Влияние нагрева дутья на ход доменного процесса, технологическая целесообразность и техническая возможность повышения температуры дутья до 1300-1400 °С

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Ключевые слова: температура дутья, доменная печь, воздухонагреватель, камера горения, расход кокса, насадка, производительность, огнеупоры.

Целью данной работы является изучение влияния нагрева дутья на ход доменного процесса и определение технологической целесообразности и технической возможности повышения температуры дутья до 1300-1400 °С.

Исследование проводилось на основе материалов преддипломной практики и литературных источников.

Содержание

Введение

1. Историческая справка о нагреве доменного дутья и литературный обзор по современному состоянию вопроса в отечественной и зарубежной практике

2. Технологическая необходимость и экономическая целесообразность нагрева доменного дутья до высоких (выше 1300 °С) температур

2.1 Влияние нагретого дутья на удельный расход кокса

2.2 Технологическая роль повышенного нагрева дутья

2.3 Совмещение нагрева дутья с другими мероприятиями, улучшающими ход доменного процесса

3. Технические средства достижения высокотемпературного нагрева дутья

4. Топливо для воздухонагревателей и устройства для сжигания его, конструктивные особенности горелок и пути их совершенствования

5. Огнеупорные и изоляционные материалы, используемые при строительстве высокотемпературных воздухонагревателей

6. Общее устройство современного высокотемпературного воздухонагревателя

6.1 Кожух и футеровка

6.2 Камера горения

6.3 Купол

6.4 Насадка

6.5 Поднасадочное устройство

6.6 Тракт горячего дутья

7. Влияние новых конструкций воздухонагревателей на окружающую среду

8. Расчёт экономического эффекта от повышения температуры дутья

9. Безопасность и экологичность

9.1 Анализ опасных и вредных факторов на рабочем месте

9.2 Средства индивидуальной и коллективной защиты

9.3 Обеспечение безопасности труда в доменном цехе

9.4 Охрана окружающей среды

9.5 Предупреждение и ликвидация чрезвычайных происшествий

Заключение

Список использованной литературы

повышение температура нагрев доменное дутье

Введение

Повышение температуры дутья имеет большое значение для доменного производства, потому что никакое другое мероприятие за всё время существования доменных печей не приводило к такому резкому снижению удельного расхода кокса и повышению производительности.

Тепло, вносимое нагретым дутьём, усваивается в печи полностью, так как не сопровождается образованием газа, вносится непосредственно в горн и расходуется в нижней же части печи. При повышении температуры дутья уменьшается расход топлива и количество горновых газов. Тепло горячего дутья заменяет тепло от сгорания кокса. Чем выше температура дутья, тем меньше углерода необходимо сжигать у фурм печи. С уменьшением расхода кокса уменьшается количество вносимой им золы. Сокращается потребность во флюсе для ошлакования золы. Кроме того, меньше становится и количество серы, вносимой в доменную печь. Уменьшаются выход шлака и количество уносимого им тепла.

Но при повышении нагрева дутья каждая следующая сотня градусов даёт меньший эффект. Кроме этого, с повышением нагрева дутья ухудшается газодинамика в нижней части печи, а также уменьшается срок службы воздухонагревателей. Для дальнейшего повышения температуры дутья необходимо искать способы устранения возникающих проблем. В настоящее время температура дутья большинства доменных печей составляет 1100-1250 °С и необходимо исследовать технологическую необходимость и техническую возможность дальнейшего повышения температуры дутья.

1. Историческая справка о нагреве доменного дутья и литературный обзор по современному состоянию вопроса в отечественной и зарубежной практике

Внедрение нагрева дутья было важным этапом в развитии доменного производства, обеспечившим существенное снижение расхода топлива и повышение производительности доменных печей. В 1828 г. Дж. Нельсон предложил нагревать дутьё перед подачей в доменные печи и вагранки. Первый опыт провели в 1828-1829 гг. на доменных печах завода Клайд в Шотландии. Дутьё нагревали в чугунных трубах, пропущенных через длинные горизонтальные топки с колосниками для сжигания каменного угля. Тепло дутья заменило тепло, выделяющееся при горении топлива у фурм, что позволило сэкономить горючее. В результате нагрева дутья до 149 °С расход горючего снизился с 8,06 до 5,16 т/т чугуна при росте суточной производительности печи с 15,7 до 23 т. При этом на нагрев воздуха затрачивалось топлива всего 0,4 т/т чугуна. Таким образом, уже первый опыт использования нагретого дутья показал позднее многократно подтверждённый вывод, что дутьё сберегает больше тепла, чем само вносит. Никакое другое мероприятие за всё время существования доменного производства не приводило (и при том сразу) к такому значительному снижению удельного расхода топлива.

Последующее повышение температуры дутья до 325-335 и 450-500 °С продолжало сокращать расход горючего и увеличивать выплавку чугуна, но в меньшей степени (рис.1.1). Десять лет спустя почти все доменные печи Шотландии действовали на горячем дутье, позже это новшество освоили заводы континентальной Европы и США. Однако из-за невысокого коэффициента использования тепла и снижения прочности труб при длительном нагреве температура нагрева не превышала 500 °С [1].

В 1857 г. Каупер запатентовал отапливаемый углём регенеративный воздухонагреватель с насадкой из шамотного кирпича, позволявшего повысить температуру дутья до 600-800°С и обеспечить дальнейшее сокращение расхода кокса и увеличение выплавки чугуна. После перевода на отопление доменным газом и многих усовершенствований аппараты этого типа применяют на всех доменных печах. Другие конструкции воздухонагревателей оказались менее успешными и постепенно вышли из употребления.

Рисунок 1.1 - Влияние температуры дутья на расход кокса

Регенеративным аппаратам свойственно снижение температуры к концу дутьевого периода из-за охлаждения насадки. Этот недостаток устранили установкой смесительного клапана между воздухопроводами горячего и холодного дутья, позволяющего к нагретому воздуху подмешивать холодный и таким образом держать постоянной температуру поступающей в печь воздушной смеси.

За истекшие полтора столетия температура дутья неизменно возрастала, но темпы ее роста были неравномерны и неодинаковы в различных странах и металлургических районах, так как находились в зависимости от менявшихся условий доменной плавки и ее технологии. На многих западноевропейских доменных печах температура дутья уже в конце ХIХ в. достигала 800-900 °С, тогда как на большинстве крупных американских печей она была на 200-250 °С ниже еще в 30-x годах XX в [2]. В середине XX в. температура дутья при выплавке передельного чугуна не превышала на большинстве заводов СССР 550-650 °С, а на некоторых крупнейших заводах (ММК, КМК) была ниже 500 °С. На рис. 1.2 показана динамика роста температуры дутья на двух крупных заводах СССР в послевоенный период [2]. Но температура дутья для отечественных печей непрерывно повышалась. Так, средняя температура дутья в 1964, 1970, 1977 и 1986 гг. соответственно составила 930, 1009, 1068 и 1099 °C, а на некоторых советских и зарубежных печах она достигала 1200-1350 °С [3]. Например, средняя температура дутья в доменных печах завода “Азовсталь” в 1965 г. составляла 1034 °С, а к 1975 г. удалось повысить её до 1200 °С. Средняя температура по цеху в 1977 г. составила 1211 °С, максимальная среднемесячная в июне 1977 г. на печи № 4 достигла 1356 °С [4]. За рубежом с высокими температурами дутья работали еще четыре доменные печи. На металлургическом комбинате г. Галац три доменные печи достигли температуры 1350 °С. К ним приближается одна доменная печь Восточнословацкого металлургического комбината с температурой 1300 °С. С несколько меньшей температурой дутья (1250 °С) работали две доменные печи на заводе «Виктория» г. Кэлан.

Рисунок 1.2 - Рост среднегодовой температуры дутья на доменных печах ММК и Череповецкого металлургического завода

Высоких температур 1194, 1190, 1184 и 1173 °С достигли четыре доменные печи комбината «Запорожсталь» (СССР), одна доменная печь на Тржинецком металлургическом заводе им. Великой Октябрьской социалистической революции (ТЖВОСР) с температурой 1180 °С и две доменные печи концерна «ВИТКОВИЦЕ» с температурами 1134 и 1174 °С. Две доменные печи завода Хута «Катовице» работали с температурами дутья свыше 1100 °С.

Ещё в 40-х годах прошлого 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 снижение расхода кокса. Но даже подъём температуры дутья на небольшую величину (около 20°С) приводил к подстоям шихты и к расстройству доменного процесса [5]. 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 подъём 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 доведён до 1100-1300 °С и решается задача дальнейшего подъёма температуры дутья до 1350-1400 °С. В частности, внедряют воздухонагреватели с камерой горения в куполе, отличающиеся от широко используемых воздухонагревателей, имеющих встроенную камеру горения, большей поверхностью нагрева и более мощными горелками, рассчитанными на нагрев дутья до 1300-1400 °С.

Ещё в 1982 г. на доменной печи №4 объёмом 1513 мі Нижнетагильского металлургического комбината (НТМК, г. Нижний Тагил Свердловской обл.) был пущен в эксплуатацию первый бесшахтный воздухонагреватель в СССР - первый в мире бесшахтный ВН с купольной системой отопления и кольцевой форкамерой в основании купола, разработанный под руководством Я.П. Калугина. Следующим шагом к разработке современной конструкции ВН для доменных печей и компоновке их блоков стало внедрение блока из трёх бесшахтных воздухонагревателей Калугина (ВНК) на Саткинском чугуноплавильном заводе в 1992 г.

В настоящее время (по состоянию на апрель 2010 г.) находятся в эксплуатации 123 бесшахтных воздухонагревателя Калугина (ВНК), сооружаются - 20, проектируются - 24 ВНК. За последние 5 лет введено в эксплуатацию 78 бесшахтных воздухонагревателей Калугина: в Китае - 54 ВНК, в России - 12, в Индии - 9 и в Украине - 3 ВНК.

Основными российскими заказчиками являются:

ОАО «НТМК» - Нижнетагильский металлургический комбинат (табл. 1.1);

ОАО «Северсталь» - Череповецкий металлургический комбинат (табл. 1.2);

ОАО «НЛМК» - Новолипецкий металлургический комбинат (табл. 1.3);

ОАО «Тулачермет» (табл. 1.4);

ОАО «СЧПЗ» - Саткинский чугуноплавильный завод (табл. 1.5);

ОАО «ЗСМК» - Западно-Сибирский металлургический комбинат (табл. 1.6)

Таблица 1.1 - Воздухонагреватели, построенные на ОАО «НТМК»

Таблица 1.2 - Воздухонагреватели, построенные на ОАО «Северсталь»

Таблица 1.3 - Воздухонагреватели, построенные на ОАО «НЛМК»

Таблица 1.4 - Воздухонагреватели, построенные на ОАО «Тулачермет»

Таблица 1.5 - Воздухонагреватели, построенные на ОАО «СЧПЗ»

Таблица 1.6 - Воздухонагреватели, построенные на ОАО «ЗСМК»

После проектирования и строительства первых воздухонагревателей Калугина, входивших в состав пяти комплексов доменных печей, на территории Российской Федерации, и с началом ознакомления специалистов-доменщиков разных стран с технико-экономическими показателями их работы, в 2001 г. у ЗАО «КАЛУГИН» появилась возможность начать внедрение новых блоков бесшахтных ВНК на металлургических предприятиях Украины - ближайшего соседа нашей страны.

Украина с давних времён имеет развитую структуру промышленности, в том числе около 20 предприятий полного цикла чёрной металлургии.

Первыми объектами фирмы в Украине стали блоки из трёх ВНК на доменной печи №2 комбината «Запорожсталь» (г. Запорожье), введённой в эксплуатацию после реконструкции в 2004 г., и на реконструированной ДП №5 Енакиевского металлургического завода (ОАО «ЕМЗ», г. Енакиево Донецкой обл.), работающей с 2006 г.

По состоянию на апрель 2010 г. на заводах Украины работают шесть бесшахтных ВНК, и ещё три готовятся к пуску на ДП №3 ОАО «ЕМЗ».

Сотрудничество ЗАО «КАЛУГИН» с металлургическими холдингами и предприятиями разных стран и специалистами-доменщиками мирового уровня, начавшееся практически сразу же после создания фирмы в 2000 г., получило наибольшее развитие в Китайской Народной Республике, которая с 1996 г. является мировым лидером по выплавке чугуна и стали. Количество металлургических предприятий полного цикла на территории КНР превышает 100. Китай непрерывно осуществляет программу модернизации всех отраслей промышленности, в том числе и доменное производство в чёрной металлургии.

Первым заводом в Китае, на котором были построены и пущены в эксплуатацию бесшахтные воздухонагреватели Калугина (ВНК), стал в 2002 году Лайуский металлургический комбинат (г. Лайу): доменная печь №2 объёмом 750 м3, блок из трёх ВНК. Затем последовало проектирование уже четырёх блоков для двух заводов: на ДП №1 и 2 Цзинаньского металлургического комбината (г. Цзинань), V=1750 м3, и ДП №5 и 6 Циндаоского меткомбината (г. Циндао), V=500 м3. Эти печи были пущены в эксплуатацию в 2003-2004 гг. В состав каждого блока входит по три бесшахтных воздухонагревателя Калугина.

В настоящее время (по состоянию на апрель 2010 г.) в Китае эксплуатируется 84 бесшахтных ВНК, из них 54 введены в эксплуатацию за последние 5 лет.

Работа ЗАО «КАЛУГИН» с партнёрами из Индии началась в 2003 г.

В металлургической отрасли Индии в 1950-1980-е гг. постоянно велись работы с участием советских специалистов, но, к сожалению, после распада СССР сложная политическая и экономическая ситуация в России и ближнем зарубежье привела к заметному уменьшению роли нашей страны в развитии индийской промышленности. Теперь же фирме ЗАО «КАЛУГИН», а также другим российским организациям, получившим мировую известность, удаётся поддерживать славные традиции предыдущих поколений отечественных инженеров.

Первыми нашими объектами в Индии стали блоки из трёх ВНК на доменной печи металлургического завода «Сан Флаг» (г. Бхандара) полезным объёмом 350 м3 и на доменной печи №1 метзавода «Кирлоскар» (г. Хоспет) объёмом 254 м3. Обе печи введены в эксплуатацию с новыми блоками в 2005-2006 гг.

По состоянию на апрель 2010 г. на заводах Индии работают 9 бесшахтных ВНК, и ещё три блока по три ВНК находятся на стадиях проектирования и строительства, включая блок для печи объёмом 2200 м3 металлургического завода «Эссар» (г. Сурат).

Работа ЗАО «КАЛУГИН» с японскими металлургическими компаниями началась в 2008 году.

Япония в настоящее время является вторым в мире (после КНР) производителем чугуна и стали. Две крупнейшие в Японии корпорации - Nippon Steel и JFE Steel - по объёмам производства входят в первую пятёрку крупнейших металлургических компаний мира.

По состоянию на апрель 2010 г. выполнено проектирование и ведутся строительство и пуск в эксплуатацию двух бесшахтных воздухонагревателей Калугина на доменных печах №3 и 4 металлургического комбината корпорации JFE Steel в г. Фукуяма.

2. Технологическая необходимость и экономическая целесообразность нагрева доменного дутья до высоких (выше 1300 °С) температур

2.1 Влияние нагретого дутья на удельный расход кокса

Долгое время металлурги не могли объяснить причины столь большой экономии топлива в доменной плавке, намного превышающей по количеству тепла относительную долю топлива, вносимого нагретым дутьём. Первые попытки объяснения влияния нагрева дутья относятся к 70-м годам XIX в. и принадлежат Л. Беллу, Л. Грюнеру и Р. Окерману. В последующие годы большой вклад в изучение этой проблемы внесли М.А. Павлов, А.Д. Готлиб и другие отечественные учёные. Л. Белл и Л. Грюнер при составлении тепловых балансов отметили, что по мере сокращения расхода кокса уменьшается и количество дутья на единицу чугуна, поэтому количество тепла, получаемое доменной печью от нагрева дутья, с повышением температуры (при постоянной теплоёмкости дутья) не пропорционально температуре. Расчёты Л. Белла приведены в таблице 2.1 [3].

В результате снижения количества дутья на единицу чугуна обеспечение одной и той же экономии горючего (0,05 кг/кг) требует постоянного увеличения прироста температуры дутья. Так, если для снижения расхода углерода, сгорающего у фурм, от 0,90 до 0,85 кг/кг чугуна требуется повысить температуру дутья на 204?С, то для снижения расхода углерода, сгорающего у фурм, с 0,80 до 0,75 кг/кг чугуна требуемый прирост температуры дутья составляет уже 263?С.

Как отмечал М.А. Павлов, расчёты Л. Белла не совсем точны (приняты постоянными степень использования химической энергии газа, потребность в тепле на единицу чугуна и т.д.), но тенденция, выявленная расчётом, правильна. При повышении температуры дутья необходимо учитывать снижение экономии горючего, если параллельно не предприняты меры, например использование углеводородов и пр. Наиболее полное объяснение действия нагретого дутья на доменный процесс, сохраняющее своё значение и до настоящего времени, дано М.А. Павловым в 1894 г. [1]

Таблица 2.1.1 - Расчёты Л. Белла

Снижение расхода топлива при замене холодного дутья нагретым происходит вследствие внесения в печь дополнительного тепла нагретым дутьём и замены им части тепла, выделяемого при сжигании у фурм углерода, и изменений в доменном процессе, вызывающих изменения в тепловом балансе плавки.

Тепло нагретого дутья позволяет заменить такое количество кокса, которое при сгорании выделило бы большее количество тепла, чем внесено дутьём. Это связано с тем, что тепло нагретого дутья усваивается в печи полностью, т.к. не сопровождается образованием газа, вносится непосредственно в горн и расходуется в нижней же части печи. Тепло нагретого дутья не может быть потеряно с колошниковыми газами.

Тепло, выделившееся у фурм при сгорании углерода в окись углерода, полностью в печи не используется - часть тепла уносится через колошник, так как выделение его сопровождается образованием газа, покидающего печь с определёнными температурой и теплосодержанием, теряется с охлаждающей водой и в атмосферу.

Поэтому если тепловой КПД печи Кт = 0,8, а горячим дутьём вносится 400 кДж тепла, то расход углерода на горение сократится на такое количество, которое выделило бы тепла 400/0,8 = 500 кДж. При понижении нагрева дутья расход углерода увеличивается аналогично.

Для определения относительной экономии тепла, выделяемого в печи сжиганием углерода кокса, М. А. Павлов предложил уравнение:

где E - экономия кокса, %; Vд - объём дутья, м3/кг чугуна; Сд - теплоёмкость дутья, кДж(м3*град.); Дtд - изменение температуры дутья, К; Кт - тепловой к.п.д. печи; W - общий расход тепла в печи, кДж/кг чугуна; ±Q - алгебраическая сумма разностей статей расхода тепла при более и менее нагретом дутье, кДж/кг чугуна.

Анализ уравнения показывает, что значение Е изменяется не только с изменением количества тепла нагретого дутья, но и величины Q. Рассмотрим условия, вызывающие изменения величины Q.

Повышение нагрева дутья вызывает снижение расхода кокса, а значит, и уменьшение количества газа на единицу чугуна. Меньшее количество газов, встречая то же, что и при холодном или менее нагретом дутье, количество железорудных материалов передаёт им то же количество тепла, вследствие чего газы охладятся больше и покинут печь с более низкой температурой. Температура колошниковых газов с нагревом дутья уменьшится еще и потому, что при более высокой температуре в горне увеличивается теплопередача от газов к материалам в нижней части печи, в результате чего в шахту и на колошник газы приходят охлаждёнными в большей степени. Уменьшение выхода колошниковых газов и понижение их температуры обеспечивает понижение уноса тепла из печи, т.е. сокращение расхода тепла в печи [6].

Уменьшение расхода кокса, вызываемое нагревом дутья, уменьшает выход шлака вследствие понижения прихода золы, расход флюса на ее ошлакование и приход в печь серы. В связи с этим уменьшается количество тепла на разложение флюса и перевод серы в шлак. Кроме того, уменьшается количество дутья, содержащего водяные пары. Все эти изменения способствуют экономии тепла в печи.

Повышение нагрева дутья вызывает и увеличение расхода тепла в печи. При повышении нагрева дутья температуры в горне возрастают, что вызывает усиление восстановления в чугун кремния и марганца, идущего с большим поглощением тепла, а также повышение температуры чугуна и шлака, увеличивающие расход тепла в печи.

Таким образом, общий приход тепла надо скорректировать на величину Q, которая может быть положительной и отрицательной в зависимости от того, экономия или увеличение расхода тепла в печи превалирует. При низких температурах дутья и высоком расходе кокса экономия тепла больше и величина Q положительная. При возрастании нагрева дутья и понижении расхода кокса расход тепла увеличивается и при определённых значениях температуры дутья экономия тепла равна повышению расхода тепла, тогда величина Q равна нулю. При дальнейшем повышении нагрева дутья значение Q станет отрицательным и по абсолютной величине тем больше, чем больше нагрев дутья. При определённых температурах дутья, различных, для разных условий работы печей, отрицательное значение может приблизиться к значению первого члена VдCдtд, в результате чего экономии кокса от нагрева дутья не будет.

Из анализа уравнения также следует, что экономия в расходе кокса не пропорциональна повышению температуры дутья, т.е. не одинакова при повышении нагрева дутья на одно и то же число градусов, понижаясь с повышением нагрева дутья.

С повышением нагрева дутья, как уже показано выше, величина Q понижается и даже приобретает отрицательные значения. Первый член VдCдtд с повышением температуры дутья на одно и то же число градусов при более высоких температурах также меньше, чем при низких. Это связано с тем, что расход дутья при более высоком нагреве и более низком расходе кокса будет ниже, чем при меньшем нагреве дутья и большем расходе кокса, и произведение VдCдtд с повышением нагрева дутья будет понижаться (Сд с повышением температуры возрастает в меньшей мере, чем понижается Vд). Поэтому с повышением температуры оба члена числителя уравнения уменьшаются, вызывая понижение величины Е. Кроме того, с повышением нагрева дутья и понижением расхода кокса и выхода газа использование газов в печи улучшается, а значение KТ возрастает, что также вызывает понижение величины Е. Например, экономия кокса на Магнитогорском металлургическом комбинате при повышении нагрева дутья на 100° в интервале температур 600-800 °С составила 4,4 %, а в интервале 900-1000 °С - 2,3 %.[1]

Доменная печь № 4 завода «Азовсталь» в апреле 1976 г. - июне 1977 г. работала с нагревом дутья 1300-1380 °С (температура нагрева куполов 1420-1450 °С, максимальная температура отходящего дыма 400 °С и дутьевой период 2 часа). В печи выплавляли фосфористый чугун на шихте из камышбурунского (70-75 %) и азовстальского агломератов (20-25 %) с содержанием железа соответственно 45,2-46,6 и 52,5-56,0 %. Из таблицы 2.1.2 следует, что при повышении температуры дутья сократился удельный расход кокса [4].

Оптимальная расчётная температура горения, определяемая нагревом дутья, содержанием в нём кислорода, расходом природного газа составляет 1930-1980, максимальная - 2200-2250 °С, причём она тем выше, чем больше рудные нагрузки на кокс (т. е. меньше его удельный расход) и выше давление колошникового газа [4].

Близкими по параметрам работы были периоды II и III. Увеличение температуры горячего дутья сократило приведенный расход кокса на 2,06 % на каждые 100 градусов повышения температуры горячего дутья при снижении производительности печи из-за уменьшения интенсивности плавки. При нагреве дутья выше 1300 °С и высокой температуре горения доменная печь работала ровно, однако, с увеличением температуры дутья выше 1320-1350 °С наблюдалась тенденция к более «тугому» ходу, особенно при расходе природного газа ниже 0,06 м3/м3 дутья (90-95 м3/т чугуна), когда расчётная температура горения (адиабатическая) была выше 2300 °С.

Таблица 2.1.2 - Показатели работы печи № 4 «Азовсталь» в периоды I - III

* - по содержанию железа в шихте, кремния в чугуне, кислорода в дутье, расходу природного газа и давлению колошникового газа

Продукты из природного газа распределялись неравномерно. При температуре дутья выше 1300 °С на фоне яркосветящегося глаза фурмы была отчётливо видна зона выхода природного газа и область дутья с природным газом [4]. В периоде I она составляла лишь 60-65 % площади сечения фурмы.

Относительное изменение удельного расхода кокса, производительности и интенсивности плавки по выходу горнового газа (без учёта изменения расхода природного газа, кислорода и содержания железа в шихте) для разной температуры нагрева дутья показано на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1 - Изменение расхода кокса (К), производительности (П) и интенсивности плавки по горновому газу (Иг) при повышении температуры дутья

По результатам работы доменной печи № 4 специалисты завода «Азовсталь» пришли к заключению, что повышение температуры дутья более 1300 °С способствует экономии кокса и увеличению производительности доменной печи. При выплавке фосфористого и чистого по фосфору передельного чугуна с нагревом дутья, обогащённого кислородом до 25-27 %, выше 1300 °С достигается ровный ход печи, если расход природного газа обеспечивает расчётную температуру горения 2050-2200 °С. С повышением температуры дутья наблюдается тенденция к ухудшению хода печи и увеличивается переход в газовую фазу тонкодисперсных шлакообразующих, что вызывается общим повышением температуры, и зональным из-за неравномерного распределения природного газа в массе дутья - в областях, где горение идёт без природного газа или с пониженным его количеством.

В таблице 2.1.3 приведены обобщённые величины экономии кокса в интервале температур 0-1400 °С. Для нагрева дутья в интервале 100-1150 °С использованы опытные данные по доменным печам различных металлургических регионов, в интервалах 0-100 и 1150-1400 °С значения Е вычислены экстраполяцией найденной закономерности [1].

Таблица 2.1.3 - Влияние нагрева дутья на экономию кокса

В январе 1973 года на одной из печей ММК объёмом 1370 м3 после 20-летней эксплуатации разрушились кожухи двух воздухонагревателей (из трёх), чему способствовали неблагоприятные погодные условия: низкая температура воздуха (минус 32-35 °С) и сильный ветер со стороны, не защищенной помещением газовых горелок [1].

Результаты работы печи приведены в табл. 2.1.4. Период 1 характеризует доменную плавку до аварии, 2 - на холодном дутье, 3 и 4 - при использовании двух из трёх реконструированных воздухонагревателей.

Температура дутья 80°С обязана нагреву воздуха при его сжатии воздуходувной машиной. Нагрев холодного дутья в отдельные сутки составил 68-95°С и прямо зависел от нагрева наружного воздуха. Для регулирования теплового состояния горна применяли водяной пар. Шихта включала окатыши, агломерат, железную руду (0,2-6,9%) и известняк, последние два компонента применялись для регулирования основности шлака.

Благодаря применению обогащенного кислородом дутья расход кокса в периоде 2 возрос в меньшей мере (до 720 кг/т), чем ожидалось по данным таблицы 2, тогда как в периодах 3 и 4 он хорошо соответствовал расчётному (рис. 2.1.2). По этой же причине сокращение суточной выплавки чугуна (18,4 %) было меньше ожидаемого.

Таблица 2.1.4 - Показатели работы на горячем и холодном дутье

Длительная работа на холодном дутье показала, что нагрев дутья является одним из главных способов уменьшения расхода кокса. Замены в доменном производстве нагретому дутью нет.

2.2 Технологическая роль повышенного нагрева дутья

Нагрев дутья, являющийся одним из основных технологических средств повышения производительности и снижения расхода кокса, более желателен в одних условиях и менее - в других. Эффективность дальнейшего повышения температуры дутья, совместимо с ровным ходом плавки, во многом зависит от состояния процессов в печи. Дополнительный нагрев дутья, изменял состояние процессов в печи, изменяет влияние других мероприятий на ход и результаты плавки. Одни мероприятия по улучшению показателей работы печи становятся особенно желательными или даже необходимыми, другие - конкурирующими с нагревом дутья.

В связи с зависимостью действия технологических средств, в том числе нагрева дутья, на результаты плавки от состояния процессов в печи желательна оценка последних с периодичностью, соответствующей существенному изменению условий работы печи. При этом существенным можно считать такое изменение условий, при котором отклонения в ходе процессов улавливаются экономически оправданными методами оценки. В современных условиях одни стороны хода процессов могут быть оценены по результатам обычного контроля входных и выходных параметров, другие - путем дополнительного контроля и обработки получаемых данных, третьи - на основе экспериментального исследования поведения материалов и газов по высоте и сечению доменной печи. Цикличность отдельных операций, система учета и планирования в значительной степени определяют периодичность оценки хода процессов. Она может быть непрерывной, равняться времени срабатывания подач или межвыпусковому периоду, ежесменной, ежесуточной, ежемесячной, ежегодовой. Оценку хода процессов на основе экспериментального поведения материалов и газов по высоте и сечению печи в современных условиях целесообразно организовать на каждом заводе с периодичностью 2 - 5 лет. Пятилетний период определяется системой планирования, предусматривающей внедрение новых мероприятий на предприятиях, а меньший срок - возможностями проведения исследований и их экономической эффективностью. Отмеченная периодичность оправдывает себя в условиях ММК, так как позволяет находить новые средства организации доменного процесса и совершенствовать использование существующих. Экономический эффект исследований, выполненных в 1975 - 1978 годах, составил более 3 руб. на рубль затрат [7].

Часто на доменных печах важное значение имеют газодинамические условия, что может быть установлено с помощью разработанных методов оценки состояния шихты. В условиях, когда ровность хода печи определяется газодинамическим режимом в ее верхней части, с повышением нагрева дутья сход шихты становится более плавным, что связано с уменьшением количества газов на единицу чугуна и температур вверху шахты. По действию на газодинамику верха печи повышение температуры дутья на 100 ° эквивалентно увеличению содержания кислорода в дутье на 1,5-2,0% абс, давления на колошнике на 0,015-0,025 ат, содержания железа в шихте на 2-4%, диаметра колошника на 150-200 мм, опусканию уровня засыпи на 0,5-1 м, снижению содержания мелочи 5-0 мм в агломерате на 2-3% или его температуры на 50-80°, уменьшению влажности дутья на 10-15 г/м3,расхода известняка на 60-80 кг/т, дутья - на 2-3% и природного газа на 15-25 м3/т чугуна [7]. Нагрев дутья компенсирует неблагоприятное влияние природного газа на газодинамику верха и в этой роли он конкурирует с рядом других мероприятий. В таких условиях приемлемым является увеличение прочности железорудного сырья в ущерб восстановимости.

Снижение напряженности газодинамического режима при повышении температуры дутья может частично или полностью использоваться для выравнивания хода, увеличения расхода природного газа, интенсификации дутьем, более равномерного распределения компонентов шихты по сечению. Появляется возможность поддерживать более высокий общий перепад давления газов, что обеспечивается не только увеличением веса шихты из-за снижения расхода кокса, но и повышением допустимой степени уравновешивания шихты газовым потоком. Последнее имеет место в связи с выравниванием распределения взаимосопротивления шихты и газов по высоте печи. Так, на одной из доменных печей ММК при увеличении температуры дутья с 969 до 1082 °С при определяющей роли газодинамического режима в верхней части допустимая по условию ровного схода шихты степень уравновешивания ее газовым потоком возросла с 50,5 до 53,1%.

От направления использования возможностей улучшения результатов плавки повышением нагрева дутья зависит ее эффективность и соотношение между приростом производительности и снижением расхода кокса. Увеличение расхода природного газа желательно при необходимости получить максимальную экономию кокса от температуры дутья, в особенности при работе печи с высокой степенью использования газов. При низкой величине ее эффективным может быть повышение равномерности распределения материалов по сечению, а при степени использования газов, приближающейся к равновесной - интенсификация дутьем.

По результатам сравнения 16 пар периодов длительностью 10-90 суток каждая при использовании на ММК разрушающегося при восстановлении в верхней части печи сырья экономия кокса на 100° нагрева дутья в пределах 900-1050°С составила 21 кг/т чугуна, а рост производительности - 1,3% при увеличении расхода природного газа на 8 м3/т, степени использования газов на 0,8% абс. По результатам исследований в этих условиях эквивалент замены кокса природным газом равнялся 0,8 кг/м3. Следовательно, экономия кокса от нагрева дутья составила 15 кг/т [7].

В условиях, когда с повышением нагрева дутья ход плавки становится менее ровным, коэффициент сопротивления шихты растет. Уменьшение количества газов-восстановителей на единицу железа и увеличение конечной степени использование газов, что зачастую имеет место, создают предпосылки для смещения процессов восстановления в область более высоких температур, большего участия недовосстановленных окислов в шлакообразовании, уменьшении температуры образования первичного шлака, увеличения количества жидкой фазы, приходящейся на единицу кокса. Повышение же содержания закиси железа в шлаке сверх относительно небольших величин и увеличение его количества затрудняет проход газов. Подтверждение увеличения сопротивления шихты проходу газов в нижней части печи при смещении туда процессов восстановления получили во время перехода с офлюсованных окатышей на неофлюсованные: по результатам отбора проб степень восстановления в верху и в середине шахты заметно уменьшилась, потери напора газа в верхних 14 м слоя шихты понизилась, а общий перепад давления возрос.

При таком влиянии температуры дутья на газодинамику низа печи мероприятиями, действующими в попутном направлении, а, следовательно, затрудняющими использование друг друга, являются: увеличение концентрации кислорода в дутье и снижение влажности его, форсировка дутьем и повышением равномерности распределения материалов по сечению, применение трудновосстановимых материалов, выплавка чугунов с повышенным нагревом, наведение «коротких» шлаков. Подобие осложнений, возникающих при обогащении дутья кислородом и повышении температуры, установлена исследованиями на доменных печах. Увеличение сопротивления газа при превышении его скорости истечения шлака через коксовую насадку и повышение сопротивления зоны шлакообразования проходу газа при более равномерном количественном распределении шлакообразующих по сечению печи показано лабораторными исследованиями. Выявлен также резкий рост потерь напора газа в момент расплавления «коротких» шлаков.

Мероприятиями, действующими в противоположном направлении по отношению к температуре дутья, при работе доменной печи в режиме затруднений по газодинамике зоны шлакообразования являются: повышение расхода природного газа, давления на колошнике и богатства шихты, применение офлюсованных железорудных материалов с низкой разрушаемостью после восстановления, снижение содержания мелочи в шихте, уменьшение угла наклона и высоты заплечиков с увеличением диаметра распада, выплавка малокремнистых (менее нагретых в допустимых пределах) чугунов, наведение более «длинных» шлаков. Реализация их обеспечивает рост полноты использования преимуществ высоконагретого дутья и совместно применяемых мероприятий.

Смещение процессов восстановления в область более высоких температур, что имеет место при повышении нагрева дутья, действует в направлении увеличения эквивалента замены кокса природным газом. По результатам опытных плавок на ММК при низкой восстановленности материалов на верхних горизонтах, обусловленного использованием неофлюсованных окатышей, эквивалент замены кокса природным газом составил 1,17 кг/м3 против 0,8 кг/м3 - при высокой восстановленности. Сравнением 27 пар периодов длительностью 10-90 суток каждый в условиях низкой восстановленности получили, что увеличение температуры дутья на 100° в пределах 950-1100 °С и расхода природного газа на 7 м3/т чугуна снижает расход кокса на 25 кг/т и повышают производительность печи на 1,7%. По отношению к эквиваленту замены 1,17 кг/м3 и экономии кокса 15 кг/т на 100° нагрева дутья дополнительное понижение расхода кокса равно 2 кг/т. Оно объясняется улучшением степени использования окиси углерода на 0,3% абс. и может считаться эффектом совместности в рассматриваемых условиях. Высокий эквивалент замены при повышенной температуре дутья имел место и в других случаях.

Действие мероприятий на газодинамический режим нижней части печи через изменение температурного поля может приближенно учитываться посредством определения теоретической температуры горения. Обнаруживается статистическая связь ее с нижним перепадом давления газа. При этом для современных условий повышение температуры дутья на 100° эквивалентно уменьшению влажности его примерно на 11 г/м3 сокращению расхода природного газа на 15м3/т чугуна и увеличению содержания кислорода в дутье на 1,5% абс.

Из рассмотренных выше средств компенсации затруднений по газодинамике низа печи при повышении температуры дутья наиболее широко применяется природный газ. Это приводит к положению, при котором достигнутый нагрев окажется неприемлемым по условию сохранения ровного хода печи при прекращения снабжения печей природным газом.

Смещение процессов восстановления в область более высоких температур обусловливает увеличение степени прямого восстановления, которое получается равным 2,5-2,7 на каждые 100 °. Такое же повышение нагрева дутья совместно с увеличением расхода природного газа на 10-15 м3/т чугуна оставляет ее неизменной. Поскольку широкое применение комбинированного дутья ведет к относительно быстрому приближению к минимально возможной степени прямого восстановления, которая составляет 5-10 %, то для получения экономии кокса в последующем от мероприятий, действующих на расход кокса через снижение прямого восстановления, потребуется дополнительный нагрев дутья. Ими, в частности, являются: вдувание природного газа, применение предварительно восстановленного вюститного или металлизованного сырья, оптимизация шихты по крупности. Снижение степени прямого восстановления участвует в получении эффекта по расходу кокса и при повышении содержания железа в шихте. Поэтому без повышения нагрева дутья эффективность этого мероприятия окажется ниже, чем в настоящее время. Роль кислорода как средства снижения расхода кокса повышением расхода природного газа будет исчерпана. Своевременное решение проблем дальнейшего повышения нагрева дутья отдалит такое положение.

Влияние нагрева дутья на размеры зоны горения, которым придается важное значение, складывается из действия его на рыхлую и плотную части. Размеры рыхлой части определяются газодинамическими факторами, увеличиваясь с уменьшением потерь напора газа на границе ее плотной частью. Потери напора газа находятся в прямо пропорциональной зависимости от его динамического напора, в связи с чем размеры рыхлой части зоны горения получаются зависящими от динамического напора фурменного газа при истечении его из очагов. Повышение температуры дутья при постоянной производительности печи приводит к его уменьшению. Рост температуры дутья на 100° по влиянию на динамический напор фурменного газа эквивалентен увеличению расхода дутья на 3 - 4 %, содержания кислорода в нем на 2-3 %, уменьшению расхода природного газа на 70 - 80 м3/т чугуна и влажности дутья на 25-30 г/м3. При эквиваленте замены кокса природным газом около 1,2 кг/м3 динамический напор фурменного газа остаётся неизменным.

Исследованиями установлены оптимальные соотношения водяных эквивалентов в верхней части печи [7]. По влиянию на этот показатель увеличение температуры дутья на 100° эквивалентно повышению содержанию кислорода в нем примерно на 1 %, уменьшению расхода природного газа на 15 - 20 м3/т чугуна, влажности дутья на 25-30 г/м3, расхода известняка на 65-75 кг/т чугуна, содержания железа в шихте на 5-8 %.

Выводы:

1) повышение нагрева дутья следует рассматривать как средство снижения расхода кокса и повышения производительности с оптимизацией хода процессов в доменной печи. В зависимости от условий его применения состояние процессов может приближаться к оптимальному или удаляться от него, в частности сход шихты может становиться более ровным и менее ровным, соотношение водяных эквивалентов в верхней части печи - быть ближе к оптимальной величине и дальше от него;

2) с увеличением температуры дутья одни мероприятия по совершенствованию результатов плавки становятся более желательными, другие - конкурирующими с ним. Конкретный вид мероприятий, действие которых в попутном или в противоположном направлениях имеет существенное значение, зависит от состояния процессов в печи. Так, повышение давления газов является попутно действующим мероприятием при определяющей роли газодинамических условий в верхней части печи и противоположно действующим - при появлении затруднений в сходе шихты ...