Зміна вмісту кисню в дутті
Для підвищення результативності, отже продуктивності, доменного процесу Бессемер (Англія, 1876 р.) запропонував підвищення концентрації кисню в дутті. В 1972-1973 рр. в Японії виникла ідея збіднення дуття киснем за рахунок збагачення дуття азотом, але вже з іншою метою -– для зниження витрати коксу, тобто підвищення ефективності плавки чавуну.
В першій половині ХХ століття промислова реалізація технології плавки на збагаченому киснем дутті внаслідок високої вартості технологічного кисню і ускладнень в роботі печей була обмежена лише дослідами на окремих печах, серед яких найбільш помітні дослідження в Угре (Бельгія, 1929 р.) і в Тулі (СРСР, 1946 р.). На другу половину ХХ століття припадає широке розповсюдження технології роботи на дутті із підвищеною концентрацію кисню завдяки вдуванню природного газу (СРСР). Наприкінці цього століття і на початку нового у зв’язку із широким застосуванням пиловугільного палива збагачення дуття киснем має місце у більшості країн світу з розвинутою металургією.
Збагачують атмосферне дуття технологічним киснем (частка О2 90-98%) зазвичай подаванням на всмоктуючий патрубок повітродувної машини. Застосовується також подавання технологічного кисню в пальник разом з додатковим паливом (вугільним пилом, природним газом). Пальник розміщують або в повітряній фурмі, або у вихідній частині сопла пристрою для введення дуття в піч. Це забезпечує більш повне згорання додаткового палива. Енергоємність технологічного кисню вища за енергоємність кисню, що потрапляє в піч з атмосферним дуттям – 5-9 МДж на 1 м3 технологічного кисню проти 3-5 МДж на 1 м3 атмосферного.
Підвищення концентрації кисню в дутті викликає суттєві зміни в доменному процесі.
зростає кількість спаленого вуглецю на одиницю дуття (кг/м3), внаслідок підвищуються температура і ентальпія фурмених газів. В результаті зростають інтенсивність плавки, зрошення коксової насадки розплавами і продуктивність печі;
пропорційно вмісту кисню в дутті збільшується вихід фурмених газів (м3/м3 дуття) за рахунок підвищення концентрації оксиду вуглецю (II) - СОфг, оскільки на один об’єм кисню в дутті припадає два об’єми СОфг (см. розділ 3). Внаслідок цього поновлювальна здатність фурменого газу поліпшується;
– збільшення кількості розплавів, що дренуються вниз крізь коксову насадку з одного боку і зростання температури фурменого газу, що рухається назустріч, з другого, супроводжується зростанням газодинамічної напруги в нижніх горизонтах печі і, в кінцевому рахунку, суттєвим гальмуванням подальшого підвищення інтенсивності плавки. Так, при збагаченні дуття киснем до 28% О2 градієнт тиску в розпарі в порівнянні з режимом роботи на атмосферному дутті збільшився з 2,13 до 8,11 кПа/м або майже в чотири рази (рис. 7.3).
Рис. 7.3 – Зміна статичного тиску газу і його градієнтів по висоті печі при роботі на атмосферному дутті (1) і дутті з концентрацією до 28% О2 (2) за даними М.А.Шаповалова
Підвищена якість фурменого газу за відновлювальною здатністю, температурою та ентальпією приводить до зменшення витрати цього газу на обробку одиниці маси шихти і, відповідно, на одиницю маси чавуну.
Охолодження шахти погіршує умови непрямого відновлення і степінь підготовки матеріалів, що викликає зростання потреби процесу в додатковій теплоті на ендотермічні процеси прямого відновлення. Дефіцит теплоти, що виникає, компенсується за рахунок згорання додаткової кількості палива в дутті, збагаченому киснем.
Специфіка перерозподілу тепла при роботі печей з підвищеною концентрацією кисню в дутті найбільш прийнятна у виробництві доменних феросплавів, яке потребує значних витрат теплоти в нижній зоні печі на відновлення важкопоновлювальних елементів (кремнію і марганцю), а також на розплавлення. При виплавці феросиліцію на кожний додатковий 1 % О2 в дутті (в межах 21-25%) досягнуте збільшення продуктивності печі на 4-4,5% і зниження витрати коксу на 1-1,5%. Використання збагаченого до 30% кисню дуття при виплавці феромарганцю дало приріст виробництва чавуну на 10,3% і економію витрати коксу на 1,8% на кожний додатковий відсоток кисню.
Можливості інтенсифікації киснем виробництва переробного і ливарного чавунів обмежені. При зміні вмісту кисню в дутті в межах 21-25% на кожен додатковий 1% О2 в дутті можливе зростання продуктивності печі на 2-3,5%. При досягненні частки кисню в дутті 23-25% спостерігається ускладнення сходу шихти, перш за все, у зв’язку із зростанням газодинамічної напруги у високотемпературній зоні печі.
Основним результатом застосування добавочного кисню в дутті є інтенсифікація високотемпературних процесів в нижній частині печі, обумовлена не тільки прискоренням горіння коксу в горні, але й покращанням характеристик горнового газу.