 3.3.3. Исследование механизма формирования и уплотнения шихтового гарнисажа и напыленного слоя при загрузке шихты в окомкователь .................. 139 3.3.4. Исследование механизма влагоудаления из напыленного слоя шихты на тарельчатом окомкователе ...................................................................... 147 3.4. Исследование процесса получения железорудных окатышей способом принудительного зародышеобразования на тарельчатом окомкователе ................. 153 3.4.1. Разработка и исследование теплосиловых режимов принудительного зародышеобразования ................................................................ 153 3.4.2. Перспективные схемы напыления шихты на гарнисаж окомкователя и деления напыленного слоя на зародыши ..................................... 160 3.4.3. Исследование капиллярной пропитки шихтовых зародышей, сформированных по технологии принудительного зародышеобразования ........ 166 3.4.4. Исследование процесса получения окатышей комбинированным способом, структурно содержащим принудительное зародышеобразование напылением шихты сжатым воздухом .................................................................... 169 3.4.5. Обоснование оптимальных параметров зародышеобразования и условий увлажнения ............................................................................................... 176 4. ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ, СТРУКТУРНО СОДЕРЖАЩЕГО ОПЕРАЦИЮ НАПЫЛЕНИЯ ВЛАЖНОЙ ШИХТЫ НА КОМКУЮЩИЕСЯ МАТЕРИАЛЫ ........................................................ 182 4.1. Исследование процесса взаимодействия воздушношихтовой струи и слоя влажных окатышей в рабочем пространстве окомкователя .......................... 182 4.1.1. Силовое взаимодействие воздушношихтовой струи и ее структурных составляющих со слоем влажных окатышей ........................... 182 4.1.2. Особенности взаимодействия струи сжатого воздуха и слоя пересыпающихся влажных окатышей в окомкователе .............................. 192 4.1.3. Влияние характера реакционной поверхности окомкователя на прочность железорудных окатышей, ускоренных сжатым воздухом ............. 198 4.1.4. Измерение скорости окатышей, ускоренных струей сжатого воздуха на тарельчатом окомкователе .................................................................... 203 4
4.2. Формирование окатышей напылением влажной шихты на слой комкуемых материалов в рабочем пространстве окомкователя ............................... 207 4.2.1. Исследование механизма напыления влажной шихты на слой железорудных окатышей ............................................................................. 207 4.2.2. Исследование технологии напыления влажной шихты на слой железорудных окатышей ............................................................................. 211 4.2.3. Перспективные схемы напыления шихты на комкующиеся материалы в рабочей зоне окомкователя ................................................................ 222 4.3. Устранение поверхностных дефектов влажных окатышей напылением шихты воздушношихтовыми струями ................................................... 227 4.3.1. Анализ причин образования дефектов и механизм образования трещин на поверхности сырых окатышей............................................................... 227 4.3.2. Устранение дефектов на поверхности сырых окатышей напылением шихты на слой комкуемых материалов ............................................. 231 4.4. Сравнительная оценка термостойкости и кинетики сушки железорудных окатышей, полученных с использованием теплосилового напыления влажной шихты .......................................................................................... 235 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ СУШКИ СПОСОБОМ ПРОДУВКИ СЛОЯ ОКАТЫШЕЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ СТРУЯМИ ВОЗДУХА НА УЧАСТКЕ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЫХ ОКАТЫШЕЙ К ОБЖИГОВОМУ АГРЕГАТУ ...................................................................................... 245 5.1. Разработка и анализ технологической схемы продувки низкотемпературными струями воздуха слоя влажных окатышей, движущихся на транспортерной ленте ........................................................................ 245 5.2. Исследование процесса влагоудаления, моделирующего продувку слоя окатышей низкотемпературными струями воздуха на транспортерной ленте ............................................................................................... 250 6. РАЗВИТИЕ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ОБЖИГЕ ОКАТЫШЕЙ НА ОСНОВЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СПЕКАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ........................................................................................................................... 261 6.1. Объект и методика тепловых и дилатометрических исследований при обжиге окатышей .................................................................................................... 261 6.2. Исследование тепловых процессов при обжиге окатышей ................................ 278 6.3. Разработка теплотехнического режима слоевого обжига окатышей на основе закономерностей процесса спекания дисперсных систем ........................ 289 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................................ 298 СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ ................................... 301 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................................. 303 5
ПРЕДИСЛОВИЕ В монографии представлены результаты научных исследований и технические разработки автора в области теории и технологии подготовки железорудного сырья к металлургической плавке, посвященные новой технической концепции производства железорудных окатышей. В основу этой концепции положена идея о расширении функциональных возможностей агрегатов для получения сырых окатышей за счет переноса части тепловой нагрузки с высокотемпературной стадии процесса на низкотемпературный этап их производства. Методология расширения функциональных возможностей агрегатов основана на использовании дополнительных теплофизических методов воздействия на влажные материалы в процессах их формообразования на окомкователе и при транспортировке влажных окатышей на конвейерной ленте. Целью настоящей монографии является попытка научного анализа и технического обоснования эффективности использования теплосиловых методов воздействия на сырую шихту и окатыши на низкотемпературной стадии производства, позволяющие организовать регламентированное упрочнение, формо- и структурообразование окатышей в агрегатах для окомкования шихты и в устройствах для их транспортировки. Следует подчеркнуть, что для развития новой концепции использовались научные знания в смежных металлургических технологиях, на что указывается в материалах монографии, однако большинство технических решений в рамках этой концепции являются оригинальными авторскими разработками и обладают новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что выводит их на уровень изобретений. Некоторые аспекты этой концепции, безусловно, дискуссионные и заслуживают обсуждения уважаемых читателей. Вся информация, представленная в монографии, опубликована в рецензируемых периодических изданиях РФ, бюллетенях изобретений, некоторые научные статьи переведены за рубежом. Автор благодарит рецензентов настоящей монографии за ценные замечания, сделанные при рецензировании научных статей. Конструктивные пожелания читателей, безусловно, будут учтены при совершенствовании нового издания монографии. 6
ВВЕДЕНИЕ Современные рыночные требования генерируют постоянный поиск новых технологий, обладающих конкурентными преимуществами в энерго- и ресурсосбережении, в качестве и себестоимости выпускаемой продукции. Это в полной мере относится к металлургическим технологиям, направленным на производство металлопродукции высокого качества. Технология подготовки железорудного сырья к металлургической плавке является важным и необходимым звеном современного металлургического производства, на котором формируются его потребительские свойства. Пройдя этап подготовки окускованные материалы должны обеспечивать высокую механическую прочность, необходимую для длительной транспортировки сырья к потребителям на большие расстояния, стабилизировать аэродинамику слоя шихтовых материалов при последующей интенсивной восстановительнотепловой обработке и обладать оптимальным химико-минералогическим составом. На практике в большинстве случаев показатели качества окускованного сырья удовлетворяют современным стандартам и техническим условиям, но для некоторых видов сырья, в частности для железорудных окатышей, существуют резервные возможности для совершенствования технологии их получения и для улучшения их металлургических свойств. Эти свойства особенно важны для доменного передела и процессов металлизации сырья в технологиях прямого получения железа, в которых существует необходимость уменьшения пылевыноса с разупрочняющимся окускованным сырьем и снижением потерь сырья в виде шламов, повышению равномерности газораспределения, снижению расхода восстановителей и возможность решения сопутствующих проблем, повышая качество сырья на этапе его подготовки. Сложность проблемы повышения качества сырья заключается в том, что целенаправленное воздействие на потребительские свойства окатышей введением органических и минеральных добавок в их шихту ограничивается высокими требованиями по чистоте минерального состава и запретом на снижение содержания железа. Одновременно с этим возникает дополнительная проблема по корректировке режима сушки и обжига на обжиговой конвейерной машине. Основными техническими и научными направлениями для улучшения металлургических свойств окатышей являются комплексные мероприятия, реализуемые на обжиговой конвейерной машине на стадии термообработки с использованием теплотехнических методов воздействия. Закономерности высокотемпературного упрочнения и структурообразования железорудных окатышей достаточно хорошо изучены зарубежными специалистами и учеными отечественных научных школ НИТУ «МИСиС», ФГАОУ ВО «УрФУ», Института металлургии УрО РАН, ОАО «ВНИИМТ», НПВП «ТОРЕКС», ОАО «Уральский институт металлов», специалистами промышленных предприятий и других научных и учебных заведений. Знание этих закономерностей позволяет прогнозировать уровень достигаемой прочности и некоторые структурные свойства окатышей, учитывая экономические критерии технологического процесса. Наряду с упрочнением исследуется не в полной мере изученный меха7
низм разупрочнения окатышей, который протекает на стадии подготовки сырья к металлургическому переделу и в рабочем пространстве шахтных агрегатов, ухудшая показатели металлургической плавки. Одним из путей организованного воздействия на качественные характеристики окатышей и показатели регламентированного формо- и структурообразования может быть использование внешнего низкотемпературного теплосилового воздействия на сырые шихтовые материалы в рабочем пространстве агрегатов для получения окатышей, расширив их функциональные возможности и придав им дополнительные функции целенаправленного воздействия. Комбинация силового и теплового воздействия на влажные шихтовые материалы, основанного на струйных технологиях, позволяет объединить формообразование и влагоудаление, вовлечь в технологический процесс холостые площади окомкователей и использовать надслойное пространство конвейерных лент для струйной тепловой обработки окатышей. Технологическая доступность к агрегатам для получения окатышей, резервы их рабочего пространства, широкие технические возможности методов теплосилового воздействия, простота аппаратурного оформления, безопасность, экологичность позволяют в определенной степени решать технические и экономические проблемы в производстве железорудных окатышей. Использование струйных теплосиловых методов воздействия на сырые шихтовые материалы в процессе окомкования и на влажные окатыши в ходе их транспортировки от окомкователя к обжиговому агрегату позволяет снизить тепловые ограничении, предъявляемые к окатышам в зонах сушки и обжига, сократить длительность их упрочняющей термообработки, уменьшить энергопотребление на всем технологическом маршруте получения окатышей. Внешнее теплосиловое воздействие на сырые материалы в рабочем пространстве окомкователя расширяет список структурообразующих, тепловых и упрочняющих факторов, позволяя регламентировать потребительские свойства окускованного сырья и расширить методы управления технологическим процессом. Впервые реализованный автором настоящей монографии технический подход к окомкователю и к траспортерной ленте, как к технологическим системам низкотемпературных тепловых агрегатов, позволяет решать теплотехнические проблемы, связанные с тепло- и энергосбережением. Новые технические решения дают возможность увеличить степень использования рабочего пространства окомкователей, их производительность, вовлечь в процесс формо- и структурообразования труднокомкуемые углеродсодержащие шихтовые материалы, получить окатыши с пониженным содержанием влаги. Опытным путем доказана возможность предварительной низкотемпературной сушки окатышей при их транспортировке на конвейерной ленте. Принцип теплосилового напыления влажной шихты на шихтовый гарнисаж и продукты окомкования опирается на дополнительный комплекс силового и термического воздействия. Он формирует у влажного материала повышенные динамические характеристики, которые создают особые структурообразующие нагрузки и расширяют технологические возможности оборудования. В слое комкуемых материалов они генерируют новые поля скоростей и специ8
фические силовые моменты, воздействующие на режим окомкования, и вовлекают комкуемый слой в процесс структурообразования. В этой технологии возрастают возможности ударного окомкования и упрочняющего структурного наклепа на поверхности окатышей, расширяются функциональные возможности различного рода технологических ограждений, установленных на пути движения материалов и на поверхности комкуемого слоя. При напылении шихты реализуются условия для залечивания поверхностных дефектов и трещин у окатышей, которые в традиционной технологии почти отсутствуют. Существенно меняется баланс влаги по сечению окатышей, что в свою очередь резко снижает развитие трещинообразования и повышает термостойкость окатышей во время последующей термической сушки. Организация дифференциального распределения пористости, минеральной и жидкой фазы, других структурных показателей окатышей ориентирует технологию производства сырья на повышение качества и скорости восстановления окускованных продуктов в ходе металлургической плавки. Благоприятная поровая структура окатышей усиливает диффузионные процессы, в том числе окисления магнетита при обжиге, исключая образование зональной структуры. Очевидно, что возможности теплосилового напыления влажной шихты еще не в полной мере исследованы и раскрыты. Можно прогнозировать интенсификацию процесса спекания нового структурного ансамбля частиц окатыша в процессе обжига и восстановительной способности нового вида сырья для современных технологий металлизации. Нет ограничений по использованию метода теплосилового напыления влажной шихты для воздействия на структуру традиционных и комбинированных видов металлургического сырья. По мнению автора, полученные разработки рационально использовать в экологически ориентированных технологиях рециклинга, направленных на подготовку техногенного вторичного сырья к металлургической плавке. Автор стремился показать выигрышные стороны новой технической концепции, включающей перспективы ее реализации на металлургических предприятиях и горно-обогатительных комбинатах страны. Многочисленные технические решения на основе предложенной концепции оформлены автором как объекты промышленной интеллектуальной собственности. Результаты научных исследований по указанной тематике опубликованы в открытой печати и используются в учебном процессе на кафедре теплоэнергетики и экологии Сибирского государственного индустриального университета. Они неоднократно докладывались на научных конференциях и экспонировались на выставках в Российской Федерации и за рубежом. Монография предназначена для инженерно-технических работников, аспирантов и студентов, обучающихся по направлению подготовки «Металлургия». 9
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПОДГОТОВКИ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЛАВКЕ 1.1. Общие сведения о практике использования и производстве железорудных окатышей Технология экстракции черных металлов из руд включает добычу железных руд, их механическую обработку и обогащение, последующее окускование концентратов в окатыши, агломерат или брикеты, проплавку их в доменных печах или металлизацию в шахтных агрегатах. Окускование железорудных материалов необходимо для получения прочного кускового продукта, являющегося сырьем для экстракции первичного металла (чугуна) в доменных печах или для металлизации сырья в шахтных агрегатах, необходимого для выплавки стали из металлизованного продукта в сталеплавильных электродуговых печах. Непосредственное использование концентратов в шихте доменных печей без предварительного окускования невозможно. Окускованный продукт загружается в печь на колошнике и непрерывно опускается сверху вниз, проходя рабочее пространство печи (28–34 м) за 5–6 ч, превращаясь в расплавленный шлак, чугун и доменный газ. Навстречу нисходящему потоку шихты с высокой скоростью движутся печные газы, которые образуются в горне доменной печи при сжигании кокса и топливных добавок. Скорость движения газа (8–10 м/с) настолько высока, что газы проходят через рабочее пространство печи за 3–4 с. При значительном количестве мелочи в шихте доменных печей уменьшается газопроницаемость столба шихтовых материалов, наблюдается перерасход дефицитного и дорогого кокса, ухудшается использование химической и тепловой энергии восстановительных газов, возможно подвисание столба шихты в печи. Мелкая шихта, выносимая газами из печи, не участвует в процессе получения первичного металла, формирует абразивный износ футеровки и металлических частей засыпного аппарата, требует мощной системы очистки газов и не обеспечивает получения высоких технико-экономических показателей доменной плавки. Технология окускования тонкого железорудного сырья в производстве окатышей включает две основные стадии: получение прочных сферических тел путем окомкования (окатывания) влажной шихты и высокотемпературный обжиг высушенных окатышей. Окомкование – особый вид формообразования, заключающийся в придании определенной формы влажной шихте на барабанных или тарельчатых окомкователях, с целью получения упрочненных сферических тел из сыпучих материалов. Для производства железорудных окатышей используют концентраты с содержанием железа 64–69 % и с крупностью частиц менее 0,1 мм. Первый способ получения окатышей из мелких сыпучих материалов запатентовал швед Андерсон в 1912 г. Второй патент на способ получения окатышей был выдан Бранкельсбергу (Германия) в 1913 г., который опубликовал в 10