Интенсификация процесса доменной плавки. Основные показатели доменного процесса. Ресурсо- и энергосбережение.

       Под интенсификацией доменного процесса обычно понимают мероприятия по увеличению скорости его протекания (форсированию хода домениой плавки), т.е. ведущие к повышению производительности печи, а также мероприятия по снижению расхода кокса.

       Нагрев дутья. Внедрение нагрева дутья было важным этапом в развитии доменного производства, обеспечившим существенное снижение расхода топлива и повышение производительности печей. В настоящее время нагрев дутья на многих печах доведен до 1100—1300 ^оС и решается задача дальнейшего подъема температуры дутья до 1350—1400 °С.

       Анализ работы доменных печей при разном нагреве дутья показывает, что его нагрев всегда приводит к снижению расхода кокса. Однако экономия расхода кокса, как показывает Рис. 2.24, не пропорциональна повышению температуры дутья.

Рис. 2.24. Изменение расхода кокса при различной температуре дутья

Например, при темлературе дутья 400 ^оС повышение его нагрева на 100 °С дает снижение расхода кокса на 11—16 %, а при температуре дутья 800 ^оС — на 3,5—6,0 %. Однако даже при высоком нагреве дутья (1200—1300 °С) эффективность от нагрева сохраняется значимой и обеспечивает сокращение расхода кокса на 1,5—2,5% на каждые 100 °С повышения температуры.

       Особенно важным является увеличение нагрева дутья при вдувании в горн печи углеводородов (природного газа и мазута), вызывающих понижение температур в горне.

       Увлажнение дутья. Дутьё (воздух) всегда содержит некоторое количество влаги, причем естественная влажность воздуха в разные периоды времени колеблется в широких пределах от З до 40 г на 1 м³ воздуха (8 г/м³ соответствует 1 % по объему). Попадающая в горн влага разлагается углеродом, при этом в горновом газе возрастает содержание СО и активного восстановителя Н₂, но в связи с затратами тепла на разложение влаги снижается температура горна. Чтобы сохранить прежний температурный режим, надо повысить нагрев дутья на 5—6 ^оС на каждый грамм влаги в 1м³ дутья.

       Колебания влажности дутья вызывают колебания в темпаратурном режиме горна и в ходе восстановления, что нередко приводит к расстройствам хода печи. Для устранения колебаний естественной влажности ранее за рубежом в небольшом масштабе применяли осушение дутья до содержания влаги 3—3,5 г/м³, а в нашей стране многие годы применяли увлажнение дутья до 25—30 г/м³ (3—4 % к объему дутья). При таком кондиционировании дутья по влаге достигается более ровный ход печи, вследствие чего, а также в результате интенсификации косвенного восстановления оксидов железа водородом обеспечивается повышение производительности печи (на 5—10 %) и снижение расхода кокса (на 2—5 %).

       По мере перехода к работе печей с вдуванием природного газа, обогащающего атмосферу печи водородом, столь значительное увлажнение дутья утратило свое значение. В настоящее время считают полезным поддерживать содержание влаги на постоянном уровне порялка 10—20 г/м³ за счет добавок к дутью водяного пара.

       Повышенное давление газа. До 1950 г. отечественные доменные печи работали без повышенного давления газов, т.е. с давлением газа на колошнике незначительно (на 0,006—0,012 МПа) превышавшем атмосферное давление. Это небольшое превышение давления обеспечивало самопроизвольный выход газов из печи. В настоящее время практически все печи работают с избыточным (сверх атмосферного) давлением на колошнике, равным 0,1—0,23 МПа или с абсолютным давлением 0,2—0,33 МПа.

       Доменные печи обычно работают с расходом дутья, близким к предельно допустимому. При его превышении вследствие роста скорости движения газов в печи и их трения о куски шихты последние переходят во взвешенное состояние, нарушая ровный сход шихты. Если увеличить давление в печи, то объем газа уменьшится. Поэтому снижается скорость движения газов в печи и, соответственно, уменьшаются силы трения их о шихту, а следовательно и величина потери давления на трение. Иначе говоря, режим движения газов отдаляется от критического. Это позволяет увеличить расход дутья без нарушения ровного схода шихты. При увеличении расхода дутья в единицу времени сгорает больше кокса и проплавляется больше шихты, т.е. повышается производительность печи.

       Таким образом, повышение давления газа в печи позволяет форсировать доменный процесс. Кроме того, вследствие увеличения времени пребывания газа в печи и улучшения его распределения сокращается расход кокса, а уменьшение скорости газа на колошнике приводит к снижению выноса пыли. Это позволяет увеличить производительность печей на 5—15 %, снизить расход кокса на 3—5 % и сократить вынос пыли на 20—50 %.

       Обогащение дутья кислородом. В настоящее время при выллавке передельного чугуна применяют обогащённое дутьё с содержанием кислорода не более 24—26 %, а в сочетании с вдуванием углеводородов — до 30—35 %. Такое ограничение содержания кислорода в обогащенном дутье объясняется тем, что его применение сопровождается как положительными, так и отрицательными последствиями для доменного процесса.

       При увеличении содержания кислорода в дутье наблюдаются следующие изменения в доменном процессе:

       1. В связи со снижением доли азота в обогащенном дутье, уменьшается объем дутья на единицу сжигаемого у фурм углерода кокса и, соответственно, объем образующихся при этом горновьхх газов.

       2. Значительно возрастает температура в горне (в связи с уменьшением объема продуктов горения, на нагрев которых расходуется тепло сгорания топлива).

       3. В горновых газах вследствие уменьшения доли азота заметно повышается концентрация газа восстановителя СО.

       4. Благодаря уменьшению количества горновых газов уменьшается перепад давления между горном и колошником.

       5. Происходит перераспределение температур по высоте печи — охлаждение ее верха при росте температур в горне.

       Основным преимуществом обогаiценвого дутья является то, что благодаря уменьшению объема горновых газов и перепада давления между горном и колошником можно увеличить расход дутья в единицу времени, т.е. сжигать в единицу времени больше кокса и, соответственно, повысить производительность печи. При содержании кислорода в дутье от 21 до 24—25 % каждый дополнительный 1 % 0₂ может дать повышение производительности на 2—3 %. Кроме того, повышение концентрации СО в газах увеличивает степень косвенного восстановления оксидов железа, слособствуя снижению расхода кокса.

       Вместе с тем, чем выше степень обогащения дутья, тем сильнее проявляются отрицательные последствия его применения, связанные прежде всего с перераспределением температур по высоте печи. При повышении температуры в горне там восстанавливается больше кремния и марганц, также сильнее нагреваются материалы, т.е. избыточное тепло в значительной степени расходуется в самом горне. Благодаря этому, а также из-за уменьшения объема горновых газов они уносят в верх печи меньше физического тепла. Таким образом, возникает перераспределение температур в печи — охлаждение верха при повышенной температуре горна. В результате шихта поступает в нижние горизонты печи менее нагретой, ниже располагается зона размягчения шихты и шлакообразования, и в сужающиеся заплечики приходят твердые и слаборазмягченные массы, что может привести к заклиниванию материалов и их подвисанию. По этим причинам уже при содержании кислорода в дутье 23—25 %, как правило, начинаются нарушения ровного схода шихты.

Указанные недостатки обогащения лутья кислородом можно значительно уменьшить, если в печь дополнительно вдувать газообразыые или жидкие углеводороды.

       Вдувание в горн углородсодержащих веществ. С делью снижения расхода дорогого и дефидитного кокса в последние годы на всех печах в горн вдувают газообразные или жидкие углеводороды и иногда измельчённый уголь. Их подают через фурмы в зоны горения кокса. Наиболее широко применяется природный газ.

       Вдувание природного газа. При попадании в горн природного газа, основу которого составляет метан СН₄ происходит неполное сгорание метана с образованием СО и Н₂:

СН₄ + 0,50₂ = СО + 2Н₂ + 37250 Дж.

При этом, помимо экономии кокса как топлива (замены части кокса природным газом), обеспечивается значительное повышение степени косвенного восстановления за счет участия в нем образующегося водорода, содержание которого в горновом газе возрастает до 8—15 % и более. Это увеличение доли косвенного восстановления и снижение тем самым доли прямого также ведет к снижению расхода кокса.

       Вместе с тем, вдувание природного газа отрицательно влияет на тепловые и газодинамические условия работы печи, дело в том, что при попадании природного газа в горн и его неполном сгорании увеличивается объем горновых газов (продуктов сгорания) и снижается температура в горне. Для поддержания прежнего нормального теплового состояния горна при вдувании природного газа увеличивают, если это возможно, температуру дутья с учетом, что добавка 1 м³ газа на 1 т чугуна требует повышения температуры дутья на 4 °С; уменьшают также влажность дутья, что ведет к росту температуры в горне. Увеличение объема горновых газов вызывает рост скорости движения газов в печи и соответствевно величины перепада давления между горном и колошником. Поэтому после повышения расхода природного газа до определенного уровня начинаются нарушения ровного схода шихты. Таким образом, нарушение газодинамических условий в печи и снижение температуры горна ограничивают количество вдуваемого природного газа. Лучшим способом преодоления отркдательных последствий применения природного газа является добавка к дутью кислорода.

       При расходе природного газа в количестве 60—90 м³/т чугуна (3,5—4 % от объема дутья) экономия кокса составляет 8—14 % и более. Коэффициент замены кокса природным газом, т.е. отношение количества выведенного из шихты кокса (кг/т чугуна) к количеству использованного природного газа (м³/т чугуна) составляет 0,7—1,0 кг/м³.

       Вдувание мазута. Мазут, состоящий из сложных углеводородов, оказывает аналогичное природному газу воздействие на доменную плавку. Отличие заключается в том, что теплота сгорания мазута (6100—6400 кДж/кг) выше, чем у природного газа, и поэтому снижение температуры в горне менее значительно; кроме того, мазут вносит меньше водорода и в меньшей степени усиливает косвенное восстановление и снижает прямое. Мазут вдувают в распыленном виде; 1 кг мазута экономит 0,9—1,3 кг кокса; расход мазута достигает 100—150 кг/т чугуна.

       Вдувание измельчённого угля. Основные составляющие углей: горючая органическая масса, содержащая 75—97 % С; влага 4—14 %; зола 8—45 % (чаще 8—12 %); сера 0,5—4 %. Основной эффект от применения измельченного угля заключается в непосредственной замене углерода кокса углеродом каменного угля. Уголь не содержит водорода и поэтому в отличие от углеводородов он не влияет на ход восстановительных процессов.

       Теплота сгорания у фурм различных сортов угля составляет 5300—7500 кДж/кг, т.е. ниже, чем у кокса. По этой причине, а также в связи с разложением влаги, содержащейся в угле, температура в горне при применении угля снижается, и это ограничивает расход угля. Для компенсации снижения температуры в горне при вдувании пылевидного угля повышают температуру дутья, содержание в нем кислорода и понижают влажность дутья. Применяемые угли должны быть малосернистыми, поскольку сера угля переходит в чугун; угли должны также содержать мало золы, которая увеличивает количество шлака, кроме того, измельченный уголь подвергают предварительной сушке.

       На зарубежных заводах расход угля зачастую достигает 200 кг/т чугуна, расход кокса при этом составляет около 300 кг/т чугуна; 1 кг угольной пыли экономит до 0,8 кг кокса.

       Комбинированное дутьё. Из изложенного выше следует, что такие способы интенсификации доменной плавки как обогащение дутья кислородом или вдувание природного газа имеют существенные недостатки. В связи с этим возникла идея применения комбинированного дутья. Под комбинированным дутьем понимают дутье, включающее добавки окислителей (кислорода) и восстановителей (газообразные и жидкие углеводороды). Чаще этот термин используют для обозначения дутья из атмосферного воздуха, кислорода и природного газа (реже мазута). Совместное применение этих добавок к дутью оказалось эффективным в связи с тем, что обогащение дутья кислородом и вдувание природного газа или мазута действуют в различных направлениях на основные параметры доменной плавки. Наглядно это различие показано ниже при сопоставлении влияния добавок на ряд важных показателей температурного и газодинамического режимов плавки:

Из этого сопоставления следует, что совместное применение кислорода и углеводородов взаимно компенсирует отрицательные последствия их добавок к дутью по отдельности. При этом можно подобрать такое соотношение добавок к дутью кислорода и природного газа, при котором количество газов в печи (на единицу сгорающего углерода), а, следовательно, и газодинамические условия плавки изменяться не будут; при этом не изменятся и температурный режим горна и печи.

       Вместе с тем, комбинированное дутье обеспечивает существенное улучшение многих показателей доменного процесса. Основной положительный эффект от вдувания природного газа заключается в значительном сокращении расхода кокса, а от обогащения дутья кислородом — в увеличении производительности печи. В настоящее время доменные печи работают с расходом природного газа до 130—160 м³/т чугуна при обогащении дутья кислородом до 30—35 %. При этом экономия кокса достигает 20—25 %, а повышение производительности печи 15— 25% и более.

       Материальный баланс доменной плавки составляют, используя итоги расчета шихты и расчетов количества колошникового газа и дутья. Сопоставление приходных и расходных статей баланса позволяет проверить правильность расчета шихты, расхода дутья и т.д. Расчет шихты делают с тем, чтобы определить расход отдельных материалов для выплавки единицы чугуна заданного состава и получения шлака требуемых состава и свойств. Расчет шихты, количества дутья и его состава и количества колошникового газа выполняют на основании данных о составе шихтовых материалов, дутья, углеводородных заменителей кокса и известных закономерностей процессов, протекающих в доменной печи. В качестве примера ниже представлен материальный баланс доменной плавки:

       Используя полученные данные материального баланса и тепловые эффекты химических реакций, а также данные об энтальпиях чугуна и шлака, потерях тепла во внешнее пространство, можно подсчитать тепловой баланс доменной плавки. В качестве примера в Таблице 2.2 приведены основные статьи теплового баланса доменной плавки на 1 кг передельного чугуна.

       Для оценки тепловой работы доменной печи можно принимать, что расход тепла на выплавку 1 кг передельного чугуна составляет 12300 кДж, а для хорошо работающих печей — даже 11200—11500 кДж.

       По данным теплового баланса вычисляют такую важную характеристику печи, как коэффициент полезного действия тепла (К). Для его определения от суммы баланса, принятой за 100 %, вычитают потери тепла с доменным газом, пылью, с охлаждающей водой и потери во внешнее пространство. Обычно значение К при выплавке передедьного чугуна составляет 78—87 %. Более высокое значение К свидетельствует о лучшем использовании тепла в печи.

       Расход кокса. Кокс является наиболее дорогим и дефицитным шихтовым материалом доменной плавки, и удельный расход кокса служит характеристикой экономичности работы печи. Величинарасхода кокса влияет на производительность печи и показывает использование химической и тепловой энергий топлива в рабочем пространстве печи. В удельном расходе кокса отражается уровень техники, степень подготовки сырья к плавке и мастерство ведения доменного процесса. За послевоенные годы средний удельный расход кокса на 1 т передельного чугуна снизился с 931 до 540 кг. На лучших доменных печах он достигает 350—400 кг/т, а на различных заводах в зависимости от условий пдавки он изменяется в пределах 350—600 кг/т чугуна.

       Ниже приведены данные о влиянии различных факторов на расход кокса:

       Основные технические показатели. Основными показателями, характеризующими работу доменной печи, являются: производительность в единицу времени и расход кокса на тонну выплавляемого чугуна.

       Для оценки производительности доменных печей различного объема применяют показатель: коэффициент использования полезного объема (к.и.п.о.), представляющий собой отношение полезного объема печи V, к ее среднесуточной производительности Р, т/сут: к.и.п.о. = V/Р. Единицей измерения к.и.п.о. является м³• сут/т. Чем ниже к.и.п.о., тем более производительно работает доменная печь. За последние сорок лет коэффициент использования полезного объема улучшился почти вдвое, с 1,15 до 0,55, а на передовых заводах он достигает 0,4 и ниже.

       Производительность доменной печи данного объема зависит от интенсивности плавки и удельного расхода кокса. Интенсивность плавки I может характеризоваться различными показателями:

       - отношением суточного расхода кокса к объему доменной печи;

       - отношением суточного расхода углерода топлива к объему печи;

       - количеством кокса, сожженного за 1 ч на 1 м² площади горна;

       - отношением количества дутья за единицу времени к объему печи.

Наиболее распространенным в отечественной практике показателем интенсивности плавки является отношение количества углерода топлива, израсходованного за сутки, к полезному объему печи, т/(м³ сут). Интенсивность доменной плавки, вычисленная таким способом, достигает значений 0,95—1,25 т углерода в сутки на 1 м³ объема печи.

       Количество сожженного топлива в тоннах на 1 м² площади горна составляет обычно 20—25 т/(м² сут).

       Расход железосодержащих материалов определяется содержанием железа в них, выносом их в виде колошниковой пыли и потерей металла со шлаком, а также содержанием железа в чугуне. Отношение количества железа, вносимого в печь с шихтоными материалами, к содержанию железа в чугуне называют коэффициентом использования железа и его определяют на основе баланса железа. В настоящее время расход железосодержашей части шихты на 1 т чугуна составляет 1,5 - 1,9, а коэффициент использования железа 0,96—0,98.

       Удельный расход кокса составляет 350— 600 кг/т.

       Количество подаваемого дутья находится в пределах 1,6—2,3 м³ в минуту на 1 м³ объема печи. Выход шлака составляет 300—600 кг/т, выход колошникового газа равен 120—200 м³ на 1 м³ объема печи в час (1400— 2000 м³/т).