CC BY
291
УДК 669.162.1
Сибагатуллин С.К., Гущин Д.Н., Харченко А.С., Гостенин В.А., Сенькин К.В.
ПОВЫШЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ЖЕЛЕЗА В АГЛОМЕРАТЕ ИЗМЕНЕНИЕМ СООТНОШЕНИЯ КОНЦЕНТРАТОВ ОАО «ММК» И ЛЕБЕДИНСКОГО ГОК ПО ЛАБОРАТОРНЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ
Аннотация. В ОАО «ММК» повышение содержания железа в агломерате и в шихте доменных печей для улучшения их работы обеспечивают с учётом сопутствующих экстремальных изменений показателей агломерационного и доменного процессов по результатам лабораторных и промышленных исследований.
Ключевые слова: агломерация, железо, концентрат, производительность, качество агломерата.
Повышение содержания железа в шихте доменных печей является одним из направлений улучшения показателей их работы [1]. Приводятся данные об изменении удельного расхода кокса и их производительности по интервалам повышения содержания железа [2] независимо от пути его обеспечения. Путь достижения может иметь значение в связи с положительными и отрицательными сторонами действия роста содержания железа на процесс окускования [1] и ход процессов в доменной печи [3-5]. Железорудные концентраты, как материалы с повышенным содержанием железа, различаются по химическому, минералогическому и гранулометрическому составу. Поэтому повышение содержания железа в агломерате и окатышах может сопровождаться различным изменением других показателей качества. Соответственно они отразятся на результатах доменной плавки. Степень влияния зависит, кроме того, от места расположения определяющей по силовому взаимодействию потоков шихты и газа зоны доменной печи.
Ранее исследовали процесс производства агломерата при повышении содержания железа в нём увеличением доли концентрата ССГПО за счёт сокращения доли аглоруды Михайловского ГОКа [6], позже за счёт сокращения доли концентрата ДОФ-5 ОАО «ММК» [7]. Изменение показателей качества получалось различным с наличием экстремумов. В связи с изложенными положениями продолжили эти исследования в направлении оценки действия соотношения концентратов ССГПО и Лебединского ГОКа.
На лабораторной установке ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова» [8] спекали шихту, включающую 70% концентрата и 30% аглоруды Стойлен-ского ГОК. Различное содержание железа получали варьированием концентратами ДОФ-5 ОАО «ММК» и Лебединского ГОК. Основность агломерата во всех опытах была равной 1,6. Химический состав основных компонентов шихты представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав основных компонентов агломерационной шихты
Компонент Содержание, %
Fe FeO SiO2 AbO3 CaO P S TiO2 MgO
Аглоруда Стойленского ГОК 54,9 15,84 8,01 2,94 1,32 0,106 0,26 0,25 0,51
Концентрат ДОФ-5 ОАО «ММК» 61,2 28,00 6,65 2,18 2,89 0,015 0,78 0,78 0,97
Концентрат Лебединского ГОК 68,1 27,90 4,84 0,20 0,20 0,010 0,130 0,10 0,35
В исследовании применили трехфакторный план эксперимента Бокса - Бенкина [9] при варьировании на трех уровнях: Fe - содержание железа в смеси концентратов, С - содержание углерода в агломерационной шихте, W - её влажность.
Для математического описания выходного параметра от указанных факторов выбрано уравнение Y=Ь0 + Ь1^е+Ь2-С+Ь3-№+Ь12^е-С+Ь13^е-№+Ь23-С-№+ (^
+Ь„ ^е2 + Ь„ С2 + Ь„-№2 + Ь. Ее-С2+ЬСе2 + Ь, 11 22 33 4 5 6
где Ь0, Ь1, Ь2, Ь3... - коэффициенты уравнения регрессии.
Выходными параметрами являлись:
- удельная производительность (УП, т/м2ч);
- выход годного (ВГ, %);
- скорость спекания (V, мм/мин);
- прочность на удар, соответствующая ГОСТ 15137-77 (холодная прочность);
- содержание мелочи 0 - 5 мм;
- истираемость;
- показатели после нагрева в восстановительной среде при температуре 500°С (горячая прочность): прочность на удар, содержание мелочи 0-5 мм, истираемость.
Обработкой экспериментальных данных определили коэффициенты уравнения (1), значимость которых оценили по критерию Стьюдента. Полученные результаты представлены в виде следующих выражений и на рис. 1-3:
(2)
(3)
УП = 0,83-0,11-Ев+0,2-С-0,05-Ш+0,09-Ев-С+ +0,002 ■ Ев- Ш+ 0,03 ■ С- Ш-0,09 ■ Бв2+ 0,007 ■ С2--0,2-Ш2+0,08-Ев-С2-0,05-С-Ев2-0,03-Ш-Ев2; ВГ =72,4-565- Ев+11,75-С+6,76 Ш +894-Рв-С+ +5,56-Ев-Ш-7,56СШ-6,33-Ев2+4,46-С2--3,21-Ш2+0,91-Ев-С2+3,37-С-Ев2+8,21-Ш-Ев2; V = 18, 75-1, 42-Ев+2, 99С-1,65-Ш-0, 43-Ев-С--0,70-Ев-Ш+2,37-С-Ш-0,38-Ев2+0,09-С2- (4) -3,8-Ш2+2,57-Ев-С2-3,41-С-Ев2-1,81-Ш-Ев2.
В приведенных уравнениях все факторы представлены в кодированной форме и изменяются от -1 до 1.
ставлял 92,1%, а при спекании агломерата без концентрата ДОФ-5 «ММК» - 93,6%. Общий прирост равен 1,5% абс. Скорость спекания изменялась экстремально с минимумом. Минимум приходился на 50% содержания концентратов Лебединского и ДОФ-5 «ММК».
Из рис. 2 видно, что с увеличением содержания железа с 54,0 до 55,2 % прочность на удар повысилась на 0,40 % отн., а при последующем его росте до 56,9% она снизилась на 1,06% отн. Содержание мелочи (класс 0-5 мм) уменьшалось на 1,6% отн., при увеличении содержания железа - до 55,2%, с последующим ростом до 56,9% увеличивалось на 4,5% отн. Истираемость агломерата с повышением содержания железа от 54 до 56,9% увеличивалась по зависимости, близкой к линейной, при общем приросте 72% отн.
1,6
о о
1,55
о н
ЕЯ О
1,5
§
х .а Ш
93,5 93 92,5
о о о. о .
к ■=■
га .
X. к
-1 5
с; з:
го го
з а)
I- с
а. о
<и т
А
у
/ г
/
)
1 \У
23,5 22 22,5
54 54,6 55,2 55,8 56,3 56,9
Содержание железа в готовом агломерате, %
54 54,6 55,2 55,8 56,3 56,9 Содержание железа в готовом агломерате, %
Рис. 1. Влияние увеличения содержания железа на производительность, выход годного и вертикальную скорость спекания агломерационной установки
Согласно рис. 1 с ростом содержания железа в агломерате производительность сначала несколько снижалась, а затем увеличивалась. Она составляла 1,48 т/(м2*ч) при содержании железа 54,3% и 1,59 т/(м2*ч) при 56,9%. Такой рост обеспечивался увеличением выхода годного агломерата. При отсутствии Лебединского концентрата выход годного со-
Рис. 2. Влияние увеличения содержания железа на показатели «холодной» прочности
На рис. 3 представлены характеристики «горячей» прочности агломерата. Для оценки этого критерия направляли агломерат, подвергнутый испытанию в установке по определению «холодной прочности», после которого вся мелочь класса 0-5 мм была полностью удалена.
.о -р
15 К
О О-
X ГО
■Г Ч
о ^
£ 18
90,7 90,6 90,5 90,4
1 =
го ю
<и ^
5 3
О 5
о о 5 <и го а
10
9,5
1,75
1,55
у У
кания) такие мероприятия необходимо закладывать в комплекс выбранного направления повышения содержания железа на этапе планирования.
Из рассмотрения результатов исследований (см. рис. 1-3) видно, что одни показатели прочностных свойств агломерата изменяются в благоприятном направлении, другие - в неблагоприятном направлении. В таких условиях имеет значение приоритетность показателя качества. Для службы элементов загрузочного устройства доменной печи и выноса пыли наибольшее значение имеет истираемость, для хода процессов в печи при определяющей роли силового взаимодействия потоков шихты и газа в верхней части - «холодная» прочность, а при определяющей роли силового взаимодействия потоков шихты и газа в нижней части - «горячая» прочность. Статистической обработкой данных по использованию различных концентратов в ОАО «ММК» получили зависимости, представленные на рис. 4.
1,35
54 54,6 55,2 55,8 56,3 56,9 Содержание железа в готовом агломерате, %
Рис. 3. Влияние увеличения содержания железа на показатели «горячей» прочности
С ростом содержания железа в годном агломерате от 54 до 56,05% прочность на удар снижалась с 90,65 до 90,38%, а с последующим увеличением до 56,9% возрастала до 90,43%. Содержание мелочи уменьшалось на 11,7% отн., при увеличении содержания железа до 55,8%, с последующим ростом до 56,9% прирост составлял 5,5% отн. Истираемость агломерата после химико-термической обработки непрерывно увеличивалась от 1,42 до 1,85%, прирост равен 30% отн.
Росту содержания железа в агломерате на 1% соответствовало увеличе-ние его в смеси рассмотренных концентра-тов на 2,38%. Это соотношение получается иным для других путей повышения качества агломерата по богатству. Большинство показателей изменялось экстремально. Для удержания соответст- вующего показателя в области благоприятного экстремума (например, обеспечения максимальной прочности на удар) с повышением содержания железа после экстремума необходимо использовать одновременно другие мероприятия, компенсирующие негативные стороны действия богатства на отдельные стороны агломерационного процесса. По показателям, меняющимся изначально в неблагоприятном направлении (например, повышение истираемости, уменьшение скорости спе-
ч: о
х
0
го _ о. *
л о
1 *
.0 о
с * ф
£
460 450 440 : 430 420 410 400 390
К Ег
и- = 0,63 36ИУ + 386,7
* Л
X ** * *
*
К,- 404,93 4Ж„ ♦
И
0 5 10 15 20 25 30 35 Содержание соколовского, лебединского концентратов (%) и удельный расход известняка ((кг/10)/тшихты)
Рис. 4. Удельный расход кокса на выплавку чугуна (Ку, кг/т) при ведении доменного процесса с использованием агломерата, полученного при различном содержании концентратов ССГПО (Кс) и Лебединского ГОК (Кл) в смеси с магнитогорским (Иу — расход известняка (кг/10) на тонну шихты)
Таким образом, действие увеличения содержания железа повышением содержания богатого концентрата в аглошихте на удельный расход кокса и производительность доменной печи может быть различным в зависимости от сопутствующего изменения химического состава, физико-механических и физико-химических свойств железорудного сырья и от расположения определяющей зоны доменной печи к моменту использования его.
Повышение содержания железа в шихте доменной печи само приводит к изменению определяющей зоны. Оценили это проведением лабораторных исследований по восстановлению агломерата с различным содержанием железа и расчётами хода процесса по высоте доменной печи. Восстановленность к температуре 11000С получилась следующей: содержание железа, % 40 50 60 65 степень восстановления, % 86 90 80 70
Экстремальный характер изменения её обусловлен совокупностью действующих факторов: константы скорости восстановления, интенсивности теплообмена вверху шахты, времени пребывания материалов в интервале температур 700-1100°С и степени использования химической энергии газов.
Снижение восстановленности к горизонту шлакообразования ухудшает газодинамические условия в нижней части доменной печи и делает её определяющей. Для компенсации такого действия повышения содержания железа после достижения предельных значений необходимо одновременное использование других мероприятий, обеспечивающих рост восста-новленности материалов к нижним горизонтам. К таким мероприятиям, в частности, относятся увеличение расхода природного газа, повышение восстано-вимости сырья, отсев мелочи из него с увеличением средней крупности и интенсификацией процесса доменной плавки по дутью.
Заключение
В ОАО «ММК» повышение содержания железа в агломерате и в шихте доменных печей для улучшения их работы обеспечивают с учётом сопутствующих экстремальных изменений показателей агломерационного и доменного процессов.
Росту содержания железа в агломерате основностью (СаО^Ю2) 1,6 на 1% повышением доли концентрата Лебединского ГОК в смеси с концентратом ДОФ-5 ОАО «ММК» соответствовало увеличение его в смеси их примерно на 2,4%.
При повышении содержания железа увеличением доли лебединского концентрата в агломерационной шихте целесообразно одновременное использование мероприятий, компенсирующих негативное влияние его на истираемость агломерата и уменьшение прочности на удар в определённом диапазоне содержания железа, руководствуясь определяющей зоной доменной печи.
Повышение содержания железа в агломерате с достижением высоких физико-механических свойств его приводит к перераспределению процессов восстановления по высоте и к определяющей роли силового
взаимодействия потоков шихты и газа в её нижней
части.
Список литературы
1. Металлургия чугуна / Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н., Юсфин Ю.С. и др. М.: Академкнига, 2004. 774 с.
2. Волков Ю.П., Шпарбер Л.Я., Гусаров А.К. Технолог-доменщик: справочник. М.: Металлургия, 1986. 262 с.
3. Изучение влияния содержания железа в шихте на восстановительные процессы в доменной печи / Терентьев В.Л., Гостенин В.А., Сибагатуллин С.К. и др. // Сталь. 2004. № 12. С.21-24.
4. Особенности богатого сырья для доменной плавки / Савинов В.Ю., Сибагатуллин С.К., Терентьев А.В., Ваганов А.И. // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. науч. тр./ под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2004. Вып. 4. С. 4-9.
5. Трудности реализации преимуществ богатого железорудного сырья / Савинов В.Ю., Лёкин В.П., Сибагатуллин С.К. и др. //Современная металлургия начала нового тысячелетия: сб. науч. трудов. Ч. 1. Липецк: ЛГТУ, 2001. С. 32-35.
6. Лабораторные опыты по спеканию агломератов с содержанием железа до 59,5% / Полушкин М.Е., Юсупов Р.Б., Ким Т.Ф. и др. //Совершенствование технологии в ОАО «ММК»: сб. тр. ЦЛК ОАО «ММК». Вып. № 5. Магнитогорск: Дом печати, 2001. С. 37-43.
7. Производительность агломерационной машины при повышении содержания железа в агломерате изменением соотношения концентратов ММК и ССГПО / Гущин Д.Н., Харченко А.С., Бородин А.А., Бидненко Н.А., Турук А.В. // Современная металлургия начала нового тысячелетия: сборник 9-й научно-практической конференции. Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2012. С. 49-52.
8. Качество агломерата из железорудных концентратов с повышенным содержанием оксида титана / В.М. Колокольцев, В.А. Бигеев, С.К. Сибагатуллин, Д.Н. Гущин, А.В. Иванов // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Колокольцева. Вып.11. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. С. 4-8.
9. Спирин Н.А., Лавров В.В. Методы планирования и обработки результатов инженерного эксперимента. Конспект лекций. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2004. 257 с.
Сведения об авторах
Сибагатуллин Салават Камилович - д-р техн. наук, проф. института металлургии, машиностроения и материалообра-ботки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-84-30. E-mail: 10skt@mail.ru.
Гущин Дмитрий Николаевич - аспирант института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Харченко Александр Сергеевич - канд. техн. наук, доц. института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-84-30. E-mail: as.mgtu@mail.ru.
Гостенин Владимир Александрович - канд. техн. наук, старший менеджер группы по аглодоменному производству ЦЛК ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Сенькин Константин Васильевич - ведущий инженер агломерационной лаборатории ЦЛК ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
♦ ♦ ♦
