Методи інтенсифікації доменного процесу

Стосовно доменної плавки поняття інтенсифікації включає не тільки прискорення протікання окремих складових доменного процесу, які викликають підвищення питомої продуктивності доменної печі, але і зменшення витрат відновників і тепла, які визначають питому витрату коксу і інших матеріалів на виробництво чавуну.

В якості основних техніко-економічних показників доменної плавки використовують питому продуктивність і питому витрату коксу, які взаємозв'язані. Питома витрата коксу визначається за залежністю:

К_пит = К/Р,

де К – маса коксу, витраченого на виплавку чавуну за певний проміжок часу, кг(т);

Р – маса виплавленого чавуну за той же проміжок часу, т;

звідси:

Р = К/К_пит.

Очевидно, що збільшення продуктивності може бути досягнуто двома шляхами: збільшенням витрати коксу за певний проміжок часу без зміни його питомої витрати, або зниженням питомої витрати коксу без зміни маси коксу, завантаженого в доменну піч за певний час.

Основними методами інтенсифікації доменної плавки є поліпшення якості залізорудних матеріалів і коксу, підвищення температури дуття і регулювання його вологості, подача в доменні печі додаткових відновників і окислювачів, підвищення тиску газу в пічному просторі, а також оптимізація основних процесів, що протікають у доменній печі.

Вплив якості шихтових матеріалів на техніко-економічні показники доменної плавки характеризується наступними даними таблиці 3.1.

Збільшення вмісту заліза в шихті досягається вдосконаленням технології збагачення залізних руд, застосуванням комбінованих способів збагачення, наприклад, магнітна сепарація і подальша флотація, а також більш тонким подрібненням залізняку перед збагаченням.

Виведення з шихти вапняку досягається виробництвом офлюсованого агломерату і офлюсованих окатишів. Зменшення кількості дрібних фракцій в агломераті досягається вдосконаленням технології спікання агломерату і додатковим відсівом дрібняку перед завантаженням його в доменні печі.

Відновлюваність залізорудної сировини визначається її мінералогічним складом і фізичними властивостями, такими як пористість, гранулометричний склад та ін. Якість усереднювання визначається технологічними прийомами його здійснення і запасами сировини на усереднювальних складах.

Якість коксу залежить від якості кам'яного вугілля, яке використовується для його виробництва, технології збагачення, подрібнення й усереднювання коксової шихти і технології спікання й охолоджування коксу.

Нагрів дуття, вперше здійснений Джеймсом Нельсоном на заводі «Клайд» у Шотландії в 1829 році, з'явився одним із найважливіших удосконалень доменного процесу за всю історію його існування, яке зумовило значне пониження витрати палива при виплавці чавуну й істотне збільшення продуктивності доменних печей. За минулий час температура дуття незмінно зростала і на багатьох західноєвропейських доменних печах температура дуття вже наприкінці ХIХ століття досягла 800 - 900 °С. Особливо швидке і майже повсюдне зростання температури дуття відбувалося в 60 - 80^х роках минулого

Таблиця 3.1 - Вплив якості шихтових матеріалів на техніко-економічні показники доменної плавки

Чинник якості сировини	Зміна про-дуктивності, %	Зміна витрати коксу
%	кг/т чав.
Збільшення вмісту заліза в шихті на 1 %   Виведення з шихти 100 кг вапняку   Зменшення кількості дріб-няку (- 5 мм) в агломераті на 1 %   Зменшення відновлюва-ності сировини на 1 %   Усереднювання рудних матеріалів за вмістом заліза, % від ± 1,5 до ± 1,0 від ± 1,0 до ± 0,5 від ± 0,5 до ± 0,2   Попередня металізація агломерату або окатишів на кожні 10 % металізації в межах зміни від 0 до 40 %   Зниження вмісту золи в коксі на 1 %   Зниження вмісту сірки в коксі на 0,1 %   Збільшення механічної міцності коксу на 1 %	+(1,5-2,5)     +(3,0-5,0)   +(0,4-0,7)     -     +2,5 +2,5 +1,0     +(5-9)     +(0,8-1,5)     +(0,7-1,2)     +(0,2-0,4)	-(0,8-1,2)     -   -(0,4-0,7)     -     -1,5 -1,0 -0,5     -(5-8)     -(1-1,5)     -(0,8-1,5)     -(0,3-0,6)	-     -(20-35)   -     +4     - - -     -     -     -     -

сторіччя, і на окремих печах нагрів дуття досягав 1200 – 1350 °С. Це пов'язано з використанням в якості залізорудної частини доменної шихти офлюсованого агломерату і застосуванням вуглеводнєвмісних добавок до дуття, що дозволило стабілізувати газодинамічний і температурний режими доменної плавки.

Підвищення температури дуття скорочує масу вуглецю, який окислюється у фурм на одиницю маси виплавлюваного чавуну, в зв'язку з цим зменшується питомий вихід горнових газів, що при незмінній теплоспоживності плавки приводить до зменшення температури колошникового газу.

Зменшення витрати вуглецю у фурм і кількості створюваного монооксиду вуглецю на одиницю маси виплавлюваного чавуну, а також пониження температури газів у шахті є чинниками, уповільнюючими процеси непрямого відновлення, отже, підвищення температури дуття збільшує ступінь прямого відновлення заліза.

Внаслідок пониження питомої витрати коксу при підвищенні температури дуття зменшується кількість золи і сірки, що вноситься коксом на одиницю маси, і потреба у флюсі для їхнього ошлаковування, зменшується вихід шлаку.

Підвищення нагріву дуття викликає збільшення витрати теплоти в доменній печі. При підвищенні нагріву дуття температура в горні зростає, що викликає посилене відновлення кремнію і марганцю, яке протікає з поглинанням великою кількості теплоти. Підвищення температури в горні сприяє збільшенню нагріву чавуну і шлаку, що обумовлює підвищення кількості тепла, яке виноситься з печі продуктами плавки.

З підвищенням нагріву дуття і температури в горні збільшується об'єм і тиск горнових газів, що при певних значеннях температур дуття викликає порушення плавного опускання шихти, погіршення газорозподілу по перетину печі, як слідство, зниження ступеня використання енергії пічних газів. Тому ефективність нагріву дуття знижується при збільшенні його температури.

Дані про вплив нагріву дуття на питому витрату коксу в доменних печах декількох металургійних підприємств показали, що при підвищенні температури дуття на 100 °С в інтервалі 500 - 800 °С витрата коксу в середньому знижується на 4,8 %, в інтервалі температур 800 – 1000 °С – на 3,3 %, а в інтервалі 1000 – 1200 °С – на 2,8 %.

Удосконалення доменного виробництва створює умови для подальшого підвищення температури дуття із збереженням ефективності цього способу інтенсифікації доменної плавки. Найважливішими факторами, забезпечуючими подальше підвищення температури дуття, з'явилися зволоження дуття, заміна в шихті непідготовленого залізняку офлюсованим агломератом, робота доменних печей з підвищеним тиском газу в робочому просторі, вдування в печі природного газу, мазуту та інших вуглеводнєвмісних добавок.

Для сучасних умов плавки оптимальна температура дуття на доменних печах металургійних підприємств України ще не досягнута. З поліпшенням умов плавки (підвищення якості шихтових матеріалів, тиску в пічному просторі, витрати замінників коксу та ін.) при збереженні витрат на нагрів дуття вона підвищуватиметься. Цьому сприяє також підвищення цін на кокс і зниження витрат на нагрів дуття.

Зміна вологості дуття. Вплив вологості дуття на роботу доменних печей привертав до себе увагу металургів ще в першій половині XIX сторіччя. Водяна пара вже тоді додавалася до дуття для охолоджування печі при дуже гарячому ході. М.О. Павлов називає чудовим той факт, що вже в ті часи було відомо, що водяні пари розкладаються в горні, причому кисень бере участь в окисленні вуглецю, а водень бере участь у відновних процесах.

В 1894 році Дж. Гейлі отримав патент на «метод витягання вологи з дуття для доменних печей» і через десять років увів у дію першу промислову установку для осушення дуття на одній з доменних печей США. Опубліковані ним дані про роботу доменної печі на осушеному дутті були сенсаційними. За повідомленням Дж. Гейлі, при зменшенні вологості дуття з 1,6 до 0,5 % витрата коксу знизилася на 19,6 %, а продуктивність доменної печі зросла на 24,7 %.

У подальші роки аналогічні установки були введені в дію на інших заводах США, Канади і Англії.

У всіх випадках осушення дуття приводило до істотної економії коксу (від 7,3 до 18,4 %) і значного зростання продуктивності (від 9,0 до 26,4 %). Ці дані узгоджуються з раніше опублікованими, які М.О. Павлов вважав «безперечними».

Всі ці установки пропрацювали недовго: остання з дев'яти американських демонтована в 1916 році. Причинами цього з'явилися висока вартість їхнього спорудження й експлуатації (в якості осушувача дуття використовувався силікагель), а також ненадійність у роботі.

З 1939 року в США починають швидко розповсюджуватися установки кондиціонування дуття, в яких воно не тільки осушувалося при високій вологості атмосферного повітря, але і зволожувалося в ті періоди, коли атмосферна вологість була нижче певної величини, тобто задана постійна вологість підтримувалася автоматично.

За опублікованими даними, ефект кондиціонування дуття виразився в збільшенні продуктивності на 25 % і скороченні витрати коксу на 14 % для однієї з доменних печей і, відповідно, на 27 % і 18 % - для іншої печі. Така висока ефективність кондиціонування дуття спостерігалася на доменних печах штату Алабама, де характерною є висока вологість повітря – в окремі дні осушенням видалялися до 1,68 % водяних парів при кондиціонуванні дуття на рівні 0,85 %. На інших заводах були отримані менш значні результати.

В 1937 році А.П. Афанасьєвим і Л.Я. Габріеляном було запропоновано для регулювання ходу й інтенсифікації роботи доменних печей зволожене (пароповітряне) дуття. Досліди, проведені в 1939 - 1940 р.р. на деяких заводах СРСР (Кузнецькому, Магнітогорському, Новоліпецькому), показали, що зволоження дуття шляхом добавки до нього 2 - 5 % водяної пари в певних умовах – при відповідному збільшенні температури дуття – також підвищує продуктивність доменних печей і знижує питому витрату коксу на виплавку чавуну. В 50-х роках двадцятого сторіччя цей метод отримав дуже широке розповсюдження в СРСР: на дутті «підвищеної і постійної вологості» працювали 108 печей зі 118. На різних заводах підвищення продуктивності складало від 5 до 15 %, а економія коксу від 2 до 5 %.

Поліпшення техніко-економічних показників роботи доменних печей при зволоженні дуття відбувається із наступних причин.

Підвищення продуктивності печей досягається в результаті більш рівного ходу печей і збагачення дуття киснем, який уво-диться з додатковою вологою в дуття. Більш рівний хід печей обумовлений пониженням температур у зоні горіння, внаслідок чого зменшуються об'єм, швидкість і підйомна сила газового потоку, а також вірогідність сублімації в горні монооксиду кремнію, який, конденсуючись у заплечіках і розпарі, зменшує перетини міжкускових каналів для проходу газів.

Зниження витрати коксу досягається внаслідок підвищення відновної здатності газів за рахунок збільшення в них концентрації монооксиду вуглецю і водню відповідно до реакції:

Н₂О + С → Н₂ + СО,

і виконання ними великої відновної роботи, в результаті чого знижується частка прямого відновлення, протікаючого з поглинанням теплоти.

Зволоження дуття дозволяє швидко і ефективно регулювати тепловий стан печі. Похолодання печі при нестачі теплоти в горні усувається тимчасовим зменшенням вологості дуття, розігрів печі – її збільшенням.

Витрати теплоти на розкладання вологи і підігрів продуктів розкладання до температур осередків горіння у фурм повинні бути компенсовані підвищенням нагріву дуття на 9 °С на кожний грам Н₂О в 1 м³ дуття, або на 72 °С на кожний 1 % вологи в дутті. Зволоження дуття, яке не супроводиться відповідним підвищенням температури, приводить до підвищення питомої витрати коксу і погіршення техніко-економічних показників доменної плавки. Підвищення нагріву дуття більш ніж на 9 °С на кожний грам Н₂О в 1 м³ дуття, що вдається досягти на практиці, приводить до зниження питомої витрати коксу.

Наприкінці 50-х – на початку 60-х років минулого сторіччя в доменне дуття стали додавати вуглеводнєвмісні компоненти (природний газ, мазут і ін.). З їхнім застосуванням роль і значення зволоження дуття змінилися. Вуглеводнєвмісні добавки знижують температуру в горні, що дає можливість підвищувати температуру дуття. При використанні вуглеводнєвмісних добавок вологість дуття слід підтримувати постійною, але вміст вологи повинний бути трохи вищим, ніж в атмосферному повітрі. Це сприятиме підтримці стабільного теплового режиму в горні, а при порушенні його можна використовувати зміну вологості дуття для регулювання теплового стану горна.

При роботі доменних печей з добавкою в дуття вуглеводнів і високому його нагріві ефективним може виявитися і осушення дуття, до чого повернулися металурги деяких країн у 70 – 80-ті роки минулого сторіччя. Так були введені в експлуатацію установки для осушення дуття на найбільших доменних печах Японії, застосування яких дозволило досягти економії коксу приблизно на 6 кг/т чавуну на 1 % видаленої вологи.

Збагачення доменного дуття киснем. Збагачення доменного дуття киснем було запатентовано в 1876 році Г. Бесемером. В 1913 році вперше була проведена експериментальна плавка на збагаченому до 22,5 - 22,8 % О₂ в дутті на невеликій доменній печі в Угрі (Бельгія). Повідомлялося про підвищення продуктивності на 12 % при незначному зниженні питомої витрати коксу.

Надалі експерименти по збагаченню дуття киснем проводилися в СРСР і Німеччині на доменних печах, спеціально обладнаних для цього. Короткочасні дослідні плавки проводилися і на промислових доменних печах великого об'єму, проте, до середини минулого століття застосування збагаченого киснем дуття не вийшло зі стадії експериментування. В СРСР у 1957 році на збагаченому киснем дутті регулярно працювали тільки три доменні печі, виплавляючі феросплави.

Широке використання кисню в доменному виробництві стало можливим і доцільним тільки при подачі в доменні печі вуглеводнєвмісних добавок. У зв'язку зі значними перевагами, які дає поєднання цих двох заходів, виплавка чавуну на збагаченому киснем дутті стала швидко розповсюджуватися. В 1977 році в СРСР працювали за такою технологією 89 доменних печей (65 % від загальної кількості), а виплавка чавуну на них складала 79,7 % загальної виплавки; середній вміст кисню в дутті досяг на цих печах 26,2 % при витраті кисню 111 м³/т чавуну.

В зарубіжних країнах застосування збагаченого киснем дуття розвивалося значно повільніше.

Зміни в ході доменного процесу, які викликаються підвищенням концентрації кисню в дутті, зводяться до наступного.

Підвищення концентрації кисню в дутті супроводиться зменшенням витрати дуття на 1 кг вуглецю, що згоряє у фурм. Так при подачі в піч сухого дуття із вмістом 21 % кисню потрібно 4,44 м³ дуття, то при вмісті кисню в дутті 25 % і 30 % витрата дуття зменшується, відповідно, до 3,7 і 2,18 м³/кг вуглецю, що згоряє у фурм.

Підвищення концентрації кисню в дутті сприяє зменшенню виходу горнових газів, але у меншій мірі, ніж скорочення витрати дуття. При концентрації кисню в сухому дутті 21, 25 і 30 % вихід горнових газів, відповідно, складе 5,38; 4,67 і 4,00 м³ на 1 кг вуглецю, що згоряє у фурм.

З підвищенням концентрації кисню в дутті збільшується вміст СО в горновому газі: при збільшенні концентрації кисню в дутті з 21 % до 25 % і до 30 % вміст СО в горновому газі збільшується, відповідно, з 34,7 % до 40 % і до 45,9 %, а вміст азоту в горнових газах зменшується, відповідно, з 65,3 % до 60 % і до 54,1 %.

Підвищення концентрації кисню в дутті, як і збільшення температури дуття, супроводиться значним зростанням температури горіння палива, але не за рахунок збільшення приходу тепла в зону горіння, а за рахунок зменшення виходу фурменого газу. Зростання температури горіння складає 45 -50 ^оС на кожний додатковий відсоток кисню в дутті.

Зменшення концентрації азоту в дутті та підвищення температури в осередку горіння значно прискорює процес горіння вуглецю, що при постійній кількості кисню, який поступає з дуттям в одиницю часу, повинно приводити до завершення процесу горіння в меншому об'ємі, що і було підтверджено в лабораторних умовах і на доменній печі.

Зменшення виходу горнових газів при збагаченні дуття киснем приводить до пониження їхньої швидкості при русі через стовп шихтових матеріалів, а отже, до зниження величини перепаду тиску газів між горном і колошником. Тому стає можливим збільшити кількість кисню, який надходить до доменної печі, в одиницю часу до досягнення перепаду тиску, при якому піч працювала на звичайному дутті, тобто збільшити кількість спалюваного в одиницю часу вуглецю коксу, і тим самим збільшити продуктивність доменної печі. За даними О.Н. Рамма, приріст продуктивності печі змінюється залежно від концентрації кисню в дутті від 3,3 до 2,4 % на кожний відсоток додаткового кисню в діапазоні зміни його вмісту від 21 % до 35 %.

Підвищення концентрації кисню в дутті супроводиться зменшенням кількості газів на одиницю виплавлюваного чавуну і на одиницю маси шихтових матеріалів, що з урахуванням посилення теплопередачі в нижній частині печі викликає тут швидке охолоджування газів і пониження температури в шахті та на колошнику.

Збагачене киснем дуття викликає в доменному процесі не тільки сприятливі зміни, але за певних умов може привести до порушення ходу печі та до погіршення техніко-економічних показників доменної плавки.

Негативно позначається на перебігу доменного процесу при виплавці переробного чавуну збільшення температури в горні, яке посилює сублімацію монооксиду кремнію, збільшує об'єм горнових газів, що погіршує умови руху газів в розпарі та нижній частині шахти і викликає порушення в опусканні шихти.

Перерозподіл температур по висоті печі, коли температура в зонах горіння зростає, а в шахті та на колошнику знижується також не завжди бажаний, оскільки супроводиться нестачею тепла в зоні непрямого відновлення, внаслідок чого цей і деякі інші процеси зміщуються на більш низькі горизонти, які не являються оптимальними для здійснення цих процесів.

Зменшення кількості дуття при збагаченні його киснем на одиницю спалюваного у фурм вуглецю супроводжується зменшенням надходження в доменну піч теплоти з нагрітим дуттям на одиницю маси виплавлюваного чавуну.

Висока ефективність застосування збагаченого киснем дуття при виплавці переробного чавуну була досягнута при сумісній з ним подачею вуглеводнєвмісних добавок у горно доменної печі.

Подача в доменні печі вуглеводнєвмісних добавок.

Ідея вдування в доменні печі різних видів палива – твердого, рідкого і газоподібного – виникла в першій половині XIX століття, проте, тільки в 50-х роках минулого сторіччя вдування різних видів палива почало застосовуватися в промислових масштабах, а в 60-х р. отримало дуже широке розповсюдження в багатьох країнах. Переважаюче значення набули два види вдуваного палива: природний газ – у країнах, володіючих крупними його родовищами (СРСР, США) - і мазут (Японія, Франція, Німеччина, Англія). З інших видів деяке застосування отримали кам'яна смола (США, Японія), сира нафта, гас (Франція, Японія). За останні 20 - 25 років постійно збільшується кількість доменних печей, працюючих із вдуванням пилоподібного твердого палива, в багатьох країнах. Є досвід роботи доменних печей із вдуванням коксового і конвертерного газу, суміші рідкого і твердого палива (вугле-мазутної емульсії або пасти), гарячих відновних газів, отриманих різними способами конверсії природного газу, газифікації твердого палива.

При вдуванні палива через повітряні фурми відбувається його неповне згоряння, продуктами якого є, як і при горінні вуглецю коксу, монооксид вуглецю, азот, а також водень.

Теплота неповного згоряння граничних вуглеводнів із розрахунку на 1 кг окислюваного вуглецю значно менше, ніж для вуглецю коксу, оскільки частина виділюваного тепла при цьому поглинається в процесі розкладання граничних вуглеводнів на вуглець і водень.

Для неграничних вуглеводнів (етилен, ацетилен і ін.), які створюються з поглинанням тепла, теплота неповного згоряння з розрахунку на 1 кг окисленого вуглецю, навпаки, вище, ніж для вуглецю коксу.

Тепло, яке виділяється при горінні вдуваного палива в горні, замінює собою частину теплоти згоряння вуглецю коксу. Це є однією з причин пониження витрати коксу на виплавку чавуну при вдуванні додаткового палива.

Подача в доменні печі вуглеводнєвмісних добавок до дуття викликає наступні зміни в доменному процесі.

Теоретична температура горіння знижується у зв'язку з тим, що об'єм продуктів горіння зростає більшою мірою, ніж загальна кількість тепла, що вноситься горінням палива і нагрітим дуттям. Пониження температури горіння є одним з чинників, обмежуючих витрату вдуваного палива при роботі доменних печей на атмосферному дутті. Разом з тим з'являється можливість підвищення температури дуття і концентрації кисню в ньому понад тих значень даних параметрів, які без вдування додаткового палива є граничними за умов збереження рівного ходу доменної печі.

Збільшення виходу горнових газів з розрахунку на одиницю маси оброблюваних матеріалів сприяє деякому збільшенню температури в шахті та температури колошникового газу.

При вдуванні в горно додаткового палива істотно змінюються умови протікання процесів відновлення: підвищується концентрація відновних компонентів (СО + Н₂) і знижується вміст азоту в пічних газах; підвищується вихід відновних газів на одиницю виплавлюваного чавуну, особливо значно підвищується концентрація і вихід водню, володіючого певними кінетичними перевагами перед монооксидом вуглецю; підвищується температура в шахті - в області непрямого відновлення, що сприяє збільшенню швидкості цього процесу; зростає час перебування матеріалів у печі внаслідок пониження витрати коксу і об'єму матеріалів на одиницю виплавлюваного чавуну.

Всі перераховані чинники обумовлюють пониження ступеня прямого відновлення заліза: найбільше - при вдуванні природного газу і продуктів його конверсії; найменше – при вдуванні твердого палива.

Економія коксу, обумовлена вдуванням додаткового палива, міняється в широких межах залежно від виду палива, його витрати на 1 т чавуну і одночасної зміни інших параметрів дуття. Вона характеризується коефіцієнтом заміни коксу, тобто масою заощадженого коксу, віднесеною до одиниці додаткового палива (кг/м³ або кг/кг). Проте слід ураховувати, що вдування додаткового палива дозволяє змінювати інші параметри дуття (температуру, вологість, концентрацію кисню), що також впливає на витрату коксу.

У сучасних умовах плавки коефіцієнт заміни коксу при незмінних параметрах дуття міняється в наступних межах: для природного газу 0,7 - 0,9; для коксового газу 0,4 - 0,5; для мазуту 1,2 - 1,4; для пилу антрациту 1,0 - 1,1. З підвищенням температури дуття коефіцієнт заміни збільшується, із збільшенням концентрації кисню в дутті – зменшується.

Підвищення тиску газу в робочому просторі печі. Доцільність підвищення тиску газів у доменній печі була виказана Г. Бесемером в 1871 році. Він припускав, що це приведе до такого підвищення температури дуття, при якому стане зайвим будівництво повітронагрівачів.

Більш правильні міркування з цього питання були опубліковані в 1915 році П.М. Єсманським, вважаючим, що підвищення тиску газу прискорить відновні процеси в області поміркованих температур і приведе до більш рівномірного розподілу газів по перетину печі.

В 1938 році патент на застосування підвищеного тиску газу в доменних печах був отриманий Дж. Евері (США), який виступив із різностороннім обгрунтуванням запропонованого ним проекту. Позитивні промислові результати підвищення тиску газів у пічному просторі, отримані в 1946 році на одній з доменних печей США (підвищення продуктивності на 12,3 %, пониження витрати коксу на 2,7 %, різке зменшення винесення колошникового пилу), привели до швидкого розповсюдження цього заходу. Протягом подальшого десятиріччя число доменних печей, працюючих з підвищеним тиском, зросло в США до 28.

В Україні перші досліди роботи доменних печей з підвищеним тиском газу були зроблені за ініціативою І.І. Коробова на Дніпропетровському металургійному заводі ім. Г.І. Петровського в 1940 році, але виявилися безуспішними, оскільки дросельні клапани, забезпечуючі підвищення тиску в пічному просторі, встановлювалися в газовідводах на колошнику, де вони швидко руйнувалися в результаті абразивної дії колошникового пилу. Проте, надалі застосування підвищеного тиску отримало в СРСР значно більш широке розповсюдження, ніж у всіх інших країнах. У 1977 році в СРСР працювали з підвищеним тиском 117 доменних печей (із загального числа 136), на яких було виплавлено 97,3 % всього чавуну, середній надмірний тиск на колошнику при цьому складав 137 кПа.

Підвищення тиску біля фурм без зміни кількості дуття по масі зменшує його об'єм пропорційно підвищенню тиску, відповідно до чого знижується швидкість газу і перепад тиску газів між горном і колошником. Підвищення тиску газу на колошнику без зміни витрати дуття від 110 до 250 кПа зменшує перепад тиску газу між горном і колошником від 120 до 70 кПа. Пониження перепаду тиску при переводі доменної печі на роботу з підвищеним тиском газу в робочому просторі дозволяє збільшити об'єм і швидкість газу шляхом збільшення його масової кількості до досягнення критичного перепаду тиску.

Таким чином, при підвищенні тиску газів у робочому просторі печі можливо збільшити кількість дуття, тобто підвищити продуктивність печі; якщо значення критичного перепаду тиску досягається не тільки збільшенням витрати дуття, але і збільшенням температури дуття, то знижується питома витрата коксу; значно скорочується винесення колошникового пилу внаслідок пониження швидкості та підйомної сили газів у верхній частині печі; з'являється можливість збільшення витрати вуглеводневих добавок до дуття.

Таким чином, підвищений тиск газів чинить основну дію на газодинаміку доменного процесу, яка є фактором, лімітуючим продуктивність доменних печей.

Ступінь підвищення тиску газів у робочому просторі печі оцінюється величиною тиску газів на колошнику. Ефективність підвищення тиску газів залежно від умов роботи печі і величини тиску відрізняється. При підвищенні тиску газів на колошнику до 160 - 180 кПа продуктивність печі збільшується на 5 - 10 %, витрата коксу знижується на 2 - 5 %, винесення колошникового пилу скорочується на 35 – 50 %. Подальше підвищення тиску також позитивно впливає на техніко-економічні показники доменної плавки. Так, підвищення тиску газу на доменних печах металургійного комбінату «Северсталь» з 200 до 250 кПа супроводжувалося збільшенням продуктивності печі на 1 – 2 % і зниженням питомої витрати коксу на 0,5 – 1 % на кожні 10 кПа підвищення тиску газів на колошнику.

Досвід роботи доменних печей з високим тиском газу на колошнику свідчить про доцільність подальшого підвищення тиску. На даний час побудовані печі, які обладнані для роботи з тиском газу на колошнику 345 кПа.

Недоліком застосування підвищеного тиску є пониження стійкості устаткування, особливо завантажувальних пристроїв, і втрата з колошниковим газом великої кількості енергії, яка затрачується на підвищення тиску дуття. Потрібне також збільшення потужності повітродувних машин.

На реконструйованих і знов побудованих доменних печах передбачається установка обладнання та повітродувних машин відповідних параметрів, забезпечуючих роботу доменних печей із високим тиском газів у пічному просторі.

Останніми роками набуває поширення устаткування для використання енергії колошникового газу високого тиску, що в значній мірі компенсує витрати на компремування дуття і знижує собівартість чавуну. З цією метою встановлюються газові утилізаційні безкомпресорні турбіни (ГУБТ), дозволяючі забезпечити потребу в електроенергії доменного цеху. Собівартість електроенергії, отриманої на ГУБТ в 3-3,5 рази нижче за собівартість електроенергії від центральної енергосистеми. Термін окупності ГУБТ – менше двох років.

Подача в доменні печі гарячих відновних газів.

Витрата природного газу і мазуту, забезпечуючих зниження витрати коксу обмежується тепловими і газодинамічними чинниками.

Для підвищення ефективності використання вуглеводнів запропоновано вдувати в доменні печі продукти їхньої конверсії (СО і Н₂), заздалегідь нагріті до температури ~ 1200 °С з використанням для їхнього нагріву палива більш дешевого, ніж кокс.

Конверсія вуглеводнів і нагрівання продуктів конверсії здійснюються в спеціальних апаратах. Найпоширенішими різновидами конверсії є парова і вуглекислотна:

СН₄ + Н₂О → СО + 3Н₂;

СН₄ + СО₂ → 2СО + 2Н₂.

Для України, володіючої великими запасами кам'яного вугілля, перспективним є отримання відновних газів шляхом газифікації вуглецю вугілля:

С + Н₂О → СО + Н₂;

С + СО₂ → 2СО.

Вперше гарячі відновні гази, отримані методом конверсії природного газу водяною парою у конвертерах–газонагрівачах, були застосовані в доменній печі комбінату «Азовсталь» в 1965 році.

Нагріті відновні гази вводилися через додаткові фурми, розташовані на 600 мм вище повітряних фурм. Через недоліки установки для конверсії природного газу досліди були припинені.

Вдування гарячих відновних газів з температурою 800 - 1000 °С у дослідному порядку було випробувано в Бельгії. При вдуванні конвертованого газу в кількості 409 м³/т чавуну витрата коксу на його виплавку знизилася з 618 до 519 кг/т.

В.Г. Воскобойников із співробітниками в 1968 році здійснили дослідну плавку на Новотульському металургійному заводі з вдуванням у горно доменної печі гарячих відновних газів і холодного технічного кисню замість атмосферного дуття.

Внаслідок різкого підвищення вмісту відновних компонентів у горновому газі посилилося непряме відновлення оксидів заліза, ступінь прямого відновлення знизився з 31,8 до 10,5 %. У результаті цього досягнуто зниження питомої витрати коксу на 112 кг або майже на 20 % у порівнянні з витратою при роботі печі з вдуванням природного газу і збагаченого до 30 % киснем дуття. Розробленою технологією передбачається рециркуляція колошникового газу, тобто повторна його подача в доменну піч після видалення з нього вуглекислоти.

В Інституті чорної металургії НАН України під керівництвом Й.Г.Товаровського проводяться роботи з подачі в доменні печі продуктів газифікації вуглецю кам'яного вугілля, які складаються із СО і Н₂ і мають температуру 1200 °С. Розроблено численні конструкції реакторів-газифікаторів твердого палива, у тому числі з використанням непрацюючих доменних печей, доменних повітронагрівачів, розроблена конструкція прифурменого реактора-газифікатора, який встановлюється замість одного з елементів фурменого приладу.

Дата добавления: 2015-07-17