7 Методи інтенсифікації доменної плавки

Стосовно доменного процесу поняття «інтенсифікація» містить не тільки прискорення протікання окремих складових доменного процесу, що викликає підвищення питомої продуктивності доменних печей, але й реалізацію цих процесів з найменшою витратою палива, перш за все коксу. На протязі минулого сторіччя широко впроваджувалися різні нові методи інтенсифікації плавки, а також удосконалювалися старі. За специфікою впливу на доменний процес інтенсифікатори поділяються на дві групи: матеріальні (покращання якості шихтових матеріалів, впровадження нових видів доменної сировини) та інтенсифікатори, що впливають на якість пічних газів.

7.1 Нагрів дуття

Нагрів дуття є ефективним енергозберігаючим засобом інтенсифікації плавки. Середня температура дуття на сучасних доменних печах в розвинутих країнах сягає 1200⁰С і більше. Перше дослідження нагріву повітря датується 1799 роком. В 1828 році англієць Нельсон отримав патент на нагрів дуття в піч, а в наступному році гаряче дуття застосували на Олександрівськом казенному заводі в Петербурзі у вагранках і на заводі Клайд в Шотландії в доменних печах.

Досліди на заводі Клайд показали, що в результаті нагріву повітря лише до 149С витрата палива знизилась з 8,06 до 5,16 т/т чавуну при зростанні продуктивності печі з 15,7 до 23 т. При цьому витрата палива на нагрівання дуття склала 0,4 т/т чавуну, що майже в сім разів менше за економію палива від застосування гарячого дуття. Таким чином було встановлено, що таке дуття зберігає більше теплоти, ніж саме вносить. Внаслідок високої ефективності, а також застосування колошникового для нагрівання дуття (1832 р.) технологія плавки на гарячому дутті зазнала широкого поширення.

Зниження витрати палива при заміні холодного дуття нагрітим відбувається внаслідок внесення в піч фізичного тепла нагрітим дуттям і заміни їм частини теплоти, що виділяється при спалюванні біля фурм вуглецю, а також позитивних змін в тепловому балансі плавки. Тепло гарячого дуття засвоюється повністю, оскільки не втрачається із колошниковим газом, як при згоранні вуглецю.

До позитивних змін в тепловому балансі плавки при підвищенні температури дуття і зниженні відносної витрати коксу, відносять зменшення кількості золи і сірки, що вносяться коксом на одиницю виплавленого чавуну, зменшення потреби у флюсі для їх ошлакування, а також виходу шлаку і, як наслідок, корисної витрати тепла.

Негативні зміни в тепловому балансі плавки при підвищенні температури дуття пояснюються зростанням степені прямого відновлення r_d і витрати вуглецю С_d на пряме відновлення. В широкому діапазоні зміни температури дуття t_д залежність r_d від t_д можна приблизно виразити рівнянням О.Н.Рамма:

r_d = r_d⁰ (0,684 + 0,01  t_д^0,5), (7.1)

де r_d⁰ - степінь прямого відновлення при t_д=1000С.

В свою чергу активізація ендотермічних процесів прямого відновлення обумовлена впливом підвищеної температури дуття на розподіл температур газів по висоті печі (рис.7.1).

Рис.7.1 Схема розподілу температури газів по висоті доменної печі при низькій (1) і високій (2) температурах дуття

Внаслідок зростання теоретичної температури горіння на 50С на кожні додаткові 100⁰С t_д) температура газів підвищується в нижній частині печі (в горні і заплечиках) і знижується у верхній ( в шахті). Область помірних температур (нижче 950-1000С при цьому розширюється. І зростання теоретичної температури горіння і зниження температур газу в шахті обумовлені зменшенням витрати коксу на фурмах С_ф і виходу як фурменого так і колошникового газів з цього приводу. У відповідності з практичними даними температура колошникового газу з підняттям нагріву дуття зменшується у відповідності з виразом, запропонованим О.Н.Раммом:

t_г = t_г (0,5+ 0,0005  t_д) (7.2)

де t_г – температура колошникового газу при t_д = 1000⁰С.

Практика та аналітичні розрахунки свідчать, що економія коксу не пропорційна підвищенню температури дуття, тобто не однакова при зростанні нагріву дуття на одне й те ж число градусів. Чим вище температура гарячого дуття, тим більше розвиток і вплив негативних процесів в доменній плавці, тому економія коксу знижується. Економічно доцільна межа підняття температури дуття ще не досягнута. Максимальний рівень нагріву дуття в сучасних умовах 1200-1300⁰С лімітується конструктивними можливостями повітронагрівників. Найвища температура дуття 1300-1380⁰С в Україні була досягнута на металургійному комбінаті «Азовсталь». В дутті містилося 25-27% кисню при витраті природного газу 115-125 м³/т чавуну.

Оскільки відносна витрата коксу зменшується в значно більшій мірі ніж інтенсивність його спалювання, то питома продуктивність доменної печі (Р_v=I_к/k) при підвищенні нагріву дуття майже завжди зростає.

До удосконалення технології, що призвели до значного під^’йому температури дуття в СНД у другій половині ХХ сторіччя слід віднести застосування зволоженого дуття, заміну залізних руд неофлюсованим агломератом, а невдовзі неофлюсованого агломерата офлюсованим, підвищення тиску в робочому просторі доменних печей, вдування в горн замінників коксу - головним чином природного газу. Зволоження дуття парою, вдування природного газу сприяли підвищенню температури дуття внаслідок зростання потреби в теплоті на процеси нагрівання і розкладання речовин, які додавали в піч з гарячим дуттям.

Якщо не приймати заходи з теплової компенсації (вдування холодного нереформованого палива в горн, зволоження дуття) підвищення температури дуття стає неможливим оскільки різко знижується температура матеріалів на вході у фурмені вогнища.

Заміна пилуватих криворізьських залізних руд неофлюсованим або малоофлюсованим агломератом значно підвищила газопроникність шихти, як за рахунок покращання гранулометричного складу, так і позитивних зрушень у структурі стовпа шихти у зв’язку із зменшенням товщини зони когезії. Оскільки наслідком підвищення температури дуття є зростання газодинамічної напруженості в печі, зменшення опору шихти внаслідок дії вище названих чинників дозволило підняти нагрів повітря.

Перехід на офлюсований агломерат дозволив майже повністю вивести із складу шихти сирий флюс і усунути витрату теплоти на розкладення карбонатів в середній зоні печі. Ця витрата при використанні неофлюсованих залізорудних матеріалів компенсувалася теплотою від згорання додаткового коксу на фурмах, що і транспортувалася в середню зону печі за рахунок збільшеної кількості газів. Зменшення теплоти і кількості газів від згорання коксу на фурмах, обумовлене виведенням сирого флюсу, призвело до нестачі теплоти в нижніх горизонтах печі і, як наслідок, до виникнення можливості компенсаційного підняття температури дуття.

Підвищення тиску газів в робочому просторі печі створило можливість підвищити нагрів дуття за рахунок зменшення об’єму і швидкості газів. Це дозволило експлуатувати піч без порушень сходження шихти і газорозподілу.

Найбільші передумови для підняття температури дуття виникли внаслідок вдування в піч вуглеводнів - природного і коксового газів, мазуту, а також вугільного пилу. Нагрівання і дисоціація цих видів палива збільшила витрати теплоти в горні, що дозволило значно підвищити температуру дуття.

Для умов відсутності додаткових видів палива, що вдуваються в горн доменної печі, в останні десятиліття пропонується збагачення дуття азотом або збіднення його киснем. Запропонована технологія має на меті економію коксу за рахунок підтримання високого рівня температури дуття. Підняття температури дуття при збідненні його киснем стає можливим як внаслідок збільшення кількості фурмених газів (за рахунок N₂) на одиницю маси коксу, що згорає біля фурм, так і внаслідок зменшення кількості тепла від згорання коксу на одиницю дуття (за рахунок О₂).