Интенсификация процесса выплавки чугуна

Категория:
Выплавка чугуна


Интенсификация процесса выплавки чугуна

Определяющим условием интенсификации процесса выплавки чугуна в крупных доменных агрегатах является высокое качество шихтовых материалов. При проплавке в мощных доменных печах повышенные требования предъявляют к таким его характеристикам как крупность, прочность в холодном и горячем состоянии, восстановимость железорудных материалов и их поведение в высокотемпературной зоне печи. Каждое из этих свойств по своему проявляется в различных условиях доменной плавки, в большей или меньшей мере лимитируя процесс.

Как отмечалось выше, роль кокса в современных доменных печах проявляется главным образом в нижней их части, где через коксовую насадку стекают чугун и шлак. Аэродинамические условия и газодинамический режим при этом во многом зависят от наличия в коксе мелких частиц (фракций < 20-25). В то же время при определенных параметрах дутьевого режима скорость газа на колошнике достигает таких значений, при которых кокс может переходить в псевдоожижен-ное состояние. В этом случае может происходить самопроизвольное перераспределение материалов в печи за счет сдвига рудной части шихты в зону с кипящим слоем, что нарушает ход печи. В связи с этим для мощных доменных печей повышенные требования предъявляют как по крупности кокса, так и по его прочности.

На рис. 1 приведены зависимости газопроницаемости насыпных масс кокса от его крупности, полученные Шатохой И.З. и Бокланом Б.В. путем определения потерь напора при продувке воздухом через насыпные массы кокса разного фракционного состава. Из рисунка видно, что градиент увеличения потерь напора газа начинает наиболее резко возрастать при крупности кокса менее 20-25 мм.

Качество кокса оказывает существенное влияние на работу горна и расположение в печи пластичной зоны. На рис. 2 приведена схема процессов, протекающих в печи при работе на коксе разного качества. Ухудшение прочностных свойств кокса и содержания в нем мелочи сокращает длину разрыхленной зоны в фурменных очагах, растягивает вниз уплотненный слой кокса, снижает высоту пластичной зоны и наоборот увеличивает высоту малоподвижного слоя кокса в центре печи. Таким образом, сужается зона свободно перемещающегося кокса и развивается периферийный поток газа. Нарушается стабильность теплового режима доменной плавки, ухудшаются условия фильтрации чугуна и шлака через коксовую насадку, что отрицательно влияет на режим отработки продуктов плавки. Видно, что кокс играет важную роль в интенсификации процесса, особенно в мощных доменных печах. В ряде случаев низкое качество кокса является определяющим фактором, так как не позволяет обеспечить оптимальное газораспределение в печи, хорошую дренажную способность горна и стабильный выпуск продуктов плавки.

Рис. 1. Изменение газопроницаемости, насыпной плотности кокса (АР) в зависимости от его фракции при различном числе оборотов барабана

Рис. 2. Схема расположения пластичной зоны в зависимости от качества кокса: а – качественный кокс; 6 – некачественный

Другим не менее важным фактором интенсификации доменной плавки является качество железорудного сырья и прежде всего содержание в нем мелких частиц (< 5 мм), резко снижающих порозность шихты. Увеличение мелочи в шихте даже на печах небольшого объема существенно ухудшает показатели доменной плавки. При этом не только снижается степень ее форсировки, но и ухудшается использование восстановительнойспособности газа.

Значительно в большей мере отрицательное влияние мелких частиц железорудного сырья проявляется на доменных печах большого объема.-Это связано с тем, что наличие мелочи, наряду с резким ухудшением газопроницаемости слоя шихты, в мощных агрегатах осложняет формирование рациональной структуры столба материалов, а также создает предпосылки для перехода части шихтовых материалов во взвешенное состояние в осевой наиболее открытой зоне, необходимость в которой возрастает с ростом объема доменных печей. Максимальное количество мелочи содержится в агломерате, как наименее прочном из применяемых железорудных материалов ввиду характерной его структуры. Дробление и стабилизация агломерата с многократным отсевом мелочи позволяет обеспечить высокие физико-механические свойства, однако, при этом существенно уменьшается выход годного агломерата, что ухудшает экономические показатели агломерационного производства и не всегда окупается повышением эффективности доменной плавки.

В связи с этим фирмой “Син ниппон сэйтэцу” разработан способ частичного использования в доменной плавке мелких фракций агломерата (6,5-3,0 мм), с отдельной их загрузкой в печь от основных материалов. Этот способ применили на мощной доменной печи 4407 м3 завода в Явате, оборудованной бесконусным загрузочным устройством. Радиальное распределение шихты приведено на рис. 3.

Рис. 3. Радиальное распределение шихты: К – кокс; Рк – крупный агломерат; Рм -мелкий агломерат

При такой загрузке ход печи оставался стабильным, а содержание кремния в чугуне снизилось с 0,45 до 0,25%. Доля мелочи, поступающей на склад, уменьшилась с 12 до 8,5%. Хорошая подготовка доменного сырья создает предпосылки для эффективного применения других интенсификаторов доменной плавки, из которых на мощных доменных печах наибольшее распространение получили повышение давления газа на колошнике и применение комбинированного дутья.

Практически все крупные доменные печи работают с высоким избыточным давлением газа на колошнике (до 250 кПа, а в отдельных случаях – до 275 кПа). Уменьшение сопротивления газов при увеличении их давления в печи можно использовать как для форсирования плавки, так и повышения ровности схода шихтовых материалов и степени использования химической и тепловой энергии газового потока. Кроме того, с увеличением давления газов ускоряется протекание процессов непрямого восстановления, особенно при использовании мелкопористых железорудных материалов.

Особенности применения высокого давления газа на колошнике мощных доменных печей проявляются прежде всего в его влиянии на газораспределение. Поскольку доменные печи большого объема, как правило, работают с открытым центром, то скорость газа в этой зоне высокая и велика вероятность перехода материалов во взвешенное состояние. Увеличение давления на колошнике снижает скорость газа и его подъемную силу, что повышает устойчивость хода доменной плавки.

В работе описаны исследования влияния повышенного давления колошникового газа на работу горна мощной доменной печи 5000 м3 комбината “Криворожсталь”. Установлено, что между давлением на колошнике, количеством дутья и его кинетической энергией должно выдерживаться определенное соотношение. Особенно это важно для печей большего объема, так как с повышением давления при прочих неизменных факторах уменьшается глубина окислительной зоны и создаются условия для периферийного потока газов.

На рис. 4 приведены данные об изменении протяженности окислительной зоны, полученные в исследованиях при работе печи в начальный период эксплуатации (1975-1976 гг.) с диаметром фурм 190 мм и в дальнейшем (1980-1981 гг.) с уменьшенным диаметром фу рм (165 мм). В первый период темп повышения давления колошникового газа относительно увеличения расхода дутья был значительно выше, чем во втором. Наряду с увеличением диаметром фурм это предопределило низкую кинетическую энергию дутья и скорость его истечения (63,7-83,3 кДж/с и 160 м/с). В результате протяженность окислительной зоны сократилась с 1,5-1,6 до 1,1 -0,9 м, а фокус горения приблизился к срезу фурм с 0,65-0,9 до 0,2-0,1 м, ухудшилась доставка газа из фурменных очагов к центру печи. Как следствие, получил развитие периферийный поток газа, что привело к преждевременному выходу из строя элементов охлаждения заплечиков и шахты, оползанием гарнисажа, загромождению горна и горению фурм.

Во второй период темп роста давления газа на колошнике уменьшился. Уменьшение диаметра фурм и более рациональное соотношение изменений расхода дутья и давления колошникового газа обеспечили увеличение кинетической энергии (102,0-107,8 кДж/с) и скорости истечения дутья (190 м/с). При этом протяженность окислительной зоны увеличилась до 1,3-1,6 м, а расстояние от среза фурм до фокуса горения – до 0,65-0,90 м. Улучшилась доставка газа к оси печи, о чем свидетельствовало снижение содержания СО в этой зоне. Таким образом, давление колошникового газа оказывает значительное влияние на формирование фурменных очагов горения и газораспределение в печи и его значение должно устанавливаться в тесной связи с параметрами дутьевого режима.

Рис. 4. Фактические величины соотношений расхода дутья – давления колошникового газа (а), расстояния до фокуса горения (б) и протяженности окислительной зоны (в) в периоды: 1 – 1975-1976 it.; 2- 1980-1981 гг.

С целью интенсификации процесса на крупных доменных печах все шире применяют нагретое обогащенное кислородом дутье, с одновре-мейкым вдуванием топливных добавок. В качестве топливных добавок в зависимости от наличия ресурсов используют природный газ, мазут, пылеугольное топливо. Эффективность вдувания различных топливных добавок существенно повышается при одновременном повышении температуры дутья или обогащении его кислородом. Особенно это относится к природному газу, требующему затрат тепла на раздоже-ние углеводородов. Вопрос о выборе оптимальных параметров комбинированного дутья является актуальным, при этом его необходимо рассматривать неразрывно с качеством доменного сырья.

Автором на основе расчетно-теоретического анализа показано, что в современных условиях доменной плавки при одинаковом качестве сырья повышение концентрации кислорода в дутье с одновременным увеличением расхода природного газа тем эффективнее, чем ниже температура дутья. Кроме влияния степени прямого восстановления железа и температуры колошникового газа такое явление в значительной мере обусловлено характером изменения теплоотдачи топлива в горне (рис. 5). При температуре дутья 1000-1200 °С суммарная теплоотдача углерода кокса, сгорающего у фурм, и вдуваемого природного газа по мере обогащения дутья кислородом растет, но рост ее замедляется; при температурах -1300 °С эта величина практически не меняется, а при достижении 1400 °С начинает уменьшаться.

Рис. 5. Теплоотдача углерода кокса, природного газа и суммарная при различных параметрах комбинированного дутья и температуре дутья, °С: 1 – 1000; 2-1 100; 3 – 1200; 4 – 1300; 5 – 1400

Рис. 6. Схема расположения зоны размягчения – плавления в доменной печи № 5 5500 м-1 ЧерМК: 1-7 – см. рис. 38; 8-9 – зонды, при работе без кислорода (пунктирная линия) и с обогащением дутья кислородом (сплошная линия)

При работе на сырье пониженного качества эффективность применения кислорода и природного газа в доменной плавке резко понижается. Опыт работы доменных печей ЧерМК при дефиците подготовленного сырья и использование в шихте бедной сырой руды и известняка, а также повышенном содержании мелочи в агломерате показал, что прирост производства чугуна на каждый дополнительный процент кислорода в дутье значительно ниже, чем обычно достигают в специальных доменных плавках на качественном сырье (2-3%), и составляет 0,8-1,0%. Резко снижается и коэффициент замены кокса природным газом.

Установлено, что в зависимости от наличия ресурсов кислорода и природного газа, а также критериев цели управления процессом степень компенсации кислорода природным газом можно изменить в широком диапазоне. При этом с улучшением качества сырья интервал возможных изменений степени компенсации кислорода природным газом расширяется. Применение кислорода на доменных печах большого объема имеет характерные особенности. Это связано прежде всего с необходимостью поддержания более высокой начальной температуры газа у фурм для обеспечения приемлемых температурных условий в осевой зоне печи, так как с увеличением диаметра горна фурменный газ при движении к центру печи охлаждается в большей мере. Значительное влияние оказывают параметры комбинированного дутья на расположение в печи зоны размягчения – плавления. Исследования, выполненные на доменной печи5500 м3, с использованием горизонтальных зондов, расположенных на двух уровнях ниже поверхности засыпи примерно на 4 и 7 м, показали, что зона размягченных материалов при работе без кислорода достигает уровня расположения нижних зондов в центральной и соседних кольцевых зонах. Поскольку на этом уровне температура газа в промежуточной и периферийной зонах составляла 800-900 °С, то можно полагать,что линия начала размягчения рудных материалов (с учетом их высокотемпературных свойств) находится ненамного ниже этих зондов (рис. 47, пунктирные линии).

Моделированием процесса установлено, что линия плавления рудных материалов смещена вниз, но при этом сохраняется достаточный по высоте коксовый канал для прохода фурменных газов к оси печи. Такое расположение линии плавления связано прежде всего с высокими температурами плавления агломерата ЧерМК и фильтрации расплава через коксовую насадку. Таким образом, зона размягчения -плавления рудных материалов оказалась растянутой по высоте печи, что отрицательно отразилось на газопроницаемости столба шихты. В этих условиях одним из путей сокращения протяженности пластичной зоны является обогащение дутья кислородом с невысокой степенью компенсации природным газом. Уменьшение выхода газов на единицу шихты с увеличением теоретической температуры горения понижает температуру газа в шихте печи. Кроме того, вдувание дополнительных углеводородов повышает степень непрямого восстановления FeO. Все это смещает вниз линию начала размягчения.

Исследованиями установлено, что при обогащении дутья кислородом до 25% с повышением теоретической температуры горения с 2150 до 2220 °С температура газа на уровне нижних зондов в периферийной и промежуточных зонах понизилась до 350-500 °С. Ход доменной печи стал более стабильным, повысилась газопроницаемость столба материалов, что позволило принять кислород без снижения расхода дутья. Прирост производительности и коэффициент замены кокса природным газом на мощной доменной печи оказались выше, чем на других печах. Установлено, что на крупных доменных печах применение комбинированного дутья имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при оптимизации процесса. В последнее время на ряде крупных доменных печей за рубежом в качестве заменителя кокса начали применять пылеугольное топливо.

Установлено, что большая часть угля сгорает в течение нескольких долей секунды на расстоянии до 1 м по длине окислительной зоны. При вдувании пылевидного угля содержание кислорода в горновом газе снижается быстрее, а максимальное значение его температуры приближено к устью воздушных фурм по сравнению с работой только на коксе (рис. 48). Тенденция эта усиливается с возрастанием количества вдуваемого угля. В результате температура горновых газов при приближении к центру печи понижается. В связи с этим при использовании пылеугольного топлива на крупных доменных печах необходимо принимать меры по увеличению начальной температуры горновых газов и их проникающей способности к оси печи для обеспечения нормального прогрева материалов в центральной зоне.

Результаты исследований были положены в основу разработок промышленной установки и технологии вдувания пылеугольного топлива на доменной печи № 1 4158 м3 в Оита. При вдувании угля получили наименьший расход топлива (446,7 кг/т) и кокса (394,4 кг/т) по сравнению с работой только на коксе (469,3 кг/т) и с вдуванием мазута (соответственно 456,6 и 422,0 кг/т).

Рис. 7. Распределение температуры горновых газов (а) и содержания кислорода (б) в них по оси воздушных фурм:

Применение интенсификаторов позволяет достигнуть на мощных доменных печах высоких показателей. Так, удельная производительность превысила 2,0 т/ (м3 • сут), а суммарный расход топлива снизился на отдельных печах до 450-460 кг/т чугуна.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум