УДК 669.162.16
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОГАЩЕНИЯ ДУТЬЯ КИСЛОРОДОМ И ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ КАК СПОСОБОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
© Коршиков Геннадий Васильевич1, д-р техн. наук, проф.; Титов Владимир Николаевич2, канд. техн. наук, e-mail: titov_vn@nlmk.ru; Михайлов Валентин Геннадьевич1, канд. техн. наук, e-mail: mihaylov_vg@nlmk.ru
1 Липецкий государственный технологический университет. Россия, г. Липецк
2 ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Россия, г. Липецк Статья поступила 07.07.2014 г.
Приведены основные механизмы влияния содержания кислорода в дутье и повышенного давления на интенсивность доменной плавки. Показано, что обогащение дутья кислородом, как и повышение давления газа в доменной печи, являются способами интенсификации доменной плавки в результате уменьшения количества движущихся газов.
Ключевые слова: кислород; давление; интенсивность; расход кокса; производительность; удельный выход горновых газов.
За относительно короткое время опубликован ряд статей, в которых дана отрицательная оценка техническим новациям, осуществленным в доменном производстве во второй половине XX в. [1-3]. Речь идет об обогащении дутья кислородом и повышении давления газа в рабочем пространстве печи. Заключения авторов оригинальны, например, говоря об обогащении дутья кислородом, они заявляют: «Кислородное дутье за весь период его использования не только ничего не дало доменному производству Советского Союза, кроме дополнительных расходов, но и не могло ничего дать в части интенсификации доменной плавки». И «...само обогащение дутья кислородом, строго говоря, не может расцениваться как метод интенсификации доменной плавки путем повышения интенсивности горения кокса у фурм (курсив наш). Значение кислородного дутья ограничивается созданием возможностей (условий) для повышения расхода природного газа или иной топливной добавки к дутью.» [1]. В другой статье обогащение дутья кислородом вместе с повышением давления газа получило сомнительную оценку: «так называемые "интенсификаторы"» [2].
Отрицательную оценку обогащению дутья кислородом как способу повышения производительности доменных печей дает и В.Н.Андронов [4]. «Технологический кислород в составе комбинированного дутья никогда нами не рассматривался как интен-сификатор плавки (курсив наш) - он был и остается до сих пор средством для повышения расхода заменителя кокса — топливной добавки, а повышение производительности печи в этом случае
В ПОРЯДКЕ ОБСУЖДЕНИЯ
следует считать несомненно положительным, но сопутствующим фактором». Авторы практически вычеркивают это мероприятие из числа факторов, обеспечивших доменному производству признание как высокой (может быть, даже самой высокотехнологичной) металлургической технологии, в которой завершенность физико-химических и теплообмен-ных процессов приблизились к условиям термодинамического равновесия, а коэффициенты термодинамического совершенства достигают 85—87% [5—10]. Более того, обогащение дутья кислородом используется практически во всех научно-технических разработках перспективных технологий производства чугуна [6, 7, 11, 12]. В связи с этим заявления перечисленных выше авторов требуют глубокого анализа.
В отличие от В.Н.Андронова авторы работ [1—3] строят свои выводы на основе теоретических обоснований и анализа работы доменных печей (ДП) за довольно значительный период времени — от начала 1950-х годов до настоящего времени. Но в связи с тем, что авторы считают, что «ближайшей целью обогащения дутья кислородом является увеличение именно ]к (курсив наш)» [1], а эффективность повышения давления рассматривают как средство увеличения расхода дутья («... одним из важных путей повышения интенсивности горения кокса, производительности печей . является увеличение расхода дутья») [2], их внимание сосредоточено на изменении этих показателей, без учета изменения количества горнового газа, производительности и
расхода кокса. И делать вывод об эффективности применения повышенного давления газа в рабочем пространстве доменных печей, работающих при чрезвычайно низкой интенсивности по производительности (0,9-1,5 т/(м3-сут)), достаточно сложно [2, табл. 3].
Следует заметить, что на стадии освоения технологии работы ДП на обогащенном кислородом дутье этот метод не рассматривался в качестве способа интенсификации горения топлива, а оценивался с позиции повышения интенсивности доменной плавки или хода доменной печи [13-17]. Например, А.Д.Готлиб (1966 г.) представляет обогащение дутья кислородом как «новый способ увеличения интенсивности хода печей» за счет того, что «...уменьшается количество газа, образующегося от сгорания кокса и, следовательно, уменьшается перепад давления между горном и колошником, что позволяет увеличивать интенсивность плавки (курсив наш) до тех пор, пока разность давлений не достигнет критической величины.» [15, с. 80]. Влияние обогащения дутья кислородом М.А.Павловым (1949 г.) рассматривается с позиции изменения давления газов в горне, зависящего не только от давления дутья, но и его «количества, приходящегося на единицу поверхности свободных проходов для газов, высоты всего столба плавильных материалов в печи и степени их из-мельченности» [13].
Как видно, еще на начальной стадии освоения работы ДП на обогащенном дутье степень обогащения дутья, как и другие параметры, задавались исходя из условий газодинамического режима доменного процесса, оцениваемого по величине разности давлений газового потока между горном и колошником (Ар), а не расходом дутья или даже количеством кислорода, поступающего с дутьем [1, 3]. Технологическое значение параметра Ар по допустимым отклонениям от «нормального» превышает значение термодинамических переменных п (число молекул газа в единице объема), T (температура) и р, анализ изменения которых приведен в работе [1]. Величина Ар выражает граничное условие ведения плавки в ДП, превышение которой недопустимо: интенсивность плавки может возЯ растать до тех пор, пока разность давлений ^ газового потока между горном и колошником не ^ достигнет критической величины. Это поло-^ жение стало основой теоретического объясне-Ц ния эффективности использования обогащения | дутья кислородом [15-20].
Физическая сущность величины Ар выражается соотношением
Ар^-щ^к-рп, (1)
где Др - потери напора, кПа; 5 - эквивалентная площадь доменной печи, м2; Мш - масса столба шихты, кг; ргп - давление газового потока на уровне воздушных фурм, кПа; g = - 9,81 м/с2 (ускорение свободного падения), к - коэффициент, учитывающий силы противодействия опусканию столба шихты, исключая силы газового потока. При выравнивании левой и правой частей этого уравнения величина потери напора становится предельно допустимой (критической) Аркрит.
Величину —к(Мш^) называют активной массой шихты - Р (давление столба шихты, Н/м2). Чи-
акт.ш '
сленное значение Р определяется массовым
акт.ш Г ^
соотношением в единице объема кокса и рудной части шихты и химическим составом последней. Авторы работ [1-3], сравнивая газодинамические режимы работы ДП с большим временным интервалом, не учитывают изменение Р . Между
* ' акт.ш
тем, расчет показывает, что вследствие высокого расхода кокса и низкого содержания железа в рудной части шихты в печах в конце 1950-х годов (с атмосферным дутьем и нормальным давлением) давление столба шихты было примерно на 28% ниже, чем в современных ДП, - соответственно 10,6 и 13,6 кПа на 1 м3 объема сухой части столба шихты. Таким образом, критическая величина перепада давления в ДП того периода примерно на 20% меньше по сравнению с предельно допустимыми значениями на современных печах, соответственно, 110-130 и 146-165 кПа и более.
За основу теоретического обоснования заключения об обогащении дутья авторы работ [1-3] приняли модель идеального газа, рассчитав изменение расхода дутья, содержащего одинаковое количество молекул кислорода при увеличении содержания кислорода. При такой системе отсчета расход дутья определяется соотношением
Уд = 1/ы, (2)
где ы - содержание кислорода в дутье, %, а изменение температуры Т продуктов горения обратно пропорционально расходу дутья
Т = к2/У. (3)
Авторы работ [1-3] не дают точного определения коэффициента к2 но из общей модели следует, что он равен отношению универсальной газовой постоянной Л к числу Авогадро ЫА. На основе этих функций авторы делают вывод, что «.уменьшение объема дутья в полной мере
компенсируется повышением температуры горнового газа». И поэтому: «.само обогащение дутья кислородом, строго говоря, не может расцениваться как метод интенсификации доменной плавки путем повышения интенсивности горения кокса у фурм».
На практике расход дутья определяется не соотношением (2), а требованием постоянства перепада давления. Как правило, при повышении содержания кислорода в дутье расход дутья изменяется так, чтобы критическая величина потери напора не изменилась (Дркрит = const). В.Н.Андронов расчетом [4] показывает, что при условии соблюдения постоянной величины Др
J ^ L крит
при обогащении дутья с 0,21 до 0,25 м3/м3 расход
дутья изменяется в соотношении (V) = 0,93( V )„,.
д 25 д 21
Основное свойство обогащения дутья кислородом, как способа интенсификации доменной плавки, заключается в том, что вследствие увеличения концентрации кислорода в дутье изменяется отношение объемов азота и кислорода, в результате этого при одинаковом расходе дутья на 1 т чугуна количество сгорающего углерода увеличивается, а количество горнового газа уменьшается [21]
Мс = VJ(N2/O2)2 - 0,5047(N2/O2) +1,0079], (4) или с некоторым допущением по точности (R2 = 0,967) для условий изменения содержания кислорода в дутье от 21 до 15%
N
Мс =VA (-0,0887 ^- + 0,5511),
(5)
где МС — количество сгоревшего углерода в фурменной зоне, кг/т; т — среднее время пребывания шихтовых материалов в ДП, при этом количество горнового газа УГг в фурменной зоне уменьшается
УТ[ = (0,9325 Ы2/02 + 1,8696)Скф , м3/т чугуна, (6) где Скф — удельный расход углерода кокса.
Следует отметить, что величина УГг является функцией теплопотребности в нижней ступени теплообмена > Wг) и косвенного вос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.