Параметры агломерации Михайловских и лебединских концентратов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 622.341

Панычев A.A., Никонова А.П.

ПАРАМЕТРЫ АГЛОМЕРАЦИИ МИХАЙЛОВСКИХ И ЛЕБЕДИНСКИХ КОНЦЕНТРАТОВ

Агломерационная фабрика ОАО "Уральская Сталь" работает на шихте, железосодержащей частью которой в основном являются Михайловские и лебединские концентраты.

Химический состав сырья приведен в табл. 1.

Спекание подготовленной шихты является основным этапом в технологии получения высококачественного агломерата. Спекание шихты ведется на колосниковой решетке агломерационной машины при просасы-вании воздуха засчетразвития высоких температур при горении углерода в слое шихты и рекуперации тепла верхних слоев агломерата. В зоне горения топлива развивается температура до 1450-1500°С, при которой происходит плавление и образование жидкой фазы.

Тщательная подготовка шихты должна обеспечить постоянство работы агломерационной машины с возможно более постоянной скоростью и с неизменной высотой слоя шихты.

Скорость движения спекательных тележек регулируется в зависимости от вертикальной скорости спекания с таким расчетом, чтобы процесс спекания закончился на предпоследней вакуум-камере коллектора.

На уменьшение вертикальной скорости спекания оказывают явление следующие основные факторы: отклонения от нормальной массовой доли топлива и влаги в аглошихте; отклонения от нормальной температуры зажигания шихты; уменьшение массы возврата и ухудшение его качества; увеличение массовой доли мелких фракций в шихте; уменьшение массы извести в шихте; чрезмерное уплотнение шихты при загрузке на спекательные тележки; наличие вредных прососов на спекательных тележках в торцевых и продольных уплотнениях и газовом тракте; ухудшение условий смешивания и окомкования шихты.

Законченность процесса спекания определяется по показаниям контрольно-измерительных приборов и наблюдениями за ходом процесса спекания и излома «пирога» агломерата в хвостовой части аглома-шин. На основании этих наблюдений устанавливают необходимую скорость движения спекательных тележек с тем условием, чтобы процесс спекания заканчивался над 14 вакуум-камерой.

При нормальном ходе процесса спекания готовый агломерат в изломе при сходе со спекательных тележек должен быть равномерно оплавленным по всей высоте и ширине «пирога». В «пироге» должны отсутствовать гнезда неис печенной шихты. Раскаленный слой «пирога» у колосников спекательных тележек не должен превышать 1/3 высоты.

Законченность процесса спекания по контрольно-измерительным прибо-

рам определяется по температуре отходящих продуктов горения в последних вакуум-камерах. При нормальном окончании процесса спекания в 14 вакуум-камере достигается максимальная температура продуктов горения 250-300°С.

Совокупное рассмотрение изменения разрежения и температуры под колосниковой решеткой дает полное представление о ходе процесса спекания агломерационной шихты.

Температура отходящих газов в каждом конкретном случае может быть различной и определяться рядом факторов (составом шихты, высотой слоя и величиной вредных прососов). В первых вакуум-камерах температура обычно 50-120°С, в предпоследней она достигает максимума - 250-300°С, а в последней вакуум-камере на 30-70° С ниже, чем в предпоследней.

Понижение температуры в предпоследней вакуум-камере по сравнению с температурой в предыдущих камерах указывает на более раннее окончание процесса и необходимость в связи с этим увеличить высоту слоя шихты или скорость аглоленты.

Более высокая температура в последней вакуум-камере по сравнению с температурой в предпоследней камере указывает на слишком высокую скорость агломашин, при которой процесс спекания не успевает заканчиваться на предпоследней вакуум-камере.

Повышение температуры газов от установившегося предела происходит при: замедлении скорости движения или кратковременных остановках агломерационной машины; улучшении газопроницаемости шихты; недогрузе спекательных тележек шихтой.

Понижение температуры газов от установившегося предела связано со снижением вертикальной скорости спекания (ухудшение газопроницаемости слоя шихты) и происходит при: уменьшении или значительном превышении массового расхода топлива в шихте в сравнении с оптимальным; недоувлажнении и переувлажнении шихты; переоплавлении поверхности слоя из-за высокой температуры зажигания; наличии большого количества вредных прососов; завышении скорости движения спекательных тележек; пере-

Таблица 1

Химический состав спекаемого железорудного сырья

ОАО "Урал Сталь"

Наименова- Содержание, %

ниесырья FeO Fe2O3 MnO SiO2 AI2O3 CaO MgO SO3 P2O5 CO2

Михайловский концентрат 25 65,5 0,071 8,4 0,21 0,46 0,57 0,09 0,051 -

Лебединский концентрат 0,61 66,41 0,01 11,78 0,15 0,25 0,60 0,163 0,023 -

уплотнении шихты.

Температура отходящих газов в коллекторе и перед эксгаустером устанавливается в пределах 100-140°С. Температура отходящих газов перед эксгаустером должна быть не ниже 100°С, что исключает конденсацию влаги и предотвращает забивание газоочистки и эксгаустера грязью.

О количестве и скорости просасывания воздуха, определяющих вертикальную скорость спекания, судят по величине разрежения под колосниковой решеткой агломерационной машины, создаваемого экс -гаустером.

Для каждого конкретного случая величина оптимального разрежения различна и выбирается с учетом экономических соображений, обеспечивающих минимальную себестоимость агломерата при максимальной производительности агломерационных машин.

При спекании тонких шихт разрежение под колосниковой решеткой обычно составляет не менее 4000-12000 Па (400-1200 кгс/м2), а при спекании крупнозернистых шихт оно будет меньше.

При нормальных условиях работы разрежение в вакуум-камерах (4-10) поддерживается в пределах 8000-12000 Па (800-1200 кгс/м2). В последних вакуум-камерах разрежение получается пониженным в связи с повышением газопроницаемости в спекаемом слое и составляет обычно в предпоследней вакуум-камере 0,9, а в последней камере 0,8 от нормального (4-10 в/к).

Величина разрежения в вакуум-камерах зависит от сопротивления слоя шихты, параметров эксгаустера и состояния газового тракта. Пониженное, в сравнении с обычным, разрежение в вакуум-камерах и перед эксгаустером указывает на повышение газопроницаемости шихты или на увеличение количества вредных прососов. Повышенное разрежение указывает на ухудшение газопроницаемости слоя (избыток углерода или сильное оплавление при зажигании верхнего слоя шихты и т.д.). Постоянное в течение длительного периода времени падение разрежения является показателем износа лопаток эксгаустера или увеличения вредных прососов.

Для получения максимальной производительности от агломерационной машины нужно использовать полную мощность эксгаустера, для чего необходимо: работать при полностью открытой задвижке эксгаустера; иметь оптимально подготовленную шихту с минимальными колебаниями физико-химических свойств; тщательно следить за состоянием колосниковой решетки; следить за исправностью (уплотнением) газоотводящей системы с целью снижения вредных прососов.

Для ликвидации вредных прососов необходимо при каждом плановом ремонте производить ревизию и ремонт всего газоотводящего тракта, не допускать работы агломашин с неработающими бортовыми и торцевыми уплотнениями.

Практика ведения хода агломашин позволяет ус -тановить параметры и получить количественные и качественные показатели, приведенные в табл. 2, 3.

Таблица 2

Технологические показатели и удельные расходы агломерации шихты из смеси Михайловских и лебединских концентратов

Показатели Единица Год

измерения 2005 2006

Удельная производительность т/(м2ч) 1,119 1,127

Высота слоя шихты мм 263 283

Насыпной вес шихты т/м3 1,93 1,92

Температура шихты °С 46 50

Содержаниеуглерода в шихте % 3,98 4,13

Содержание влат в шихте % 6,99 6,97

Температуразажигания шихты °С 1226 1228

Вертикальная скорость спекания мм/мин 18,0 19,3

Расход газа: природного м3/т 6,2 6,1

доменного м3/т 17,1 17,0

Теплотворная способность газовой

смеси ккал/м3 2864 2846

Расход колошниковой.пыли кг/т 27 23,3

Расход твердого топлива кг/т 42,8 47,5

Расход извести кг/т 29,5 29,9

Таблица 3

Качественные показатели агломерата из смеси михайловскихи лебединских концентратов

Показатели Единща измерения Год

2005 2006

Укладка Fe в пределы ±0,5 % 91,7 90,5

Укладка основности в пределы ±0,05 % 85,6 82,6

Зерновой состав агломерата: %

+40 мм 6,4 4,8

40-25 мм 11,1 12,3

25-10 мм 34,4 33,1

10-5 мм 31,1 32,8

5-0 мм 17,0 17,0

Механическая прочность %

агломерата: на удар 68,4 67,9

на истирание 4,9 5,1

Содержание класса 0-3 мм в: %

коксике 90,3 90,3

известняке 94,5 94,6

Уровень технологии % 94,76 94,2

Химический состав агломерата: %

Fe 53,7 52,8

FeO 11,9 11,8

БЮ2 8,9 9,3

СаО 12,4 13,3

А12О3 1,4 1,1

МдО 1,6 1,5

Б 0,033 0,037

Р2О5 0,065 0,062

СаО/БЮ2 1,36 1,45

ТЮ2 0,11 0,06

При установившемся режиме агломерационного процесса продолжительность процесса спекания (х), высота слоя шихты (И) и вертикальная скорость спекания (V) связаны между собой соотношением х=И/у. Кроме того, продолжительность процесса спекания (т) регулируется скоростью движения аглоленты (п), зависит от её длины зоны спекания (5). Они связаны математической зависимостью т=5/п.

Отсюда выводятся три зависимости для практиче-с кого применения:

V = ■

И п

5

5 V

п = и ■

И = ^.

п

(1) (2) (3)

4) вертикальной скорости спекания, V, м/с, [ЬТ1].

Следовательно, мы имеем функциональную зависимость, выраженную в общем виде:

w = ^(я, а, ир, V).

(4)

Согласно принципу размерности функциональная зависимость представляется в виде степенного урав-нения

w = ях ау (Ьр)2 ук.

(5)

Здесь 5 - известная (для каждой агломашины) постоянная величина; И - величина, показывающая положение шибера питателя; п - величина, показываемая скоростемером.

К примеру, агломашина, имеющая длину спекаемой зоны 30 м, при утановившемся режиме агломерации с вертикальной скоростью спекания 19,6 мм/мин, высотой слоя шихты 296 мм должна работать со скоростью движения палет 1,98 м/мин. Другие показатели при изменении вещественного или гранулометрического состава шихты (или её составляющих), а также других технологических или технических параметров корректируются аналогично.

Решающее влияние на эффективность агломерации, количественным критерием которой является удельная производительность агломерационной машины, наряду с вещественный составом входящих в шихту компонентов, следует считать: газопроницаемость шихты, крупность исходного сырья, комплекс удельной нагрузки, равный произведению высоты слоя шихты на насыпную массу шихты, и вертикальную скорость спекания.

Для отыскание взаимосвязи этих наиболее значимых факторов процесса, нахождение оптимальных их соотношений для спекаемой шихты, определённого вещественного состава нами использован способ анализа размерностей [1, 2].

Обозначим символами и размерностью в Международной системе единиц (СИ) наиболее существенные параметры процесса.

Эффективность процесса агломерации (удельную производительность агломашины) выразим как W, кг/м2с, [Ь-2 МТ1], которая зависит от:

1) газопроницаемости шихты я, м3/с хм2, [Ь3 !>1Ь"2];

2) крупности шихты, выраженной через эквивалентный диаметр окомкованной шихты а, м, [Ь];

3) комплекса удельной нагрузки, равной произведению высоты слоя шихты И, м, [Ь], на насыпную массу шихты р, кг/ м3, [МЬ-3], [И р], м X кг/ м3, [Ь МЬ-3];

Составим формулы размерности величин, входящих в уравнение (5):

W = кг/м2-с = [Ь-2МТ-1],

Я = м3/с -м2 = [Ь3 Т1Ь-2];

а = м = [Ь];

[И р] = м кг/ м3 = [Ь МЬ-3];

V = м/с = [Ь Т-1].

Подставляем формулы размерностей в степенное уравнение (5) вместо соответствующих физических величин:

[Ь-2МТ-1] = [Ь3 Т-1Ь-2]Х [Ь]х

х[Ь МЬ-3] [Ь Т-1]1 (6)

[Ь-2 МТ-1] _ ь3л'—2х+.У+2—32+к * (7)

или

Приравнивая показатели степени правой и левой части уравнения (7), получим:

для Ь: 3 х - 2 х + у + г - 3 г + к = -2

или х + у +к -2 г = -2;

для Т: -х - к = -1

или х + к = 1;

для М: г = 1.

Получаем систему уравнений

х + у + к -2 2 = -2 х + к = 1

г = 1

Решение системы уравнений позволяет получить значения показателей степеней:

х = 1 - к; у = - 1; г = 1.

Найденные показатели степеней подставляем в формулу (5)

=я1 - к а-1 (ьР) Vк

или W=

я(Ьр) г V >

(8) (9)

V ч У

Полученная формула показывает, что эффективность процесса агломерации (удельная производительность агломашины) увеличивается с повышением вертикальной скорости спекания, комплекса удельной

нагрузки и с уменьшением крупности спекаемого материала.

Газопроницаемость шихты играет двоякую роль. Физический смьел этого понятен: чем выше показатель газопроницаемости, тем больше вертикальная скорость спекания; с другой стороны, газопроницаемость для определённого вещественного состава шихты - величина, обратно пропорциональная высоте слоя шихты и её насыпной массе. Кроме того, увеличение крупности спекаемого материала повышает газопроницаемость шихты, но при этом параметр увеличения крупности снижает удельную производительность агломашины.

В выведенной формуле (9) составляющая

V

= 0,000076595 или 7,66 ■ 10 -5.

= 0,000076608 или 7,66 ■ 10 -5.

= 0,000076613 или 7,66 ■ 10-5.

ние (9) примет вид

W

/ N1,62

Я(Ир) ( V ^

а

я 1

(10)

где степень к равна 1,62; а безразмерный комплекс

V

в практическом применении удобнее заме-

нить на постоянную величину. Тогда формула (10) будет иметь вид

= 2,0576-10-

7 д(Ьр)

а

(11)

является критериальным безразмерным комплексом, учитывающим вещественный состав спекаемого материала и другие факторы, влияющие на газопроницаемость шихты и вертикальную скорость спекания. Комплекс для одного вида спекаемого материала и при одинаковых условиях ведения процесса имеет величину постоянную.

Функциональная зависимость параметров агломерационного процесса, представленная формулой (9), имеет универсальный характер.

При спекании шихты составом, приведенным в табл. 1, крупностью окомкованного шихтового материала с эквивалентным диаметром, равным 1,5 мм, вычислен критериальный безразмерный комплекс, который равен 0,0000765714 (или 7,66 х10-5), являющийся величиной постоянной.

Так, при вертикальной скорости спекания (V), равной 19,3 мм/мин (0,0003217 м/с), газопроницаемости шихты равной 252 м3/мин на 1 м2 (4,2 м3/с на 1 м2), комплекс

Видно, что решающее значение в математической

/ич я(Ир)

зависимости (11) играет составляющая-, которая

а

удобна в применении по управлению процессом и может быть использована для автоматизации процесса на основе компьютерного программирования. Она позволяет экономически выгодно регулировать процесс агломерации в зависимости от изменения ее гранулометрического состава и насыпного веса шихты.

Аналогичным способом голучена взаимосвязь оптимальных параметров, связанных в функциональную зависимость удельной производительности W, кг/м2-с, [Ь-2 МТ-1], от общего газодинамического сопротивления слоя шихты р, кг м/с2 на м2, [М Т2 Ь-1]; продолжительности процесса спекания т, с, [Т]; высоты слоя шихты И, м, [Ь]; насыпноймассышихты р, кг/м3, [МЬ-3] икрупности спекаемого материала, выраженную через эквивалентный диаметр окомкованнэй шихты б, м, [ Ь].

В общем виде формула имеет вид

а

(

Ир

У

р х2 а2

(12)

У

При V=18,0 мм/мин (0,0003 м/с), q=234,96 м3/мин на 1 м2 (3,916 м3/с на 1 м2)

Для шихты (см. табл. 1) показатель к уравнения (12) равен 26,741466 или 26,74, а уравнение (12) имеет вид

р Ир ( Ир

W=

При V=17,24 мм/мин (0,0002873 м/с), q=225,0 м3/мин на 1 м2 (3,75 м3/с на 1 м2)

а

\

26,74

р г2 а2

(13)

Таким образом, для определённого агломерируемого материала отношение вертикальной скорости спекания и газопроницаемости шихты при других равных условиях ведения процесса есть величина постоянная.

Используя экспериментальные данные для шихты (см. табл. 1), вычислен показатель к уравнения (9), который равен 1,6246252662 или 1,62. Тогда уравне-

Взаимосвязь оптимальных параметров, связанных аналогичным образом, в функциональную зависимость удельной производительности W, кг/м2-с, [Ь^МТ1], от газопроницаемости шихты q, м3/с-м2, [Ь3Т"1Ь-2]; продолжительности процесса спекания т, с, [Т]; высоты слоя шихты И, м, [Ь]; насыпной массы шихты р, кг/м3, [МЬ-3] и вертикальной скоростиспекания V, м/с, [ЬТ-1] в общем виде

_Ир (VлК

т

(14)

у

Для шихты (см. табл. 1) показатель к уравнения (14) равен 0,07167356808327 или 0,072; а уравнение (14) имеет вид

W= —.

т

/ \ 0,072

Ир ( V ^

q J

(15)

Вышеприведенным способом удаётся связать и другие основные параметры процесса спекания, кроме показателя степени увлажнения, который, наряду с физико-химическими свойствами руды, оказывает большое влияние на протекание процесса спекания и в значительной мере определяет все показатели агломерации. Влажность шихты на процесс спекания сказывается двояко: с одной стороны, от неё зависит окомкованность и соответственно газопроницаемость холодной шихты, а также влага является терморегулятором горения и оказывает влияние на газопроницаемость шихты в процессе спекания; с другой стороны, по мере увеличения влажности шихты до оптимальной качество агломерата улучшается, а затем выход мелочи резко увеличивается.

Оптимальная массовая доля в шихте, обеспечивающая наибольшую газопроницаемость в процессе спекания, зависит от крупности шихтовых материалов

и изменяется в пределах 6,5-8,0%. Подача воды осуществляется путем тонкого распыления в первой трети длины окомкователя. При уменьшении крупности, а также при повышении температуры шихты массовую долю влаги в ней необходимо увеличивать, а при увеличении крупности и снижении температуры ших-ты - уменьшить. Отклонение массовой доли влаги в шихте от оптимальной не должно превышать ±0,3%. При отклонениях массовой доли влаги в шихте от оптимальной величины на ±0,5% снижается газопроницаемость, ухудшается качество агломерата, увеличивается выход возврата и снижается производительность агломашин.

Список литературы

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 6. М.: Госхимиздат, 1955.

2. Седов А.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1972.

Список литературы

1. Kasatkin A.G. Basic Processes and Chemical Engineering Means. Publ. 6. M.: Goschimizdat, 1955.

2. Sedov A.I. Methods of Similarity and Dimensionality in Mechanics. M.: Science, 1972.

УДК 621.365.2: 621.187.2.046 Ячиков И.M., Логунова O.C.

УПРАВЛЕНИЕ ОБЪЕМНЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ СИЛАМИ В ВАННЕ ДУГОВОЙ ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА*

Перемешивание расплава в дуговой печи постоянного тока (ДППГ) применяют для выравнивания химического состава и температуры по объему ванны с целью облегчения скачивания шлака, для транспортировки шлакообразующих и легирующих добавок, для улучшения переработки шихты на откосах печи. При перемешивании улучшаются условия теплообмена в печи, в результате чего уменьшается перепад температуры металла по глубине ванны, а это является одним из важных условий для осуществления автоматического регулирования температурного режима плавки.

Современные ДППГ являются довольно сложными устройствами с точки зрения управления. Наиболее интенсивное перемешивание металла требуется в период плавления шихты и рафинирования расплава. При этом на границе металл-шлак, в области пятна дуги скорость расплава должна быть максимальной, а в области подовых электродов и футеровки - минимальной. В качестве показателей эффективности управления технологическим процессом выплавки металлов в дуговых печах можно указать однород-

* Работа выполнена по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». № гос. контракта П2402 от 18.11.2009 г.

ность химического состава расплава и отсутствие очагов его перегрева и охлаждения.

Одной из российских разработок является способ перемешивания расплава в ванне ДППГ путем установки одного осевого графигированного катода, а в подине - не менее двух подовых анодов, смещенных от ее оси симметрии [1]. Электропитание ДППГ осуществляется через два независимых источника постоянного тока, плюсовые провода которых подводятся к подовым электродам, а минусовые подключены к расходуемому графигированному электроду. Это приводит к сложному движению расплава в вертикальной и в горизонтальной плоскостях. Циркуляция расплава в ДППГ с несимметрично расположенными подовыми электродами осуществляется за счет возникновения электровихревых течений (ЭВТ), вызываемых объемными электромагнитными силами (ОЭМС), которые существенно зависят от силы токов, так как обусловлены взаимодействием электрических токов, подводимых к расплаву от сторонних источников ЭДС, с собственными магнитными полями [2].

На основе математических моделей, разработанных в работах [3-6], проведен анализ составляющих ОЭМС в области подового электрода. Имитационное моделирование ОЭМС при одном подовом электроде (рис. 1, а)