§ 12. Методы интенсификации доменного процесса

‘ 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.

6*

83

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.