Методы интенсификации доменного процесса

Под интенсификацией доменного процесса понимают увеличение скорости его протекания. Мерой интенсивности хода доменной печи является количество чугуна, получаемое в единицу времени в расчете на единицу полезного объема доменной печи. Коэффициент использования полезного объема доменной печи к. и. п. о. определяется как частное от деления полезного объема печи V_пол (м³) на суточную производительность печи Т (т) чугуна/сутки

 

(95)

 

Чем меньше этот показатель, тем интенсивнее протекает процесс, интенсивнее ход доменной печи.

Увеличить интенсивность хода доменной печи можно двумя путями: 1) созданием условий, при которых в горн доменной печи в единицу времени можно подать большее количество дутья (кислорода), расходуемое на горение углерода горючего, и 2) созданием условий, обеспечивающих снижение расхода кокса на единицу выплавляемого чугуна, если количество дутья, поступающее в горн в единицу времени не снижается или снижается в меньшей мере, чем расход кокса.

При увеличении количества дутья (кислорода), подаваемого в горн в единицу времени, соответственно увеличивается сгорающее в единицу времени количество углерода, а следовательно, увеличивается и производительность печи. При уменьшении относительного расхода горючего и неизменном количестве дутья производительность печи также возрастает вследствие увеличения рудной нагрузки на кокс.

Наиболее высокая степень интенсификации процесса достигается, когда одновременно с увеличением количества дутья имеется возможность уменьшить и относительный расход кокса в подачу.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем увеличения расхода дутья (кислорода) в единицу времени предполагает улучшение газопроницаемости столба шихты. Это может быть достигнуто повышением прочности агломерата, отсевом мелких фракций и улучшением однородности гранулометрического состава шихтовых материалов, повышением давления газов в рабочем пространстве печи, снижением относительного выхода шлака и улучшением его физических свойств. Данные по влиянию различных технологических факторов на технико-экономические показатели доменной плавки представлены в таблице 2.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем снижения относительного расхода кокса предполагает уменьшение тепловых затрат на процесс и применение заменителей кокса в роли теплоносителя и восстановителя. Уменьшение тепловых затрат на процесс достигается улучшением подготовки сырья. Глубокое обогащение, производство легковосстановимого офлюсованного и прочного агломерата позволяют вести процесс с низким выходом шлака, исключением затрат тепла на разложение сырого флюса, наиболее выгодным сочетанием прямого и непрямого восстановления и обеспечением равномерного нагрева. Применение высоконагретого дутья уменьшает расход углерода-теплоносителя, а вдувание в горн углеводородсодержащих добавок уменьшает расход углерода-восстановителя.

Основными методами интенсификации доменного процесса являются:

1) совершенствование способов подготовки и улучшение качества сырых материалов; 2) высокотемпературный нагрев дутья; 3) увлажнение дутья; 4) обогащение дутья кислородом; 5) вдувание в горн углеводородсодержащих добавок; 6) комбинирование дутья; 7) повышение давления газов в рабочем пространстве доменной печи.

Наиболее важной является подготовка сырья к плавке. Ни один из методов интенсификации доменного процесса не может дать максимального эффекта при плохом качестве сырья.

 

Таблица 2 – Влияние качества шихты и технологических факторов на производительность доменной печи и удельный расход кокса

Наименование параметров	Изменение, %
расход кокса	производи-тельность
Повышение содержания Fe на 1% в
железоpудной части в пpеделах:
до 50%	-1,4	+2,4
50-55%	-1,2	+2
55-60%	-1,0	+1,7
Повышение расхода металлодобавок на 1 кг/т	-0,03	+0,05
Уменьшение расхода сыp. известняка на 1 кг/т	-0,05	+0,05
Уменьшение содержания мелочи в ж.p.ч. на 1%	-0,5	+1
Уменьшение содержания золы в коксе на 1%	-1,3	+1,3
Уменьшение содержания сеpы в коксе на 0,1%	-0,3	+0,3
Повышение прочности кокса по М25 на 1%	-0,6	+0,6
Уменьшение истираемости кокса по М10 на 1%	-2,8	+2,8
Уменьшение содержания Si в чугуне на 0,1%	-1,2	+1,2
Уменьшение содержания Mn в чугуне на 0,1%	-0,2	+0,2
Уменьшение содержания S в чугуне на 0,01%	-1,0	+1,0
Уменьшение содержания P в чугуне на 0,1%	-0,6	+0,6
Повышение температуpы дутья на 1 ˚С
пpи O2 в дутье до 25%
800-900	-0,05	+0,05
900-1000	-0,04	+0,04
1000-1100	-0,03	+0,03
пpи O2 в дутье >25%
800-900	-0,04	+0,04
900-1000	-0,03	+0,03
1000-1100	-0,025	+0,025
Обогащение дутья кислоpодом на 1% до 25%	+0,2	+2,4
25-30%	+0,3	+2,1
Коэффициент замены кокса пpиpодным газом
до 60 м^3/т	+0,6
60-100 м^3/т	+0,5
100-150 м^3/т	+0,4
Повышение давления под колошником на 1 кПа	-0,02	+0,1
Уменьшение времени пpостоев на 1%	-0,5	+1,5
Уменьшение времени тихого хода на 1%	-0,5	+1,0
Уменьшение задеpжки выпусков на 1%	-0,05	+0,1
Уменьшение влжности дутья на 1 г/м^3 при
расходе дутья, м3/т:
1500-1600	-0,2	+0,1
1000-1100	-0,15	+0,07

Нагрев дутья

 

Снижение расхода горючего при переходе от холодного дутья к нагретому или от менее нагретого дутья к более нагретому происходит в результате действия двух причин: 1) замены части тепла, выделяемого при сгорании углерода у фурм, теплом нагретого дутья и 2) изменений в доменном процессе, которые вызывают изменения в тепловом балансе плавки в сторону уменьшения расхода тепла. Количество тепла, вносимое нагретым дутьем на единицу выплавляемого чугуна, определяется уравнением

 

Qд=V_дс_дt_д, (96)

 

где V_д – объем дутья на единицу чугуна, м³; с_д – теплоемкость дутья, кдж/(м³×град);

t_д– температура дутья, °С.

 

Получаемая от нагрева дутья экономия тепла в виде горючего больше количества тепла, вносимого в печь нагретым дутьем, или, другими словами, тепло нагретого дутья заменяет такое количество горючего, которое при сгорании выделило бы большее количество тепла, чем вносится дутьем. Объясняется это тем, что тепло нагретого дутья не сопровождается образованием дополнительного количества газов, которые, уходя из доменной печи, уносили бы часть тепла. Следовательно, тепло нагретого дутья практически полностью используется в нижней части доменной печи и расходуется на прямое восстановление элементов, перевод серы в шлак и нагрев чугуна и шлака. Получаемое при сгорании у фурм углерода тепло в отличие от тепла нагретого дутья в доменной печи используется не полностью, так как часть его уносится из печи газами, образовавшимися при сгорании кокса, а часть теряется с охлаждающей водой и в атмосферу.

Изменения в тепловом балансе при нагреве дутья, влияющие на расход кокса, сводятся к следующему:

1. При повышении нагрева дутья уменьшается относительный расход кокса, а следовательно, уменьшается и количество газа на единицу чугуна. Меньшее количество газа, встречая то же количество железорудных материалов, передает им то же, что и ранее, количество тепла. В результате газ охладится больше и уйдет из печи с более низкой температурой. Таким образом, меньшее количество менее нагретого колошникового газа унесет меньше тепла из печи, увеличивая тепловой к. п. д. печи.

2. Уменьшение расхода кокса с повышением нагрева дутья при неизменном его количестве увеличивает производительность печи, а это значит, что в расчете на единицу чугуна уменьшаются тепловые потери с охлаждающей водой и в атмосферу через кладку печи. Эта статья также экономит тепло, увеличивая к.п.д. печи.

3. С уменьшением относительного расхода горючего уменьшается количество шлака вследствие уменьшения количества золы кокса и расхода флюса на ее ошлакование. Чем меньше количество шлака, тем меньше расход тепла на его нагрев. Кроме того, уменьшается расход тепла на испарение влаги и шлакование серы, так как их меньше вносится коксом. Эта статья также экономит тепло.

4. При повышении нагрева дутья возрастает температура в горне, поэтому более нагретые чугун и шлак уносят из печи больше тепла. Расход тепла увеличивается еще и потому, что при уменьшении расхода кокса и повышении температуры в горне возрастают степень прямого восстановления железа и переход кремния в чугун.

Относительная экономия тепла в доменной печи получаемая нагретом:

 

(97)

 

где Е – экономия тепла в доменной печи, отнесенная к общему расходу тепла на единицу чугуна;

q– алгебраическая сумма разностей всех статей расхода тепла на единицу чугуна при обычном (или менее нагретом) и нагретом дутье, кДж;

W – общий расход тепла в печи на единицу чугуна, кДж.

 

Экономия тепла и экономия кокса, не пропорциональна повышению температуры дутья, т.е. не одинакова при повышении температуры дутья на одно и то же число градусов по следующим причинам.

1. С увеличением нагрева дутья уменьшается относительный расход кокса, на сжигание которого требуется меньшее количество дутья, следовательно, выражение V_дс_дt_д, входящее в числитель уравнения, уменьшается, уменьшая значение величины Е.

2. С увеличением нагрева дутья уменьшается и величина q, которая при определенной температуре дутья (разной для разных условий плавки) может стать даже отрицательной и в такой мере, что числитель уравнения превратится в ноль. В этом случае экономии тепла при увеличении нагрева дутья не будет.

3. Чем выше нагрев дутья, тем полнее используется тепло в доменной печи, т. е. выше тепловой к. п. д. печи k_T за счет уменьшения потерь тепла с колошниковым газом, так как при уменьшении относительного расхода кокса уменьшаются количество колошникового газа и его температура, уменьшаются тепловые потери с охлаждающей водой и в атмосферу в расчете на единицу чугуна вследствие увеличения производительности печи.

4. Общий расход тепла W с увеличением нагрева дутья уменьшается, а так как величина W входит в знаменатель уравнения, то с ее уменьшением экономия тепла возрастает. Это единственная величина, способствующая возрастанию экономии тепла при увеличении нагрева дутья, однако ее влияние на общее изменение значения невелико по сравнению с влиянием трех предыдущих факторов.

Повышение температуры дутья на каждые 10 ºС в интервале от 1000 до 1300 ºС обеспечивает повышение производительности на 0,2-0,3% и снижение расхода кокса на 0,2-0,3%.

Современные доменные печи работают на дутье с температурой до 1250ºС. Дальнейшее повышение температуры дутья сдерживается возможностями воздухонагревателей и несовершенством конструкции фурменных приборов.

Увлажнение дутья

 

Естественная влага, содержащаяся в дутье, при высокой температуре в зоне горения диссоциирует на водород и кислород с поглощением большого количества тепла

 

Н₂О®Н₂ + ½О₂ – 57810 ккал. (98)

 

Кислород влаги, так же как и кислород дутья, взаимодействует с углеродом кокса с СО

 

C + ½О₂ ®СО+ 28080 ккал. (99)

 

Суммируя реакции получим

 

Н₂О + С ®Н₂+СО – 29730 ккал. (100)

 

Переходящие в газовую фазу продукты реакции водород и оксид углерода принимают затем участие в НВ.

Естественная влажность воздуха колеблется в значительных пределах как и течение суток, так и по временам года на 8–12 г в 1 м³ воздуха, или на 1–1,5% по объему.

Колебания влажности дутья вызывают изменения в тепловом и температурном режиме горна и в ходе восстановления, что приводит к расстройствам хода печи, ухудшая технико-экономические показатели.

Устранить колебания естественной влажности можно двумя путями: осушением дутья и увлажнением дутья в таких пределах, чтобы влажность его была несколько выше естественной, но постоянной во времени. Второй путь является более простым и менее затратным, и применяется овсеместно.

Для обеспечения стабильной влажности дутья применяют его увлажнение путем добавления в дутье водяного пара. После стабилизации влажности дутья получили увеличение производительности на 10–16% и снижение расхода кокса на 3,5–5,8% при одновременном повышении температуры дутья на 200–250 град и количества дутья на 5–7%.

При увлажнении дутья повышение производительности печи достигается за счет более ровного хода печи, обогащения дутья кислородом влаги, снижения расхода кокса и некоторого увеличения количества дутья.

Снижение расхода кокса достигается вследствие повышения восстановительной способности газа. Образующиеся при разложении влаги восстановительные газы Н₂ и СО увеличивают НВ в зоне умеренных температур, уменьшая ПВ, которое протекает с поглощением тепла. Однако снижение расхода кокса может быть получено только при условии компенсации затрат тепла на разложение влаги и нагрев образовавшихся продуктов разложения влаги до температуры в зоне горения из расчета 72 град на 1% влаги в дутье, или 9 град на 1 г Н₂О в 1 м³ дутья.

Но достоинства увлажненного дутья не исчерпываются его интенсифицирующим действием. Увлажненное дутье позволяет быстро и эффективно влиять на тепловое состояние печи, являясь мощным фактором регулирования доменного процесса «снизу». При возникновении горячего хода его быстро устраняют увеличением содержания влаги в дутье. При похолодании нормальный нагрев восстанавливают уменьшением содержания влаги в дутье.

При выборе влажности дутья следует учитывать, что ее увеличение без компенсации затрат тепла на разложение влаги, ведет к ухудшению ТЭП доменной плавки (см. таблицу 2).

 

Обогащение дутья кислородом

 

При обогащении дутья кислородом изменяются следующие параметры (рисунок 36):

1. Уменьшается расход дутья на единицу сжигаемого у фурм углерода, так как при повышении содержания кислорода в дутье соответственно уменьшается содержание азота.

2. Уменьшается количество горнового газа на единицу сжигаемого у фурм углерода вследствие уменьшения содержания азота в дутье.

3. Повышается концентрация СО в горновом газе вследствие уменьшения разбавления его азотом.

4. Значительно возрастает температура в зоне горения, так как уменьшается объем образующихся газов.

Содержание О₂ в дутье, %

 

Рисунок 36 - Изменение некоторых параметров процесса при обогащении дутья кислородом

 

Перечисленные изменения параметров горения углерода у фурм при обогащении дутья кислородом вызывают как положительные, так и отрицательные изменения в ходе доменного процесса и его тепловом балансе.

1. При обогащении дутья кислородом снижается перепад давления газов между горном и колошником вследствие уменьшения выхода горнового газа на единицу сжигаемого углерода и скорости движения газов в столбе шихтовых материалов. Это позволяет увеличить расход дутья в единицу времени, т. е. увеличить количество сжигаемого в единицу времени кокса и соответственно повысить производительность печи.
2. При этом резко повышается температура фурменных газов, увеличивается их объем, что может стать причиной «нижних» подвисаний, то есть прекращения схода шихты в фурменные очаги из-за уровновешивания шихты подъемной силой газа. Поэтому повышение концентрации кислорода в дутье можно вести до температуры в фурменном очаге не выше 2200-2400°С. Дальнейшее обогащение дутья кислородом должно сопровождаться мерами по снижению температуры горения: увлажнение дутья или применение природного газа.
3. Повышение концентрации окиси углерода в газе увеличивает непрямое восстановление, соответственно уменьшая расход тепла на ПВ при условии, если будет обеспечено достаточное количество газов и их рациональное распределение.
4. Уменьшение количества горнового газа и повышение его температуры изменяют условия теплообмена так, что тепло от газов к шихте очень интенсивно передается в нижней части печи. В верхние зоны печи газ приходит с более низкой температурой, чем при обычном дутье.
5. Меньшее количество колошникового газа и более низкая его температура уменьшают количество уносимого с газом из печи тепла, способствуя экономии кокса. Наконец, увеличение производительности печи при обогащении дутья кислородом уменьшает потери тепла в расчете на единицу чугуна.

Наибольший эффект от кислородного дутья там, где выше развита степень прямого восстановления, ниже температура дутья и выше температура колошника, т.е. при выплавке доменных ферросплавов.

Уменьшение количества и понижение температуры колошникового газа, а также уменьшение потерь тепла с охлаждающей водой и в атмосферу в расчете на единицу сплава вследствие повышения производительности дают значительную экономию кокса.

Так, обогащение дутья кислородом на каждый 1% в диапазоне от 25 до 30% позволяет повысит производительность на 1,6-2,4%. Наилучшие результаты от применения кислорода достигаются при одновременном использовании природного газа.