1.ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА(Ключкин А.В.)
В представленной работе исследована технология доменной плавки на ОАО «ЕМЗ» по
оптимизации технологического режима с использованием природного газа.
Изучены литературные источники и приведены примеры по экспериментальному исследованию процесса восстановления вюстита CO.
Термодинамическим, кинетическим анализами и расчетами качественно подтверждены закономерности, установленные ранее на промышленной доменной печи. Расчеты материально-тепловых балансов доменной плавки и других технологических показателей для 3-х периодов работы доменной печи позволили проанализировать и определить эффективность использования природного газа в доменной плавке от уровня следующих технологических условий: стабилизации и оптимизации технологии; температуры дутья; расхода известняка на 1 т чугуна;применения других видов дополнительного топлива.
Поиск и анализ литературных источников, сбор данных о работе доменной печи и расчеты
материально-тепловых балансов выполнены студентом самостоятельно. Результаты исследования
использовались при написании отчета по хозтематике. Данная работа в соавторстве со
студентом подготовлена для публикации в журнале «Металл и литье Украины».
Объект исследования – технология доменной плавки.
Цель работы – оптимизация технологии доменной плавки при вдувании в горн доменной печи природного газа.
Методы исследования – анализ литературных данных, технологические и технико-экономические расчеты.
В работе на основе литературных источников приведены примеры по экспериментальному и расчетному исследованию процесса восстановления вюстита оксидом углерода.
Исследована технология доменной плавки на ОАО «ЕМЗ», направленная на оптимизацию технологического режима, прежде всего на изменение расхода природного газа. Выполнены термодинамический и кинетический анализы и расчеты, качественно подтверждающие установленные закономерности на промышленной доменной печи. Рассчитаны материально-тепловые балансы доменной плавки для 3-х периодов работы печи и другие технологические показатели, позволяющие проанализировать и определить эффективность предлагаемых мероприятий.
Показано, что эффективность использования природного газа и его удельный расход в доменной плавке прямо зависит от уровня технологических условий.
Область применения – доменные цеха Украины.
Введение
1 Основы теории восстановления вюстита оксидом углерода в доменной печи
1.1 Сущность процесса восстановления FeO
1.2 Термодинамика процесса
1.3 Механизм и кинетика процесса
1.4 Адсорбционная теория восстановления
2 Оптимизация процесса восстановления вюстита
3 Аналитическое исследование оптимального режима доменной плавки с применением природного газа
4 Оптимизация технологического режима
4.1 Шихтовый режим
4.2 Дутьевой режим
4.3 Шлаковый режим и нагрев горна
5 Эффективность использования природного газа в условиях ОАО «ЕМЗ»
5.1 Методика обработки данных
5.2 Результаты исследования
5.3 Расчет эффективности снижения природного газа
Выводы
Перечень ссылок
Первые опыты применения природного газа (ПГ) в доменной плавке, в т.ч. в сочетании с кислородом, начались на Украинских металлургических заводах в 1957–1960 гг.: Днепропетровском - «им. Петровского», Днепродзержинском, Запорожском «Запорожсталь» [1]. Уже в 70-х годах в СССР ежегодно более 100 млн. т чугуна выплавлялось с вдуванием в горн до 10 млрд. м 3 ПГ, обеспечивающих замену 7-8 млн. т кокса, получение до 1,5-2,0 млрд. рублей экономического эффекта. Причинами столь значительного эффекта были соответствующие ресурсы и низкая стоимость ПГ: в 60-70-х годах 1 м 3 ПГ был в 3-4 раза дешевле кокса. В настоящее время ПГ успешно применяют лишь те страны, которые имеют значительные его ресурсы: Россия, США, Канада, Мексика [2].
Однако в 90-х годах ПГ в Украине стал дефицитным и импортным энергоносителем, а его стоимость возросла практически до стоимости кокса, поэтому эффективность технологии использования ПГ снизилась и стала одной из причин снижения показателей доменной плавки. Как показывает опыт, при выводе ПГ из состава дутья снижается температура дутья на 150-250 о С, сокращается или полностью выводится кислород (О2), что в итоге определяет катастрофическое ухудшение показателей плавки. Следовательно, для Украины остро необходима альтернатива применению ПГ в доменной плавке.
Предложены варианты работы доменных печей без использования ПГ : с соответственным увеличением расхода кокса, с применением искусственно получаемого жидкого топлива из угля, с заменой ПГ паром и т.д. [3, 4], но указанные варианты неперспективны из-за значительного увеличения расхода кокса или неготовности их к промышленному внедрению (жидкое топливо).
Наиболее убедительной альтернативой природному газу является пылеугольное топливо (ПУТ): промышленный опыт ДМЗ (1980-1996 гг.), зарубежных стран (1990-2003 гг.) показал, что ПУТ может быть заменено до 30-50 % кокса против 10-25 %, реально освоенных в промышленных масштабах при вдувании ПГ.
На основе промышленного опыта ДМЗ разработана теория полной и комплексной компенсации негативного влияния горения ПУТ и снижения доли кокса в шихте на основные технологические параметры. По разработанной схеме можно рассчитать технологические режимы с вдуванием в горн на 1 т чугуна до 200 кг ПУТ и больше, замену до 60-70 % кокса при сохранении на высоком уровне других показателей плавки [5].
Процесс восстановления железа из его оксидов можно рассмотреть с целью изучения предельных условий, при которых становится возможным восстановление, и с точки зрения изучения факторов, определяющих скорости восстановления [6].
Первый путь – это термодинамический анализ, определяющий состав восстановителей, давлений и температур, при которых начинается восстановительный процесс, когда имеются минимально необходимые условия восстановления, когда смесь из восстановителя и его оксида находится в равновесии с восстанавливаемым железом и его оксидом.
Второй путь – это кинетический анализ, предполагающий факторы, отличные от равновесных и каждый из которых влияет на скорость восстановления и количество восстанавливаемого в единицу времени железа или отнимаемого кислорода.
Восстановление – процесс превращения оксида в элемент или низший оксид путем отнятия кислорода при помощи восстановителя, т.е. понижение валентности элемента. Восстановителем может быть то вещество, оксид которого имеет меньшую упругость диссоциации, чем оксид восстанавливаемого металла [7]. Рассмотрим восстановление закиси железа газообразным оксидом углерода, протекающее с незначительным поглощением тепла. Отнятие кислорода от закиси железа осуществляется довольно легко:
Реакция восстановления протекает в условиях фазового превращения закисной фазы, предельно бедной кислородом, в металлическое железо, насыщенное кислородом. Система одновариантна, состав равновесной газовой фазы целиком определяется температурой.
Реакции восстановления железа углеродом и его оксидом тесно связаны друг с другом и в общем термодинамическом анализе должны рассматриваться параллельно.
В любой системе истинное равновесие устанавливается при достижении равновесия всех возможных в ней реакций:
Согласно правилу фаз система, образуемая тремя компонентами при числе фаз, равном четырем, располагает одной степенью свободы. Следовательно, сосуществование четырех фаз одновариантно. Реакции (1.1-1.4) протекают без изменения объема, поэтому давление можно считать неизменным. Для нахождения равновесного состояния в этих случаях можно изменять только одно условие [7].
Независимо существование равновесной реакции (1.1) возможно тогда, когда не только отсутствует углерод, но и исключена возможность его появления по реакции (1.2).
На рисунке 1.2 пунктиром изображена зависимость равновесного состава газа от температуры для этой реакции, но не от давления, т.к. реакция (1.1) идет без изменения объема. Сплошная линия характеризует равновесие реакции (1.2). Здесь равновесный состав газа зависит как от температуры, так и от давления, поэтому линия является изобарой равновесия, относящейся к частному случаю РСО + РCO2 = 1 атм. При не изменении давления система Fe-C-O становится условно безвариантной.
Рисунок 1.2. - Равновесие реакции косвенного восстановления FeO оксидом углерода
Одновременное существование равновесий реакций (1.1) и (1.2), а, следовательно, реакций (1.3) и (1.4) возможны лишь в точке а, т.е. при температуре ~ 700оС и составе газовой фазы ~ 60% СО и 40% СО2.
Увеличение давления сдвигает изобару равновесия вниз, вследствие чего точка пересечения двух линий перемещается вправо и несколько вверх.
Таким образом, при увеличении давления повышается температура одновариантного равновесия и растет содержание СО в газовой фазе. Точка а делит кривую на 2 участка: правый и левый. Правый характеризует истинные равновесия реакции косвенного восстановления железа из закиси. При температурах выше точки а можно создать условия, обеспечивающие развитие реакции косвенного восстановления (1.1) и в то же время не допускающие повышения углерода в системе. Тогда реакционные возможности системы будут исчерпаны. Указанным условием соответствует поле точек, лежащих между линиями правее а при отсутствии углерода.
Пусть состояние системы задано точкой в (рисунок 1.2). Состав газа, обеспечивая восстановление железа, исключает диссоциацию СО с выпадением углерода. Поэтому в системе будет протекать только одна реакция (1.1) до достижения равновесия, которое установится в точке f Система в состоянии f не обладает никакими внутренними источниками, способными вывести ее из равновесия. Следовательно, эта точка дает истинное, устойчивое равновесие.
Если задать состояние системы точкой і, находящейся под пунктирной линией, возникает реакция (1.1). В процессе окисления железа система подходит к равновесию в точке k.
Из анализа примеров следует, что правый участок пунктирной линии графически воспроизводит истинные равновесия реакции косвенного восстановления закиси железа.
Константа равновесия 
выражается числом порядка нескольких десятых единиц, причем FeO и Fe участвуют в реакции в виде чистых веществ [7].
В развитии прямого восстановления железа по Байкову А.А. решающую роль играет газовая фаза, т.к. контакт твердых фаз закиси и углерода крайне несовершенен и не может обеспечить наблюдаемых на практике высоких скоростей восстановления [8]. Согласно его схеме прямое восстановление складывается из 2-х реакций: (1.1)+ (1.2) = (1.3).
В каждой промежуточной стадии участвует газовая фаза, создающая благоприятные кинетические условия для развития процесса. Восстановление является прямым только по материальному и энергетическому балансу. Конечно, косвенный путь процесса через реакции (1.1) и (1.2) и прямое взаимодействие (1.3) термодинамически совершенно равноправны.
В реальных условиях промышленных процессов влияния, которым подвержены реакции восстановления, переплетаются, иногда погашая или усиливая друг друга, а иногда порождая новые закономерности. Поэтому строгий теоретический анализ таких процессов затруднителен и приходится ограничиваться установленными эмпирическими соотношениями, существенно дающим возможность правильно объяснять опытные факты и выбрать рациональные пути управления процессом [9].
Состояние оксида и продукта его восстановления (например, FeO и Fe) со смесью СО и СО2 характеризуется равенством РО2/FeO = Р’О2 . Следовательно, смесь газов в этих условиях, состоящaя из mCO2 + nCO имеет такое отношение m/n , при котором в этой смеси РО2 и Р’О2 одинаковы по величине. Однако теория, разработанная Байковым А.А. не раскрывает механизм реакции восстановления и диссоциации оксидов, их элементарную кинетику, а, следовательно, и особенности этих процессов. Наоборот, анализ опытных данных показывает, что оба превращения, при одновременном протекании в совокупности составляющие процесс восстановления, то есть диссоциация восстанавливаемого FeО и соединение кислорода с СО, протекают в ходе восстановления иначе, чем если бы эти процессы протекали сами по себе [8].
Таким образом, процесс восстановления с расходованием твердого углерода протекает через газовую фазу, а тепловой эффект суммарной реакции такой же, как и при непосредственном восстановлении закиси твердым углеродом. Следовательно, главным является процесс восстановления оксидом углерода, из которого в основном состоит газ-восстановитель.
Реакция восстановления (1.1) начинается уже при температуре 570оС [7]. Учитывая «объемную» и «поверхностную» энергии кристаллических фаз, выразим равновесный состав газа через величину Zo:
(1.5)Из уравнения видно, что увеличение дисперсности железа повышает содержание СО в равновесной газовой фазе, а увеличение дисперсности FeO ведет к росту содержания СО2. Неодинаковая дисперсность кристаллических фаз дает расхождения опытных данных различных исследователей.
Равновесие этой реакции (1.1) представлены на рисунке 1.2, пересечением линий в точке а. Константа равновесия этой реакции описана эмпирическим уравнением Шенка
(1.6)уравнением Кистяковского:
(1.7)Наиболее достоверные равновесные соотношения между СО2 и СО рекомендовали Даркен и Гарри [9].
Вследствие экзотермичности реакции (1.1) повышение температуры сдвигает равновесие в сторону более высоких концентраций СО. Реакция приводит к получению железа, насыщенного кислородом, отнятие которого является последним этапом восстановления FeO.
Конечно, кислород, растворенный в железе, не находится в виде молекул FeO, но связи между атомами кислорода и окружающими атомами железа несомненно существуют. Если исключить вопрос о формах этой связи, то можно записать:
Константа равновесия рассматриваемой реакции:
или 
(1.9)
или 
(1.10)При понижении концентрации кислорода в железе равновесие требует все более и более высоких содержаниях СО в газовой фазе, в пределе при [О] ? (O), превращающейся в чистую окись углерода.
Что касается более высоких температур, то они ускоряют ход процесса, но не изменяют его порядка. Термодинамически восстановление железа начинается при температуре, при которой упругость диссоциации начинает превышать парциальное давление кислорода в окружающей среде [7]. Теоретически закись железа может восстанавливаться при любых температурах в смесях, содержащих СО и СО2, то есть эти температуры зависят от отношения СО и СО2.
Рассматривая равновесие реакции (1.1) (рисунок 1.3) видим, что линия равновесия идет вверх, то есть с повышением температуры требуется понижение СО2 в газе. Так как газ не всегда отвечает этим требованиям, то FeO еще сохраняется в средней и нижней частях шахты печи при температурах 900-1000 оС. Нетрудно подсчитать количественное значение коэффициента для реакции восстановления вюстита при различных температурах, используя диаграмму (рисунок 1.3). Для протекания процесса газовая фаза должна быть несколько обогащена окисью углерода по сравнению с равновесным составом. Итак, для реакции (1.1) полная запись выглядит следующим образом:
должно быть: (n – 1)/1 ? 2, то есть n ? 3.
Развитие реакции восстановления вюстита окcидом углерода в доменной печи определяет следующие параметры: степень использования восстановительной способности газов, развитие восстановительных процессов в шахте печи и коэффициент прямого восстановления железа, что, в свою очередь, дает возможность снизить относительные расходы тепла, восстановительного газа и кокса [5]. Определяющая роль восстановления вюстита объясняется:
низким равновесным коэффициентом использования восстановительной способности газа при температуре 900оС;
низким избытком восстановительных газов;
эндотермичностью процесса;
ограничением температурных границ; выше 1000оС развивается процесс прямого восстановления.
Для изучения кинетики восстановления необходимо рассмотреть механизм реакций, то есть взаимодействие восстановителя с оксидами жедеза. Теория Байкова А.А., рассматривающая только термодинамическую сторону процесса восстановления недостаточна при изучении скоростей реакций. Есин О.А. и Гельд П.В. показали, что не всегда оксиды находятся в состоянии диссоциации. Допуская изолированное и независимое во времени и в пространстве течение обеих стадий процесса, они подсчитали, что 1 г закиси железа при общей поверхности его 1 м2 восстановится при температуре 927оС за 8,65·105 лет, а при более низких температурах еще дольше. На самом деле реальное время процесса составляет 1 час, что свидетельствует о несостоятельности двухстадийной теории Байкова А.А. [8].
Любан А.П. заметил, что в действительности процессы протекают одновременно, причем на восстановитель действует не молекулярный, а атомарный кислород. Автор считает равновесие «не статическим, а динамическим состоянием, когда идут процессы», при котором система материальных частиц претерпевает непрерывные и взаимопротивоположные изменения, различающиеся по скорости [9]. Даже ничтожно малая средняя статическая величина упругости диссоциации, соответствующая физическому нереальному наличию долей молекулы кислорода в некотором объеме оказывается поэтому мыслимой, хотя и не может играть какую-либо роль в процессе восстановления. В случае предположения диссоциации кислород не может быть обнаружен в газовой фазе. Между тем, при этих условиях FeO может восстанавливаться, отдавая кислород.
Таким образом, скорость восстановления не находится в прямой зависимости от упругости диссоциации и не определяется ею. Следовательно, упругость диссоциации нельзя считать первичным процессом восстановления оксидов, вслед за которым происходит соединение кислорода с восстановителем. Диссоциация оксида не является обязательной стадией восстановления процесса.
Чуфаров Г.И. разработал механизм восстановления, по которому соединение восстановителя с кислородом происходит не в газовой фазе, а на поверхности или внутри твердого куска [10]. Механизм разделяется на три стадии:
1) адсорбция газа-восстановителя на поверхности оксида, то есть в решетке восстанавливаемого вещества;
2) поверхностная реакция внутри решетки адсорбированных молекул восстановителя с кислородом твердой фазы, отрыв кислорода восстановителем у оксида;
3) десорбция газообразных продуктов реакции.
По адсорбционной теории, в реакцию вступают молекулы, которые взаимодействуют с поверхностью закиси железа, а не те, которые ударяются о поверхность восстанавливаемого вещества:
Начальное и конечное состояние процесса по этой схеме не отличается от двухстадийной теории. Обе схемы отражают термодинамику восстановления, но существо процесса представляется ими по-разному. Оказывается, что часто самой медленной является поверхностная реакция (вторая стадия), поэтому длительность всего процесса восстановления определяется длительностью борьбы восстановителя за кислород, находящийся в кристаллической решетке закиси железа.
Металлическое железо и его закись имеют кристаллические тела, частицы которых располагаются закономерно, образуя пространственную решетку, от которой зависит форма кристаллов самого вещества. Существует несколько систем решеток, в основе каждой лежит элементарная ячейка, последовательно и многократно повторяющаяся во всех направлениях. Закись железа имеет ионную кубическую решетку, характерную для хлористого натрия, а металлическое железо имеет решетку в виде пространственно-центрированного куба [10] .
В реакции катализ осуществляется межфазной поверхностью FeO/Fe, на которой происходит активированная адсорбция окиси углерода. Для простоты можно считать, что в реакционной зоне газовая фаза содержит очень малые количества СО2.
При восстановлении FeO оксидом углерода молекулы СО, адсорбируясь на реакционной поверхности, подвергаются деформации с ослаблением связей между С и О. Находясь у межфазной границы, активированная молекула СО непрерывно изменяет свое состояние, как бы поворачиваясь различными сторонами (то углеродной, то кислородной) к поверхности решетки Fe и противолежащей ей решетки FeO; при этом меняются и валентные состояния. В реакции восстановления молекула СО, реагируя с FeO, должна образовать молекулу СО2, имеющую ядерными расстояниями по 1,15 A . Следовательно, наиболее благоприятными для реакции будут такие ситуации, когда молекула СО обращена к решетке FeO углеродной стороной с двумя свободными валентностями у атома углерода и когда силовое поле этих валентностей способно преодолеть связи атома (иона) кислорода с решеткой FeO. Объем закисной фазы Fe-?:
64 атома дают при окислении 16,88 элементарных ячеек FeO с числом дырок 0,208 в среднем на 1 ячейку. Отсюда объем закисной фазы:
Таким образом, переход Fe в закись сопровождается увеличением объема вещества в 1,7 раза.
В исследованиях [11] кинетические признаки прохождения процесса через закисную ступень наблюдались при температурах ниже 570оС. Предпосылками появления этих признаков были: перевод процесса в кинетическую область и применение высокодисперсных рудных препаратов.
Суммарная (наблюдаемая) скорость восстановления [1]:
где k1 , k2 - константы скорости прямой и обратной реакций;
Рсо, Рсо2 - парциальные давления СО и СО2 .
Из адсорбционных закономерностей вытекает влияние температуры на порядок реакции. Коэффициент адсорбции зависит экспоненциально от температуры:
(1.17)где Q – энергия адсорбции.
При постоянном давлении P=const уравнение:
где ?Nco – разность концентраций, 
K – константа равновесия
Химическая реакция сопровождается диффузией восстановившихся газов внутрь железорудного тела и газообразных продуктов. Если поперечник, по которому, в основном, осуществляется диффузионный транспорт газов велик, по сравнению с длинной свободного пробега молекул, то для учета внутренней диффузии в условиях стационарного режима процесса можно пользоваться одним коэффициентом диффузии, характеризующим скорость взаимного проникновения двух газов в их смеси СО – СО2.
Для распределения восстановительного газа в объеме сферического куска руды получаем уравнение:
(1.19)Распределение газообразных продуктов характеризуется дополненным ?N до единицы.
(1.20)где ? – безразмерный параметр, связанный с достигнутой степенью прямого восстановления руды, 
? – (в долях единицы) соотношение;
? – время потраченное для достижения заданной степени восстановления, с;
q – количество восстановленного газа, необходимое для полного восстановления 1 см2 исходного вещества, моль/см3;
?N* - величина ?N в ядре газового потока;
а – удельная поверхность пор в исходной руде (см2/см3);
D11B и D12В – эффективные коэффициенты диффузии газов через поры руды (моль/см·см).
Re – критерий Рейнольдса;
f – численный множитель, введенный для более точного учета внешней диффузии;
S – безразмерный параметр, являющийся критерием подобия процессов, определяется по формуле
(1.21)R – радиус сферического куска,
Между параметрами этих решеток существуют простые кратные соотношения.
С повышением температуры количество активных частиц газа-восстановителя, энергия которых превышает определенный уровень, в частности энергию активации реакций восстановления закиси железа, экспоненциально растет, но зависит от состояния твердой фазы, подвергающейся восстановлению. На скорость реакции восстановления оказывает большое влияние состояние железа, получаемое в процессе восстановлен, от которого зависит количество активных центров реакции.
Кроме того, с повышением температуры и укрупнением кристалликов железа уменьшается микропористость вещества, что экспериментально установлено[11]. Сильное уменьшение микропористости продуктов восстановления начинается с 550оС, а суммарный объем микропор при 800оСпримерно в 15 раз меньше, чем при 450оС, причем мелкие поры с нагревом исчезают. В условиях доменного процесса скорость восстановления железа возрастает с повышением температуры, поэтому степень развития реакции непрямого восстановления зависит не только от размера области этой реакции, но и распределения температур в ней. Так, при работе на обогащенном дутье и понижении температур на колошнике и в шахте печи приводит к значительному возрастанию коэффициента прямого восстановления rd.
Таким образом, процесс восстановления железа из вюстита может протекать с большой скоростью даже при температуре 400-600оС, т.е в условиях, при которых термическая диссоциация закиси сама по себе без участия восстановителей может совершаться столь медленно и в столь малой степени, что не может быть замеченной и определять собой скорость восстановления железа оксидом угдерода.
Рассмотрим закономерность процесса восстановления FeO в доменной печи, представленную на рисунке 1.1. При исходном положении в точке 1, необходимо, прежде всего, максимально повысить время контакта ?к за счет снижения выхода газа-восстановителя, то есть базового расхода кокса и достигнуть точки 2 можно за максимального сокращения расхода углерода теплоносителя и вдувания ПУТ из углей с высоким содержанием углерода. Вдувание ПГ и мазута здесь малоэффективно. Если принять исходным положение точки 3, где идет работа с дефицитом газа–восстановителя, то здесь целесообразно вдувать ПГ, мазут и ПУТ из газовых углей, обеспечивающих повышение выхода газа-восстановителя, снижение ?к и расхода кокса.
Очевидно, что степень достижения равновесия газом-восстановителем для реакции косвенного восстановления оксида железа в значительной мере определяется выходом газа-восстановителя. Однако выход газа-восстановителя является лишь частным показателем, определяющим ход реакций восстановления вюстита оксидом углерода и водородом, наравне с такими показателями, как высота зоны замедленного теплообмена, интенсивность плавки, давление газов в рабочем пространстве печи, доля кокса в шихте, доля оксидов железа в агломерате и др.
Обобщающим эти и другие частные показатели является универсальный показатель – время контакта газа-восстановителя с оксидами железа в зоне замедленного теплообмена доменной печи (в дальнейшем этот термин будем называть время контакта, ?к).
Наравне с этим показателем равное влияние на ход восстановительного процесса могут оказывать температура газа и шихты, восстановимость оксидов железа. Анализ работ по исследованию теплообмена и температурного режима в шахте печи показывает, что происшедшие за последние 20 лет изменения технологического режима не вызвали существенного изменения уровня температур в шахте доменной печи.
Таким образом, время контакта газов-восстановителей с окислами железа наиболее полно отражает влияние технологических условий на развитие восстановительных процессов в шахте печи, степень использования газов и степень прямого восстановления оксида железа.
Время контакта в секундах рассчитывали по уравнению:
где ?п – время пребывания газов в печи, с;
К? – коэффициент, равный отношению высоты зоны замедленного теплообмена к общей высоте слоя шихты;
К?? – коэффициент, численно равный объемной доле агломерата и других железорудных материалов в шихте;
К??? – коэффициент, численно равный объемной доле окислов железа в объеме железорудной части шихты.
Расчет времени контакта был для доменной печи № 1 ДМЗ. Из рисунка 1.1 видно, что величина времени контакта в рассмотренных технологических условиях возросла в 5 раз. Одним из основных факторов, определивших это изменение, было снижение выхода газов-восстановителей на единицу шихты. Наравне с этим увеличение времени контакта определено увеличением времени пребывания газа в печи и доли агломерата в шихте.
Увеличение ?к до 0,7 с сопровождалось увеличением относительной степени использования газа для реакции восстановления оксида железа оксидом углерода (?со) от 0,3 до 0,7-0,9. За единицу принято равновесное содержание СО2 в горновом газе. Дальнейшее увеличение ?к не вызывает существенного изменения степени использования газа. По-видимому, при избытке газа-восстановителя, равном 0,8-0,9 и величине времени контакта ?к =0,7 с фактический состав газа в шахте печи приближается к равновесному для реакции косвенного восстановления оксида железа.
Особенности влияния разных видов топлива на время контакта ?к дают возможность рассмотреть вопрос об оптимальном виде топлива в зависимости от базовых технологических условий плавки.
В указанных технологических условиях наиболее целесообразно применение природного газа, мазута или угля с высоким содержанием летучих. Эти виды топлива обеспечат снижение как суммарного расхода топлива, так и замену углерода кокса углеродом топлива. При этом высота резервной зоны восстановления в шахте печи сократится до минимума за счет увеличения выхода газов-восстановителей, величина ?к при этом уменьшится до критического уровня при сохранении предельной степени использования газов. Эффективное повышение расхода дополнительного топлива определит соответственное снижение расхода кокса.
Эффективность введения в горн дополнительного топлива при прочих равных условиях определяется двумя факторами:
? - тепловым эффектом реакции газификации топлива;
? - эффективностью использования получаемого восстановительного газа.
В связи с этим рассмотрим реакции газификации в фурменной зоне С и СН4
Количество тепла на единицу получаемого восстановительного газа по реакции 2.2 в 3 раз ниже, чем по реакции 2.1.
Преимущество реакции 2.1 определяется тем, что при окислении единицы СПУТ и СК в фурменной зоне выделяются практически равные количества тепла и восстановительного газа, т.е. с точки зрения тепловой и восстановительной работы замена СК на СПУТ не регламентирована. Следовательно, теоретически при вдувании в горн ПУТ можно заменить 100 % кокса, расходуемого как на восстановительную, так и тепловую работу; ресурс же CH4 – только кокс, расходуемый как восстановитель.
Значительный выход восстановительного газа при газификации CH4 наравне с достоинствами имеет и недостаток, определяемый условиями и возможностью эффективного использования его восстановительного потенциала.
Известно, что минимальное значение величины степени прямого восстановления FeO достигается, как правило, при выходе восстановительных газов, равном 750-800 м3/т чугуна, что объясняется наиболее благоприятными кинетическими условиями взаимодействия СО и FeO [5]. Оптимальные время взаимодействия реагентов и количество газа восстановителя обеспечивают в данном случае минимизацию величины показателя rd и, соответственно, расхода кокса. При этом наиболее динамичным и определяющим фактором, характеризующим процесс, является выход восстановительных газов на 1 т чугуна. При выходе газа восстановителя выше оптимума недопустимо его увеличение, поскольку в этом случае ухудшается степень использования всей массы восстановительного газа и соответственно, ухудшаются величины rd и расхода кокса; в случае выхода восстановительных газов менее оптимального, значения rd увеличивается из-за недостатка газа-восстановителя: в этом случае увеличение его выхода целесообразно до оптимального значения.
Указанное обстоятельство объясняет особенности применения в доменной плавке «С» и «СН4».
При вдувании «С» минимальная величина суммарного коэффициента замены кокса ПУТ (?Кз), при котором сохраняются на базовом уровне основные технологические параметры плавки, т.е. обеспечивается полная и комплексная компенсация, (газопроницаемость, теоретическая температура горения и др.) равна 1: теоретически в этом случае повышение расхода вдуваемого «С» не регламентировано, т.к. не сопровождается снижением величины коэффициента замены [5].
При использовании СН4, ввиду низкого теплового эффекта и большого выхода газа-восстановителя, величина ?Кз равна 3-5 единицам: поэтому использование СН4 в качестве дополнительного топлива при высоком выходе газа-восстановителя может быть эффективно лишь при соответствующей компенсации.
В качестве компенсирующих могут быть использованы мероприятия, обеспечивающие снижение расхода кокса и выхода восстановительных газов на 1 т чугуна.
В технологических условиях ряда доменных печей Украины наиболее эффективным компенсирующим мероприятием может быть сокращение или вывод из состава шихты сырого известняка:
Реакции разложения карбонатов и восстановления оксида железа газообразным восстановителем проходят примерно при равных температурах: 700-1000 оС.
Поэтому сокращение или вывод сырого известняка из шихты будет способствовать повышению эффективности использования восстановительной энергии газа благодаря снижению выхода окислителя (СО2) и общего выхода и температуры восстановительных газов, определяемых ограничением развития эндотермических реакций 2.3 и 2.4, снижением выхода шлака и, соответственно, расхода кокса.
Аналогично повышению ?Кз будут способствовать снижение выхода шлака, повышение температуры дутья, улучшение прочности и фракционного состава железорудной шихты и другие мероприятия.
Обогащение дутья кислородом не может быть отнесено к факторам, способствующим повышению ?Кз и снижению выхода восстановительных газов на 1 т чугуна, поскольку при прочих равных условиях определяет снижение прихода тепла с дутьем, соответственные перерасход кокса и повышение выхода восстановительных газов.
Изложенные соображения подтверждаются промышленным опытом последних лет: при низком расходе углерода теплоносителя и оптимальном выходе восстановительных газов – 793 м3/т чугуна – вдувание на 1 т чугуна 133 м3 ПГ, не препятствовало сохранению высоких показателей использования химической и физической энергии газа (?со=48,6%; tкол.газа = 112 оС) и получению отличных технико-экономических показателей (ТЭП) плавки: удельного расхода кокса (Qк) 358 кг/т, удельной производительности (Пуд) 2,63 т/м3 сутки, rd=0,34. Снижение выхода газа-восстановителя ниже оптимальной величины (VВГ 672 и 516 м3/т чугуна) способствовало значительному приросту величины показателя rd: 0,41 и 0,58 и, очевидно, соответственному перерасходу кокса на 1 т чугуна [12].
Оптимальная доля окатышей в шихте близка к 40-50 %, обеспечивающих высокую производительность, низкое содержание серы в чугуне, однако, одновременно и существенный рост условного топлива (? 90,5 кг/т), определяемых высокой стоимостью окатышей (таблица 4.1).
Наиболее эффективно повышать долю окатышей в шихте за счет окатышей ЛебГОК: повышение расхода последних до 149 кг/т чугуна определяет за счет их высоких качества и содержания железа возможность существенно улучшить ТЭП, в т.ч. и содержание серы в чугуне. В определенной мере полученный высокий эффект снижением известняка и расхода природного газа.
При работе доменной печи в режиме с относительно низким выходом восстановительных газов (978,6м3/т) в соответствии с оптимизацией времени контакта и максимального использования газа доказано и показано, что излишний расход природного газа (сравним 1-й - 110 и 3-й - 129 периоды) ухудшает технико-экономические показатели доменной плавки. Поэтому необходима корректировка расхода природного газа, что позволяет повысить теоретическую температуру горения кокса на 87оС. степень использования газа по СО - на 2%, а по Н2 - на 10%
Повышение эффективности использования природного газа в данных условиях может быть обеспечено за счет реализации мероприятий комплексной компенсации: повышения температуры дутья, снижения выхода шлака и расхода флюса и др.
С точки зрения эффективности десульфурации оптимальным является обобщенный показатель основности шлака (В) по проф. Куликову И.С. 1,30-1,35 [8]. В данном диапазоне достигается высокий уровень фактического коэффициента распределения серы при сохранении высокой (62,5-69,7 %) степени использования обессеривающей способности шлака (Е) и основных ТЭП.
Подтверждена целесообразность и эффективность повышения уровня содержания MgO в конечном шлаке на 1 % (3,25-4,25 %) позволило при прочих равных условиях повысить показатель использования обессеривающей способности шлака (Е) - до 90 %, снизить содержание серы в чугуне до 0,024 %. Эффективность повышения содержания MgO в шлаке до 6-7 % подтверждена в промышленном масштабе работой доменных печей ОАО "МК им. Ильича" в 2000-2002 гг.
Уровень нагрева горна, косвенно характеризующийся содержанием кремния в чугуне, также существенно влияет на эффективность десульфурации чугуна, а стабильное содержание серы в чугуне обеспечивается при повышении содержания кремния до 0,9-1,0 %, сохраняя высокий уровень основных ТЭП плавки.
Эффективное снижение содержания кремния в чугуне в условиях ОАО "ЕМЗ" может быть обеспеченно за счет:
- повышения содержания MgO в шлаке до 6-8 %;
- снижения основности шлака (CaO/SiO2) до 1,0-1,1;
- стабилизации и оптимизации технологического режима, прежде всего, за счет улучшения снабжения доменного цеха и аглофабрики сырьем согласно нормам технологической инструкции;
- оптимизации температурно-дутьевого режима, прежде всего, с позиции определения и поддержания уровня теоретической температуры горения и протяженности фурменных зон.
Для исследования рассмотрен период работы ДП № 4 с 1.01.2000 г. по 30.03.01 г.: всего 1033 опытов.. В ходе исследования расход ПГ изменялся от 0 до 180 м3/т чугуна, кислорода - от 21 до 29 % (от 0 - 200 м3/т чугуна), расход кокса на 1 т чугуна - от 400 до 720 кг/т чугуна, производительность - от 310 до 820 т/смену. Особенностями периода являются - относительно низкое и нестабильное качество агломерата, что объясняется низкими качеством и запасами сырья на аглофабрике; поставка окатышей также характеризовалась нестабильностью как по их качеству (5 видов окатышей), так и по количеству. Свою долю в низкую стабильность технологического режима вносили изменяющиеся давление, и соответственно, расход ПГ и кислорода.
Технология доменной плавки на ОАО "ЕМЗ" характеризуется повышенными расходами известняка и выхода шлака, относительно низкими температурой дутья и давлением газа в печи, что и определило в итоге высокий выход восстановительных газов на 1 т чугуна, низкую степень использования его восстановительной энергии газа, соответственный уровень [12].
На основе материальных балансов посменных данных рассчитываются:
- выходы чугуна и шлака, удельные расходы кокса и шихтовых материалов, средние значения химических составов чугуна и шлака и т.д.;
- комплексные показатели плавки: интенсивность плавки (J), теоретическая температура горения (Tтеор), hсо, rd, приведенные затраты (ПЗ);
- выполняется приведение к равным условиям Qк и Псут;
- методами статистической обработки и пофакторного анализа данных рассчитываются технологические зависимости.
Основные результаты исследования приведены на рисунке 5.1.: а повышение расхода ПГ сопровождалось сопутствующим (компенсирующим) снижением выхода шлака при низком уровне расхода сырого известняка, что позволило повысить суммарный коэффициент замены SКз; в результате выход восстановительных газов, в основном, снижался относительно базового уровня (825 м3/т), достаточно близкого к оптимальному. В сложившихся условиях повышение расхода ПГ от 70 до 120 м3/т чугуна в сочетании с повышением содержания в дутье кислорода от 7 до 66 м3/т чугуна обеспечило снижение приведенного к равным условиям расхода кокса на " 50 кг/т при сохранении уровня производства на базовом уровне (550-570 т/смену).
На рисунке 5.1 б ситуация качественно иная: повышение содержания в дутье ПГ и О2 сопровождалось ростом расхода известняка и незначительным повышением выхода шлака, что было определено, прежде всего, изменением вида окатышей. Указанные изменения определили дальнейшее повышение базового выхода восстановительных газов, значительно превышающего оптимальный уровень и, соответственно, низкую степень использования газа.
В результате повышение расхода ПГ (от 100 до 140 м3/т) и расхода кислорода от 90 до 135 м3/т чугуна сопровождалось сохранением приведенного к равным условиям расхода кокса практически на базовом уровне и снижением производства " на 65 т/смену (" 11 %).
На рисунке 5.1 в представлены данные периода, характерного практически сохранением на базовом уровне определяющих параметров компенсации: температуры дутья, выход шлака, расходы кислорода и флюса. Повышение расхода природного газа от 85 до 115 м3/т чугуна в данных условиях сопровождалось снижением расхода кокса: Кз"1,2 кг/м3, и весьма значительным снижением уровня производительности: > 30 %.
а - 01.01-25.03.01 VВГ =740-870 м3/т 200 опытов;
б - 01.01-25.03.01 VВГ =880-1030 м3/т 446 опытов;
в - 12.03-14.04.02 VВГ = 780-850 м3/т 91 опыт.
Рисунок 5.1 - Зависимость показателей доменной плавки от расхода природного газа (ОАО "ЕМЗ", ДП № 4) [12]
Сравнивая два периода работы доменной печи с расходами природного газа: 110 и 129 м3/т чугуна (таблица 4.1). Снижение расхода природного газа при этом составит:
В год доменные печи ОАО "ЕМЗ" выплавляют:
Следовательно, чистая экономия природного газа составит:
Средняя стоимость природного газа по Украине 330-350 грн/ 1000 м3.
Следовательно, экономический эффект только от экономии природного составит:
1. Показано, что при снижении выхода восстановительных газов до 750-800 м3/т чугуна оптимальные время взаимодействия СО и FeO и количество газа восстановителя обеспечивают минимизацию величины показателя rd и, соответственно, расхода кокса, что объясняется наиболее благоприятными кинетическими условиями взаимодействия указанных реагентов. В связи с изложенным при сверхоптимальном выходе восстановительных газов эффективное повышение расхода природного газа возможно лишь при условии обеспечения высокого - >3-5 кг/м3 ПГ - суммарного коэффициента замены кокса ПГ, что обеспечит сохранение на базовом уровне или снижение выхода восстановительных газов и степени использования их восстановительного и теплового потенциала.
2. Технологические условия доменного цеха ОАО "ЕМЗ" характерны нестабильными условиями плавки, высокими расходом известняка, выходом шлака, относительно высоким расходом ПГ, соответственно, высокими расходом кокса и выходом восстановительных газов, что в итоге определило низкую степень использования восстановительного газа (hсо=38-40 %). В связи с изложенным эффективное повышение расхода ПГ свыше 80-90 м3/т чугуна в сочетании с увеличением расхода кислорода в данных условиях были достигнуты лишь при соответствующем снижении выхода шлака и расхода флюса, обуславливающих существенное повышение SКз и снижение выхода восстановительных газов. В технологических условиях, характерных высоким или возрастающим выходом горновых газов, эффективность повышения расхода ПГ свыше 90 м3/т чугуна крайне низка, а в отдельных случаях - убыточна.
3. В сложившихся технологических условиях ОАО "ЕМЗ", дальнейшее эффективное повышение расхода ПГ и кислорода необходимо сочетать с мероприятиями, обеспечивающими сохранение на базовом уровне или снижение выхода восстановительных газов на 1 т чугуна: повышение температуры дутья, снижение расхода в шихту сырого известняка, выхода шлака и т.д. Весьма эффективно сочетание повышения температуры дутья и применение ПУТ, обеспечивающими повышение эффективности использования ПГ как за счет снижения его удельного расхода, так и за счет существенного повышения коэффициента использования hсо горнового газа.
1. Некрасов З.И. Опыт применения природного газа в доменном производстве // Бюллетень ЦНИИИ ЧМ. - 1962. - №8.
2. Савчук Н.А., Курунов И.Ф. Доменное производство на рубеже ХХІ века // Новости черной металлургии за рубежом. - 2000.- Часть ІІ.- Приложение 5. - М.: ОАО Черметинформация. - 42 с.
3. Старовойт А.В. Кому в Украине жить хорошо// Металл. - 2001.- №5. - С.7-9.
4. Товаровский И.Г., Лялюк В.П. Эволюция доменной плавки: Монография. - Днiпропетровськ: Пороги, 2001.- 425 с.
5. Ярошевский С.Л. Выплавка чугуна с применением пылеугольного топлива. - М.: Металлургия, 1988. - 176 с.
6. Готлиб А.Д. Доменный процесс - К.: Гостехиздат, 1958. - 498 с.
7. Ростовцев С.Т. Теория металлургический процессов. -М.: Металлургиздат, 1956.- 485 с.
8. Байков А.А. Восстановление и окислов твердым углеродом // Собрание трудов АН СССР. - 1948. Т.II. - С.318.
9. Любан А.П. Анализ явлений доменного процесса. - М.: Металлургиздат, 1955. - 472 с.
10. Чуфаров Г.И., Татиевская Е.П. Адсорбционная теория восстановления окислов металлов // Проблемы металлургии. - М.: Издательство АН СССР, 1953. - С.223.
11. Оптимальный расход природного газа при выплавке передельного и литейного чугунов / С.Л. Ярошевский, Г.А. Панев, И.Н. Красавцев и др. - 1973. - № 1. - С.8-11.