Обогащение дутья кислородом в доменном процессе
При обогащении дутья кислородомзначительно снижается перепад давления между горном и колошником, чтопозволяет, не повышая давления газов, увеличить количество сжигаемого в единицувремени углерода. Далее, при обогащении дутья кислородом повышается температурагазов в горне, следовательно, можно выплавлять высокопроцентный ферросилиций,феррохром, шлак типа портланд-цемента или глиноземистого цемента, а такжеферромарганец на весьма основных тугоплавких шлаках с извлечением марганца до95%.
Кислородное дутье, кроме повышениятемпературы газов в горне, вызывает также повышение содержания окиси углерода вгазах горна, заплечиков, распара и шахты.
При увеличении содержания кислорода вдутье концентрация СО в горновом газе повышается от 35 (при 21% 02)до 40 (при 25% 02) и до 98% (при 96% 02). Повышениесодержания окиси углерода в смеси ее с азотом способствует возрастанию степенинепрямого восстановления.
Следовательно, кислородное дутье позволяетснизить расход тепла на прямое восстановление, если при этом будет обеспеченодостаточное количество газов и их рациональное распределение по сечениям печи.Это является положительной стороной обогащения дутья.
Далее, при уменьшении количестваколошниковых газов на единицу горючего понижается их температура. Вследствиеуменьшения и количества газов, и их температуры существенно уменьшается«количество уносимого с газами тепла. Это второй фактор экономии тепла прикислородном дутье. Наконец, увеличивается производительность при ускорениисхода шихты, что позволяет сократить тепловые потери на единицу чугуна.
Однако кислородное дутье вызывает втепловом балансе печи и неблагоприятные изменения. Прежде всего следует указатьна уменьшение прихода тепла и увеличение его расхода. Так, при сохранениипрежней температуры дутья уменьшается количество тепла, вносимого горячимдутьём, вследствие уменьшения количества дутья при том же количестве кислорода (меньшеазота, сопровождающего кислород дутья). Чем больше содержание кислорода вдутье, тем меньше количество дутья на единицу горючего (и единицу чугуна) именьше количество вносимого им тепла.
При этом возрастает температура газов иуменьшается их количество, интенсивнее становится теплопередача в нижнихгоризонтах печи, вследствие чего газы переходят в верхние горизонты значительноохлажденными. Получается перераспределение тепла и температур; в горне и нижнейчасти заплечиков сосредоточивается большое количество тепла, а в вышележащихгоризонтах приток тепла становится меньше и температура ниже. Это явлениеаналогично перераспределению температур при повышении нагрева дутья, носказывается значительно резче. При понижении температур в верхней части печиначало непрямого восстановления запаздывает, отчего степень его можетуменьшиться. Суммарная степень непрямого восстановления, возрастающая от увеличениясодержания в газе СО и уменьшающаяся от понижения температуры в шахте, может,таким образом, смотря по обстоятельствам, измениться в ту или иную сторону.
Степень непрямого восстановления к тому жепри некоторой степени обогащения дутья кислородом может уменьшиться вследствиенеровного хода, подписаний, тугих ходов и осадок. Все это может оказатьсяследствием перераспределения температур, вызывающего понижение горизонташлакообразования, отчего твердые и еще не.размягчившиеся /массы приходят в верхнюючасть заплечиков и заклиниваются, вступая в суженное их сечение. Часто приобогащении дутья до 22—24% 02 ход печи еще не расстраивается; нодутье, содержащее около 30% кислорода, уже иногда может вызвать расстройства,следствием которых окажется повышение прямого восстановления железа.
Действительное влияние обогащения дутьякислородом на расход горючего, таким образом, зависит в каждом конкретномслучае от сочетания всех рассмотренных факторов. При одних сочетаниях имеетместо снижение расхода кокса, причем это снижение может быть самымразнообразным; но при некоторых сочетаниях условий может оказаться, что расходкокса возрастает.
А. Н. Рамм произвел ряд расчетов и обобщилполученные результаты в системе диаграмм, представленных на рис. 1.
/>
Рис. 1.Зависимость расхода кокса отконцентрации кислорода в дутье при разной степени прямого восстановления и разныхтемператур дутья (tд)
Шесть диаграмм относятся к шести разнымтемпературам дутья (от 0 до 1000° С через каждые 200°), (причем «кривые на нихпоказывают относительный расход кокса в зависимости от содержания кислорода вдутье в пределах от 21 до 40%. Для каждой температуры дутья дано шесть кривых,из которых верхние три рассчитаны при rd=1, а нижние — при rd= 0; каждые три линии одной группы различаются по температуре колошниковыхгазов (0, 200, 400° С). При этом крайние условия нереальны: не бываеттемператур дутья или колошника 0° С, не бывает rdравным или 1, ни 0 и т. д.; но по этим расчетным величинам можно находитьинтерполяцией промежуточные реальные значения.
При рассмотрении диаграмм выявляютсязакономерности, находящиеся в соответствии с теорией и практикой.
Из рис. 1 видно, что наиболее резко повышениесодержания кислорода в дутье сказывается на снижении расхода кокса, когда при rd — 1 нагрев дутья 0° С, атемпература колошника максимальна, т. е. 400° С. Эффект потому значителен, чтоприход тепла не уменьшается от сокращения объема дутья (tд= 0) при переходеот обычного к кислородному дутью. Кроме того, получается значительная экономиятепла от уменьшения количества колошниковых газов, так как температура газоввысокая.
При более высоком нагреве дутья, болеенизкой температуре колошника и переходе к rд= 0 эффект обогащения дутья становится меньшим, так как отрицательная рольуказанных факторов выявляется резче. При известных сочетаниях всех факторовэкономия горючего приближается к нулю и даже становится отрицательной: расходкокса не снижается, а возрастает.
Разница влияния обогащения дутьякислородом при степени развития прямого восстановления, равной 1 и 0,объясняется тем, что в первом случае, ввиду большой теплопотребности,абсолютные значения расхода кокса очень велики, а во втором — соответственнонизки. Как и при нагреве дутья, эффект обогащения дутья кислородом тем резче,чем менее экономично в тепловом отношении (т. е. более высоким расходом кокса)работала печь до обогащения дутья.
Поэтому закономерность, согласно которойэффект нагрева дутья тем выше, чем ниже тепловой к. п. д. доменной печи,полностью подтверждается также и применительно к обогащению дутья кислородом.
Первоначально эту закономерность обнаружилОкерман («чем совершеннее расходуется теплота горючего материала внутридоменной печи, тем больше будет экономия в горючем от введения горячего дутья»)лишь применительно к горячему дутью, причем Окерман дал только качественнуюоценку явления без количественной его интерпретации. Позднее М. А. Павловобобщил эту закономерность для ряда явлений доменного процесса, в том числе идля влияния обогащения дутья на расход кокса. Он писал: «Всякая причина,уменьшающая расход тепла в доменной плавке, дает тем большее сбережениегорючего, чем меньше был коэффициент полезного действия тепла в доменной печи».Указанная закономерность названа М. А. Павловым принципом Окермана, но в нашейлитературе она справедливо названа принципом Павлова или принципом Павлова —Окермана. Нетрудно видеть, что закономерности, отраженные рис. 1, вытекают изтого же принципа, примененного к решению вопроса о влиянии обогащения дутья нарасход кокса: чем ниже нагрев дутья, выше температура колошника, выше степеньпрямого восстановления, тем больше тепла расходует печь. При этом выше расходкокса, ниже тепловой к. п. д. и резче влияние обогащения дутья на расход кокса.Наоборот, (при rd= 0,tд > 1000°С и tГ =0° С, когда тепловой к. п. д. печи максимален, при увеличении содержаниякислорода в дутье получится не снижение, а возрастание рас хода кокса.
Из сказанного следует, что особенноэффективно обогащение дутья кислородом при производстве ферросплавов, когдапотребность большого количества тепла на восстановление трудновоостановимыхэлементов (кремния, марганца и хрома) и на расплавление ферросплава (феррохром)вызывает больший расход горючего, а это обусловливает высокую температуру большогоколичества колошниковых газов. При этом тепловой к. п. д. печи весьма низок(велики потери в колошник и наружу; последнее от пониженной производительностипечи), а влияние обогащения дутья кислородом на расход кокса особенно заметно,несмотря на высокий нагрев дутья. Так, на дутье, содержавшем кислорода 32%,печь № 2 ДЗМО объемом 218 м3, выплавлявшая до войны ферросилиций,имела расход кокса 1,67 при нагреве дутья 725° С и температуре колошника 330°С. На той же печи при атмосферном дутье выплавлялся ферросилиций с расходомкокса 2,43 при таком же нагреве дутья и температуре колошниковых газов 543° С.Производительность печи при обычном дутье составляла 89 т в сутки, а при кислородном 218. Привыплавке ферромарганца в печи Гутегофнунгсгютте (объемом 50 м3)вдувался воздух с 30% кислорода, причем расход кокса составлял 1,749 при температуреколошника 418° С против расхода кокса 2,19 и температуры колошника 635° С приатмосферном дутье .
Исследования плавки ферросилиция иферромарганца в послевоенные годы и в настоящее время полностью подтвердилиэффективность применения кислорода в этих случаях. Так, обнаружено, что привыплавке ферросилиция каждый 1 % кислорода в дутье (при увеличении егосодержания до 25%) дает увеличение производительности на 4—4,5% и снижениерасхода кокса на 0,9—1,5% (причем степень прямого восстановления уменьшается на7—13%). При выплавке ферромарганца (в дутье 30,4% 02)производительность печи повысилась на 93% и расход кокса снизился на 16%.
Опубликованные данные о применениикислородного дутья при производстве передельных и литейных чугунов иногдасвидетельствуют о небольшом эффекте от внедрения этого мероприятия, а иногдаговорят о нарушениях ровного хода, являющихся следствием перераспределениятемператур по высоте печи. Это перераспределение объясняется теми же причинами,что и при повышении нагрева дутья: уменьшением количества газов, приходящихсяна единицу продуктов плавки; повышением температур этих газов и усиленной всвязи с этим теплопередачей от газов продуктам плавки в нижней части печи;возгонкой SiO и другими причинами. Прикислородном дутье эти факторы играют еще большую роль, чем при высоконагретом .
Отсюда видно, почему кислородное дутьеэффективнее при выплавке ферросплавов, чем при передельных и литейных чугунах.При ферросплавах не только обеспечивается рациональное использование высокихтемператур и концентрации тепла для восстановления кремния, расплавленияосновного шлака или тугоплавкого металла, но обеспечивается и большая экономиягорючего и более рациональное распределение тепла по высоте печи.
Иное положение при выплавке обычныхчугунов. Шахта при атмосферном дутье получает нормальное, необходимое дляпротекающих в ней процессов количество тепла, о чем свидетельствуетсравнительно невысокая (200—300° С) температура колошниковых газов. С другойстороны, горн и заплечики при соответствующих расходе кокса и нагреве дутьяполучают именно столько тепла, сколько необходимо для происходящих здесьпроцессов, о чем свидетельствует невысокое содержание кремния в чугуне.Перераспределения тепла в этом случае в сторону сосредоточения его в горне ссоответствующим уменьшением притока его в шахте не требуется. Это тольковызовет чрезмерное восстановление кремния и недостаточный нагрев материалов вшахте, запоздалое и недостаточное восстановление железа газами, запоздалое шлакообразованиеи т. д. Все это вызовет расстройство опускания шихты. Вот почему повышениесодержания кислорода в дутье при выплавке передельных и литейных чугунов можетдать эффект только вследствие уменьшения противодавления, открывающеговозможность форсирования печи сжиганием увеличенного количества углерода вединицу времени. Однако связанное с этой мерой расстройство хода часто ограничиваетвозможность обогащения дутья, например только до 22—26%кислорода.
В связи с этим возник ряд предложений,имеющих целью облегчить использование обогащенного кислородом дутья привыплавке чугунов обычных марок. К числу этих предложений относятся: строительствонизкошахтных печей на кислородном дутье; увлажнение дутья; существенноеизменение очертаний профиля печей; ввод в горн рудной пыли или добавление вшихту трудновосстановимых компонентов для использования избытка тепла в нижнихчастях печи; уменьшение тепловой нагрузки шахты подачей в печь материалов,освобожденных от летучих, например обожженных сидеритов или лимонитовых руд,офлюсованного и горячего агломерата и т. п. .
Между прочим, важность тепловой«разгрузки» шахты подтверждается опытом, проведенным в ФРГ при использованииобожженных руд вместо сырых лимонитов и сидеритов в доменной печи, работавшейна обычном и кислородном дутье. Необожженные руды, разлагаясь, поглощализначительную часть тепла в шахте, что снижало температуру колошника при обычномдутье. При обогащении дутья кислородом расход кокса не снижался из-за неровногохода. Положение значительно улучшилось при вводе тех же руд в обожженномсостоянии: температура колошниковых газов при обычном дутье повышалась, чтосвидетельствовало об избытке тепла в шахте, а это давало возможность болееэффективно, чем прежде, использовать кислородное дутье. Ход печи на обогащенномдутье оказывался теперь ровным, получалась экономия кокса, а производительностьпечи возрастала не только от форсировки, но и от снижения относительногорасхода кокса.
В связи с этим считают, что температураколошниковых газов является показателем возможности и целесообразностиприменения обогащенного кислородом дутья. Последнее приносит пользу только втом случае, если температура колошника до повышения кислорода в дутье былаповышенная, и бесполезно при температуре колошника 150—200° С.
Возможно такое соображение в защитуобогащения дутья кислородом при невысокой температуре колошника: хотя расходкокса и не может быть снижен, но ведь можно значительно форсировать ход печивследствие уменьшения перепада давления. Однако эта возможность не реальна, таккак одно увеличение производительности без снижения расхода кокса не окупает затрат,и себестоимость чугуна возрастает.
Нужно учесть, что при обогащении дутьякислородом недопустимо понижение температуры дутья, так как это означало бы ещедальнейшее уменьшение прихода тепла. Необходимость сохранить (или лучше повысить)нагрев дутья нужно особо подчеркнуть, так как были предложения вовсе исключитьнагрев обогащенного кислородом дутья с целью понижения температуры газов вгорне (опытная доменная печь Чернореченского завода, работавшая на кислородномдутье, не имела воздухонагревателей). Как видно из сказанного, это недопустимо— неизбежен весьма высокий расход горючего.
Проблемой кислородного дутья для доменныхпечей у нас занимаются с начала тридцатых годов. Однако широкогопроизводственного применения кислородное дутье не получило как вследствиенедостатка кислородных установок и дороговизны кислорода, так и вследствиетрудностей связанных с эксплуатацией печей, работающих на кислородном дутье.Только в последнее время, в связи с применением природного и коксового газа, атакже жидкого топлива в доменном производстве, проблема использования кислородаприобрела большое значение.
Список использованной литературы
1.А.Д.Готлиб «Доменный процесс», издательство «Металлургия» 1966г.