CC BY
27
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Вып. №8
Х999г
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 669.162.211.4
Томаш A.A.1, Тарасов В.П2, Семакова В.БД Зотов A.B.4
ИЗМЕНЕНИЕ ПОРОЗНОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ДОМЕННОЙ ШИХТЫ ПРИ РАЗМЯГЧЕНИИ
Предложен метод объективной оценки газопроницаемости доменной шихты при раз -мягчении по изменению её порозности. Математическое описание изменения порозно-сти трёхкомпонентных смесей доменной шихты при размягчении осуществлено на основе анализа результатов экспериментов, проведенных в соответствии с симплекс - решётчатыми планами Шеффе.
Наибольшее сопротивление проходу газов в доменной теми оказывает зона когезии, в которой шихтовые материалы находятся в размягчённом состоянии. Для обеспечения ровного схода шихты, высоких технико-экономических показателей доменной плавки необходимо сокращать её протяженность. Конфигурацию и размеры вязко - пластической зоны во многом предопределяет температурный интервал размягчения шихтовых материалов: разность температур перехода в жидкое состояние и начала размягчения. Особенно важны исследования размягчаемости шихты для МК «Азовсталь», где используется многокомпонентная доменная шихта. Обычно в доменные печи этого комбината одновременно грузится три железорудных материала: агломерат собственного производства, агломерат МК им. Ильича или ЮГОК и окатыши. В то же время разнообразие шихтовых материалов, используемых на МК «Азовсталь», позволяет обобщать результаты исследований их физико-химических свойств.
Исследования размягчаемое™ шихтовых материалов проводились в шахтной электропечи. На поверхность слоя исследуемых частиц, помещённых в метал лическом стакане в печь, устанавливался шток с грузом 2,5 кг, имитирующим вес вышележащих слоев шихты. В наконечнике штока размещался спай термопары. По мере нагрева и размягчения шихты шток опускался Опускание штока из-за усадки свидетельствовало о степени размягчения агломерата или окатышей. Крупность исследуемых частиц и скорость нагрева выбирались из ус ловия равенства для доменной печи и лабораторной установки критерия Фурье
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
2 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
3 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
4 МК «Азовсталь», зам. нач. ЦЛМК
где а - коэффициент температуропроводности рудного материала, м2/с; х - время нагрева, с; <1 - диаметр частиц рудного материала, м.
При скорости нагрева электропечи 0,17 °С/с крупность частиц составила 5-7 мм. Каждый опыт проводился дважды. Результаты двух экспериментов усреднялись.
Усадка шихты под нагрузкой недостаточно объективно характеризует процесс размягчения. Момент начала размягчения выбирается условно, невозможно оценить изменение газопроницаемости шихты. В ходе исследований применялась более объективная характеристика состояния материалов - порозность е-При определении порозности, принималось, что размягчённый материал состоит из твёрдых частиц и жидкости. Усадка происходит в результате плавления части твёрдых частиц и заполнения жидким шлаком межкусковых пустот. До начала размягчения щи нагревании наблюдается расширение твёрдых частиц, в результате чего высота слоя в стакане 1 увеличива-
6ТСЯ Нг^Н0{\+аМ),
■ ■■ ■ (-£)
где Но - начальная высота слоя, м;
д С'
- разность температур материала в печи и окружающей среды, ' а - коэффициент температурного расширения слоя, ^ • Коэффициент*3 определяется при сравнении максимальной достигнутой при термическом расширении высоты слоя с начальной высотой. Принималось, что порочность**0 до начата размягчения при увеличении объёма слоя остаётся неизменной (рис. 1) В результате усадки при даль-
800 850 900 950 1000 1050 1100 Температура, °С
Рис. 1 - Определение порозности размягчённого материала и температурного интервала снижения
газопроницаемости при размягчений смеси агломератов МК
ГОК.
1 - усадка размягчённого материала; 2 - порозность размягчённого материала; 3 - порозность, при которой газопроницаемость шихты снижается более чем в 1,5 раза.; 4 - з'емпература начал а снижения газопроницаемости при размягчении, 1027 °С; 5 - температурный интервал снижения
газопроницаемости при размягчении 1027 - 1125 °С.
нейшем увеличении температуры высота слоя Ну уменьшается. Объём образующейся жидкой фазы составляет ,, . . г, гт ,.
Уж =[(1 + аД/)Я0-НуЩ1 -£0){р, !рж), (3)
где Б - площадь горизонтального сечения внутреннего пространства стакана, м2;
Р5 и Рж~- кажущаяся плотность частиц шихты и плотность жидкого шлака, кг/м2. Остаточный объём пустот, не заполненных жидкостью:
Гп = - [(1 + аЫ)Н0 - Ну - е0 }(А ' Рж) (4)
Произведение Н 5 представляет собой объём слоя с учётом усадки Усп- Порозноеть размягчённого материала8 ~ *ц/ Уел соответствующая различной высоте^'и усадкс слоя' '1 . определяется соотношением г/1 .... ,,, ,,,, , ч
е = е0 - [(1 + аМ)Н0 / Ну -1](1 - / рж)
По мере усадки шихты её порозноеть снижается (рис. I). На первом этапе уменьшение объёма межкусковых пустот незначительно. Началом интервала снижения газопроницаемости шихть при размягчении принята температура, при которой порозноеть сокращается на 10 %. Сопротивление проходу газов при этом возрастает на 50 %. Концом интервала снижения газопроницаемости шихты при размягчении принята температура, при которой жид^я фаза М^фйыгД'/^се межкусковые пустоты,Е ~ и высота слоя составляет у с
1 + г--(ле/л) 1+* (6)
При последующем нагреве объём жидкого шлака превосходит объём межкусковых пустот Расплав раздвигает частицы, и размягчённый материал приобретает текучесть. В пользу такогс выбора температуры конца размягчения свидетельствует то, чю при увеличении температуры еше на 2-5 °С шток полностью опускается на дно стакана.
С увеличением основности железорудных материалов наблюдается уменьшение температурного интервала снижения газопроницаемости при размягчении к увеличение температуры егс начала. Так самые низкие температуры размягчения 1037 - ПОЗ °С (интервал снижения газопроницаемости при размягчении 66 °С) у неофлюсованных лебедянских окатышей (Ca0/Si02 = 0,10) Окатыши СевГ'ОК основностью 0,58 наибольшее сопротивление проходу газов оказывают при температурах 1079 - 1120 °С (температурный интервал снижения газопроницаемости 41 °С). Агломераты ЮГОК и МК им. Ильича, основность которых 1,16 и 1,18, переходят в вязко - пластическое состояние в интервалах температур 1094 - 1124 и 1088 - /120 °С соответственно (температурный интервал - 30 - 32 °С). Высокоосновный агломерат МК «Азовсталь», CaO/SiO?. = 1,80, теряет газопроницаемость при нагреве до 1106 ~ 1130 °С (24 °С). С достаточно высокой точностью
при значениях коэффициента корреляции И 'близких к 1, зависимости температуры начала снижения газопроницаемости при размягчении tH и температурного интервала снижения газопроницаемости^1 от основности железорудных материалов в интервале значений CaO/SiCb от 0 до 2, С могут быть описаны уравнениями (рис.2)
/, = ЩСаО/Si02) i 1044, i = 0,93 ( ? j
A¿p = -23,8(CaO / Si02) + 61,5, г == 0,93 (g)
При совместной загрузке в доменную печь нескольких железорудных материалов интервал размягчения доменной шихты обычно определяют механическим совмещением интервалов размягчения отдельных компонентов. При этом не учитывается возможность взаимовлияния материалов и протекания твердофазных реакций. Уточнение: поведения железорудных смесей в ходе первичного шлакообразования потребовало дополнительных исследований. Для сокращения го-
к £
£ „ 1120
2 § 1100 I *
Я £
* £
I; §■ 1060 М
2 2 1040
3
0)
1020
о [...........................
N <—
V У^ I Ф__________
д 1
♦ -Г ^Ч. I ! -----1.--------4
0 0,5 1 1,5 2
Основность СаО/$Ю2
Рис. 2 Влияние основности железорудного материала на температуру начала (1) и температурный
интервал (2) снижения газопроницаемости три размягчении объёма опыты проводили в соответствии с симплекс - решётчатыми: планами Шеффе [1-3]. В таол. представлен план проведения экспериментов для определения коэффициентов уравнения квадратичной или неполной кубической модели, описывающей поведение системы «состав ~ свойство»
для трёхкомпоне]
у = ЬхХ, +Ь,х2 + Ь3Х3 +ЬиХ,Х2 +ЬиХгХз ~Ь:зХ,Л (+ЬтХ,Х?Х.<)
Таблица - План проведения и средние результаты экспериментов для определения температурных
(9)
№ опыта
1
2
3
4
5
ш ггеовалс 7
Содержание компонента, д. ед.
Окатыши СевГОК (ХО
1
О
о '/2 '/2 о
Агломерат МК им. Ильича (Хг)
0
1
О Уг
о
У,
в снижения газопофнипасмцс^и пои раз
\С/Т
Агломерат МК «Азовсталь» (X ,)
0 О
У'
мягчсниИ|СД1ССт: желе:
У> = 41 У1 = 1079
У2 = 32 У 2 = 1088
Уз = 24 Уз = 1106
У12 = 43 У32 = 1090
У13 = 23 У13 = 1097
У23. = 31 _У23 ~ 1105
шрсмате риалов У123 = 1099
Первые шесть слагаемых уравнения (9) и опыты № 1 - 6 относятся как к квадратичной, так и к кубической модели. Опыт № 7 и последнее слагаемое формулы (9), взятое в скобки, применяются
только в неполн
те^ьно^остымйорм^эм.. 2у - 2У]; Ьиз = 27уп, -12(уп + .}>,, + ) + 3(у, + у2 у3)
(10)
При загрузке в доменную печь смеси окатышей Сев ГОК, агломератов МК им. Ильича и МК «Азовсталь» в различных соотношениях изменение температуры начала снижения газопроницаемости при размяг
ется уравнениями
Л9Х: +1088^ +1106Х3 + 26ХхХ2 + МХ,Х3 -32Х2Х3
<0.0
iO о
0,9 о,г 47 as o.s 0,4 as o.s aj в
око/пь/и/а Се& ЛОК
fto ц& 4*. а? цв o,5 oA as о.й а,/ О огъл.'ы&и CeS'UA
Рис. 3 - Температурные интервалы (а) и температуры начала сншк ения газопроницаемости (б) при
размягчении трёхкомпонентных смесей доменной шихт
Atp = 4IX, + 32Х2 + 24Х, + 26Х,Х2 -38ХА', + i 2Х,Х, - 225Х,Х2Х3
Аналогичные уравнения получены для смеси окатышей СевГОК, агломератов ЮГОК (Х2) и МК
«Азовсталь»
tH = 1079А, -1094Х2 + 1 Ю6Х3 4 6Х\Х2 -18АА -204Х.,Х3 - 1242Х,Х,Х3
(13)
Atp =4IX, + 30Х2 + 24Х3 + 34Х,Х, - 38Х,Х3 + 268.Х А'3 + 999Х,А'2Х3 (14)
Адекватность уравнений (10 - 14) проверяли путём сравнения разности расчётного и ошат-ного значений функции при произвольном соотношении компонентов смеси с погрешностью эксперимента спомощью критерия Стьюдента [3]. На рис. 3 представлены тройные диаграммы изменения tH и^-г при смешивании окатышей, агломератов МК им. Ильича и МК «Азовсталь» в соответствии с (11, 12). Минимальный интервал снижения газопроницаемости при размягчении и, соответственно, наименьшее сопротивление проходу газов оказывае т смесь 60 % агломерата МК «Азовсталь», 30 % окатышей СевГОК и 10 % агломерата МК им. И льича. Практически такую же газопроницаемость при размягчении обеспечивает бинарная смесь агломерата МК «Азовсталь» и окатышей, если доля последних составляет 5 ~ 50 %. При увеличении доли агломерата МК им. Ильича в шихте до 25 - 30 % высокую газопроницаемость зоны когезии можно сохранить, придерживаясь содержания окатышей 20 - 40 %. Увеличение доли .агломерата МК им. Ильича и окатышей СевГОК в шихте выше указанных пределов приводит к снижению её газопроницаемости. Температура начала размягчения монотонно возрастает с увеличением доли агломерата МК «Азовсталь» в смеси. Доменная шихта, содержащая наряду с окатышами и азовстальским сырьём агломерат ЮГОК, оказывает значительно большее сопротивление проходу газов. Негативно сказывается на протяжённости вязкопластической зоны совместная загрузка агломератов ЮГОК и МК «Азовсталь». Наибольшая протяжённость интервала снижения газопроницаемости шихты, более 100 °С, и самая низкая температура начала размягчения, менее 1030 °С, соответствует смеси 40 % агломерат МК «Азовсталь», 40 % ЮГОК, 20 % окатыши.
Выводы
1. Объективной характеристикой газопроницаемости размягчённой доменной шихты является изменение её порозности.
2. С повышением основности железорудных материалов набл юдается увеличение температуры
начала снижения газопроницаемости при размягчении и уменьшение температурного интервала снижения газопроницаемости.
3. Применение симплекс - решетчатых планов при проведении экспериментов позволяет сокра-
тить их объём и исследовать изменение порозности при размягчении для любых соотношен ий компонентов доменной шихты.
4. Смесь агломератов МК им. Ильича, МК «Азовсталь» и окатышей СевГОК оказывает меньшее
сопротивление проходу газов, чем шихта состоящая из агломератов ЮГОК, МК «Азовсталь» и окатышей СевГОК
Перченъ ссылок
1. ScheffeH. Experiments with mixtures. - J. Roy. Stat. Soe., B, 1958, v. 20, P. 344 - 360.
2. Применение математических методов для исследования многокомпонентных систем. - М.: Металлургия, 1974. - 176 с.
3. Ковшов В.Н Постановка инженерного эксперимента -Киев-Донецк: Вшца школа, 1982.-120 с.
Томаш Александр Анатольевич. Канд. техн. наук, доцент кафедры металлургии чугуна, окончил Мариупольский металлургический институт в 1987 году. Основные направления научных исследований - совершенствование агломерационного и доменного процессов и снижение энергетических затрат на выплавку чугуна; изучение закономерностей движения зернистых материалов и газов в противоточных реакторах.
Тарасов Владимир Петрович. Д-р техн. наук, профессор кафедры металлургии чугуна, окончил Московский институт стали и сплавов в 1954 году. Основные направления научных исследований
- совершенствование агломерационного и доменного процессов и снижение энергетических затрат на выплавку чугуна; изучение закономерностей движения зернистых материалов и газов в противоточных реакторах.
Семакова Виктория Борисовна. Канд. техн. наук, доцент кафедры металлургии чугуна, окончила Мариупольский металлургический институт в 1985 году. Основные направления научных исследований - совершенствование агломерационного и доменного процессов и снижение энергетических затрат на выплавку чугуна; процессы восстановления в доменной печи.
Зотов Алексей Владимирович. Заместитель начальника ЦЛМК «Азовсталь», окотил Мариупольский металлургический институт в 1975 году. Основные направления научных исследований
- шлакообразование и десульфурация чугуна.
