Формирование современной сырьевой угольной базы коксохимического производства ОАО «Северсталь»

ФОРМИРОВАНИЕ  СОВРЕМЕННОЙ СЫРЬЕВОЙ УГОЛЬНОЙ БАЗЫ КОКСОХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА ОАО «СЕВЕРСТАЛЬ»

© Канд. техн. наук Ю.В.Коновалова, В.Н.Трифанов(ОАО «Северсталь»), докт. хим. наук А.М.Гюльмалиев, канд. хим. наук С.Г.Гагарин (ФГУП ИГИ) и докт. техн. наук И.А.Султангузин (НТЦ «ЛАГ инжиниринг») 

Коксохимическое производство — основное направление нетопливного использования каменных углей при технологической их переработке высокотемпературной карбонизацией в металлургический кокс для получения чугуна и стали в доменном процессе. Череповецкий металлургический комбинат (ОАО «Северсталь»), производящий до 15% кокса и 20% стали в России, по праву считают одним из ведущих металлургических предприятий Российской Федерации. Основные этапы становления и развития комбината со времени выдачи 12 февраля 1956 г. первого кокса были рассмотрены ранее при подведении итогов 45-летия производства в 2001 г. [1].

  В переходный период от централизованной плановой экономики к рыночным методам  хозяйствования произошло разрушение сложившейся сырьевой угольной базы комбината, и к началу XXI века она характеризовалась существенной нестабильностью с точки зрения как марочного состава поставляемых углей и концентратов, так и непостоянства показателей их качества. Отрицательный эффект ухудшения марочного состава углей компенсировали повышением уровня «сквозного управления» качеством угольных шихт и кокса и технологией коксохимического и доменного производств [2, 3]. При этом составление угольных шихт для коксования основывалось на данных производственного опыта, показателях технического анализа углей (выход летучих веществ V^daf, влажность W^r_t, зольность A^d , содержание общей серы Sf и фосфора P^rf) и пластометрии (толщина пластического слоя у, усадках).

  С учетом реалий нового этапа возникла необходимость разработки научно-технических основ формирования сырьевой базы коксования с применением компьютеризованного подбора компонентов угольных шихт для получения высококачественного металлургического кокса в условиях нестабильности марочного состава и характе- 

ристик  исходных углей. В соответствии с  этим были сформулированы и решены следующие задачи:

  разработка  компьютерной базы данных по перспективным для коксования углям основных шах-топластов Печорского и Кузнецкого бассейнов;

  обоснование применения комплекса современных методов управления производством кокса и создание общей методологии оценки сырья в условиях реального производства, включающих контроль качества угольного сырья на основе автоматизированного рефлектограммного анализа, компьютерный расчет показателей качества кокса, определение реакционной способности кускового кокса (индекс CRI) и его послереакционной прочности (CSR);

  исследование  коксуемости шихт по данным петрографического состава и стадии метаморфизма углей с применением как традиционных (М_ю, М₂₅, М₄₀), так и современных прочностных характеристик кокса (CRI, CSR);

  выбор оптимальных составов угольных шихт с помощью компьютерного моделирования с сопоставлением данных расчета и результатов производственных коксований; проведение опытных доменных плавок и определение на этой основе структуры сырьевой базы коксохимического производства.

  Для предварительной оценки петрографических характеристик углей (показатель отражения витринита R_o, содержание отощающих компонентов ZOK) на основе компьютерной базы данных по каменным углям основных бассейнов РФ (Печорский, Кузнецкий) были определены количественные взаимосвязи между традиционными (V^dnf, у) и петрографическими показателями (R_n, ЪОК) [4]. С целью прямого определения мацераль-ного состава углей и концентратов и распределения значений показателя отражения витринита в них внедрен и успешно освоен автоматизированный комплекс рефлектограммного анализа оте-

чественной  разработки (фирма «СИАМС», г. Екатеринбург). Это позволило надежно определять марки углей и устанавливать соотношения между показателем отражения витринита R_g, а также вкладом углей различных марок на величину индекса CSR [5, 6].

  Неоднородность  угольного сырья выявляется непосредственно  по рефлектограмме витринита, как это следует из рис. 1 на примере одной из партий концентрата ЦОФ «Березовская». Для этого концентрата среднее значение показателя отражения витринита R_or = 1,134% и при учете остальных классификационных показателей (Vt 46%; ЗЮК 50%; V^d'"2\%;y9 мм) концентрат описывается по ГОСТ 25543—88 маркой КС. Фактически же, как это следует из рефлектограммы, формальная марка обусловливается комбинацией ряда различных углей, что указывает на сложный марочный состав концентрата. При этом значения показателя отражения, соответствующие отдельным участкам рефлектограммы и описывающие витринит разных угольных составляющих концентрата, существенно влияют на величину коэффициентов коксуемости и отощения

[7].

  В условиях значительного числа поставщиков рядовых углей и концентратов ежесуточно возникают задачи надлежащего выбора компонентов угольных шихт для коксования, эффективно решаемые на основе данных рефлектограммно-го и технического анализов и результатов плас-тометрии. К наиболее важным задачам можно отнести: установление фактической марочной принадлежности угольного сырья в сравнении с за- 

явленной  поставщиком; определение соотношения между количеством концентратов и рядовых углей (направляемых на обогащение по технологической схеме комбината); взаимозамена компонентов шихты в зависимости от текущих колебаний поставок и наличия углей на складе; выбор лучшего сырья с позиций повышения качества кокса, а при заданных показателях кокса — для достижения наименьшей стоимости исходного сырья (стоимость угля составляет до 80% в себестоимости кокса).

  При нестабильности марочного состава  угольного сырья особую актуальность приобретает избирательное измельчение, поскольку возникает необходимость оперативного определения степени дробления тех или иных партий углей и концентратов. Характерно, что рефлектограммы витринита для различных классов крупности в многокомпонентных смесях, составленных из углей разных стадий метаморфизма, отличаются друг от друга существенным образом. Эти обстоятельства необходимо учитывать при выборе схем избирательного измельчения, разработку которых следует начинать с анализа рефлектограмм для классов крупности каждого компонента угольной шихты [7].

  Для оценки пригодности различных вариантов шихты для коксования применяют компьютерное моделирование на основе петрографического метода Амосова— Еремина [4, 8, 9]. Для проведения расчетов качества кокса из произвольных угольных шихт алгоритм петрографического метода реализован на языках программирования С⁺⁺ и Quick Basic. Оценка угольных смесей в рамках данного алгоритма проводится по индексу отощения К_т и коэффициенту коксуемости К, значения которых определяют величину остатка кокса в большом колосниковом барабане G и показатели механической прочности кокса в микум-барабанах М,,, М₄₀, М_ю.

  Впервые в промышленном масштабе в условиях нестабильности марочного состава углей было проведено направленное формирование сырьевой базы коксохимического производства с получением кокса, удовлетворяющего требованиям доменного процесса. Производственные опыты проводили на коксовых батареях № 4 и № 5—6. При составлении пробных шихт учитывали возможность значительных колебаний состава концентратов. Так, для ЦОФ «Абашевская» содержание угля марки ГЖ в продукции фабрики могло меняться от 1,4 до 23,9, а угля марки Ж — от 82,6 до 96,1 %. Концентрат ЦОФ «Березовская» наряду с объявленными марками К+КО+КС (при существенно изменчивом их соотношении)

содержит  угли марок КСН и СС и до 6% газового угля. Естественно, что для каждого из компонентов концентратов могли меняться и их свойства в пределах диапазона той или иной марки.

  Анализ  возможного влияния нестабильности состава кузнецких угольных концентратов на механическую прочность кокса выполнен по петрографической модели прогноза показателей прочности кокса М₂₅, М_ю. Результаты моделирования показали, что для исходного варианта традиционной шихты комбината характерна высокая устойчивость результатов к замене поставщиков концентратов сходного марочного состава. При этом несущественно меняются средние значения различных характеристик смесей (выход летучих веществ 28,5—29,1%, толщина пластического слоя ~15 мм, показатель отражения вит-ринита 1,08—1,10%). Индекс отощения шихты и коэффициент коксуемости составляют в среднем соответственно 1,16—1,17 и 5,53—5,56. Достаточно стабильны к замене кузнецких концентратов разных углеобогатительных фабрик и прогнозируемые значения дробимости (М₂_ = 89,8+89,9%) и истираемости кокса (Л/₁₀ = 7,64+7,73%). Все это свидетельствует о повышенной способности используемых на комбинате углей Печорского бассейна, составляющих ядро коксуемых шихт, к «поглощению» определенного количества кузнецких углей широкого и непостоянного марочного состава без драматических последствий.

  Однако  при увеличении доли в шихте для коксования концентратов углей Кузбасса указанное свойство печорских углей начинает постепенно ослабевать. Так, при увеличении доли кузнецких углей в шихтах для каждого набора поставщиков выявляется почти монотонное повышение индекса отощения шихты и снижение — коэффициента ее коксуемости, что, естественно, ведет к ухудшению прочностных характеристик кокса. При полном выводе из состава шихт традиционных углей Печорского бассейна значения M_]Q могут повыситься почти на 1% в абсолютном исчислении.

  Снижение  доли печорских углей в шихте  приводит к усилению колебаний всех показателей (как шихты, так и кокса) относительно средних значений. Основная причина этого заключается, с одной стороны, в изменчивости свойств углей в пределах определенных марок и, с другой стороны, в широкой вариативности марочного состава концентратов, производимых в настоящее время на углеобогатительных фабриках Кузнецкого бассейна. При этом выбор того или иного поставщика может оказаться критическим. Так, при полной замене исходного сырья с использовани- 

ем концентрата  ЦОФ «Кузнецкая» вместо угля ЦОФ «Абашевская» и концентрата ГОФ «Тому-синская» вместо угля ЦОФ «Березовская» среднее значение Л/₁₀ повышается с 8,53 до 8,96%, а максимальное — с 12,09 до 14,25%.

  В этой связи при составлении рабочего плана производства кокса на коксовых батареях № 4 и № 5—6 из кузнецких концентратов особое внимание уделяли их фактическому марочному составу, для чего осуществляли рефлектограммный анализ поступающих на ОАО «Северсталь» концентратов. Опыты были проведены в пять этапов при постепенном увеличении в шихте доли углей Кузбасса. Часть кокса батареи № 4 (70—88%) была потушена на УСТК. Показатели качества полученного кокса в сравнении с данными базисного периода на примере коксовой батареи № 4 приведены в работе [9].

  Как видно из данных этой работы, при  переходе от базисного периода к этапам I—V с постепенным увеличением в шихте доли углей Кузбасса наблюдается постепенное снижение показателей механической прочности кокса: заметно снижается индекс дробимости М₂₅ и повышается — индекс истираемости кокса М_|0. При этом более чувствительны к вводу кузнецких углей показатели качества кокса батарей № 5—6 с мокрым тушением [9]. Показатель К_т реакционной способности кокса по ГОСТ 10089-89 (при 1000 °С) для опытных этапов в среднем несколько ниже в сравнении с базисными данными, что может обусловливаться как составом минеральных компонентов, так и особенностями текстуры кокса. При этом показатель CRI, характеризующий реактивность кускового кокса при более высокой температуре (1100 °С), повышается относительно базиса на этапах I и II, уменьшаясь при дальнейшем увеличении доли кузнецких концентратов с повышенным содержанием углей коксового ряда. Показатель CSR, характеризующий «горячую» прочность кокса, в конце испытаний (этапы IV, V) приобретает наиболее высокие значения. Кокс, получаемый на батарее № 4 и подвергаемый сухому тушению, характеризуется в среднем меньшей реактивностью CRI и более высокой доменной прочностью по CSR. Таким образом, хотя при введении в шихту повышенного содержания углей Кузбасса механическая прочность кокса несколько снижается, его прочность после реакции с СО₂ возрастает, что обусловлено, по-видимому, увеличением доли анизотропных текстур кокса.

  Дополнительно методом ящичных коксований (с использованием перфорированных цилиндров с загрузкой 2 кг угля) в печных камерах коксовых