Интенсификация доменного процесса реферат

Обновлено: 05.07.2024

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. В условиях производства принято пользоваться обратной величиной – полезным объемом печи, затрачиваемым в течении суток на выплавку 1 т чугуна. Этот показатель называется коэффициентом использования полезного объема доменной печи и определяется как частное от деления полезного объема печи Vпол (м3) на суточную производительность печи Т (т) чугуна/сутки. Чем меньше этот показатель, по абсолютному значению, тем интенсивнее протекает процесс, интенсивнее ход доменной печи.

Увеличить интенсивность хода доменной печи можно двумя путями:

создание условий, при которых в горн доменной печи в единицу времени можно подать большее количество дутья, расходуемого на сгорание углерода горючего;

создание 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, 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 горючего.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем увеличения расхода дутья в единицу времени предполагает улучшение газодинамики процесса. 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.

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.

Основными методами интенсификации доменного процесса являются:

совершенствование способов подготовки и улучшение качества сырых материалов;

высокотемпературный нагрев дутья;

обогащение дутья кислородом;

вдувание в горн углеводород содержащих добавок;

повышение давления газов в рабочем пространстве доменной печи.

Наиболее важной по своему значению является подготовка сырья к плавке. Ни один из методов интенсификации доменного процесса, перечисленных в п. 2 – 7, не может дать максимального эффекта при плохом качестве сырья.

Впервые нагретое дутье в доменном производстве применили в 1829 г. Несмотря на сравнительно невысокий нагрев дутья (150 С), показатели работы печи значительно улучшились: относительный расход горючего уменьшился на 30 %, производительность печи возросла, появилась возможность увеличить количество дутья. При этом расход горючего на нагрев дутья был намного ниже полученной экономии. Впоследствии применение более нагретого дутья (350 – 400 С) на коксовых доменных печах позволило уменьшить относительный расход кокса на 25 – 35 %. В настоящее время дутье нагревают до1100 – 1200 0 С и выше.

За всю историю существования доменного производства ни одно мероприятие не дало такого снижения расхода горючего, как применение нагретого дутья.

Естественная влажность воздуха колеблется в значительных пределах как в течении суток, так и по временам года. Колебания влажности дутья вызывают изменения в тепловом и температурном режиме горна и в ходе восстановления, что нередко приводит к расстройствам хода печи, ухудшая технико-экономические показатели.

Устранить колебания естественной влажности можно двумя способами: осушением дутья и увлажнением дутья в таких пределах, чтобы влажность его была несколько выше естественной, но постоянной во времени.

Обогащение дутья кислородом

При обогащении дутья кислородом изменяются следующие показатели:

Уменьшается расход дутья на единицу сжигаемого у фурм углерода.

Уменьшается количество горнового газа на единицу сжигаемого у фурм углерода.

Повышается концентрация оксида углерода в горновом газе.

Значительно возрастает температура в зоне горения.

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.

Вдувание в горн природного газа и других добавок к дутью

При вдувании природного газа в количестве 70 – 90 м3 на 1 т чугуна расход кокса уменьшается на 10 – 14 %. Экономия кокса при вдувании природного газа достигается за счет:

Увеличения непрямого и уменьшения прямого восстановления.

Замены части углерода кокса углерода природного газа.

Уменьшения прихода серы в печь, основности и выхода шлака вследствие уменьшения расхода кокса, вызываемого первыми двумя факторами.

Комбинированное дутье. Комбинированным принято называть дутье, включающее добавки как в виде окислителей (кислород, пар), так и восстановителей (природный газ, коксовый газ, мазут пылеугольное топливо и др.). Наибольшее распространение получило сочетание обогащения дутья кислородом с вдуванием природного газа.

Основной положительный эффект при вдувании природного газа состоит в значительном сокращении расхода кокса, а при обогащении дутья кислородом – в увеличении производительности печи. Но достижение возможного эффекта при вдувании природного газа ограничивается его отрицательными сторонами – увеличением количества горнового газа с понижением температуры в горне, а достижение возможного эффекта обогащенного кислородом дутья ограничивается, наоборот, чрезмерным повышением температуры в горне.

Повышение давления газа. Идея работы доменной печи на повышенном давлении газов была выдвинута с целью улучшения восстановительной способности газов. Однако положительное действие повышенного давления проявляется не в улучшении восстановительной способности газов, а в улучшении газодинамического режима доменной печи, при котором возможно значительное повышение производительности и снижение расхода кокса. Повышение давления газа внутри доменной печи достигается путем пережима струи газа при помощи специального дроссельного устройства, установленного в газопроводе очищенного от пыли газа. Положительное действие повышенного давления газа заключается в том, что с увеличением давления уменьшается объем газа и его скорость, вследствие чего уменьшаются подъемная сила газа и перепад давления газа между горном и колошником. Это позволяет увеличивать массовое количество дутья, не превышая его критического объема.

Основным продуктом доменного производства является чугун. Исходя из химического состава и назначения различают: передельный, литейный и специальный чугуны. Около 80% выплавляемого чугуна приходится на передельный чугун, который отличается повышенной твердостью, хрупкостью и используется в основном для производства стали.

Литейный чугун характеризуется повышенным содержанием кремния, который способствует выделению углерода в виде графита. Он обладает хорошими литейными свойствами и применяется для изготовления различных деталей. Разновидностью литейных чугунов являются природно-легированные чугуны, получаемые из железных руд, содержащих ванадий, хром, никель. Эти элементы при плавке переходят в состав чугуна и улучшают его свойства. Эти чугуны являются хорошим конструкционным материалом. Специальные чугуны или ферросплавы - это сплавы с высоким содержанием одного или двух неосновных их компонентов (железа и углерода). Например, ферросилиций, ферромарганец. Ферросплавы применяют в качестве добавок при производстве различных сортов высококачественных сталей.

В результате плавки, кроме чугуна, получаются побочные продукты: шлак, доменный газ, колошниковая пыль. Они получаются в очень больших количествах и при рациональном использовании представляют значительную ценность. Доменный шлак используется в строительстве для изготовления шлакобетонных блоков и шлаковаты. Большая его часть гранулируется и служит сырьем для изготовления цемента. Доменный газ после очистки его от пыли используется в основном непосредственно в доменных цехах в воздухонагревателях и для работы воздуходувных машин Колошниковая пыль улавливается и используется при производстве агломерата.

Основными показателями, характеризующими работу доменной печи, являются производительность коэффициент использования полезного объема печи (КИПО), удельный расход кокса.

Производительность доменной печи оценивается массой чугуна (в тоннах) производимого в сутки или за год, и зависит от эффективности работы печи (от КИПО).

КИПО (К) представляет собой отношение полезного объема печи в кубометрах (Y) к средней суточной производительности печи (Q.) К =Y /Q. Чем меньше КИПО, тем выше производительность печи. На передовых заводах он достигает 0,5—0,7

Удельный расход кокса - важнейший показатель доменной плавки, характеризует экономичность работы доменной печи. Он показывает степень использования теплоты сгорания топлива, подготовки сырья к плавке и отражает мастерство ведения доменного процесса. В лучших доменных печах он составляет 360-400 кг на 1 тонну чугуна.

По этим показателям оценивают работу доменной печи с технической стороны. Для экономической оценки результатов работы коллективов доменных цехов пользуются такими показателями как: производительность труда, и себестоимость чугуна.

Производительность трудаопределяется объемом годовой выплавки чугуна, приходящимся на одного рабочего.

В себестоимости чугуна учитываются стоимость материалов, живого труда и амортизация основных фондов. Основную долю себестоимости чугуна составляет стоимость сырьевых материалов и топлива (более 92%). Поэтому основной путь снижения себестоимости чугуна- уменьшение расхода сырьевых материалов и кокса.

Интенсификация доменного процесса осуществляется двумя путями:

1) за счет непрерывного увеличения мощности доменных печей и совершенствования их конструкции;

2) за счет улучшения качества шихтовых материалов.

Увеличение производительности мощности доменных печей можно добиться следующими способами:

а) за счет повышения температуры воздуха горячего дутья, его обогащения кислородом и влагой;

б) применения природного газа;

в) внедрение принципиально новой технологии работы доменных печей с вдуванием горячего восстановительного газа, а также угольной пыли. Использование такой технологии может обеспечить повышение производительности печей на 25-30%.

Улучшение качества шихтовых материалов достигается за счет дальнейшего обогащения руд. Железорудное сырье, поступающее на плавку содержит 65-67% железа. Увеличение содержание железа только на 1%позволяет увеличить объем выплавки чугуна на 2-2,5% и на 1,5-3 % снизить расход кокса.

‘ Повысить производительность доменной печи можно следующими методами: 1) улучшением подготовки и ка – г чества сырых материалов; 2) повышением температуры дутья; 3) увлажнением дутья или поддержанием влаж­ности дутья на одном уровне; 4) вдуванием природного газа одновременно с повышением температуры дутья и обогащением дутья кислородом; 5) обогащением дутья кислородом; 6) вдуванием угольной пыли и мазута; 7) повышением давления газов под колошником домен­ной печи.

Улучшение подготовки и качества сырых материалов

Основные мероприятия в области подготовки сырья должны быть направлены на повышение прочности агло­мерата, отсев мелких фракций, улучшение однородности гранулометрического состава, обеспечение постоянного среднего химического состава сырья. Повышение содер­жания железа в сырье на 1 % сопровождается повыше­нием производительности печи на 2,5 % и снижением расхода кокса на 1,5—2,0 %. Замена обычного агломе­рата офлюсованным позволяет исключить из шихты до­менной печи известняк. Снижение расхода известняка на 100 кг/т чугуна приводит к снижению расхода кокса на 3 %• Понижение содержания мелочи в шихте улучша­ет газопроницаемость столба шихтовых материалов и обеспечивает более равномерный ход газов в шахте печи. Уменьшение содержания мелочи в агломерате на 10 % приводит к увеличению производительности доменной печи на 10 %• Немаловажное значение имеет и улучше­ние качества кокса. Чем прочнее кокс, тем лучше рабо­тает печь. Необходимо принимать меры к снижению со­держания в коксе золы и серы. Каждый килограмм се­ры, выведенный из состава шихты, дает экономию ~17—20 кг кокса, а снижение содержания серы в кок­се на 1 % приводит к уменьшению его расхода на 2,5 % и на столько же повышает производительность печи.

Применение высоконагретого дутья

Впервые нагрев дутья в доменной плавке применили в 1829 г. Первоначально дутье подогревали лишь до 1500C. По мере развития конструкций воздухонагрева­телей температура дутья постепенно повышалась и в на­стоящее время достигла 1350 °С. Повышение температу­ры дутья является одним из самых действенных факто­ров по снижению расхода кокса. С горячим дутьем в доменную печь поступает большое количество физичес­кого тепла. Это заменяет тепло, которое получают от сжигания кокса. Причем для создания такого количества тепла в горне доменной печи, которое вносится с возду­хом, необходимо было бы получить тепла от сжигания топлива больше, чем вносится с дутьем, так как при сжигании топлива образуются газы, которые, уходя из доменной печи, уносят часть тепла. В то же время тепло дутья практически полностью используется на прямое восстановление элементов, перевод серы в шлак и нагрев чугуна и шлака.

В свою очередь уменьшение расхода кокса снижает количество образующегося шлака благодаря уменьше­нию количества золы кокса и расхода флюса на ее ошла – кование. Чем меньше количество шлака, тем меньше расход тепла на его образование и нагрев, на испарение влаги и ошлакование серы, так как их меньше вносится коксом.

При повышении температуры дутья от 1000 до 1200 0C расход кокса снижается на 4,5 %. В ближайшее время ставится задача повысить температуру дутья до 1250— 14000C, что потребует разработки новых конструкций воздухонагревателей и более стойких огнеупоров.

Обогащение дутья кислородом

Первые работы в мире по обогащению доменного дутья кислородом были проведены в СССР под руководством акад. И. П, Бардина.

С повышением содержания кислорода в дутье увели­чивается количество сжигаемого кокса и материалов, проплавляемых в единицу времени, вместе с тем умень­шается количество тепла, выносимого с балластным азо­том из горна печи. Температура в горне значительно повышается, улучшается отдача тепла от горновых газов шихте и газы приходят к колошнику печи более холод­ными. При обогащении дутья кислородом можно увели­чить общее количество дутья, подаваемого в печь в единицу времени, что будет способствовать повышению производительности печи. Однако только обогащение дутья кислородом эффективно лишь при выплавке до­менных ферросплавов, так как высокая температура в горне печи обеспечивает преимущественное развитие процессов прямого восстановления трудновосстановимых оксидов, что ограничивает повышение температуры н горне. Высокая газопроницаемость шихты благодаря бо­лее высокому расходу кокса при выплавке ферроспла­вов позволяет значительно форсировать ход печи.

При выплавке передельных чугунов в результате рез­кого повышения температуры в горне проходимость га­зов через слои шихты снижается. Кроме того, при темпе­ратуре ~20000C происходит интенсивная возгонка монооксида кремния SiO. Он конденсируется в зонах с более низкой температурой в виде тонкодисперсных час­тиц, уменьшающих газопроницаемость шихты. При по­вышении содержания кислорода в дутье на 2—3 % печь работает хуже. Повышение концентрации кислорода в дутье >23—24 % при выплавке передельного чугуна со­провождается замедлением плавки и подвисанием ших­ты. Для устранения этих нежелательных явлений и по­вышения производительности печи необходимо с дутьем вдувать добавки, понижающие температуру в горне. При этом возможно довести содержание кислорода в дутье до 35%. Такими добавками являются природный газ и мазут. При увеличении содержания кислорода в дутье до 30% производительность печи повышается на 10%, а расход кокса уменьшается на 9 %.

На Новолипецком металлургическом комбинате со­держание кислорода в дутье доведено до 35 % (209м3/т), расход природного газа составляет 150 м3/’т.

Вдувание в печь природного газа

Самой дорогой составляющей шихты доменного про­цесса является кокс. На долю кокса приходится 40— 50 % себестоимости передельного чугуна. Наиболее эф­фективным методом снижения расхода кокса является применение природного газа. Вдувание его в горн через фурмы вместе с нагретым дутьем получило наибольшее распространение. Природный газ состоит в основном из метана CH4 (>90 %). При попадании в зону высокой температуры метан разлагается по реакции CH4=C+ +2Н2. Углерод сгорает: 2С + 02=2С0 и суммарная ре­акция сгорания природного газа может быть выражена уравнением 2СН4+02 = 2С0+4Н2. В результате этой реакции горновой газ обогащается восстановительными газами. При сжигании природного газа возрастает коли­чество доменных газов, если сравнивать в пересчете на 1 кг углерода, что затрудняет опускание шихты в домен­ной печи. Использование природного газа приводит к понижению температуры горения у фурм. Само по себе использование природного газа в доменной печи не при­водит к заметному повышению производительности до­менной печи. Для получения необходимого эффекта вду­вание природного газа должно сопровождаться либо повышением температуры дутья, либо обогащением дутья кислородом. Эффективность использования при­родного газа в доменной печи заключается в увеличении содержания восстановителей в доменном газе, повыше­нии доли реакций косвенного восстановления оксидов, что обеспечивает снижение расхода кокса.

Наибольшая доля в экономии кокса получается от увеличения косвенного восстановления благодаря повы­шению содержания водорода в горновых газах. Если при обычном дутье участие водорода в косвенном восста­новлении составляет 7—9 %, то при вдувании природно­го газа оно возрастает до 25—30 %. Применение комби­нированного дутья, состоящего из воздуха, обогащенного кислородом, и природного газа, решает проблемы, воз­никающие при использовании природного газа и кислоро­да по отдельности. Так, применение природного газа со­провождается увеличением количества горнового газа с понижением температуры в горне, а обогащение дутья кислородом ограничивается, наоборот, чрезмерным по­вышением температуры в горне. При этом объем горно­вого газа уменьшается. Совместное же применение этих двух интенсификаторов позволяет усилить положитель­ный эффект каждого из них и взаимно компенсировать их недостатки. Однако необходимо строго регламентиро­вать расход природного газа и кислорода с учетом дру­гих условий работы печи (качество сырья, нагрев и влажность дутья и т. п.). Для сохранения ровного фор­сированного хода печи на каждый кубический метр вду­ваемого природного газа повышают расход кислорода на 1,6—2,0 M3j при этом расход дутья уменьшают на 1,5—1,8 %• Расход природного газа на дутье обогащен­ным кислородом до 30% составляет —150—200 м3/т чугуна.

Использование мазута и каменноугольной пыли

На многих доменных печах через воздушные фурмы при помощи форсунок с успехом вдувают в печь мазут. Расход мазута составляет 60 кг/т чугуна. Это топливо вызывает в доменном процессе те же изменения, что и природный газ. При горении мазута в печь вносится больше тепла, чем при горении природного газа, углерод мазута заменяет часть углерода кокса, водород усилива­ет косвенное восстановление оксидов. Использование мазута повышает производительность доменных печей на 2 % и снижает расход кокса на 10—12 %•

Более перспективным методом является вдувание в печь каменноугольной пыли. Количество пыли, вводимой в печь, составляет 60—80 кг/т чугуна, что понижает рас­ход кокса примерно на такое же количество. Вдувание угольной пыли требует разработки процессов ее подго­товки: измельчения, осушения, транспортировки. Еще более эффективным средством снижения расхода кокса является совместное применение природного газа и угольной пыли.

Повышение давления газов в печи

Этот способ интенсификации был впервые предложен инженером П. М. Есманским в 1915 г., но долгое время он не использовался, а только в 1941 г. по инициативе И. И. Коробова (директора завода им. Петровского) были начаты промышленные опыты. В настоящее время этот способ широко используется на заводах СССР. По­вышение давления газа в печи значительно увеличивает производительность печи и несколько снижает расход кокса.

Для повышения давления газа в доменной печи ис­пользуется специальное дроссельное устройство на газо­проводе очищенного колошникового газа. Это позволяет увеличить количество воздуха, подаваемого в печь. Как известно, увеличение расхода дутья означает более фор­сированный ход доменной печи, более быстрое проплав – ление материалов, увеличение суточной выплавки чугу­на. Расход кокса снижается потому, что улучшается ис­пользование газов в печи. При повышении давления объем газов уменьшается, снижается скорость их движе­ния, что приводит к увеличению длительности пребыва­ния газов в печи и уменьшению потерь напора — пере­пада давления при прохождении газа через столб ших­ты. До перехода на повышенное давление печи работали форсированно, скорость газов в печи была настолько ве­лика, что при дальнейшем ее увеличении нарушалось плавное опускание столба сырых материалов, возникали расстройства хода печи.

Повышение давления в печи можно иллюстрировать следующим примером: без повышенного давления на ко­лошнике давление газа составляло 110 кПа, при этом давление дутья у фурм составляло 230 кПа, т. е. пере­пад давления Др=р0Р—рк = 230—110=120 кПа.

При повышении давления газа под колошником печи до 250 кПа стало возможным повысить давление дутья у фурм до 350 кПа, т. е. на 40 %, при этом перепад дав­ления даже уменьшился: Др = 350—250=100 кПа.

Кроме повышения производительности печи и сниже­ния расхода кокса, повышение давления способствует уменьшению выноса пыли вследствие снижения скоро­сти газов на колошнике. В настоящее время новые печи работают с давлением газа на колошнике >250 кПа, что позволило повысить их производительность на 4—15 % и снизить расход кокса на 3—7 %, при этом вынос пыли уменьшился на 20—50 %•

Совершенствование методов управления процессом

Современная доменная печь является высокомехани­зированным агрегатом. Управление многими процессами автоматизировано и осуществляется без вмешательства человека. Так, работой доменной печи № 9 объемом 5000 м3 Криворожского завода управляет вычислитель­ная машина.

Для дальнейшей интенсификации процесса перспек­тивным методом является автоматизация управления распределения материалов на колошнике. Вычислитель­ная машина управляет по программе работой вращаю­щегося распределителя шихты.

Дутье и природный газ автоматически распределяют­ся по фурмам, регулируется соотношение дутье — при­родный газ. При совершенствовании распределения дутья по окружности печи производительность печей уве­личивается на 2—4 % и расход кокса снижается на 1— 3 %•

Недостатком систем распределения дутья по фурмам является низкая стойкость дроссельных клапанов, кото­рые при температуре дутья 12000C требует замены че­рез два—три месяца работы. Необходимо изыскивать более жаропрочные материалы для конструкции клапа­нов. В настоящее время можно ставить задачу комп­лексной автоматизации всего доменного процесса; при­менение ЭВМ позволит управлять также и тепловым режимом печей.

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 о С 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 о С повышение его нагрева на 100 °С дает снижение расхода кокса на 11—16 %, а при температуре дутья 800 о С — 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 м 3 воздуха (8 г/м 3 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 о С на каждый грамм влаги в 1м 3 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/м 3 , а в нашей стране многие годы применяли увлажнение дутья до 25—30 г/м 3 (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/м 3 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:

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 м 3 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 м 3 /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 (м 3 /т чугуна) составляет 0,7—1,0 кг/м 3 .

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 м 3 /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 м 3 • 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 м 2 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/(м 3 сут). Интенсивность доменной плавки, вычисленная таким способом, достигает значений 0,95—1,25 т углерода в сутки на 1 м 3 объема печи.

Количество сожженного топлива в тоннах на 1 м 2 площади горна составляет обычно 20—25 т/(м 2 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 м 3 в минуту на 1 м 3 объема печи. Выход шлака составляет 300—600 кг/т, выход колошникового газа равен 120—200 м 3 на 1 м 3 объема печи в час (1400— 2000 м 3 /т).

Читайте также: