Формирование физико-механических свойств доменного сырья для печей большого объема

Категория:
Выплавка чугуна


Формирование физико-механических свойств доменного сырья для печей большого объема

Этому вопросу до недавнего времени не уделялось достаточного внимания. Однако с вводом мощных доменных печей и интенсифика-цей выплавки чугуна требования к физико-механическим свойствам шихтовых материалов возросли и исследования в этом направлении расширились. В настоящее время оптимизация металлургических свойств доменного сырья по крупности и прочности является одним из определяющих факторов в технологии выплавки чугуна на всех современных доменных печах. Выполненные ранее исследования по разработке требований к насыпной массе шихты базировались, как правило, на физико-механических свойствах ее компонентов в холодном состоянии, без учета их поведения при высоких температурах под воздействием газовой среды. Кроме того, недостаточная роль отводилась стабилизации прочностных характеристик доменного сырья в процессе его подготовки к доменной плавке.

Мощные доменные печи оборудованы транспортерными системами подачи сырья и часть операций по формированию необходимых шихтовых материалов может выполняться на конвейерном тракте. В связи с этим в основу технологии подготовки сырья для мощных доменных печей должен быть положен принципиально новый подход, учитывающий поведение материалов в процессе транспортировки, загрузки, опускания в доменной печи, особенно при повышенных температурах.

С этой целью на ЧерМК совместно с ЛПИ им.Калинина и ИЧМ (г. Днепропетровск) выполнили комплекс работ по оценке физико-механических свойств кокса и железорудных материалов в холодном и нагретом состоянии, а также изучению изменений важнейших характеристик агломерата и окатышей при восстановительно-тепловой обработке в высокотемпературных зонах доменной печи.

Кокс

Исследовали кокс, полеченный из печорских (85%) и кузнецких (15%) углей. Печорские угли представлены марками Ж10, Ж18 и К14, кузнецкие – марками ОС и СС + Кг. Оценка физико-механических свойств проводилась для кокса сухого тушения, полученного в узкокамерных батареях № 7 и 8 (ширина камеры 410 мм) с нижним подводом тепла, и мокрого тушения из ширококамерных батарей № 5 и 6 (ширина камеры 450 мм) с боковым подводом тепла. При оценке отдельных классов кокса и выборе оптимальной его крупности очень важно установить оценочные критерии, исходя из роли кокса в доменной плавке. Выбор оптимальной крупности кокса ранее обосновывался исходной прочностью его отдельных фракций и соотношением размеров кусков железорудных материалов и кокса, определяющих газопроницаемость их смеси.

Такой подход неправомерен, так как при этом не учитывается, что в нижней части доменной печи железорудные материалы в твердом виде вообще отсутствуют, а крупность кокса и его прочность изменяются под воздействием возрастающих температур и окислительной среды. Отсюда следует, что роль кокса в доменной печи в значительной мере самостоятельна. С увеличением объема доменных печей и интенсивности плавки нагрузка на кокс увеличивается и определяющими становятся характеристики кокса, обеспечивающие наилучшие аэродинамические условия в нижней части печи и дренажную способность коксовой насадки. Последние и являются оценочными критериями физико-механических свойств насыпной массы кокса.

Для определения оптимальной крупности кокса выполнен комплекс исследований физико-механических свойств отдельных фракций кокса сухого и мокрого тушения, включая определение дробимо-сти и истираемости классов кокса в холодном состоянии и при высоких

температурах в окислительной среде, изучение пористой структуры методом ртутной порометрии и микроструктуры с помощью рентгено-структурного анализа, а также промышленные исследования изменения физико-механических свойств фракций кокса на тракте подачи к доменным печам. Сопоставлены свойства кокса одинаковой крупности в исходном состоянии и полученного при разрушении различных классов.

Данные испытаний кокса различной крупности в холодном состоянии приведены на рис. 1 и 2. Несмотря на различное качество кокса, поведение отдельных его фракций в процессе испытаний было в основном одинаковым. Наиболее прочными оказались частицы фракцией 40-25 мм, а наименее прочными > 80 мм. Однако после воздействия истирающих и дробящих нагрузок в барабане (моделирующих нагрузки на кокс при опускании в печи) наибольшее количество плохо газопроницаемой фракции 25-0 мм образуется после 400 оборотов из обеих этих фракций кокса, причем количество образующейся мелочи для класса кокса 25-40 мм даже превосходит этот показатель для класса более 80 мм. Следует также отметить повышенное содержание в крупном коксе после испытаний наиболее мелкой фракции 10-0 мм.

Характерно, что различие в свойствах отдельных частиц кокса мокрого тушения более низкого качества меньше, чем у кокса сухого тушения с более высокими физико-механическими характеристиками. Так, разница в выходе фракции 25-0 мм после 400 оборотов барабана из отдельных фракций кокса мокрого и сухого тушения составила ~4 и 9% соответственно. Таким образом, с улучшением условий получений кокса свойства отдельных его фракций не выравниваются. Поэтому и для кокса повышенного качества выбор оптимальной крупности кусков для доменной плавки остается актуальным. Оценка прочности отдельных классов кокса при высоких температурах в окислительной среде произведена на установках ЛПИ. Нагрев кокса в потоке диоксида углерода приводит к его разупрочнению при воздействии и ударных, и особенно истирающих нагрузок, что связано с внутренним механизмом окисления углерода. Если бы кокс окислялся только с наружной поверхности кусков, то воздействие диоксида углерода не влияло бы на сопротивление кокса ударным нагрузкам.

Рис. 1. Разрушение при ударных нагрузках кокса сухою (пунктирные линии) и мокрого (сплошные линии) тушения различной фракции: а – > 80 мм; б -80-60 мм; в – 60-40 мм; г – 40-25 мм

Рис. 2. Разрушение при обработке в барабане кокса различных классов крупности

Аналогичная картина наблюдается для всех частиц кокса сухого и мокрого тушения.

Как и при комнатнойТёмпературе, прочность на истирание и удар в окислительной атмосфере при высоких температурах у крупных частиц ниже, чем у мелких, несмотря на то, что испытывались частицы одинаковой фракции, выделенные из разных классов. Таким образом, крупные частицы кокса имеют пониженную прочность не только из-за особенностей их формирования в процессе коксования, но также и вследствие меньшей прочности пористого материала кокса,

С целью выяснения механизма такой связи исследованы пористая структура и рациональная способность различных фракций кокса. Пористую структуру изучали методом ртутной порометрии на установках ЛПИ. Результаты исследования приведены в табл. 5. Из приведенных данных видно, что особенности формирования при

совании кусков различной фракции проявляются и в их пористой структуре. Кокс фракцией 25-40 и 40-60 мм имеет близкую структуру. Колее крупный кокс имеет повышенную пористость, наиболее резкое озрастание объема пор наблюдается для фракции > 80 мм. Повышенная пористость крупных классов кокса образована в основном за счет пор радиусом > 600 мкм. Пористость кокса мокрого тушения выше, чем кокса сухого тушения. Эта разница в пористой структуре значительно больше для крупных фракций кокса. Отмеченные особенности пористой .структуры крупных классов кокса находятся в соответствии с их пониженной прочностью при воздействии ударных и истирающих нагрузок.

Результаты определений показывают, что реакционная способность кокса мокрого тушения ширококамерных батарей № 5 и 6 в 1,2 и 1,4 раза больше, чем у соответствующих фракций кокса сухого тушения узкокаМерных батарей № 7 и 8. Эта закономерность обусловлена повышенной микропористостью кокса мокрого тушения.

Для кокса фракцией 40-25 мм исследовали влияние его крупности на скорость окисления углерода. Установлено, что с уменьшением крупности кусков кокса в диапазоне от 25 до 0,5 мм скорость окисления

Такой характер изменения скорости реагирования углерода с окислителем при измельчении кокса связан с внутридиффузионным режимом процесса. При этом режиме окисление_происходит на

значительной части внутренней поверхности, площадь которой во много сотен раз превышает величину наружной поверхности кусков. Поэтому скорость окисления возрастает с уменьшением диаметра кусков не в результате увеличения площади их наружной поверхности, а вследствие повышения эффективности использования в реакции внутренней поверхности благодаря ускорению диффузионного обмена в порах частиц малого диаметра.

Кроме пористой структуры, на прочность материала кокса значительное влияние оказывает прочность тела кокса. Оценка тонкой структуры кокса произведена с использованием рентгеноструктурного анализа в лаборатории ЧерМК . Установлено, что дифракционные . спектры кокса весьма чувствительны к факторам воздействия на его свойства и поэтому попытка дифференцировать структуру и свойства кокса по дифракционным признакам оправдана и перспективна. Рен-ггеноструктурный анализ позволяет уточнить представления о тонкой структуре металлургического кокса и установить связи структуры с физико-механическими свойствами. Ниже приведены результаты рентгеноструктурного исследования различных фракций кокса сухого и мокрого тушения. Вследствие неоднородности макроструктуры кусков кокса пробы от них для рентгенографирования отбирались по визуальной оценке от наиболее характерных для данного куска участков.

Рис. 3. Дифрактограмма кокса

В то же время вследствие наложения максимумов определить степень графитизации кокса по соотношению интенсивности линии в Moспектре также не представляется возможным. Кроме того, максимум при таком способе получения дифрактограммы обусловлен не одним индивидуальным рефлексом и представляет собой суперпозицию отражений от разных состояний углерода. Дифрак-тограмма кокса, полученная в РеКд-излучении (рис. 4), представляет собой суперпозицию максимумов отражения от трех физически разных структурных состояний углерода: кристаллического (графита), аморфного и так называемого блочного углерода, дающего на дифрактограмме симметричный диффузный максимум.

Рис. 4. Участок дифрактограммы

Рис. 5. Дифрактограммы древесного угля (в) и кристаллического графита (б), снятые в FeAa-излучении

Дифрактограмма графита из чугуна (рис. 5,б) характеризуется интенсивным максимумом кристаллического графита в окрестностях рефлекса и отсутствием резких аномалий в фоне во всем диапазоне углов дифракции. На ней отчетливо разрешены другие максимумы графита, дополнительные отражения обусловлены присутствием в графите фаз на основе кремния, оказывающего значительное влияние на графитизацию.

Для оценки влияния способа тушения на структуру кокса отобрали его пробы с батарей, кокс с которых тушится как сухим, так и мокрым способом. Из приведенных данных видно, что кокс сухого тушения больше содержит кристаллического углерода, определяющего прочность. Сопоставляя дифракционные характеристики кокса разных батарей, можно оценить его качество. Например, кокс сухого тушения батарей предпочтительнее кокса батарей № 3 и 4, так как содержит больше кристаллической фазы углеродистого вещества.

На рис. 6 приведены зависимости дифракционных характеристик от фракционного состава кокса сухого тушения батарей. Из приведенных данных видно, что с увеличением размера фракции содержание кристаллического углерода в коксе меньшается, а блочного углерода растет, причем темп изменения их содержания в коксе с увеличением крупности кусков возрастает. Практически линейно уменьшается аморфная фаза кокса. Это свидетельствует не только о меньшей прочности крупных классов кокса, но и ухудшении горючести, что отрицательно отражается на дренажной способности горна при повышенной истираемости этих фракций. Изучение тонкой структуры кокса позволило дать более полное объяснение различия его прочностных характеристик. С увеличением доли кристаллического углерода изменяется пористая структура куска кокса с повышением его плотности и возрастает прочность тела кокса.

С целью оценки влияния исходной крупности кокса на газодинамический режим и условия фильтрации жидких продуктов плавки в нижней части печи произведена оценка изменения размеров отдельных фракций кокса под воздействием механических нагрузок в холодном состоянии, а также в процессе нагрева и окисления.

На рис. 7 по результатам испытаний отдельных частиц кокса в холодном состоянии приведено изменение среднего диаметра кусков кокса при истирающих и ударных нагрузках.

При воздействии только ударных нагрузок фракция 40-25 мм остается минимальной из всех классов кокса при любом числе сбрасываний. Недостатки мелкого кокса дополнительно проявляются в окислительной среде. Повышение степени окисления углерода (рис. 8) проводит к резкому разупрочнению кокса и каждый последующий процент окисления вызывает все больше разупрочнение, поэтому при высоких температурах соотношение прочности различных фракций кокса в зависимости от их окисления может быть иным, чем при испытании на холоду.

Рис. 6. Зависимости дифракционных характерстик от фракционного состава кокса

Риc. 7. Влияние дробящих (а) и истирающих (б) : нагрузок на изменение среднего диаметра кусков кокса различных классов крупности (цифры у условных обозначений – вер, мм), батарей 7 и 8 (С) и 5 и 6 (М)

Как было показано выше, с уменьшением фракции кокса скорость окисления углерода возрастает, а следовательно, в большей мере снижается прочность мелкого кокса. Существенное различие фракций кокса классов 40-25, 60-40, 80-60 мм сохраняется и в зоне взаимодействия углерода кокса с диоксидом углерода. При поступлении кокса в зону, где проявляется его реакционная способность, он подвергается нагрузкам, как правило, не более 50 оборотов барабана и различие в крупности кусков кокса отдельных классов остается значительным.

Рис. 8. Влияние степени окисления углерода на сопротивляемость истирающим нагрузкам кокса сухого тушения различных классов крупности (цифры у кривых – мм)

Так, фракция кокса 60-40 и 80-60 мм после 50 оборотов барабана превышает фракцию кокса 40-25 мм примерно 1,4 раза, а следовательно, куски кокса, полученные из фракции 40-25 мм будут окисляться в 1,2 раза больше, чем из фракции 60-40 мм. Если степень окисления углерода для фракции 60-40 мм равна 7%, а для фракции 80-60 мм – 7,5% (с учетом одинакового размера этих частиц при нагрузке, равной 50 оборотам барабана и более высокой реакционной способности крупной фракции), то куски кокса из фракции 40-25 мм окисляется на 8,4%. Согласно данным рис.28, при истирании кокса фракцией 40-25, 60-40 и 80-60 мм при степенях окисления углерода соответственно 8,4; 7,0 и 7,5% образуется 24, 18 и 21,5% мелочи класса 3-0 мм. Отсюда следует, что в окислительной среде при степени окисления углерода кокса 7,0% и более фракции 40-25 мм будут разрушаться в большей мере, чем кокс классов 60-40 и 80-60 мм.

Кокс крупнее 80 мм, несмотря,на значительное различие в крупности по сравнению с классом 40-25 мм после наложения нагрузок, равных 50 оборотам барабана, в результате более высокой своей реакционной способности окислится примерно одинаково с кусками кокса из фракции 40-25 мм, а вследствие более низкой прочности вещества кокса (см.рис.28) будет разрушаться в большей мере. В отдельных случаях нижний предел крупности кокса на доменных печах снижается до 15-20 мм. Это обычно обосновано большей прочностью мелкого кокса, что подтверждено и настоящими исследованиями в разнообразных условиях испытаний.

Из теории доменной плавки хорошо известно, что аэродинамические условия в доменной печи и особенно в нижней ее части, где жидкие продукты плавки фильтруются через коксовую насадку, ухудшаются при уменьшении диаметра кусков кокса. В связи с этим снижение нижнего предела фракции кокса было бы оправданным, если бы мелкий кокс повышенной прочности при движении в доменной печи оставался бы более крупным по сравнению с коксом повышенной исходной крупности.

Из рис. 7 видно, что такое явление возможно только для фракций кокса > 80 мм, поскольку средний диаметр его кусков после 200 оборотов барабана становится минимальным из всех классов кокса, а с учетом повышенной реакционной способности крупного кокса разрушение начнется при меньших нагрузках. Кроме того, кокс фракцией > 80 мм легче подвергается истиранию по сравнению с другими классами кокса. Отрицательная роль мелких частиц кокса в горне общеизвестна.

Из изложенного следует, что кокс фракцией > 80 мм мало пригоден для доменной плавки. Кокс фракцией 40-25 мм уступает по своим физико-механическим свойствам коксу фракцией 60-40 и 80-60 мм, но предпочтительнее кокса фракцией > 80 мм.

С целью оптимизации физико-механических свойств кокса и улучшения подготовки его особенно для мощных доменных печей на ЧерМК исследовали процесс разрушения и стабилизации отдельных классов кокса на тракте его подачи от коксосортировки до загрузки в печь. Характер изменения физико-механических свойств кокса мокрого тушения изучали на тракте его подачи от коксосортировки батарей № 5 и 6 до загрузки в доменную печь 2700 м3, работающей на этом коксе, а кокса сухого тушения – от коксосортировки батарей № 1-4 до загрузки в доменную печь 2000 м3, которая работает на смеси кокса сухого и мокрого тушения.

Рис. 9. Схема транспортировки кокса мокрого тушения коксовых батарей 5 и 6 ЧерМК до загрузки в доменную печь объемом 2700 м3: I – коксосортировка; II – бункер; III – грохот; IV -весовая воронка; К-19, K-21, K-22, КД-4 – транспортеры с перегрузками; 1-6 – места отбора проб кокса

Из приведенных данных видно, что кокс в процессе транспортировки испытывает значительные нагрузки и наблюдается его стабилизация с улучшением физико-механических свойств. Особенно значительно повышается качество кокса после прохождения через бункер: показатель Мю снижается с 7,6 до 6,2%, а М25 увеличивается с 88,4 до 90,5%; показатели П и Г возрастают соотвественно с 9,0 до 11,3 кг об/дм2 и с 275 до 292 ед.

Аналогичные результаты получили и в исследованиях при транспортировке кокса сухого тушения. Наиболее значительное улучшение качества кокса также наблюдали после прохождения бункера: показатель Mjо понизился с 7,4-7,8 до 6,9%, показатели П и Г возросли соответственно с 9,1 до 10,2 кг об/дм2 и с 277 до 282 ед.

Исследования показали, что в процессе транспортировки до бункеров доменного цеха кокс в основном подвергается дробящим усилиям: прочность кокса увеличивается незначительно, а истираемость его остается на прежнем уровне. В результате реализации трещин при перегрузках образуются новые поверхности кусков кокса, а поскольку кокс на тракте испытывает незначительные истирающие воздействия, то при обработке в барабане, несмотря на некоторые улучшения его прочностных свойств в процессе транспортировки, количество образующейся мелочи не уменьшается. Лишь после прохождения через бункер, где кокс одновременно с дробящими воздействиями подвергается значительным истирающим нагрузкам, имитируя свое поведение в доменной печи, его качество заметно улучшается. Для получения дополнительных сведений о влиянии предварительной обработке кокса на его прочность испытали в барабане куски кокса сухого тушения батарей № 7 и 8, полученные из более крупных фракций путем пятикратного сбрасывания пробы на чугунную плиту с высоты 2 м. Прочность кокса оценивали по изменению эквивалентного диаметра кусков dcр и показателя П по данным работы.

Установлено (рис. 10), что прочность частиц каждой фракции кокса, неразрушившихся после пяти сбрасываний, выше прочности исходного кокса такой крупности до приложения ударных нагрузок. Во всех случаях прочность кусков одинаковых размеров оказывались тем меньше, чем крупнее были частицы, из которых они образовались. Особенно резко различались прочность всех кусков, полученных из наиболее крупной фракции (> 80 мм). В меньшей мере эта закономерность проявляется для кусков кокса 40-25 мм, полученных из частиц фракцией 60-40 и 80-60 мм; их прочность оказалась близкой к прочности исходной фракции (40-25 мм).

Рис. 10. Изменение диаметра кусков и показателя прочности при обработке в барабане различных частиц исходного (0) и стабилизированного кокса, полученного из частиц фракциями > 80 (а); 80-60 (б) и 60-40 (в), 40-25 (г) мм

Для всех классов кокса определили влияние предварительной стабилизации на прочность при высокотемпературном нагреве в окислительной среде, сравнивая прочность одинаковых классов исходного кокса и оставшихся неразрушенными после двух и пяти сбрасываний. Стабилизация улучшила сопротивление кокса воздействию истирающих и ударных нагрузок. Таким образом, стабилизация кокса улучшает его свойства как в холодном, так и горячем состоянии в окислительной среде. При этом под воздействием ударных нагрузок прочностные характеристики кокса повышаются в значительно меньшей мере, чем при истирающих нагрузках.

Низкая прочность кусков кокса, образующихся при разрушении фракции > 80 мм, по сравнению с кусками одинаковых размеров других классов, свидетельствует о целесообразности выделения этой фракции из насыпной массы доменного кокса. В то же время, как показали результаты испытаний, механическая обработка этой фракции с преобладанием истирающих нагрузок позволяет приблизить ее прочностные свойства к уровню других классов кокса, т.е. крупная фракция кокса после дополнительной механической обработки также может использоваться в доменной плавке, заметно не ухудшая свойства насыпной массы кокса.

Исследования показали, что максимальное количество мелочи (0-25 мм) на единицу затраченной энергии образуется в начальной стадии механической обработки кокса. Кокс при этом значительно упрочняется. В дальнейшем темп роста образующейся мелочи практически остается неизменным, т.е. несмотря на более глубокую механическую обработку в доменной печи будет образовываться такое же количество мелких частиц кокса при уменьшении крупности его массы, что отрицательно отразится на аэродинамических условиях нижней части доменной печи. Отсюда следует, что чрезмерная степень механической обработки кбкса может оказаться не только экономически нецелесообразной, но и привести к ухудшению показателей доменной плавки. Предельный уровень механической обработки кокса, при превышении которого качество кокса не улучшается, определяется достижением практически неизменного темпа роста образующейся мелочи. Целесообразный уровень механической обработки кокса должен определятся в каждых конкретных условиях, исходя из экономических критериев с учетом соответствия качества кокса условиям доменной плавки. Изложенное относится к коксу, полученному с обычной скоростью коксования. При повышенных ее значениях, когда упрочняется пористая структура кокса, но возрастает ее трещинова-тость, доля дробящих нагрузок для реализации трещин должна быть увеличена.

Предложены различные способы улучшения физико-механических свойств кокса: дробление крупных кусков в зубчатых и валковых дробилках; механическая обработка в барабанных аппаратах; различные конструкции перегрузочных устройств, позволяющие изменять соотношение дробящих и истирающих нагрузок; механическая обработка крупных кусков без выделения их из потока свободным ударом, а также регламентированным давлением с одновременной классификацией; замена вибрационных или механических грохотов для отсева коксовой мелочи перед загрузкой кокса в доменную печь барабанными классификаторами и др. Все эти способы механического воздействия на кокс улучшают в большей или меньшей мере его отдельные свойства, но в целом не отражают весь комплекс нагрузок, которым подвергается кокс в доменной печи.

Более рациональным и совершенным способом улучшения физико-механических свойств кокса является пропускание его через емкость вертикального типа с регулируемой выдачей и заданным уровнем заполнения с последующей классификацией на грохоте. В этом случае в значительно большей мере улучшаются прочностные характеристики кокса. Степень механической обработки кокса можно регулировать его уровнем в емкости, который поддерживают заданным регулируемой выдачей кокса на грохот. При таком способе механической обработки кокс испытывает практически все виды ок, которым подвергается в доменной печи.

Такой же эффект наблюдали и при прохождении кокса через камеры установок при сухом тушении. В связи с интенсификацией доменного процесса и увеличением объема доменных печей, с одной стороны, и ухудшением угольной сырьевой базы для коксания, с другой, все актуальнее становится вопрос о соответствии физико-механических свойств кокса усг ловиям доменной плавки и, как следствие, первоочередности осуществления мероприятий по улучшению его качества.

Критерием степени такого соответствия может являться абсолютная величина количественных соотношений между основными показателями (производительностью и удельным расходом кокса) доменной плавки и прочностными характеристиками кокса. Чем больше влияние свойств кокса на работу доменной печи, тем в большей мере его количество не соответствует условиям доменной плавки.

Количественная оценка этого влияния может изменяться в широком диапазоне не только для различных заводов, но и для отдельных доменных печей одного предприятия и должна проводиться для конкретных условий работы доменной печи. В зависимости от того, в какой мере прочностные свойства кокса лимитируют работу печи, может оказаться, что одно и то же мероприятие в одних условиях более эффективно, а в других менее. Чем больше несоответствие качества кокса условиям доменной плавки, тем выше эффективность мероприятий, направленных на улучшение его свойств. Степень влияния качества KQKca на работу доменной печи может определяться активным экспериментом или статистическим путем. Определить это влияние в лабораторных условиях моделированием доменного процесса или аналитическим путем из-за недостаточной изученности процесса не представляется возможным. Следует также иметь в виду, что небольшая величина полученных количественных соотношений не всегда свидетельствует о соответствии качества кокса условиям работы доменной печи, так как при наличии значительных помех в коксодоменном производстве это влияние зачастую установить не удается. Отсутствие связи указывает на “загрязненность” эксперимента, так как в современных условиях доменной плавки физико-механические свойства кокса в значительной мере определяют работу доменных печей.

Так, на печи 2700 м3 (период I) установлена зависимость показателей качества кокса как с производительностью печи, так и удельным расходом кокса, а на печи 1007 м3 (период II) – только с производительностью. Полученные результаты свидетельствуют о значительном влиянии качества кокса на работу доменной печи 2700 м3, т.е. качество кокса в большей мере лимитирует ее работу и эффективность мероприятий по его улучшению в этих условиях будет выше.

Исследования показали, что целесообразность мероприятий по улучшению качества кокса нельзя установить в отрыве от конкретных условий доменной плавки: одно и то же мероприятие (например, механическая обработка кокса) в одних условиях может принести значительный эффект, а в других будет неэкономичным. Выявление закономерности формирования свойств доменного кокса вне камер коксования и их влияние на работу доменных печей позволяют сформулировать следующие теоретические положения, имеющие прикладное значение.

1. Роль Кокса в доменной плавке в значительной мере самостоятельна и проявляется в основном внизу печи, где жидкие продукты плавки фильтруются через коксовую насадку. Отсюда вытекают и требования к коксу, которые должны отражать его свойства не только в холодном, на и горячем состоянии под воздействием окислительной среды.

2. Прочность кокса резко снижается в окислительной среде, при этом каждый последующий процент окисления вызывает все большее разупрочнение. С уменьшением фракции кокса скорость окисления углерода возрастает обратно пропорционально диаметру частиц в степени —0,5. Такой характер изменения скорости реагирования углерода с окислителем при измельчении кокса связан с внутридиффузионным режимом окисления.

3. С улучшением условий получения кокса физико-механические свойства отдельных его фракций не выравниваются. Основные закономерности изменения свойств кокса в зависимости от его фракции сохраняются в широком диапазоне его качества.

4. Требования к качеству кокса и особенно его прочности возрастают с увеличением объема доменных печей и интенсивности плавки из-за повышения нагрузок при движении в печи и увеличения количества жидких продуктов плавки на единицу площади горна. По комплексу физико-механических свойств наиболее пригоден для доменной плавки кокс фракцией 80-40 мм. Таким коксом целесообразно обеспечивать в первую очередь мощные доменные печи и печи среднего объема, работающие с высокой интенсивностью. При дефиците доменного кокса печи меньшего объема могут работать на коксе фракцией 80-25 мм, при этом особенно тщательно должен обеспечиваться отсев коксовой мелочи 25-0 мм, резко ухудшающей газопроницаемость кокса. Кокс фракцией > 80 мм целесообразно отправлять потребителям как литейный кокс или подвергать дополнительной механической обработке.

5. Прочность кокса определяют структурным состоянием углерода. Увеличение доли кристаллического углерода повышает его прочностные характеристики. Определение структурного состояния углерода в коксе по его дифрактограммам’, полученным СиКа- н Fe/Qj-излуче-ниях, с их расшифровкой и количественной оценкой структурных составляющих позволяет расширить возможности улучшения свойств .доменного кокса, так как существующие методы не в полной мере отражают их действительные изменения.

6. Свойства кокса, полученного при обычных скоростях коксования, улучшаются в наибольшей степени при совместном воздействии давящих и истирающих нагрузок. Дробление кокса под воздействием ударных нагрузок повышает прочность кусков кокса в результате реализации трещин, но практически не уменьшает его склонности к истиранию, при этом прочностные характеристики улучшаются в меньшей мере, чем при комплексном воздействии перечисленных выше нагрузок.

7. Стабилизация кокса под воздействием нагрузок повышает его прочность, но во всех случаях прочность кусков одинакового размера оказывается тем меньшей, чем крупнее были частицы, из которых они образовывались, т.е. чем крупнее кокс, тем большим механическим воздействиям он должен быть подвергнут для выравнивая характеристик.

8. Максимальное упрочнение кокса на единицу затраченной энергии происходит в начальной стадии механической обработки, при этом образуется и максимальное количество мелочи, резко ухудшающей газодинамические характеристики насыпной массы кокса. В дальнейшем темп роста образующей мелочи практически остается неизменным, т.е. несмотря на более глубокую механическую обработку, в доменной печи будет образовываться столько же мелких частиц кокса при уменьшении его крупности, что отрицательно отразится на аэродинамических условиях в нижней части доменной печи. Существует предельный уровень механической обработки кокса, превышение которого может привести даже к ухудшению показателей доменной плавки. При этом предельный уровень механической обработки невсегда является оптимальным.

9. Целенаправленное формирование свойств доменного кокса вне камер коксования должно осуществляться с учетом их соответствия условиям доменной плавки. Критерием степени такого соответствия может являться абсолютная величина количественных соотношений между основными показателями доменной плавки и физико-механическими свойствами кокса. Чем больше влияние характеристик кокса на работу доменной печи, тем в большей мере его качество не соответствует условиям ее работы и выше эффект от мероприятий по улучшению подготовки кокса. Целесообразность таких мероприятий нельзя рассматривать в отрыве от условий доменной плавки. Определение степени соответствия свойств кокса условиям работы доменных печей позволяет установить не только целесообразность, но и очередность осуществления мероприятий по улучшению качества кокса.

Исследовали отдельные классы агломерата ЧерМК и частично офлюсованных окатышей КостГОКа. Пробы агломерата отобрали после сортировки на аглофабрике и перед загрузкой в доменную печь (стабилизированный в процессе транспортировки агломерат).

Зависимости характеристик агломерата и окатышей от их фракции приведены на рис. 11. Форму отдельных кусков агломерата и окатышей оценивали по степени ее приближения к шару. Насыпную плотность определяли до и после уминки, а их порозность – только после уминки при первом и повторном заполнении водой (методы I и II соответственно). Установлено, что характер зависимостей порозно-сти материалов от их фракции при однократном и двухкратном заполнении водой идентичен, а значения порозности различаются лишь по абсолютной величине (рис. 11). Для выявления закономерности изменения порозности с увеличением крупности материалов достаточно использовать первый метод, что значительно сокращает объем испытаний. С увеличением размера кусков агломерата угол естественного откоса увеличивается. Для окатышей наблюдается противоположная зависимость, что объясняется главным образом формой кусков в основном – шаровидная и их размером.

Рис. 11. Зависимость характеристик агломерата и окатышей от их крупности: 1-3 – скиповый агломерат (1-е умин-кой, метрдика I; 2 – с уминкой, методика П; 3 – без уминки); 4 -стабилизированный агломерат (с уминкой, методика I); 5-7 – окатыши (5 – с уминкой, методика I; 6 – с уминкой, медика II; 7 – без уминки)

Крупные частицы агломерата в основном из-за неправильной формы, цепляясь друг за друга, формируют конусный штабель с острым углом. Мелкозернистые фракции с формой кусков более близкой к шаровидной легко скатывается к подножию штабеля. У шаровидных окатышей угол естественного откоса определяется главным образом размером кусков, а точнее – их массой. Чем больше размер окатышей (а следовательно, и их масса), тем легче они скатываются к подножию и образуют штабель с менее острым углом. Для окатышей фракцией > 5 мм естественный угол откоса меньше, чем у агломерата. Отсюда и склонность окатышей при большой их доле в шихте и близком с агломератом насыпном весе скатываться в осевую зону доменной печи.

Форма кусков материалов и структура упаковки определяют порозность и газопроницаемость их слоя. Известно, что порозность шарообразных тел не зависит от диаметра частиц, а определяется лишь структурой формы упаковок. Порозность кубической упаковки самая максимальная (47,6%), но эта упаковка и самая неустойчивая. Наиболее устойчивая упаковка – пирамидальная, для нее порозность минимальна (25,9%). Порозность шаровидных окатышей фракцией > 5 мм составляет ~35% (рис. 11, кривая б), что соответствует куби-ческо-тетраэдальной упаковке. Оценку порозности материалов производили только для плотной упаковки, так как газопроницаемость в верхней части печи определяет сформировавшийся слой материалов. Коэффициент уминки для мелкой фракции (< 5 мм) обоих материалов приблизительно одинаковый. Из рис. 31 видно, что наиболее резко порозность материалов снижается с уменьшением фракции куска < 5 мм.

Для окатышей > 5 мм с увеличением размера порозность возрастает незначительно, т.е. их фракция мало влияет на газопроницаемость окатышей и максимальный размер их должен определяться другими металлургическими свойствами (прежде всего прочностью). С увеличением размера кусков агломерата фракцией > 5 мм порозность продолжает возрастать, но в значительно меньшей мере, чем увеличивалась при переходе от мелких частиц к крупным. При этом также следует иметь в виду, что увеличение порозности в этом случае неоднозначно повышению газопроницаемости агломерата, так как чем крупнее агломерат, тем больше крупных пор, увеличивающих объем межкусковых пустот и одновременно повышающих сопротивление проходу газа из-за образования каналов с изменяющимся направлением и более шероховатой их поверхностью.

Порозность и насыпная плотность отдельных частиц агломерата лучше всего описываются степенной функцией (рис. 11 )типае = еоdn, d – размер данной фракции;^ – порозность наиболее мелкой фракции; п – коэффициент, характеризующий форму кусков материала и склонность его к уплотнению.

Как видно из приведенных на рис. 11 результатов испытаний, фактором, наиболее резко влияющим на газопроницаемость железорудных материалов и определяющим газодинамический режим в верхней части печи является содержание частиц мелкой фракции ( < 5 мм). В связи с этим в качестве основного оценочного критерия металлургической ценности отдельных частиц агломерата и окатышей выбрали их склонность к образованию мелочи при воздействии механических нагрузок.

Исходя из установленного критерия оценки физико-механических свойств различных частиц железорудных материалов, можно сформулировать требования к их крупности. Крупность агломерата и окатышей должна быть такой, чтобы при загрузке их в доменную печь после грохочения как можно меньше образовывалось частиц мелкой фракции (5-0 мм).

Рис. 12. Влияние истирающих нагрузок на разрушение исходного (а) и скипового (б) агломерата различной фракции (цифры условных обозначении)

Наиболее прочной являются частицы фракцией 10-5 мм, но после обработки в барабане выход мелочи из этой фракции больше, чем из фракций 25-15, 15-10 и 40-25 мм. Максимальное количество мелочи образуется при первых 25 оборотах барабана (—12%), затем темп роста мелких частиц снижается и становится практически постоянным. Прочность отдельных частиц скипового агломерата выше, чем у исходного (рис. 12). Значительно меньше образуется и мелочи при дальнейших перегрузках. Это свидетельствует о целесообразности механической обработки агломерата.

При обработке в барабане стабилизированного агломерата минимальное количество мелочи образуется у частиц фракцией 15-10,10-5 и 25-15 мм. Темп роста мелочи особенно при первых оборотах барабана значительно ниже, чем у исходного. Характер разрушения отдельных частиц агломерата под воздействием ударных нагрузок аналогичен (рис. 13). Однако имеются и особенности. Так, темп роста при обработке исходного агломерата на начальной и последующих стадиях различается не столь резко. Максимальное количество мелочи образуется у частиц фракцией 10-5 мм. У остальных частиц количество образующейся мелочи различается незначительно (рис. 13,а). Несмотря на то, что степень разрушения агломерата фракцией 10-5 мм минимальна, в силу особенностей формирования куска (постепенное откалывание небольших частиц), мелочи у этой фракции образуется наибольшее количество. С этой точки зрения целесообразно увеличивать нижний предел крупности исходного агломерата.

Окатыши также подвергали воздействию дробящих и истирающих нагрузок. При истирании на удар путем неоднократного сбрасывания на металлическую плиту окатыши крупностью 15-5 мм практически не разрушались. Меньшей прочностью обладают окатыши фракцией 25-15 мм. При обработке в барабане под воздействием преобладающих истирающих нагрузок мелочи образуется больше (рис. 14). Особенно значительно разрушаются частицы фракции 25-15 мм. Наиболее прочной у окатышей являются частицы фракцией 15-10 мм.

Характерным для окатышей является практически линейное нарастание в них мелочи под воздействием истирающих нагрузок. Исключение составляют лишь частицы фракцией 10-5 мм, у которых наблюдается стабилизация свойств. В отличие от агломерата, механическая обработка окатышей практически не улучшает их свойства и необходимость в ней отпадает. Таким образом, единственный путь улучшения физико-механических свойств окатышей – это совершенствование технологии их получения. С точки зрения фракционного состава окатышей предпочтение следует отдать частицам фракцией 15-10 мм. Сопоставляя полученные результаты испытаний отдельных

частиц агломерата с данными о характере разрушения различных классов кокса, можно сделать вывод о специфике подготовки агломерата к доменной плавке.

Приведенные на рис. 12 и 13 зависимости свидетельствует, в отличие от кокса, о возможности переизмельчения агломерата при значительных нагрузках, особенно истирающих. Если у различных частиц классов кокса при величине нагрузок равной 200 оборотам барабана образуется мелочи (25-0 мм) до 20%, то у агломерата мелких частиц (5-0 мм) – до 30-37%. Степени измельчения Ыо/(1Ср) сопоставимы лишь у самых крупных частиц кокса и агломерата (> 80 мм) – соответственно 4,5 и 6,2 (при 200 оборотах барабана). Для остальных частиц разрушаемость агломерата в несколько раз больше, чем кокса. Так, для фракции 40-25 мм степень измельчения агломерата выше в 2 раза (соответственно 3,0 и 1,5).

Это свидетельствует о большей склонности агломерата к разрушению вследствие особенностей формирования структуры куска (наличие более крупных пор с тонкими стенками). В связи с этим другим должен быть и подход к подготовке агломерата. Если для кокса глубокая механическая обработка (с преобладанием истирающих нагрузок) может быть эффективным средством улучшения его свойств, то для агломерата аналогичная механическая обработка может привести не только к большим потерям годного агломерата, но и ухудшению свойств его насыпной массы после загрузки в печь. Чрезмерная механическая обработка агломерата с преобладанием истирающих нагрузок приводит к резкому уменьшению среднего диаметра кусков агломерата (см.рис. 14) с большой долей частиц фракцией 10-5 мм, при загрузке которой в печь, под воздействием ударных нагрузок образуется большое количество мелочи 5-0 (рис. 13).

Рис. 14. Влияние истирающих нагрузок на разрушаемость частиц окатышей

В то же время снижение фракции агломерата до определенного предела является эффективным средством улучшения прочностных характеристик его насыпной массы. Испытания показали (рис. 15), что при дальнейших перегрузках у исходного агломерата минимальное количество мелочи (5-0) образуется из частиц фракцией 10-15 и 15-25 мм (рис. 15, а, в). При этом в зависимости от вида нагрузок, которым подвергается агломерат при загрузке в печь, оптимальная его крупность различается. Так, при преобладании истирающих нагрузок минимальное количество мелочи.у скипового агломерата образуется йз частиц фракцией 15-10,10-5 и 25-15 мм, а при ударных нагрузках – из частиц фракцией 15-10 и 25-15 мм (рис. 15, б, г). В современных конструкциях загрузочных устройств доля перегрузок с дробящими воздействиями достаточно велика, поэтому предпочтение следует отдать фракции агломерата 10-25 мм. Разрушаемость такого агломерата в печи при восстановительно-тепловой обработке также минимальная.

На мощных доменных печах при загрузке в печь агломерат испытывает значительные нагрузки. Для таких печей целесообразно повышать предел крупности агломерата с 5 до 6-7 мм, что позволит сократить образование наименее газопроницаемой фракции (5-0 мм). С целью более экономического расходования агломерата частиц мелкой фракции (3-6 мм) можно загружать в доменную печь отдельно от основной массы, перераспределяя по сечению для регулирования газораспределения.

Испытания показали, что при одинаковой степени измельчения агломерата меньше мелочи 5-0 мм образуется при ударных нагрузках, т.е. предпочтительнее уменьшать его фракцию (до определенного предела) путем дробления на дробилках аглофабрик. Однако при значительном снижении фракции резко повышаются затраты на дробление. Кроме того, при ударных нагрузках стабилизация агломерата практически не наблюдается. Это свидетельствует о необходимости рационального сочетания операций дробления и использования разрушающих нагрузок при транспортировке.

Наличие на тракте подачи агломерата перегрузочных узлов с определенной долей истирающих нагрузок и организацией отсева мелочи позволит стабилизировать агломерат, улучшить его физико-механи-.ческие свойства. При этом снижаются требования к дроблению агломерата на аглофабриках и верхнему пределу его крупности. Величина дробящих и истирающих нагрузок на всем тракте (включая узел дробления агломерата на аглофабрнке, охлаждение и сортировку) должна обеспечивать снижение верхнего предела крупности агломерата на выходе из бункеров доменного цеха до 25-40 мм. Отсев мелочи на тракте позволяет снизить ее содержание в бункерном агломерате, повысить эффективность его грохочения и обеспечить минимальное количество мелких частиц как в грохоченном агломерате, так и загружаемом непосредственно в печь после прохождения загрузочного устройства.

Рис. 15. Выход частиц мелкой фракции из различных классов исходного (а, в) и скипового (б, г) агломерата под воздействием истирающих (а, б; цифры у кривых – число оборотов барабана) и дробящих (в, г) (цифры у кривых – число сбрасываний) нагрузок

Исследования показали также целесообразность смешения агломерата и окатышей перед загрузкой в доменную печь. В этом случае в меньшей мере окатыши спонтанно скатываются в осевую зону и более равномерно распределяются по сечению колошника. В смеси расплав начинает стекать через коксовую насадку в диапазоне температур между началом фильтрации расплава из агломерата и окатышей и вытекает лучше, чем отдельные составляющие при этом на слое кокса меньше остается шлаковых соединений. Меньше вероятность и слипания окатышей при их оплавлении.

Изученные закономерности позволили сформулировать требования к качеству железорудного сырья и определить пути формирования его оптимальных свойств.
1. Лучшие свойства агломерата обеспечиваются при снижении верхнего предела крупности до 25-40 мм с максимально возможным отсевом частиц мелкой фракции (5-0 мм).
2. Стабилизация агломерата под воздействием истирающих нагрузок повышает прочность его насыпной массы. При ударных нагрузках стабилизация агломерата практически не наблюдается.
3. Для улучшения свойств агломерата при конвейерной подаче к доменным печам целесообразно наряду с дроблением горячего спека агломерата проводить его стабилизацию в процессе транспортировки с воздействием истирающих нагрузок на перегрузках. При этом суммарная величина механических воздействий не должна превышать критических значений, при превышении которых происходит переизмельчение агломерата, сопровождающееся значительным уменьшением выхода годного, а также резким увеличением доли частиц фракцией 10-5 мм, при загрузке которой в печь образуется большое количество мелочи (5-0 мм).
4. Создание высокоэффективных грохотов и сооружение трактов с отсевом частиц мелкой фракции на перегрузках позволит обеспечить оптимальную крупность агломерата и значительно улучшить его свойства.
5. Наиболее прочной у окатышей являются частицы фракцией 15-10 мм. В отличие от агломерата механическая обработка окатышей практически не улучшает их свойств (за исключением изменения формы). Увеличение доли лучшей фракции достигается технологическими приемами и отсевом частиц мелкой фракции.
6. Смешение агломерата и окатышей перед загрузкой в доменную печь улучшает распределение последних по сечению колошника и их поведение в высокотемпературных зонах.

Формирование свойств доменного сырья, обеспечивающих рациональное распределение шихтовых материалов в печи, лучшую газопроницаемость и фильтрующую способность, создает условия для оптимизации технологических режимов и интенсификации процессов выплавки чугуна в мощных доменных печах.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум