Раздел второй управление работой доменной печи технология производства чугуна

Задачей ведения доменной печи является организация и соблюдение такого технологического режима, который обеспечивает достижение макси­мальной производительности при возможном минимальном расходе кокса и получение чугуна заданного химического состава и товарного вида. Реше­ние этой задачи достигается применением современных технологических приемов управления ходом печи.

Ход печи определяется характером опускания шихтовых материалов и ее тепловым состоянием. При плавном (во времени) опускании столба ших­товых материалов без видимых подстоев ход печи называют ровным. Если ровный ход обеспечивает заданные условия плавки (производительность, расход кокса и качество чугуна), то он считается нормальным.

Процесс выплавки чугуна в доменной печи подвержен влиянию мно­гих переменных факторов, которые вызывают изменения в тепловом состо­янии печи и плавности схода шихты и требуют постоянного внимания со стороны технологического персонала. Поэтому технолог должен иметь на­выки оценки хода доменной печи по различным признакам, правильно ана­лизировать и своевременно предупреждать вероятные отклонения от задан­ного режима, умело применяя различные приемы воздействия на ход домен­ной печи.

Важнейшим из факторов, влияющих на ход доменной печи, является качество исходных материалов для доменной плавки - металлургического кокса, агломерата, окатышей, добавок.

Глава 8. Качество шихтовых материалов для доменной плавки и его контроль

8.1. Кокс

Металлургические свойства кокса, используемого в доменных печах, определяются химическим составом исходных углей для коксования, их под­готовкой к коксованию, технологией коксования и обработки готового кок­са (способ тушения, дробления и отсева мелких фракций).

Кокс состоит из органических и минеральных веществ. Главной час­тью кокса является его органическая масса. В состав органической массы входят: углерод, органическая сера и в небольшом количестве водород (Н₂), кислород (О₂) и азот (N₂). Минеральное вещество - зола - нежелательная, но неизбежная составляющая кокса. В состав золы входят вредные примеси: фосфор и некоторое количество серы (минеральная сера). Оценку качества кокса производят по химическому составу или элементарному анализу орга­нической массы, и техническому анализу. Главным показателем элементар­ного анализа органической массы кокса является содержание в ней углеро­да. Но этот показатель не дает полной оценки качества кокса в производ­ственных условиях, так как не учитывает содержание золы и влаги в коксе, которое может изменяться в значительных пределах (4/12 и 1/6% соответ­ственно) и влиять на фактическое количество углерода, вносимого коксом в доменную печь, и его потребность для процесса.

Элементарный анализ органической массы кокса не позволяет оценивать его металлургические свойства и, как правило, его используют при вы­полнении различных расчетов и составлении балансов.

Более полное представление о качестве кокса по химическому составу дает технический анализ кокса, которым определяют содержание в коксе ле­тучих веществ V, золы А, влаги W и серы S. Содержание фосфора в коксе контролируют лишь при выплавке малофосфористого чугуна.

Техническим анализом кокса содержание в нем углерода не определяют. Количество углерода, сгорающее в доменной печи, можно с допустимой точностью определить по разности

С= 100-(V+A + S).

Влага W в этом расчете не участвует, так как процентное содержание летучих, золы и серы определяют в пересчете на сухую массу кокса, а содер­жание влаги приводится сверх 100%.

Содержание летучих в коксе зависит от состава шихты (исходных углей) для коксования, периода коксования и его конечной температуры. Как прави­ло, выход летучих веществ из готового кокса не должен превышать 1,2 % от сухой его массы. Превышение этого предела может свидетельствовать о не­завершенности процесса коксования. Такой кокс (недопал) характеризуется более темным цветом и пониженной механической прочностью.

Уменьшение выхода остаточных летучих веществ ниже 0,5% нежелатель­но, так как при этом увеличивается период коксования и уменьшается проч­ность кокса вследствие его пережога и увеличения трещиноватости. Летучие вещества, в основном, состоят из оксида углерода и водорода (85-90 %), остальное - диоксид углерода, метан и азот.

Зола является нежелательной примесью кокса, так как снижает содер­жание в нем углерода, требует увеличения расхода флюса на ее офлюсование и кокса на расплавление дополнительного количества шлака. Установлено, что увеличение золы в коксе на 1% требует увеличения расхода кокса в до­менной плавке на 1,5-2,5%, известняка - на 1,5 % и приводит к снижению производительности доменной печи на 1,5-2,5%.

Зольность кокса зависит от зольности исходной угольной шихты. В свя­зи с тем, что зола в процессе коксования не удаляется, а относительный выход кокса из угольной шихты составляет в среднем 65-78%, содержание золы в коксе всегда больше, чем в исходной шихте. Содержание золы в коксе из углей месторождений Украины и России колеблется в пределах 8-12 %. Золь­ность в аналитической пробе кокса А^а_к определяют прямым методом по массе зольного остатка и вычисляют по формуле:

А^а_к =G₁·100/G, %

где: G - навеска кокса, г;

G₁ - масса зольного остатка, г.

Содержание золы в коксе в пересчете на сухую массу А^а_к вычисляют по формуле:

А^c_к =А^а_к·100/(100-W_a)

где: W_a - содержание влаги в аналитической пробе кокса, %.

Немаловажное значение в доменной плавке имеет и химический состав золы кокса, влияющий на процесс образования шлака в нижней части до­менной печи - горне. На долю главных компонентов золы SiO₂, A1₂O₃ и Fe₂O₃ приходится 70-90%, остальное представлено CaO, MgO, SO₃, Р₂О₅ и щело­чами.

Наиболее важный фактор снижения зольности кокса - обогащение ис­ходных углей, предназначенных для получения кокса.

Содержание влаги в коксе зависит от способа тушения, пористости, ситового состава и степени «готовности» кокса. Кокс обладает низкой гиг­роскопичностью.

Для доменного процесса желательно обеспечивать постоянную влаж­ность кокса, что позволяет устойчиво поддерживать тепловое состояние доменной печи. При мокром тушении влажность кокса может изменяться в пределах 4—7%, при сухом тушении кокса она составляет доли процента.

В связи с тем, что кокс в доменные печи загружают по массе, значи­тельное колебание влажности кокса приведет к изменению количества угле­рода, загружаемого в печь, а следовательно, и к нарушению теплового режи­ма доменной печи. Контроль влажности кокса ведется либо ежесменно хи­мической лабораторией, либо непрерывно с помощью нейтронных влагоме­ров. Обычно при загрузке в коксовые бункера доменной печи новой партии кокса мастеру печи сообщают данные о техническом анализе, в том числе и о содержании влаги в коксе. Эти данные регистрируются в шихтовом жур­нале печи независимо от наличия автоматического влагомера.

Сера и фосфор - вредные примеси в чугуне. При выплавке чугуна в условиях Украины коксом в доменную печь вносится 80-86% серы. Уста­новлено, что увеличение содержания серы в коксе на 0,1% вызывает увели­чение его расхода на 1,8% и уменьшение выплавки чугуна на 2%. Если учесть, что содержание серы в коксе из донецких углей достигает значений 1,7-2,0 %, то издержки по переводу серы в шлак становятся весьма ощутимыми. По­этому сейчас на коксохимических заводах Украины производят кокс из сме­си донецких углей и углей, поступающих из других стран, что позволяет снизить содержание серы в коксе до 0,8-1,2%.

Содержание серы в коксе зависит от содержания ее в углях, поступаю­щих на коксование. При обогащении углей частично удаляется только мине­ральная сера (пиритная), а при коксовании в большей мере, чем минераль­ная, удаляется органическая сера. Удаление серы при коксовании тем пол­нее, чем выше выход летучих и температура коксования.

Содержание фосфора в коксе из донецких углей не превышает 0,04%. Однако следует учитывать, что в доменной печи фосфор полностью восста­навливается и переходит в чугун, в связи с чем содержание фосфора в коксе не должно превышать 0,05%.

При оценке металлургических свойств кокса определяющее значение имеет постоянство его состава.

Физико-механические свойства кокса определяются его прочностью, термической стойкостью, газопроницаемостью, пористостью, грануло­метрическим составом и насыпной массой. Под прочностью кокса понима­ется способность кокса противостоять разрушающим усилиям всех видов. Прочность кокса определяют искусственным разрушением проб различны­ми способами. О прочности кокса судят по изменению гранулометрическо­го состава после приложения разрушающих усилий.

Определение механической прочности кокса осуществляют стандар­тизированным методом в сплошном закрытом барабане (рис. 8.1) диамет­ром 1000 мм и такой же длины. Внутри барабана приварены четыре уголко­вых профиля 100x50x10 мм. Для испытания отбирают начальную пробу кокса массой 300 кг. Из нее отсеи­вают фракцию более 60 мм и отбирают навеску массой 150 кг, которую делят на три части по 50 кг каждая. Две навески после­довательно прокручивают в ба­рабане со скоростью 25 об/мил в течение 4 мин, а третья остает­ся в качестве контрольной. Пос­ле испытания каждой из двух навесок определяют массу кус­ков более 40 мм, выраженную в процентах к массе исходной пробы (показатель М40) и массу фракции менее 10 мм, выраженную в про­центах к массе исходной пробы (показатель М10). По двум испытаниям опре­деляется среднее значение показателей M40 и М10. Если расхождения по двум испытаниям превышают 3% для показателя М40 и 1% для показателя M10, то производят испытание третьей (контрольной) навески, и среднее значение показателей М40 и М10 определяют по трем испытаниям. Качество кокса по прочности тем выше, чем выше показатель М40 и н иже показатель M10. Для кокса из донецких углей в зависимости от сорта показатель М40 должен быть не менее 82%, а показатель М10 - не более 10%.

На некоторых заводах вместо показателя М40 используют показатель М25, т.е. после испытания в барабане учитывают массу фракции более 25 мм. Сред­нее значение показателя М25 для кокса из донецких углей достигает 90 %.

Применяют и другие методы испытания кокса на прочность. В США и Англии на некоторых заводах прочность кокса оценивают методом сбрасы­вания его с определенной высоты на металлическую плиту.

Важнейшей характеристикой качества кокса является термическая стой­кость, определяемая прочностью кокса при высокой температуре в домен­ной печи. В нижней части печи кокс должен сохранять высокую прочность, чтобы обеспечивать нормальное прохождение газов и дренаж жидких про­дуктов плавки.

Недостаток методов испытания кокса на прочность в холодном виде состоит в том, что ими нельзя оценить прочность кокса при высоких темпе­ратурах. Из практики известны случаи, когда ход печи нарушался вследствие низкой прочности кокса в горне, хотя в холодном виде он имел высокие прочностные показатели.

Предпринимаются попытки создать метод определения термической стойкости кокса. Суть его сводится к определению разрушающих усилий, действующих на куски кокса определенных размеров и формы, нагретых до температуры 1650 °С в нейтральной атмосфере.

Газопроницаемость слоя кокса оказывает определяющее влияние на работу доменной печи. По изменению газопроницаемости слоя кокса мож­но косвенно судить о его гранулометрическом составе и механической проч­ности.

Пористость, или объем пор кокса, влияет на условия его горения. Чем более пористый кокс, тем интенсивнее его горение и процесс газификации в горне. Пористость доменного кокса из углей Донецкого бассейна составля­ет 49-52%. Пористость зависит от свойств исходных углей и режима коксо­вания.

Гранулометрический состав кокса - это распределение его кусков по классам крупности, выраженное в процентах к массе исходной пробы кокса. Рассев кокса производят на механизированном грохоте с расположенными в два яруса четырьмя ситами с квадратными отверстиями 60x60 и 80x80 мм в верхнем ярусе, 25x25 и 40x40 мм в нижнем. Показателем гранулометричес­кого состава служит выход классов (фракций) крупности 80, 60-40, 40-25 и менее 25 мм.

Выдаваемый из коксовых печей кокс сортируется на три класса: ме­лочь 0-15 мм, орешек 15-20 мм и металлургический кокс фракции > 25 мм. Выход металлургического кокса составляет 89-91%.

При транспортировке кокса в доменный цех происходит его измельче­ние, поэтому перед загрузкой в печь кокс снова пропускают через грохот и отсеивают фракцию 0-25 мм для печей среднего объема и фракцию 0-40 мм для больших доменных печей. Оптимальная крупность кокса для печей боль­шого объема составляет 40-60 мм. Куски кокса более 80 мм поражены тре­щинами и при перегрузках разрушаются с образованием мелких кусков. По­этому важным фактором повышения качества кокса является стабилизация гранулометрического состава кокса путем предварительной обработки его в барабанах для разрушения крупных непрочных кусков с последующим отсе­вом мелких фракций.

Насыпная масса кокса - важная характеристика его качества. Между показателями насыпной массы кокса и работой печи установлена тесная связь. Доменные печи работают лучше на коксе с меньшей насыпной массой, кото­рая зависит от соотношения мелких и крупных кусков кокса, при прочих равных условиях. Чем однороднее по гранулометрическому составу кокс, тем меньше его насыпная масса и выше газопроницаемость. Насыпная мас­са из углей Донецкого бассейна не должна превышать 450-470 кг/м3.

Наиболее важными показателями физико-химических свойств кокса являются реакционная способность, горячая прочность, горючесть, темпе­ратура воспламенения и теплота сгорания.

Ранее реакционная способность кокса на металлургических заводах была гостирована и характеризовалась константой скорости реакции

СО₂ + С_к = 2СО, мл/г-сек,

k = v · T_r · R / g · T₁ ,

где: v - скорость подачи СО₂, мл/с;

g - содержание углерода в навеске кокса, г;

Т_r - температура реакции, К,

Т₁ - температура помещения, К;

R - степень преобразования газа-реагента в ходе реакции.

R = 2In(1 / (1-r))- r , где r = СО / (CO + 2CО₂).

Определение реакционной способности кокса при 950-1100 °С ведется в токе СО₂ (3 мг) при массе кокса 10 г последовательно для фракций 3-4 мм и 0,5-1 мм. Реакционная способность составляет, мл/(г сек): кокса из донец­ких углей - 0,62-0,66; кокса КМК - 0,76; кокса НТМК - 0,75

Высокая реакционная способность кокса способствует его частичной газификации (СО₂ + С_к = 2СО) в высокотемпературной зоне доменной печи выше фурм, что приводит к снижению теплового к. п. д., увеличению расхо­да кокса на 1 m чугуна. В условиях снижения удельного расхода кокса, в том числе за счет применения пылеугольного топлива, природного газа и дру­гих заменителей кокса, его повышенная реакционная способность отрица­тельно сказывается на газопроницаемости столба шихты, а следовательно, и на работе доменной печи.

Мировое производство чугуна в доменных печах за последние десять-пятнадцать лет характеризуется резким снижением удельного расхода кокса. Так, по данным Европейского комитета по доменному производству средний расход кокса в странах Западной Европы за годы с 1986 по 1998 снизился с 462 до 369 кг/m. Аналогичная ситуация наблюдается и в других странах - Японии, Китае, США, Канаде, Австралии, Южной Америке. Снижение расхода кокса, главным образом, за счет увеличения расхода вдуваемого в горн доменной печи пылеугольного топлива потребовало улучшения металлургических свойств кокса для сохранения газопроницаемости столба шихты.

Важной характеристикой кокса (наряду с механической прочностью и химическим составом) является его горячая прочность. В странах Западной Европы показатель горячей прочности кокса (CSR)* представляет собой вы­ход фракции более 10 мм после барабанных испытаний кокса, подвергнутого высокотемпературной обработке в атмосфере диоксида углерода (СО₂). Показа­тель горячей прочности кокса тесно связан с показателем реакционной спо­собности кокса (CRI), а именно- чем меньше реакционная способность кокса, тем выше его горячая прочность Эта связь представлена на рис. 8.2.

К сожалению, на металлургических пред­приятиях Украины (а так­же России и Казахстана) этот показатель качества кокса до сих пор не ис­пользуется должным об­разом. Нет и стандарти­зированной методики его определения.

Для коксов боль­шинства коксохимических заводов Европы показатель горячей прочности кокса составляет 60-65%, достигая максималь­ного значения (73%) на заводе фирмы Coras (Англия).

Горячая прочность кокса определяет проницаемость коксовой насад­ки (малоподвижного слоя кокса под зоной плавления, имеющего форму ко­нуса) для газа и жидких продуктов плавки и тем самым влияет на расход топлива в доменной плавке, использование физического тепла и восстано­вительной способности газа в печи.

Фирма Thissen Krupp Stahl на четвертом Европейском конгрессе по кок­сохимическому и аглодоменному производству, состоявшемуся в июне 2000 г. в Париже, привела результаты исследований влияния горячей прочности кокса на работу печи №1 в Швельгерне, используя данные за 1995-1999 гг. Показатель CSR коррелирует с суммарным расходом топлива (кокс + вдува­емый уголь), индексом газопроницаемости заплечиков (отношение расхода газа к нижнему перепаду давления) и расходом вдуваемого угля (рис. 8.3). Кроме того, установлено, что с ростом горячей прочности кокса увеличива­ются температура чугуна и содержание углерода в нем.

П утем отбора проб кокса из фурменной зоны определили существен­ное влияние CSR на количество коксовой мелочи (< 6,3 мм) в фурменных очагах (0,25-1м от стенки печи) и коксовом тотермане. С ростом показателя CSR от 52 до 64% количество коксовой мелочи в указанных зонах уменьшается. Особенно четко это просматривается в коксовой насадке. Таким образом, применение кокса с высокой горячей прочностью позволяет создать благо­приятные условия для эффективного использования его заменителей: уве­личить расход вдуваемого угля (с соответствующим снижением расхода кок­са), достичь максимальной производительности печи при получении физи­чески более горячего чугуна с повышенным содержанием углерода.

На заводе AG der Dillingen Huttenwerke в Дилленгене получили анало­гичные результаты - с увеличением горячей прочности кокса повысился расход вдуваемого угля и снизился расход суммарного топлива. На рис. 8.4 п редставлена зависимость из­мельчения кокса от его горячей прочности. Эти данные получе­ны при зондировании домен­ных печей №4 и 5 того же заво­да и отборе проб кокса по ме­тодике IRSID (керны диаметром 300 мм и длиной до 2,5 мот тор­ца фурмы) во время остановок. Диаметр кусков кокса монотон­но снижается от фурмы к цент­ру печи с 30-35 до 10-15 мм.

Приведенные результаты анализа работы доменных пе­чей Западной Европы настоя­тельно диктуют необходимость скорейшей разработки методи­ки по определению показателя горячей прочности кокса и ис­пользование этого показателя в практической работе на метал­лургических предприятиях Ук­раины в условиях вдувания пылеугольного топлива с боль­шим расходом.

Косвенной характеристи­кой горячей прочности кокса может служить температура воспламенения. Чем она выше, тем выше горячая прочность. Доменный кокс воспламеняет­ся при температуре 650-700 °С, древесный уголь - 250, а гра­фит - при 800 °С. С увеличени­ем горячей прочности кокса воз­растает и температура горения.

Теплота сгорания кокса зависит от соотношения в нем органической (горючей) и ми­неральной (негорючей) массы и определяется по формуле:

Q = 4,19[81C+300H-26(O-S)], кДж/кг,

где: С, Н, О и S - содержание углерода, водорода, кислорода и серы соот­ветственно в массе сухого кокса, %.

Теплота сгорания кокса колеблется в пределах 31900-33600 кДж/кг (7613-8020 ккал).

Сравнительные характеристики кокса металлургических заводов раз­ных стран приведены в табл. 8.1.