Кокса при различной темпера­туре дутья

9-3810

снижение расхода кокса на 11—16 %, а при температуре ду­тья 800 °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 (рис.47).

Особо важно увеличивать нагрев дутья при вдувании в горн печи углеводородов (природного газа и мазута), вызы­вающих понижение температур в горне.

2. Увлажнение дутья

Дутье (воздух) всегда содержит некоторое количество вла­ги, причем естественная влажность воздуха в разные перио­ды времени колеблется в широких пределах от 3 до 40 г на 1 м³ воздуха (8 г/м³ соответствует 1 % по объему). Попа­дающая в горн влага разлагается углеродом: Н₂0 + С = СО + + Н₂ — 124870 Дж. 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 горна, надо повысить нагрев дутья на 5—6°С на каждый грамм вла­ги в 1 м³ дутья.

Колебания влажности дутья вызывают колебания в темпе­ратурном режиме горна и в ходе восстановления, что неред­ко приводит к расстройствам хода печи. Для устранения колебаний естественной влажности ранее за рубежом в небольшом масштабе применяли осушение дутья до содержания влаги 3—3,5 г/м³, а в нашей стране многие годы применяли увлажнение дутья до 25—30 г/м³ (3—4 % к объему дутья). При таком кондиционировании дутья по влаге достигается более ровный ход печи; кроме того, вследствие ровного хода, 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 порядка 10—20 г/м³ за счет добавок к дутью водяного пара.

3. 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 (~ 0,1 МПа). 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 ОД—0,23 МПа или с абсолютным давлением - 0,2—0,33 МПа (давление в горне выше давления на колош­нике на величину Ар, равную 0,11—0,19 МПа, см. п. 3,

§7).

О целесообразности повышения давления газов в доменной печи впервые высказался инж. П.М.Есманский еще в 1915 г. Он считал, что увеличение давления газа в печи должно способствовать развитию процессов восстановления, так как при этом реакция С0₂ + С = 2СО сдвигается в сторону уве­личения содержания С0₂, т.е. в сторону косвенного восста­новления.

Однако более важным оказалось то, что повышенное дав­ление позволило увеличить расход дутья и благодаря этому повысить производительность печей.

Работа доменных печей с повышенным давлением газов бы­ла освоена на Магнитогорском металлургическом комбинате в 1450 г., после чего печи всех заводов были переведены на такой режим. Повышение давления газов достигается уста­новкой на газопроводе очищенного доменного газа специаль­ного дроссельного устройства, уменьшающего сечение газо­отвода. Такое уменьшение сечения (пережим струй газа) вызывает рост давления на всем пути движения газа до дроссельного устройства и в том числе на колошнике и в

объеме всей печи.

Дроссельное устройство располагают после газоочистки (устройств, очищающих газ от пыли), чтобы предотвратить его быстрый абразивный износ частицами пыли газа.

Чем вызвано повышение производительности печи при по­вышении давления газов? Поясняя это, следует напомнить, что 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 состоящие, нарушая ровный сход шихты, а показатель режима движения газов — перепад давления Ар (см. п. 3, § 7) между горном и колошником (потеря давления на трение) становится боль­ше критического.

Если увеличить давление в печи, то в силу известного соотношения между давлением и объемом газа р • V - const объем газа уменьшается. Поэтому снижается скорость движе­ния газов в печи и, соответственно, уменьшаются силы тре­ния их о шихту, величина потери давления на трение, т.е. Ар. Иначе говоря, режим движения газов отдаляется от кри­тического. Это позволяет при новом, большем давлении в печи увеличить расход дутья без нарушения при этом ровно­го схода шихты (расход можно увеличивать до тех пор, пока перепад давления Ьр не приблизится к прежнему уровню — несколько ниже критического). 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 распределения его сокращается расход кокса, а уменьшение скорости газа на колошнике приводит к снижению выноса пы­ли. Это позволило увеличить производительность печей на 5—15%, снизить расход кокса на 3—5% и сократить вынос пыли на 20-50%.

4. Обогащение дутья кислородом

О целесообразности обогащения дутья кислородом еще в 1869 г. высказывался Д.И.Менделёев, а в 1876 г. — Г.Бес­семер. Практическая реализация этой идеи стала возможной лишь в 30—40-х годах нашего столетия, когда появились достаточно крупные машины для разделения воздуха на кис­лород и азот. Полупромышленные опыты по применению кисло­рода в доменном производстве были проведены в 1932—1933гг., а промышленные— в 1939-1941 гг. Современ­ный способ получения газообразного кислорода описан во II части учебника (§ 3, гл. 2).

В настоящее время при выплавке передельного чугуна применяют обогащенное дутье с содержанием кислорода не

(юлее 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 горновых 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.

Для иллюстрации сказанного выше приведем результаты расчета показателей горения кокса (на 1 кг углерода) в горне при температуре дутья 1000 °С (примеры выполнения подобных расчетов приведены в п. 2, § 7):

Содержание кислорода в дутье, ", Потребность в дутье, м3 ... Выход горновых газов, м3 . . Теоретическая температура горе­ ния, «С ...................................... 2120 2280 2480 2860

Содержание СО в газе у фурм, % 35,0 40,0 46,2 57,1

Основным преимуществом обогащенного 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 в преде­лах от 21 до 24-25% каждый дополнительный 1% 0₂ в дутье может дать повышение производительности на 2-3%. Кроме того, повышение концентрации СО в газах увеличивает сте-

пень косвенного восстановления оксидов железа, способст­вуя 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 температур в горне, в нем, как ранее отмечалось, восстанавливается больше крем­ния и марганца, сильнее также 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, т.е. 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, их подвисанию и последующим осадкам. Подвисаниям способствует также снижение газопро­ницаемости шихты, вызываемое тем, что при повышенных тем­пературах в горне происходит возгонка монооксида кремния SiO, который конденсируется в зонах с температурами ниже 1600 °С, заполняя пустоты между кусками шихты и препятст­вуя проходу по ним газов. По этим причинам уже при содер­жании кислорода в дутье 23-25 %, как правило, начинаются нарушения ровного схода шихты. Это не позволяет вести плавку передельного и литейного чугуна на дутье, обогаще­нном кислородом выше 24—25 % без использования других до­бавок к дутью.

Указанные недостатки обогащения дутья кислородом можно значительно уменьшить, если в печь дополнительно вдувать газообразные или жидкие углеводороды (см. ниже).

Эффективным оказалось применение обогащенного кислоро­дом дутья на печах, выплавляющих ферромарганец. При его выплавке на воздушном дутье наблюдается перегрев верха печи (см. п. 2 § 3), и для восстановления марганца необ­ходимо много тепла и высокие температуры в горне и в районе горна. Обогащение дутья кислородом вызывает необ­ходимое в этом случае перераспределение температур — верх печи охлаждается, а тепло концентрируется в горне. При обогащении дутья кислородом до 30—35 % достигается увели-

чсние производительности печи примерно в два раза и сни­жение расхода кокса на 15-25%.

5. Вдувание в горн углеродсодержащих веществ

С целью снижения расхода дорогого и дефицитного кокса в последние годы на всех печах в горн вдувают газообразные или жидкие углеводороды и иногда измельченный уголь. Их подают через фурмы в зоны горения кокса. Наиболее широко применяется природный газ.

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

СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂ + 37250 Дж.

При этом, помимо экономии кокса как топлива (замены части кокса природным газом), обеспечивается значительное повы­шение степени косвенного восстановления за счет участия в нем образующегося водорода, содержание которого в горно­вом газе возрастает до 8-15 % и более. Это увеличение до­ли косвенного восстановления и снижение тем самым доли прямого также ведет к снижению расхода кокса. Положитель­ным является также то, что благодаря снижению расхода кокса уменьшается количество серы, вносимой коксом, и уменьшается выход шлака в связи с уменьшением количества поступающей в печь золы 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 зоне горения и в горне (причины этих изменений описаны в раз­деле "Процессы в горне", § 7).

Для поддержания прежнего нормального теплового состоя­ния горна при вдувании природного газа увеличивают, если jto возможно, температуру дутья с учетом того, что добав­ка 1м³ газа на 1т чугуна требует повышения температуры дутья на 4°С; уменьшают также влажность дутья, что ведет к росту температур в горне. Увеличение объема горновых газов вызывает рост скорости движения газов в печи и, соответственно, величины перепада давления Lp между гор-

ном и колошником. Поэтому после повышения расхода природ­ного газа до определенного уровня начинаются нарушения ровного схода шихты. Если печь работала на предельном ко­личестве дутья (см. п. 3 § 7), то, начиная вдувание при­родного газа, снижают расход дутья с целью сохранения ус­ловий нормального опускания шихты. Таким образом, наруше­ние газодинамических условий в печи и снижение температу­ры горна ограничивают количество вдуваемого природного газа. Лучшим способом преодоления отрицательных последст­вий применения природного газа является добавка к дутью кислорода, что описано ниже (см. п. 6).

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

Вдувание мазута. Мазут, состоящий из сложных угле­водородов С_тН„, 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 измельченного 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. Теплота сгорания угля зависит от количества в нем углерода, поэтому сле-

дует применять угли-с высоким содержанием углерода. Для компенсации снижения температуры в горне при вдувании пылевидного угля повышают температуру дутья, содержание в нем кислорода и понижают влажность дутья; кроме того, измельченный уголь подвергают предварительной сушке. При­меняемые угли должны быть малосернистыми, поскольку сера угля переходит в чугун; угли должны также содержать мало золы, которая увеличивает количество шлака.

Вдувание пылевидного угля начало широко применяться после 1985 г. 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.

6. Комбинированное дутье

Из материалов предыдущих разделов следует, что такие спо­собы интенсификации доменной плавки как обогащение дутья кислородом или вдувание природного газа имеют существен­ные недостатки — при увеличении расхода кислорода и при* родного газа сверх определенной величины работа доменной печи расстраивается (нарушается ровный сход шихты). 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:

Добавка к дутью.................... 0₂ СН₄ (мазут)

Объем продуктов горения Уменьшается Увеличивается Температура в зоне горения Увеличивается Уменьшается Температура в верху печи Уменьшается Увеличивается Перепад давлении между гор­ ном и колошником .... Уменьшается Увеличивается

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.

Теоретические соображения и опыт показывают, что для достижения высокой экономической эффективности комбиниро­ванного дутья необходимо на каждый дополнительный куби­ческий метр кислорода вдувать около 0,65 м³ природного газа или около 0,4 кг мазута. При этом обеспечивается экономия кокса, составляющая около 1,1 кг его на 1 кг мазута и около 0,8 кг на 1 м³ природного газа, а прирост производства чугуна на 1 м³ дополнительного кислорода составляет 0,8—1,0 кг или же увеличение концентрации кис­лорода в дутье на 1 % ведет к повышению производительнос­ти печи ~ на 2 %.

В настоящее время доменные печи работают с расходом природного газа до 130—160м³/т чугуна при обогащении дутья кислородом до 30—35%. При этом экономия кокса до­стигает 20—25 %, а повышение производительности печи 15— 25 % и более.