Анотація до роботи:

ОТОРВІН П.І. Вибір складу шихти, який забезпечує раціональний розвиток процесів шлакоутворення при виплавці чавуну. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальністю 05.16.02 – «Металургія чорних металів». - Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ, 2006.

Дисертаційна робота присвячена актуальним питанням розробки і впровадження у виробництво нових підходів до оптимізації складу шихти, який забезпечує раціональний шлаковий режим і виплавку чавуну необхідної якості.

На основі теорії фізико-хімічного моделювання металургійних розплавів, яка розроблена Е.В. Приходько, в роботі розвинена методика прогнозування властивостей залізорудних матеріалів, складу і властивостей первинних та кінцевих шлаків, моделі розрахунку яких використані в системі «Шлак», що функціонує в системах АСУТП ДП комбінату «Криворіжсталь».

Для багатокритерійної оптимізації шлакового режиму в умовах роботи доменних печей заводів України обгрунтовано використання (підтверджене патентом України) взаємозв'язаних співвідношень CaO/SiO₂ та Al₂O₃/MgO кінцевого шлаку.

На підставі розвиненої методики оцінки впливу показників шихти і дуттьового режиму плавки на процеси міжфазного розподілу елементів між чавуном та шлаком розроблені алгоритми і програми системи «Прогноз». Адаптовані до умов ВАТ «Криворіжсталь» вони дозволяють коректувати склад шихти, що забезпечує необхідну якість продуктів плавки.

Виконана оцінка впливу використаних промивальних матеріалів і відходів на властивості одержаних розплавів. Обгрунтован допустимий діапазон їх складу в проплавляємій шихті. Запропоновані ефективні способи формування шихтових матеріалів («промивок»), що мають високий ступінь акумуляції ними лужних сполук, із залученням у виробництво вторинних ресурсів. Вперше одержані прогнозні рівняння в'язкості і температури кристалізації беззалізних і залізовмісних шлакових розплавів, що містять луги. Виконана ранжировка промивальних матеріалів по ступеню їх агресивності до футерування печі при попаданні на периферію.

1. Виходячи з багатогранності впливу шлакового режиму на хід і стан доменної плавки та важливості направленого формування властивостей розплаву при послідовному перетворенні шихти в первинний, з оптимальним вмістом FeO, і кінцевий шлаки, розвинуті підходи і обгрунтована методика встановлення раціональних властивостей залізорудних матеріалів і вимог до їх якості.

2. Встановлено числові значення і показана роль кількості (маси), активності (вміст FeO), раціонального складу і властивостей шлаку, прогнозованих на основі фізико-хімічного моделювання розплавів по методиці Е.В.Приходько. При цьому використано вдосконалені спільно з ІЧМ модельні рівняння, що дозволяють управляти якістю розплавів.

3. З використанням створеної в ІЧМ бази даних «Шлак» розроблені прогнозні моделі для визначення в'язкості, поверхневого натягу, температур плавлення, ентальпії при температурі доброї текучості шлаку. Запропоновані моделі покладено в основу алгоритмів автоматизованої системи «Шлак», яка функціонує в режимі оперативного контролю якості чавуну і багатокритерійної оптимізації шлакового режиму в змінюючихся шихтових і технологічних умовах комбінату «Криворіжсталь».

4. Для багатокритеріальної оптимізації шлакового режиму в сировинних умовах України розроблена методика вибору основності кінцевого шлаку залежно від співвідношення Al₂O₃/MgO, яка підтверджена Патентом України, опробувана та впроваджена в умовах роботи ВАТ «Криворіжсталь». Стосовно до умов ДП№5 переважними є доменні шлаки з відношенням Al₂O₃/MgO = 1,2 -1,38 і основністю CaO/SiO₂ = 1,15 -1,19, які забезпечують виплавку чавуну з [S]=0,02-0,03% та [Si]=0.6-0,9%.

5. В роботі запропоновано новий підхід до управління шлаковим режимом доменної плавки, суть якого зводиться до стабілізації комплексу властивостей кінцевого шлаку в певних для конкретних умов печі інтервалах, що забезпечують виплавку чавуну заданого складу при мінімальній витраті коксу. Так, в умовах роботи ДП№9 ВАТ «Криворіжсталь» виплавка високосортного (S<0,035%) чавуну забезпечується в «інтервалах якості» по r = 0,708-0,718 то De = (-2,364) – (-2,216) наступними властивостями кінцевого шлаку: сіркопоглинаючою здатністю Сs=14-20; температурою затвердіння не більш Тс=1300⁰С, в'язкістю шлаку при температурі випуску 1500⁰С h₁₅₀₀ = 0,3 Пас (0,26-0,33); ентальпією кінцевого шлаку DН=1832 - 1852 кДж/кг; поверхневим натягом s₁₅₀₀ = 429-440 мН/м.

6. Розвинута, опробувана і промислово реалізована методика моделювання коефіцієнтів міжфазного розподілу елементів шихти, які залежать від конкретних шихтових і технологічних умов. Введення в моделі нового узагальненого показника дуттьового режиму - довжини фурменної зони L_фз - дозволяє врахувати тепловий стан горну печі при прогнозуванні складу і властивостей продуктів плавки, кількісно конкретизувати і оцінити ступінь впливу різних факторів плавки на її якісні показники. Вдосконалені моделі реалізовані в підсистемі «Прогноз», призначеній для прогнозування складу і властивостей чавуну і шлаку по завантажуваній шихті з урахуванням показників дуттьового режиму. Використання методики забезпечує точність прогнозу на рівні: для сірки - 89%, для кремнію - 83%.

7. Зважаючи на низьку стабільність складу сировини і наявності в ній великої кількості шкідливих домішок (луги, цинк, свинець, мідь та ін.) за допомогою системи «Прогноз» показана можливість оцінки впливу відомих промивальних матеріалів і відходів на властивості одержаних розплавів, обгрунтовано допустимий діапазон їх використання в проплавляємій шихті. Показана доцільність, висока ефективність застосування відходів феросплавного виробництва (МОЗ) для промивки горну.

8. Для конкретних умов комбінату ВАТ «Криворіжсталь» виконано науково-обгрунтований аналіз негативного впливу лужних сполук на технологію плавки. Встановлено, що їх неконтрольоване надходження в шихту не дозволяє оперативно коректувати технологічний режим доменної плавки для зниження втрат виробництва і перевитрат коксу. Встановлено, що лужні навантаження в шихтових умовах, що склалися в доменних цехах комбінату, змінюються від 7,8 до 9,8 кг/т чавуну. Для зниження рівня лужної агресії в роботі запропоновано ефективні способи поліпшення хімічного складу, фізичних характеристик шихтових матеріалів і використання спеціальних сформованих складів («промивок»), що володіють в умовах зниження основності кінцевого шлаку високим ступенем акумуляції ними лугів. Розроблені заходи щодо зниження лужної агресії дозволили встановити раціональний рівень введення у виробництво вторинних ресурсів, що економічно вигідно за сировинних умов, які склалися на комбінаті, при експлуатаційному і технічному стані рудодобувних його підприємств.

9. Виконано натурні дослідження стану оксидної вогнетривкої кладки (футеровки) при зупинках доменних печей на капітальні ремонти. Встановлено, що одним з основних факторів, що руйнують вогнетриви футеровки доменних печей, є луги. Показано, що найбільш агресивно впливають на кладку впроваджені в неї перші 3% калію і натрію, що приводить до зниження вогнетривкості, температури деформації під навантаженням, підвищення змочуваності вогнетривів і розвитку процесів корозії первинними доменними шлаками. Дослідженнями виявлено, що в умовах ВАТ «Криворіжсталь» часткове видалення лужних з'єднань з робочого об'єму печі досягається зниженням основності шлаку до 1,18-1,22 з застосуванням періодичних промивок. На підставі експериментальних результатів вперше отримано прогнозні рівняння в'язкості і температури кристалізації оксидних беззалізних і залізовмісних шлакових розплавів, які містять лужні сполуки, що дозволяє прогнозувати поведінку оксидних розплавів в різних зонах по висоті печі.

10. На основі досліджень природи захаращення робочого простору печі в різних по висоті зонах встановлено, що для видалення зайвого гарнісажу в шахті печі слід застосовувати промивальні агенти, які містять підвищений масовий вміст SiO₂, що створює сприятливі умови для поглинання розплавом лужних сполук. Для промивки горну формуються промивальні суміші, які несуть в ці області підвищений вміст FeO. Особливо ефективним є процес промивки горну в комбінації промивальних сумішей і різкого підвищеного окислювального потенціалу дуттьового потоку при скороченні подачі у фурми паливно-відновних добавок.

11. Аналіз високотемпературних властивостей промивальних матеріалів і характеру взаємодії одержаних розплавів з коксівним сміттям, в’язкопластичними конгломератами, футеровкою шахти і горну доменної печі показав, що завантаження промивальних матеріалів як в центральну зону печі, так і на периферію необхідно здійснювати з урахуванням їх властивостей.

12. На основі експериментальних і розрахунково-аналітичних досліджень вперше проведена ранжировка промивальних матеріалів по ступеню їх агресивності до футеровки печі при попаданні на периферію.

13. Впровадження запропонованих в роботі заходів за рахунок раціонального співвідношення шихтовых матеріалів у складі подачі дозволило в умовах роботи доменних печей №5,6 і 9 ВАТ «Криворіжсталь» отримати економію витрати коксу 2,2 кг/т чавуну. Сумарний економічний ефект від впровадження розробок склав 7 573 358 грн .

Основний зміст роботи викладено у публікаціях:

1. Оценка достоверности и прогнозирование свойств доменных шлаков заводов Украины / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, А.И. Белькова, П.И. Оторвин, Е.Г. Донсков, Г.П. Костенко // Теория и практика металлургии. – 2004. – № 3-4. – С. 9-15.

2. Выбор рационального шлакового режима доменных печей на основе метода многокритериальной оптимизации / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, А.И. Белькова, Н.М. Можаренко, П.И. Оторвин // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – Днепропетровск, 2003. – Вып. 6. – С. 55-60.

3. Прогнозирование свойств первичных доменных шлаков / А.Ф. Хамхотько, Д.Н. Тогобицкая, А.С Нестеров, П.И. Оторвин, В.С. Евглевский // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – Днепропетровск, 2005. – Вып. 10. – С. 202-206.

4. Нерудные минералы в металлургических шламах ОАО КГМК «Криворожсталь» / В.В Иванченко, А.В. Кекух, П.И. Оторвин, М.И. Котляр, В.М. Корякин // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2004. – №3. – С. 17-22.

5. Опыт комбината «Криворожсталь» по утилизации железосодержащих шламов и вторичной окалины / А.В. Сокуренко, В.О. Шеремет, А.В. Кекух, А.В. Ревенко, П.И. Оторвин // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2005. - № 3. – С.111-114.

Додаткові наукові результати викладені в публікаціях:

6. Совершенствование шлакового режима доменной плавки в сырьевых условиях КГГМК «Криворожсталь» / П.И. Оторвин, Д.Н. Тогобицкая, А.И. Белькова, Н.М. Можаренко // Сталь. – Москва. – № 6. – 2004. – С. 24-28.

7. Автоматизированная система контроля и управления шлаковым режимом доменной плавки / Д.Н. Тогобицкая, П.И Оторвин, А.И Белькова, А.Ю. Гринько // Металлург. – Москва. – 2004. – № 4. – С. 43-46.

8. Проблемы щелочной агрессии в доменном производстве / Г.И. Орел, П.И. Оторвин, Г.П. Костенко, А.Д. Джигота, Н.М Можаренко, Н.Г. Бойков, М.Г. Джигота // Теория и практика производства чугуна: Тр. МНТК. –Кривой Рог, 2004. – С. 263-266.

9. Физико-химические основы создания системы контроля и управления шлаковым режимом доменной печи в изменяющихся шихтовых и технологических условиях / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, А.И. Белькова, П.И. Оторвин // Теория и практика производства чугуна: Тр. МНТК. – Кривой Рог, 2004г. – С. 504- 508.

10. Оптимизация шлакового режима доменной плавки в условиях комбината «Криворожсталь» / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, А.И. Белькова, П.И. Оторвин, С.В. Нынь // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – Днепропетровск, 2005. – Вып. 10. – С. 88-95.

11. Выбор рационального состава доменной шихты на основе физико-химического моделирования свойств расплавов / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, А.И. Белькова, П.И. Оторвин, А.Ю. Гринько // Металлургия России на рубеже XXI века: Сб. научных трудов МНПК. – Новокузнецк, 2005. – С. 92-99.

12. Огнеупоры для футеровки доменной печи и их взаимодействие с доменными шлаками / В.И. Большаков, А.С Нестеров, П. И. Оторвин, Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – Днепропетровск, 2005. – Вып. 10. – С. 245-261.

13. Совершенствование технологии подготовки железосодержащих отходов / В.А. Шеремет, А.В. Кекух, А.В. Ревенко, Г.И. Орел, П.И. Оторвин // Экология и промышленность. – 2005. – № 4. – С. 37-42.

14. Пат. 62589 Україна, МКІ С21В5/00. Спосіб ведення доменної плавки: Пат. 62589 Україна, МКІ С21В5/00. А.В.Сокуренко, В.О.Шеремет, А.В.Кекух, Г.І. Орел, Г.П. Костенко, П.І. Оторвін, Е.В. Приходько, Д.М. Тогобицька, А.Ф. Хамхотько, М.М. Можаренко, А.І. Бєлькова (Україна). – №2003043309; Заявл. 14.04.2003; Опубл. 15.12.2003, Бюл. № 12.– 6 с.

15. Пат. 11142 Україна, МКІ С21В5/00. Спосіб ведення доменної плавки: Пат. 11142 Україна, МКІ С21В5/00. А.В.Сокуренко, В.О.Шеремет, А.В.Кекух, Г.І. Орел, Г.П. Костенко, В.С. Листопадов, П.І. Оторвін, С.В. Нинь, Д.М. Тогобицька, Е.В. Приходько, А.Ф. Хамхотько, А.І. Бєлькова, М.М. Можаренко (Україна) – № u200504989; Заявл. 26.05.2005; Опубл. 15.12.2005, Бюл. № 12.– 10 с.