УДК 669.162.266
ВОЗМОЖНОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА*
© Г.Ю.Крячко
Днепродзержинский государственный технический университет
Решение вопроса интенсификации доменного процесса [1] связано не только с выбором рационального соотношения используемых средств, но и выработки технической политики в производстве чугуна на ближайшую перспективу. Современный доменный процесс, являясь наиболее результативным и эффективным способом получения первичного металла, отстает по рабочим параметрам от руднотермических процессов, созданных на его основе, прежде всего по давлению и составу печного газа. Поэтому поиск путей повышения рабочих параметров доменной плавки оправдан.
Несомненной заслугой авторов статьи [1] является то, что проблема повышения рабочих параметров процесса рассмотрена в комплексе - от теории и технологии до технологического обеспечения по всей цепи аппаратов: дутьевой компрессор - воздухонагреватель - доменная печь - газоочистка - газовая утилизационная бескомпрессорная турбина (ГУБТ). В то же время не все аспекты затронутой проблемы рассмотрены в указанной публикации.
В данной работе предпринята попытка дополнить информацию по изучаемому вопросу, основываясь на результатах ранее проведенных исследований [2-6]. Поскольку речь идет об уровнях, соотношениях и возможностях применения интенсификаторов доменного процесса, следует уточнить понятия и термины.
Прежде всего, это касается разграничения режимов работы доменных печей (ДП) с повышенным давлением газа в рабочем пространстве. Работа с давлением газа на колошнике до 600 кПа (здесь и далее, как и в работе [1], абсолютное давление) на современных ДП и обслуживающих ее аппаратах практически невозможна. В связи с этим следует различать два основных режима работы: с повышенным давлением газа (ПДГ) на колошнике - обычно до 250-350 кПа (используется в настоящее время), и с высоким давлением газа (ВДГ) - до 500-600 кПа (проектный). Следует подчеркнуть, что для процесса получения жидкого металла давление 500-600 кПа в верхней части колошника следует считать весьма высоким, с учетом тяжелых условий службы ограждения агрегата. Интенсификатор ПДГ и ВДГ, по существу, один и тот же, однако аппаратурное и технологическое обеспечение его реализации будет различным в зависимости от уровня давления.
Необходимо учитывать и то, что результатом повышения давления газа в рабочем пространстве печи является расширение объема применения другого интенсификатора плавки - сжатого доменного дутья [3], носителя атмосферного кислорода, более дешевого, чем технический. В свою очередь, от мощности и эксплуата-
* О проблеме, рассмотренной в статье И.Е.Сперкача и И.Ф.Курунова [1].
ционных характеристик доменных компрессоров зависит возможность увеличения давления газа в печи.
В некоторой степени объем доменной печи можно также считать фактором интенсификации (с увеличением объема растет абсолютная производительность). В свое время предполагалось, что с ростом полезного объема печей в результате снижения относительных тепловых потерь и лучшей организации процесса будет снижаться расход кокса - второй (иногда и первый) по значимости результат интенсификации. Поэтому не случайно увеличение объема печей являлось магистральным направлением в развитии доменного производства в XX в. И только лишь в конце 1990-х годов проявились отрицательные стороны гигантомании в строительстве доменых печей, связанные с потерей гибкости производства не только в условиях кризисных явлений в экономике, но и в условиях резких изменений цен на сырье и энергоносители.
Согласно идее авторов работы [1] и с учетом изложенных выше соображений, альтернативные схемы применения интенсификаторов могут быть представлены следующим образом (табл. 1). Поскольку условием поддержания приемлемой интенсивности плавки на печах большого объема является необходимость повышения давления газа в рабочем пространстве и параметров комбинированного дутья, то вполне уместно и наглядно сравнение показателей работы печей разного объема, тем более, что такие расчеты для агрегатов объемом 1000 и 3200 м3 проведены [1].
Целесообразно было бы повысить уровень параметров в базовом периоде [1, табл. 1], поскольку расход природного газа 77 м3/т чугуна, температура дутья 974 °С и давление колошникового газа 190 кПа выглядят заниженными. Повышение уровня базовых параметров не умалило бы очевидных преимуществ предлагаемого авторами направления интенсификации доменного процесса, особенно для условий с благоприятным соотношением цен на кокс и природный газ.
Технология. Существенное ускорение процессов доменной плавки при совместном применении ВДГ и комбинированного дутья высоких параметров (КДВП) обусловлено характерными изменениями в рабочем объеме печи. На фурмах вследствие увеличения прихода атмосферного кислорода с дутьем повышенной удельной степени сжатия [2] и прихода технического кислорода в дутье и горн возрастает количество газифицированного топлива и выход горновых газов, обогащенных восстановителями.
Увеличение прихода кислорода в окислительную зону приводит к повышению температуры расплавов и коксовой насадки в рабочем объеме горна, что способствует ускорению жидкофазного восстановления. В шахте восходящий фурменный газ высокого давления
Таблица 1. Сравнение вариантов применения интенсификаторов доменного процесса
Базовый
Проектный
Факторы и уровни факторов интенсификации
Увеличение объема доменных печей
Повышение давления газа на колошнике до 350 кПа
Применение комбинированного дутья высоких параметров: концентрация кислорода в дутье до 35%, расход природного газа до 160 м3/т чугуна
Реконструкция компактных доменных печей, обеспечивающих эксплуатацию в режиме ВДГ на колошнике Использование высокого давления газа на колошнике до 600 кПа
Применение комбинированного дутья высоких параметров: содержание кислорода в дутье до 40-42%, расход природного газа до 200-250 м7т чугуна
с повышенным восстановительным потенциалом интенсифицирует твердофазное восстановление. В то же время создаются условия для выплавки малокремнистого чугуна, как вследствие прямого влияния давления газа на ход итоговой реакции БЮ,, + 2С = + 2СО [7], так и в результате сокращения объема кокса между зоной когезии и фурменными очагами, определяющего площадь поверхности реагирования кремнезема с восстановителями. Активное восстановление кремнезема в хвостовой части фурменного очага при обычной доменной плавке вызывает локальное повышение основности шлака, ухудшающее дренаж и газопроницаемость коксовой насадки [4]. Подавление реакции восстановления кремнезема на печи, работающей в режиме ВДГ, уменьшит радиальную неравномерность состава шлака и улучшит состояние горна.
Еще одной положительной стороной сочетания ВДГ и КДВП является понижающая компенсация высоким давлением факторов, повышающих перепад давлений газа в столбе шихты в результате воздействия комбинированного дутья высоких параметров.
Опытные плавки с обогащением дутья кислородом до 38%, проведенные на доменной печи № 4 НЛМК [8], показали, что даже при пониженном для такой концентрации кислорода расходе природного газа (156 м3/т чугуна) рост рудной нагрузки и выхода фурменных газов обусловил необходимость некоторого повышения давления газа, при этом расход дутья, даже приведенный к нормальным условиям, сохранить не удалось (табл. 2).
Ранее показано [4], что повышенное давление газа оказывает двоякое влияние на процесс перемещения фурменного газа в радиальном направлении - с одной стороны, выравнивает газораспределение, сводя к минимуму перепад давлений в хвостовой части фурменного очага, с другой - препятствует активной фильтрации газа к центру из-за сокращения разности потенциалов давления между зоной горения и осью горна.
Отрицательное влияние ПДГ на газораспределение в горне и заплечиках в определенной мере устраняется двумя способами - созданием коксовой отдушины в центре печи в результате изменения режима загрузки и уменьшением диаметра фурм. Последнее позволяет увеличить проникновение фурменной струи вглубь горна как за счет силового воздействия, так и за счет увеличе-
Таблица 2. Параметры и результаты работы ДП-4 НЛМК на комбинированном дутье высоких параметров [7]
Показатель Период
I II III
Давление колошникового газа, кПа 239 241 242
Дутье:
расход, м3/мин 3395 3370 3320
давление, кПа 389 390 391
температура, °С 1165 1156 1156
содержание кислорода, % 31,5 37,5 38
Расход, м3(кг)/т чугуна:
кислорода 197 236 247
природного газа 140 151 156
кокса 432 421 412
Выход горнового газа, м3/мин 5451 5809 5836
Рудная нагрузка, т/т 4,23 4,52 4,63
Перепад давлений на участке
«кольцевая труба - колошник», кПа 150 149 149
Производительность, т/сут 4299 4670 4936
ния перепада давлений в направлении «фурма - центр горна». Однако создание этого перепада сопряжено с увеличением потерь напора на фурмах уменьшенного диаметра.
Силовое воздействие фурменной струи обусловлено преобразованием потенциальной энергии давления дутья в кинетическую энергию его движения за счет кон-фузора воздушной фурмы сужающегося конического канала: чем больше сужен канал к выходу, чем больше угол конфузорности, тем больше сопротивление фурмы [5].
Расчет [5] показал, что на ДП-9 комбината «Криво-рожсталь» после реконструкции с увеличением числа (с 36 до 42) воздушных фурм диам. 140-150 мм (вместо 190 мм) потери напора на фурменном поясе возросли с 49,8 до 77,8 кПа, что составило 40% общих потерь давления на участке «кольцевая труба - колошник». Эти потери оказались вторыми по значимости для всей доменной сети от компрессора до колошника. Работа в режиме ВДГ потребует еще большего увеличения перепада давлений на фурмах, что необходимо учесть при определении рабочих характеристик дутьевого компрессора.
Конструкция доменной печи. Подходы к проектированию компактной ДП нового поколения с ВДГ следует пересмотреть как в отношении элементов профиля, так и в отношении конструкций ограждения.
Горн и зумпф должны быть углублены, что обусловлено резким увеличением производительности печи и обеспечен
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.