Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Шахтный принцип конструкции доменной печи с противоточным течением шихты и газа, наличие в одном агрегате зон твердого, пластичного и жидкого состояния шихтовых материалов, значительный диапазон температуры (от 20 до 3500°С) по высоте и поперечному сечению доменной печи, давления (от 10 до 500 кПа), объема, единичной мощности, большая продолжительность кампании (10-20 лет), минимальное количество выбросов в окружающую среду - все это обеспечивает неоспоримые преимущества доменной печи не только сейчас, но и в будущем.
Первая массированная атака на доменную плавку, как на основной вид передела железорудного сырья, пришелся на 60-е годы прошлого столетия. Открытие огромных нефтегазовых месторождений на Ближнем Востоке, в Северной и Центральной Африке, Латинской Америке породило эйфорию надежд в черной металлургии в виде замены доменного производства низкотемпературными твердофазными процессами металлизации железорудных материалов. Ряд горнорудных и металлургических компаний предсказывали рост мирового производства металлизованного сырья до 200 млн.т в год. Прогнозы оказались нереальными.
Второй пик интереса к альтернативным процессам относится к 80-90-м годам прошлого века, когда появились жидкофазные процессы, в которых в качестве энергоносителя выступали недорогие и недефицитные сорта каменных углей. Они также оказались неконкурентоспособны по сравнению с доменным процессом, как в части энерго- и материалосбережения, так и в экологической чистоте.
Основные черты современной доменной плавки сформированы к концу XIX века: завершился переход на минеральное горючее - кокс, а конструкция доменной печи обрела формы, принципиально не отличающиеся от нынешних. Число доменных печей в первой половине XX века быстро увеличивалось, в период 1945-1975 г.г. оно оставалось на одном уровне, а потом стало снижаться, что объясняется увеличением их единичного объема и удельной производительности при одновременном снижении расхода кокса. Дальнейшая эволюция доменной плавки шла по пути интенсификации доменного процесса за счет:
- агломерации пылевидных руд и последующего ввода флюсов в состав агломерата;
- обогащения бедных руд с последующим их окускованием путем агломерации или окомкования;
- удаления мелких фракций из шихты перед загрузкой в печь;
- применения нагрева дутья и последующего использования увлажнения его для дальнейшего увеличения температуры;
- сжатия газа в рабочем пространстве печи;
- применения природного газа, мазута и измельченного угля для вдувания через фурмы;
- обогащения дутья кислородом;
- совершенствования управления доменным процессом «сверху» и «снизу» на основе совершенствования контроля технологических параметров и применения систем автоматического управления.
Результаты развития доменной плавки в XX веке выражаются в 3-4-х кратном увеличении удельной производительности доменных печей и в 2,5-3-х кратном сокращении расхода кокса. Совокупность известных и разрабатываемых мероприятий по совершенствованию доменной плавки позволяет улучшить ее показатели примерно в 1,5 раза и достичь удельной производительности 3,5-4 т/м3 в сутки и расхода кокса 250-300 кг/т чугуна, что близко к предельным возможностям доменной плавки.
Учитывая то, что в доменном производстве расходуется 60-70% всех топливно-энергетических затрат на производство готовой металлургической продукции, в настоящее время наиболее актуальной задачей является их снижение.
Поскольку применение мазута в доменном процессе практически прекратилось во время первого мирового энергетического кризиса, а повышение цен на газ диктует резкое снижение или полное прекращение его применения в доменной плавке, то основным путем сокращения затрат энергии и расхода кокса является применение пылеугольного топлива.
В Украине работы по применению пылеугольного топлива (ПУТ) в доменной плавке начались в 1963 г. (практически одновременно с США и Китаем) по инициативе профессора Н.И. Красавцева. На ДМЗ доменная технология с вдуванием ПУТ прошла путь опытной и опытно-промышленной эксплуатации (1968-1978 г.г.), а с 1980 г. на базе первой в Европе промыхнленной установки освоена технология совместного вдувания природного газа (ПГ) и ПУТ, обогащенных кислородом (технология ПГ+ПУТ+О2), в горн доменных печей.
Научным руководителем и активным участником комплекса работ по разработке и освоению доменной плавки с применением ПУТ является профессор ДонНТУ С.JI. Ярошевский.
За период с 1980 г. и по настоящее время в специализированной лаборатории ПУТ ДонНТУ накоплен богатейший экспериментальный материал и создана теория полной и комплексной компенсации при замене части кокса пылеугольным топливом.
Горение дополнительного топлива и замена им кокса неизбежно сопровождается ухудшением определяющих параметров доменной технологии: снижением доли кокса в шихте и, соответственно, ухудшением порозности и газопроницаемости шихты, снижением теоретической и реальной температур в фурменной зоне, уменьшением содержания кислорода в горновом газе и прочее. Отсюда вытекает важная задача - восстановление и стабилизация оптимального режима работы доменной печи при работе с вдуванием ПУТ.
Для оценки эффективности компенсирующих мероприятий использовано понятие суммарного коэффициента замены кокса (SK3) дополнительным топливом.
где ΔQкдг - экономия кокса за счет повышения расхода дополнительного топлива, a ΔQккм - за счет реализованных компенсирующих мероприятий, кг/т чугуна; ΔQдт - прирост расхода дополнительного топлива, кг/т чугуна.
Расчеты, выполненные по уравнению (6.1), а также опыт применения ПУТ на ДМЗ и за рубежом показывают, что при величине суммарного коэффициента замены, равном 1 и более, по мере увеличения расхода ПУТ не происходит негативных изменений в состоянии технологического режима доменной плавки, которые бы снижали эффективность его применения. Следовательно, в этом случае обеспечена полная и комплексная компенсация негативного влияния дополнительных топлив на технологию доменной плавки.
Одним из основных компенсирующих мероприятий является снижение расхода ПГ. Это следует из реакций горения в фурменной зоне углерода и метана
Количество тепла на единицу получаемого восстановительного газа по реакции (6.3) в 9 раз ниже, чем по реакции (6.2), а выход восстановительного газа в 3 раза выше. Соответственно снижение теоретической температуры горения на единицу вдуваемого ПУТ в 2,5-3 раза меньше, чем при вдувании ПГ. Расчеты показывают, что ΣK3, обеспечивающий полную и комплексную компенсацию негативных явлений, для ПГ в 2-3 раза выше, чем для ПУТ.
Повышению ΣK3 способствуют также снижение расхода известняка и выхода шлака, повышение температуры дутья, улучшение прочности и фракционного состава железорудной шихты, качества кокса, ПУТ и другие мероприятия.
С целью повышения достоверности расчета технологических режимов выделены параметры, влияющие на расход кокса, превышение определенного уровня которых невозможно в сложившихся и реально существующих условиях. К этим определяющим параметрам отнесены: рудная нагрузка, кг/т кокса; количество мелочи фракции 5-0 мм в железорудной шихте, кг/т кокса; выход горнового газа, м3/т кокса; скорость газа в зоне пластического состояния шихтовых материалов, м/с.
Для оценки влияния каждого из определяющих параметров проанализировали среднегодовые данные по 57 доменным печам Европы за 2002 и 2004 г.г., а также доменным печам стран СНГ (116 печей, 1989 г.). Полученные результаты представлены на рис. 145.
Из рис. 145 видно, что при достигнутых уровнях качества кокса, железорудного сырья, параметрах температурно-дутьевого режима, в диапазоне расхода кокса от 300 до 600 кг/т чугуна маловероятна возможность превышения скорости газа в распаре (зона пластического состояния шихтовых материалов) 20 м/с, рудной нагрузки - 6 т/т кокса, выхода горнового газа - 5 тыс.м /т кокса, количества мелочи фракции 5-0 мм в железорудной шихте - 400 кг/т кокса, выхода шлака - 1100 кг/т кокса.
Указанные параметры представляются как граничные, предельные, разделяющие области реально осуществимых и маловероятных режимов доменной плавки с применением ПУТ.
Модернизированная пылеустановка (рис. 146) на ОАО ДМЗ успешно работает с сентября 2002 г. Она полностью комплектуется из отечественного оборудования, рассчитана на имеющиеся ресурсы и эксплуатацию силами предприятия. Опыт показывает, что по основным определяющим показателям (неравномерность подачи ПУТ во времени и по фурмам, полнота сгорания ПУТ, вредные выбросы в атмосферу и др.) установка ОАО ДМЗ отвечает требованиям современных пылеугольных установок IV поколения. При этом ее стоимость существенно - возможно вдвое и более - ниже зарубежных, а кроме того, и оборудование установки, и технология доменной плавки привязаны и полностью адаптированы к украинским технологическим условиям.
Освоенная модернизированная установка и технология совместного вдувания в горн ПГ и ПУТ на обогащенном кислородном дутье (технология ПГ+ПУТ+О2), обеспечивает увеличение доли замены кокса дополнительными топливами от 10-15 до 30-35% (табл. 27).
Результаты, полученные в 2005-2006 гг. на печи №2 ОАО ДМЗ при отключении подачи природного газа, сопоставимы с мировыми аналогами: за 9 месяцев 2006 г. средний расход кокса на весь выплавленный в этой печи чугун составил 403,6 кг/т чугуна при отсутствии подачи газа и вдувании ПУТ в количестве 167,5 кг/т.
За тот же период в доменных цехах Украины расход кокса составил 496,5 кг/т и ПГ более 80 м3/т чугуна. И это при худших в ОАО ДМЗ шихтовых и технологических условиях (табл. 28).
Таким образом, эффективность применения комбинированного дутья на ОАО ДМЗ по сравнению с остальными предприятиями Украины увеличена более чем вдвое. Приведенные данные показывают, что освоение первого этапа пылеугольной технологии успешно завершено в промышленном масштабе: расход ПУТ увеличен до 100-150 кг/т чугуна, кокса - сокращен до 350-400 кг/т чугуна.
Современный уровень доменной технологии в мире представлен печами, достигшими в последние годы наиболее высокой эффективности использования ПУТ - доля замены кокса ПУТ в данных режимах составляет 35-46% (табл. 29).
Из таблицы и технической литературы следует, что к параметрам, определившим такой уровень технологии, относятся: уменьшение выходов колошникового и восстановительных газов на 1 т чугуна до 1400-1600 и 650-700 м3 соответственно, а также выхода шлака до 220-300 кг/т чугуна (см. табл. 29); снижение доли мелочи в железорудной шихте до 5%; улучшение качества кокса по показателю горячей прочности (CSR) до 60-79%; повышение теоретической температуры горения до 2083-2193°С (см. табл. 29); использование ПУТ высокого качества (Aс=7,5-8,5% и S=0,3-0,7%).
В приведенных в табл. 29 технологических режимах все определяющие параметры ниже предельного уровня, что свидетельствует о работе печей в устойчивом и оптимальном режиме. Большие расходы ПУТ и эффективность его использования при этих режимах достигнуты благодаря высокому качеству шихты и топлива, а также лучшим технологическим условиям плавки, что позволило обеспечить требования полной и комплексной компенсации, несмотря на значительное сокращение расхода кокса.
В работе выполнен расчет эффективности использования ПУТ-технологий для доменных цехов основных металлургических предприятий Украины (ОАО ДМЗ, ОАО «ММК им.Ильича», ОАО ЕМЗ, ОАО «МК им.Дзержинского», Краматорского металлургического завода, ОАО «Азов-сталь», ОАО «АлчМК», ОАО «Запорожсталь») и России (ОАО «Северсталь», ОАО ММК, ОАО НКМК, ОАО ЗСМК, ОАО «Мечел», ОАО НТМК, ОАО ОХМК, ОАО НЛМК, ОАО «Тулачермет»).
На основании расчетов получены средние для Украины и России показатели эффективности применения ПУТ (табл. 30).
Окупаемость капитальных вложений, необходимых для строительства ПУТ-комплексов (1-й этап) и реализации необходимых компенсирующих мероприятий, составит 2-3 года.
Освоение 2-го этапа ПУТ-технологии в Украине и России (150-200 кг/т чугуна) также эффективно, однако предопределяет необходимость внедрения дорогостоящих компенсирующих мероприятий - снижения выхода шлака до 300 кг/т; повышения температуры дутья до 1150-1200°С; сокращения доли мелочи 5-0 мм в доменной шихте до 5-8%; значительного улучшения качества кокса и др. Реализация этих мероприятий невозможна без значительных дополнительных капитальных вложений, сопоставимых со стоимостью ПУТ-комплексов.
Ввиду больших запасов газа и высокой стоимости кокса черная металлургия России приступила к переходу на применение ПУТ одной из последних.
Достоинством ПУТ авторы цитируемой статьи считают его способность сочетаться с широким спектром углей разных типов, а также их смесей. Они предлагают три фазы освоения технологии с применением ПУТ, разбивая их по уровню вдувания ПУТ в печь (в работе ученые ДонНТУ предлагают выполнять её в два этапа по тому же принципу). Цифры расхода ПУТ примерно одинаковы.
Выполненные в работе расчеты показали, что срок окупаемости проекта реализации технологии выплавки чугуна с применением ПУТ составляет 7,3-8 месяцев, что резко отличается от цифр, приведенных в работе -2-3 года. Причина этого заключается в том, что авторы работы не предусматривают при вдувании ПУТ в доменную печь компенсирующих мероприятий, крайне необходимых для устранения негативных явлений, сопровождающих применение ПУТ, что убедительно продемонстрировано учеными ДонНТУ в работе.
На основе 27-летнего опыта работы пылеугольной установки на ОАО ДМЗ, а также зарубежного опыта некоторые металлургические предприятия Украины заключили контракты с зарубежными фирмами на поставку «под ключ» установок для производства и вдувания ПУТ. Поставщики оборудования гарантируют расход ПУТ до 150 кг/т чугуна.
В Украине пока нет возможности получить кокс с показателем CSR 65-73%, железорудное сырье с содержанием мелочи 5-0 мм 1-5%, снизить приход серы и щелочей с шихтой до 3 кг/т чугуна и выход шлака - до 150-250 кг/т чугуна (табл. 31).
Из изложенного следует вывод об актуальности работ по расчету и оптимизации малококсовой технологии с применением ПУТ, выбору и внедрению соответствующих компенсирующих мероприятий.
Украина располагает в данном вопросе необходимым научным и промышленным опытом: теория полной и комплексной компенсации, разработанная в ДонНТУ, и на ее основе высокоэффективная ПУТ-технология созданы технологами ОАО ДМЗ и специализированной лабораторией ПУТ ДонНТУ в 1980-2005 г.г. В настоящее время эта технология полностью отвечает принципиальной специфике шихтовых и технологических условий работы доменных печей Украины. На основе этой теории и опыта высокоэффективная технология с расходом ПУТ на 1 т чугуна 100-150 кг может быть освоена в Украине в течение 4-6 месяцев, обеспечив окупаемость необходимых капитальных затрат за 2-3 года.
На основании изложенного нами сделаны следующие выводы:
1. Технология доменной плавки с вдуванием в горн природного газа, требующая ежегодно на реализацию в Украине 2,5 млрд. м3 газа, в сложившихся технологических и экономических условиях менее эффективна по сравнению с использованием пылеугольного топлива. Определяющий показатель, характеризующий преимущества ПУТ - возможность замены угольной пылью в 2-3 раза большего количества кокса.
2. В Украине на основе отечественного и зарубежного опыта созданы предпосылки для быстрого и эффективного внедрения технологии с вдуванием в горн угольной смеси: разработано и освоено в промышленных условиях оборудование для реализации процесса, внедрена технология плавки с вдуванием в горн на 1 т чугуна 100-170 кг ПУТ, подтвердившая высокую экономическую эффективность мероприятия и возможность исключения подачи или значительного сокращения расхода природного газа.
3. Технологические условия доменных цехов России более благоприятны для освоения и внедрения этой технологии. Компенсация вдувания ПУТ в количестве 140 кг/т чугуна возможна только за счет сокращения расхода природного газа, что обеспечит снижение расхода кокса на 91 кг/т, природного газа на 70 м3/т, себестоимости примерно на 95 руб. при сохранении базовых производительности печи и качества чугуна.
4. Применение ПУТ в доменной плавке в специфических технологических условиях доменных цехов Украины без мероприятий, компенсирующих негативные последствия увеличения расхода этого топлива, малоэффективно.
Еще один путь замещения природного газа в доменной плавке предлагают авторы работы. Заменителями могут быть коксовый (КГ) или генераторный (ГГ) газы. При этом вдувание КГ предлагается сочетать с использованием кусковых углей. При вдувании 100 м3 ГГ/т чугуна экономия кокса составляет 6-7 кг/т чугуна. Эти технологии предлагается использовать до освоения технологии доменной плавки с применением ПУТ.
Авторы работы считают, что до массового освоения ПУТ целесообразно использовать природный газ для частичной замены кокса, в сочетании с вдуванием кислорода и повышением температуры дутья. Оптимизирующим фактором является себестоимость чугуна. Дается такая рекомендация: при цене 1000 м3 природного газа меньше 0,456-0,55 стоимости одной тонны кокса целесообразно увеличивать расход природного газа с одновременным повышением температуры дутья и обязательной подачей кислорода. При цене 1000 м3 природного газа, превышающей 2,533-2,765 стоимости одной тонны кокса, его применение становится нецелесообразным.
До внедрения ПУТ наиболее доступным направлением снижения удельного расхода кокса до 388-421 кг/т чугуна является увеличение температуры дутья до 1250-1300°С, повышение содержания железа в шихте до 58-59% при рациональном шлаковом режиме доменной плавки.
Еще одним новым и высокоэффективным компонентом доменной плавки, предложенным учеными ДонНТУ, является введение в шихту 250-300 кг/т чугуна металлизованных окатышей, производство которых может быть организовано из вторичных железорудных материалов (колошниковая пыль, шлам, окалина, отсев агломерата и др.), а также железорудного концентрата с содержанием 65-67,5% железа.
Металлизация шихты (при прочих равных условиях) обеспечивает снижение расхода кокса на 64,6 кг/т чугуна, расхода флюса на 36 кг/т чугуна, выход горновых газов на 138,7 м3/т чугуна. Зарубежный опыт показывает, что введение в шихту до 20-25% металлизованных окатышей обеспечивает прирост производительности доменной печи на 20-30%, кроме этого, металли-зованная шихта является эффективнейшим комплексным компенсирующим средством, способствующим повышению оптимального расхода ПУТ до 200-250 кг/т чугуна и соответственному улучшению показателей доменной плавки.
В работе поставлен вопрос: «Доменная печь без кокса и углерода?». Этот вопрос обусловлен установлением квот в странах ЕС на выброс CO2. В цитируемой статье детально описан доменный процесс и приведены задачи, которые кокс должен выполнять в доменной печи.
С точки зрения химии и энергетики процесса:
- выработка газа-восстановителя;
- выработка необходимой тепловой энергии;
- регенерация газа-восстановителя;
- науглероживание жидкого чугуна.
С точки зрения физики процесса:
- создание коксового каркаса (зона слипания);
- обеспечение проницаемости в горне.
Протекание химических реакций и энергетика процесса неотделимы друг от друга. В ходе реакций углерода с кислородом горячего дутья, идущих в районе фурм, образуется газ-восстановитель и создаются температурные условия, способствующие протеканию химических реакций. Кроме того, углерод способствует регенерации газа-восстановителя в нижней части печи при высоких температурах. Углерод растворяется в железе, что приводит к снижению температуры плавления чугуна.
На рис. 147 схематически показан процесс производства чугуна в доменной печи. Указанные на рис. 147 химические реакции позволяют говорить о коксе и об угольной пыли как о восстановителях. При температуре выше 1000°C образовавшийся при восстановлении железной руды диоксид углерода СО2 вступает в реакцию с углеродом и вновь превращается в CO. В ходе этой реакции поглощается значительное количество тепла. Поднимающийся по шахте газ отдает свое тепло колоше. Как только температура газа и соответственно колоши опускается ниже 1000°С, реакция CO2 + С → CO прекращается, восстановление оксида железа в шахте протекает исключительно с образованием CO2, который больше не восстанавливается до CO. При температуре ниже 1000°C кокс перестает оказывать какое-либо влияние на химические реакции процесса. Можно говорить только о «косвенном восстановлении». Три реакции восстановления железной руды из гематита (Fe2O3) через магнетит (Fe3O4) и вюстит (FeO) до металлического железа (Fe) зависят от температуры и парциального давления кислорода в газе-восстановителе.
При работе доменной печи углерод играет важную роль в протекании химических реакций и массообмене, а также обеспечивает поддержание необходимой температуры. Что касается материального баланса углерода (углерод кокса или углерод вдуваемых восстановителей), то он выглядит следующим образом: при производстве 1 т чугуна 333,6 кг идет на восстановление железной руды и 47 кг - на науглероживание чугуна - обязательная с металлургической точки зрения стадия процесса, особенность которой заключается в снижении температуры плавления (с 1536°С для чистого железа до 1150°С для железа с 4,3% углерода). Кроме того, процесс предполагает дополнительную газификацию 12,1 кг углерода (в расчете на 1 т) перед фурмами для компенсации физического тепла, отводимого при выпуске жидкого чугуна и шлака. Для компенсации тепла, забираемого колошниковым газом, и теплопотерь, связанных с работой системы охлаждения кожуха печи, необходимо газифицировать еще 21,4 кг углерода в расчете на 1 т чугуна. Суммарный расход углерода при выплавке 1 т чугуна составляет 414,1 кг. Вводимый углерод выделяется в атмосферу в виде СО2 на последующих стадиях утилизации колошникового газа и производства стали из чугуна. При выплавке 1 т чугуна расходуется 414,1 кг углерода, а в атмосферу в обшей сложности выбрасывается 1518,4 кг CO2.
Авторы работы приходят к выводу, что водород в виде природного или коксового газа очень ограниченно может заменить углерод (и соотвественно CO), выполняющий функцию восстановителя.
Как уже было отмечено, кокс выполняет и физические функции, создавая каркас для столба шихты, а также обеспечивая газопроницаемость шахты доменной печи и опорожнение горна. Эти функции представлены на рис. 148.
На пути от колошника доменной печи до горна куски железной руды изменяют свои физико-химические свойства при нагреве и восстановлении. Они деформируются, увеличиваются в объеме и плавятся. Область размягчения называют также зоной слипания, в ней руда образует газонепроницаемые слои. Кокс, напротив, сохраняет свою твердую зернистую структуру вплоть до достижения уровня горна, а его количество уменьшается за счет протекания реакций, показанных на рис. 147, и газификации углерода. В зоне слипания слои кокса образуют газопроницаемые слои, обеспечивающие проницаемость. Твердый кокс, находящийся в зоне слипания, также служит опорой для находящегося выше «сухого» столба шихты. Форма зоны слипания и газопроницаемость печи контролируются оператором доменной печи путем распределения шихты на колошнике.
В горне доменной печи кокс образует конус, так называемую мертвую зону. Этот конус обеспечивает прохождение жидкого чугуна и шлака, а также газа-восстановителя. Кроме того, качество кокса влияет на стойкость огнеупорной футеровки горна. Кокс с высокой прочностью в горячем состоянии позволяет чугуну и шлаку стекать через пустоты в конусе к лёткам, благодаря чему предотвращается возникновение в районе стыка стенки горна и лещади течения, приводящего к износу футеровки. Это и есть основные причины физического свойства, по которым работа печи без определенного количества кокса является невозможной.
На рис. 149 показана динамика усредненных показателей расхода восстановителей на доменных печах Германии вместе с основными событиями, которые привели к их снижению с 900-1000 кг/т чугуна (50-е года XX века) до современного уровня (примерно 475 кг/т). Ho из рисунка видно и то, что в последние годы общее потребление восстановителей практически не снизилось. Показатель 475 кг/т означает достижение технологического минимума. При этом (если сравнивать с другими странами) Германия занимает лидирующую позицию (рис. 150), опережая по средним показателям страны Евросоюза (15 стран), Южную Корею, США и Японию. За ними с большим отрывом следуют Китай, Россия и Украина.
Для «идеальных» доменных печей, работающих в условиях равновесия, был рассчитан теоретический минимум расхода углерода, равный 386 кг на 1 т чугуна или соответственно 450 кг кокса и угольной мелочи. Однако подобное идеальное состояние не достигается в реальных условиях эксплуатации печи, так как при каждой технологической операции требуется разница потенциалов (разница напряжения, температуры, давления, высоты и т.д.), то есть наличие неравновесного состояния, обеспечивающее ход процесса. Ho идеальные случаи хорошо подходят для качественного описания производственных процессов.
Если вернуться к сокращению выбросов CO2 при доменной плавке, то их резервы от достигнутых в Германии показателей невелики.
Радикальное решение показано на рис. 151.
Долгое время одной из тенденций развития доменного производства было уменьшение числа и увеличение объема доменных печей. Tак, к 2007 г. средний объем доменных печей достиг 4000 м3. В Украине этот показатель 1600 м3, в России - 1800 м3 (без учета доменных печей объемом до 500 м3, которые используют для производства специальных чугунов). Наибольший объем из действующих доменных печей в Украине - 5000 м3 (ОАО «АрселорМиттал Кривой Рог»), в России 5580 м3. Имеются сведения о том, что в Японии при реконструкции доменной печи «Ниппон Стил» в Оите ее объем увеличен до 5775 м3. Вероятно, на сегодня это самая крупная доменная печь в мире.
Увеличение полезного объема доменных печей позволяет существенно улучшить показатели производства чугуна на одного работающего, уменьшить тепловые потери и удельные ремонтные и эксплуатационные затраты.
Между тем накапливалось все больше фактов негативных последствий роста объема доменных печей. Их можно в основном свести к следующему:
1. Мощные доменные печи успешно функционируют лишь при проплавке шихты повышенного качества. Поэтому при переходе к работе на печах большого объема растут расходы на процессы подготовки шихтовых материалов.
2. Ввиду известных ограничений по высоте доменных печей, увеличение их объема производилось, в основном, за счет роста горизонтальных размеров агрегатов. В этих условиях возникали затруднения с равномерностью протекания основных процессов по сечению печей, что в итоге приводило к существенным отличиям в составе чугуна, выпускаемого из различных леток.
3. Рост горизонтальных размеров привел к снижению доли протяженности окислительных зон по отношению к радиусу горна, что вызвало затруднения, связанные с функционированием коксовой насадки.
4. Возникли трудности и с общей организацией производства на предприятии полного цикла. Случайные и аварийные остановки крупной доменной печи могли парализовать работу энергохозяйства и потребителей чугуна, так как практически исключали возможности маневра, имевшие место на предприятиях с доменными печами меньшего объема.
5. Рост приоритета экологических ограничений означал по существу конец эпохи доминирования крупных металлургических агрегатов. Известно, что основным недостатком металлургической отрасли с точки зрения влияния на окружающую среду является высокая степень ее концентрации. При общих невысоких по сравнению с другими отраслями индустрии значениях выбросов черная металлургия характеризуется высокой их концентрацией на единицу площади металлургического региона. Исходя из состояния природной среды и здоровья человека, безусловно, целесообразно рассредоточение производств.
6. В большинстве случаев относительно небольшие доменные печи имеют лучшие показатели по расходу энергоносителя и более маневренны в номенклатуре производимой продукции. Наконец, переработка техногенных и бытовых отходов, все в большем объеме охватывающая агрегаты металлургического комплекса, применима главным образом к небольшим агрегатам.
На решение проблемы размера доменных печей сильно влияет также ситуация с увеличением числа мини-заводов и перспективы организации предприятий микрометаллургии. Для производства чистой и высококачественной стали для горячекатаных полос требуется такой же высококачественный и дорогостоящий лом. Вместе с тем жидкий передельный чугун обладает существенными преимуществами как перед высококачественным ломом, так и перед его вышеупомянутыми заменителями. Отсутствие в чугуне нежелательных примесных микроэлементов, таких как медь, олово, хром и никель, гарантирует постоянное и высокое качество производимой металлопродукции.
Другими преимуществами жидкого передельного чугуна по сравнению с ломом и твердыми носителями железа является его высокое теплосодержание и «химическое тепло» углерода и кремния, которое составляет около 60% от физического тепла жидкого чугуна. Таким образом, применение чугуна способствует уменьшению расхода электроэнергии и обеспечивает существенное снижение затрат в сталеплавильном производстве.
По данным, при заливке 40% передельного чугуна производительность электропечи может быть повышена на 30%, а расход энергии одновременно снижен на 36%. Соответственно уменьшится время между выпусками и значительно сокращается расход дорогостоящих электродов.
Спрос на сравнительно небольшие количества жидкого передельного чугуна стимулировал разработку различных процессов восстановительной плавки. Традиционный доменный процесс довольно быстро приспособился к этому спросу, что выразилось в разработке конкурентоспособных агрегатов. Согласно сформировавшейся в последние годы традиции, доменные печи малого объема, специально разрабатываемые для обеспечения потребности минизаводов, подразделяют по международной классификации (табл. 32).
Можно утверждать, что одной из наиболее ярко проявившихся тенденций за последние 15 лет является развитие технологии выплавки чугуна в доменных печах малого объема и даже в вагранках. Некоторые специалисты считают эту тенденцию основополагающей на ближайшие 50 лет.
Наиболее активно шахтные печи малого объема нового поколения внедряются в Бразилии, Индии, Индонезии и Китае. Причем в Китае в 2003 г. доменные печи объемом менее 500 м3 произвели около 30 млн.т чугуна (то есть, свыше 20%). Лидером в разработке конструкций MBF и CBF нового поколения считается фирма «SMS-Демаг», по проектам которой за последние 10 лет построены 20 доменных печей в Бразилии, Индии и Индонезии и еще 5 намечены к пуску. Эти печи либо производят товарный чугун на коммерческих предприятиях неполного цикла, либо производят жидкий передельный чугун для минизаводов с полным циклом на основе кислородных конвертеров или дуговых сталеплавильных печей. Построенные в последние 15 лет MBF, как правило, имеют полезный объем в пределах 100-250 м3 при средней удельной производительности около 2,2 т/м3*сутки (табл. 33).
С учетом всей необходимой инфраструктуры удельные капиталовложения, требуемые для CBF и MBF, оцениваются в 100-120 долл. США на тонну годового производства, в зависимости от страны, качества оборудования, степени механизации и автоматизации и т.п. При той же производительности для традиционных доменных печей требуется на 50% больше капиталовложений.
Важнейшим преимуществом MBF является универсальность сырьевых условий работы. Они могут использовать кокс со сниженными показателями прочности, что для обычных доменных печей неприемлемо. MBF могут работать на шихте крупностью 8-15 мм, содержание золы в коксе колеблется в пределах 12-18% и достигает максимума в 21%. Таким образом, шихтовые материалы, применяемые в печах MBF, существенно дешевле сырья для обычных доменных печей. В качестве топлива для печей MBF используют также и древесный уголь. В частности, в Бразилии они нормально работают исключительно на нем. Крупность древесного угля составляет 12-120 мм, а содержание золы - 2-4% (по массе). В железорудной части шихты с одинаковым успехом применяют как по отдельности, так и в виде смесей: сырую кусковую руду крупностью 10-30 мм, мелкокусковую гематитовую руду крупностью 6-12 мм, а также окатыши крупностью 6-16 мм.
Разработанные новые компактные (CBF - Compact Blast Furnace) доменные печи предназначены специально для потребностей мини-заводов. При выборе концепции агрегата среднего размера для производства передельного чугуна на первый план были выдвинуты соображения гибкости работы и сокращения издержек.
Основными характеристиками печи CBF, направленными на снижение капиталовложений до минимума, являются следующие:
- отсутствие основной башенной конструкции, типичной для обычных печей (CBF - «стоящая» доменная печь);
- оснащение по всей высоте холодильниками из меди и чугуна с шаровидным графитом в сочетании с системой оборотного водяного охлаждения;
- вертикальный конвейер шихтоподачи;
- компактные литейный двор и воздухонагреватели;
- высокая степень автоматизации систем управления.
Печь CBF конструкции «SMS-Демаг» имеет диаметр горна 8 м и рассчитана на производство 1 млн.т чугуна в год. Основные технические характеристики печи представлены ниже:
CBF оснащают конусными засыпными аппаратами и подвижными плитами колошника. Конструкция литейного двора действительно является компактной, поскольку предусматривается работа печей с одной чугунной леткой. При этом печь оснащают сменным выпускным желобом. Качающийся желоб может эксплуатироваться с использованием гидравлического, пневматического или электрического привода. Чугунные желобы закрывают крышками, обеспечивающими требуемое обеспыливание литейного двора. Компактная бункерная эстакада включает бункерную емкость, рассчитанную на работу доменной печи в течение 15 ч. CBF оснащают двумя воздухонагревателями регенеративного типа с внутренними камерами сгорания. Все оборудование комплекса CBF располагается в пределах прямоугольного участка размером приблизительно 115x145 м. При этом обеспечивается грануляция шлака, размещение системы для вдувания ПУТ, мазута или других нефтепродуктов, а также установка разливки чугуна.
Новыми инновационными техническими решениями на традиционных доменных печах являются:
- применение конвейерной шихтоподачи;
- замена двухконусных засыпных аппаратов загрузочными устройствами;
- использование установок утилизации тепла дымовых газов воздухонагревателей доменных печей для нагрева отопительного газа и воздуха горения для нагрева воздухонагревателей;
- реконструкция литейных дворов, обеспечивающая улучшение разделения чугуна и шлака, увеличение стойкости футеровки желобов, сохранение температуры чугуна, механизацию ручных работ и решение вопросов охраны груда и экологии;
- автоматизация подготовки и дозирования шихтовых материалов, контроль технологических параметров доменной плавки и управление ею, сбора, обработки и предоставления техническому персоналу информации о ходе технологического процесса и состоянии оборудования.
Продолжает оставаться актуальным вопрос снижения энергозатрат на выплавку чугуна в доменных печах. Анализ японских специалистов показал, что энергопотребление в доменных печах Японии непрерывно снижалось в период с 1990 по 2001 г.г., а после этого стало стабильно увеличиваться.
На решение этой важной задачи ориентирована деятельность многих исследовательских организаций, в частности, созданного в 1997 г. исследовательского комитета в Институте черной металлургии Японии, преобразованного в апреле 2002 г. в «Исследовательский комитет по управлению критическими явлениями в доменной печи в целях минимизации образования СО2». Этот комитет ставил целью достижение удельного расхода восстановителей 450 кг/т, что позволило бы уменьшить образование CO2 на 10,5%. Комитет сосредоточил внимание на аномальных явлениях, препятствующих работе печи с низким удельным расходом восстановителей: подвисание и обрушение шихты; «захлебывание» в шахте, распаре, горне и центральной зоне коксовой насадки (тотермане); нарушение выпуска чугуна и шлака.
Обобщая результаты выполненных Комитетом исследований и предлагаемых технологий с учетом процессов, которые еще находятся на стадии исследований и разработок и не достигли уровня промышленного применения, авторы работ представили схему процесса в ДП нового поколения, показанную на рис. 152.
Кокс - источник тепла и генератор восстановительного газа в ДП - должен также обеспечивать проницаемость столба материалов для газа и жидких чугуна и шлака (что предполагает его высокую прочность), а также обеспечивать возможность регулирования температуры в зоне теплового резерва (что требует высокой реакционной способности). Железорудное сырье должно обеспечивать высокую производительность и низкий удельный расход восстановителей: использование в ДП высокопрочного высокопористого агломерата с высокой восстановимостью; безобжиговой углеродосодержащей окускованной руды; частично восстановленного железорудного сырья и металлического лома. Сюда включаются также: переработка в доменном переделе отходов пластмассы; исследуемый в Европе способ вдувания в шахту печи и через воздушные фурмы очищенного от СО2 колошникового газа; технология вдувания через фурмы пылевидной железной руды, которую активно исследовали и разрабатывали в прошлом.
В работах рассмотрены восемь вариантов работы доменной печи и лишь один из них только приближается к решению поставленной выше задачи. Исследования продолжаются.
Автором монографии совместно с профессором Долженковым Ф.Е. предложена («Урядовий кур’ер», 28 липня 1994 р.) частичная замена используемых в настоящее время энергоносителей продуктами газификации (тощих углей, антрацита и их смеси с небольшим количеством других углей). В качестве агрегатов для процесса газификации предложено использовать доменные печи, выводимые из эксплуатации.
Аналогичное предложение несколько позже сделано и авторами работы, которые представли в данной работе оценку ожиданий эффективности реализации режима с неподогретым дутьем.
Ожидаемая эффективность реализации режима с неподогретым дутьем (200°С), обогащенным кислородом до 23% при загрузке металлосодержащей фракции конвертерного шлака и смеси антрацита с тощим углем для доменной печи-газогенератора полезным объемом 1719м3 включает следующие две составляющие:
- экономию средств за счет замены природного газа продуктами газификации угля в топливных агрегатах либо в доменной печи - 109 млн.грн./год;
- уменьшение стоимости чугуна, полученного в процессе газификации угля, по сравнению со стоимостью чугуна, полученного в доменных печах, работающих на коксе - 224,5 млн.грн./год.
Это предложение реально и может быть реализовано при выводе доменных печей из эксплуатации или при остановке печей на ремонт первого разряда.
Подводя итоги раздела, следует отметить, что в настоящее время доменное производство чугуна имеет неоспоримые преимущества над альтернативными процессами. Более того, оно начинает вписываться и в структуру минизаводов.
Одной из нерешенных проблем в доменном производстве является извлечение попутных элементов в процессе доменной плавки. Обусловлена она тем, что месторождений чистых по примесям железных руд становится все меньше. Попадающие в разработку железные руды в большинстве своем в самой ближайшее время будут относиться к классу комплексных руд. По данным работы, уже сейчас в чугуне ОАО HЛMK и ОАО «Северсталь» содержатся такие микропримесные элементы как алюминий, бериллий, ванадий, вольфрам, галлий, калий, кальцит, кобальт, магний, медь, мышьяк, молибден, натрий, никель, ниобий, олово, свинец, сурьма, хлор и цинк. Их содержание доходит от 3 до 20 кг/т чугуна, а титана и хрома - даже до 100 кг/т чугуна.
По большинству попутных элементов данные об их поведении в доменной плавке в последние годы не изучали совсем. Имеются сведения лишь по цинку, мышьяку, фосфору, меди.
Активная работа по изучению поведения цинка в доменной плавке и методам борьбы с ним ведется на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Следствием поступления цинка в доменные печи как примеси шихтовых материалов является его накопление в рабочем пространстве и образование цинкитных настылей на стенках шахты и колошника печи. Количество циркулирующего цинка значительно. Оно не зависит от прихода цинка с шихтой, а определяется свойствами шихтовых материалов, режимом работы и объемом доменной печи. Это подтверждено практическими данными, полученными в результате исследований, проведенных на доменных печах ОАО MMK.
При полной выдувке доменных печей объемом 1370 м3 выход цинка составлял 6-7 т, если перед этим они работали относительно стабильно, 8-9 т -после неустойчивого хода. Во время выдувки печей объемом 2014 м3 выход цинка достигал 8-9 и 10-11 т соответственно. Количество цинка, удаляемого с применением специальных технологий, также зависит от объема печей. Содержание цинка в выдувочных шламах достигло 35-55%.
На циркуляцию цинка в печи непроизводительно расходуется кокс. В реальных условиях на восстановление 1 кг цинка в доменной печи расходуется, по различным сведениям, от 2 до 12 кг кокса. Тепло, выделяющееся при повторном окислении цинка, восполняет не более 15-20% затрат на его восстановление (по стехиометрии).
Ориентировочный расчет при средней массе циркулирующего цинка 8 т и четырех циклах циркуляции показывает, что перерасход кокса за сутки составляет 65-350 т, за год - 23-120 тыс.т. На всех доменных печах ОАО MMK годовой перерасход составляет 160-840 тыс.т.
Наряду с эпизодическим образованием цинкитных настылей, искажающих профиль внутреннего пространства печи, приводящих к деформации газового потока, несимметричности протекания физико-химических процессов, постоянный перерасход кокса на поддержание циркуляции цинка является не менее весомой причиной для принятия мер по сокращению его циркулирующей массы.
Наиболее эффективным способом удаления цинка из доменных печей является выдувка их на капитальный ремонт 1-го и 2-го разряда и остановка на капитальный ремонт 3го разряда. В этом случае цинк удаляется полностью (при выдувке) или наполовину (при остановке).
Целесообразно выводить выдувочные шламы из циркуляции в аглодоменном переделе без создания помех в работе доменных печей и в технологической системе транспортировки потоков шлама от газоочистки в цех их переработки. Основным элементом технического решения этой задачи является устройство отдельной емкости для периодического слива шлама из шламопроводов. Как отстойник эта емкость позволит в максимальной степени осаждать взвесь дисперсных частиц оксида цинка с последующей выборкой сгущенной цинкосодержащей массы.
Отстойник имеет прямоугольную форму размерами 40x15x1,7м. Внутри емкости сооружаются передвижные перегородки для разделения ее на 2-3 последовательно расположенные секции. Это необходимо для обеспечения естественной сепарации шламовой взвеси во время заполнения, поскольку она состоит из частиц различного удельного веса и размеров, вследствие чего период осаждения этих частиц также различен. Сепарация будет эффективной, так как частицы оксида цинка - наиболее тонкодисперсная часть взвеси, и поэтому они, как показывает практика отбора проб шламов, осаждаются в последнюю очередь. Первыми будут осаждаться тяжелые и относительно крупные железосодержащие и минеральные частицы. Поэтому в первой секции будет накапливаться осадок с повышенным относительно исходного содержанием железа, в последующих секциях - цинка. Качество осадка, как сырья для извлечения цинка будет не только сохранено, но и повышено, так как из него будет удалена часть вредных для этого процесса составляющих.
Разработанная технология сепарации доменных шламов позволяет:
- улучшить технико-экономические показатели доменной плавки, повысить стабильность хода доменных печей;
- утилизировать цинкосодержащие отходы металлургического передела при минимальном их воздействии на доменный процесс;
- выводить из циркуляции в аглодоменном переделе не все шламы, выходящие из цеха при остановке на капитальный ремонт одной доменной печи, а только выдувочные с содержанием железа 15-25%, непригодные для утилизации в качестве железосодержащего материала;
- предотвратить значительные затраты на природоохранные мероприятия по складированию шламов с повышенным содержанием цинка.
Расчеты показали, что из циркуляции в аглодоменном переделе за год может быть выведено 79-90 т цинка.
Постоянная работа по вовлечению в производство вторичных материальных ресурсов ведется в ДонНТУ. Одной из наиболее важных инновационных работ являются исследования, направленные на утилизацию отходов, содержащих цветные металлы, в частности, цинк. Исследования показали, что цинк, поступающий в доменные печи с железорудной шихтой, выводится из них через колошник, а также со шлаком и чугуном. Согласно обобщенным данным доменных цехов Украины установлено, что через колошник с отходящими газами из доменной печи удаляется 85-90% цинка, а со шламом и чугуном - 10-15%.
При полной утилизации доменных шламов и колошниковой пыли в агломерационном производстве без предварительного обесцинкования цинк, содержащийся в этих продуктах, вновь возвращается в доменные печи. Существует два основных способа извлечения цинка из отходов металлургического производства: пиро- и гидрометаллургический. Первый из них применяют в черной, а второй - в цветной металлургии.
Основной пирометаллургического процесса извлечения цинка и свинца является восстановительный обжиг материалов в различных агрегатах, в которых достигается требуемая для конкретного процесса восстановительная атмосфера. Практически все восстановительные процессы связаны с отгонкой цинка из исходной шихты и последующим улавливанием его в соответствующих газоочистках в виде оксида или металлического цинка.
Так как основная масса цинка в шламах доменной газоочистки сосредоточена в тонкодисперсных фракциях, то целесообразно применять гравитационные методы для их обесцинкования, которые на протяжении нескольких лет разрабатывались ДонНТУ, УРАЛМЕХАНОБРом и УКРГИПРОМЕЗом. На этом основан один из способов их обесцинкования в центробежном поле гидроциклона (рис. 153).
Основным технологическим аппаратом, в котором осуществляется обесцинкование, является гидроциклон. Процесс обесцинкования доменных шламов предлагается осуществлять в две стадии.
После первой стадии сливы из гидроциклонов, в которых содержится до 75% цинка от общей массы его в шламах в виде тончайших свободных частиц оксида цинка, направляются на сгущение. Остальная масса шлама (пески) подвергается оттирке совместно с известью. Оттирку предлагается осуществлять в шаровой мельнице, в которой происходит механическое разделение соединений цинка и других частиц, с дополнительным последующим перемешиванием измельченного продукта в контактном чане. Известь (0-3 мм) подается непосредственно в мельницу в количестве 30 килограммов на тонну шлама.
Обработанные в мельнице пески поступают в контактный чан, в котором в процессе интенсивного перемешивания (25-30 минут) осуществляется дополнительный их контакт с известью. В результате контакта цинка и извести удается отделить цинк от песков в самостоятельную фазу.
Подготовленные таким образом пески направляют на вторую стадию классификации в гидроциклонах аналогично первой стадии. При необходимости эти шламы разбавляют водой и усредняют до требуемой массовой доли взвесей. Пески второй стадии классификации являются готовым железосодержащим продуктом и поступают на обезвоживание методом фильтрования и на смешение с другими отходами, содержащими известь и железо. Сливы гидроциклонов обеих стадий классификации объединяются и поступают на сгущение, которое целесообразно осуществлять в две стадии на радиальных сгустителях, так как указанный цинксодержащий шлам представлен очень тонкими частицами.
После радиальных сгустителей влажность шламов с повышенным содержанием цинка достигает 40-55%. Для дальнейшей утилизации из них необходимо удалить воду. Подготовку этих шламов целесообразно осуществлять двумя способами. По первому: сгущенные шламы подвергать обезвоживанию методом фильтрации с дальнейшей сушкой в барабанной сушилке. По второму: сгущенные шламы направлять в распылительную сушилку, в которой шламы впрыскиваются в полость сушилки, где поддерживается высокая температура за счет сжигания доменного газа или использования отходящих газов от других тепловых агрегатов. Под воздействием высоких температур влага испаряется, а образующийся порошок удаляется через нижнюю часть сушилки. Пар отводится через систему отсоса и фильтрации, где улавливается пыль, захваченная отходящими газами. После сушки на этой сушилке или после барабанной сушки влажность полученного порошка составляет 7-8%. Это дает возможность затаривать его и направлять на переработку на заводы цветной металлургии.
Приведенная технологическая схема дает хорошие результаты по обесцинкованию доменных шламов. Основной недостаток заключается в том, что извлекать цинксодержащие материалы приходится из общего потока доменных шламов, из-за чего снижается эффективность отделения цинка и удорожается процесс подготовки.
В результате проведенных исследований установлено, что основная масса цинка в доменных шламах сосредоточена в тонкодисперсных фракциях, которые концентрируются на последних стадиях газоочистки доменного газа. С учетом недостатков вышеприведенной технологии предлагается второй вариант обесцинкования доменных шламов методом водной классификации.
По этому варианту доменные шламы от тонкой газоочистки (дроссельная группа и трубы Вентури) направляются в отдельный поток на соответствующую подготовку. В этих шламах сосредоточено 70% цинка в виде тонких фракций. Шламы направляются непосредственно на сгущение, как и по первому варианту. После сгущения шламы подвергаются сушке в распылительной сушилке.
Шламы от первой стадии очистки на скруббере при этом, не подвергаясь обесцинкованию, направляются на обычную переработку. Содержание в них цинка незначительно. Это позволяет после подготовки сыпучую, гомогенную смесь отгружать на аглофабрику.
Одним из рациональных ресурсо-энергосберегающих способов извлечения цветных металлов из цинксодержащих пылей и шламов может быть использование физического тепла жидких сталеплавильных шлаков, количество которого составляет в среднем 2 ГДж на тонну шлака, или, в пересчете, около 70 кг условного топлива.
Принципиальная технологическая схема обработки отходов жидкими шлаками с очисткой газов и улавливанием возгонов цинка приведена на рис. 154.
Сталеплавильный шлак из шлаковой чаши сливается по стационарному желобу в реактор, накрываемый крышкой. Окускованные цинксодержащие пыль и шлам с необходимой добавкой углерода дозируются из бункера на желоб при сливе шлака. Возгоны цинка улавливаются в рукавном фильтре, накапливаются в бункере, загружаются в мешки или контейнеры для отгрузки на заводы цветной металлургии. Отсос газов от реактора осуществляется дымососом.
Теплотехнические расчеты показывают, что с начальной температурой шлаков 1400°С и конечной температурой гранулированной смеси 1000°C можно одной тонной жидких шлаков обработать 0,6-1 тонну различных отходов производства.
Данная технология может быть применена при осуществлении рециклинга пылевыноса сталеплавильных агрегатов с низким содержанием цветных металлов. После достижения необходимого уровня цинка (10-15%) пылевынос окомковывается с углеродистым материалом и обрабатывается жидкими шлаками. Цинксодержащий продукт с содержанием цинка и свинца до 50% в виде оксидов выводится из процесса и направляется на переработку на заводы цветной металлургии, а легко дробимый железосодержащий продукт из реактора после соответствующей подготовки может использоваться в аглодоменном или сталеплавильном переделах. Таким образом, комплексная утилизация железосодержащих шламов в металлургическом производстве позволяет значительно уменьшить вредное воздействие на окружающую среду и в целом повысить экологическую безопасность металлургического производства.