Исследование гидродинамики шлакоугольных суспензий и особенностей восстановления в них железа с целью совершенствования технологии процесса Ромелт

Актуальность работы определяется нарастающей потребностью промышленности в технологии бескоксового производства чугуна из руд и железосодержащих отходов. В последние десятилетия в ведущих индустриальных странах мира активно разрабатываются такие процессы нового поколения, главной особенностью которых является проведение интенсивной плавки в высокотемпературных реакторах с шлакоугольной суспензией, которую продувают кислородсодержащим дутьем.

Единственным одностадийным процессом получения железа, успешно испытанным в промышленном масштабе, является процесс Ромелт (Россия). Эта технология была разработана в Московском институте стали и сплавов (МИСиС) научным коллективом под руководством проф. В. А. Роменца. Процесс был запатентован в 13 странах, проданы лицензии ряду фирм в США, Японии, Индии. В настоящее время ГП ВО «Тяжпромэкспорт» в сотрудничестве с МИСиС осуществляет комплекс работ по сооружению первого в мире завода по производству чугуна процессом Ромелт (первая очередь 200 тыс. тонн чугуна в год) в Союзе Мьянма. Ведутся переговоры о строительстве таких заводов в России и Индии.

Основной реакционной зоной процесса Ромелт является шлаковая ванна, продуваемая через систему боковых горизонтальных фурм кислородсодержащим дутьем. В шлаковую ванну непрерывно подают окисленное железосодержащее сырье и уголь. В областях прохода в шлаке струй реагирующего дутья (барботажных столбах) реализуются преимущественно окислительные условия, а в остальном объеме шлакоугольной суспензии — восстановительные. Частицы угля захватываются в контуры циркуляции шлака, генерируемые действием барботажных столбов и замешиваются в объем ванны. За время своего существования в шлаке частицы угля участвуют как в процессах восстановления железа из шлака, так и в процессах горения и газификации в зонах барботажных столбов. В зависимости от количества накопленного в ванне угля, его фракционного состава, а также от параметров продувки, геометрии ванны и физических свойств шлака, характер распределения частиц угля в ванне может сильно изменяться. Эффективность замешивания частиц угля в объем ванны, в свою очередь, влияет на характер вовлечения частиц угля в барботажные столбы и восстановительную работу угля. Кроме того, эффективное замешивание угля может обеспечить безопасную работу печи при высоких насыщениях шлако-угольной суспензии без наступления технологически неприемлемого режима блокировки углем поверхности ванны, сопровождающегося резким ухудшением теплопередачи в ванну из зоны дожигания. Решение данной проблемы позволит вести восстановительную плавку при больших концентрациях угля, что обеспечит повышение производительности печи.

Дальнейшее совершенствование процесса Ромелт и расширение области его применения невозможно без выявления влияния на структуру шлакоугольной суспензии гидродинамического режима ванны, исследования механизма и кинетики восстановления железа из пневматически перемешиваемого шлака дисперсным углеродом.

Целью настоящего исследования являлось совершенствование технологии процесса жидкофазного восстановления железа Ромелт на основе физического моделирования гидродинамики и изучения особенностей восстановления железа в шлакоугольных суспензиях.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

— разработать методику и создать экспериментальную установку для холодного физического моделирования гидродинамики шлакоугольной суспензии процесса Ромелт;

— изучить на физической модели закономерности замешивания угольных частиц в объем ванны при варьировании параметров продувки, высоты ванны, физических свойств жидкости, фракционного состава модельных частиц и их общего содержания в ванне;

— изучить на физической модели закономерности наступления режима блокировки поверхности ванны сплошным слоем из угольных частиц;

— экспериментально изучить эффективность основных схем жидкофазного восстановления железа;

— разработать методику формально-кинетического анализа восстановления железа в шлакоугольной суспензии;

— исследовать зависимость кажущейся константы скорости восстановления железа в шлакоугольной суспензии от размеров частиц восстановителя, температуры и интенсивности перемешивания расплава;

— разработать рекомендации по совершенствованию технологии процесса Ромелт.

Автором выносятся на защиту:

— методика холодного физического моделирования гидродинамики шлакоугольной суспензии процесса Ромелт;

— результаты физического моделирования шлакоугольной суспензии процесса Ромелт;

— результаты экспериментального сопоставления эффективности восстановления железа при прямом контакте шлака с графитом и через газовую фазу;

— методика формально-кинетического анализа жидкофазного восстановления железа в шлакоугольных суспензиях и результаты экспериментального исследования.

— рекомендации по совершенствованию технологии процесса Ромелт.

Научная новизна работы заключается в следующем: на основе совершенствования гидродинамического режима шлакоугольной суспензии разработаны рекомендации по повышению производительности процесса Ромелтразработана методика обеспечения динамического подобия при холодном физическом моделировании струйной боковой продувки шлаковой ванны печи Ромелтопределены условия подобия для частиц угольной взвеси в турбулентном шлаковом расплавеопределены условия подобия для крупных частиц угля при большой неоднородности их распределения по высоте турбулентной жидкой ванныразработаны физическая модель и методика экспериментального исследования структуры барботируемой суспензииустановлена зависимость эффективности замешивания частиц в объем ванны и в барботажные столбы от изменения расхода дутья, диаметра фурм, высоты ванны над фурмами, общего количества частиц в ванне, их фракционного состава, вязкости жидкостиустановлены закономерности наступления режима блокировки поверхности ванны сплошным слоем из угольных частицэкспериментально подтверждена определяющая роль в восстановлении железа в шлакоугольных суспензиях схемы прямого восстановления в одну стадиюразработана методика формально-кинетической оценки скорости жидкофазного восстановления железа в шлакоугольных суспензияхустановлена зависимость константы скорости восстановления железа в шлакоугольных суспензиях от изменения фракционного состава восстановителя, температуры и интенсивности перемешивания расплава.

Практическая значимость. Разработанные на основе результатов проведенных исследований практические рекомендации по повышению производительности процесса Ромелт, по рациональным фракционному составу угля, содержанию угля в шлаковой ванне и вязкости шлака, используются при проектировании печей Ромелт и составлении технологических инструкций по ведению процесса на установках Ромелт.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечена, тем, что основные данные получены с использованием современных методик постановки и проведения экспериментов, обработки результатов, физико-химических методов анализа, методов математического моделирования, согласованностью результатов физического моделирования с экспериментальными данными, полученными в прямых экспериментах на печи Ромелт. Погрешность измерений не превышала 15%. Уровень надежности полученных экспериментальных данных 0,95.

Личный вклад соискателя. Диссертантом разработана конструкция и изготовлена физическая модель печи Ромелт, разработана методика и проведены исследования структуры шлакоугольной суспензии в печи Ромелт на физической модели. Разработана методика и выполнены исследования механизма и кинетики восстановления железа дисперсным углеродом из шлакового расплава.

Основные положения и научные результаты диссертационной работы, а также положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично диссертантом, или с его непосредственным участием.

Разработаны практические рекомендации по совершенствованию технологии процесса Ромелт на основе результатов выполненных исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах»,.

2005 г. Пензана Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развития», 2005 г. Тамбовна Второй Всероссийской конференции молодых специалистов «Металлургия XXI века», 2006 г. Москвана III Международной научно-практической конференции «Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М. А. Глинкова».

2006 г., Москва, на 2-й Международной Научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса», 2006 г., Тамбов.

Публикации. По результатам работы опубликовано 2 статьи и 5 докладов в сборниках трудов научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из общей характеристики, списка условных обозначений, введения, шести глав, заключения и изложена на 167 страницах. Диссертация содержит 44 рисунка и 1 таблицу. Список литературных источников включает 103 наименования.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ о рг — плотность газа, кг/м — рж — плотность жидкости, кг/м — а — скорость звука в газе, м/сdg — диаметр сопла фурмы, м;

1о — глубина газовой лунки в жидкости, м- 2 g — ускорение свободного падения, м/с — h — высота спокойной ванны над осью боковой фурмы, мUn — скорость всплывания пузыря, м/сиж.г — относительная скорость омывания жидкостью пузыря, м/сRj, R2- главные радиусы кривизны поверхности всплывающего пузыря (в предположении его эллипсоидальной формы), мdn — диаметр пузыря, мdcmp — диаметр поперечного сечения газового тела струи (неисчезающая газовая полость в зоне ввода газа, существующая при струйном режиме продувки), мUs0 — среднерасходная скорость газа в выходном сечении фурмы, мUKp — скорость истечения, при которой начинается струйный режим истечения, м- 1стрдлина газового тела струи, мсмещение вдоль оси Z границы раздела фаз в процессе волновых колебаний поверхности газового тела струи, мX — длина волны этих колебаний, м;

Ъ — амплитудное значение переменного ускорения, действующего по оси Z и возникающего в результате колебаний границы раздела газового тела струи с жидкостью, м/с — со — круговая частота колебаний, с" 1;

11сж — средняя скорость движения газожидкостной смеси в струе (вне фурменной зоны), м/с;

Q — объемный расход газа в струе (термически расширенного), м3/сQo — объемный расход газа, подаваемого через фурму в расплав, нм3/сГ — средний радиус струи в идеализированной схеме донной продувки (по Д. Ма-зумдару);

R — радиус ковша, половина межфурменного расстояния, мN — мощность перемешивания жидкости, Вт/кг- - мощность перемешивания жидкости, Вт/м3- уU — динамическая вязкость жидкости, Па*с- - приведенная скорость газа, м/с (называется также «газовой нагрузкой» и представляет собой расход газа в выходном сечении ванны, отнесенный к площади этого сечения;

Р — гидростатическое давление в ванне на уровне оси фурмы, Па;

Рср — среднее гидростатическое давление в барботируемом слое над фурмойПа;

Тж — температура ванны расплава, К;

Т0= 273 Кv4 — вектор скорости частицы, м/с;

Уж — вектор скорости несущей жидкости, м/с;

И — вектор относительной скорости, м/с;

Umax — максимально возможная для данного потока скорость относительного движения частицы, м/с- - диаметр частицы, м-^ч — объем частицы, м3;

Fюпр. — сила сопротивления, действующая на частицу при ее обтекании жидкостью, Н;

Xq — внутренний масштаб турбулентности в системе, м;

Kfкоэффициент сопротивления;

S4 — площадь миделева сечения частицы, м2;

Я — масштаб турбулентной пульсации, м;

L — максимальный масштаб турбулентных пульсаций, линейный поперечный размер всего турбулентного потока, мdny3 — размер пузыря, м;

7- поверхностное натяжение, Н/мв — краевой угол, град.;

FeO) — концентрация оксида железа в шлаке, % массМщл. — масса шлака в опыте, кгкп — кажущаяся константа скорости реакции, приведенная к одной частице восстановителя- (icr (FeO)/c) — к — кажущаяся константа скорости реакции, приведенная к единице площади всей внешней поверхности дисперсного восстановителя, icr (FeO)/M с);

ОСпорядок реакции;

ТПС — начальная средняя масса частицы восстановителя данной фракции, кг- (Со) — начальное содержание восстановителя в шлаке, % от массы шлакаЕа — энергия активации, Дж/моль;

Sc — суммарная внешняя поверхность частиц восстановителя, м2- Р — производительность печи, KrFe/c;

Xч — среднее по ванне расстояние между центрами частиц, мУв — объем ванны, м3- П — число частиц в ванне;

К, — суммарный объем твердых частиц в ванне, м3;

X — характерный размер ванны, мXi — линейные размеры печи и шлаковой ванны, мXq — базовый размер, м;

5- константа геометрического подобия строения ванны- 8Ч — масштаб геометрического подобия частиц;

Р — объемное содержание частиц в суспензии, доли ед.- С — массовое содержание частиц в суспензии, доли ед.;

Аг. Р*.

Ж 1.

2 /т 2.

— модифицированный критерий Архимеда;

Мжё2(Рж~Рг)2.

РД.

Gn — ^ ^ - критерий Глинкова (модифицированное число Фруда) — Н = h/do — относительная глубина погружения фурмы под уровень жидкостиигсм gh ' число ФРУДа Для ковша (ванны) (впервые введено Д. Мазумдаром) — ~ - критерий Рейнольдса струи (по Д. Мазумдару) — М.

О и1.

Аг' =.

РжФ вариант модифицированного критерия Архимеда;

Re, тицу при с1ч"Ло Рж-Рч.

РЧ~Рж * Ч" .

Рж .-V.

— критерий Рейнольдса для потока, обтекающего час.

Re шах.

I I РчР1с к Л.

— критерий Рейнольдса для потока, обтекающего частицу при d4"Xo ж.

We= i2 — критерий Веберагж&тз.

Агч =.

2 — критерий АрхимедаМ.

Ма = — критерий Махаа т — ^л.

X «симплекс' описывающий геометрическое подобие модели с образцом для среднего по ванне расстояния между центрами частицРг.

Р" симплекс подобия в плотностях газа и жидкости.

Основой массового получения чугуна являются доменные печи. Однако, на протяжении уже нескольких десятилетий, не ослабевает интерес к развитию жидко-фазных бескоксовых технологий производства жидкого чугуна (Ромелт (Россия), HIsmelt (Австралия), Auslron (Австралия), DIOS (Япония), Redsmelt-NST (Италия, Германия, ЕЭС)). Эти процессы позволяют производить чугун, используя вместо кокса рядовые энергетические угли, позволяют перерабатывать неокускованные руды и железосодержащие отходы. Особенно перспективно применение таких процессов на мини-заводах [1]. Процессы Ромелт и HIsmelt, находящиеся на стадии сооружения первого завода, являются наиболее разработанными среди новых технологий.

На установке Ромелт отработана технология плавки многих видов железосодержащего сырья (руды, концентраты, пыли, шламы, окалина, стальная стружка и др.). Процесс также может применяться для переработки комплексного железорудного сырья, содержащего, помимо железа, другие ценные металлы. Технология позволяет эффективно извлекать в металл никель, частично ванадий и хром. В процессе Ромелт практически не восстанавливается титан, что открывает перспективы эффективной переработки титаномагнетитов. Показана возможность производства передельного низкофосфористого марганцовистого шлака. В печи Ромелт возможна переработка «красных шламов», отходов производства серной кислоты (пиритные огарки) и некоторых других накопленных железосодержащих отходов цветной металлургии, например шлаков, образующихся при производстве меди. При переработке в печи Ромелт материалов, содержащих цинк, возможно его извлечение с получением сырья для цветной металлургии.

Развитие процесса Ромелт и других новых технологий способствовало развитию металлургической науки. Исследования сконцентрировались в области механизма и кинетики жидкофазного восстановления железа, гидродинамики и тепломассообмена в пневматически перемешиваемой ванне, свойствах эмульсий и суспензий, физической химии металлических и шлаковых растворов. Так, освоение процесса Ромелт стимулировало фундаментальные исследования по всем указанным направлениям. Развитие процесса HIsmelt стимулировало важные исследования по кинетике науглероживания металлического расплава дисперсным углем, смачиваемости угольных частиц металлическим и шлаковым расплавами, кинетике пиролиза дисперсного угля и др.

Некоторые из современных технологий бескоксового производства чугуна реализуются в две стадии (HIsmelt, DIOS (Duplex-DIOS), Redsmelt-NST), с предварительным восстановлением железосодержащей шихты в твердой фазе. Другие процессы (Auslron, Ромелт) реализуются в одну стадию, т. е. являются полностью жид-кофазными. Независимо от стадийности реакторы жидкофазного восстановления всех этих технологий используют некоторые общие технологические и конструктивные принципы:

— восстановление ведется из шлакового расплава с низким (менее 6% (масс.)) содержанием железа;

— в шлаковой ванне обязательно присутствует дисперсный уголь, образуя шла-коугольную суспензию;

— для барботируемой шлаковой ванны применяется водоохлаждаемое ограждение (кессонное);

— в шлаковую ванну струями подают кислородсодержащее дутье для сжигания угля и интенсивного барботажа расплава;

— в надшлаковое пространство подают кислород для дожигания горючих газов выделяющихся из ванны.

Поскольку во всех рассматриваемых технологиях уголь является одновременно и топливом и восстановителем железа, характер распределения частиц угля в объеме шлаковой ванны играет принципиальную роль в эффективности и даже самой возможности осуществления технологического процесса. Соответственно, гидродинамика шлакоугольной суспензии является одним из определяющих факторов технологии.

Исследование гидродинамики шлакоугольных суспензий и особенностей восстановления в них железа имеет одновременно фундаментальное и прикладное значение для совершенствования всех технологий бескоксовой металлургии чугуна. Практика освоения процесса Ромелт также показала, что для успешного ведения плавки необходимо поддерживать параметры гидродинамического режима шлако-угольной суспензии в определенных пределах. Для исследования структуры суспензии на печи Ромелт (на HJIMK) провели отдельные прямые эксперименты, однако полномасштабное исследование в условиях промышленного производства было невозможно.

В настоящей работе методом физического моделирования провели систематическое исследование структуры и свойств, а также особенностей восстановления железа в шлакоугольных суспензиях процесса Ромелт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе проведения комплекса теоретических исследований и холодного физического моделирования шлакоугольной суспензии в процессе Ромелт, а также высокотемпературных лабораторных исследований восстановления железа в шлакоуглеродистых суспензиях, получены следующие основные научные результаты и практические рекомендации:

1. Разработана методика обеспечения динамического подобия при физическом моделировании продувки ванны печи Ромелт. Определены условия подобия для частиц, моделирующих угольную взвесь в турбулентном шлаковом расплаве. Определены условия подобия для частиц, моделирующих крупные частицы угля в сильно неоднородных по высоте ванны шлакоугольных суспензиях;

2.Рассчитаны параметры и создана физическая модель, разработана методика экспериментального исследования структуры барботируемой шлакоугольной суспензии;

3.Установлено, что при малых количествах (1−3% от массы ванны) частиц (что характерно для процесса Ромелт), эффективность замешивания частиц в объем ванны возрастает при увеличении высоты ванны над фурмамиувеличении расхода дутья на фурмуувеличении скорости дутья (при постоянном его расходе) — при использовании частиц мелкой фракции (при количестве модельных частиц в ванне до 5% (от массы ванны)) — а также при пониженной вязкости жидкости.

4. Установлено, что при высоком содержании частиц в поверхностном слое (СПов>9% (масс.)) в центральных областях ванны частицы суспензии образуют сплошной слабо перемешиваемый слой в верхней части ванны. Критическое на.

1cy)1jty1 сыщение поверхностного слоя появлялось при общем содержании частиц в ванне С0бЩ >5%. Конкретное значение определялось гидродинамическим режимом ванны. При одновременном увеличении высоты ванны и интенсификации ее продувки в суспензиях из модельных частиц мелкой и средней фракций сплошной слой не образовывался при любых насыщениях суспензии.

5. Установлено, что в барботажных столбах содержание модельных частиц ниже, чем в остальном объеме ванны. Это различие более выражено в верхних горизонтах ванны. Во всем диапазоне содержаний частиц в жидкости с увеличением высоты ванны над фурмами (при одинаковом расходе дутья) содержание частиц в верхней части барботажных столбов уменьшается, а на уровне фурм практически не изменяется. Увеличение расхода дутья влечет за собой незначительное снижение содержания частиц в верхней части барботажных столбов;

6. Экспериментально подтверждена определяющая роль в восстановлении железа в шлакоугольных суспензиях схемы прямого восстановления в одну стадию;

7. Разработана методика анализа кинетики жидкофазного восстановления железа дисперсным твердым восстановителем с определением константы скорости реакции, отнесенной к одной частице восстановителя;

8. Экспериментально установлено, что реакция восстановления железа из шлака дисперсным графитом имеет первый порядок по (FeO). Кажущиеся константы скорости восстановления железа в шлакографитовых суспензиях при Т=1723 К и расходе газа на продувку 0,6 нл/мин составили: для фракции 0,63−0,80 мм — 2,27*10″ 10 (Kr (FeO)/c), для фракции 1,60−2,00 мм — 2,60*10″ 9 (Kr (FeO)/c);

9. Установлено, что кажущиеся константы скорости восстановления в шлакографитовых суспензиях зависят не только от размеров частиц и температуры, но и от интенсивности перемешивания расплава. При Т=1723 для фракции 0,630,80 мм они составили: при расходе дутья 0,3 л/мин — 1,86* Ю" 10 (Kr (FeO)/c), при расходе дутья 0,6 л/мин — 2,27* Ю" 10 (Kr (FeO)/c) и при расходе дутья 1,2 л/мин -2,68*10″ 10 (Kr (FeO)/c);

10. Разработаны практические рекомендации по увеличению производительности процесса Ромелт на основе совершенствования гидродинамического режима шлакоугольной суспензии:

1. Уровень спокойного шлака над барботажными фурмами целесообразно увеличить с 0,7−0,8 до 1,4−1,6 мЛ.

2. Расход дутья на фурму следует увеличить с 600−650 нм /ч до 9 501 000 нм3/ч;

3. Диаметр сопел барботажных фурм следует оставить неизменным — 30 мм, при этом скорость дутья на выходе из фурмы увеличится с 205 до 265 м/с;

4. Размеры угольных частиц в ванне должны быть менее 20 мм;

5. Содержание угля в ванне должно быть 5−9% от массы ванны;

6. Концентрация FeO в шлаке должна быть 5−6%;

7. Вязкость шлака в печи целесообразно поддерживать на уровне 0,2−0,4 Па*с, повышение вязкости шлака выше 3,0 Па*с нежелательно.