книги из ГПНТБ / Применение пылеугольного топлива для выплавки чугуна

выхода газов-восстановителей отмечается увеличение rd до 0,40—0,45, что можно объяснить недостатком газоввосстановителей для прохождения реакции восстановления вюстита. Величина выхода газов-восстановителей, обеспе­ чивающая минимальное значение rd, приблизительно оди­ накова для режимов с применением и без применения при­ родного газа и составляет 750—800 мэ/т чугуна. Расход кокса в этих режимах различался значительно и составлял 480 и 560 кг/т чугуна соответственно.

Таким образом, степень достижения равновесия газомвосстановителем для реакции косвенного восстановления закиси железа в значительной мере определяется выходом газа-восстановителя. Однако выход газа-восстановителя является лишь частным показателем, определяющим ход реакции (32, 33) наравне с такими показателями, как высота зоны замедленного теплообмена, интенсивность плавки, давление газов в рабочем пространстве печи, доля кокса в шихте, доля окислов железа в агломерате и др.

Обобщающим все эти и другие частные показатели яв­ ляется универсальный показатель — время контакта газавосстановителя с окислами железа в зоне замедленного теп­ лообмена доменной печи*. Наравне с этим показателем рав­ ное влияние на ход восстановительного процесса могут оказывать температура газа и шихты и восстановимость окислов железа. Анализ работ по исследованию тепло­ обмена и температурного режима в шахте печи показывает, что происшедшие за последние 20 лет изменения технологи­ ческого режима и соответственные изменения технико-эко­ номических показателей не вызвали существенного изме­ нения уровня температур в шахте доменной печи.

Восстановимость шихты также существенно не измени­ лась и не могла оказать решающего влияния на степень достижения равновесия для реакций восстановления вюс­ тита окисью углерода или водородом. При работе доменных печей с минимальным выходом газов-восстановителей влия­ ние восстановимости шихты на развитие реакций косвен­ ного восстановления закиси железа и расход кокса стано­

* В дальнейшем этот термин будем называть «время контакта тк».

50

процессов в шахте печи, степень использования газов и степень прямого восстановления закиси железа.

Время контакта рассчитывали по уравнению

где г — время пребывания газов в печи, сек; ki — коэффи­ циент, равный отношению высоты зоны замедленного тепло­ обмена к общей высоте слоя шихты; ku — коэффициент, численно равный объемной доле агломерата в шихте; km— коэффициент, численно равный объемной доле окислов железа во всем объеме железорудной части шихты.

Расчет времени контакта был сделан для доменных пе­ чей Череповецкого и Донецкого металлургических заво­ дов за период с 1957 по 1968 гг. Из рис. 14 видно, что величина времени контакта тк в рассмотренных тех­ нологических услови­ ях возросла в 5 раз— от 0,25 до 1,25 сек.

Рис. 14. Графики зависи­ мостей показателей домен­ ной плавки от времени контакта газов-восстано­ вителей с окислами же­ леза при выплавке пере­ дельного чугуна. (Тем­ ными точками показан режим работы печи без использования природного газа, светлыми точками —

с природным газом).

Одним из основных факторов, определивших это измене­ ние, было снижение выхода газов-восстановителей на еди­ ницу шихты, выразившееся в снижении избытка газа-вос­ становителя для реакции (32) от 1,3—1,5 до 0,7—0,8. На­ равне с этим увеличение времени контакта определено увеличением времени пребывания газа в печи и доли агло­ мерата в шихте.

Увеличение тк до 0,6 сек сопровождалось увеличе­ нием относительной степени использования газа для реак-

51

ций (32, 33) от 0,3 до 0,7—0,8. Дальнейшее увеличение тк не вызывает существенного изменения степени использования газа и степени прямого восстановления железа. По-види­ мому, именно при избытке газа-восстановителя, равном 0,8—0,9, и величине времени контакта 0,6 фактический состав газа в шахте печи приближается по составу к рав­ новесному для реакции косвенного восстановления закиси железа. Следует отметить, что мысль об определяющей роли времени контакта газов с шихтой на развитие реакции кос­ венного восстановления железа высказывалась ранее [27,

63].

Рассмотрим некоторые спорные вопросы практики домен­ ного производства и применения комбинированного дутья.

В. И. Логинов утверждает, что при работе доменных печей с низким расходом кокса восстановимость шихты перестает играть существенную роль и не оказывает влияния на относительный расход кокса [44]. Этот вывод, на наш взгляд, бесспорен, поскольку, как было показано, при расходе кокса ниже 0,50—0,55 т/т чугуна величина rd однозначно определяется избытком газов-восстановителей на единицу чугуна. От ухудшения восстановимости шихты может сократиться высота зоны в шахте, в которой восста­ новительные процессы идут замедленно, однако это не вы­ зовет изменения величины rd и расхода кокса.

Всвязи с полученным выводом нам кажется обоснован­ ным и достойным проверки промышленными плавками пред­ ложение о значительном улучшении фракционного соста­ ва и прочности агломерата за счет увеличения расхода топлива и повышения температурного уровня процесса агломерации, что может сопровождаться, однако, некоторым ухудшением восстановимости.

Всвое время разными авторами указывались возмож­

ные предельные значения степени использования газов в печи — от 0,3 до 0,6. На наш взгляд, данный показатель не может иметь конечного и единственного значения, по­ скольку в решающей степени определяется выходом вос­ становительных газов на единицу чугуна. Очевидно, по мере снижения выхода газов-восстановителей предельная степень использования (тщо, Лн,) может увеличиваться вплоть до 0,65 и даже 0,95.

Рассмотрим особенности восстановительного процесса в шахте печи при большом и малом выходе восстановитель­ ных газов.

52

Согласно проведенным исследованиям, скорость восста­ новления железа по высоте печи имеет два максимума: первый максимум, расположенный в нижней части печи, начинается при температуре 1100—1200°С и заканчивается в зоне замедленного теплообмена [33]. В области макси­ мума проходит восстановление вюстита как прямым, так и косвенным путем. Второй максимум, меньший по абсо­ лютной величине, располагается в верхней части шахты и начинается в зоне замедленного теплообмена при темпе­ ратурах 800—1000° С. В этой зоне идет преимущественно восстановление высших окислов железа газами-восстано-* вителями. В промежуточной между максимумами зоне ход восстановительных процессов значительно замедляется

(рис. 15).

При снижении выхода газов-восстановителей скорость восстановительных процессов в обоих максимумах сущест­ венно возрастает, а обе зоны смещаются в область более высоких температур. В результате высота промежуточной зоны увеличивается, а скорость восстановления в ней окис­ лов железа снижается. При снижении выхода газов-вос­ становителей высота зоны шахты с низкой скоростью восстановления закиси железа будет увеличиваться, а ско­ рость восстановления в этой зоне будет приближаться к нулю. При этом степень использования восстановитель­ ной энергии газов по отношению к реакции восстановления вюстита существенно не изменится, а степень прямого вос­ становления железа будет возрастать.

Таким образом, в условиях современных доменных пе­ чей, работающих с низким расходом кокса, в зоне замед­ ленного теплообмена может существовать резервная зона по восстановлению вюстита. Наличие этой зоны свидетель­ ствует о значительных резервах применения комбиниро­ ванного дутья. Очевидно, что при увеличении выхода газов-восстановителей характер кривых (рис. 15) может претерпеть обратные изменения. При этом степень исполь­

В заключение рассмотрим влияние различных допол­ нительных видов топлива на время контакта. Ориенти­ ровочный расчет показывает, что применение мазута и природного газа сопровождается уменьшением времени

53

контакта. Это объясняется существенным снижением'температуры горения и значительно большим выходом продуктов горения единицы топлива по сравнению с выходом продук­ тов горения единицы кокса.

При вдувании первых порций топлива время контакта изменяется незначительно (благодаря наличию компенси­ рующих изменений температурно-дутьевого режима). В этих условиях степень использования газа остается практически

и с точки зрения использования восстановительной энер­ гии газов, вдувание мазута и природного газа должно сопровождаться компенсирующими технологическими из­ менениями (увеличением температуры дутья, снижением выхода шлака), обеспечивающими дополнительное сокра­ щение расхода кокса и выхода горновых газов.

Вдувание высокоуглеродистого пылеугольного топ­ лива не вызывает существенного увеличения выхода га­ зов-восстановителей, но сопровождается значительным снижением расхода кокса, что обеспечивает увеличение времени контакта. Следовательно, как с точки зрения со­ хранения температурного режима горна, так и с точки зрения использования восстановительной энергии газов-

54

восстановителей, применение пылеугольного топлива не сопровождается неблагоприятными последствиями и по­

оптимального вида топлива в зависимости от технологи­ ческих условий плавки. Разделим поле рис. 14 на участки, характеризующие определенные технологические условия работы доменных печей.

На участке /, характеризуемом высоким расходом кокса (более 900 кг/т чугуна) и избытком газов-восстановителей (выплавка ферросилиция, ферромарганца, зеркального и литейного чугунов), целесообразно применение высоко­ углеродистого пылеугольного топлива с минимальным содержанием летучих. Применение пылеугольного топли­ ва в данных условиях обеспечит существенное увеличение времени контакта и, следовательно, улучшение степени использования восстановительной энергии газов, снижение степени прямого восстановления железа и потерь тепла с колошниковым газом. Эти обстоятельства определят по­ лучение коэффициента замены кокса углем существенно большим 1, возможность применения угольной пыли в зна­ чительных (до 300—500 кг/т чугуна) количествах. Эконо­ мический эффект применения пылеугольного топлива в дан­ ных условиях будет максимальным по сравнению с други­ ми технологическими условиями. Применение мазута и особенно природного газа в данных технологических усло­ виях может дать отрицательный или, при очень высокой компенсации, минимальный положительный эффект.

На участке II (при выплавке литейного или передель­ ного чугуна с расходом кокса от 900 до 600 кг/т чугуна) наибольшую эффективность может обеспечить применение пылеугольного топлива, поскольку данное топливо обес­

сация охлаждающего влияния пыли не обязательна. Эффективным в данных условиях может оказаться при­

менение газовых углей, сочетающих в себе преимущества природного газа и высокоуглеродистого пылеугольного

55

образно с полной или избыточной компенсацией охлаж­ дающего влияния газа на температуру горна доменной

печи.

На участке III целесообразно применение пылеуголь­ ного топлива с высоким содержанием летучих или высоко­ углеродистого пылеугольного топлива в сочетании с при­ родным газом. При значительном отдалении фактической величины времени контакта вправо от критического зна­ чения ткр, равного 0,75, наиболее целесообразно примене­ ние природного газа, мазута или угля с высоким содержа­ нием летучих. Эти виды топлива обеспечат как значитель­ ное снижение суммарного расхода топлива, так и замену

Таким образом, применение пылеугольного топлива рас­ ширяет возможности и повышает эффективность приме­ нения комбинированного дутья практически во всех тех­ нологических условиях. Важнейшим преимуществом при­ менения комбинированного дутья на участке III является возможность снижения rd до 0, что способствует достиже­ нию максимального экономического и технологического эффекта от применения данной технологии.

В заключение рассмотрим влияние времени контакта на эффективность применения пылеугольного топлива в условиях работы доменной печи № 3 Донецкого металлур­ гического завода.

Из рис. 14 видно, что увеличение времени контакта в диапазоне от 0,3 до 0,7 вызывает улучшение степени ис­ пользования газа от 0,4 до 0,8, что, при условии сохране­ ния на исходном уровне выхода восстановительных газов на единицу чугуна, может вызвать снижение rd на 4% на каждые 0,1 сек времени контакта. Фактическое снижение rd при отмеченных изменениях ткр составляет 1 % на каждые 0,1 сек времени контакта, что объясняется значительным снижением выхода газов-восстановителей. Из рис. 3 видно, что применение пылеугольного топлива- в количестве до 200 кг!т чугуна вызвало увеличение времени контакта на 0,12 сек, прежде всего, за счет увеличения доли агло­ мерата в шихте на 5—10%, увеличения высоты зоны замед­ ленного теплообмена на 0,4—0,5 м, снижения выхода гор­

56

новых газов на единицу чугуна. Отмеченное увеличение тк может сопровождаться снижением степени rd на 2—4% на каждые 100 кг угля, расходуемые на 1 т чугуна, и может обеспечить дополнительное снижение расхода кокса на 10—20 кг. Таким образом, улучшение степени использо­ вания газов и снижение rd при вдувании угольной пыли определяют увеличение номинального коэффициента замены кокса углем на 10—20%. Получение коэффициента замены кокса углем выше 1 объясняется также максимальной эф­ фективностью использования в печи углерода угля. Извест­ но, что в течение 6—8 ч пребывания в печи углерод кокса расходуется на многочисленные непроизводительные про­ цессы — потери с колошниковой пылью и продуктами плавки, реакции восстановления С 02 и Н20 , образование метана, цианидов и т. д., в результате чего доля углеро­ да, сгорающего на фурмах, составляет 65—75%. Угле­ род угольной пыли при нормальных условиях плавки пол­ ностью сгорает на фурмах в кислороде дутья. Поэтому коэффициент замены кокса углем в предельном теорети­ ческом случае может быть равен отношению

Так, на Карагандинском металлургическом заводе при­ менение пылеугольного топлива в количестве до 100 кгіт чугуна сопровождалось снижением rd на 2—4% [271. На заводе «Запорожсталь» при вдувании до 30 кг уголь­ ной пыли на 1 т чугуна rd также снизился [533. На До­ нецком металлургическом заводе в наиболее характер­ ных периодах работы печи rd уменьшился на 1—3%. Во многих случаях зарубежной практики применение пы­ леугольного топлива сопровождалось улучшением степени использования восстановительной энергии газов и получе­ нием коэффициента замены углерода кокса углеродом угля выше 1, что, несомненно, может быть следствием снижения rd [3, 92, 95, ПО, 118, 119].

Таким образом, в отличие от мазута или природного газа, применение пылеугольного топлива в случае отсутствия температурной или иной компенсации сопровождается улуч­ шением условий использования восстановительной энер­

57

гии газов в печи, что определяет сохранение на высоком уровне коэффициента замены кокса углем даже при высо­ ких расходах топлива. Сопутствующее снижение rd опре­ деляет получение коэффициента замены кокса углем >1, что способствует повышению эффективности применения угля.

Изменение газодинамического режима плавки и производительности доменной печи

Применение пылеугольного топлива при сохранении на исходном уровне прочих условий плавки может сопро­ вождаться ухудшением газодинамического режима и, сле­ довательно, снижением производительности печи.

Существует ряд методов теоретической оценки влияния технологических условий на производительность доменной печи.

Во многих работах изменение производительности печи при вдувании в горн дополнительного топлива рассчиты­ вали исходя из условия сохранения на исходном уровне интенсивности плавки по выходу горновых газов [72, 112]. Принципиальным недостатком такого метода являет­ ся то, что в нем не учитывается влияние на производитель­ ность печи газопроницаемости шихты, определяемой отно­ сительным расходом кокса и выходом шлака на единицу чугуна. При значительных изменениях расхода кокса влия­ ние этих факторов на производительность печи является определяющим.

Нами предложен метод расчета производительности печи по скорости газов в определяющей, с точки зрения газо­ динамики, зоне печи — распаре:

что скорость газа в распаре в данных условиях существен­

58

но не изменяется и, по-видимому, равна предельно допу­ стимому, исходя из условия сохранения ровного схода шихты, уровню — 8—12 м/сек [87]. По мере увеличения расхода угля скорость газов в распаре существенно повы­ шается, что определяется увеличением выхода шлака и гор­ новых газов на единицу кокса. Опыт применения пыле­ угольного топлива на Донецком металлургическом заводе показал, что при замене до 15% кокса пылеуголь­ ным топливом производительность печи существенно не изменяется, несмотря на увеличение скорости газов в рас­ паре. Это можно объяснить малым изменением скорости, наличием в печи определенных резервов газодинамического режима, благоприятным влиянием первых порций уголь­ ной пыли на сход шихты (оптимизацией и стабилизацией фи­ зических условий в фурменных зонах, увеличением ак­ тивного веса шихты, снижением выхода горновых газов на единицу чугуна).

Считая, что при дальнейшем увеличении расхода угля неблагоприятное влияние ухудшения газопроницаемости шихты станет определяющим, мы рассчитали изменение производительности печи исходя из условия сохранения скорости газов в распаре на предельно допустимом уров­ не (скорости, получаемой при вдувании в горн 60 кг уголь­ ной пыли на 1 т чугуна). При дальнейшем увеличении расхода уѵолыюк пыли производительность печи сущест­ венно снижается.

Предлагаемый метод расчета не учитывает благоприят­ ного влияния на производительность увеличения актив­ ного веса шихты при снижении расхода кокса, поэтому полученные потери производительности следует считать завышенными. Это предположение подтверждается другими работами.

Так, А. Рист и Н. Мейсон при графическом исследовании работы доменной печи с применением увлажненного дутья и вдуванием топлив рассчитывали изменение производи­ тельности печи исходя из условия сохранения на постоян­ ном уровне сопротивления газового потока в определяю­ щей зоне доменной печи [113]. Согласно исследова­ нию, применение пылеугольного топлива вызывает наимень­ шее, по сравнению с вдуванием природного и коксового газов, снижение производительности, составляющее около 6—8% на каждые 100 кг угля, расходуемые на 1 m чугуна.

5 9