III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

На протяжении нескольких десятилетий металлургия остается одной из наиболее бурноразвивающихся отраслей производства, которая играет важнейшую роль в жизни человека. Это связано с непрерывным ростом потребности в металле, который должен соответствовать предъявляемым требованиям заказчика. На отечественных металлургических предприятиях наиболее острыми являются вопросы по снижению энергоемкости производства на всех этапах металлургического передела, уменьшению удельных затрат и более рациональное использование затрачиваемых ресурсов. Без решения этих вопросов невозможно снизить растущую нагрузку металлургического комплекса на окружающую среду. Изменения в технологии ведения процесса в совокупности с оптимизацией параметров могут дать значительный эффект по снижению ресурсоемкости плавки, значительно снизить расход энергии, уменьшить выбросы в окружающую среду и увеличить производительность без потерь в качестве выпускаемой продукции.

Главенствующую роль на данном этапе развития играет ресурсоемкость и энергоемкость металлургического производства, в то время как технологии получения чугуна или стали отводится второстепенное значение. Когда агрегат работает экономически, следовательно, и энергетически не выгодно, тогда эта технология не приемлема для получения какой-либо продукции. Снижение энергоемкости производства повлечет за собой не только повышение экономической эффективности, но и в значительной степени снизит воздействие на окружающую среду за счет рационального использования энергии и ресурсов.

Доменный процесс как один из наиболее распространенных способов получения металла из руды является достаточно экономичным и производительным процессом, но нуждается в необходимости подготовки железорудного сырья и применении кокса. Внедоменные способы получения железа и технологии бескоксовой металлургии не способны обеспечить полную потребность рынка в металле, в связи с низкой производительностью, либо энерго- и материалоемкость превышает существующие технологические процессы. Исходя из этого данные технологии не могут получить более широкое распространение.

Оптимизация режимов работы агрегата (доменной печи), снижение потребления кокса, в дальнейшем его замена на более дешевый и доступный источник энергии, увеличение производительности и качества выпускаемой продукции являются приоритетными задачами. Пока весь потенциал используемых технологий не исчерпан, выход на новый технологический уровень практически не возможен, поэтому в ближайшем будущем доменная печь не будет иметь серьезных конкурентов, оставаясь основным агрегатом для производства чугуна.

Тепловые процессы, протекающие в доменной печи, и их интенсивность во многом определяют производительность агрегата и удельный расход кокса. Нахождение непосредственных взаимосвязей между теплообменными процессами и ходом доменной печи, а так же их влияние на энергопотребление (расход кокса), оптимизация тепловой работы доменной печи по средствам изменения дутьевых параметров - все это является целью данного исследования.

Температурное поле доменной печи четко делится на две ступени: верхнюю (колошник, шахта) и нижнюю (распар, заплечики, горн), поэтому результаты воздействия на него следует рассматривать в том же плане, т.е. необходимо исследовать как тот или иной параметр дутья влияет на тепловое состояние отдельно верха печи и отдельно низа печи.

Температура горячего дутья является одним из важнейших параметров технологического режима. Рассматривая показатели качества шихтовых материалов, используют в основном удельными расходами компонентов шихты. Для оценки результатов работы печи также использовался удельный расход кокса. Удельное количество тепла, вносимого дутьем, зависит от температуры дутья:

Q_Д = V_Дc_Дt_Д                                                             (1)

В правую часть уравнения (1), кроме температуры дутья, входят теплоемкость и удельный расход дутья. Если предположить, что теплоемкость дутья изменяется в небольших пределах, то при постоянной температуре дутья количество тепла дутья в значительной степени определяется его удельным расходом. Расход дутья на 1 т чугуна в свою очередь тесно связан почти со всеми основными параметрами технологического режима. Следовательно, использование показателя «приход тепла с дутьем» в качестве параметра дутьевого режима при исследовании влияния на показатели доменной плавки приведет к тому, что на его счет автоматически будет отнесена значительная часть влияний основных параметров доменной плавки. Температура дутья оказывает свое специфическое воздействие на развитие восстановительных процессов, а также на размеры фурменной зоны и развитие процессов прямого и косвенного восстановления в печи. Таким образом, температура дутья связана с процессом, более тесно, чем количество тепла, внесенного дутьем.

В общем балансе тепла нагрев дутья приводит к сокращению потерь тепла в основном с колошниковым газом, так как уменьшается выход газа и его температура.

При изменении температуры дутья отношение W_м/W_г не меняется, поэтому температурное поле верхней ступени теплообмена остается неизменным, следовательно, температура колошникового газа сохраняет прежнее значение. Но на высоты ступеней теплообмена, по данным расчета, температура дутья оказывает существенное воздействие (рис. 1, а).

Увеличение температуры дутья ведет к значительному увеличению активных зон теплообмена. Вследствие этого мы существенно увеличиваем долю тепла, усвоенного шихтой, но приход тепла в доменную печь уменьшится, т.к. снижается горение углерода у фурм. Это приводит к снижению расхода кокса и росту производительности.

В связи с тем, что температура холостой высоты стабильна, все тепло, внесенное с нагретым дутьем, остается в нижней ступени (рост высоты нижней ступени теплообмена не столь значителен как верхней), т.е. с увеличением температуры дутья низ печи разогревается. Происходит "концентрация" тепла в горне доменной печи, что приводит к повышению содержания Si в чугуне. Таким образом, температурное поле шахты не изменилось, а содержание Si в чугуне возросло. Сокращение расхода кокса приведет к уменьшению Si, а следовательно, и к снижению температуры колошника. В конечном итоге, при повышении температуры дутья понижается температура колошникового газа, что приводит к снижению тепловых потерь.

Обогащение дутья кислородом интенсифицирует доменный процесс путем сжигания большего количества топлива на единицу дутья. При увеличении содержания кислорода в дутье уменьшается удельный выход горновых газов за счет изъятия из дутья части азота. Вследствие этого увеличивается концентрация восстановительных газов СО и Н₂, что приводит к увеличению восстановительного потенциала, интенсификации процесса восстановления и росту производительности. Чем выше содержание кислорода в дутье, тем ниже W_г. Отношение теплоемкости шихты и газа W_м/W_г будет уменьшаться, таким образом, по мере обогащения дутья кислородом верх печи будет охлаждаться.                                                  (2)

При увеличении температур горения на фурмах происходит похолодание колошника, которое можно рассчитать достаточно точно. Формула (2) не исчерпывает всех особенностей изменения температурных полей по мере обогащения дутья кислородом. Она справедлива лишь при небольших степенях обогащения, пока отношение W_м/W_г остается меньше единицы.

Влияние кислорода на ступени теплообмена неоднозначное. С повышением содержания кислорода верхняя ступень теплообмена возрастает, а нижняя уменьшается в своих размерах (рис. 1, б). Это связано с тем что кислород снижает энтальпию дутья, а в месте с ней и общий приход тепла. В нижнюю ступень теплообмена приходит меньшее количество тепла, что привело к ее уменьшению. Теплоемкость потока газа в верхней ступени теплообмена снижается, а значение высоты увеличивается.

Впервые осушенное дутье было применено на доменной печи почти столетие      назад. Путем охлаждения содержание влаги в дутье понижалось с 10-12 до 3-3,5 г/м³. При этом работа до­менной печи резко улучшилась, производительность возросла на 25 %, расход кокса понизился на 20 %. По-видимому, основной причиной эко­номии горючего является более ровный ход печи при использова­нии осушенного дутья.

Для климатических условий, в которых происходят сильные колебания в содержании влаги в воздухе от одних суток к дру­гим, не говоря уже о колебаниях между летними и зимними ме­сяцами, постоянство в содержании влаги создает особые преиму­щества. В настоящее время применение осушенного дутья преследует цель обеспечить постоянство условий. При этом чтобы поддер­жать постоянное содержание влаги в дутье, в отдельные периоды дутье не осушают, а искусственно увлажняют. В нашей стране вместо осушенного дутья было испытано дутье постоянной влажности.

Несмотря на очевидную выгоду применения дутья постоянной влажности, оно не применялось в промышленности до 50-х годов из-за опасения ухудшить качество чугуна в ре­зультате повышенного растворения в нем водорода, что может способствовать усилению флокенообразования в стали.

Увлажнение обогащает дутье кислородом и тем самым способствует форсированию хода печи; возможно также, что увеличение концентрации водорода в газах способствует ускорению процессов восстановления окислов железа.

Влияние содержания влаги дутья на протекание тепловых процессов в доменной печи очень велико. С ее ростом уменьшается как верхняя, так и нижняя зоны теплообмена (рис. 1, в), соответственно это приводит к увеличению холостой высоты. Увеличение влаги дутья на 1 % приводит к росту холостой зоны на 0,18-0,25 м. Колебания влажности в течение процесса негативно сказываются на ход доменной плавки, что может привести к расстройствам хода печи (похолодания, тугой ход печи, подвисание шихты).

Общий приход тепла в доменную печь, с увеличением расхода пара на дутье, увеличивается, т.к. горение углерода кокса у фурм происходит интенсивнее, следовательно, это приводит к увеличению расхода кокса. Не смотря на негативное воздействие на тепловую работу, в настоящее время влажностью можно в большей мере стабилизировать ход процесса, нежели интенсифицировать его.

Расход природного газа (ПГ), как показывает производственный опыт и многочисленные специальные исследования, оказывает исключительно большое влияние на результаты доменной плавки. Так же как добавки пара, кислорода к дутью, вдувание природного газа влияет на протяженность фурменных зон, распределение температур перед фурмами, состав горнового газа и т. д. Одновременно природный газ является топливом доменного процесса и вносит в горн значительное количество восстановительных компонентов горнового газа.

Заметное влияние использования углеводородов оказывает на теплообмен в доменной печи. Прежде всего, снижается отношение W_ш/W_г, что вызывает повышение температуры колошникового газа на 0,4-0,5 °С на каждый дополнительный 1 м³/т. Это отношение водяных эквивалентов шихты и газа уменьшается на 0,007-0,0075: 65-70 % общей величины снижения в нижней зоне вызвано уменьшением затрат тепла на прямое восстановление железа, 10 % - снижением содержания кокса в шихте, 20-25 % - увеличением выхода газа на единицу чугуна. Чем больше доля вдуваемого ПГ, тем меньше величина W_ш/W_г, что приводит к перемещению точки пересечения  W_ш и W_г в зону с более высокой температурой.

Вдувание ПГ вызывает уменьшение суммарного коэффициента теплоотдачи α_∑ в нижней части печи (из-за снижения фурменных очагов) и его увеличение в верхней. Таким образом, вдувание ПГ приводит к выравниванию интенсивности процессов теплопередачи по высоте печи. В нижней зоне она снижается, в верхней возрастает.

Снижение прихода тепла в горн и уменьшение температур в горне должно увеличивать размеры окислительной зоны, что благоприятно скажется на сходе материалов.

Повышение расхода природного газа при неизменных прочих условиях вызывает загромождение горна и массовое горение воздушных фурм, а также нарушение ровного хода доменной печи. Ввод природного газа в горн печи изменяет развитие и объемы восстановительных и тепловых процессов. Однако динамическое равновесие системы при этом не нарушается, поскольку в противном случае наблюдались бы значительные колебания химического состава выплавляемого чугуна.

Потери тепла с колошниковым газом непрерывно растут, однако с увеличением расхода природного газа этот рост замедляется. Различие в характере изменения температуры и потерь тепла с колошниковым газом объясняется увеличением выхода колошникового газа, а также изменением удельной энтальпии колошникового газа при изменении его химического состава.

Влияние природного газа на зоны теплообмена совершенно противоположно воздействию кислорода. При увеличении доли природного газа в дутье происходит уменьшение верхней зоны теплообмена и увеличение нижней зоны (рис. 1, г). Это связано с изменением водяных чисел вследствие увеличения выхода колошникового газа. При этом возрастает высота холостой зоны, т.к. уменьшение верхней ступени теплообмена опережает рост нижней, которая увеличивается за счет значительного повышения энтальпии дутья.

В ходе исследований, проведенных на доменной печи № 6 ОАО «НТМК», удалось установить взаимосвязь между параметрами дутья и тепловыми процессами, протекающими внутри печи при выплавке ванадиевого чугуна. Дана качественно-количественная характеристика данным взаимосвязям. Определено влияние таких параметров дутья как температура, влажность, содержание кислорода и природного газа на высоты теплообмена доменной печи. На основании полученных данных были определены параметры дутья, обеспечивающие снижение расхода кокса до 10 кг/т чугуна и уменьшение выхода колошникового газа в среднем до 52-68 м³/т чугуна (при прочих равных условиях), что приводит к уменьшению потерь тепла с отходящими газами и снижению энергоемкости производства 1 т продукции, уменьшению выхода пыли на 2,5 кг/т. В этом случае дутьевые параметры принимают следующие значения:

• - расход природного газа 125 м³/т;
• - температура дутья 1200 °С;
• - содержание кислорода в дутье 23,8 %;
• - влажность дутья 2,4 %.

Сумма активных зон теплообмена при заданных параметрах составляет 57 % от общей высоты зон теплообмена доменной печи, высоты активных верхней и нижней зоны соответственно 11,08 м и 4,31м.