Разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи
Целью настоящего исследования является разработка комплексного подхода для всесторонней оценки качества подготовленного железорудного сырья и анализ предложенного варианта разработки прогнозных моделей температур размягчения и плавления агломератов, окатышей и руд. С использованием данных, полученны...
Saved in:
| Published in: | Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62814 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, Н.А. Гладков, Н.Е. Ходотова // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2009. — Вип. 19. — С. 49-66. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860040661336588288 |
|---|---|
| author | Тогобицкая, Д.Н. Хамхотько, А.Ф. Гладков, Н.А. Ходотова, Н.Е. |
| author_facet | Тогобицкая, Д.Н. Хамхотько, А.Ф. Гладков, Н.А. Ходотова, Н.Е. |
| citation_txt | Разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, Н.А. Гладков, Н.Е. Ходотова // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2009. — Вип. 19. — С. 49-66. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии |
| description | Целью настоящего исследования является разработка комплексного подхода для всесторонней оценки качества подготовленного железорудного сырья и анализ предложенного варианта разработки прогнозных моделей температур размягчения и плавления агломератов, окатышей и руд. С использованием данных, полученных по стандартной методике, выполнено аналитическое обобщение информации о фазовых превращениях железорудных материалов в исходном состоянии и восстановительных условиях доменной плавки. Предложенные физико–химические модели могут быть использованы для прогнозирования температур размягчения и плавления шихтовых материалов.
Метою дослідження є розробка комплексного підходу для всебічної оцінки якості підготовленої залізорудної сировини та аналіз запропонованого варіанту прогнозних моделей температур розм'якшення і плавлення агломератів, обкотишів і руди. З використанням даних, одержаних за стандартною методикою, виконано аналітичне узагальнення інформації щодо фазових перетворень залізорудних матеріалів в початковому стані та у відновлювальних умовах доменної плавки. Запропоновані фізико-хімічні моделі можуть бути використані для прогнозування температур розм'якшення і плавлення шихтових матеріалів.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:55:52Z |
| format | Article |
| fulltext |
49
УДК: 669.02/09:669.162.2.681.3.001.18
Д.Н.Тогобицкая, А.Ф.Хамхотько, Н.А.Гладков, Н.Е.Ходотова
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ АГРЕГАТНЫХ
ПРЕВРАЩЕНИЙ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Целью настоящего исследования является разработка комплексного подхода
для всесторонней оценки качества подготовленного железорудного сырья и ана-
лиз предложенного варианта разработки прогнозных моделей температур размяг-
чения и плавления агломератов, окатышей и руд. С использованием данных, по-
лученных по стандартной методике, выполнено аналитическое обобщение инфор-
мации о фазовых превращениях железорудных материалов в исходном состоянии
и восстановительных условиях доменной плавки. Предложенные физико–
химические модели могут быть использованы для прогнозирования температур
размягчения и плавления шихтовых материалов.
железорудное сырье, оценка качества, прогнозные модели, доменная
плавка, температуры размягчения и плавления
Целью настоящего исследования является разработка комплексного
подхода для всесторонней оценки качества подготовленного железоруд-
ного сырья и анализ предложенного варианта разработки прогнозных мо-
делей температур размягчения и плавления агломератов, окатышей и руд
с использованием данных, полученных по стандартной методике.
Состояние вопроса. Сложившийся, в условиях нынешнего дефицита
энергоресурсов, не стабильный уровень качества комбинированного дутья
(концентрация восстановителей, температура, доля фурменного газа) обу-
словливает разную степень развития восстановительно–тепловых процес-
сов в доменной печи, влияющих на характер агрегатных превращений
железорудных материалов. Следствием этого является расширение темпе-
ратурных диапазонов жидкообразования, изменения соотношения в про-
тяженностях зон существования материалов в твердом, размягченном и
капельножидком состоянии. В результате этого заметно отклоняется от
рационального распределение газов по сечению печи, возрастает сопро-
тивление его движению (нижний перепад), нарушается теплообмен в зоне
формирования расплавов, возрастает колеблемость состава продуктов
плавки, снижается ровность хода печи и ее экономичность.
Исследованию, оценке состояния и прогнозированию поведения же-
лезорудных материалов при нагревании их в восстановительной среде
уделялось в свое время большое значение в связи с развитием агломера-
ции и появлении ряда подготовленных разноосновных материалов, в ча-
стности, агломерата и окатышей. Использовались при этом разные мето-
дики и подходы, применялись различного рода инструментальные уст-
ройства для определения особенностей агрегатных превращений железо-
рудного сырья применительно к условиям доменной плавки. Некоторые
из методических обобщений приведены в монографии [1] и периодиче-
50
ской печати. Интерес к исследованию поведения железорудных материа-
лов от их загрузки в доменную печь (сухая зона) до перехода в зону раз-
мягчения – плавления и затем в зону капельно–жидкого состояния (коксо-
вая насадка) существенно возрос после освещения результатов исследо-
вания затушенных доменных печей.
Постановка задачи. В ИЧМ с использованием специальных уст-
ройств для определения размягчения и расплавления железорудных мате-
риалов, высокотемпературных микроскопов и укрупненных (пилотных)
установок, определения высокотемпературных свойств рудных образцов
выполнены фундаментальные исследования, широко опубликованные в
работах [2–4]. Разработан комплексный подход для всесторонней оценки
качества подготовленного железорудного сырья, в частности позволяю-
щий определять свойства материала, обеспечивающего рациональный
характер жидкообразования, ровность хода процесса и его экономич-
ность. Основой этого является созданная в ИЧМ база данных «Железо-
рудные материалы», в которой сконцентрированы экспериментальные
данные различных авторов об интервале размягчения – плавления различ-
ных агломератов, окатышей, руд, концентратов и их смесей [5].
Наполнение базы осуществлено данными, опубликованными в спра-
вочниках, монографиях, отраслевых сборниках и периодических изданиях
с ретроспективой 40 лет. Кроме того, использована неопубликованная
экспериментальная информация, полученная в ИЧМ по гостированным
методикам. Согласно разработанному стандарту подготовлено свыше 120
паспортов и в базу введены данные о свойствах более 1200 составов раз-
личных видов железорудного сырья, включая гранулометрический состав,
влажность, пористость, интервал размягчения и плавления, прочность в
исходном состоянии и после восстановительно–тепловой обработки, сте-
пень восстановления и металлизации, газопроницаемость и теплофизиче-
ские свойства. В том числе в базе содержится информация о размягчении
и плавлении около 400 составов железорудных материалов.
Анализ накопленной информации свидетельствует, что данные о
столь важных для шихтовых железорудных материалов теплофизических
характеристиках, как температуры размягчения и плавления, несмотря на
солидный объем, ограничены и, в ряде случаев, противоречивы [6]. Это
обусловлено различием методики измерения, нечетким определением та-
ких понятий, как «интервал размягчения», «интервал плавления» и др.
Отличия в методиках определения интервалов размягчения и плавле-
ния железорудных материалов затрудняют обобщение эксперименталь-
ных данных различных авторов в единую выборку для решения задач
прогнозирования. Так, по данным [7] нпТ криворожской железной руды
составляет 12810С и ΔТ = кпТ – нпТ =2490С, а по данным [8] для этой же
руды нпТ =10780С и ΔТ= рТ – нпТ = 4630С. В литературе зачастую не ак-
центируется внимание на таких факторах, как атмосфера, при которой
51
определялись температура начала размягчения нрT , температура конца
размягчения крТ , температура начала плавления нпТ , температура рас-
плавления (растекания) pT , а также на четкой фиксации степени восста-
новления исследуемых материалов. Это также определяет противоречи-
вость различных экспериментальных данных и невозможность их объеди-
нения для решения задач прогнозирования [5].
Немаловажное значение имеет факт чрезвычайно ограниченных дан-
ных об исследованиях свойств таких разных материалов, как агломераты,
окатыши, руды и шихты на их основе в единых условиях.
Изложение основных материалов исследования. В настоящей ра-
боте приведены данные одного из вариантов разработки прогнозных мо-
делей температур размягчения и плавления агломератов, окатышей, руд с
использованием данных, полученных в работах [8–10], где характеристи-
ки размягчения получены по стандартной методике при нагреве материа-
лов со скоростью 10 град/мин под нагрузкой 0,2 мПа. В работе принято,
что начало усадки зернистой пробы материалов соответствует температу-
ре начала размягчения ( нрТ ), усадка на 40% – конца размягчения ( крТ ).
Характеристики плавления получены с помощью высокотемпературного
микроскопа в нейтральной атмосфере.
По данным [8] в процессе размягчения не восстановленных агломера-
тов наблюдаются два этапа. На первом этапе начало усадки происходит
при температурах 1135–1150 0С и составляет 1–3% до температур 1160–
11800С. На втором этапе при дальнейшем нагреве скорость усадки быстро
нарастает и достигает 40% при температуре 1210–12350С (конец размяг-
чения), что соответствует интервалу размягчения ≈800С).
Начало интенсивного увеличения усадки (температура перегиба на
кривой «усадка – температура») соответствует значениям нпТ , получен-
ным на высокотемпературном микроскопе. Это свидетельствует о том,
что на первом этапе в агломерате происходит размягчение стеклянной
связки и уплотнение (пластическая деформация) кристаллической фазы, а
на втором – появление начальных порций расплава.
При размягчении окатышей, содержащих 80 – 85% Fe2O3 и незначи-
тельное количество стекла, пластическая деформация не наблюдается.
Усадка начинается при нпТ , то есть обусловлена появлением первых
жидких фаз на поверхности материала, и достигалась 40% через ≈ 1700С.
Аналогичный характер размягчения отмечен для железной руды при уве-
личенном интервале достижения 40% усадки ≈2200С. Часть результатов
исследований приведено в табл.1. Температуры начала размягчения и на-
чала плавления, определенные различными методами, близки по величи-
не.
52
Таблица 1. Химический состав и температуры размягчения – плавления железорудных материалов по данным [8].
Содержание компонентов, мас. % Материал
Feобщ Fe2O3 FeO SiO2 CaO MgO Al2O3 MnO
Тнр,
0С
Тнп,
0С
Ткр,
0С
Тр,
0С
Агломерат ЮГОК 54,5 65,28 11,36 9,54 11,62 0,89 1,18 0,91 1135 1161 1210 1457
Агломерат НКГОК 50,9 60,3 11,24 8,81 11,96 1,14 1,67 2,65 1140 1164 1225 1450
Агломерат КМЗ 52,0 64,24 9,04 9,2 13,24 1,23 1,18 1,26 1150 1180 1235 1457
Окатыши ПГОК 61,6 85,2 2,25 9,0 1,5 1,0 0,9 0,08 1102 1102 1290 1513
Окатыши СевГОК 58,2 80,0 2,87 10,04 5,86 0,7 0,57 0,09 1113 1113 1295 1505
Окатыши ЦГОК 60,0 83,66 1,95 6,7 5,26 1,25 0,83 0,05 1146 1146 1305 1501
Окатыши ЦГОК 59,1 77,29 6,47 7,26 7,28 1,0 0,24 0,06 1146 1146 1305 1466
Криворожская же-
лезная руда
42,0 58,69 0,71 36,61 1,52 0,3 1,08 0,06 1078 1078 1300 1541
Температура конца размягчения, определенная методом усадки, оказывается существенно выше температуры начала
плавления, определенной на высокотемпературном микроскопе, особенно для окатышей и руд.
Для оценки интервала размягчения – плавления целесообразно использовать величины нрТ , крТ и рТ , наиболее объ-
ективно и полно характеризующие изменения в железорудных материалах при переходе из твердого в жидкое состояние в
доменной печи. Как показано в работах [8–10], эти температуры обусловлены химическим и минералогическим составами
железорудных материалов, подвергающихся структурным превращениям при восстановительно–тепловой обработке в до-
менной печи. Результаты этих исследований явились основой установления закономерностей изменения содержания метал-
лического железа и его оксидов в железорудных материалах в процессе их восстановления. При восстановлении агломерата,
окатышей и руды до некоторой «критической» величины происходит резкое уменьшение содержания в них тугоплавкого
гематита (Fe2O3) и увеличение до оптимального значения содержания легкоплавкого вюстита (FeO) при отсутствии или не-
значительном количестве металлического железа (Feмет). Дальнейшее восстановление железорудных материалов приводит к
снижению Fe2O3 практически до полного его исчезновения, сокращению FeO и существенному увеличению содержания
Feмет, образующего тугоплавкий каркас в объеме минеральной составляющей.
53
Эти превращения сопровождаются изменениями интервала размягче-
ния – плавления агломератов, окатышей и руды при восстановлении и
обусловливают протяженность зон плавления и первичного шлакообразо-
вания при использовании в шихте различных железорудных материалов.
Показательными, являются результаты, полученые при исследовании
температур размягчения агломерата, восстановленного до различной сте-
пени, в работах [6, 11, 12] (табл.2 и 3).
Таблица 2. Зависимость температур начала и конца размягчения агломе-
рата «Запорожстали» (CaO/SiO2 = 1,23) от степени восстановления [6].
Степень
восста–
новле–
ния R, %
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Тнр, 0С 1115 1090 1075 1055 1040 1040 1035 1040 1050 1075
Ткр, 0С 1230 1185 1170 1160 1165 1170 1180 1210 1240 1300
ΔТр, 0С 115 95 95 105 125 130 145 170 190 225
Данные табл.2 описываются уравнениями полиномов 2–й степени с
коэффициентами корреляции r= 0,99:
202708,09678,21118 RRТнр +−= (1)
204886,062197,31225 RRТкр +−= (2)
или:
)0000242,00026548,01(1118 2RRТнр +−= (3)
)0000398,00029573,01(1225 2RRТкр +−= (4)
Таблица 3. Зависимость температур начала и конца размягчения опытного
агломерата от степени восстановления по данным [11, 12].
R, % 0 8,2 17,5 24,1 33,6 45,1
Тнр, 0С 1112 1069 1073 1036 1044 1035
Ткр, 0С 1202 1160 1158 1150 1152 1169
ΔТр, 0С 90 91 85 114 108 134
R, % 45,1 53,0 63,8 76,1 83,8 95,6
Тнр, 0С 1035 1032 1019 1048 1025 1063
Ткр, 0С 1169 1170 1184 1200 1231 1307
ΔТр, 0С 134 138 165 152 206 244
Соответственно данные табл.3 описываются уравнениями:
202292,064946,21103 RRТнр +−= r=0,91 (5)
203754,054289,21193 RRТкр +−= r=0,97 (6)
54
или:
)0000207,0002403,01(1103 2RRТнр +−= (7)
)0000314,0002132,01(1193 2RRТкр +−= (8)
Свободный член в уравнениях (1, 5) и (2, 6) является соответственно
величиной Тнр и Ткр не восстановленного агломерата. После преобразо-
вания этих уравнений в виде (3, 7) и (4, 8) выражение в скобках описывает
закономерность изменения изученных температур от степени восстанов-
ления агломератов.
Ранее было показано противоречивое трактование влияния различных
компонентов химического состава железорудных материалов (Al2O3,
MgO, Fe2O3, FeO) и их соотношений (CaO/SiO2) на температуры размяг-
чения и плавления различными исследователями и предложена методика
прогнозирования этих свойств при помощи интегральных критериев для
«свертки» химического состава с учетом межатомного взаимодействия
компонентов шлаковой связки: химического эквивалента Δе и стехиомет-
рии ρ [5, 13]. Обработка исходных данных о температурах размягчения и
плавления различных не восстановленных агломератов, окатышей и же-
лезной руды (табл. 1) позволила получить модели для прогнозирования
этих свойств.
ρ6238,329747,105026,20802,04,940 32 +Δ+−+= eFeOOFeТ онр (9)
ρ3877,255116,164722,929439,09,1370 32 −Δ+−+= eFeOOFeТ окр
(10)
ρ6902,1860833,16211,4284,07,1653 32 −Δ−−−= eFeOOFeТ ор (11),
где: о
нрT – температура начала размягчения; о
крТ – температура конца
размягчения; о
рТ – температура расплавления (растекания).
Параметры Δе и ρ в формулах рассчитывают для шлакообразующей
части материалов без Fe2O3 и FeO.
Формулы (9–11) предназначены для расчета температур o
iT как раз-
дельно для агломерата, окатышей и руды, так и для шихты в целом с лю-
бым соотношением этих компонентов и даже с добавкой других шихто-
вых компонентов, например, наиболее используемого в доменной плавке
в качестве флюса конвертерного шлака. В последнем случае принимаем
для конвертерного шлака по данным [8]:
.1380;1275;1185 СТСТСТ оо
р
оо
кр
оо
нр ===
Поскольку закономерности изменения температур размягчения и
плавления от степени восстановления для агломератов, окатышей и руды
существенно отличаются [8–10], уравнения для их описания получены для
каждого компонента шихты (рис.1–3), уравнения (12–20).
55
Рис.1. Зависимость температуры начала размягчения агломератов, окаты-
шей и руды от степени восстановления. −− – расчетные значения; ♦ –
экспериментальные значения.
Температура начала размягчения:
для агломератов и конвертерного шлака
)1058482,21002832,31( 253 RRТТ о
нр
R
нр ⋅⋅+⋅⋅−⋅= −− (12)
для окатышей
)1055705,4101806,61( 253 RRТТ о
нр
R
нр ⋅⋅+⋅⋅−⋅= −− (13)
для руды
)1030821,41033764,51( 253 RRТТ о
нр
R
нр ⋅⋅+⋅⋅−⋅= −− (14)
Температура конца размягчения
для агломератов и конвертерного шлака
56
);1079653,7107537,1
1032473,11050999,31(
4936
243
RR
RRТТ о
кр
R
кр
⋅⋅+⋅⋅
−⋅⋅+⋅⋅−⋅=
−−
−−
(15)
для окатышей
);1003136,11058209,2
1017476,21023179,61(
4836
243
RR
RRТТ о
кр
R
кр
⋅⋅+⋅⋅
−⋅⋅+⋅⋅−⋅=
−−
−−
(16)
для руды
)1032158,210508,5
1047984,4105796,121(
4836
243
RR
RRТТ о
кр
R
кр
⋅⋅+⋅⋅
−⋅⋅+⋅⋅−⋅=
−−
−−
(17)
Температура расплавления
для агломератов и конвертерного шлака
);103172,31060772,7
1082338,5109552,141(
4836
243
RR
RRТТ о
р
R
р
⋅⋅+⋅⋅
−⋅⋅+⋅⋅−⋅=
−−
−−
(18)
для окатышей
)1010731,1
1077133,11076358,61(
36
243
R
RRТТ о
р
R
р
⋅⋅
−⋅⋅+⋅⋅−⋅=
−
−−
(19)
для руды
)1002042,3
1005642,5108597,201(
36
243
R
RRТТ о
р
R
р
⋅⋅
−⋅⋅+⋅⋅−⋅=
−
−−
(20)
где: R – степень восстановления.
После расчета ркрнр ТТТ ,, для каждого компонента шихты (агломе-
рата, окатышей, руды) в отдельности как в исходном состоянии (R=0), так
и при любой величине степени восстановления, рассчитывают средне-
взвешенные величины ркрнр ТТТ ,, шихты в целом по долям компонентов.
Аналогично разработаны приемы прогнозирования влияния щелочей
на температуры размягчения и плавления железорудных материалов.
Разжижающее влияние оксидов щелочных металлов Na2O и K2O на
компоненты доменной шихты (агломераты, окатыши, руду) очевидно.
Так, по данным [14] минимальная температура размягчения соединений в
системах SiO2 – CaO – FeO и SiO2–CaO–Fe2O3 находится в пределах 1100–
1250 0С. По данным [15] наиболее легкоплавкие шлаки в системе SiO2 –
CaO – FeO имеют температуру плавления 1030–1000 0С. Для тех же сис-
тем, содержащих оксиды щелочных металлов, ряд соединений имеет сле-
дующую температуру плавления [14, 15]: Na2O⋅SiO2 – 10890C; K2O⋅SiO2 –
57
9670C; Na2O⋅2SiO2 – 8740C; K2O⋅2SiO2 – 10450C; Na2O⋅Fe2O3⋅4SiO2 –
9550C; K2O⋅Fe2O3⋅4SiO2 – 7700C; Na2O⋅FeO⋅SiO2 – 7800C; K2O⋅3CaO⋅6SiO2
– 10230C; K2O⋅2CaO⋅6SiO2 – 10200C; K2O⋅FeO⋅3SiO2 – 9000C;
K2O⋅FeO⋅5SiO2 – 8750C.
Рис.2. Зависимость температуры конца размягчения агломератов, окаты-
шей и руды от степени восстановления. −− – расчетные значения; ♦ –
экспериментальные значения.
58
Рис.3. Зависимость температуры расплавления (растекания) агломератов,
окатышей и руды от степени восстановления. −− – расчетные значения; ♦
– экспериментальные значения.
Показано, что содержание оксидов щелочных металлов в шихтовых
материалах составляет:
Оксиды K2O Na2O K2O+Na2O
Агломерат офлюсованный 0,25 0,33 0,58
Окатыши 0,15 0,45 0,60
59
Руда железная 0,32 0,58 0,90
Руда марганцевая 1,40 1,09 2,49
Известняк обычный 0,08 0,10 0,18
Известняк доломитизиро-
ванный
0,10 0,15 0,25
Зола кокса н.д н.д 2,89
При этом установлено, что (рис.4) в первых шлаковых расплавах пе-
риферийной зоны (7–й горизонт) содержится 1,32% Na2O и 2,9% K2O,
промежуточной (13–й горизонт) – 1,25% Na2O и 1,68% K2O, а в централь-
ной зоне (19–й горизонт) 0,79% Na2O и 0,29% K2O.
По мере продвижения шлаковых расплавов вниз содержание в них
Na2O и K2O быстро растет и достигает максимума: на 9–м горизонте пе-
риферийной зоны – 3,45% Na2O и 4,98% K2O, на 15–ом горизонте проме-
жуточной зоны – 1,99% Na2O и 3,9% K2O и на 23–ем горизонте централь-
ной зоны – 1,08% Na2O и 1,59% K2O. В дальнейшем содержание щелоч-
ных оксидов во всех зонах до оси воздушных фурм постепенно убывает, а
ниже практически не меняется. Содержание Na2O в шлаках горна колеб-
лется в пределах 0,25–0,57%, а K2O – 0,07–0,22%.
В свете изложенного актуальной является прогнозная оценка влияния
щелочей на температуры размягчения и плавления компонентов доменной
шихты. Ранее нами была выполнена оценка роли щелочей в формирова-
нии свойств доменных шлаков [16] и показано, что по разным экспери-
ментальным данным при введении каждого процента Na2O до 9% темпе-
ратура плавления доменных шлаков снижается от 0,7 до 1,5%. В первом
приближении эту величину можно принять и для оценки влияния щело-
чей на температуру плавления железорудных материалов при отсутствии
других данных.
Авторы работы [14] оценили значения температур начала и конца раз-
мягчения агломератов, содержащих 0,3; 0,4 и 0,5% Na2O, в которые вво-
дили от 0,15 до 0,545% NaCl (табл.4).
Таблица 4. Состав и свойства агломератов по данным [14].
Содержание компонентов, мас. % №
п/
п
Fe FeO SiO2 CaO MgO Al2O3 Na2O NaCl Na2O+
NaCl
Cl–
Тнр,
0С
Ткр,
0С
1 55,36 21,37 9,25 11,04 0,46 2,75 0,3 0,182 0,482 0,11 984 1187
2 54,17 17,15 10,16 9,92 0,46 2,75 0,4 0,297 0,697 0,18 1018 1160
3 53,28 15,72 10,32 8,96 0,46 2,75 0,5 0,28 0,78 0,17 1003 1179
4 52,58 13,82 11,55 10,4 0,46 2,75 0,3 0,15 0,45 0,09 1015 1192
5 н.д 13,75 9,2 9,12 0,46 2,75 0,4 0,198 0,598 0,12 989 1169
6 н.д 11,5 н.д н.д 0,46 2,75 0,5 0,314 0,814 0,19 979 1184
7 н.д 12,5 9,4 9,28 0,46 2,75 0,3 0,198 0,498 0,12 981 1194
8 н.д 11,25 н.д н.д н.д 2,73 0,4 0,314 0,714 0,19 999 1169
9 н.д 11,75 н.д н.д н.д 2,73 0,5 0,545 1,045 0,33 942 1163
60
Рис. 4. Распределение окислов щелочных металлов по высоте периферий-
ной (П), промежуточной (Пр) и центральной (Ц) зон и сечению печи по
данным [15]. Цифры у кривых – содержание Σ(Na2O+K2O), %
Как видно из приведенных данных, суммарное содержание
Na2O+NaCl изменялось в пределах от 0,45% до 1,045%. При таком его
увеличении температура начала размягчения снизилась на 73 0С, а темпе-
ратура конца размягчения – на 29 0С. Отсюда:
)(%
%09,12
)45,0045,1(1015
100)1015945(
2 NaClONaТГрадиент нр +−=
−⋅
⋅−=Δ
)(%
%09,4
)45,0045,1(1192
100)11921163(
2 NaClONaТГрадиент кр +−=
−⋅
⋅−=Δ
Полученные величины градиентов свидетельствуют о более сущест-
венном разжижающем влиянии малых добавок Na2O+NaCl на агломерат
по сравнению с влиянием Na2O на доменный шлак по данным [16]. Это
можно объяснить дополнительным воздействием ионов Cl–, которые ана-
логично фтору выполняют роль плавня, замещая кислород в структуре
оксидов.
В работе [15] приведены наиболее заслуживающие внимания зависи-
мости изменения температур плавления пустой породы железорудных
материалов (агломерата, окатышей, железной руды) под воздействием
Na2O и К2O в широком диапазоне изменения их концентраций. Показано,
что влияние Na2O на температуру плавления ( nT ) пустой породы агломе-
рата, окатышей и железной руды имеет экстремальный характер с мини-
мумом naT =12700С для агломерата при 9–10% Na2O, noT =12400С для
окатышей – при 14–15% Na2O и npT =7700С для железной руды – при 23–
25% Na2O. Очевидно, что наибольшим изменениям под воздействием
Na2O подвержена кислая пустая порода железной руды, которая образует
61
первые шлаковые расплавы в доменной печи при температуре 800 0С и
ниже при содержании 23–25% Na2O. Наиболее высокую температуру
плавления при основности CaO/SiO2 = 1,2–1,4 имеет пустая порода агло-
мерата даже при условии содержания 9–10% Na2O. Окатыши в этом
смысле занимают промежуточное положение.
Влияние К2O на температуру плавления агломерата и окатышей еще
более существенно, чем Na2O. Однако, минимум naT =920 0С достигается
при более высокой температуре концентрации К2O=14–15%, а минимум
noT =8000С – при К2O=20–21%. На температуру плавления руды по дан-
ным [15] концентрация К2O практически не влияет.
Математическая обработка данных, приведенных в [15], позволила
получить уравнения зависимости температур плавления пустой породы
агломерата ( naT ), окатышей ( noT ) и железной руды ( npT ) от содержания
в них Na2O (21–23) и К2O (24–25).
На рис.5 и 6 показаны графики изменения расчетных величин по
уравнениям (21–25) в сравнении с экспериментальными данными.
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Na2O
Тпа
1200
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
3 6 9 12 15 18 21 24 27
Na2O
Тпо
62
600
800
1000
1200
1400
1600
5 15 25 35
Na2O
Тпр
Рис.5. Зависимость температур плавления пустой породы агломератов
( naT ), окатышей ( noT ) и железной руды ( npT ) от содержания Na2O −− –
расчетные значения; ♦ – экспериментальные значения.
Температура плавления агломератов.
[ ]2
22)()( )(0015503,0)(035371,01
2
ONaONaТТ опаONaпа ⋅+⋅−⋅= (21)
Температура плавления окатышей.
[ ]2
22)()( )(0008533,0)(028384,01
2
ONaONaТТ опоONaпо ⋅+⋅−⋅= (22)
Температура плавления руды.
[ ]2
22)()( )(0007131,0)(041505,01
2
ONaONaТТ опрONaпр ⋅+⋅−⋅= (23)
Здесь )()()( ;; опропоопа ТТТ – температуры плавления соответственно
агломерата, окатышей, руды без дополнительного введения Na2O, то есть
с тем содержанием Na2O, которое присуще исходным материалам; (Na2O)
– содержание Na2O в процентах в материале в любой зоне доменной печи
в результате процессов возгонки и конденсации. Выражение в скобках
описывает закономерность изменения температур плавления железоруд-
ных материалов от степени насыщения оксидом натрия.
Температура плавления агломератов.
[ ]2
22)()( )(000976,0)(043425,01
2
OKOKТТ опаOKпа ⋅+⋅−⋅= (24)
Температура плавления окатышей.
[ ]2
22)()( )(0006252,0)(037931,01
2
OKOKТТ опоOKпо ⋅+⋅−⋅= (25)
Как и в случае Na2O, выражение в скобках в уравнениях (24) – (25) опи-
сывает закономерность изменения температур плавления агломератов и ока-
тышей от степени насыщения их оксидом калия.
63
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
4 8 12 16 20 24 28 32
K2O
Тпа
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
5 9 13 17 21 25 29 33
K2O
Тпо
Рис.6. Зависимость температур плавления пустой породы агломератов
( naT ) и окатышей ( noT ) от содержания K2O. −− – расчетные значения; ♦ –
экспериментальные значения.
Логично предположить, что аналогичным образом описываются законо-
мерности влияния щелочей на температуры начала и конца размягчения желе-
зорудных материалов.
Установленные вышеприведенные закономерности изменения промежу-
точного состояния при переходе железорудных материалов из твердого в
жидкое с учетом влияния щелочных компонентов и полезных отходов произ-
водства базируются на комплексе выполненных теоретических и эксперимен-
тальных исследований широкого диапазона свойств рудного сырья, опреде-
ляющего развитие восстановительно–тепловых процессов в доменной печи,
формирование рационального качества исходных и промежуточных распла-
вов, продуктов плавки, обусловливающих ее экономичность. Достоверность
результатов выполненных вышеприведенных разработок основывается на
комплексе глубоких исследований широкой гаммы составов разнообразных
железорудных материалов на экспериментальных установках ИЧМ, следстви-
ем которых являлось создание физико–химических и технологических моде-
64
лей, наиболее полно характеризующих качество и поведение железорудных
материалов в доменной плавке [5–6,17,18]. Настоящие разработки являются
составной частью кардинальных разработок по прогнозированию и управле-
нию высокотемпературными превращениями железорудных материалов в
текущих и перспективных условиях плавки. Считаем необходимым подчерк-
нуть, что в таком комплексном подходе характер агрегатных превращений
рудных компонентов шихты наряду с вышеописанными исчерпывающе ха-
рактеризуются следующими показателями:
– температурой потери газопроницаемости нагреваемого, в режиме уве-
личения температуры в печи, предварительно восстановленного слоя железо-
рудного материала (Т45). Разница Δ=Т45–Тнп температур Т45 и начала расплав-
ления материала (Тнп) отвечают протяженности (температурной и временной)
нахождения материала с локальными очагами расплавления, переходящего в
предразмягченное и тестообразное состояние;
– температурой начала образования и фильтрации жидких фаз через кок-
совую насадку ( нфT ). При этом, величина 45ТТнф −=Δ характеризует со-
стояние материала от его полной потери и газопроницаемости при Т45 до на-
чала активного увеличения порозности вследствие последовательного отделе-
ния от слоя фрагментов расплава, отвечающих росту температуры;
– температурой капельного течения расплава ( ктТ ). В пределах темпера-
тур нфкт ТТ − наблюдается разделение (сепарация) расплава на металл и
оксидную фазу, которая также разделяется на более легкоплавкую и текучую,
дренирующую через коксовую насадку при температуре близкой к предель-
ной;
– предельной температурой ( прТ ) эксперимента при которой на коксовой
насадке остается вязкая масса не дренирующая (не проходящая через коксо-
вую насадку) и с ней (в ее составе) поступающую в металлоприемник.
Заключение. Выявленные в рамках настоящей работы зависимости и их
аналитические выражения предлагается использовать для освещения весьма
важных процессов, лимитирующих развитие газодинамики и теплообмена
вследствие неуправляемого изменения порозности коксовой насадки при пе-
реходе железорудных материалов в тестообразное состояние, а также совер-
шенствования технологического режима доменной плавки в текущих услови-
ях нестабильности поставок сырья при высокой колеблемости его состава,
оптимизации режимов плавки при изменяющихся видах комбинированного
дутья и пр.
Рассмотренные показатели с достаточной для практического использова-
ния точностью определяются расчетным путем по разработанным физико–
химическим моделям и являются надежным средством рационального подбо-
ра состава и свойств железорудных материалов, определения особенностей их
превращений в ходе доменного процесса, прогнозирования и реализации ра-
циональной структуры столба материалов печи, установления взаимосоче-
тающихся показателей свойств сырья и параметров плавки, обеспечивающих
оптимальные направления ее развития.
65
1. Методы экспериментального исследования доменного процесса. /
С.В.Базилевич, Б.А.Лазарев и др. //ГНТИ Ч и Ц Мет. –Свердловск. –1960. –
256 с.
2. Barnaba P. Influence of chemical characteristics on Softening and meltingdown
properties of iron Sinter // Ironmaning and Steelmaking. –1986. –V.13. –№14. –
P.169–175.
3. Гладков Н.А., Нестеров А.С. Процессы в слое железорудных материалов
//Изв. АН СССР. Металлы. –1987. –№3. –С.9–11.
4. Гладков Н.А., Тогобицкая Д.Н. Физико–химическое состояние железорудных
материалов в различных зонах доменной печи и их высокотемпературные
свойства // «Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии».
Сб.научн.тр.ИЧМ. –Вып.3. –1999. –С.40–48.
5. Приходько Э.В., Хамхотько А.Ф., Тогобицкая Д.Н. База данных и модели для
прогнозирования плавкости железорудных материалов. // Сталь. – 1998. – №9.
– С.7–9.
6. Теплофизические свойства топлив и шихтовых материалов черной металлур-
гии. / В.М.Бабошин, Е.А.Кричевцов, В.М.Абзалов и др. – М.: Металлургия,
1982. – 152 с.
7. Каплун Л.И. Температура и энтальпия плавления шихтовых железорудных
материалов. // Металлы. –1989. –№4. –С.5–10.
8. Об эффективности использования в доменной плавке различных железоруд-
ных материалов / Г.А.Воловик, Н.А.Гладков, В.Х.Кацман и др. // Сталь. –
1982. –№11. –С.7–10.
9. Кацман В.Х., Емельянов В.А. Улучшение металлургических свойств
железорудных материалов доменной плавки // Металлургическая и горноруд-
ная промышленность. – 1974. – №1. – С.2–4.
10. Кацман В.Х., Емельянов В.А. Изменение температур плавления железорудных
материалов при восстановлении // Металлургия и коксохимия. – Вып. 75. –
Киев: Техніка, 1982. –С.81–84.
11. Определение температуры размягчения восстановленного агломерата. /
Ю.М.Потебня, С.А.Гаврилко, Р.Г.Рихтер и др. // Известия ВУЗов. Черная ме-
таллургия. – 1971. – №12. – С.27–29.
12. Вегман Е.Ф. Краткий справочник доменщика. – М.: Металлургия, 1981. –240
с.
13. Роль химического состава железорудных материалов в формировании их ме-
таллургических свойств / Э.В.Приходько, А.Ф.Хамхотько, Д.Н.Тогобицкая и
др. // Ин–т «Черметинформация». (Обзорн. информ. Сер. Подготовка сырье-
вых материалов к металлургическому переделу и производство чугуна. –Вып.
5. –М. –1987. – С.1–25).
14. Горбенко Ю.Е., Ковалев Д.Н., Резняков А.А. Температура размягчения агломе-
ратов с повышенным содержанием хлоридов натрия. // Сталь. –1983. –№11. –
С.11–13.
15. Фазовые превращения материалов при доменной плавке. / И.Д.Балон,
И.З.Буклан, В.Н.Муравьев и др. – М.: Металлургия, 1984. –152 с.
16. Роль щелочей в формировании свойств доменных шлаков / А.Ф.Хамхотько,
Д.Н.Тогобицкая, П.И.Оторвин и др. // «Фундаментальные и прикладные про-
блемы черной металлургии». Сб.научн.тр.ИЧМ. –Вып.13. – 2006. –С.225–230.
66
17. Цылев Л.М. Восстановление и шлакообразование в доменном процессе. –М.:
Наука, 1970. –158 с.
18. Носовицкий Б.М., Новичкова Н.И. Пути улучшения спекаемости аглошихт и
качества агломерата южных аглофабрик. // Металлургия и коксохимия. –
Вып.13. – Техніка. – 1968. – С.21–30.
Статья рекомендована к печати:
Ответственный редактор
раздела «Доменное производство»:
академик НАН Украины В.И.Большаков
докт.техн.наук, проф. Э.В.Приходько
Д.М.Тогобицька, О.Ф.Хамхотько, М.А.Гладков, Н.Є.Ходотова
Розробка моделей для прогнозування агрегатних перетворень залізоруд-
них матеріалів у доменній печі
Метою дослідження є розробка комплексного підходу для всебічної оцінки
якості підготовленої залізорудної сировини та аналіз запропонованого варіанту
прогнозних моделей температур розм'якшення і плавлення агломератів, обкотишів
і руди. З використанням даних, одержаних за стандартною методикою, виконано
аналітичне узагальнення інформації щодо фазових перетворень залізорудних ма-
теріалів в початковому стані та у відновлювальних умовах доменної плавки. За-
пропоновані фізико-хімічні моделі можуть бути використані для прогнозування
температур розм'якшення і плавлення шихтових матеріалів.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-62814 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0070 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:55:52Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Тогобицкая, Д.Н. Хамхотько, А.Ф. Гладков, Н.А. Ходотова, Н.Е. 2014-05-26T13:38:42Z 2014-05-26T13:38:42Z 2009 Разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи / Д.Н. Тогобицкая, А.Ф. Хамхотько, Н.А. Гладков, Н.Е. Ходотова // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2009. — Вип. 19. — С. 49-66. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. XXXX-0070 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62814 669.02/09:669.162.2.681.3.001.18 Целью настоящего исследования является разработка комплексного подхода для всесторонней оценки качества подготовленного железорудного сырья и анализ предложенного варианта разработки прогнозных моделей температур размягчения и плавления агломератов, окатышей и руд. С использованием данных, полученных по стандартной методике, выполнено аналитическое обобщение информации о фазовых превращениях железорудных материалов в исходном состоянии и восстановительных условиях доменной плавки. Предложенные физико–химические модели могут быть использованы для прогнозирования температур размягчения и плавления шихтовых материалов. Метою дослідження є розробка комплексного підходу для всебічної оцінки якості підготовленої залізорудної сировини та аналіз запропонованого варіанту прогнозних моделей температур розм'якшення і плавлення агломератів, обкотишів і руди. З використанням даних, одержаних за стандартною методикою, виконано аналітичне узагальнення інформації щодо фазових перетворень залізорудних матеріалів в початковому стані та у відновлювальних умовах доменної плавки. Запропоновані фізико-хімічні моделі можуть бути використані для прогнозування температур розм'якшення і плавлення шихтових матеріалів. Статья рекомендована к печати: Ответственный редактор раздела «Доменное производство»: академик НАН Украины В.И. Большаков докт.техн.наук, проф. Э.В.Приходько ru Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии Производство чугуна Разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи Розробка моделей для прогнозування агрегатних перетворень залізорудних матеріалів у доменній печі Developing of models for forecasting of modular transformations iron ore materials in a blast furnace Article published earlier |
| spellingShingle | Разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи Тогобицкая, Д.Н. Хамхотько, А.Ф. Гладков, Н.А. Ходотова, Н.Е. Производство чугуна |
| title | Разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи |
| title_alt | Розробка моделей для прогнозування агрегатних перетворень залізорудних матеріалів у доменній печі Developing of models for forecasting of modular transformations iron ore materials in a blast furnace |
| title_full | Разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи |
| title_fullStr | Разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи |
| title_full_unstemmed | Разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи |
| title_short | Разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи |
| title_sort | разработка моделей для прогнозирования агрегатных превращений железорудных материалов в доменной печи |
| topic | Производство чугуна |
| topic_facet | Производство чугуна |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62814 |
| work_keys_str_mv | AT togobickaâdn razrabotkamodeleidlâprognozirovaniâagregatnyhprevraŝeniiželezorudnyhmaterialovvdomennoipeči AT hamhotʹkoaf razrabotkamodeleidlâprognozirovaniâagregatnyhprevraŝeniiželezorudnyhmaterialovvdomennoipeči AT gladkovna razrabotkamodeleidlâprognozirovaniâagregatnyhprevraŝeniiželezorudnyhmaterialovvdomennoipeči AT hodotovane razrabotkamodeleidlâprognozirovaniâagregatnyhprevraŝeniiželezorudnyhmaterialovvdomennoipeči AT togobickaâdn rozrobkamodeleidlâprognozuvannâagregatnihperetvorenʹzalízorudnihmateríalívudomenníipečí AT hamhotʹkoaf rozrobkamodeleidlâprognozuvannâagregatnihperetvorenʹzalízorudnihmateríalívudomenníipečí AT gladkovna rozrobkamodeleidlâprognozuvannâagregatnihperetvorenʹzalízorudnihmateríalívudomenníipečí AT hodotovane rozrobkamodeleidlâprognozuvannâagregatnihperetvorenʹzalízorudnihmateríalívudomenníipečí AT togobickaâdn developingofmodelsforforecastingofmodulartransformationsironorematerialsinablastfurnace AT hamhotʹkoaf developingofmodelsforforecastingofmodulartransformationsironorematerialsinablastfurnace AT gladkovna developingofmodelsforforecastingofmodulartransformationsironorematerialsinablastfurnace AT hodotovane developingofmodelsforforecastingofmodulartransformationsironorematerialsinablastfurnace |