Производство чугуна в доменной печи

  Величина, которую контролируют, не должна превышать допустимого предела, называемого критическим перепадом давления. Этот предел на конкретной работающей печи, где высота слоя шихты и ее свойства (сопротивление) относительно постоянны, зависит от расхода дутья, который всегда стараются увеличить с целью повышения производительности печи. Увеличение расхода дутья ведет к росту скорости движения газов в печи, и при достижении определенной скорости силы трения возрастают настолько, что куски шихты переходят во взвешенное состояние, Т.е. перестают двигаться вниз, что нарушает ровный сход шихты и означает расстройство работы печи. Этим максимально допустимым значениям расхода дутья и скорости движения газов соответствует допустимый (критический) перепад давления.

  Соответственно, расход дутья поддерживают таким, чтобы  перепад давления не превышал критического значения. Использование давления, а не скорости в качестве критерия оценки движения газов объясняется тем, что скорость подъема газов сильно различается в разных участках поперечного сечения печи, поэтому проще измерять давление.

     Для улучшения контроля за ходом плавки измеряют не только общий перепад давления между горном и колошником, но и верхний перепад (середина шахты колошник) и нижний (середина шахты - горн). 

7. Интенсификация  доменного процесса.

Под интенсификацией доменного процесса обычно понимают мероприятия по увеличению скорости его протекания (форсированию хода доменной плавки), Т.е. ведущие к повышению производительности печи, а также мероприятия по снижению расхода кокса. Ниже охарактеризованы наиболее существенные из них. 

7.1. Нагрев дутья. 

Внедрение нагрева дутья было важным этапом в развитии доменного производства, обеспечившим существенное снижение расхода топлива и повышение производительности печей. Дутье, нагретое до 150 ⁰С, впервые было применено в 1829 г., что привело к значительному снижению расхода кокса, а главное, к существенному улучшению процессов в печи (более высокий нагрев продуктов плавки, лучшее отделение шлака от чугуна, повышение степени восстановления кремния и марганца). Высокая эффективность нагрева дутья обеспечила быстрое и широкое его распространение. Вскоре дутье стали нагревать до 350-400, а затем до 500-700 ⁰С. Еще в 40-х годах нашего столетия на многих заводах не удавалось поднять температуру дутья выше указанных пределов не потому, что не позволяли технические средства для такого нагрева, а вследствие того, что это вызывало нарушение процесса доменной плавки. Всем ясно было, что более высокий нагрев дутья обеспечивает дальнейшее размельчение расхода кокса. Но даже подъем температуры дутья на небольшую величину (около 20 ⁰С) к расстройству доменного процесса. Анализ этого явления позволил определить важнейшие факторы, обеспечивающие условия для повышения нагрева дутья, к числу которых относятся:

замена  неподготовленных и особенно пылеватых руд окускованными, т.е. агломератом и окатышами; применение повышенного давления газов в печи; вдувание в горн газообразных и жидких углеводородов; кондиционирование дутья по влаге.

Внедрение этих мероприятий создало условия, при которых подъем температуры дутья перестал сдерживаться технологическими особенностями процесса, а определялся техническими возможностями достижения высокой температуры дутья.

   Это потребовало совершенствования  конструкций и оборудования воздухонагревателей, которые уже не обеспечивали необходимого нагрева дутья. В настоящее время нагрев дутья на многих печах доведен до 1100-1300 ⁰С и решается задача дальнейшего подъема температуры дутья до1350-1400 ⁰С. В частности, внедряют воздухонагреватели с выносной камерой горения, отличающиеся от широко используемых воздухонагревателей, имеющих встроенную камеру горения, большей поверхностью нагрева и более мощными горелками, рассчитанными на нагрев дутья до 1300-1400 ⁰С.

  Анализ  работы доменных печей при разном нагреве дутья показывает, что его нагрев всегда приводит к снижению расхода кокса. Однако экономия расхода кокса не пропорционально повышению температуры дутья, т.е. не одинакова при повышении нагрева дутья на одно и то же число градусов, понижаясь с повышением нагрева дутья. Например, при температуре дутья 400 ⁰С повышение его нагрева на 100 ⁰С дает снижение расхода кокса на 11-16 %, а при температуре дутья 800 ⁰С - на 3,5-6,0 %. Однако даже при высоком нагреве дутья (1200-1300 ⁰С) эффективность от нагрева сохраняется значимой и обеспечивает сокращение расхода кокса на1,5-2,5% на каждые 100⁰С повышения температуры.

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

7.2. 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 на1 м³ воздуха (8 г/м³ соответствует 1 % по объему). Попадающая в горн влага разлагается углеродом: Н₂О + С = СО + + Н₂ - 124870 Дж. При этом в горновом газе возрастает содержание СО и активного восстановителя Н₂О в связи с затратами тепла на разложение влаги снижается температура горна. Чтобы сохранить прежний температурный режим горна, надо повысить нагрев дутья на 5-6 ⁰С 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/м^З (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. 

7.3. Повышенное давление газа.

До 1950 г. отечественные доменные печи работали без повышенного давления газов, Т.е. с давлением газа на колошнике не значительно (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 0,1-0,23 МПа или с абсолютным давлением 0,2-0,33 МПа (давление в горне выше давления на колошнике).

   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 СО₂ +С = 2СО сдвигается в сторону увеличения содержания СО₂, 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 1950 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 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 шихты переходят во взвешенное состояние, нарушая ровный сход шихты, а показателем режима движения газов - перепад давления 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 РV = const объем газа уменьшается. Поэтому снижается скорость движения газов В печи и, соответственно, уменьшаются силы трения их о шихту, величина потери давления на трение. 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 не приблизится к прежнему ypoвню 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 %, 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.

 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 + 0,502 = 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 горни его неполном сгорании увеличивается объем горновых газов (продуктов сгорания) и снижается температура в зоне горения и в горне.

  Для поддержания прежнего нормального  теплового состояния горна при вдувании природного газа увеличивают, если это возможно, температуру дутья с учетом того, что добавка 1 м³ газа на 1 т чугуна требует повышения температуры дутья на 4 ⁰С; 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 между горном и колошником. Поэтому после повышения расхода природного газа до определенного уровня начинаются нарушения ровного схода шихты. Если печь работала на предельном количестве дутья, 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.

   При расходе природного газа в количестве 60-90 м³/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. 

8. Продукты  доменной плавки.

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун и шлак, выпускаемые из доменной печи в огненно-жидком виде, и доменный газ. Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ - побочными.