CC BY
25
УДК 622.788.36
Ганин Д.Р., Дружков В.Г., Панычев А. А., Шаповалов А.Н.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ОКОМКОВАНИЯ АГЛОМЕРАЦИОННОЙ ШИХТЫ В УСЛОВИЯХ АО «УРАЛЬСКАЯ СТАЛЬ»
Аннотация. Представлены результаты эксперимента по исследованию эффективности окомкования в условиях агломерационного цеха АО «Уральская сталь», который заключался в отборе проб агломерационной шихты до и после окомкования с последующим определением свойств шихты - гранулометрического состава, влажности и насыпной плотности.
Приведены зависимости и уравнения, иллюстрирующие влияние параметров окомкования агломерационной шихты из руд и концентратов Курской магнитной аномалии на средний эквивалентный диаметр гранул окомкованной агломерационной шихты и ее насыпную плотность. Выявленные зависимости позволяют прогнозировать результаты окомкования по контролируемым входным параметрам компонентов аглошихты (крупность) и влажности аглошихты, регулируемой в процессе подготовки шихты к спеканию.
Полученные уравнения достоверны и пригодны для прогнозирования результатов окомкования агломерационной шихты при спекании руд и концентратов Курской магнитной аномалии в условиях работы агломерационного цеха АО «Уральская сталь».
Ключевые слова: окомкование агломерационной шихты, влажность аглошихты, крупность агломерационной шихты, насыпная плотность агломерационной шихты.
Введение
В работах [1-3] получена математическая модель расчета удельной производительности агломерационной машины:
О = ^{р/йГ -Ы к ■ тк, (1)
где О - удельная производительность агломашины, кг/(м2-с);
р - общее газодинамическое сопротивление слоя аглошихты, кг/(с2-м);
И - высота слоя аглошихты, м;
р - насыпная плотность аглошихты, кг/м3;
й - крупность спекаемого материала, выраженная через средний эквивалентный диаметр гранул окомкованной аглошихты, м;
Т - продолжительность процесса спекания агло-шихты, с;
к - показатель степени.
Для использования модели при прогнозировании производительности агломашины при спекании руд и концентратов Курской магнитной аномалии (КМА) в условиях агломерационого цеха АО «Уральская сталь» необходимо определить средний эквивалентный диаметр гранул окомкованной аглошихты и ее насыпную плотность по исходному гранулометрическому составу шихты (перед окомкованием) и режиму окомкования.
Согласно данным исследования [4] результаты окомкования в барабанных грануляторах определяют следующие конструктивные и технологические параметры: диаметр, длину и угол наклона барабана; скорость вращения барабана; режим увлажнения шихты в барабане; степень заполнения барабана шихтой;
© Ганин Д.Р., Дружков В.Г., Панычев А.А., Шаповалов А.Н., 2020
нагрузку на окомкователь и продолжительность обработки шихты в барабане.
В аглоцехе АО «Уральская сталь» для окомкова-ния шихты используют цилиндрические барабаны диаметром 2,8 м, длиной 6 м, с углом наклона 1°30'. Скорость вращения барабана составляет 6 об/мин, а подача воды осуществляется в первой трети окомко-вателя струйным распылением.
Ранее рядом исследователей изучалось изменение гранулометрического состава продукта в зависимости от параметров гранулирования материалов в барабанных окомкователях: гранулометрического состава исходной шихты и ее насыпной плотности, режимов увлажнения и окомкования шихты [5-14]. Предлагаемые исследователями уравнения применимы лишь при принятых механизмах гранулирования и имеют частный характер, что ограничивает их использование в производственных условиях, в частности в условиях агломерационного цеха АО «Уральская сталь».
Проанализировав работы [5-14], приняв конструктивные и технологические параметры работы вращающегося цилиндрического барабана-окомкователя в аглоцехе АО «Уральская сталь» постоянными (кроме режима увлажнения шихты -влажности шихты перед окомкованием и после оком-кования), предположили, что в качестве исходных данных для прогнозирования результатов окомкова-ния (при постоянных компонентном составе исходной шихты и температуре шихты при грануляции) можно использовать: гранулометрический состав шихты перед окомкованием; влажность шихты перед окомко-ванием и после окомкования; насыпную плотность шихты перед окомкованием.
Цель работы: исследование эффективности оком-кования в условиях агломерационного цеха АО «Уральская сталь» и получение достоверных зависимостей, позволяющих прогнозировать результаты окомкования по контролируемым входным параметрам.
Методы исследования
Для изучения влияния указанных параметров на результаты окомкования в июне-октябре 2014 г. в аг-лоцехе АО «Уральская сталь» был проведен эксперимент, заключающийся в отборе проб шихты и исследовании ее параметров перед окомкованием и после окомкования. Во время отбора проб фиксировался текущий состав шихты, а пробы шихты исследовались на гранулометрический состав, влажность и насыпную плотность.
Результаты исследования и их обсуждение
Условия и результаты исследования шихты приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Расход шихтовых материалов на 1 т агломерата
Параметры аглошихты до и после окомкования
Материалы Расход, кг/т*
Аглоруда Бакальского рудоуправления 89,93^139,35 115,89
Аглоруда Михайловского ГОКа 139,59*157,93 150,65
Концентрат Михайловского ГОКа 581,22*642,23 606,95
Шлам 20,23*20,31 20,26
Отсев агломерата и окатышей 33,01*53,95 37,47
Мелочь брикетов 0*35,85 27,54
Колошниковая пыль 14,11*28,58 23,49
Окалина 3,70*7,36 5,87
Доменный присад 1,43*5,64 4,74
ИТОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ 971,50*1013,59 993,13
Известняк 162,81*208,83 178,58
Известь 24,15*30,00 28,50
Твердое топливо 41,18*42,44 41,87
*В числителе - интервал изменения, нее значение.
в знаменателе - сред-
Таблица 2
Параметры аглошихты Значение*
Влажность аглошихты перед окомкованием, % 2,25*4,93 3,86
Гранулометрический состав шихты перед окомкованием, % + 10 мм 2,85*7,16 4,70
5 - 10 мм 3,96*9,50 6,94
3 - 5 мм 4,29*10,11 7,62
1 - 3 мм 18,73*27,81 22,54
0 - 1 мм 52,43*65,85 58,06
Средний эквивалентный диаметр гранул шихты перед окомкованием, мм** 1,69*2,53 2,15
Насыпная плотность шихты перед окомкованием, кг/м3 1554,00*1792,00 1652,09
Влажность окомкованной аглошихты, % 7,30*9,23 8,14
Гранулометрический состав окомкованной аглошихты, % + 10 мм 7,85*16,18 11,11
5 - 10 мм 10,18*19,90 14,32
3 - 5 мм 14,46*26,79 19,34
1 - 3 мм 29,92*51,07 38,07
0 - 1 мм 6,61*29,25 16,78
Средний эквивалентный диаметр окомкованной аглошихты, мм ** 3,34*4,97 4,08
Насыпная плотность окомкованной аглошихты, кг/м3 1658,20*1816,30 1735,40
*В числителе - интервал изменения, в знаменателе - среднее значение.
**Рассчитан по формуле [6]: d — -
IА
I
РI
1 (^)
где р - выход класса I, %; () - средний диаметр
класса I, мм; П - количество классов.
Незначительные колебания компонентного со-
1—1
става аглошихты в период исследования позволили сделать вывод об идентичных условиях проведения эксперимента, где результаты окомкования определяются в первую очередь расходом воды на увлажнение и крупностью исходной шихты.
По полученным данным были построены графики, иллюстрирующие влияние параметров окомкования на его результаты: средний эквивалентный диаметр гранул окомкованной аглошихты и ее насыпную плотность.
На рис. 1 приведена зависимость среднего эквивалентного диаметра гранул окомкованной аглоших-ты от среднего эквивалентного диаметра гранул аг-лошихты перед окомкованием, которая носит экстремальный характер. В изученном диапазоне гранулометрического состава исходной шихты с увеличением средней крупности ее гранул до 2,3-2,4 мм наблюдается затухающий рост среднего эквивалентного диаметра гранул окомкованной аглошихты, что можно объяснить уменьшением содержания в аглошихте комкуемых фракций (0-1 мм). Невысокая величина
достоверности линии тренда ( R =0,1428 , r = 0,378 ) объясняется одновременным влиянием влажности на среднюю крупность гранул окомкован-ной аглошихты. Однако для анализируемого объема выборки с вероятностью 90 % полученная зависи-
мость статистически значима.
На рис. 2 показано влияние влажности на средний эквивалентный диаметр гранул окомкованной аг-лошихты. Трендовая линия зависимости среднего эквивалентного диаметра гранул окомкованной агло-шихты от содержания в ней влаги имеет выпуклый характер с величиной достоверности аппроксимации R2 = 0,533 и коэффициентом корреляции r = 0,73 . При увеличении содержания влаги с 7,30 до 9,23% трендовая линия отражает увеличение среднего эквивалентного диаметра гранул окомкованной аглоших-ты, что обусловлено ростом сил капиллярного и молекулярного сцепления. При этом с ростом содержания влаги наблюдается снижение ее влияния на средний диаметр гранул, что объясняется достижением предельной влажности аглошихты (при ее текущем гранулометрическом составе) и уменьшением неокомкованной части шихты. Дальнейшее увлажнение аглошихты приводит только к ее переокомкова-нию за счет слипания сформированных гранул. Достаточно высокое значение величины достоверности аппроксимации линии тренда свидетельствует о доминирующем влиянии влажности на результаты окомкования в исследуемых условиях.
01
1 9!
Эта
О О с °
Is
5,5 5
4,5 ■ 4 ■ 3,5
y = -1,6479x2 + 7,797x - 4,9978 R2 = 0,1428
1,5
1,7
1,9
2,1
2,3
2,5
2,7
Средний эквивалентный диаметр гранул аглошихты перед окомкованием, мм
Рис. 1. Зависимость среднего эквивалентного диаметра гранул окомкованной аглошихты от эквивалентного диаметра гранул аглошихты перед окомкованием
5,5 ■
5 -
Ч 3 •S g
п П
4,5 -
4 -
y = -0,1507x2 + 3,0855x - 11,009 R2 = 0,533
Si &
о. z
О га
3,5 -
7,5 8 8,5 9
Содержание влаги в окомкованной аглошихте, %
9,5
Рис. 2. Зависимость среднего эквивалентного диаметра гранул окомкованной аглошихты от содержания влаги в окомкованной аглошихте
3
3
7
Для количественной оценки совместного влияния влажности шихты и гранулометрического состава исходной шихты на средний эквивалентный диаметр гранул окомкованной аглошихты выполнен множественный регрессионный анализ и получено уравнение регрессии:
d =-2,083 + 0,5613-d +0,6088-w
o " " н " o
R =0,5848
R = 0,7647
(2)
где - средний эквивалентный диаметр гранул окомкованной аглошихты, мм;
- средний эквивалентный диаметр гранул шихты перед окомкованием, мм;
wo - влажность окомкованной аглошихты, %.
Взаимный учет влияния двух факторов с использованием линейной модели позволяет с более высокой степенью достоверности прогнозировать среднюю крупность гранул окомкованной аглошихты для исследованных условий: R2 =0,5848 превышает значения величин достоверности аппроксимации, полученных при анализе частных зависимостей (см. рис. 1, 2).
Усложнение регрессионной модели позволяет получить зависимость средней крупности гранул окомкованной аглошихты от исследуемых параметров
с коэффициентом детерминации R =0,7546 и множественным коэффициентом корреляции R = 0,8687 :
IM
*
I 1g?0
S 1800
1760
= s 1760
S \ 17«
| \ im
i ; 1700
I 1680 S 1660 •
i If.tO
d =-44,04 + 16,21- d +6,819- w0 --4,191-d2H -0,4129- wo2 +0,2733-dH - wo. (3)
Другим значимым результатом окомкования, влияющим на газопроницаемость спекаемого слоя и производительность агломашины, является насыпная плотность аглошихты. На рис. 3 показано влияние влажности окомкованной аглошихты на ее насыпную плотность. Трендовая линия зависимости насыпной плотности окомкованной аглошихты от ее влажности имеет вогнутый характер с величиной достоверности аппроксимации R2 = 0,5407 и коэффициентом корреляции r = 0,735 . При увеличении влажности окомкованной аглошихты с 7,30 до 9,23 % трендовая линия отражает увеличение насыпной плотности аглошихты. Это объясняется тем, что в исследуемом интервале с ростом влажности, несмотря на увеличение порозности окомкованной аглошихты из-за роста среднего диаметра гранул, увеличивается влагонасы-щенность и масса гранул.
На рис. 4 показана взаимосвязь результатов окомкования аглошихты: насыпной плотности и среднего эквивалентного диаметра гранул. Трендовая линия имеет выпуклый характер с коэффициентом достоверности аппроксимации RR =0,4106 и коэффициентом корреляции r = 0,641. При увеличении среднего эквивалентного диаметра гранул окомко-ванной аглошихты растет ее насыпная плотность, что объясняется взаимным влиянием на исследуемые параметры влажности, гранулометрического состава исходной шихты и порозности.
у Л 22.452** 314.32* • 2800 1 . R*-0S4Ö7 .
гъ
С одери
8 5
в влети в ономиоевинои аггюши;
9
НТВ. %
Рис. 3. Зависимость насыпной плотности окомкованной аглошихты от ее влажности
1&40 1820 1800 1780 . 1760 6 Ï 1740
у = -34 02** ♦ 330 05* * 962.21 Я* =04106
в ■
S S
- a "w
I I 1700
Ï " 1680
I 1660
; 1640
33 3,7 4.2 «7
Средний эипивапснтмын диаметр гранул ояамкоамтиой атпошидты. мы
Рис. 4. Зависимость насыпной плотности окомкованной аглошихты от среднего эквивалентного диаметра
гранул окомкованной аглошихты
Для прогнозирования насыпной плотности оком-кованной аглошихты наибольшая достоверность получена при использовании ее зависимости от содержания влаги в окомкованной аглошихте.
Выводы
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. Получены зависимости и уравнения, иллюстрирующие влияние параметров окомкования агло-шихты из руд и концентратов КМА на его результаты: средний эквивалентный диаметр гранул окомко-ванной аглошихты и ее насыпную плотность.
2. Взаимный учет влияния среднего эквивалентного диаметра гранул шихты перед окомкованием и содержания влаги в окомкованной аглошихте позволяет с более высокой степенью достоверности прогнозировать среднюю крупность гранул окомкован-ной аглошихты для исследованных условий, чем частные зависимости среднего эквивалентного диаметра гранул окомкованной аглошихты от тех же параметров.
3. Получены зависимости насыпной плотности окомкованной аглошихты от содержания влаги в окомкованной аглошихте и среднего эквивалентного диаметра гранул окомкованной аглошихты. Наибольшая достоверность для прогнозирования насыпной плотности окомкованной аглошихты получена при использовании ее зависимости от содержания влаги в окомкованной аглошихте.
4. Полученные зависимости и уравнения пригодны для прогнозирования результатов окомкования аглошихты по контролируемым входным параметрам компонентов аглошихты (крупность) и влажности аг-лошихты, регулируемой в процессе подготовки шихты к спеканию.
Список литературы
1. Математическая модель расчёта удельной производительности агломерационной машины / Га-нин Д.Р., Панычев А.А., Дружков В.Г., Шаповалов А.Н. // Металлург. 2016. №1. С.14-20.
2. Ганин Д.Р., Панычев А.А. Новая математическая модель агломерационного процесса // Металлург. 2013. № 5. С.44-47.
3. Обзор и анализ математических моделей расчета производительности агломерационной машины / Ганин Д.Р., Дружков В.Г., Панычев А.А., Шапо-
валов А.Н. // Теория и технология металлургического производства. 2014. №2(15). С. 20-26.
4. Пузанов В.П., Кобелев В.А. Введение в технологии металлургического структурообразования. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. 501 с.
5. Коротич В.И., Фролов Ю.А., Бездежский Г.Н. Агломерация рудных материалов. Научное издание. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2003. 400 с.
6. Классен П.В., Гришаев И.Г., Шомин И.П. Гранулирование. М.: Химия, 1991. 240 с.
7. Umadevi T., Deodhar A.V., Kumar S., et al. Influence of coke breeze particle size on quality of sinter. (2008) Ironmaking & Steelmaking, 35:8, 567-574.
8. Fan X.H., Li Y., Chen X.L. Study on the Effect on Sintering Mineralization of Iron Ore. (2013) Advanced Materials Research. Vols. 652-654, pp. 2538-2542.
9. Шаповалов А.Н., Овчинникова Е.В., Майстренко Н.А. Повышение качества подготовки агломерационной шихты к спеканию в условиях ОАО «Уральская сталь» // Металлург. 2015. №3. С.30-36.
10. Трушко В.Л., Утков В.А., Клямко А.С. Повышение газопроницаемости агломерационной шихты с высоким содержанием железорудного концентрата // Обогащение руд. 2015. №3(357). С.32-34.
11. Перспективы использования местных минеральных ресурсов в агломерационном производстве ОАО «Уральская сталь» / Ганин Д.Р., Дружков
B.Г., Панычев А.А., Шаповалов А.Н. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2016. Т.14. № 1.
C. 34-40.
12. Повышение эффективности процесса агломерации при окомковании шихты с использованием ПАВ / Майстренко Н.А., Овчинникова Е.В., Шаповалов А.Н., Берсенев И.С. // Сталь. 2016. №1. С.12-15.
13. Nyembwe A.M., Cromarty R.D., Garbers-Craig A.M. Relationship Between Iron Ore Granulation Mechanisms, Granule Shapes, and Sinter Bed Permeability. (2017) Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 38:6. 388-402.
14. Higuchi T., Takehara K., Hirosawa T. Influence of Agitating Conditions on Agglomeration and Collapse of Iron Ore Mixture (2018) ISIJ International, vol. 58 (2018), no. 11, pp. 2009-2017.
Сведения об авторах
Ганин Дмитрий Рудольфович - канд. техн. наук, доцент, кафедра металлургических технологий и оборудования, Новотроицкий филиал НИТУ «МИСиС», Новотроицк, Россия. E-mail: dmrgan@mail.ru.
Дружков Виталий Гаврилович - канд. техн. наук, доцент, кафедра металлургии и химических технологий, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия.
Панычев Анатолий Алексеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра металлургических технологий и оборудования, Новотроицкий филиал НИТУ «МИСиС», Новотроицк, Россия.
Шаповалов Алексей Николаевич - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой металлургических технологий и оборудования, Новотроицкий филиал НИТУ «МИСиС», Новотроицк, Россия. E-mail: alshapo@yandex.ru.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
PREDICTION RESULTS PELLETIZING SINTER BURDEN AT JSC «URAL STEEL»
Ganin Dmitriy R. - Ph.D. (Eng.), Associate Professor of Metallurgical Technologies and Equipment Department, Novotroitsk branch of the National Research Technological University «MISiS», Novotroitsk, Russia. E -mail: dmrgan@mail.ru
Druzhkov Vitaly G. - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Panychev Anatoliy A. - Ph.D. (Eng.), Associate Professor of Metallurgical Technologies and Equipment Department, Novotroitsk branch of the National Research Technological University «MISiS», Novotroitsk, Russia.
Shapovalov A.N. - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Head of Metallurgical Technologies and Equipment Department, Novotroitsk branch of the National Research Technological University «MISiS», Novotroitsk, Russia. E-mail: alshapo@yandex.ru
Abstracts. The results of an experiment on the study of the efficiency ofpelletizing in the conditions of the sintering shop of JSC "Ural Steel" are presented. The experiment consisted in taking samples of the sinter burden before and after pelletizing. Then, were determined the properties of pelletized sinter burden - particle size distribution, moisture content and bulk density.
The article describes the dependencies and equations, illustrating the effect of the parameters of the pelletizing sinter burden on average equivalent diameter pellets pelletized sinter burden and its bulk density. The revealed dependences make it possible to predict the results of pelletizing according to the controlled input parameters of the sinter burden components (size) and the sinter burden moisture, which is regulated in the process of preparing the charge for sintering.
The obtained equations are reliable and suitable for predicting outcomes pelletizing sinter burden during sintering of ores and concentrates, the Kursk magnetic anomaly in the JSC "Ural Steel".
Keywords: pelletizing the sinter burden, sinter burden moisture, size of the sinter burden, the bulk density of the sinter burden.
Ссылка на статью:
Ганин Д.Р., Дружков В.Г., Панычев А.А., Шаповалов А.Н. Прогнозирование результатов окомкования агломерационной шихты в условиях АО «Уральская Сталь» // Теория и технология металлургического производства. 2020. .№3 (34). С. 8-13.
Ganin D.R., Druzhkov V.G., Panychev A.A., Shapovalov A.N. Prediction results pelletizing sinter burden at JSC «Ural Steel». Teoria i tecnologia metallurgiceskogoproizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2020, vol. 34, no. 3, pp. 8-13.
