Основы физики доменного процесса

Клименко В. А., Токарев Л. С.

Металлургия, 1991 г.

Попытки построения глобальных моделей доменного процесса, достаточно точно и детально описывающих все его свойства, наталкиваются на большие трудности [6], [7], [9]. В силу сложности и многообразия реальной доменнойплавки приходится делать многочисленные упрощающие предположения, использовать большое число эмпирических уравнений и подгоночных параметров, поэтому область применимости этих моделей оказывается узкой.

Более точными и эффективными являются модели, ориентированные на исследование лишь определенных свойств доменного процесса, что позволяет абстрагироваться от других свойств, которые в рассматриваемой постановке задачи являются несущественными.

Существуют модели, ориентированные на установление функциональной связи между параметрами, описывающими различные потоки. Особенно важны для практики те модели, которые устанавливают зависимости между входными и выходными параметрами доменного процесса. К этим параметрам относятся величины, определяющие химические составы, тепловые состояния, а также расходыпотоков дутья, топливных добавок, восстановительных газов и шихты на входе в печь и потоков чугуна, шлака и колошникового газа на выходе из нее. Главной отличительной чертой этих моделей является проведение комплексного анализа изучаемых процессов с точки зрения балансовмассы и энергии. Вследствие этого их обычно называют балансовыми.

В основе этих моделей доменного процесса лежат главные его свойства, являющиеся следствием фундаментальных законов сохранения. К сожалению, для установления взаимосвязи между входными и выходными параметрамипроцесса уравнений, являющихся следствием лишь законов сохранения массы и энергии, оказывается недостаточно. Приходится использовать дополнительные соотношения, учитывающие закономерности протекания процесса в объеме печи.

Глава 1. КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА

В этой главе дается краткое изложение свойствдоменнойплавки как комплекса взаимосвязанных процессов. Описываются исходные вещества и продукты плавки. Показывается, какие факторы играют главную роль в формировании закономерностей движенияпотоков газа и частиц. Рассматривается характер распределения температур в объеме печи. Поясняются закономерности протекания химических реакций в потоках газа, частиц и расплава. Приводимое описание процесса используется авторами в следующей главе при построении балансовой модели доменного процесса. Излагаемые в этой главе сведения о закономерностях доменного процесса в основном являются общепринятыми. Вместе с тем некоторые свойствапроцесса пока изучены недостаточно полно. При их описании излагается та точка зрения, которая, по мнению авторов, является наиболее убедительной.

1.1. Исходные вещества и продукты процесса

На рисунке 1.1 схематично показаны материальные потоки, входящие в доменную печь и покидающие ее. Дадим их краткое описание.

Шихта. В современном доменномпроцессе в доменную печь загружаются агломерат, окатыши, флюсы (конвертерный шлак, известняк) и кокс. В небольшом количестве (как правило, 5 5%) шихта содержит сырую руду и различного рода железосодержащие добавки. В связи с развитием методов прямого восстановления представляет интерес исследование целесообразности плавки в доменных печах частично восстановленных окатышей и агломерата.

В типичных случаях химический состав исходной шихты достаточно полно описывается набором следующих веществ: Fe, FeO, FeS, Fe2O3> C, CaO, CaS, S CaCO3, SiO2, A12O3> MgO, MnO, Ca3(PO4)2.

В некоторых случаях этот набор целесообразно расширить, например учесть наличие окислов Ni, Cr, Ti, V, карбонатов FeCO3, MgCO3 и некоторых других веществ. Типичное содержание железа в железосодержащей части шихты 50 — 60%; общее содержание углерода в коксе — 82 — 85%; удельный расход кокса, являющегося наиболее дефицитным и дорогостоящим компонентом шихты, составляет в современной доменнойплавке 400 — 500 кг/т чугуна.

В загружаемых компонентахшихты имеется некоторое количество физически адсорбированной (гигроскопической) влаги; в зависимости от климатических условий и технологии, содержится в агломератах и окатышах до 1—2%, в коксе—до 4 — 5%. Температура колошникового газа знаидущего на поддержание реакций восстановления и плавление частиц. При этом повышается производительность, становится возможным увеличение подачи топливных добавок, улучшаются условиягазификации вдуваемых в горн углеводородов.

На типичные современные дутьевые параметры (Т-1300-1500 К, О2-25-28%) не следует смотреть догматически. Есть основания предполагать, что при определенных условиях имеет смысл дальнейшее повышение содержания О2 в дутье. Уже сейчас известны случаи, когда содержание в дутьекислорода составляло 40—42%, что позволило значительно увеличить подачу природного газа, сократить удельный расход кокса, существенно поднять производительность. С другой стороны, вдувание в печь достаточно чистых и горячих восстановительных газов разумно проводить с дутьем, обедненным кислородом. При этом снижение содержания О2 в дутье может быть значительным и тем большим, чем выше Температура вдуваемых восстановительных газов и меньше количество сопутствующих газов СО2 и Н2О.

Что касается температуры дутья, то современные представления о доменномпроцессе указывают на целесообразность ее дальнейшего повышения; замедление темпов ее роста в последнее время было обусловлено лишь техническими трудностями.

Топливные добавки. В горндоменной печи могут вдуваться различного рода топливные добавки: твердые (угольная пыль), газообразные (природный газ, коксовый газ), а также жидкие (мазут).

В научной литературе обсуждаются перспективы широкого использования в черной металлургииводорода как основного теплоносителя и восстановителя, что в значительной степени стимулируется прогрессом в области управляемого термоядерного синтеза.

Набор веществ, достаточных для описания химического составадутья и топливных добавок, вдуваемых в горн, имеет вид:

N2, О2, СО, СО2, Н2, Н2О, СН4, С, С„Нл,О,.

Колошниковый газ. Колошниковый газ в основном состоит из СО, СО2, Н2О и N2. Важнейшими показателями эффективности доменного процесса являются доли газов СО и Н2, используемых в реакциях восстановления и преобразующихся в газы СО2 и Н2О. Эти доли называются коэффициентами использования восстановительной способчителыю выше температурыкипения воды, испарение гигроскопической воды вызывает лишь уменьшение температуры отходящих газов, изменяет их влажность, но не сказывается на ходе процесса, производительности и расходе кокса. Тем не менее анализы содержания влаги в загружаемой шихте должны быть достаточно точными, иначе в расчетах процесса могут быть допущены значительные ошибки, связанные с завышением весов загружаемых компонентовшихты за счет неучтенной влаги.

В загружаемых частицах может присутствовать химически связанная (гидратная) влага. В типичных случаях ее содержанием можно пренебречь, однако при загрузке в печь некоторых разновидностей, сырых руд (например, бурых железняков) наличие в них гидратной влаги следует учитывать.

Из кокса при температурах 700—1000 К выделяются газы, типичное их содержание в коксе 1 —1,5%. Они состоят приблизительно из (%): 10-15 СО2, 20-30 СО, 35-40 Н2, 20 — 30 N2, 10 — 20 СН4 и до 10 О2 (приведены объемные доли).

Характерные размеры частиц шихты —1 — 5 см, типичные скорости их движения —0,1 —0,3 см/с; время нахождения в печи—6 —8 часов. Движениешихты в объеме в основном обусловлено наличием стока частиц в нижней части печи, где горит кокс и плавятся железосодержащие материалы.

Из объема печи газопотоком выносятся мелкие частицы (;S3 мм). Они могут присутствовать в загрзткаемой шихте, но часто образуются уже в печи в результате разрушения более крупных частиц. В достаточно точных моделях доменного процесса целесообразно учитывать наличие в шихте влаги, удаление газов из кокса и вынос мелких частиц.

Дутье. В современном доменном производстве в горндоменной печи вдувается нагретый воздух, обогащенный кислородом. Типичное значение температурыдутья в настоящее время составляет 1300 — 1500 К, а содержание в нем кислорода — 25 — 28 %.

Глава 6. РАСЧЕТ ВЛИЯНИЯ НА ДОМЕННЫЙПРОЦЕСС ГОРЯЧИХ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ГАЗОВ

Вдувание горячих восстановительных газов (ГВГ) является одним из перспективных направлений повышения эффективности доменного процесса, позволяет существенно сократить удельный расходкокса и повышает возможности управления этим процессом [7], [32].

В настоящее время решается задача получения в больших количествах ГВГ, нагретых до 1500—1600 К, состоящих в основном из СО и Н2, содержащих не более 3—4% окислителей СО2 и Н2О и других веществ (метана, азота, сажистого углерода и т. д.).

Практически доказано, что могут быть реализованы способы крупномасштабного получения ГВГ более дешевых, чем получаемых в доменной печи при окислении углерода кокса. вдувание дешевых ГВГ позволяет сократить расход дорогостоящего кокса за счет уменьшения его сгорания на фурмах и в реакциях прямого восстановления. Уменьшение расходауглерода в реакциях прямого восстановления при использовании ГВГ достигается за счет увеличения доли железа, восстанавливаемого в реакциях косвенного восстановления. С другой стороны, одновременно при вдувании ГВГ оказывается возможным уменьшить расход кокса, сгорающего на фурмах. Это достигается за счет понижения содержания в дутье кислорода. параметрыдутья и ГВГ должны быть подобраны таким образом, чтобы при заданной шихте обеспечивалось необходимое тепловое состояние печи.

Принципиально новые возможности откроются в металлургии с решением проблемы управляемого термоядерного синтеза и переходом на водороднуюэнергетику [33]. Станет возможным использовать для нагревания и восстановления высокотемпературные потокиводородной плазмы, являющейся одной из разновидностей ГВГ. Перспективность этого направления в металлургиисвязана прежде всего с тем, что водород можно будет получать из практически безграничного источника — воды океанов.

В литературе широко обсуждаются два варианта вдувания ГВГ: в горн и в шахту, несколько выше горизонта начала шлакообразования. В зависимости от имеющихся возможностей в изменении дутьевых параметров и параметров ГВГ может оказаться более целесообразным использовать один из этих вариантов.

В настоящее время еще не накоплен достаточный практический опыт работыдоменных печей с вдуванием ГВГ. В связи с этим, для практики важно уметь оперативно и достаточно точно, в широком диапазоне изменения параметровплавки рассчитывать оптимальные режимы ведения доменнойплавки с вдуванием ГВГ. В этой главе в рамках модели доменного процесса, описанной в главе 2, проводится теоретический анализ принципиальных вопросов проблемы, связанной с использованием ГВГ. Выводятся формулы, описывающие влияние параметровдоменнойплавки на его основные показатели. Исследуются закономерности доменнойплавки для двух вариантов вдувания ГВГ: в горн и в шахту.