5.1.3.2. Управление доменным процессом

Доменщики-технологи при разработке оптимального режима доменной плавки решают триединую задачу:

1) получение чугуна высокого качества.

2) при минимальных энергетических затратах,

3) при максимальной производительности доменной печи.

Сложность состоит в том, что условия реализации этих задач часто противоречат друг другу. Так, например, для получения малосернистого чугуна требуется работа на шлаках с повышенной основностью и с повышенным удельным расходом кокса, но это ведет к снижению экономической эффективности плавки и к падению производительности доменной печи. В связи с отмеченным на практике приходится выбирать какой-то оптимальный (компромиссный) режим плавки, отвечающий экономической ситуации металлургического предприятия.

Качество доменного чугуна. Поскольку доменный чугун является полупродуктом, то такие его качества, как механические свойства, газонасыщенность не представляют интереса и систематически не контролируются. Главным показателем качества чугуна является его химический состав и особенно - содержание серы и кремния. Концентрации этих элементов в предельных чугунах не должны превышать 0,05% для серы и 0,90% для кремния. Содержание [S] и [Si] регулируется тепловым и шлаковым режимами доменной плавки.

Экономическая эффективность плавки. Экономическая оценка работы доменной печи может быть произведена по той части себестоимости чугуна, которая определяет энергетические и трудовые затраты, вложенные в цехе при производстве 1 т чугуна. Анализ упрощенной калькуляции себестоимости предельного чугуна, выполненный с использованием результатов расчета доменной шихты (табл. 5.3), показывает, что основной резерв повышения экономической эффективности доменной плавки заключается в снижении удельного расхода кокса, затраты на который в себестоимости чугуна составляют 45-50%.

Таблица 5.3

Калькуляция себестоимости передельного чугуна (в ценах 1985 г.)

Мероприятия по снижению удельного расхода кокса можно выявить в результате анализа теплового баланса доменной плавки (табл. 5.4).

Таблица 5.3

Калькуляция себестоимости передельного чугуна (в ценах 1985 г.)

Как видно, существенная экономия кокса достигается в результате использования высоконагретого дутья. Однако попытки экономить кокс путем загрузки в доменную печь нагретого агломерата (п. 4) не дают эффекта. Не приводят к экономии кокса увеличение высоты печи (с целью снизить температуру колошникового газа - п. 8), подсушка шихты перед загрузкой в печь (п. 11).

Научно обоснованные рекомендации по снижению удельного расхода кокса можно дать, используя основные закономерности теплообмена в доменной печи, выявленные проф. УПИ Б.И. Китаевым (около 1950 г.). В своих расчетах он учитывал не только «чистый» теплообмен - между горячим газом и холодной шихтой, но и тепловые эффекты физических процессов и химических реакций, протекающих в доменной печи. Используя понятие «кажущейся», или «эффективной» теплоемкости материалов, Б.И. Китаев показал, что в различных частях доменной печи оказывается различным соотношение теплоемкостей потоков (тепловых эквивалентов) газа и материала – W_г и . Из рисунка 5.9А, который построен по результатам выполненных ранее расчетов, видно, что в верхней части доменной печи W_г > , а в нижней - наоборот: W_г < .

Рис. 5.9. Изменение по высоте

доменной печи:

А - теплоемкости потоков газа

и материала и Б - температур газа и

материала; и - физическая и

«кажущаяся» теплоемкость материала;

I и III - верхняя и нижняя ступени

теплообмена, II - резервная высота

Резкое увеличение теплоемкости потока материала в области доменной печи с температурами выше 1000°С обусловлено значительным развитием эндотермических процессов: плавлением чугуна и шлака, диссоциацией СаСО₃, а самое главное - протеканием реакций прямого восстановления железа и трудно восстановимых примесей чугуна.

Таким образом, доменная печь - это не один, а два теплообменника, поставленные друг на друга. Так как сумма высот верхней (6-8 м) и нижней (5-6 м) ступеней теплообмена оказалась меньше общей высоты столба шихты в печи, то между ступенями теплообмена - в середине печи - появляется зона, где W_г ≈ , а ≈ и где теплообмен практически не идет. Эту часть печи назвали «зоной замедленного теплообмена» или «резервной высотой».

Именно благодаря наличию двух зон теплообмена доменный процесс является таким высокоэффективным в тепловом отношении. Верхняя ступень теплообмена, с одной стороны, «готовит» шихту для экономичной проплавки в нижней: подогревает ее, удаляет влагу и значительное количество кислорода рудного материала (в результате косвенного восстановления), а с другой - значительно снижает потери тепла с отходящими газами.

Из двух зон теплообмена наиболее напряженной - определяющей - является нижняя, где сосредоточены основные теплопотребляющие процессы и где устанавливается равенство прихода и расхода тепла. Любые изменения теплового состояния этой зоны будут сказываться на температурном режиме плавки и потребуют соответствующей корректировки расхода кокса. Теплопотребляющие процессы в верхней зоне печи (например, испарение влаги шихты) проходят за счет теплового резерва газа и на удельном расходе кокса не будут сказываться.

Из изложенного вытекает правило - удельный расход кокса в доменной плавке могут сокращать только те мероприятия, которые касаются нижней ступени теплообмена: либо вносят туда тепло, либо снижают теплопотребность материала.

Удельный расход кокса будет уменьшаться при использовании следующих мероприятий: а) повышение температуры дутья; б) вывод из шихты необожженного известняка; в) снижение удельного выхода шлака (за счет обогащения руд и уменьшения основности шлака); г) производство чугунов с низким содержанием трудновосстановимых элементов - Si, Мn; д) вдувание в доменную печь природного газа (благодаря чему снижается степень прямого восстановления железа).

С точки зрения теплообмена вдувание в доменную печь дутья, обогащенного кислородом, не дает положительного результата. Более того, при высокой степени обогащения (30-35% 02) удельный расход кокса приходится значительно увеличить. Объясняется это, во-первых, снижением прихода тепла (за счет уменьшения теплосодержания дутья), а во-вторых, значительным повышением степени прямого восстановления (обусловленного снижением скорости восстановительного процесса из-за низких температур в верхней ступени теплообмена).

Производительность доменной печи. Одна из характерных особенностей работы доменной печи состоит в том, что ее производительность определяется не скоростью протекания восстановительных процессов или других химических реакций (все эти процессы без каких-либо сложностей успевают завершиться за 5-7 ч., в течение которых шихта находится в доменной печи), а скоростью опускания шихты. В свою очередь скорость опускания шихты прямо пропорциональна скорости образования свободного пространства в нижней части печи. Решающий вклад в скорость образования свободного пространства вносит скорость горения кокса (кг/мин). Так как при избытке углерода в горне кислород дутья используется полностью, то скорость горения углерода будет прямо пропорциональна скорости поступления в печь воздуха V_в, м³/мин.

Очевидно также, что производительность печи будет обратно пропорциональна удельному расходу воздуха V_в, м³/т чуг.

Итак, минутная производительность доменной печи:

q_ч = V_в: , т чуг/мин.

Так как = •С_ф, где С_ф - удельный расход углерода, сгорающего перед фурмами, кг С/т чуг., a - удельный расход воздуха, м³/кг С, то окончательная расчетная формула для определения производительности доменной печи:

= , т чуг./сут. (5.11)

Таким образом, производительность доменной печи прямо пропорциональна количеству воздуха, поступающему в печь в единицу времени, и обратно пропорциональна удельному расходу С_ф (удельному расходу кокса).

Мероприятия по снижению удельного расхода кокса рассмотрены выше.