13.2. Нагрев дутья

Впервые нагретое дутье в доменном производстве применили в 1829 г. Несмотря на сравнительно невысокий нагрев дутья (150 °С), показатели работы печи значительно улучшились: относительный расход горючего уменьшился, производительность печи возросла, появилась возможность увеличить количество дутья. Впоследствии применение более нагретого дутья (350-400 °С) на коксовых доменных печах позволило уменьшить относительный расход кокса на 25-35%.

Переход от примитивных воздухонагревателей с чугунными трубами к регенеративным воздухонагревателям Каупера с кирпичной насадкой и исполь­зованием для нагрева насадки колошникового газа позволили увеличить тем­пературу нагрева до 600-700 °С и еще более снизить относительный расход горючего. В настоящее время дутье нагревают до 1150—1250 °С и выше.

Уже в самом начале применения нагрева дутья было замечено, что полу­чаемая при этом экономия тепла (снижение расхода кокса) больше количества тепла, вносимого в печь нагретым дутьем. Это объясняется тем, что тепло на­гретого дутья в отличие от тепла, выделяемого при сгорании горючего, не со­провождается образованием дополнительного количества газов, которые, ухо­дя из доменной печи, уносили бы часть тепла. Это значит, что, например, при понижении нагрева дутья увеличение расхода горючего должно компенсиро­вать не только уменьшение тепла, вносимого дутьем, но и неизбежные потери, связанные с увеличением расхода горючего, в основном, за счет образования дополнительного количества газов, уносящих из печи тепло. При этом следует заметить, что и тепло нагретого дутья, и тепло от сгорания горючего использу­ется в доменной печи в одинаковой степени согласно тепловому к. п. д печи k_r

Количество тепла, вносимое нагретым дутьем на единицу выплавляемо­го чугуна, определяется из уравнения:

Q_д=V_д ∙C_д ∙t_д

где V_д - объем дутья на единицу чугуна, м³;

С_д -теплоемкость дутья, кДж/(м³∙°С);

t_д - изменение температуры дутья при переходе от холодного дутья к

нагретому или от менее нагретого дутья к более нагретому, °С.

В дальнейшем обнаружили и другое обстоятельство: по мере увеличе­ния нагрева дутья уменьшение расхода горючего на каждые 100 °С снижалось. Объяснение этих факторов по-разному было дано металлургами Беллом, Окерманом и Грюнером. Однако наиболее полное объяснение действия горячего дутья на доменный процесс, получившее общее признание и сохранившее свое значение и сейчас, было дано М.А. Павловым в 1894 г. путем сопоставления тепловых балансов двух доменных печей, одна из которых работала на холод­ном, а другая - на нагретом дутье. Снижение расхода горючего при переходе от холодного дутья к нагретому или от менее нагретого к более нагретому про­исходит в результате действия двух причин: 1) замены части тепла, выделяе­мого при сгорании углерода у фурм, теплом нагретого дутья; 2) изменений в доменном процессе, которые вызывают изменения в тепловом балансе в сто­рону уменьшения расхода тепла.

При повышении нагрева дутья соответственно уменьшается расход кок­са, а следовательно, уменьшается и количество газа на единицу чугуна. Мень­шее количество газа, проходящего через столб шихты с тем же количеством железорудных материалов, 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. Следовательно, уменьшится и количество тепла, уносимого из печи колошни­ковым газом.

Для определения относительной экономии тепла в доменной печи, по­лучаемой вследствие применения нагретого дутья, академик М.А. Павлов пред­ложил уравнение:

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

∆t_д - изменение температуры дутья, °С;

q - алгебраическая сумма 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. Анализ уравнения показывает, что экономия тепла (а следовательно, и снижение расхода кокса) уменьшается с повышением температуры дутья. Рассмотрим причины этой закономерности.

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

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 уменьшается 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.

Общий расход тепла W c 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 Е невелико по сравнению с влиянием трех предыду­щих факторов.

В соответствии с изменением относительной экономии тепла при увели­чении нагрева дутья изменяется и расход кокса в абсолютном выражении.

В средине прошлого столетия доменные печи работали на дутье с нагре­вом не выше 700-800 °С. Более высокая температура дутья при работе печей на плохо подготовленной шихте вызывала неровный сход шихты с подвисаниями и обрывами, что не позволяло в конечном итоге получить положительный эффект от повышения температуры дутья.

Улучшение качества подготовки сырья, совершенствование технологии доменной плавки, применение различных методов интенсификации доменно­го процесса обеспечили условия для резкого повышения нагрева дутья, в ре­зультате чего значительно снижен расход кокса и увеличена производитель­ность доменных печей.

Наиболее важными мероприятиями, способствовавшими резкому уве­личению нагрева дутья и внедренными в производство за последние 50 лет, являются: 1) замена в шихте неподготовленной железной руды агломератом и окатышами с соответствующими основностью и содержанием железа (до 61-65% после обогащения); 2) применение увлажненного дутья; 3) применение повы­шенного давления газов в рабочем пространстве доменной печи; 4) вдувание в печь углеводородсодержащих добавок.

Наибольшее влияние на повышение температуры дутья и уменьшение расхода кокса оказало применение природного газа и пылеугольного топлива. Если до этого на многих заводах тепловая мощность воздухонагревателей ис­пользовалась далеко не полностью из-за невозможности ее использования по условиям работы печей, то с применением природного газа открылись практически неограниченные условиями работы печей возможности для повыше­ния нагрева дутья и дальнейшего снижения расхода кокса. Повышение темпе­ратуры дутья более 1250°С ограничивается не только тепловой мощностью воздухонагревателей, но и стойкостью огнеупоров и узлов тракта горячего дутья.

В современных условиях работы печей при оценке экономического эф­фекта от применения высокотемпературного дутья следует учитывать и затра­ты на его нагрев, которые составляют 8-12% от общего расхода тепла на про­изводство чугуна.