CC BY
13
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
УДК 62-663
Иванова В.А.
УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМНОГОВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИТЕЙНОГО КОКСА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА СТРУКТУРИРОВАНИЯ ФУНКЦИИ КАЧЕСТВА
Аннотация. На основе литературных данных и с применением метода структурирования функции качества (ОЕБ-метод) построены подматрицы потребительских свойств, связей, характеристик качества и корреляционная подматрица для литейного кокса. Установлены характеристики качества литейного кокса и их влияние на его потребительские свойства, а также зависимости между характеристиками качества литейного кокса и степенью удовлетворения потребительских свойств. К потребительским свойствам литейного кокса относятся: снижение удельного расхода кокса; обеспечение дренажной способности; обеспечение требуемого содержания серы и фосфора в чугуне; сохранение крупности литейного кокса при транспортировке; обеспечение необходимой температуры чугуна на выпуске. Характеристиками качества литейного кокса являются прочность, пористость, плотность, насыпная плотность, гранулометрический состав, реакционная способность, содержание серы, содержание фосфора, структура, влажность, зольность, состав золы, выход летучих веществ. Результаты формирования матриц структурирования функции качества позволяют наглядно представить влияние каждой характеристики качества литейного кокса на его потребительские свойства и их взаимное влияние, что позволяет устанавливать номенклатуру характеристик качества литейного кокса с учетом его потребительских свойств.
Ключевые слова: литейный кокс, метода структурирования функции качества (ОЕБ-метод), характеристики качества, взаимное влияние, потребительские свойства.
Метод структурирования функции качества -это формализованная процедура идентификации требований потребителей и последующего их перевода в характеристики качества изделия на каждом этапе его проектирования и изготовления. Целью этого метода является преобразование характеристик качества продукции с учетом наиболее полного удовлетворения выявленных запросов и пожеланий потребителей при оптимальном расходовании материальных, финансовых и временных ресурсов (ГОСТ Р 56005-2014 «Арматура трубопроводная. Методика обеспечения надежности и безопасности при проектировании и изготовлении с использованием метода структурирования функции качества»).
Литейный кокс - топливо для плавки чугуна в вагранке. Основными задачами плавки чугуна в вагранке являются расплавление шихты и обеспечение требуемого химического состава и температуры выплавляемого чугуна. Необходимая температура чугуна достигается в результате сгорания кокса при подводе дутья и является функцией взаимодействия кислорода воздуха и углерода кокса. Удельный расход топлива - показатель энергетической эффективности плавильной печи (ГОСТ Р 51749-2001 «Энергосбережение. Энергопотребляющее оборудование общепро-
© Иванова В.А., 2018
мышленного применения. Виды. Типы. Группы. Показатели энергетической эффективности. Идентификация»).
К основным требованиям к литейному коксу для обеспечения эффективности плавки чугуна в вагранке (потребительские свойства) относятся: снижение удельного расхода кокса; обеспечение дренажной способности; обеспечение требуемого содержания серы и фосфора в чугуне; сохранение крупности литейного кокса при транспортировке; обеспечение необходимой температуры чугуна на выпуске.
Литейный кокс - это объект, обладающий большим количеством отличительных свойств, которые взаимосвязаны друг с другом. Установление взаимного влияния свойств литейного кокса позволит оптимизировать их количество, а также выявить наиболее важные характеристики, которые можно будет применять для оценки качества литейного кокса. Проведем анализ литературных данных о каждой характеристике литейного кокса с целью установления их оптимальных значений и взаимного влияния.
Под реакционной способностью кокса обычно понимают скорость образования оксида углерода при взаимодействии углерода кокса с диоксидом углерода [1] по реакции
2Ск+СО2^2ТО (1)
Реакционная способность кокса зависит от формы углерода [2, 3] - снижению реакционной способности способствуют анизотропные текстуры в коксе. Получены многочисленные данные о влиянии на реакционную способность кокса различных минеральных примесей [5-8]: оксиды кальция, железа, фосфора, серы, алюминия, щелочных металлов и др. По мнению авторов [6-8], щелочи калия и натрия являются катализаторами газификации углерода. Опыт работы в ОАО «ИспатКармет» показал влияние зольности на реакционную способность: при снижении зольности кокса с 12,8 до 10,5 % показатели CRI улучшились соответственно с 31 до 26 % [9]. Величина реакционной способности обусловлена также содержанием серы. Повышение содержания общей серы (Sf ) на 1 % приводит к увеличению реакционной способности кокса K на 0,521 см3/(г-с) (ГОСТ 10089-89 «Кокс каменноугольный. Метод определения реакционной способности»), а CRI - на 17,5 % [10, 11]. В работе [12] была установлена зависимость реакционной способности кокса от температуры нагрева и значений плотности и пористости. Влияние пористости кокса на реакционную способность было установлено также в работе [13], а кажущейся плотности - в работе [14]. В доменном переделе считается, что реакционная способность кокса оказывает влияние на газопроницаемость и дренажную способность шихтовых материалов. Увеличение реакционной способности на 1 % приводит к увеличению расхода кокса на 0,509 кг/т чугуна, а увеличение реакционной способности на 10 % ухудшает газопроницаемость за счет появления мелочи и способствуют увеличению потерь давления на 5,3 % [15].
Реакционная способность определяет эффективность использования кокса в вагранке [6]. Реакция газификации способствует перерасходу кокса и охлаждению вагранки, причем образующийся оксид углерода не может быть использован [14], что в целом снижает эффективность плавки. Поэтому для литейного производства требуется кокс с минимально возможной реакционной способностью (< 0,5 см3/(г-с)) [16]. Лучшие сорта отечественного литейного кокса имеют реакционную способность на уровне 0,4-0,5 см3/(г-с) [17].
Увеличение зольности кокса способствует его перерасходу при плавке по следующим причинам: увеличение зольности кокса приводит к уменьшению содержания углерода - горючей составляющей кокса; расход кокса повышается за счет увеличения расхода теплоты на нагрев и плавление минеральной массы [18]; увеличение содержания золы способствует увеличению количества шлака и, как следствие, увеличению расход кокса [2, 4]. По данным работы [17], из-
менение расхода кокса в зависимости от его зольности при температуре чугуна 1360 0С и соответственно СО2/СО=1,1 в колошниковых газах составляет примерно 0,3 % на 1 % золы. Содержание золы в коксе зависит от его крупности. Было замечено, что в коксе крупностью менее 10 мм содержится больше золы [12]. Зола в виде минеральных включений в коксе, являясь центрами внутренних напряжений и деформации кусков кокса вследствие различных коэффициентов расширения и химических реакций с углеродом, ослабляет структуру кокса и снижает его прочность при высоких температурах [2]. На каждый процент снижения зольности кокса показатель прочности С8Я возрастает на ~3,6 % [4]. Содержание золы (Аа, %) является показателем качества литейного кокса в соответствии с требованиями ГОСТ 3340-88 «Кокс литейный каменноугольный. Технические условия» и зависит от марки литейного кокса. Для кокса марки КЛ-1 зольность не должна превышать 12,0 %, для кокса
марки КЛ-2 - 11,0 %, а для кокса марки КЛ-3 - 11,5 %.
Влага кокса в вагранке испаряется благодаря теплу отходящих газов в верхней ее части. Повышенное содержание влаги в коксе понижает теплоту его сгорания вследствие уменьшения содержания горючих компонентов, а также из-за увеличения расхода теплоты на ее испарение и поэтому сказывается на тепловом состоянии плавки [19]. Нестабильность влажности кокса вызывает колебание содержания углерода, что отрицательно влияет на тепловое состояние печи и требует ведения плавки с определенным резервом тепла, это приводит к перерасходу кокса и снижению производительности печей [2]. Колебание влажности кокса отрицательно сказывается на работе печи при условии загрузки кокса по массе, поэтому требует корректировки расчета шихты [14, 20]. Доля общей влаги в рабочем состоянии топлива %) не зависит от марки литейного кокса и не должна превышать 5,0 %.
Для снижения серы в чугуне необходим основной шлак, который связывает серу в нерастворимые в металле соединения, что приводит к увеличению расхода флюса и, как следствие, расхода кокса, что снижает производительность печи [2, 13]. Из опыта доменной плавки известно, что повышение содержания серы в коксе в среднем на 1 % приводит к увеличению его расхода на 10-14 % и снижению производительности доменной печи на 8-12 % [20, 21]. Уменьшение содержания серы в коксе на каждую 0,1 % способствует росту производительности доменной печи на 0,3 % и снижению расхода кокса на 0,3 % [21]. Представляет интерес влияние серы кокса на его прочность. Например, в работе [22] установлено сни-
жение прочности кокса с увеличением содержания в золе кокса SO3. О наличии связи между содержанием серы и показателями прочности свидетельствуют значения коэффициентов корреляции, полученные при анализе данных различных авторов [12, 19]. Противоречивые, но высокие значения коэффициентов корреляции свидетельствуют о необходимости проведения дополнительных исследований по данному вопросу. В литейном коксе марки КЛ-1 массовая доля общей серы не должна превышать 0,6 %, в коксе марки КЛ-2 -не более 1,0 %, а в коксе марки КЛ-3 - не более 1,4 %.
В коксе фосфор содержится в виде фосфатов кальция и алюминия в золе. При плавке чугуна в вагранке газификация фосфатов кальция (Ca3(PO4)2) и алюминия из золы кокса возможна уже при 500 °С Поэтому восстановление фосфора из кокса в чугун будет происходить через газовую фазу. Процесс восстановления фосфора в чугун из газовой фазы может происходить, в том числе, и с участием углерода чугуна, что может приводить к его снижению. Массовая доля фосфора в золе кокса на различных металлургических предприятиях (Р205, %) изменяется в широких пределах от 0,25 до 1,10.
Количество летучих веществ литейного кокса (Vм, %) составляет от 0,5 до 1,5 % [17, 21]. По данным [20, 23], рекомендуемое количество летучих веществ в литейном коксе не должно превышать 1,2 %. Снижение значения У^ (%) для промышленных коксов Алчевского коксохимического завода с 2,76 до 0,86 приводит к снижению величины реакционной способности К (см3/гс) с 0,72 до 0,23, к росту величины структурной прочности по Грязнову с 80 до 87 %, к росту действительной плотности с 1,684 до 1,894 г/см3, к росту термомеханической прочности (по УХИН) с 44,2 до 76,7 % [23]. Выход летучих веществ в коксе различен для разных классов крупности [12, 13]. Чем меньше крупность кокса, тем больше содержание в нем летучих веществ.
Прочность литейного кокса имеет большое значение для эффективности плавки чугуна в вагранке. Для литейного кокса значение прочности (М40, %) установлено в ГОСТ 3340-88 «Кокс литейный каменноугольный. Технические условия» и составляет в зависимости от класса крупности от 73 до 78 %. Полученные зависимости прочности металлургического кокса от состава золы в работах [24] подтверждают снижение прочности с увеличением содержания в золе основных оксидов. Выявлено влияние содержания в золе кокса SO3 на его прочность: увеличение на 1 % содержания в золе SO3 снижает CSR на 20-24 % (абс.) [22]. Установлено, что прочность кокса связана с его крупностью. Как показывают результаты экспериментов, из исследованных классов кокса (80 мм и более,
60-80, 40-60 и 25-40) наименьшую прочность имеют куски размером 80 мм и более, наибольшую - 40-60
мм.
В России кокс по размеру кусков классифицируют в соответствии с требованиями ГОСТ 9434-75 «Кокс каменноугольный. Классификация по размеру кусков», в котором установлены следующие классы кокса, применяемого в литейном производстве (мм): 40 и более, 40-60, 60-80, 60 и более, 80 и более. Для кокса существенное снижение газопроницаемости наблюдается при уменьшении отношения линейных размеров его кусков (самых крупных к самым мелким) ниже двух. Известно, что особенно отрицательно отражается на работе вагранки малый размер кусков [17]. Таким образом, газопроницаемость шихты обеспечивается равномерностью по крупности используемого кокса.
Пористость кокса определяют различными методами и характеризуется она параметрами пористости (Рг, %), кажущейся пористости (Пк, %) и насыпной массой в большом контейнере (Z, т/м3). Для литейного кокса значение кажущейся пористости (Пк, %) составляет по разным источникам от 35 до 45 % [1, 19]. Насыпную массу в большом контейнере в соответствии с требованиями ГОСТ ISO 1013-95 «Кокс. Метод определения насыпной массы в большом контейнере» (Z, т/м3) определяют как массу кокса, приходящуюся на объем контейнера. Насыпная масса зависит как от действительной плотности, так и от кажущейся плотности и пористости. Для коксов из донецких углей насыпная масса составляет 0,43-0,45 [20, 21], а для коксов из восточных углей - 0,46-0,48 т/м3 [20].
Изложенные данные систематизированы с применением метода структурирования функции качества (QFD-метод), который представляет собой формализованную процедуру идентификации требований потребителя и последующего их перевода в характеристики качества изделия на каждом этапе его проектирования и изготовления (ГОСТ Р 56005-2014 «Арматура трубопроводная. Методика обеспечения надежности и безопасности при проектировании и изготовлении с использованием метода структурирования функции качества», см. рисунок). Результаты формирования матриц структурирования функции качества литейного кокса позволяют наглядно представить влияние каждой характеристики качества литейного кокса на потребительские свойства, а также их взаимное влияние, что позволит устанавливать номенклатуру характеристик качества литейного кокс с учетом его потребительских свойств.
Снижение расхода кокса Обеспечение дренажной способности Снижение серы в чугуне Снижение содержания фосфора в чугуне Сохранение крупности при транспортировке Обеспечение плавки теплом
Фрагмент «дома качества» литейного кокса (подматрицы корреляционная, потребительских свойств и связей).
Список литературы
1. Металлургическое топливо: справочник / М.Б. Равич, С.С. Дворин, А.Я. Ленков, С.И. Певзнер; под ред. И.Н. Сушкина, Г.Ф. Кнорре, Т.А. Зикеева. М.: Металлургия, 1965. 653 с.
2. Пинчук С.И. Системный анализ природы качества доменного кокса// Кокс и химия. 2001. № 8. С. 12-18.
3. Скляр М.Г., Данг В.Х. Структура и свойства кокса: труды МЧМ СССР. М.: Металлургия, 1986. С. 71-94.
4. Влияние оптимизации состава шихты и ее зольности на показатели качества кокса/ Ю.В. Степанов, Р.Р. Гилязетдинов, Н.К. Попова, Л.А. Махортова // Кокс и химия. 2005. № 7. С. 14-18.
5. Реактивность и прочность кокса// Кокс и химия. 2002. № 10. С. 44-46. (Hermann W. // Cokemak. Int. 2002. № 1. V. 14. P. 18-31).
6. Теоретические аспекты газификации кокса в доменном и недоменных технологических процессах / А.Я. Лазаренко, В.Е. Кононенко, Е.Л. Сорокин, А.П. Толстой // Кокс и химия. 2003. № 6. С. 14-18.
7. G.-W.Lask // World Coal. 2000. V. 9. № 8. P. 5053.
8. Вейнский В.В., Барский В.Д. Зависимость реакционной способности кокса от величины зольности и состава золы // Кокс и химия. 1990. № 12. С. 9-12.
9. Влияние оптимизации состава шихты и ее зольности на показатели качества кокса / Ю.В. Степанов, Р.Р. Гилязетдинов, Н.К. Попова, Л.А. Махортова // Кокс и химия. 2005. № 7. С. 14-18.
10. Сернистость и реакционная способность кокса / М.Л. Улановский, Д.В. Мирошниченко, Ю.С. Кафтан, А.Н. Лихенко // Углехимический журнал. 2003. № 3-4. С. 45-48
11. Взаимосвязь реакционной способности и термомеханической прочности кокса/ М.Л. Улановский, Д.В. Мирошниченко, И.Д. Дроздник и др. // Углехи-мический журнал. 2004. № 5-6. С. 46-51.
12. Щукин П.А. Исследование свойств металлургического кокса. М.: Металлургия, 1971. 184 с.
13. Мучник Д.А., Иванов Е.Б. Сортировка кокса. М.: Металлургия, 1968. 296 с.
14. Луазон Р., Фош П., Буайе А. Кокс. М.: Металлургия, 1975. 520 с.
15. Скляр М.Г., Данг В.Х. Влияние реакционной способности кокса на работу доменной печи: обзор.
информ./ Ин-т «Черметинформация». Сер. «Производство чугуна». М., 1982. Вып. 2. 11 с.
16. Леви М.А., Мариенбах Л.М. Основы теории металлургических процессов и технология плавки литейных сплавов. М.: Машиностроение, 1970. 496 с.
17. Нефедов П.Я., Страхов В.М. Качество и эффективность использования литейного кокса в вагранках// Кокс и химия. 2003. № 7. С. 16-26.
18. Мучник Д.А., Гуляев В.М. Расчеты и прогнозирование показателей качества металлургического кокса с использованием ПК: учеб. пособие. ДнепроДзержинск: Изд-во Днепродзержинск. гос. техн. ун-та, 2007. 225 с.
19. Плужников А.И., Риферт О.Г., Трембач А.А. Критерии оценки качества доменного кокса. Перспективы его улучшения на ОАО «Испат-Кармет» // Кокс и химия. 2001. № 1. С. 8-10.
20. Остроухов М.Я., Шнарбер Л.Я. Справочник мастера-доменщика. М.: Металлургия, 1977. 304 с.
21. Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жере-бин, А.Н. Похвиснев, Ю.С. Юсфин. М.: Металлургия, 1978. 480 с.
22. Улановский М.Л., Мирошниченко Д.В. О методе фирмы «Ниппон Стил Корпорейшн» определения качества кокса// Кокс и химия. 2005. № 6. С. 1821.
23. Мирошниченко Д.В. Влияние технологических факторов подготовки и коксования углей на реакционную способность кокса // Кокс и химия. 2009. № 2. С. 37-42.
24. Гайниева Г.Р., Рябченко А.Д., Никитин Л.Г. Составление шихт для коксования по минеральным составляющим золы углей// Кокс и химия. 2003. № 10. С. 18-22.
Сведения об авторах
Иванова Валерия Анатольевна - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой технологии материалов, стандартизации и метрологии, ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет», г. Ярославль, Россия. E-mail: ivanova-waleriva@mail.ru
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
Ivanova Valeria Anatolievna - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Chief of the Material Technology, Standardization and Metrology Department, Yaroslavl State Technical University, Yaroslav, Russia. E-mail: ivanova-waleriya@mail.ru
DETERMINATION OF RECIPROCAL INFLUENCE OF FOUNDRY COKE CHARACTERISTICS BY METHOD OF THE QUALITY FUNCTION STRUCTURING
Abstract. Submatrices of consumer properties, relationships, quality characteristics and a correlation submatrix for foundry coke are constructed on the basis of literature data and using the quality function structuring method (QFD method). The quality characteristics of foundry coke and their influence on its consumer properties are determined, as well as the relationships between the quality characteristics offoundry coke and the degree of satisfaction of consumer properties. The consumer properties offoundry coke include: a decrease in the specific consumption of coke; ensuring drainage capacity; ensuring the required sulfur and phosphorus content in cast iron; preservation of the size of the foundry coke during transportation; ensuring the necessary temperature of the cast iron at the outlet. Characteristics of casting coke quality are strength, porosity, density, bulk density, granulometric composition, reactivity, sulfur content, phosphorus content, structure, moisture, ash content, ash composition, volatile matter yield. The results of forming the matrices of the structuring of the quality function make it possible to visualize the effect of each quality characteristic of the casting coke on its consumer properties and their mutual influence.
Keywords: Foundry coke, quality function structuring method (QFD method), quality characteristics, mutual influence, consumer properties.
Ссылка на статью:
Иванова В.А. Установление взаимного влияния характеристик литейного кокса с применением метода структурирования функции качества // Теория и технология металлургического производства. 2018. №2(25). С. 14 - 18.
Ivanova V.A. Determination of reciprocal influence of foundry coke characteristics by method of the quality function structuring. Teoria i tehnologia metallurgiceskogoproizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2018, vol. 25, no. 2, pp. 14-18.
