Зміст
Вступ
1. Літературний огляд
1.1 Технологія доменної плавки іззастосуванням пиловугільногопалива
1.2 Зміна рівня використаннявідновлюваної енергії горнових газів і ступеня прямого відновлення оксидузаліза
1.3 Норми компенсації при вдуваннів сурму пиловугільногопалива
1.4 Особливості теплового режимудоменної печі при вдуванні в сурму додаткового палива
1.5 Зміна окислювальної здатностіфурмених зон
1.6 Особливості процесудесульфурації чавуну
1.7 Регулювання теплового режимудоменної плавки за допомогою ПВП
1.8 Технологія доменної плавки привдуванні ПВП
2. Методика виконання технологічнихрозрахунків
3. Графічний аналіз використанняПВП на основні технологічні показники доменної плавки
Висновки
Вступ
Заекономічних умов, які склалися сьогодні в Україні, необхідна модернізаціяоднієї з бюджетоутворюючих галузей господарства — металургії. Особливої увагизаслуговує оптимізація доменного процесу, яка викликана дефіцитом сировини дляотримання достатньої кількості коксу, великою ціною існуючих інших замінників.
Вважаєтьсядоцільним, для інтенсифікації доменного процесу, використання пиловугільногопалива (ПВП) як часткова заміну коксу.
Максимальнезниження витрати коксу спостерігається при застосуванні вугілля з максимальнимзмістом вуглецю і мінімальним змістом золи (рис.1).
Так,в США обробка результатів експериментів, проведених на промисловій печі,дозволила отримати залежність коефіцієнта заміни коксу К3від зольностівживаного вугілля (1):
K3=1,48-0,66(Аy/Ak)(1)
деАy і Akзольність ПВП і коксу.
1.Літературний огляд
1.1Технологія доменної плавки із застосуванням пиловугільногопалива
Затяжнийперіод промислового освоєння технології доменної плавки із застосуваннямпилевугільного палива можна пояснити необхідністю розробки складного ікоштовного устаткування для обробки і вдування палива. Отже, в цьому випадкунеобхідна теоретична температура горіння визначається зміною тепловмісту шихти,що поступає в нижню зону теплообміну, яка визначається зміною ступеню прямоговідновлення окислу заліза. Рівняння (1.1.1) можна виразити з урахуваннямступеня прямого відновлення:
Привдуванні в горн пиловугільногопалива, близького по хімічному складу до коксу, рівень необхідних теоретичнихтемператур визначається зміною ступеню прямого відновлення оксиду заліза. Заінших рівних умов зниження ступеня на 1% визначає зниження необхідноїтеоретичної температури горіння на 15-25°С. При вдуванні худого вугіллянеобхідна температура горіння знижується на 20°С на кожних 100кг пилевугільногопалива, введеного на 1т чавуну. Відносно малий темп зміни необхідноїтеоретичної температури пояснюється значним скороченням витрат природного газу,розрахованим виходячи з умови збереження на початковому рівні приходу водню наодиницю шихти, зниженням витрати дуття і виходу горнових газів на одиницючавуну внаслідок приходу з летючими вугілля кисню, яке заміняє частину воднюдуття.
Зниженнятеоретичної температури при вдуванні довгополум¢яноговугілля менше, ніж при вдуванні худого вугілля або антрацитів, що пояснюєтьсяпідвищеним виходом летючих і великим скороченням витрати природного газу. Засприятливих умов плавки (зниження rd,на 2-4% на кожних 100кг вугільного пилу на 1т чавуну) необхідна і теоретичнатемператури горіння трохи розрізняються. Таким чином, як і при вдуванніприродного газу, вдування в фурму пиловугільногопалива супроводжується зниженням необхідної теоретичної температури, причомутим більш значним, ніж значніше зниження ступеняrd. Ця обставина визначаєнаявність мінімальної різниці між теоретичною і необхідною температурамигоріння. Отже, при вдуванні вугілля з високим вмістом вуглецю додатковакомпенсація впливу палива не є обов'язковою або може бути мінімальною.
Привдуванні пиловугільного палива повна і надмірна компенсація впливу добавки, щоохолоджує, за рахунок зміни температурно-дуттєвого режиму так само ефективна іекономічна, як і при вдуванні інших палив.
Підвищеннятеоретичної температури горіння, в першу чергу за рахунок підвищеннятемператури дуття і скорочення його вологості, сприятиме внесенню до горну додатковогофізичного тепла, поліпшенню умов нагріву шихти, використанню відновної енергіїгазу і, кінець кінцем, підвищенню ефективності застосування пиловугільногопалива.
Витратаприродного газу є основним параметром, скорочуючи який можна забезпечити необхіднийрівень теоретичної температури горіння при вдуванні в горн значної кількості пиловугільногопалива.
Уконкретних технологічних умовах необхідний рівень теоретичних температургоріння визначається, перш за все, виходом горнових газів і ступенем завершеностітеплообміну на межі проміжної і нижньої зон теплообміну.
Збагаченнядуття киснем визначає значне скорочення виходу фурмових газів і підвищеннятеоретичної температури.
Можназробити висновок про те, що збереження або поліпшення основних технологічнихумов плавки при застосуванні комбінованого дуття може бути забезпечене за умовизбереження або зменшення загального на 1 т чавуну виходу горнових газів ізбереження або підвищення теоретичної температури горіння.
1.2Зміна рівня використання відновлюваної енергії горнових газів і ступеня прямоговідновлення оксиду заліза
Розвитокреакцій відновлення вюстіта оксидом вуглецю і воднем визначає ступіньвикористання відновної енергії газів і розвитку відновних процесів в шахтіпечі, величину коефіцієнта прямого відновлення оксиду заліза, що, кінецькінцем, визначає і ефективність процесу відновлення — відносні витрати тепла,відновного газу і коксу.
Вирішальнийвплив на зміну ступеню використання відновної здатності газів надає зниженнявиходу газів-відновників .
Згідноданим Череповецького металургійного комбінату і Донецького металургійногокомбінату при скороченні виходу газів-відновників від 1350 до 750-800 м3/тчавуну відмічено зниження rd,від 0,4-0,5 до 0,3-0,4. При цьому ступінь використання оксиду вуглецю в печіпідвищується від 0,25-0,30 до 0,37-0,40. При подальшому зниженні виходугазів-відновників наголошується збільшення rdдо 0,40-0,45, що можна пояснити недостатньою кількістю газів-відновників дляпроходження реакції відновлення вюстіта
Протевихід газу-відновника є лише одним з показників, що визначає хід реакційвідновлення вюстіта оксидом вуглецю і воднем, нарівні з такими як висота зонисповільненого теплообміну, інтенсивність плавки, тиск газів в робочому просторіпечі, частка коксу в шихті, частка оксидів заліза в агломераті та ін.
Мірою,що узагальнює ці та інші показники є час контакту газу-відновника з оксидамизаліза в зоні сповільненого теплообміну доменної печі.
Часконтакту газів-відновників з оксидами заліза найповніше відображає впливтехнологічних умов на розвиток відновних процесів в шахті печі, ступіньвикористання газів і ступінь непрямого відновлення оксиду заліза.Однимз основних наслідків, що визначила ця зміна є зниження виходу газів-відновниківна одиницю шихти, що виразилося в зниженні надлишку газу-відновника для реакціївідновлення вюстіта оксидом вуглецю і воднем з 1,3- 1,5 до 0,7-0,8.
Збільшенняτ до 0,7ссупроводжується збільшенням відносного ступенявикористання газу для реакції відновлення оксиду заліза оксидом вуглецю від 0,3до 0,7-0,9. За одиницю приймаєм рівноважний вміст СО2 в горновому газі.Подальше збільшення τ не викликає істотної зміни ступеню використаннягазу. Мабуть, при надлишку газу-відновника, рівному 0,8-0,9 і величині часуконтакту τ = 0,7сфактичнийсклад газу в шахті печі наближається до рівноважного для реакції непрямоговідновлення оксиду заліза.
Тількивдування високо вуглецевого пиловугільного палива супроводжується збільшеннямчасу контакту τ завдяки збереженню або зниженню виходу фурмових газів ізначному зниженню витрати коксу.
1.3Норми компенсації при вдуванні в фурму пиловугільногопалива
Длякожного виду додаткового палива може бути визначений номінальний рівеньсумарного коефіцієнта заміни ΣK3,при якому в міру збільшення витрати палива не відбувається збільшення виходуфурмових газів, зниження теоретичної температури горіння і відповідногопогіршення технологічних умов плавки.
Привеличині K3>1,0-1,2вдування пиловугільного палива поліпшує комплекс технологічних умов плавки, щовизначають розмір збільшення витрати палива на зростання продуктивності,підвищення ступеня використання відновної енергії сурмових газів, скороченнячасу згоряння додаткового палива при підвищенні рівня необхідних теоретичнихтемператур горіння. Теоретично при величині К3= 1,0-1,2 і більше при збільшеннівитрати палива не відбувається негативних змін в стані технологічного режиму,які обмежували б ефективність застосування пиловугільногопалива і величину його оптимальної витрати.
Разомз підвищенням температури дуття і зниженням його вологості компенсуючимизаходами можуть бути вивід з шихти вапняку, зниження виходу шлаку, частковаметалізація шихти.
Розрахунковимшляхом і промисловими експериментами було встановлено, що при зниженнізольності пиловугільногопалива до 70-80 % від зольності вживаного коксу величина К може наближатися абоперевищувати номінальний рівень, що забезпечує збереження або поліпшеннятехнологічних умов і величини К при збільшенні витрати палива.
Розрахункипоказали, що при будь-якому початковому вмісті кисню в дутті,використанні природного газу і коксу, вдування нізкозольногопиловугільногопалива при деякому зниженні витрати природного газу (на 0,1-0,3 м3/кг) можезабезпечити отримання технологічних режимів, що відповідають основним вимогампо виходу сурмових газів і рівню теоретичних температур горіння.
1.4Особливості теплового режиму доменної печі при вдуванні в сурму додатковогопалива
Вдуванняу фурму природного газу, в меншій мірі пиловугільного палива, супроводжуєтьсяінтенсифікацією процесу непрямого відновлення оксиду заліза (rd),а також зниженням окислювального потенціалу фурменихзон, слідством чого є зменшення численія елементів чавуну, в першу чергузаліза.
Врезультаті вказаних змін відбувається істотнє зменьшення приходу у фурму оксидузаліза, відновлення якого йде прямим шляхом, тобто із значним споживаннямтепла.
Напрактиці, при вдуванні природного газу і пиловугільногопалива, відновлення оптимального нагріву фурми і якості продуктів плавкидосягається збільшенням рудного навантаження і відповідним зниженням витратикоксу.
Протевідновлення теплової рівноваги фурми доменної печі по кінцевому складу ітемпературі продуктів плавки не свідчило про те, що і в фурмі доменноїпечі відновлюються колишні температурні умови: очевидно, істотнє зниженняприходу в фурму оксиду заліза, визначуване вдуванням додаткового палива,частково розвантажує його від відновлюваної роботи і витрат тепла, що зумовлюєможливість ведення процесу на нижчому температурному рівні.
Оскількипри вдуванні в фурму природного газу зниження приходу в горноксиду заліза орієнтовно удвічі більше, ніж при вдуванні пиловугільногопалива, то і ефект дії цього заходу на температурний режим горна відповіднобільший. При вдуванні у фурму природного газу і пиловугільного палива вказаніефекти підсумовуються, забезпечуючи відповідне поліпшення умов нагрівупродуктів плавки, десульфурації чавуну.
1.5Зміна окислювальної здатності фурмених зон
Переважаючегоріння пиловугільного палива і природного газу у фурмі доменної печі і напериферії окислювальної зони визначає витратуна ці реакції до 50 %кисню дуття. Подальше зниження витрати коксу і збільшення витрати пиловугільногопалива до 150 кг/т чавуну можуть сприяти подальшому зниженню вмісту кисню вгорновому газі в основному об'ємі фурмених зон.
Відміченезниження окислювальної здатності газової фази фурмених зон може сприяти такожобмеженню процесу вторинного окислення основних елементів чавуну Fe,Si,Mn.
Дляоцінки впливу пиловугільногопалива на температуру продуктів плавки полечені рівняння теплового балансу длянижньої зони теплообміну для початкових (індекс 0) і нових (індекс 1) умовплавки. Приймаючи для цих умов t0=t1, tH0=tH1=tH маємо(1.5.1):
Зцього рівняння (1.5.1) виходить, що температура продуктів плавки при роботідоменної печі з вдуванням пиловугільного палива може зрости орієнтовно на 2-3%внаслідок зниження ступеня прямого відновлення і зменшення окислювальноїздатності газової фази фурмених зон, що визначають зниження приходу в горноксиду заліза і підвищення відношення Wш0/Wш1
Наслідкомповного згоряння пиловугільногопалива і зменшення окислювального потенціалуфурмених зон можуть бути наступні сприятливі зміни:
· повне згоряння палива в межах фурменихзон виключає абоускладнює можливість попадання порошкоподібного вуглецюв шлак, пори коксу і так далі, що виключає можливість порушення дренажноїздатності сурми і створює об'єктивні передумови для подальшого ефективногозбільшення витрати додаткового палива;
· значне зниження окислювальногопотенціалу фурмених зон. посилене зниженням показника прямого відновленнязакису заліза, також визначуваним вдуванням пиловугільного палива, сприяютьзменшенню приходу в нижню високотемпературну зону сурми інтенсивногоохолоджувача — оксиду заліза, що може сприяти поліпшенню нагріву продуктівплавки, відновлення кремнію і марганцю, десульфурації чавуну.
Втой же час, підвищення вмісту сірки в сурмовому газі, визначене відповіднимзбільшенням її приходу за рахунок згоряння пиловугільногопалива, сприяє підвищенню її вмісту в чавуні.
Зменшенняокислювального потенціалу фурмених зон, деяке зниження дійсної температурисурмових газів і приходу до сурми оксиду заліза можуть сприяти розширеннюпротяжності фурмених зон за вмістом діоксиду вуглецю.
Заінших рівних умов перераховані зміни можуть сприяти поліпшенню сходу шихти,зниженню потреби тепла в сурмі і, таким чином, отриманню додаткової економіїкоксу, зростанню продуктивності печі, тобто у результаті -підвищеннюефективності застосування пиловугільного палива.
1.6Особливості процесу десульфурації чавуну
Прироботі доменної печі з вдуванням до сурми пиловугільного палива маютьмісценаступні принципові особливості процесу десульфурації чавуну: кокс, що міститьспочатку 1,2 — 1,6 % S і витрата якого при вдуванні пиловугільного паливаскладає 400-450кг на т чавуну, поступає у фурмені зони, втративши 50% сірки. Утой час пиловугільнепаливо, витрата якого в сприятливих шихтовихумовах може скласти 100 кг/т чавуну і більш, містить в середньому до 1%S,яка повністю переходить в газову фазу фурмених зон.Отже, кількість сірки, перехідної в газову фазу фурменої зони при вдуванні всурму пиловугільного палива, може збільшуватися, що, в першу чергу, можесприяти підвищенню вмісту сіркі в чавуні.
Розрахунки,виконані по методиці В.І. Явойського і Н.М. Чуйко, показали, що між чавуном ішлаком у фурмених зонах практично досягається рівновага, причому величинакоефіцієнта розподілу сірки напорядок нижче (4-8 одиниць), ніж вкінцевому шлаку (рис.5). Це визначається окислювальним середовищем фурмених зоні високим вмістом оксиду заліза в шлаках (рис. 4, 5).
Несприятливазміна при вдуванні в сурму пиловугільного палива балансу приходу сіркі уфурмені зони до певної міри компенсується зниженням вмісту в шлаках фурменихзон оксиду заліза, поліпшенням умов нагріву продуктів плавки і можливимпідвищенням їх температури. Ці обставини і визначають збереження якості чавунуза вмістом сіркі при вдуванні в сурму на 1 т чавуну до 100кг пиловугільногопалива при рівному її приході до печі з шихтою.
1.7Регулювання теплового режиму доменної плавки за допомогою ПВП
Регулюваннятеплового стану доменної печі «зверху» пов'язане із значнимзапізнюванням в часі, обумовленим переміщенням шихтових матеріалів по висотіпечі, інерційністю теплових процесів. Для підвищення якості регулювання«верхні» регулюючі дії необхідно поєднувати з діями«знизу», які практично не мають тимчасового запізнювання.
Середметодів регулювання теплового стану доменної печі разом із зміною температури івологості дуття найбільш економічною і перспективною є зміна кількості вдуваниху сурму газоподібних, рідких і твердих палив.Для створення системи регулюваннятеплового стану печі з використанням дій, що управляють «знизу»,досліджували динаміку доменного процесу за допомогою запропонованих каналівуправління.
Встановленийскладний характер впливу зміни витрати природного газуі мазутана вміст кремнію в чавуні. Так, збільшення витрати природного газу або мазутуспочатку викликає зниження нагріву сурми і зменшеннявмісту кремнію в чавуні.Через деякий час, в зв'язку з інтенсифікацією ходу відновлюваних процесів впечі, починає виявлятися вторинний ефект, що полягає в підвищенні нагрівусурми.
Повнийефект регулювання вмісту кремнію в чавуні за допомогою зміни витрати природногогазу досягається через 10-16 годин.
Складнийі тривалий характер перехідних процесів при зміні витрат природного газу імазуту ускладнює використання цих паливних добавок для оперативного регулюваннянагріву сурми печі.
Пиловугільнепаливо, близьке по хімічному складу до коксу, не викликає істотних змін вскладі і кількості фурмених газів, зміна його витрати повинна впливати на вмісткремнію в чавуні по менш складному закону.
Різказміна витрати пиловугільногопалива позначається на зміні кількості Si в чавуні вже на наступному випуску.Час запізнювання перехідного процесу складає 0,5г. У реальних умовах доменноїплавки цією величиною можна нехтувати; постійна часу складає 3,5г. Повний ефектрегулювання практично досягається через 8-9г. (в середньому на третьомувипуску).
Рівнянняперехідного процесу зміни вмісту кремнію в чавуні при зміні витрати пиловугільногопалива записується у вигляді(1.7.1):
ΔGПВПзміна витрати пиловугільногопалива, кг/т; τ- поточний час від моменту нанесення обурення, години
1.8Технологія доменної плавки при вдуванні ПВП
Зарубіжнийдосвід свідчить, що подача максимальної кількості ПВП — 230 кг/т (чавуну) ійого ефективне використання можливі тільки в тому випадку, якщо в печі будутьстворені необхідні умови.
Середних: поліпшення фракційного складу шихти; зниження виходу шлаку; підвищеннявмісту заліза в агломераті; поліпшення якості коксу по показнику гарячоїміцності до 60-70 %.
Дляполіпшення газопроникливості стовпа шихти і коксового «ютермана» рекомендуєтьсяпрацювати з розпушеним центром печі, тобто робочі подачі коксу фракції +45 мм завантажувати в центр, а робочі подачі, що складаються з коксу фракції +40 мм, коксового горішка і залізорудних матеріалів — в периферійну і проміжну зони колошника.
Домнаповинна працювати на максимально допустимому тиску газів у печі. Це дозволитьзменшити негативний вплив погіршення газопроникності за рахунок зменшеннячастки коксу у в стовпі шихти.
Необхіднопідвищувати вміст кисню в дутті, що забезпечить збереження теоретичноїтемператури горіння на оптимальному рівні і скоротить вихід сурмових газів натонну чавуну. Для досягнення максимального ступеню окислення вуглецю у фурмрекомендується подавати кисень у факел горіння ПВП,а вугілля нагрівати доменним газом з добавками стимуляторів горіння.
Змінаопору руху газів розраховується по формулі (1.8.1):
деPgiPk — тиск дуття і колошникового газу, кПа;
Vф.г-об'єм сурменого газу, м3/хв.
Потрібноформувати зону плавлення у вигляді перевернутої букви V з одночаснимзбільшенням кута її нахилу. Це дозволить збільшити кількість «коксовихвіконець» в ній і знизити опір проходу газів, забезпечити рівномірну роботуфурмених вогнищ по колу сурми шляхом регулювання витрати ПВП по фурмам длядосягнення рівності їх температур.
2.Методика виконання технологічних розрахунків
Метоюрозрахунку є вивчення впливу збільшення витрати ПВП на техніко-економічні показникиплавки. Об'єми витрати ПВП представлені в таблиці 1. Для вирішення цьогопитання дається п'ять варіантів розрахунків показників доменної плавки.
Таблиця1. Варіанти витрати ПВП.Варіанти Витрати ПВП, кг/т чавуну
Витрати природного газу
м3/т чавуну 1 100 2 30 75 3 60 50 4 90 25 5 120
Таблиця2. Хімічний склад вдуваного ПВП %.C H S W N O A 65,65 4,92 0,85 1 0,47 0,102 11,5
Технологічнірозрахунки виконують на персональному комп'ютері,
який за відповідною програмою обчислює теоретичні дані.
Результатом обчисленьє вихід машинних даних, представлених в додатку А, післяяких дається таблиця з розшифровкою отриманих розрахунковим шляхом показниківдоменної плавки, представлених у додатку Б.
3.Графічний аналіз впливу витрати ПВП на основні технологічні показники доменноїплавки
ЗастосуванняПВП знижує витрата коксу, оскільки вуглець ПВП замінює еквівалентну кількістьвуглецю коксу (рис 3.1).
Наслідкомзниження витрати коксу є зниження загального приходу сірки з шихтою (рис3.2).
Спостерігаєтьсязниження виходу горнових газів, визначене скороченням витрати коксу (рис 3.6).
Спостерігаєтьсяпідвищення теоретичної температури горіння у зв'язку з скороченням витратиприродного газу і зниженням виходу горнових газів .
Висновки
1. Технологія доменної плавки звдуванням в сурму природного газу, що вимагає щорічно в Україні 2,5 млрд м3газу, в економічних умовах, що склалися, менш ефективна в порівнянні звикористанням пиловугільного палива. Визначальний показник, що характеризуєпереваги ПВП — можливість заміни вугільним пилом в 2-3 рази більшої кількостікоксу. Застосування пиловугільного палива дозволяє значно скоротити витратукоксу і природного газу, а також підвищити продуктивність доменних печей.
2. Одночасноіз збільшенням витрати ПВП необхідно застосовувати компенсуючі заходи, якіповинні нейтралізувати негативний вплив комбінованого дуття на технологічнийрежим: зниження витрати природного газу, збагачення дуття киснем, підвищеннятемператури дуття до 1200 °С.
3. Проведенийаналіз показав, що вдування ПВП в доменні печі економічно виправдане вже втеперішній час. Для умов України (за відсутності власного природного газу і всезростаючому дефіциті коксу і коксующогося вугілля) воно необхідне.
Перелікпосилань
1. «Выплавкачугуна с применнением пылеугольного топлива»Ярошевский СЛ. М.: Металлургия, 1988. 176 с.
2.Минаев A.A., Рыженков АН., БанниковЮ.Г., Ярошевский СЛ., Коновалов Ю.В… Кузин A.B. «Перспективыприменения пылеугольного топлива в доменных цехах Украины и России»//Сталь. 2008. № 2. С 5-11.
3.Параманатан Б., Плоой Д… ГеердесМ. и др. «Использование вдуванияпылеугольного топлива для оптимизации работы доменной печи»// Сталь. 2005. № 10. С. 58-U.
4.Васюра Г.Г. «Определениепоказателей доменной плавки при использовании пылеугольного топлива»// Сталь. 2007. № 7. С. 11-14.
5.Шмит Л. «Развитие технологии и оборудования длявдувания пылеугольного топлива в доменную печь» // Сталь. 2002. № 11. С. 9-12.