Анотація до роботи:

Томаш О.А. Структура зернистого шару і рух газів у доменних печах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.02 – металургія чорних металів. – Донецький національний технічний університет. – Донецьк, 2004.

Дисертація присвячена аналізу і математичному опису структури зернистого шару і закономірностей фільтрації газів через стовп сипучих матеріалів у доменних печах та інших протитечійних реакторах, розробці способів управління розподілом шихтових матеріалів і газів у доменних печах. На основі теоретичних досліджень, підтверджених експериментальними і літературними даними, виробничими показниками, вирішені завдання розробки теорії порозності сипучого матеріалу, розширення й уточнення методів розрахунку втрат напору газу в зернистому шарі, оцінки впливу горизонтальної і міжшарової нерівномірності розподілу матеріалів на опір газовому потоку, запропонована тризонна математична модель розподілу статичного тиску газу по висоті доменної печі. Результати теоретичних досліджень і балансових методів аналізу лягли в основу пропозицій з поліпшення техніко-економічних показників доменної плавки в сучасних умовах: вибору раціональних шихтових і дуттєвих параметрів; підбору складу шихти, що забезпечує підвищення газопроникності зони розм'якшення; розробки систем завантаження, що забезпечують формування розвинутого осьового потоку газів у доменній печі і підвищення газопроникності зони рудного гребеня; удосконалювання конструкції завантажувального пристрою з осьовим технологічним отвором у великому конусі. Основні пропозиції дисертації впроваджені в доменних цехах МК «Азовсталь» і «Запоріжсталь».

Основний результат роботи – рішення крупної актуальної науково-технічної проблеми розробки теорії порозності шару доменної шихти і встановлення нових закономірностей руху і розподілу статичного тиску газів по висоті доменної печі для удосконалювання керування шихто- і газорозподілом у доменній печі за допомогою нових завантажувальних пристроїв, способів підбору і завантаження шихти, що забезпечує при мінімальних витратах підвищення ефективності й економічності виробництва чавуну в сучасних умовах.

1. Уперше розроблена цілісна теорія порозності зернистого шару. Об’єм пустот у шарі часток однієї крупності визначається за формулою Сліхтера з попереднім розрахунком кута укладання куль і врахуванням форми часток. Порозність бінарного шару при низькому вмісті дрібної фракції визначається з урахуванням імовірності проникнення дрібних часток у міжкускові пустоти великої фракції, що збільшується зі зменшенням відношення розмірів дрібних часток і міжкускових каналів. При високому вмісті дрібної фракції в бінарному шарі враховується розпушуючий вплив стінок міжкускових каналів крупної фракції. Порозність трифракційного шару розраховується для трьох можливих його структур: з домінуючою великою, середньою і дрібною фракцією.

2. При розрахунку порозності шару довільного фракційного складу матеріал представляється у вигляді суміші трьох фракцій. Розрахунок включає попереднє визначення діаметра домінуючої фракції, вмісту дрібної і крупної фракції, порозності домінуючої фракції, яка формує шар.

3. Загальний перепад статичного тиску газу в бінарному зернистому шарі може бути визначений додаванням втрат напору в кожній із фракцій. При цьому приведена швидкість газу для дрібних часток одночасно є фактичною його швидкістю в міжкускових пустотах крупної фракції. Новий метод розрахунку дозволяє визначати перепад тиску газу в шарі при переході дрібної фракції в пустотах між великими кусками в псевдозріджений стан.

4. Порозність шару зі стікаючим розплавом зменшується на величину об’єму, зайнятого рідкою фазою. У заплечіках доменної печі стікаючий шлак займає 0,013–0,018 м³/м³, тобто 3,4 –4,7 % об’єму пустот коксової насадки. Стікаючий чавун займає незначний об’єм 2,4*10^-4 – 4,8*10^-4 м³/м³ через високу щільність і низьку в'язкість і його вплив на порозність коксової насадки можна не враховувати.

5. Перепад тиску газу в шарі зі стікаючим розплавом визначається порозністю вільної насадки і порозністю шару з урахуванням об’єму рідини. При заповненні до 10 % об’єму пустот шару розплавом збільшення перепаду тиску газу не перевищує 30 %. Більше заповнення рідиною пустот шару супроводжується збільшенням перепаду тиску газу в 2 – 2,5 рази. У нижній частині доменної печі найбільш сильно впливає на газопроникність шару коксу зі стікаючим розплавом його механічна міцність. Зниження порозності коксової насадки на 0,05 м³/м³ приводить до збільшення перепаду тиску доменного газу більше ніж на 62 %.

6. У результаті формування нерівномірності розподілу шихти в горизонтальному перерізі робочого простору її опір проходу газів зменшується в 1,257 – 1,50 рази. Більше зниження опору шихти проходу газів досягається при системах завантаження, що знижують рудне навантаження в периферійній зоні.

7. Через пошарове укладання при завантаженні залізорудних матеріалів і коксу в доменній печі формується міжшарова нерівномірність у розподілі дрібної фракції по висоті. Опір шихти проходу газів зростає зі збільшенням вмісту дрібних часток і міжшарової нерівномірності. Для врахування нерівномірності розподілу дрібної фракції по висоті введена поправка в розрахункове значення коефіцієнта опору, що враховує співвідношення товщини шарів залізорудних матеріалів і коксу в різних радіальних зонах доменної печі.

8. Розроблено детерміновану тризонну математичну модель розподілу статичного тиску газу по висоті доменної печі. Загальний перепад тиску газу складається з утрат напору в сухій зоні шахти, зоні розм'якшення в розпарі і зоні коксової насадки зі стікаючим розплавом у заплечиках і верхній частині горна. Модель враховує склад і властивості шихти, горизонтальну і міжшарову нерівномірність її розподілу, зміну з висотою складу і температури газу, вплив розплаву, особливості профілю робочого простору, руху газу в нижній частині печі і структури зони розм'якшення.

9. На основі тризонної математичної моделі розподілу статичного тиску газу по висоті доменної печі розроблені наукові основи контролю газопроникності зони розм'якшення. При формуванні розвиненого осьового потоку газу гідродинамічний опір у зоні розм'якшення зменшується на 30 %.

10. Збільшити газопроникність в’язкопластичної зони при завантаженні в доменну піч багатокомпонентної шихти можна за рахунок формування шихтових сумішей раціонального складу, що забезпечують скорочення температурного інтервалу зниження газопроникності при розм'якшенні. Його початком прийнята температура, при якій вихідна порозність скорочується на 10 %, а кінцем – температура, при якій рідка фаза заповнює всі міжкускові пустоти і порозність розм'якшеного матеріалу стає рівною 0.

11. Серед нових завантажувальних пристроїв різних конструкцій при установці на доменній печі середнього об’єму найкоротший термін окупності капітальних витрат – близько 9 місяців – має засипний апарат з осьовим технологічним отвором у великому конусі, що забезпечує формування безперервного осьового стовпа коксу. Одним з напрямків збільшення його технологічних можливостей є установка в міжконусному просторі рухомих плит, що дозволяють регулювати кількість коксу, що пересипається в центр колошника, і ефективно керувати окружним розподілом шихтових матеріалів і газів.

12. Досягненню відповідності розподілу шихти і газів у доменній печі сприяє збільшення інтенсивності газового потоку в зоні найбільшої концентрації залізорудних матеріалів. Для формування такого розподілу необхідно, щоб максимальній кількості рудних матеріалів відповідало понижене рудне навантаження, а максимум рудного навантаження перемістився в зону з меншою масою рудної шихти. Рудний матеріал необхідно завантажувати розподіленим на відрізку радіуса колошника гребенем, а кокс скупченим гребенем у середину рудного. Застосування способів завантаження, що забезпечують збільшення інтенсивності газового потоку в рудному гребені, на доменних печах № 3 і 4 МК «Азовсталь», обладнаних лотковим БЗП, забезпечило зниження витрати коксу на 14,3 – 16,5 кг/т чавуну.

13. У сучасних економічних умовах мінімальні витрати на виплавку 1 т чавуну досягаються при витраті природного газу, що відповідає максимально можливій температурі атмосферного дуття. При подальшому збільшенні витрати природного газу й одночасному збагаченні дуття киснем собівартість чавуну зростає, тому що витрати на природний газ, що витрачається, і виробництво кисню перевершують вартість зекономленого коксу.

14. Ефективною резервною технологією виробництва чавуну під час відсутності природного газу є плавка на високотемпературному дутті зі зниженим вмістом кисню. Дуття з вмістом кисню менше атмосферного може бути ефективно використане при підвищенні його температури до 1250 – 1300 ⁰С і більше для збереження рівня теплового стану горна при обмеженій витраті природного газу. Мінімальну вартість технічного азоту для зниження вмісту кисню в доменному дутті забезпечує розроблена система подачі азоту від скруберів блоків поділу кисневого цеху до повітрозабірників повітродувних машин за допомогою вентиляторів низького тиску.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ ТА ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК АВТОРА У СПІЛЬНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Томаш А.А. Новый подход при расчёте перепада давления газа в бинарном зернистом слое // Известия вузов. Чёрная металлургия, 1997. - № 9. – С. 16 – 18.

   Томаш А.А. Расчётный метод контроля перепада давления доменного газа в зоне размягчения // Теория и практика металлургии, 2003. - № 3. – С. 35 – 39.

   Томаш А.А. Расчёт порозности трёхфракционного зернистого слоя при значительном различии крупности частиц // Вестник Приазовского государственного технического университета. – 1997. - Вып. 3. - С. 7 – 9.

   Томаш А.А. Изменение сопротивления проходу газов в шахте доменной печи при послойной укладке рудных материалов и кокса // Вестник Приазовского государственного технического университета. – 2000. - Вып. 9. - С. 11 – 14.

   Томаш А.А. Расчёт порозности полифракционного зернистого слоя // Вестник Приазовского государственного технического университета.– 2001.- Вып. 11.- С.11 - 15.

   Томаш А.А. Потери напора газа в коксовой насадке со стекающим расплавом // Вестник Приазовского государственного технического университета, 2002. – Вып. 12. – С. 9 – 11.

   Томаш А.А., Тарасов В.П., Ковалевский И.А. Анализ влияния различных факторов на порозность зернистых материалов // Известия вузов. Чёрная металлургия, 1998. - № 9. – С. 8 – 12.

   Здобувачем розроблені методи розрахунку й отримані рівняння порозності зернистого матеріалу в залежності від співвідношення діаметрів часток, посудини і бінарного шару в залежності від частки дрібної фракції і співвідношення розмірів дрібних і крупних часток.

   8. Томаш А.А., Тарасов В.П., Ковалевский И.А. Определение объёма пустот в слое, состоящем из частиц одной крупности // Известия вузов. Чёрная металлургия, 2002. - № 4. – С. 67 – 70.

   Здобувачем розроблений метод усунення викривлень зображення внутрішньої будови шару куль, визначені значення кутів укладання куль, отриманий зв'язок між коефіцієнтом внутрішнього тертя і кутом укладання, запропоновані зміни в рівнянні Сліхтера.

   9. Выбор оптимальных условий использования природного газа в доменной плавке при сложившемся соотношении цен на энергоносители / А.А. Томаш, Л.В. Быков, Е.И. Четыркин, В.П. Лозовой, В.Б. Семакова // Металл и литьё Украины, 1999. - № 13 – 14. – С. 41 – 43.

   Здобувачем розраховані технічні показники доменної плавки з різними параметрами і зміна собівартості чавуну, визначені умови, що забезпечують мінімальну собівартість металу.

   10. Пути приближения технико-экономических показателей работы доменных печей Украины к уровню европейских стран / А.А. Томаш, Л.В. Быков, А.А. Шокул, В.П. Лозовой, М.Я. Васькевич // Металл и литьё Украины, 2002. - № 9 – 10. – С. 28 – 31.

   Здобувачем проведений порівняльний аналіз показників доменної плавки і зроблені висновки про економічну ефективність підвищення температури дуття і вмісту заліза в шихті в сучасних економічних умовах.

   11. Изменение порозности многокомпонентной доменной шихты при размягчении / А.А. Томаш, В.П. Тарасов, В.Б. Семакова, А.В. Зотов // Вестник Приазовского государственного технического университета. – 1999. - Вып. 8. - С. 9 – 14.

   Здобувачем сплановані експериментальні дослідження, в яких він брав активну участь, проведена математична обробка результатів з одержанням рівнянь залежності температур зниження газопроникності при розм'якшенні від складу шихти.

   12. Томаш А.А., Тарасов В.П., Шапиро–Никитин Д.Е. Методы достижения соответствия радиального распределения шихты и газов в доменной печи, оборудованной конусным загрузочным устройством // Вестник Приазовского государственного технического университета. – 2003. - Вып. 13. - С. 9 – 13.

   Здобувачем сплановані експериментальні дослідження, в яких він брав активну участь, і зроблені висновки про можливість зниження рудних навантажень у зоні рудного гребеня при завантаженні шихти конусним завантажувальним пристроєм.

   13. Особенности работы конусного загрузочного устройства с осевым технологическим отверстием при использовании типовых систем загрузки/ В.П. Тарасов, А.А. Томаш, В.Н. Булава, А.Ф. Айкашев, В.А. Маянов // Обзорная информация ин-та Черметинформация. – М., 1991. – С. 14 – 25.

   Здобувачем розроблений метод розрахунку форми і розмірів осьового стовпа коксу і розраховані його форми по осі доменної печі при використанні різних режимів завантаження з подачею частини коксу в центр колошника.

   14. Тарасов В.П., Томаш А.А. Метод определения эквивалентных газодинамических характеристик шихты в горизонтальном сечении рабочего пространства при построении одномерной модели движения газа в шахте доменной печи // Вестник Приазовского государственного технического университета. – 1995. - Вып. 1. - С. 7 – 12.

   Здобувачем розроблений розрахунковий спосіб оцінки впливу нерівномірності розподілу шихти в горизонтальному перерізі доменної печі на опір проходу газів.

   15. Тарасов В.П., Томаш А.А., Кривенко С.В. Современные методы исследований и математическое описание строения зернистого слоя // Вестник Приазовского государственного технического университета. – 2000. - Вып. 10. - С. 9 – 14.

   Здобувач виконав порівняльний аналіз сучасних методів розрахунку порозності зернистих матеріалів.

   16. К вопросу рационального распределения материалов и газов по радиусу доменной печи / В.П. Тарасов, А.А. Томаш, В.Б. Семакова, О.Т. Хайретдинова // Вестник Приазовского государственного технического университета. – 2003. – Вып. 13. – С. 14 – 19.

   Здобувачем запропоновано використовувати завантажувальний пристрій з рухомими плитами в міжконусному просторі, зроблений порівняльний аналіз показників роботи доменних печей МК «Запоріжсталь», обладнаних різними завантажувальними пристроями.

   17. Снижение энергетических затрат на выплавку чугуна в современных условиях Украины / В.П. Тарасов, В.П. Русских, А.А. Томаш, В.Б. Семакова // Металл и литьё Украины, 2000. - № 3 – 4. – С. 5 – 7.

   Здобувачем виконаний порівняльний аналіз показників доменної плавки з використанням різних добавок до дуття, запропонована схема підведення технічного азоту від скруберів кисневого цеху до повітродувних машин доменних печей.

   18. Лозовой В.П., Белоног В.А., Томаш А.А. Снижение затрат на выплавку чугуна и обеспечение рационального режима шлакообразования при совместном использовании конвертерного и силикомарганцовистого шлака в доменной шихте // Вестник Украинского дома экономических и научно-технических знаний, 1999. - № 4. – С. 9 – 12.

   Здобувачем розроблений метод визначення температурного інтервалу зниження газопроникності шихти і визначене співвідношення конверторного і силікомарганцевистого шлаків, що забезпечує раціональний інтервал розм'якшення їхньої суміші.

   19. Результаты эксплуатации конусного загрузочного устройства с подачей части кокса в осевую зону колошника / В.А. Сацкий, В.П. Тарасов, В.И. Набока, Н.В. Крутас, А.А. Томаш, П.В. Тарасов // Сталь, 2001. - № 11. – С. 9 – 12.

   Здобувач брав участь у розробці способів завантаження доменної печі за допомогою завантажувального пристрою з подачею частини коксу в осьову зону колошника і виконував порівняльний аналіз терміну окупності різних завантажувальних пристроїв.

   20. А. с. № 1725562. СССР. МКИ⁵ С 21 В 7/08. Загрузочное устройство доменной печи / В.П. Тарасов, Е.А. Царицын, А.Ф. Айкашев, В.М. Минаев, С.В. Ботман, А.А. Томаш, П.В. Тарасов, В.А. Маянов, В.В. Коваленко, Н.Н. Темнохуд, И.Э. Крылов // Изобретения, 1992. - № 13. – С. 228.

   Здобувачем запропоноване регулювання окружного розподілу газів у доменній печі за рахунок переміщення рухомих плит у міжконусному просторі завантажувального пристрою.

   21. Патент № 21765. Украина. МКИ⁶ С 21 В 7/20. Большой конус засыпного аппарата доменной печи / В.П. Тарасов, В.П. Лозовой, А.А. Томаш, В.А. Шолотов, В.А. Калачёв, Е.И. Четыркин, Г.И. Золотарёв, В.А. Коваль // Промислова власність. – 1998. Книга 2. - № 2. – С. 3.1.149

   Здобувачем запропоновано виконувати отвори для відсівання в конусній обичайці навколо осьового отвору над поверхнею великого конуса.

   22. Патент № 46990 А. Украина. МКИ⁷ С 21 В 7/18. Способ загрузки доменной печи / В.А. Белоног, А.А. Томаш, В.П. Лозовой, Л.В. Быков, Е.И. Четыркин, М.Я. Васькевич, А.В. Зотов // Промислова власність. – 2002. - № 6. – Книга 1. – С. 4.81.

   Здобувач визначив співвідношення конверторного і силікомарганцевистого шлаків, що забезпечує раціональний інтервал розм'якшення їхньої суміші, і запропонував способи змішування шлаків перед завантаженням.

   23. Патент № 47820 А. Украина. МКИ⁷ С 21 В 7/20. Способ загрузки доменной печи / А.А. Томаш, В.П. Тарасов, Л.В. Быков, В.А. Безменов, Е.И. Четыркин, М.Я. Васькевич, В.Б. Семакова, Г.А. Кононов // Промислова власність. – 2002. - № 7. – Книга 1. – С. 4.70

   Здобувачем запропоноване завантаження шихти в доменну піч з розподіленим рудним гребенем і скупченим коксовим гребенем у середину рудного.

   24. Томаш А.А. Углубление теоретических положений расчёта порозности зернистых материалов // Труды V международного конгресса доменщиков «Производство чугуна на рубеже столетий». Днепропетровск – Кривой Рог, 7 – 12 июня 1999 г. – Днепропетровск: Пороги, 1999. – С. 273 – 276.

   25. Новые аспекты снижения содержания кислорода в дутье доменных печей в современных экономических условиях / А.А. Томаш, В.П. Русских, В.П. Тарасов, В.Б. Семакова, И.М. Пефтиев, Е.И. Хрущёв, А.А. Малимон, В.С. Чумаченко // Труды V международного конгресса доменщиков «Производство чугуна на рубеже столетий». Днепропетровск – Кривой Рог, 7 – 12 июня 1999 г. – Днепропетровск: Пороги, 1999. – С. 238 – 242.

   Здобувачем розраховані показники доменної плавки при зниженні вмісту кисню в дуття і запропонована схема підведення технічного азоту від скруберів кисневого цеху до повітродувних машин доменних печей.

   26. Томаш А.А., Лозовой В.П., Быков Л.В. Влияние расхода природного газа и параметров дутья на себестоимость чугуна в новых экономических условиях // Труды V международного конгресса доменщиков «Производство чугуна на рубеже столетий». Днепропетровск – Кривой Рог, 7 – 12 июня 1999 г. – Днепропетровск: Пороги, 1999. – С. 337 – 339.

   Здобувачем розраховані технічні показники доменної плавки з різними параметрами і зміна собівартості чавуну, визначені умови, що забезпечують мінімальну собівартість металу.

   27. Тарасов В.П., Томаш А.А., Семакова В.Б. Изменение расхода кокса и производительности доменной печи при содержании кислорода в дутье менее 21 % // Труды международной научно-технической конференции «Теория и технология аглодоменного производства». – Днепропетровск, 1995. – С. 37 – 39.

   Здобувачем розраховані показники доменної плавки на дуття зі зниженим вмістом кисню.

   28. Томаш А.А., Тарасов В.П., Семакова В.Б. Принципиальные пути разрешения противоречия между соотношением газопроницаемости компонентов доменной шихты и потребностью в газе-восстановителе // Труды международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития аглодоменного производства Украины». – Мариуполь, 1997. – С. 28 – 30.

   Здобувачем запропонований розподіл шихти по радіусу колошника зі зниженими рудними навантаженнями на кокс у зоні рудного гребеня.