Основные понятия и показатели интенсификации

Под интенсификацией доменного процесса понимают увеличение скорости его протекания. Мерой интенсивности хода доменной печи является количество чугуна, получаемое в единицу времени в расчете на единицу полезного объема доменной печи. Коэффициент использования полезного объема доменной печи к. и. п. о. и определяется как частное от деления полезного объема печи V_пол (м³) на суточную производительность печи Т (т) чугуна/сутки:

 

 

Чем меньше этот показатель, тем интенсивнее протекает процесс, интенсивнее ход доменной печи.

Увеличить интенсивность хода доменной печи можно двумя путями. 1 Созданием условий, при которых в горн доменной печи в единицу времени можно подать большее количество дутья (кислорода), расходуемое на горение углерода горючего.

2 Созданием условий, обеспечивающих снижение расхода кокса на единицу выплавляемого чугуна, если количество дутья, поступающее в горн в единицу времени не снижается или снижается в меньшей мере, чем расход кокса.

При увеличении количества дутья (кислорода), подаваемого в горн в единицу времени, соответственно увеличивается сгорающее в единицу времени количество углерода, а следовательно, увеличивается и производительность печи. При уменьшении относительного расхода горючего и неизменном количестве дутья производительность печи также возрастает вследствие увеличения рудной нагрузки на кокс.

Наиболее высокая степень интенсификации процесса достигается, когда одновременно с увеличением количества дутья имеется возможность уменьшить и относительный расход горючего.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем увеличения расхода дутья (кислорода) в единицу времени предполагает улучшение газодинамики процесса. Это может быть достигнуто повышением прочности агломерата, отсевом мелких фракций и улучшением однородности гранулометрического состава шихтовых материалов, повышением давления газов в рабочем пространстве печи, снижением относительного выхода шлака и улучшением его физических свойств.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем снижения относительного расхода кокса предполагает уменьшение тепловых затрат на процесс и применение заменителей кокса в роли теплоносителя и восстановителя. Уменьшение тепловых затрат на процесс достигается улучшением подготовки сырья. Глубокое обогащение, производство легковосстановимого офлюсованного и прочного агломерата позволяют вести процесс с низким выходом шлака, исключением затрат тепла на разложение сырого флюса, наиболее выгодным сочетанием прямого и непрямого восстановления и обеспечением равномерного нагрева. Применение высоко нагретого дутья уменьшает расход углерода-теплоносителя, а сдувание в горн углеводородсодержащих добавок уменьшает расход углерода-восстановителя.

Основными методами интенсификации доменного процесса являются:

1) совершенствование способов подготовки и улучшение качества сырых материалов; 2) высокотемпературный нагрев дутья; 3) увлажнение дутья; 4) обогащение дутья кислородом; 5) вдувание в горн углеводородсодержащих добавок; 6) комбинирование дутья; 7) повышение давления газов в рабочем пространстве доменной печи.

Наиболее важной является подготовка сырья к плавке. Ни один из методов интенсификации доменного процесса не может дать максимального эффекта при плохом качестве сырья.

 

Нагрев дутья

 

При нагреве дутья было замечено, что получаемая при этом экономия тепла в виде горючего больше количества тепла, вносимого в печь нагретым дутьем. В дальнейшем обнаружили и другое обстоятельство: по мере увеличения нагрева дутья уменьшение расхода горючего на каждые 100 град понижалось. Снижение расхода горючего при переходе от холодного дутья к нагретому или от менее нагретого дутья к более нагретому происходит в результате действия двух причин: 1) замены части тепла, выделяемого при сгорании углерода у фурм, теплом нагретого дутья и 2) изменений в доменном процессе, которые вызывают изменения в тепловом балансе плавки в сторону уменьшения расхода тепла. Количество тепла, вносимое нагретым дутьем на единицу выплавляемого чугуна, определяется уравнением:

 

Q_д=V_д∙с_д∙t_д,

 

где V_д – объем дутья на единицу чугуна, м³;

с_д – теплоемкость дутья, кдж/(м³×град);

t_д–изменение температуры дутья при переходе от холодного дутья к нагретому или от менее нагретого дутья к более нагретому, °С.

 

Получаемая от нагрева дутья экономия тепла в виде горючего больше количества тепла, вносимого в печь нагретым дутьем, или, другими словами, тепло нагретого дутья заменяет такое количество горючего, которое при сгорании выделило бы большее количество тепла, чем вносится дутьем. Объясняется это тем, что тепло нагретого дутья не сопровождается образованием дополнительного количества газов, которые, уходя из доменной печи, уносили бы часть тепла. Следовательно, тепло нагретого дутья практически полностью используется в нижней части доменной печи и расходуется на прямое восстановление элементов, перевод серы в шлак и нагрев чугуна и шлака. Получаемое при сгорании у фурм углерода тепло в отличие от тепла нагретого дутья в доменной печи используется не полностью, так как часть его уносится из печи газами, образовавшимися при сгорании кокса, а часть теряется с охлаждающем водой и в атмосферу.

Изменения в тепловом балансе нагревом дутья и влияющие на расход кокса сводятся к следующему:

1. При повышении нагрева дутья уменьшается относительный расход кокса, а следовательно, уменьшается и количество газа на единицу чугуна. Меньшее количество газа, встречая то же количество железорудных материалов, передает им то же, что и ранее, количество тепла. В результате газ охладится больше и уйдет из печи с более низкой температурой. Кроме того, температура колошникового газа снижается еще и потому, что в нижней части печи вследствие более высокой температуры газа увеличивается теплопередача жидким продуктам плавки и коксу, отчего газ приходит в вышележащие зоны и к колошнику с более низкой температурой. Таким образом, меньшее количество менее нагретого колошникового газа унесет меньше тепла из печи. Эта статья теплового баланса экономит тепло, увеличивая тепловой к. п. д. печи.

2. Уменьшение расхода кокса с повышением нагрева дутья при неизменном его количестве увеличивает производительность печи, а это значит, что в расчете на единицу чугуна уменьшаются тепловые потери с охлаждающей водой и в атмосферу через кладку печи. Эта статья также экономит тепло, увеличивая к.п.д. печи.

3. С уменьшением относительного расхода горючего уменьшается количество шлака вследствие уменьшения количества золы кокса и расхода флюса на ее ошлакование. Чем меньше количество шлака, тем меньше расход тепла на его нагрев. Кроме того, уменьшается расход тепла на испарение влаги и шлакование серы, так как их меньше вносится коксом. Эта статья также экономит тепло.

4. При повышении нагрева дутья возрастает температура в горне, поэтому более нагретые чугун и шлак уносят из печи больше тепла. Расход тепла увеличивается еще и потому, что при уменьшении расхода кокса и повышении температуры в горне возрастают степень прямого восстановления железа и переход кремния в чугун.

Общий приход тепла при повышении нагрева дутья должен быть скорректирован на величину q, представляющую собой алгебраическую сумму изменений в расходных статьях теплового баланса, вызываемых увеличением нагрева дутья. Эта величина q может быть как положительной, так и отрицательной в зависимости от того, какие из перечисленных факторов превалируют.

Относительная экономия тепла в доменной печи получаемая нагретом:

 

 

где Е – экономия тепла в доменной печи, отнесенная к общему расходу тепла на единицу чугуна;

q– алгебраическая сумма разностей всех статей расхода тепла на единицу чугуна при обычном (или менее нагретом) и нагретом дутье, кДж;

W – общий расход тепла в печи на единицу чугуна, кДж.

 

Изменение величины Е зависит не только от изменения температуры дутья, но и от других величин, входящих в уравнение и в свою очередь изменяющихся при изменении температуры дутья.

Экономия тепла и экономия кокса, не пропорциональна повышению температуры дутья, т.е. не одинакова при повышении температуры дутья на одно и то же число градусов. Следовательно:

1. С увеличением нагрева дутья уменьшается относительный расход кокса, на сжигание которого требуется меньшее количество дутья, следовательно, выражение V_дс_дt_д, входящее в числитель уравнения, уменьшается, уменьшая значение величины Е.

2. С увеличением нагрева дутья уменьшается и величина q, которая при определенной температуре дутья (разной для разных условий плавки) может стать даже отрицательной и в такой мере, что числитель уравнения превратится в ноль. В этом случае экономии тепла при увеличении нагрева дутья не будет.

3. Чем выше нагрев дутья, тем полнее используется тепло в доменной печи, т. е. выше тепловой к. п. д. печи k_T за счет уменьшения потерь тепла с колошниковым газом, так как при уменьшении относительного расхода кокса уменьшаются количество колошникового газа и его температура. Кроме того, k_T увеличивается и за счет уменьшения тепловых потерь с охлаждающей водой и в атмосферу в расчете на единицу чугуна вследствие увеличения производительности печи. Поскольку тепловой к. п. д. печи k_T входит в знаменатель уравнения, то увеличение его уменьшает значение Е.

4. Общий расход тепла W с увеличением нагрева дутья уменьшается, а так как величина W входит в знаменатель уравнения, то с ее уменьшением экономия тепла возрастает. Это единственная величина, способствующая возрастанию экономии тепла при увеличении нагрева дутья, однако ее влияние на общее изменение значения невелико по сравнению с влиянием трех предыдущих факторов.

 

Увлажнение дутья

 

Естественная влага, содержащаяся в дутье, при высокой температуре в зоне горения диссоциирует на водород и кислород с поглощением большого количества тепла:

Н₂О®Н₂ + ½О₂ – 57810 ккал.

 

Кислород влаги, так же как и кислород дутья, взаимодействует с углеродом кокса с образованием окиси углерода:

 

C + ½О₂ ®СО+ 28080 ккал.

 

Суммируя реакции получим:

 

Н₂О + С ®Н₂+СО – 29730 ккал.

 

Переходящие в газовую фазу продукты реакции водород и оксид углерода принимают затем участие в восстановлении окислом.

Естественная влажность воздуха колеблется в значительных пределах как и течение суток, так и по временам года на 8–12 г в 1 м³ воздуха, или на 1–1,5% по объему.

Колебания влажности дутья вызывают изменения в тепловом и температурном режиме горна и в ходе восстановления, что приводит к расстройствам хода печи, ухудшая технико-экономические показатели.

Устранить колебания естественной влажности можно двумя путями: осушением дутья и увлажнением дутья в таких пределах, чтобы влажность его была несколько выше естественной, но постоянной во времени.

Осушенное дутье впервые применили в Америке в 1904 г. Путем замораживания воздуха содержание влаги в нем понизили с 10–12 до 3–3,5 г/м³. При этом ход печи стал более ровным, вследствие чего расход кокса уменьшился, а производительность возросла.

Для обеспечения стабильной влажности дутья вместо дорогостоящего осушения воздуха применили его увлажнение путем добавления в дутье водяного пара. При этом получили значительное увеличение производительности (до 15%) и снижение расхода кокса (1,5–2%). Кроме того, появилась возможность более полно использовать тепловую мощность воздухонагревателей повышением температуры дутья, дополнительное тепло которого расходовалось на компенсацию тепловых затрат, вызываемых разложением водяного пара в горне.

На увлажненном (до 26–35% г/м³) дутье получили увеличение производительности на 10–16% и снижение расхода кокса на 3,5–5,8% при одновременном повышении температуры дутья на 200–250 град и количества дутья на 5–7%.

При увлажнении дутья повышение производительности печи достигается за счет более ровного хода печи, обогащения дутья кислородом влаги, снижения расхода кокса и некоторого увеличения количества дутья. Более ровный ход печи обусловлен улучшением газодинамики. Понижение температуры в зоне горения и увеличение ее размеров при увлажнении дутья уменьшают объем, скорость и подъемную силу газов.

Снижение расхода кокса достигается вследствие повышения восстановительной способности газа. Образующиеся при разложении влаги восстановительные газы Н₂ и СО увеличивают НВ в зоне умеренных температур, уменьшая ПВ, которое протекает с поглощением тепла. Однако снижение расхода кокса может быть получено только при условии компенсации затрат тепла на разложение влаги и нагрев образовавшихся продуктов разложения влаги до температуры в зоне горения. Эти затраты компенсируют увеличением нагрева дутья из расчета 72 град на 1% влаги в дутье, или 9 град на 1 г Н₂О в 1 м³ дутья.

Но достоинства увлажненного дутья не исчерпываются его интенсифицирующим действием. Оказалось, что увлажненное дутье позволяет быстро и эффективно влиять на тепловое состояние печи, являясь мощным фактором регулирования доменного процесса «снизу». При возникновении горячего хода его быстро устраняют увеличением содержания влаги в дутье. При похолодании нормальный нагрев восстанавливают уменьшением содержания влаги в дутье.