Лаборатория теплотехники подготовки металлургического сырья

БУТКАРЕВ Алексей Анатольевич
заведующий лабораторией
кандидат технических наук

Основное направление работ – оптимизация теплотехнических схем (включая АСУ ТП) для новых и реконструируемых действующих агрегатов (обжиговые конвейерные машины, комбинированные установки и т.д.) для производства окисленных железорудных окатышей.

Данное направление реализуется через последовательное решение следующих задач:

Под руководством Буткарева А.П. во «ВНИИМТ» выполнены и внедрены работы по созданию верхнего уровня АСУ ТП производства окатышей на основе методов математического моделирования с применением отечественных технических средств на Лебединском (1982 г.), Костомукшском (1986 г.) горно-обогатительных комбинатах, а также в проектах систем автоматизации обжиговых машин ОК-324 Центрального (1990 г.), ОК-560 Криворожского (КГОКОР, 1992 г.) и ОК-306С Северного (1991 г.) горно-обогатительных комбинатов и агломашины АКМ-312 для Китая (1993 г.). Работы выполнены в содружестве с известными фирмами по автоматизации (Киевский институт автоматики, институт кибернетики АН УССР (г.Киев), ВНИПИ САУ (г. Москва), УГППКИ «Металлургавтоматика» (г. Кривой Рог), НИИАЧермет (г. Днепропетровск), Проектавтоматика (г. Иркутск) и др.).

С творческим участием ст. науч. сотр., канд. техн. наук Некрасовой Е.В. (ОАО «ВНИИМТ»); сотрудников Лебединского ГОКа; вед. научн. сотр., канд. техн. наук Буткарева А.А. (НПВП «ТОРЭКС») были сформулированы практические требования к базовому уровню автоматизации и осуществлены постановки задач регулирования контролируемых параметров процесса термообработки окатышей, необходимые для практической реализации задач оптимального управления. С помощью специалистов фирмы «Сименс» эти требования были реализованы в составе АСУ ТП. В результате этого удалось создать на обжиговой конвейерной машине ОК-306 Лебединского ГОКа современную, высокоэффективную АСУ технологическим процессом производства окатышей с верхним имитационно-оптимизирующим уровнем реального времени, в которой осуществлены автоматическое формирование, задание и реализация управляющих воздействий. При этом, только за счет задач оптимального управления, достигнуты следующие показатели (1999 г).:

Лаборатория массообмена и металлизации

Основные направления работ:

Лаборатория теплотехники комплексных материалов

Основные направления работ:

Лаборатория грануляции металлургических расплавов

Основные направления работ:

• разработка технологий и оборудования для переработки металлургических шлаков и других расплавов, в т.ч. металлов, методом диспергирования в виде расплава (гранулирования);
• пневмогидротранспорт гранулированных материалов с использованием эрлифтов;
• обезвоживание и сушка гранулированных материалов, в т.ч. и с помощью центрифуг;
• разработка и изготовление водоохлаждаемых медных холодильников (кессонов) для металлургических печей.

• Разработка, проектирование, изготовление нестандартизированного оборудования (эрлифты, карусельные обезвоживатели и др.) и освоение установки припечной грануляции шлаков обеднительных печей Надеждинского металлургического завода ОАО ГМК «Норильский никель» (2005г.). Установка является аналогом ранее внедренных установок припечной грануляции доменных шлаков у крупнейших доменных печей: №9 «Криворожстали» (1974г.), №6 Новолипецкого комбината (1978г.), №5 (Череповецкого меткомбината (1982г.) и в ряде других зарубежных объектах. В состав установки входит гранбассейн с вытяжной трубой, эрлифтная камера с шлаковым эрлифтом, камера осветленной воды с водяным эрлифтом либо перекачивающим насосом, обезвоживатель карусельного типа и транспортеры.

  Технические характеристики:

  Годовая производительность по шлаку более 1 млн.т.

  Интенсивность приема жидкого шлака:

  номинальная - 3-5 т/мин.

  максимальная - 10-15 т/мин (кратковременно)

  Влажность обезвоженного граншлака - менее 10%

  Расход оборотной воды - 3 т на 1 т. жидкого шлака

  Давление грануляционной воды - 0,2-0,3 МПа

  Расход воздуха на эрлифт - 3-5 тыс.м3/час

  Давление воздуха на эрлифт - 120-140 кПа

• В лаборатории разработаны малогабаритная установка грануляции шлака барабанного типа с механическим гранулятором на интенсивность приема жидкого шлака до 2-3 т/мин для доменных печей объемом до 2000 м³, установка для получения шлакопемзового гравия из доменных шлаков, несколько типов установок для использования тепла шлака с получением мелкого шлакового щебня.
• Лаборатория владеет методами интенсификации охлаждения металлургических агрегатов, в том числе разработано несколько типов дутьевых фурм доменных печей с интенсивным охлаждением и кислородных фурм.
• В лаборатории разработаны несколько типов центрифуг непрерывного действия для обезвоживания мелкодисперсных металлургических концентратов (менее 45мкм), позволяющих получать продукт с влажностью не более 12%.
• Разработано и освоено глубокое сверление (более 6м) отверстий диаметром 30мм и более в медных элементах охлаждения (кессонах) печных агрегатов цветной металлургии.
• Поставка холодильников (кессонов) для Надеждинского металлургического завода ОАО ГМК «Норильский никель» осуществляется с 1993г.

Лаборатория теплотехники и систем отопления нагревательных печей

Основные направления работ:
• разработка и совершенствование конструкций и тепловых режимов печей при нагреве различных марок стали;
• разработка новых способов и систем отопления нагревательных печей;
• разработка и испытания горелочных устройств для нагревательных печей.

За последние годы под руководством лаборатории и непосредственном участии:
• разработана, спроектирована и пущена в эксплуатацию на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении (2001г.) первая в России нагревательная печь с регенеративной системой отопления, снабженная индивидуальными компактными насадками, заполненными корундовыми шарами. Экономия природного газа за счет высокой температуры подогрева воздуха (1050°С) продуктами сгорания составляет до 50-60% по сравнению с работой печи на холодном воздухе и 25-35% в сравнении с печами, которые снабжены металлическим рекуператором;
• разработана теплотехническая часть нормативной базы АСУ процессом нагрева стальных труб в роликовой печи, расположенной в линии пилигримового стана № 1 ТПЦ-1 ЧПТЗ, для последующей их нормализации. Промышленное опробование АСУ показало значительное улучшение механических свойств металла на всем существующем сортаменте труб;
• выполнено рабочее проектирование новой системы отопления плавильно-литейного агрегата № 13 цеха № 36 Каменск-Уральского металлургического агрегата (КУМЗ), проведены пуско-наладочные работы и балансовые испытания;
• проведены режимно-наладочные работы на камерных печах с выдвижным подом (ОАО «Химмаш», ОАО «Уралмаш»), что позволило аттестовать их в соответствии с правилами и требованиями Госатомнадзора РФ и международного стандарта АРI для нефтяного оборудования;
• по техническим заданиям лаборатории выполнены проекты реконструкции нагревательных печей станов «500», «280-2» и «300» Омутнинского металлургического завода, роликовой термической печи и камерной печи Новокузнецкого металлургического комбината и т.д.;
• проводятся работы по созданию пакетов расчетных программ (матобеспечения) для АСУ тепловыми режимами работы нагревательных печей.

Лаборатория защитных сред при нагреве и термообработке

Основные направления работ:
• создание газоприготовительных установок (от разработки технического задания на проектирование до сдачи «под ключ»);
• реконструкция, разработки и внедрение термического оборудования;
• пуско-наладка термического оборудования;
• создание автоматизированных систем контроля и управления тепловыми и массообменными процессами в металлургии, машиностроении и теплоэнергетике;
• разработка и внедрение технологий термической и химико-термической обработки металлов в контролируемых атмосферах.

Основные разработки лаборатории:

Газоприготовительные установки. Имеются разработки и опыт создания широкого спектра газогенераторов:

установки получения водорода из природного газа методом кислородной и паровой конверсии. Создана совместно с ЗАО «НПП Машпром» установка получения водорода из природного газа производительностью 250 м³ч;

установки получения азото-водородного газа из природного газа с конверсией оксида углерода и блоком адсорбционной очистки. Создана и пущена в эксплуатацию установка производительностью 30 м³ч;

генераторы эндотермического газа, экзогенераторы. Разработан и внедрен экзогенератор производительностью до 40 м³ч;

установка получения синтез-газа из попутного нефтяного газа;

газогенераторы синтез-газа для твердоэлектролитных топливных элементов.

• Автоматизированные системы управления.
  Создание автоматизированных систем управления от разработки технического задания до сдачи «под ключ» и авторского сопровождения
  Созданы и внедрены системы управления температурой и составом защитного газа в различных технологических процессах и агрегатах, включающие полный спектр функциональных возможностей современного уровня. Имеются теоретические и программные наработки контроля и управления кислородным, азотным и углеродным потенциалами различных атмосфер.
  Имеется широкий набор современных технических средств контроля и техническая поддержка газовой хроматографии при пуско-наладке.
• Технологии термической и химико-термической обработки.
• Безокислительный нагрев металла при его термообработке.
  Имеется опыт в разработке и внедрении технологии безокислительного нагрева:
  • коррозионно-стойких (нержавеющих) сталей в атмосфере водорода;
  • конструкционных сталей и проката в атмосфере NН-газа;
  • меди и латуни в продуктах неполного горения природного газа.
• Необезуглероживающая термообработка сталей.
      Разработаны и внедрены режимы для необезуглероживающего отжига в проходных и садочных агрегатах средне и высокоуглеродистых сталей с атмосферами эндогаза, а также азото-водородного газа с добавками эндогаза, природного газа и пропан-бутана.
• Цементация (науглероживание) и высокотемпературная нитроцементация деталей машин.
       Имеются математические модели и программное обеспечение для моделирования процессов высокотемпературной цементации и нитроцементации деталей. На этой основе разрабатываются режимы насыщения углеродом, обеспечивающие заданное распределение упрочняющего компонента – углерода в деталях. Имеется база данных, совместных с Институтом проблем надежности и долговечности машин (г. Минск, Респ. Беларусь), позволяющая обеспечивать заданные прочностные свойства в деталях при их химико-термической обработке.

Разработки лаборатории внедрены на заводах:
• «Ижсталь»
• Синарский трубный завод
• ОАО «Динур»
• ОАО «УралАЗ»
• БелАЗ,
• АвтоВАЗ
• КАМАЗ
• Минский тракторный завод и др.

Центр новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металла

Основное направление работ: разработка технологий и оборудования для термоупрочнения проката в потоке станов и со специального нагрева для металлургических предприятий и различных изделий машиностроения. Технология термоупрочнения, конструкция, габаритные размеры устройств и параметры охладителя уточняются в каждом конкретном случае с учетом сортамента, требований к уровню механических свойств и производительности линии.

Обеспечивается комплексное выполнение работ по устройствам контролируемого охлаждения, в т.ч.:
• выпуск техноконструкторской документации на механическое оборудование и системы АСУ и КИП;
• изготовление, комплектация и поставка нестандартного механического оборудования, систем АСУ и КИП, выполненных на современной элементной базе;
• разработка автономных экономичных систем водоснабжения охлаждающих устройств;
• проведение шеф-монтажных и пуско-наладочных работ, отработка технологии термоупрочнения.

В работах широко используются методы:
• экспериментального определения режимных и конструктивных параметров устройств, выполняемых на полномасштабном опытнопромышленном стенде ОАО «ВНИИМТ»;
• математического моделирования различных технологических процессов термоупрочнения металла. Разработанные математические модели реализованы в алгоритмах управления АСУ технологическими процессами для ряда устройств контролируемого охлаждения, разработанных центром (УКО стана «5000», устройств термоупрочнения арматуры на стане 350 ОАО «Северсталь», стане 280 ГУП «Литейно-прокатный завод» г. Ярцево и др.)

Ряд разработок по своим технологическим возможностям находится на уровне мировых или не имеет аналогов в отечественной и мировой практике, в частности:
• устройство контролируемого охлаждения (УКО) обеспечивает выполнение в одном агрегате различных технологических операций: закалки, закалки с самоотпуском, термомеханической обработки после прокатки с прерыванием охлаждения при температуре 400-700°С, регулируемого охлаждения между черновой и чистовой прокаткой листов толщиной 10-150 мм, шириной 1000-4850 мм из углеродистых, легированных и нержавеющих марок сталей. УКО оснащено автоматизированной системой управления. Выбор технологии термоупрочнения, режимов работы охлаждающих секций, контроль технологических параметров производит управляющий комплекс на основе математических моделей процесса охлаждения, работающих в реальном масштабе времени;
• устройства термоупрочнения арматуры диаметром от 10 до 40 мм в потоке сорто-прокатных станов, работающие полностью в автоматизированном режиме. После регулируемого охлаждения стабильно обеспечивается повышенный уровень механических свойств с оптимальным сочетанием прочностных, вязкостных и служебных характеристик металла;<
• водовоздушные системы охлаждения для регулируемой закалки изделий машиностроения взамен масляных, селитровых и щелочных ванн, в том числе закалочные устройства за печами с конвейерным и пульсирующим подом с защитной атмосферой.

Разработанные устройства, использующие в качестве охладителя водовоздушную смесь, имеют, по сравнению с традиционной технологией закалки в масле и селитре, следующие преимущества:
• достигается стабильная оптимальная структура изделий различного сортамента и химического состава при минимальных термических напряжениях и отсутствии трещин, что позволяет в 1,5-2,0 раза повысить уровень механических служебных характеристик. Это обеспечивается благодаря регулированию в широком интервале скорости охлаждения в различных температурных диапазонах;
• обеспечивается экологически чистое производство;
• устраняется пожароопасность, взрывоопасность;снижается себестоимость термообработки за счет экономии масла, селитры, затрат на моечные агрегаты.

Устройства регулируемого охлаждения листового проката внедрены на толстолистовых станах 5000 ОАО «Северсталь», 3600 ОАО «Азовсталь», 2300/1700 ОАО «Амурсталь», сортопрокатных станах 350 ОАО «Северсталь», 320 Металлургического завода имени А. К. Серова, на участке термообработки Нижнесалдинского метзавода.

С работами лаборатории можно ознакомиться по ссылке.

Лаборатория сжигания жидкого топлива

Основные направления деятельности лаборатории связаны с проектированием, изготовлением и вводом в эксплуатацию горелочных устройств промышленных печей и топок, а также с исследованием процессов горения на огневых стендах, гидравлических и аэродинамических моделях.

Внедренные разработки:
• газомазутные горелки горнов обжиговых конвейерных машин практически на всех горно-обогатительных комбинатах России, Украины и Казахстана;
• газовые горелки горнов агломашин металлургического завода в г. Руркела (Индия) и завода желтого фосфора в г. Куньминь (КНР);
• газовые горелки вращающихся трубчатых печей заводов: Богословский алюминиевый, Полевской криолитовый, Ревдинский железобетонных изделий, предприятие "Форес", ССГПО (Республика Казахстан), ОАО «Комбинат «Магнезит», Трехгорный керамический завод;
• низкотемпературные автоматизированные горелки и смесительные воздухонагреватели для систем отопления;
• устройства для сжигания жидких органических веществ, потерявших потребительские свойства (Синарский трубный завод - отработанное смазочное и машинное масло; Ашинский пиролизный завод - древесные смолы);
• запально-защитные устройства для топок печей и котлов;
• автоматизированные горелочные устройства для протяжных печей агрегатов цинкования проволоки (г. Ревда, РММЗ; г. Белорецк, БМЗ);
• газомазутные горелки для печей плавления алюминия и медного лома (Пермцветмет, КМЭЗ);
• газовые горелки для печей плавления и распыливания базальта;
• газовые горелки для стендов сушки и разогрева футеровки сталеразливочных ковшей (НСММЗ, Северский трубный завод, ЧМЗ, Серовский металлургический завод);
• скоростные газовые горелки для термических печей.

Партнерами лаборатории являются:
• «Уралмаш Металлургическое оборудование»
• «Уралгипромез»
• ОАО «Бийскэнергомаш»
• ОАО «ВостИО»
• ООО «ЛУАС» (г. Казань)
• «Уральский электромеханический завод»
• ООО «Горизонт»
• ОАО «ПКБ Энергоцветмет».

Лаборатория сжигания газообразного топлива

Основное направление работ: исследование процессов сжигания природного газа применительно к металлургическим технологиям и разработка горелочных устройств, обеспечивающих необходимые характеристики факелов.

Лабораторией разработаны и внедрены:
• горелки и теплогенераторы для агрегатов сушки и обжига различных материалов и изделий, а также для отопления производственных помещений, создания воздушных тепловых завес и т.п.(госплемзавод «Свердловский», Свердловская обл., Курганский завод трубопроводной арматуры, Чусовской металлургический завод, Лисаковский ГОК, Уральский алюминиевый завод);
• горелки для сушки и высокотемпературного нагрева футеровки емкостей (ковшей) для переработки, транспортирования и разливки металлургических расплавов (Западно-Сибирский комбинат, Нижнетагильский металлургический комбинат, Ижсталь, Уралэлектромедь, Орско-Халиловский металлургический комбинат (ОХМК), Курганский завод трубопроводной арматуры);
• топочно-горелочные устройства для получения восстановительных газов и защитных атмосфер воздушной или кислородной конверсией (сжиганием с недостатком окислителя) природного газа (Оскольский электрометаллургический комбинат, Бакальское рудоуправление);
• горелки для комбинированного сжигания природного и ферросплавного газов в паровых и водогрейных котлах (Челябинский электрометаллургический комбинат);
• система отопления гаражей-размораживателей сыпучих грузов (Серовский мет. завод);
• горелки и выносные топки для шахтных печей обжига известняка (Николаевский глиноземельный завод, Узбекский металлургический комбинат).

ВТК «Тягодутьевые устройства специального назначения»

Основное направление работ: разработка, проектирование и изготовление тягодутьевых устройств, работающих при высоких температурах, в агрессивных и запыленных средах, а также проведение расчетно-экспериментальных исследований тепловой работы термических печей, оборудованных устройствами для принудительной циркуляции газовой среды, с целью повышения производительности и качества выпускаемой продукции.
    Тягодутьевые устройства проектируются по техническому заданию Заказчика с их последующей поставкой и проведением комплекса пуско-наладочных работ. При необходимости устройства оснащаются различными специальными системами: воздушного охлаждения отдельных узлов и деталей, защиты от воздействия агрессивных сред и так далее.

Разработки коллектива внедрены на печных агрегатах для нагрева слитков из цветных металлов на
• ОАО "ВСМПО" (г. В.Салда)
• проходной печи обжига электродов на ЗАО "Завод сварочных материалов" (г. Березовский)
• нагревательной печи регенеративного типа конструкции ОАО "ВНИИМТ"
• ОАО "Ижсталь" (г. Ижевск),
• нагревательной регенеративной печи стана «300» Омутнинского метзавода и других предприятиях.