Математическое моделирование параметров агломерационного процесса

А. А. ПАНЫЧЕВ









МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АГЛОМЕРАЦИОННОГО ПРОЦЕССА

Монография


















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2023

УДК 622.341/.7:669.1
ББК 33.4+34.32
      П16



Рецензент:
доцент, канд. техн. наук (НИТУ «Московский институт стали и сплавов») Братковский Евгений Владимирович



      Панычев, А. А.
П16 Математическое моделирование параметров агломерационного процесса : монография / А. А. Панычев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 164 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1447-0

           Приводятся результаты исследований с математическим моделированием параметров агломерации железных и никелевых руд и концентратов. Приводятся исследования по интенсификации процесса спекания агломерационных шихт, математическая обработка показателей, их анализ и обсуждение полученных результатов.
           Для научных и инженерно-технических работников горного профиля.

                                                       УДК 622.341/.7:669.1
ББК 33.4+34.32

















ISBN 978-5-9729-1447-0

© Панычев А. А., 2023
      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение..........................................................5
1. Основные показатели хода процесса агломерации и методы повышения производительности агломашин и прочности агломерационного спека............................................7
2. Подготовка флюсового известняка агломерации...................12
  2.1. Новые способы повышения флюсовой активности при подготовке известняка к агломерации.......................................12
  2.2. Извлечение крупных кусков глины из потока известняка......13
  2.3. Улучшение очистки флюсового известняка при обогащении.....15
  2.4. Обогащение на установке с вибрирующей лентой конвейера.....18
  2.5. Результаты исследований по влиянию повышения флюсовой активности известняка на удельную производительность агломерационной машины прочность агломерата....................19
3. Улучшение флюсовой способности известняка на агломерационной фабрике.......................................24
4. Агломерация железорудного сырья...............................32
  4.1. Математическая модель процесса агломерации для его оптимизации и автоматизации.................................................32
  4.2. Особенности процесса агломерации смеси бурожелезняковых отсевов и кричной мелочи........................................38
  4.3. Возможность использования бедных бурожелезняковых руд из отвалов.....................................................48
  4.4. Оптимизация и автоматизация управления ходом вращающейся трубчатой печи при переработке железосодержащего сырья.........52
  4.5. Оптимизация процесса восстановления для его автоматизации на основе компьютерного программирования.........63
  4.6. Оптимизация технологических параметров на основе математических моделей при агломерации михайловских и лебединских концентратов.....................................66
  4.7. Исследование влияния различных параметров на прочность агломерата при спекании михайловских и лебединских концентратов.80
  4.8. Оптимизация удельной производительности агломашины, прочности и основности агломерата при переработке михайловских и лебединских концентратов.....................................90
  4.9. Исследование влияния на прочность агломерата вещественного состава сырья при спекании михайловских и лебединских концентратов...................................................97

3

  4.10. Влияние технологических параметров процесса на удельные расходы по переделу агломерата..............................103
  4.11. Особенности подготовки к металлургическому переделу природно-легированных руд Орско-Халиловской группы
  месторождений................................................112
5. Оптимизация технологических параметров спекания окисленной никелевой аглошихты на основе математических моделей...........123
6. Исследования по агломерации железорудных материалов с увлажнением шихт пульпой....................................132
7. Математическая модель расчёта удельной производительности агломерационной машины при спекании железорудного сырья.......147
Список литературы.............................................160
Приложение....................................................162

4

ВВЕДЕНИЕ


     Железо во всех его разновидностях (чугун, сталь и прокат из нее) было и остается главным массовым конструкционным материалом в современном мировом хозяйстве. Главной областью применения черных металлов является машиностроение, где возможности их эффективного использования продолжают расширяться, в частности благодаря производству стальных изделий с легирующими добавками (например, никель, кобальт, титан, ванадий, хром, редкие земли), повышающими их коррозионную стойкость, жаропрочность и другие качественные свойства.
     Железная руда - основной исходный вид сырья в отрасли. В 2021 г. добыча железной руды в мире составляла 2,6 млрд т. Это на 5,3 % выше, чем в 2020 году (2,470 млрд т.) Она являлась одним из самых массовых видов продукции мировой добывающей промышленности, уступая по объемам добычи только углю, нефти и природному газу. Вместе с тем проблемы добычи и подготовки железной руды к металлургическому переделу являются более трудными, чем этих энергоносителей. Лидерами по добыче железной руды в 2021 году стали крупнейшие страны-производители:
     -  Австралия - 900 млн тонн,
     -  Бразилия - 380 млн тонн,
     -  Китай - 360 млн тонн,
     -  Индия - 240 млн тонн,
     -  Россия - 100 млн тонн.
     В целом только около 20 % из всех добываемых железных руд после извлечения их из недр, дробления и грохочения, в виде кускового продукта крупностью 5-130 мм могут подаваться в доменную печь для выплавки чугуна, а 80 % железорудного сырья целесообразно обогащать. Продукт обогащения -концентрат является, как правило, сильно измельчённым и непригодным для непосредственного использования в доменной печи. Дело в том, что мелкое сырьё из доменной печи значительно выносится газами. Оставшаяся часть создаёт в печи весьма плотный столб шихты с минимальной газопроницаемостью. Интенсивность доменной плавки резко снижается, ход печи делается неустойчивым. Всё это предопределяет необходимость окускования полученного после обогащения руды концентрата, а также отсевов мелочи после дробления и сортировки богатой руды. Одним из распространённых современных методов окускования является процесс агломерации, которому и посвящена данная работа.
     Агломерация. - термический способ окускования мелких материалов (руды, рудных концентратов, отходов, содержащих металлы и др.), являющихся

5

составными частями металлургической шихты, путем их спекания с целью придания им формы и свойств (химического состава, структуры), необходимых для плавки. Это процесс формирования агломерата - закристаллизовавшейся пористой массы из рудных частиц в результате их частичного плавления и последующего быстрого охлаждения. Более 95 % агломерата используется в чёрной металлургии; в цветной металлургии агломерат применяется в алюминиевом, никелевом и свинцовом производствах. Агломерация позволяет вовлечь в переработку отходы других производств, содержащие повышенное количество железа: окалину кузнечных и прокатных цехов, колошниковую пыль доменного цеха, красные шламы глиноземных заводов, пиритные огарки сернокислотных заводов и др.
      В 2021 г. на предприятиях черной металлургии Российской Федерации было произведено 53 400 тыс. т агломерата, производство которого увеличивается с ростом производства чугуна. А дальнейшее развитие доменного процесса требует расширения производства окускованного сырья и интенсификации производственных процессов в области агломерации, направленной на увеличение их экономической эффективности в результате целенаправленного влияния на производительность оборудования, сокращения затрат материалов и энергии, улучшения качества продукции, снижения затрат труда и повышения эффективности автоматического управления.

6

1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ХОДА ПРОЦЕССА АГЛОМЕРАЦИИ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АГЛОМАШИН
И ПРОЧНОСТИ АГЛОМЕРАЦИОННОГО СПЕКА

     Основными показателями хода процесса агломерации являются производительность агломашины и качество готового агломерата.
     Часовая производительность агломашины по годному агломерату W (т/ч) определяется зависимостью:

W = 60 KBhnp,                  (1.1)

где K - коэффициент выхода годного (K = 0,3 -э- 0,5 для свинцового агломерата, K = 0,5 -э- 0,7 для агломерата медных и никелевых руд, K = 0,4 ^ 0,6 для черных металлов); B и h - ширина и высота слоя шихты, м; n = Sv / h - скорость движения паллет на горизонтальном участке (где S - длина ленты, м; и = 20 +• 30 мм/мин (0,02 ■* 0,03 м/мин) - вертикальная скорость спекания), м/мин; р = 1,7-3,0 т/м³ -насыпная масса шихты.
     Удельная производительность агломерационной машины является количественным критерием эффективности агломерации. Площадь спекания для данной машины - величина постоянная, а насыпная масса шихты зависит от заданного состава шихтовых материалов. Поэтому возможность повышения производительности агломашин сводится к уменьшению их простоев, увеличению вертикальной скорости спекания и выхода годного агломерата.
     Вертикальной скоростью спекания (и, мм/мин), которая характеризует перемещение фронта формирования агломерата по высоте слоя в единицу времени, называют скорость движения зоны высоких температур. На практике она определяется как частное от деления высоты слоя на общее время процесса, включающее время разогрева верхнего слоя внешним источником тепла и время частичного охлаждения агломерата. Независимо от метода вычисления скорость спекания определяется скоростью перемещения тепловой волны, которая зависит от скорости фильтрации воздуха, теплофизических свойств шихты и скорости горения топлива. В условиях производства теплофизические свойства шихты и топлива мало поддаются регулированию, поэтому увеличение скорости фильтрации воздуха через слой является основным способом ускорения спекания. Скорость фильтрации газа связана с параметрами слоя и величиной разрежения под колосниковой решеткой. Вертикальная скорость спекания (по данным В. Я. Миллера и Н. М. Бабушкина) прямо пропорциональна газопрони

7

цаемости шихты, измеряемой количеством воздуха, проходящего через 1 м² площади всасывания агломашины. Увеличение газопроницаемости спекаемого слоя, позволяющее эксгаустеру без повышения вакуума просасывать через шихту больше воздуха, является одним из решающих факторов повышения производительности агломашины.
     Увеличение скорости фильтрации воздуха через слой, достигаемое при помощи снижения газодинамического сопротивления слоя и повышения вакуума под колосниковой решеткой, интенсифицирует процесс спекания. Но при этом увеличивается расход электроэнергии на 1 т агломерата. Наибольшим газодинамическим сопротивлением обладает зона подготовки шихты к спеканию, представляющая интерес для возможного воздействия на ее газопроницаемость с целью интенсификации процесса спекания.
     Следовательно, для повышения вертикальной скорости спекания необходимо: снижение сопротивления газоотводящего тракта, повышение производительности эксгаустеров, снижение «вредных» прососов воздуха, перераспределение топлива по высоте слоя, а также улучшение окомкования шихты.
     Увеличение выхода годного агломерата достигается при снижении количества возврата и упрочнении агломерационных спеков.
     Стабилизация температурно-теплового режима процесса спекания является одним из факторов, обеспечивающих высокопроизводительную работу агломашин. Изменение содержания углерода в шихте сразу же сказывается на производительности агломерационных машин и качестве агломерата.
     Для интенсификации процесса спекания агломерата используют различные добавки.
     Основным интенсификатором процесса спекания аглошихты является обогащение известью. Добавка извести в шихту приводит к повышению прочности кусков шихты в сыром и высушенном состоянии. С увеличением в шихте количества извести растет вертикальная скорость спекания, а благодаря получению более прочного агломерата увеличивается выход годного. Вводом в шихту определенного количества извести можно компенсировать снижение производительности агломашины (вертикальной скорости спекания). Наибольший эффект использование извести дает при спекании тонкоизмельченных концентратов. Обычно содержание извести в шихте составляет 1-4 % от массы рудной части. Более высокое содержание извести в некоторых случаях может привести к уменьшению прочности спека и выхода годного.
     Возврат, также как и известь, является интенсификатором процесса спекания. Интенсифицирующее действие возврата проявляется тем слабее, чем больше обожженной извести содержится в шихте. Для обеспечения максимальной производительности установки и хорошего качества агломерата доля воз

8

врата при достаточно высоком содержании извести в шихте должна быть минимальной, но обеспечивающей полный отсев мелких фракций в шихте.
     На производительность оказывает влияние система загрузки шихты на агломерационную машину, которая должна обеспечить равномерное распределение материала по ее ширине. Сформированный спекаемый слой должен обладать минимальным газодинамическим сопротивлением, которое достигается соответствующим распределением гранул шихты различной крупности по высоте слоя. Увеличение слоя приводит к усилению различий в температурнотепловом режиме спекания шихты на отдельных горизонтах слоя. Организация такой загрузки шихты, при которой создается направленная неравномерность распределения топлива по высоте слоя, может быть одним из путей выравнивания температурно-теплового режима. Получаемая при загрузке шихты на спе-кательные тележки сегрегация также приводит к росту газопроницаемости шихты.
     Скорость процесса спекания и возможность увеличения высоты слоя шихты находятся в непосредственной зависимости от газодинамических характеристик элементов сети агломерационной машины, слоя шихты и газоотсосных средств.
     Характеристики гидравлики слоя спекаемой шихты зависят от множества взаимосвязанных факторов: размера и прочности гранул шихты, ее укладки, конденсации влаги, усадки слоя, характера протекания термических и физикохимических процессов и т. д. Причем эти факторы по ходу процесса спекания непрерывно изменяются. Как правило, при увеличении спекаемого слоя шихты возрастает не только общее, но и удельное газодинамическое сопротивление слоя. Это связано с расширением зоны горения, более плотной укладкой зерен при загрузке и т. д. Сопротивление колосниковой решетки, прежде всего, определяется степенью заклинивания в ней кусочков шихты. Поэтому снижению потерь напора в колосниковом поле способствуют высокая степень сегрегации шихты с образованием постели и установка колосников самоочищающейся конструкции. В вакуум-камерах, их патрубках потери напора определяются скоростным напором, коэффициентами местного сопротивления в местах сочленения камеры с патрубком и на выходе газового потока из патрубка в коллектор. Уменьшению потерь напора газа может способствовать увеличение сечения патрубков.
     Агломерат хорошего качества прочен, содержит незначительное количество мелочи перед загрузкой в печь, мало разрушается при восстановлении в доменной печи, обладает хорошей восстановимостью, высокой температурой начала размягчения и коротким интервалом размягчения.

9

      Качество агломерата определяется свойствами железорудных концентратов, технологическим режимом и последующей обработкой окускованных продуктов. Качество оценивают по химическому составу агломерата, его прочности и восстановимости. Косвенным показателем качества может служить отношение FeO / Fe₂O3 в готовом агломерате. Также качество агломерата во многом определяется количеством и качеством вводимой в агломерационную шихту извести.
      Основным методом повышения прочности агломерата является увеличение длины зажигательных горнов и использование горелочных устройств для комбинированного нагрева шихты. Комбинированный нагрев шихты способствует повышению прочности спека, уменьшает расход топлива и сокращает общий расход тепла на тонну агломерата. На агломашинах, спекающих двухслойную шихту с различным содержанием топлива в слоях, комбинированный нагрев шихты способствует выравниванию температурного режима процесса спекания и условий формирования агломерата по высоте слоя.
      Эффективным способом увеличения прочности агломерата является агломерация в высоком слое. Сущность этого способа заключается в том, что с повышением высоты спекаемого слоя усиливается регенерация тепла по мере перемещения зоны формирования агломерата вниз, увеличивается время воздействия на спекаемый материал высоких температур. Благодаря этому изменяется минералогический состав агломерата, происходит более полная его кристаллизация, ослабляется действие факторов, ведущих к возникновению внутренних термических напряжений и появлению микротрещин. Прочность и кус-коватость агломерата увеличиваются по высоте спека сверху вниз. Доля малопрочного агломерата поверхностной части слоя оказывается тем меньше, чем выше слой. Для достижения максимальной производительности и исключения перегрева нижних слоев необходимо, чтобы шихта по высоте слоя имела переменное содержание углерода.
      Простое увеличение слоя шихты не всегда приводит к упрочнению спека. Для этого необходима хорошая газопроницаемость шихты. В противном случае возможен канальный выход газов и прочность спека снижается.
      Почти во всех исследованиях влияния высоты слоя на производительность агломашины отмечено ее резкое снижение при значительном увеличении слоя. Вначале незначительное увеличение высоты слоя приводит к росту производительности благодаря выходу годного, а затем производительность агломерационной машины снижается в связи с повышением газодинамического сопротивления шихты. Для разных шихт высота слоя, с которой производительность снижается, - неодинакова.

10

     Увеличение высоты спекаемого слоя изменяет температурно-тепловой режим процесса в направлении, способствующем улучшению прочностных характеристик спека. Но с увеличением слоя при прочих равных условиях растет сопротивление проходу газов через слой, что приводит к увеличению общего газодинамического сопротивления слоя и вертикальной скорости спекания. Поэтому для компенсации неизбежной при увеличении слоя потери производительности рекомендуется улучшать газопроницаемость шихты, снижать сопротивление газового тракта, повышать эффективность работы эксгаустеров, уменьшать простои и остановки агломашин.
     С точки зрения экономичности спекания, расхода твердого топлива, повышения качества агломерата увеличивать высоту спекаемого слоя выгодно. Комбинированный нагрев вносит в верхний слой спека дополнительное количество тепла, но это связано с дополнительным расходом газообразного топлива и снижением производительности агломашин. Увеличение же высоты спекаемого слоя резко улучшает качество агломерата более экономичным путем.

11

        2. ПОДГОТОВКА ФЛЮСОВОГО ИЗВЕСТНЯКА К АГЛОМЕРАЦИИ

        2.1. Новые способы повышения флюсовой активности при подготовке известняка к агломерации

     В качестве флюсовой добавки в аглошихту при агломерации михайловских и лебединских концентратов на агломерационной фабрике ОАО «Уральская Сталь» в основном используют известняк Аккермановского месторождения, который имеет весьма важное значение для производства агломерата.
     При спекании рудных материалов одним из основных связующих веществ является фаялит (Fe₂SiO4), который образуется в результате взаимодействия закиси железа с кремнезёмом. Фаялит, как и другие силикатные соединения, содержащиеся в исходном сырье, восстанавливается в основном твёрдым углеродом в горне доменной печи, а это отрицательно сказывается на тепловом режиме и температуре в этой важной зоне печи, особенно при значительных количествах легкоплавких силикатов железа в шихте. Чтобы избежать образования большого количества фаялита, в шихту вводят в виде добавки известняк (или известь), окись кальция (CaO) которого, взаимодействуя с кремнезёмом и окисью алюминия, образует более легкоплавкие и лучше восстановимые, чем фаялит, тройные и другие сплавы. Кроме улучшения восстановимости агломерата, добавка известняка (или извести) интенсифицирует процесс спекания.
     При дозировке известняка в аглошихту следует оптимизировать его количество и качество. Избыток флюса в шихте удорожает передел сырья, увеличивает расход кокса и выход шлака. Например, на расплавление и разложение 1 т флюсового известняка необходимо дополнительно израсходовать 400-500 кг кокса на 1 т чугуна.
     Выход шлака зависит не только от качества рудного сырья и топлива, требующего определенного расхода флюсовых добавок, но и от качества применяемого известняка. Качество известняка оценивается его достаточной прочностью, максимальным суммарным содержанием основных окислов (CaO + MgO) и минимальным содержанием нерастворимого остатка (н.о.) -балластных примесей, состоящих в основном из SiO₂, Al₂ O₃, и ассоциированных с ними S, P₂O₅, Pb, Zn, Na₂O, K₂ O.
     Загрязненные флюсы приходится задавать в агломерационную шихту в повышенном количестве из-за их недостаточной флюсовой способности. Так, при увеличении в металлургическом известняке содержания нерастворимого остатка на 1 % его флюсовые свойства снижаются на 2,8 %, и это приводит к

12