ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
В последнее время существенно выросла производительность доменных печей, постоянно снижается расход кокса — наиболее дорогого компонента доменной шихты. Эти результаты явились следствием комплекса мероприятий, называемых обычно методами интенсификации доменной плавки. Методы совершенствования процесса, связанные с улучшением качества шихты, и их влияние на процессы- плавки изложены для отдельных процессов. Это же относится к влиянию на ход печи повышенного давления на колошнике. В настоящей главе рассмотрены изменения в ходе печи, связанные с использованием высоконагретого комбинированного дутья и применением различных добавок, вводимых в нижнюю зону доменной печи.
Нагрев дутья является эффективным средством интенсификации плавки. Температура дутья для печей непрерывно повышается. Так, средняя температура дутья в 1964, 1970 и 1986 гг. соответственно составила 930, 1009 и 1099 С. Первые исследования нагрева дутья относятся к концу XVIII в. В 1828 г. Нельсон получил патент на нагрев дутья в воздухонагревателе, а в 1829 г. применил горячее дутье на заводе «Клайд» в Шотландии х. Тепло дутья заменило тепло, выделяющееся при горении топлива у фурм, что позволило сэкономить горючее. В результате нагрева воздуха до 149 °С расход горючего снизился с 8,06 до 5,16 т/т чугуна при росте суточной производительности печи с 15,7 до 23 т. При этом на нагрев воздуха затрачивалось топлива всего 0,4 т/т чугуна. Таким образом, уже первый опыт использования нагрева дутья показал позднее многократно подтвержденный вывод, что дутье сберегает больше тепла, чем само вносит.
При повышении температуры дутья увеличиваются требования к фракционному составу шихты, поскольку в этих условиях снижается газопроницаемость слоя, так как при повышении нагрева дутья возрастают объем и давление газов в горне, т. е. увеличивается давление газов снизу, затрудняющее плавный сход шихты. Это вызывает дальнейшее повышение давления и затруднения в сходе шихты.
Расход кокса вследствие повышения нагрева дутья уменьшается, т. е. его объемная доля в шихте сокращается, а объемная доля рудных материалов увеличивается. Поскольку газопроницаемость кокса выше, чем рудной части шихты, то газопроницаемость слоя шихты при выводе кокса ухудшается.
В определенной мере сказывается и связанное с нагревом дутья уменьшение величины окислительной зоны доменной печи.
Таким образом, достижение высоких температур дутья связано с определенными мероприятиями, главным образом с улучшением качества шихтовых материалов и особенно с их восстановимостью и сохранением прочности при восстановлении.
Проведенные расчеты показали, что в настоящих условиях дальнейшее повышение температуры дутья по-прежнему является эффективным средством интенсификации доменной плавки. Опыт комбината «Азовсталь» в период 1959—1971 гг. показал, что повышение средней температуры дутья в доменном цехе с 838 до 1181 °С, т.е. на 343 °С, привело к снижению расхода кокса на 8,4 %, или 2,6 % на каждые дополнительные 100 °С нагрева дутья. Роль нагрева дутья особенно возросла с использованием углеводородов, приводящих к снижению температуры горна печи.
Повышение концентрации кислорода в дутье доменных печей, предложенное Т. Бессемером в 1876 г., привело к существенным изменениям в ходе доменной плавки. Воздействие этих изменений на процесс является как положительным, так и отрицательным фактором.
Эффективность использования кислорода в печи определяется суммарным воздействием ряда факторов.
1. Основным результатом обогащения дутья кислородом является интенсификация горения углерода у фурм, вызванная тем, что в единицу времени в печь вводят больше массовых единиц кислорода. Это в свою очередь означает увеличение количества углерода, сгорающего в единицу времени у фурм, т. е. рост производительности доменной печи. Но поскольку перепад давлений между горном и колошником печи снижается, то, не повышая давления газа, количество сжигаемого в единицу времени углерода можно увеличить.
Однако с увеличением содержания кислорода в дутье возрастает вероятность нарушения ровного хода печи. Как правило, при достижении доли кислорода в дутье 23—25 % наблюдаются возникновения тугого хода, подвисаний и осадок. Это объясняется в основном перераспределением температур по высоте печи, концентрацией жара в горне (что может привести к усилению возгонки моноокиси кремния), снижением горизонта шлакообразования, приходом в нижнюю часть печи плохо подготовленной (слабо нагретой и восстановленной) шихты. Определенную роль могут сыграть также ухудшение распределения газов по сечению печи из-за снижения их количества и уменьшение размеров окислительной зоны горна печи.
Все это не дает возможности вести плавку передельного и литейного чугуна на дутье, обогащенном кислородом, выше 25— 26 %, без использования других добавок к дутью.
В последнее время в связи с широким применением комбинированного дутья проблема использования кислородного дутья приобрела новое значение.
В дутье, используемом в доменной печи, всегда имеется некоторое количество водяных паров. В фурменной зоне печи водяные пары диссоциируют по реакции Н2О = Н2 + 0,5О2 — 242,8 МДж с выделением свободных водорода и кислорода. Однако в присутствии избытка углерода кокса кислород используется для сгорания углерода, поэтому реакцию разложения водяного пара можно написать в следующем виде: Н2О + С = Н2 + СО — 124,870 МДж. Использование добавок водяного пара к доменному дутью обсуждается с начала прошлого века. Осушение дутья было предложено Гейли в 1894 г. Однако в промышленных условиях регулирование содержания влаги дутья осуществлено в широком масштабе в СССР с конца 40-х годов.
Основными результатами увлажнения дутья являются снижение температуры фурменных очагов (из-за отрицательного теплового эффекта реакции водяного пара и углерода кокса), обогащение дутья кислородом влаги, а горнового газа активным восстановителем — водородом. Снижение прихода тепла в горн в условиях начала применения увлажненного дутья, как правило, имело положительный эффект.
При постоянном тепловом режиме горна возрастают доля кислорода в дутье и количество водорода в горновом газе. Первое должно привести к увеличению производительности печи, второе — к улучшению восстановительной работы газа, а следовательно, и к экономии кокса. В ряде случаев использование увлажненного дутья не сопровождалось пропорциональным повышением температуры дутья, и распределение температур газа и шихты по высоте печи становилось более рациональным. Это делало ход печи более ровным, что в свою очередь способствовало росту технико-экономических показателей доменной плавки.