автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и освоение технологии доменной плавки с вдуванием в горн на 1т чугуна 150-200 кг. пылеугольного топлива

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ л П

На правах рукописи

НОЗДРАЧЕВ Валерий Андреевич

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ С ВДУВАНИЕМ В ГОРН НА 1 Т ЧУГУНА 160-200 КГ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

Специальность 05.16.02 "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Донецк-1997

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Донецком государственном техническом университете и на Донецком металлургическом заводе.

Научный руководитель - Академик ИА Украины, доктор технических наук, профессор Ярошевский СЛ.

Официальные оппоненты - Доктор технических наук,

Товаровский И.Г., кандидат технических наук Бачинин А.А.

Ведущее предприятие - Укргипромез (г.Днепропетровск).

Защита диссертации состоится мая 1997 г. в 12°° в аудитории 5.353 на заседании специализированного совета Д06.04.03при Донецком государственном техническом университете (340000, г.Донецк, улАртема, 58). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДонГТУ (340000, г. Донецк, ул. Артема 58, II уч.корпуса).

Автореферат разослан .¿у " апреля 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета, д.т.н., профессор

С.М.Сафьянц

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы в Украине резко возросли стоимость и дефицит энергоресурсов, в первую очередь коксующихся углей и природного газа, что стало одной из причин значительного снижения объема производства и эффективности доменной плавки.

Отечественный и зарубежный опыт показывают, что значительное -30-50% - снижение расхода кокса на выплавку чугуна может быть обеспечено за счет повышения удельного расхода и эффективности применения пылеугольного топлива (ПУТ) в сочетании с комплексом высокоэффективных компенсирующих мероприятий. К числу последних относятся повышение температуры дутья, содержания в нем кислорода, сокращение расхода природного газа (ПГ), улучшение качества железорудного сырья, кокса и ПУТ.

Из изложенного следует высокая актуальность и перспективность технологии доменной плавки с вдуванием в горн на 1 т чугуна 150-200 кг ПУТ на увлажненном дутье при исключении вдувания природного газа, теоретическому обоснованию и промышленному внедрению которой посвящена настоящая диссертационная работа.

Цепью работы является разработка теоретических основ и освоение в промышленных условиях технологии доменной плавки с повышенным расходом ПУТ с целью исключения вдувания ПГ, при сохранении на базовом уровне или улучшении других определяющих показателей плавки.

Научная новизна состоит в следующем:

- обоснована возможность и эффективность замены природного газа ПУТ и паром, ПУТ и очищенным колошниковым газом (СЖГ);

- исходя из позиций теории комплексной компенсации , обоснована возможность повышения расхода и эффективности использования ПУТ, увеличения доли замененного им кохса до 30-50%;

- показана возможность значительной интенсификации сгорания ПУТ в фурменных зонах за счет дополнительного увлажнения дутья паром, что связано с переходом режима горения из "негорящего" в "двойной горящий пограничный слой';

- обоснован оптимальный состав шлака исходя из требований технологии при работе доменной печи с вдуванием ПУТ;

Обоснованы и предложены способы:

- регулирования расхода окислителей по фурмам доменной печи;

- доменной плавки с подачей в горн раздельно через фурму кислородо-угольного и воздушного потоков;

- управления тепловым режимом горна изменением количества и состава вдуваемых в горн топлива и реагентов;

Практическая ценность работы определяется тем, что в ней решены следующие задачи: теоретически обоснованы и рассчитаны

з

технологические режимы доменной плавки с высоким - 200-500 кг/г чугуна - расходом ПУТ на кислородном дутье при вдувании в горн пара, горячего дутья, очищенного колошникового газа (ОКГ), обеспечивающие снижение расхода кокса на 30-50%. Разработана и внедрена технология доменной плавки с вдуванием на 1 т чугуна 150-200 кг ПУТ на увлажненном дутье при исключении вдувания ПГ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- метод интенсификации горения частиц ПУТ в фурменных зонах за счет увлажнения дутья;

- методика расчета основных параметров технологического режима при замене природного газа ПУТ и паром;

- метод интенсификации сгорания частиц ПУТ при локальном повышении концентрации кислорода в зоне введения ПУТ;

- конструкция фурмы, обеспечивающая введение в горн двух раздельных потоков - кислородо-угольной смеси и горячего дутья или ОКГ;

- технология доменной плавки при вдувании на 1 т чугуна 150-200 кг ПУТ на увлажненном дутье при исключении вдувания ПГ;

- технологические режимы доменной плавки на холодном кислородном дутье с вдуванием на 1 т чугуна 200-500 кг ПУТ совместно с 500-1000 м3 горячего ОКГ.

Методы исследования. Для проведения исследований использовались:

- прибор комплексного термического анализа вЕТЕЯАМ - механизм и кинетика процессов превращения твердых топлив;

- устройство 1.ЕСО модели АР-600 - размягчение и плавление шлаков;

вискозиметрическая установка торсионного типа с высокочастотной печью ЛПЗ-67 - вязкость и температура плавления шлаков.

Основные результаты исследований получены в ходе длительных опытно-промышленных плавок, проведенных на современных доменных печах, анализа материально-тепловых балансов, статистической обработки экспериментальных и производственных данных

Реализация результатов работы. Впервые в странах СНГ освоена в промышленных условиях технология доменной плавки с вдуванием на 1 т чугуна 150-200 кг ПУТ на увлажненном дутье, что позволило снизить расход кокса на 1 т чугуна до 450-500 кг при повышении производительности печи и качества чугуна. В ходе трехмесячных плавок получен экономический эффект в размере 547 тыс. гривень.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на совещании начальников доменных цехов Украины,

4

г.Запорожье, май 1996 г.; симпозиуме по проблемам применения пыпеугопьного топлива в доменной плавке, г.Донецк, 9-10 декабря 1992 г., два доклада; межгосударственной научно-технической конференции "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века", г.Магнитогорск, 14-17 мая 1996 г.; международном коллоквиуме горной академии, г.Фрайберг, Германия. 1-4 июля 1992 г., два доклада; международной конференции "Экологически чистые технологии горения', г.Лисабон, Португалия, 3-6 июля 1995 г.; в Министерство промышленности Украины; технических совещаниях на ОАО "Енакиевский металлургический завод", ОАО Мариупольский металлургический комбинат "Азовсталь"; техническом совете ОАО "Донецкий металлургический завод"; научных семинарах в ДонНИИЧермете, декабрь 1996 г.; институте черной металлургии АН Украины, апрель 1997 г.; ДонГТУ, апрель1997 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ: 1 книга, 14 статей в отечественных и зарубежных журналах, 3 авторских свидетельства на изобретения и 2 патента Украины.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов, содержит 48 рисунков, 27 таблиц и 3 приложения, список литературы из 93 наименований, всего 204 страницы.

Личный вклад автора заключается в постановке и развитии принципиальных решений работы, разработке методик расчетз технологических режимов, программ проведения производственных экспериментов, организации опытно-промышленных и балансовых плавок, внедрении результатов исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрен ход развития и состояние

технологии доменной плавки с применением пылеугольного топлива на основе анализа отечественного и зарубежного опыта.

В бывшем СССР технология развивалась на основе широкого применения природного газа (ПГ) и дутья, обогащенного кислородом (Дог). Применение ПУТ з данных условиях позволило создать на Донецком металлургическом заводе технологию ПГ + Д02 + ПУТ, позволившую снизить расход кокса на 30-35%.

За рубежом основой развития технологии стали высокое качество железорудной части шихты, высокая температура дутья при умеренном его обогащении кислородом. Созданная технология ПУТ + Дог + ПАР позволила заменить до 30-50% кокса.

Повышение стоимости и острый дефицит ПГ обусловили

5

необходимость разработки варианта технологии ПУТ + Д02 + ПАР с учетом специфики технологических условий Донбасса - высокого прихода серы с шихтой, основных и тугоплавких шпаков, относительно низкой стабильности шихтовых и технологических условий доменной плавки.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены методы интенсификации сгорания ПУТ в фурменных зонах.

Увлажнение дутья. Наличие водяного пара в дутье обеспечивает повышение концентрации окислителя на поверхности частицы углерода, поэтому влияние его идентично влиянию кислорода.

Однако, интенсификация горения при введении в дутье пара определяется не только и даже не главным образом изменением указанного соотношения.

Поскольку концентрация реагентов в потоке всюду одинакова, то все сопротивление переносу массы сосредоточено в тонкой пленке газа, окружающей частицу со всех сторон, через которую идет диффузия. Эта пленка называется пограничным слоем. Обычно считается, что ее толщина определяет интенсивность процессов диффузии, а, следовательно, и скорость горения.

Различные режимы горения соответствуют пограничным слоям, которые принято называть (по мере уменьшения толщины слоя) "негорящим пограничным слоем*, "горящим пограничным слоем" и "двойным горящим пограничным слоем" *.

Рассматривая процесс выгорания коксового остатка можно принять упрощенное выражение для скорости реакции, исходя из первого порядка реакций по компоненту, находящемуся в недостатке. Количество реагирующего вещества в каждой такой реакции будет:

|Ю|=С|к|е-*«я»А , (1)

где сЮ1 - количество реагирующего вещества, моль/(м2С); С1 - мольная концентрация вещества, моль/м3; к I - константа скорости ¡-й реакции,м/с; Т - температура горения, К; ЕI - энергия активации, кДж/моль; я - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К).

В пределах приведенной пленки - пограничного слоя - реакция горения оксида углерода, который сгорает частично или полностью в зависимости от условий, определяется критерием Н.Н.Семенова (Бе):

*Основы практической теории горения. Учебное пособие для ВУЗов/ В.В.Понеранцев, К.МАрефьсв, Д.Б Ахмедов и др. Л.: Эисргоатоыиздат, Ленинградское отделение, 1986.- 312 с.

к А2 I кВ

8е= -= М-

^ О а©

Ч О

где к - константа скорости реакции, с"1; ао - коэффициент массоотдачи, м/с; А - толщина приведенной пограничной пленки, м; О - коэффициент диффузии, м7/с.

Установлено, что если Эе й 0,4, то выгорание протекает по схеме "негорящего пограничного слоя"; при 0,4 < Бе < 2 имеет место горящий пограничный слой, а при ве > 2 - "двойной горящий пограничный слой".

При отсутствии в дутье водйного пара критерий Семенова ве = 0,5, т.е. процесс горения углерода идет в режиме "горящего пограничного слоя".

При высоких температурах в присутствии водяного пара с учетом молярного переноса критерий Семенова равен 6,5.

В этом случае идет наиболее интенсивное горение по так называемой схеме "двойной горящий пограничный слой"; толщина пограничного слоя уменьшается в два раза по сравнению со схемой "горящего пограничного слоя". При "двойном горящем пограничном слое", вследствие сокращения диффузионного пути кислорода видимая скорость горения возрастает в два раза.

Расход водяного пара, необходимого для получения увлажнения дутья и вышеописанного эффекта по интенсификации сжигания ПУТ, определяется по формуле:

где В - расход водяного пара, кг/ч;

1 - влагосодержание дутья (естественное), г/м3; а - коэффициент расхода воздуха;

<ар - содержание углерода в рабочем ПУТ, %; т - расход ПУТ, кг/ч;

2 - доля кислорода в дутье (с учетом технического кислорода,

подаваемого в печь); V - удельный объем пара, определяемый по его температуре и давлению, м3/кг. Расчеты по уравнению показывают, что величина дополнительного увлажнения дутья, необходимая для организации горения частиц ПУТ в режиме "двойного горящего пограничного слоя", зависит от базовых

(20-0 « О р т

В = 2,3 10

(3)

8 V

влажности дутья, содержания в нем кислорода, зольности топлива и изменяется в пределах от 1 до 5 грамм на 1 м3 дутья.

Интенсификация горения твердого топлива при локальном повышении концентрации кислорода. Горение твердого топлива является гетерогенным процессом, протекающим на поверхности раздела твердой и газообразной фаз, который зависит как от кинетики горения, так и от диффузионного переноса кислорода и продуктов горения.

Для расчета времени горения угольных частиц наиболее распространенным является метод ВТИ*

= 5,3 1014 Тг"4 й0,8, (4)

1* = к2 0,5 10® 6г, (5)

^гкз 5,36 107 - , (6)

Тг1,2

100-Акс гк й2

Ъ = к4 2,21 108 - - , (7)

100 Тг0,9О2 где - время прогрева частиц до воспламенения

летучих, выгорания летучих, прогрев коксового остатка до его воспламенения и выгорания коксового остатка соответственно, зависящие от марки угля,с; к!, к2, к3 ,к* - опытные коэффициенты;

Тг - температура газовой среды, К;

(1 - средний начальный размер частицы, м;

Ацс - зольность коксового остатка, %;

Ог - объемная концентрация кислорода, доли единицы;

х к - кажущаяся плотность коксового остатка, кг/м3. Суть методики заключается в расчете времени указанных стадий и их последующем суммировании.

Расчеты времени горения отдельных угольных частиц по приведенной выше методике выполнены для концентрата тощего угля с содержанием 7,5 % золы, 11 % летучих веществ, используемого для приготовления пылеугольного топлива на ДМЗ.

Расчеты показали: при постоянной температуре газовой среды в процессе горения превалирующей стадией является выгорание коксового остатка и ; при работе на атмосферном дутье в диапазоне размера частиц 40-80 мкм ее доля составляет 80-90 %.

• Бабий В.И., КуваевЮ.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела.- М.: Энергоиздат, 1986.- 208 с.

Поэтому наиболее эффективно повышать концентрацию окислителя после выхода летучих веществ и прогрева коксового остатка, то есть через время, равное Л, + % + Ъ .

Результаты расчетов показали, что при вводе кислорода в фурму и росте его концентрации в области движения потока пылеугольного топлива в 2 раза время сгорания ПУТ уменьшается нз 40%.

Для полного сжигания 100 кг/т чугуна ПУТ необходимо 35-50 м3/г чугуна кислорода, подведенного к фурмам при соответственном снижении обогащения им дутья традиционным методом.

Исследования деструкции и горения углей и кокса. Для изучения механизма и кинетики процессов превращения твердых топлив были выполнены термографические исследования углей и кокса с использованием высокоточного прибора комплексного термического анализа ЭЕТЕРАМ, измеряющего во времени температуру, изменение массы, скорость изменения массы и изменение энтальпии исследуемого вещества.

Проведенные исследования показали, что сокращение содержания летучих от 34,1 до 16,7 и 13,1% не вызвало существенного снижения скорости горения ПУТ: так, до температуры 600°С (при скорости нагрева

600°С/час) газифицировалось 74,76; 56,89 и 86,94% угля соответственно для газового и двух тощих углей. В то же время в подобных условиях газифицировалось лишь 3,86% кокса, содержащего 2% летучих.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрен промышленный опыт работы доменной печи с вдуванием в горн ПУТ на увлажненном дутье.

На протяжении последних 10-15 лет в осенне-зимний период доменный цех ДМЗ систематически испытывал острый дефицит природного газа.

Одновременно цены на ПГ росли значительно быстрее цен на кокс и уголь и в 1996 г. приблизились к ценам на кокс.

Расчеты показывают, что полная замена ПГ паром определяет прирост расхода кокса от 460 до 650 кг/т, сохранение базовой производительности печи и существенное снижение убытков по сравнению с альтернативным для данного варианта случаем -снижением температуры дутья до 650-750°С. Применение ПУТ по сравнению с базовым вариантом - увлажнением дутья и максимальной его температурой - дает возможность сократить влажность дутья и снизить расход кокса.

Расчеты показывают, что при влажности дутья 15-20 г/м3 и расходе ПУТ на 1 т чугуна 150-200 кг суммарный коэффициент замены (2К3) равен 1,3-1,4 кг/кг, производительность печи сохраняется на базовом уровне, что примерно соответствует уровню показателей, достигнутых при совместном вдувании в горн ПУТ и ПГ.

Для создания нормальных шихтовых условий и предпосылок для

9

эффективного применения ПУТ в 1995-1996 гг.:

- из шихты частично или полностью выведен агломерат, загружаемый со склада;

- использовались только окатыши СевГОКа при повышении их доли в шихте до 50-70%;

- повышена до 950-1000°С температура дутья;

- горячее дутье увлажнялось паром -1,0-1,5 т/ч;

- созданы необходимые запасы железорудного сырья, кокса и угля.

В указанных технологических условиях была проведена серия

опытно-промышленных плавок с повышенным расходом ПУТ. Анализ приведенных экспериментов показывает, что оптимальный расход ПУТ возрастает по мере улучшения общего уровня технологии и создания условий для полной и комплексной компенсации повышения расхода ПУТ.

Так, последовательно с 1993 г. величина оптимального расхода ПУТ повысилась от 55-65 кг/т до 100-120 кг/г и, наконец, 150-180 кг/т чугуна.

В опытных плавках в 1996 г. коэффициент замены кокса ПУТ (£К3) составил 0,9-1,2 кг/кг, производительность печи и качество чугуна улучшились (табл.1).

Таблица 1 - Показатели работы доменной печи № 1

Донецкого металлургического завода

Периоды

Показатели 1 2 3 4

10.02- 7.02- 20.02- 28.02-

20.02 19.02 27.02 10.03

1995 1996 1996 1996

Производительность, т/сутхи 906 1065 1230 1332

Расход кокса, кг/т чугуна 674 619 526 450

°асходПУТ, кг/г чугуна 0 78,4 141,8 178,4

Расход материалов, кг/т чугуна:

агломерата 872 1005 718 677

окатышей 942 782 991 944

железной руды 51 27 61 42

известняка 256 296 300 237

Температура дутья, °С 705 833 915 964

йктенсивн.плав. по углер.,кг/м3/сутки 549 603 665 669

Химсостав колошникового газа, %

СОг 12,8 14,2 14.3 15,4

н2 2,4 3,1 2,9 3,2

Химсостав чугуна, %

8"! 1.16 1,11 0,97 1,09

в 0,048 0.042 0,029 0,033

Основность, СаО/ЗЮг 1,30 1,28 1,28 1,29

Выход шлака, кг/т чугуна 588 654 594 546

Об эффективности отработанной технологии плавки с повышенным

расходом ПУТ свидетельствуют материально-тепловые балансы: при вдувании в горн 178 кг/т ПУТ степень использования восстановительной способности СО повысилась на 5%. Значительно улучшился коэффициент использования тепла в печи, снизились потери тепла на охлаждение и излучение.

Снижение показателя степени прямого восстановления Feo ( ) более чем вдвое (54,3-26,8% соответственно в I и IV периодах) при значительном снижении выхода горновых газов свидетельствует о весьма существенном благоприятном изменении условий восстановления оксида железа.

Приведенные данные свидетельствуют об эффективности предпринятых мероприятий по компенсации нарушений технологии, определяемых вдуванием ПУТ, принципиальной возможности на этой основе дальнейшего повышения оптимального расхода ПУТ и эффективности его применения.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ исследованы особенности шлакового режима и десульфурации чугуна при вдувании в горн на 1 т чугуна 150200 кг ПУТ.

С помощью современных методов определены температуры размягчеиия и плавления, вязкость реальных конечных доменных шпаков. Показано, что легкоплавкие (1270-1300°С) устойчивые ишаки могут быть получены при содержании оксида магния в шлаке от 4 до 12% и основности шлака (CaO/SiCb) соответственно 1,15-1,00. Низкосернистый чугун на таких шлаках, однако, может быть получен при приходе серы с шихтой не выше 5-6 кг/г чугуна.

Показано, что в современных технологических условиях за рубежом при достижении очень высоких показателей плавки (Qnvr = 180220 кг/т, Qk= 265-300 кг/т, П = 2,5-3,4 т/м3 сутки) в большинстве случаев доменные печи работают на шлаках, полностью отвечающих требованиям технологии: основность (Ca0/S¡02) 1,0-1,15; при содержании А120з и МдО по 7-12%. Как правило, чугун, выплавляемый на таких шлаках, содержит 0,04-0,08% S и подвергается внепечной десульфурации.

Исследованы особенности десульфурации чугуна при работе доменной печи с высоким расходом ПУТ. В условиях нестабильности технологического, шихтового и температурно-дутьевого режимов, высокого прихода серы с шихтой (8-13 кг/т чугуна) относительно устойчивые показатели качества чугуна по содержанию серы могут быть достигнуты лишь за счет значительного перегрева горна и продуктов плавки, повышенных основности шлака и содержания в чугуне кремния, что сопровождается значительным перерасходом кокса и ухудшением технико-экономических показателей плавки.

11

Проведены исследования реальных шпаков ОАО °ДМЗ", насыщенных углеродсодержащими материалами: насыщение шлака мелочью кокса, сажей, пылеугольным топливом а количестве 0,5% ухудшает его гомогенность, вязкость, дренажную способность, устойчивость, эффективность процесса десульфурации чугуна, повышает температуру плавления. Негативное влияние углеродсодержащих добавок на физические свойства шпаков значительно усиливается при повышении основности шлака.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены перспективные технологии доменной плавки на основе вдувания ПУТ и кислорода.

Сокращение расхода или вывод из состава дутья ПГ определяют соответственное повышение прихода в горн оксида железа, что увеличивает его тепловую напряженность, снижает устойчивость технологического режима, нагрева горна и качества чугуна. В сочетании с низким качеством железорудной шихты и кокса, повышение тепловой напряженности горна исключает возможность разработки перспективных технологических режимов доменной плавки с высоким расходом ПУТ (200 кг/т чугуна и более).

Выходом из сложившейся ситуации может быть вдувание совместно с ПУТ ПАРА или нового компонента дутья, который по своему воздействию на технологию аналогичен ПГ.

Функции указанного компонента в разной степени могут выполнить пар, коксовый газ, колошниковый газ, содержащий минимальное количество азота и не более 5-8% окислительных газов (СОг+ НгО), т.е. очищенный колошниковый газ (ОКГ).

Для расчета эффективности вариантов перспективных технологий использовали метод профессора Ленинградского политехнического института Рамма А.Н.*

Вариант с вдуванием в горн ПУТ, технического кислорода и пара (ПУТ+ Ог+ Пар) достаточно легко осуществим, не требует нового капитального строительства, обеспечивает возможность максимального повышения расхода ПУТ, прирост производительности, снижение расхода кокса на 1 т чугуна до 200 кг и ниже, сопровождается получением высококалорийного колошникового газа.

Однако все указанные преимущества не могут оправдать его очень серьезного недостатка: значительного прироста расхода условного топлива, что связано с затратами тепла на нагрев и диссоциацию пара, а также значительным - 15-20% от общего прихода тепла - сокращением прихода физического тепла с горячим дутьем. Соответственно низка экономическая эффективность варианта.

*Рамм А.Н. Современный доменный процесс - М.: Металлургия, 1980.- 304 с.

В варианте с локальным подводом в горн кислородо-угольной смеси

сохранены и использованы все компоненты традиционной технологии доменной плавки, а также предложена специальная воздушная фурма (рис.1). По основному каналу данной фурмы поступает горячее дутье (21% Ог) и возможные к нему добавки: пар, ПГ, коксовый газ и т.д. По дополнительному каналу - цельнотянутой трубке, впаянной в водяную полость воздушной фурмы - в горн поступает кислородо-угольная смесь, формирующаяся непосредственно перед фурменным прибором из отдельных потоков 0> и ПУТ.

сиамода ч>, грйльноз вд

-Здаагд |

На основе кислородо-угопьного потока формируется отдельный факел с высоким температурно-кислородным потенциалом. Скорость газификации в нем углерода ПУТ возрастает в несколько раз, благодаря чему становится принципиально возможным вдувание на 1 т чугуна до 300-500 кг ПУТ.

Наиболее эффективным представляется вариант с расходом ПУТ 450 кг/т чугуна при обогащении дутья кислородом до 50-60 %; сохранении достаточно высокой средней температуры дутья (атмосферное дутье + Ог). Осуществление варианта обеспечивает снижение расхода кокса ниже 200 кг/т чугуна, повышение производительности печи на 33 %, прирост расхода условного топлива на 7,5% при сохранении оптимальной теоретической температуры горения.

Приемлемы и основные экономические показатели варианта.

Вариант с вдуванием в горн ПУТ + О? + ОКГ. В силу указанных недостатков рассмотренные варианты технологии не могут быть однозначно приняты на дальнюю перспективу.

Указанных недостатков не имеет вариант технологии с вдуванием в горн ПУТ + Ог + ОКГ (Ькг=1000-1200 °С). ОКГ, содержащий до 5-8 % СО2+Н2О, может быть получен в специальных скрубберах при растворении диоксида углерода в воде при давлении 28-30 атм.

Для нагрева ОКГ до 1000-1200 "С могут использоваться

13

воздухонагреватели доменных печей. ;

Получаемый при производстве ОКГ диоксид углерода (СОг) в газообразном, жидком и твердом состоянии является ценным побочным продуктом, реализация которого может существенно повысить эффективность данного варианта технологии.

С использованием ОКГ предлагается следующая схема доменной плавки: через основной канал воздушной фурмы подается ОКГ, через дополнительный канал (трубку <1 = 40-50 мм) - кислородо-угольная смесь. Продукты сгорания угля и ОКГ перемешиваются и образуют горновой газ с минимальным содержанием азота. Температура газовой смеси - 2100-2300°С.

В отличие от зарубежных аналогов, вдувать ОКГ предлагается не в шахту печи, а в фурменную зону, что, на наш взгляд, имеет значительные технологические, конструктивные и экономические преимущества.

Из табл.2 следует, что в вариантах 1- 4 приведенные затраты на 1 т чугуна снизились на 30,9-37,3 гривень, производство возросло на 30,8-35,6%; показатель степени прямого восстановления снизился до

Таблица 2 - Показатели эффективности доменной плавки при _вдувании в горн ПУТ * Ог + ОКГ А = 1000°С)

Показатель Вариант

База 1 2 3 4

Содержание кислорода в дутье, % 23.5 83,5 94,1 96.3 97,9

Расход сухого дутья мэ/т чуг. 2126 457 416 437 461

Расход ОКГ, Мэ/г чуг. 0 1000 900 700 500

Расход ПУТ, кг/г чуг. 89 100 200 350 500

Производительность,0/« 100,0 134,0 135,6 133,8 130,8

Расход кокса, кг/т чуг. 717 479 392 284 177

Содержание в КГ,%

СОг 13.« 21,9 22,8 23,6 24,5

СО 28,5 60.6 60.9 59,3 57,6

н2 3,1 13,5 14,7 15,8 16,9

54,8 4,1 1.6 1.2 1.0

Степень пряного восстановлена*, га 0,36 0,12 0.11 0,10 0,09

Выход сухого КГ. м3/г чуг. 2981 1983 1883 1791 1703

Степень использования СО, т]со 0,30 0,24 0,25 0,26 0,28

Степень использования Щ т|вг 0,34 0,28 0,29 0,30 0,31

Расход условного топлива, кг/г чуг. 810 587 613 675 738

Приведенные затраты, ты а грн/г чуг. 164.7 133,8 129,9 128,4 127,4

9-12%, что может уменьшить тепловую напряженность работы горна, способствовать снижению расхода углерода на прямое восстановление, качественному улучшению условий нагрева продуктов плавки и десульфурации чугуна. При прочих равных условиях эти изменения

14

создают предпосылки для снижения уровня нагрева горна на 100-200°С.

Таким образом, может иметь место качественное улучшение технологических условий доменной плавки и, как следствие, дополнительная экономия тепла и кокса.

В конкретных технологических условиях реализовать указанную схему работы печи с использованием ПУТ + Ог + ОКГ наиболее эффективно на одной или двух доменных печах доменного цеха, включающего пять-восемь печей, при использовании имеющихся в цехе ресурсов технического кислорода. Эти одна-две печи, имеющие наиболее высокие технико-экономические показатели, в то же врегия обеспечат ОКГ остальные доменные печи цеха, которые могут работать по традиционной технологии (ПУТ+ До2 + ОКГ) - на горячем и обогащенном кислородом дутье, с вдуванием ПУТ и ОКГ в соотношении , обеспечивающем полное сгорание ПУТ и оптимальный температурный режим горна.

В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены вопросы совершенствования оборудования для приготовления и вдувания ПУТ.

С целью создания повышенной локальной концентрации кислорода в зоне горения ПУТ разработан и реализован на д.п. № 1 проект индивидуальной разводки технического кислорода по фурмам.

В системе предусмотрено измерение давления кислорода и расхода его на каждую фурму. Давление кислорода в коллекторе - 16 атм, в кислородопроводе возле фурм - 8-12 атм, максимальный расход кислорода на фурму - 600 м3/час.

Данная система не требует увеличения лимитов кислорода доменному цеху, так как при ее осуществлении подача кислорода в воздухопровод холодного дутья будет прекращена, либо уменьшена на величину, равную количеству кислорода, вводимому индиэидуально через воздушные фурмы.

Для перспективных технологических условий разработана специальная воздушная фурма (глава 5, рис.1).

С целью исключения неблагоприятного влияния пара на футеровку воздухонагревателя предложено вводить пар для увлажнения дутья в составе холодного дутья через смеситель, расположенный после воздухонагревателя: пар поступает через 2 патрубка сопутно потоку холодного дутья в точке его внедрения в поток горячего дутья.

Для повышения надежности оборудования заказан и смонтирован на узле приготовления ПУТ аэродинамический аппарат пылегазоочистки АПА-200-ТН.

АПА выполнен целиком из металла и состоит из цилиндрического корпуса с размещенной внутри его кольцевой конической сборкой, образованной набором соосно расположенных колец, диаметр которых уменьшается по направлению газового потока. Аэродинамический

13

эффект, возникающий при движении газа в АПА, концентрирует частицы вдоль оси конической сборки, которые через пылевыводное устройство сбрасывают в бункер. Степень очистки составляет 90-95%.

ВЫВОДЫ

1. Теоретические работы, отечественный и зарубежный опыт показывают, что значительное - 30-50% - снижение расхода кокса на выплавку чугуна может быть обеспечено за счет повышения удельного расхода и эффективности применения пылеугольного топлива (ПУТ) в сочетании с комплексом высокоэффективных компенсирующих мероприятий.

Задачей комплекса компенсирующих мероприятий является сохранение на базовом уровне или улучшение при увеличении расхода ПУТ определяющих параметров технологического режима: условий горения ПУТ, нагрева шихты и восстановления оксида железа, газопроницаемости шихты и т.д.

К числу указанных компенсирующих мероприятий относятся повышение температуры дутья, содержания в нем кислорода, сокращение расхода ПГ, улучшение качества железорудного сырья, кокса и ПУТ.

2. При увлажнении горячего дутья горение пылеугольных частиц идет по так называемой схеме "двойного горящего пограничного слоя". В этом случае, вследствие сокращения диффузионного пути кислорода, видимая скорость горения возрастает в 2 раза по сравнению с режимом "горящего пограничного слоя", характерного для варианта без увлажненного дутья.

Расчеты показывают, что уровень дополнительного увлажнения дутья, необходимый для организации горения частиц ПУТ в режиме "двойного горящего пограничного слоя",зависит от базовых влажности дутья, содержания в нем кислорода, зольности топлива и изменяется в пределах от 1 до 5 грамм на 1 м дутья.

3.В промышленных условиях разработана технология доменной плавки с вдуванием в горн на 1 т чугуна 150-200 кг ПУТ на увлажненном дутье при исключении вдувания ПГ. При повышенном расходе ПУТ (178 кг /г чуг.) расход кокса составил 450 кг/т чуг., т.е. качественно был равен величине, достигнутой при совместном вдувании в горн ПУТ и ПГ, величина коэффициента замены составила 0,9-1,2 кг/кг. При этом степень использования восстановительной способности СО повысилась на 5%. Значительно улучшился коэффициент использования тепла в печи, снизились потери тепла на охлаждение и излучение.

Снижение степени прямого восстановления РеО (гц) более чем вдвое (54,3-26,8) свидетельствует о весьма существенном благоприятном изменении условий восстановления оксида железа.

16

В ходе трехмесячных плавок получен экономический эффекте размере 547 тыс.гривень.

Приведенные данные свидетельствуют об эффективности предпринятых мероприятий по компенсации нарушений технологии, определяемых вдуванием ПУТ.

4. Проведены исследования реальных шлаков ОАО "ПМЗ", насыщенных углеродсодержащими материалами: насыщение шлака мелочью кокса, сажей, пылеугольным топливом в количестве 0,5% ухудшает его гомогенность, вязкость, дренажную способность, устойчивость и повышает температуру плавления. Негативное влияние углеродсодержащих добавок значительно усиливается при повышении основности шлака

5. В сложившихся в доменных цехах Украины технологических условиях представляется перспективной технология с вдуванием в горн (ПУТ+Ог+ОКГ). Использование данного варианта технологии обеспечивает:

- получение высокого экономического эффекта за счет полного вывода из состава дутья ПГ, сокращения расходов кокса и условного топлива, улучшения качества чугуна;

- максимальное и эффективное использование имеющихся в доменных цехах мощностей по производству чугуна, кислорода, нагреву горячего дутья;

качественное улучшение технологических условий доменной плавки благодаря значительному снижению степени прямого восстановления РеО (га), возможному снижению уровня максимальных температур горна;

- возможность использования для реализации технологии освоенного в промышленном масштабе способа очистки газов от СОг путем растворения последней в воде при высоком давлении;

- дополнительное существенное снижение себестоимости чугуна за счет реализации ценного побочного продукта, получаемого при производстве ОКГ - СОг в газообразном, жидком и твердом виде.

6. Для перспективных технологических условий предложена воздушная фурма: по основному каналу данной фурмы в горн поступает горячее дутье (21% О2) и возможные к нему добавки: пар, ПГ, коксовый газ и т.д. По дополнительному каналу - цельнотянутой трубке, впаянной в водяную полость воздушной фурмы - в горн поступает кислородно-угольная смесь, формирующаяся непосредственно перед фурменным прибором из отдельных потоков Ог и ПУТ.

На основе кислородо-угольного потока формируется отдельный факел с высоким температурно-кислородным потенциалом.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1.Ноздрачев В. А, Ярошевский СЛ., Терещенко В.П. Перспективные технологии доменной плавки с применением кислорода и пылеугольного топлива - Донецк:: Новый мир, 1996. - 200 с.

2. Обоснование перспективных технологических режимов доменной плавки с вдуванием в горн пылеугольного топлива на основе исследования материально-тепловых и зональных балансов I ВАНозд-рачев, С.Л. Ярошевский, З.К. Афанасьева, В.В. Кочура II Металл и литье Украины, 1995, № 11-12. -С.18-25.

З.Эффекгивность применения устойчивых шлаков при работе доменных печей с высоким приходом серы с шихтой / ВАНоздрачев, С.Л. Ярошевский, ВА Красноборов и др. // Металл и литье Украины, 1996, №11-12.-С. 7-13.

4.Промышленная технология доменной плавки с вдуванием природного газа на увлажненном дутье I В.А. Ноздрачев, В.П.Терещенко, С.Л. Ярошевский и др. II Металл и литье Украины, 1996, № 1-2. - С.5-12.

б.Исследование влияния уровня технологических условий на эффективность применения пылеугольного топлива / В А. Ноздрачев.

B.П. Терещенко, С.Л. Ярошевский и др. // Металл и литье Украины, 1996, № 3. - С. 8-15.

6.Перспекгивные технологии доменной плавки на основе вдувания пылеугольного топлива и кислорода I А.Н. Рыженков, ВАНоздрачев,

C.Л. Ярошевский и др. - В производственно-техническом сборнике "Чугун" - М.: Фирма "Прогресс", 1996, вып.7. - С.7-17.

7.Дееятилетний опыт работы доменных печей с вдуванием пылевидного топлива /В.П.Терещенко, ВАНоздрачев, С.Л.Ярошевский и др. //Сталь, 1992, №1.-С.6-11.

в.Технический прогресс в доменном производствеЛГерещенко В.П., Ярошевский СЛ., Ноздрачев В.А. и др. II Сталь, 1992, №6.-С. 9-12.

3.Технология выплавки передельного чугуна с вдуванием в горн природного газа и пылеугольного топлива при обогащении дутья кислородом/ С.Л. Ярошевский, В.П. Терещенко, ВА Ноздрачев и др. II Черная металлургия: Бюл. науч.-техн. информ., 1991, вып. № 2. - С. 9-12.

Ю.Индивидуальная подача технологического кислорода в фурмы доменной печи / А.И. Бабич, В.В. Кочура, В.А. Ноздрачев и др. II Сталь, 1991, № 12.-С. 12-15.

11. Материально-тепловые балансы доменной плавки при замене 30% кокса дополнительными видами топлива /С.Л. Ярошевский, А.И. Бабич, В.П. Терещенко, В.А. Ноздрачев II Сталь, 1995, № 8. - С.11-17.

12.lndividual delivery of process oxygen to blast furnace tnycres I A.I. Babich, V.V. Kochura, VA Nozdrachov et al //Steel in the USSR, 1991, vol. 4, № 12. - Pp. 538-540.

13.Stanislav L. Jarosevskij, Vladimir P. Terescenko, Valeri A Nozdracev. Wissenschaftliche Grundlager fur den Ersatz von 20 bis 30 % Koks durch Kohlenbrennstaub in Hochofen // Neue Hütte, 1992, № 9. - S.

328-333.

14.Vladimir P. Terescenko, Stanislav L.Jarosevskij, Valeri A. Nozdracev. Betrlebserfshrungen beim Einbläser, von Kohlenbrennstaub und Erdga in die Hochofen des Donecker Hüttenwerks// Neue Hütte, 1992, № 9. -S. 334-339.

15.Environ mert changs using pulyerized coal instead of certain coke share for ironmaking I S.u. Yaroshevcku, A.I. Babich, V.P.Tereshcenko, V. A. Nozdrachev // Third international conference. Combustion technjlogies for a clean environ. 3-6 jule 1995, Lisbon, Portugal.- Pp. 60-69.

16.Патент № 173, УкраУна, МПИ С 21 В 7/24. Пристрм для регулювання витрат топлива, що включае вуглець, по фурмах доменно1 печ'[, переважно пилевупльного I В.В.Степанов, В.А.Ноздрачов,О.А. Бабак, В.О. Чернов - Винахщ занесений до державного реестру винаходов У кражи, 30 грудня 1992 року.

17Ас. № 1707984 СССР МКИ С 21В 7/24. Способ регулирования расхода окислителей по фурмам доменной печи / А. И. Бабич, С Л. Ярошевский, В.А. Ноздрачев и др. - Публикации не подлежит.

18.A.C. № 1668402 СССР МКИ С 21 В 7/24. Способ управления тепловым режимом доменной плавки I АН. Бабич, A.B. Бородулин, E.H. Складановский, C.J1. Ярошевский, В.В. Степанов, В.А.Нсздрачев. -Опубл. в Б.И. 07.08.91, № 29.

19.А.С. № 1832723 СССР МКИ С 21В 7/16. Фурменный прибор доменной печи / А.И.Бабич, В.Н. Андронов, В.П. Следнев, B.C. Шкпяр, В.В. Степанов, В.Ф. Сорокин, В.А. Ноздрачев. - Публикации не подлежит.

20.3аявка на патент Украины № 94033024. Способ выплавки чугуна I А.И. Бабич, A.A. Минаев, С.Л. Ярошевский,В.П.Терещенко, В.В. Кочура, В.А. Ноздрачев. Положительное решение государственного патентного ведомства Украины на выдачу патента от 24.12.96. Na 20754.

Анотащя

Ноздрачов В.А. "Розробка i опанування технологи доменно'Г плавки з вдуваниям у горно на 1 т чавуна 150 - 200 кг пиловупльного налива*.

Дисертац!я на здобуття вченого ступеня кандидата техн1чних наук за спец!альыстю 05.16.02 " Металурпя чорних метал1в\ Донецький державний техжчний унюерситет, м. Донецьк, 1997 р. Рукопис 204 с. ( 27 табл.; 48 т.; 93 б1блюграф).

Робота BMiujye результати теоретичного анал^у, дослщженья та промислового застосування технологи доменноТ плавки ¡з вдуваниям пиловупльного палива на зволоженному дутп' при виключенн1 вдувания у

19

горно природного газу.Розроблено перспективний технолопчний режим доменно'( плавки на кисневому дутп при вдуванн! у горно на 1 т чавуну до 500 кг низькозопьного пиловупльного палива i 500-1000 м3 очищеного колошникового газу. Вивчено особливост! процесу десульфурацн' чавуну при робо-ri доменноТ ne4i з вдуваниям пиловупльного палива, вплив наповнення шлаку вуглецьвмщуючими матер1алами на його фгаичм властивосп, стмюсть та знеарчувальну здатн!сть. Розроблено елементи обладнання для реашаци нових технолопчних режим!в.

Кпючов1 слова: пиловупльне паливо, природний газ, пара, ¡нтенсифжацш гор|'ння, компенсацш, коефЩ1ент замши, продуктивнють, витрати кисню, витрати коксу, умовне паливо, десульфура^я.

SUMMARY

Nozdrachev VA "Development and using of blast iurnace technology with injection of 150-200 kgrtHM pulverized coal".

The dissertation for receipt of a scientific degree of the Candidate of Science (Ph.D.) on speciality 05.16.02 Metallurgy of Iron and Steel. Donetsk State University of Technology, Donetsk, 1997. Manuscript 204 p. ( including 27 tables, 48 figures and 93 references).

The work contains results of the theoretical analysis, research and industrial adoption of blastfurnace technology with pulverized coal injection on moistened blast, except natural gas injection into the hearth. The perspective technological regime of blast furnace operation for oxygen blast with injection of 500 kg low ash content coal and 500-1000 m3 cleared flue gas per 1t HM has been developed. Features of the process of desulphurization of pig-iron production with pulverized coal injection, influence of saturation of slag with carbon bearing materials on its physical properties, stability and desulphurizing ability have been investigated. Elements of equipment for realization of new technological regimes have been developed.

Key words: pulverized coal, natural gas, steam, intensification of burning, compensation, coefficient of replacement, productivity, oxygen consumption, coke consumption, conditional fuel, desulphurization.