Теоретические основы процессов горения топлива и газодинамики доменной плавки


В. П. Лялюк







ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА И ГАЗОДИНАМИКИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Монография














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

    УДК669.162
    ББК 34.323
        Л97




Рецензенты:
академик Академии инженерных наук Украины, заслуженный деятель науки и техники Украины, доктор технических наук, профессор В. А. Петренко;
академик Академии горных наук Украины, лауреат премии НАН Украины, доктор технических наук, профессор.^. Г. Товаровский








           Лялюк, В. П.
    Л97 Теоретические основы процессов горения топлива и газодинамики доменной плавки : монография / В. П. Лялюк. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 280 с. : ил., табл.
               ISBN 978-5-9729-0349-8

         Приведены исследования, уточняющие разделы теории доменной плавки, в частности механических процессов горения топлива перед фурмами и движения газового потока в доменной печи. Рассмотрена работа доменных печей в различных условиях и на различных фурмах, проведен системный анализ режимов плавки и работы горна.
         Для специалистов черной металлургии и смежных с ней областей, а также студентов высших учебных заведений металлургического, экономического и управленческого профилей.
                                                     УДК669.162
                                                     ББК 34.323







     ISBN 978-5-9729-0349-8 © Лялюк В. П., 2019
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

ВВЕДЕНИЕ


    Традиционно сложившийся подход к анализу доменной плавки основан на детальном изучении отдельных его явлений (тепло- и массообмена, газо- и гидродинамики, механики движения и характера превращений шихтовых материалов и др.) с последующим использованием выявленных закономерностей для определения возможных и желаемых тенденций в развитии процессов и управления ими. Такой подход является плодотворным, однако, не вполне достаточным для полного познания процессов доменной плавки с целью их совершенствования. Изучение отдельных, даже наиболее существенных, явлений в изолированном виде не может дать оснований для окончательных выводов относительно совершенствования доменной плавки, а дает лишь исходный материал для последующего анализа [1, 2].
    Это обусловлено тем, что доменная плавка в целом является не простой совокупностью отдельных явлений, а сложной функцией их связей, природа которых сложнее самих явлений и включает свойства, не присущие отдельным явлениям. Изложенное позволяет характеризовать доменную плавку как большую систему, современное представление о которой включает четыре основных свойства [1].
    Целостность и членимость. Система - целостное образование, но в ее составе могут быть четко выделены отдельные элементы (свойства).
    Связи. Наиболее существенные связи между элементами системы превосходят по мощности связи этих элементов с элементами, не входящими в систему. Это отличает систему от простого конгломерата и выделяет ее из окружающей среды как целостное образование.
    Организация. Наличие организации в системе формально выражается в том, что энтропия системы меньше, чем энтропия системоформирующих факторов, к числу которых относятся количество элементов, их свойства, связи и др.
    Интегративные качества. Качества, присущие системе в целом, но не свойственные ее элементам в отдельности. Свойства системы, хотя и зависят от свойств ее элементов, но полностью не определяются ими. Система не сводится к простой совокупности элементов. Изучая элементы в отдельности, нельзя познать все свойства системы в целом.
    Методологической основой изучения систем является системный подход, структуру которого можно представить в виде четырех компонентов [1]:
    -  изучение и учет внешних связей рассматриваемой системы или проблемы;
    -      иерархическое представление ее внутренней структуры и процессов управления;
    -      учет неопределенностей, обусловленных неполнотой исходной информации, многокритериальностью и другими факторами;
    -  применение математических методов и ЭВМ.
    Процесс выплавки чугуна в доменных печах в числе методов производства металлов является одним из наиболее древних. Составляющие доменную плавку процессы: горения топлива, теплообмена, движения материалов и газов (газодинамика), восстановления, гидродинамики чугуна и шлака в коксовой на

3

садке и др. разработаны достаточно глубоко. Наиболее обстоятельно рассмотрены вопросы теории теплообмена между газом и материалами в доменной плавке, при этом вопросы горения топлива и газодинамики требуют уточнения.
    Так одними из важнейших факторов, берущихся во внимание при оценке состояния плавки и управлении ее ходом, является механическая энергия потока дутья истекающего из фурмы доменной печи и падение (перепад) давления газа при его движении от фурм к колошнику.
    В качестве основной энергетической характеристики потока дутья истекающего из фурмы печи часто используют только кинетическую энергию, которая является лишь частью полной энергии потока дутья (см. уравнение Д. Бернулли) в связи, с чем необходимо уточнить ряд теоретических представлений связанных с горением топлива у фурм доменной печи.
    В качестве модели движения газового потока в доменной печи по-прежнему используется уравнение Дарси-Вейсбаха, полученное эмпирически для иного физического тела перемещающегося в условиях, которые коренным образом отличаются от условий движения газа в доменной печи.
    Одной из главных причин некоторых несоответствий теории доменной плавки обнаруженных в последнее время является не только разрозненное рассмотрение коренных процессов плавки в отрыве их друг от друга, а также от обстоятельств места и времени, а иногда в отрыве также и от фундаментальных положений науки.
    Из-за этого некоторые слагаемые металлургии чугуна, как науки противоречат законам физики, в частности молекулярно-кинетической теории газа. Другие не всегда могут дать ответ на вопросы поставленные практикой, объяснить ситуации, возникшие в тех или иных условиях доменной плавки.
    Следует также отметить и то, что ряд закономерностей положенных в основу теории доменной плавки в прошлые годы были со временем уточнены или глубже осознаны. Изменились также условия работы доменных печей. Все вместе обуславливает необходимость уточнения ряда положений теории доменной плавки во взаимосвязи друг с другом, с основными законами науки и изменяющимися условиями работы доменных печей, т.е. необходим сущностный анализ [2].
    “Сущность - совокупность всех необходимых сторон и связей (законов), свойственных вещи, взятых в их естественной взаимозависимости, в их жизни, в отличие от явления, которое есть обнаружение сущности через свойства и отношения, доступные чувствам. Сущность всегда находится в единстве с явлением, ибо она в явлениях не только обнаруживается, но через явления существует, действует. ...Но сущность и явление не совпадают.......сущность скрыта под поверхностью явлений, тогда как явления обнаруживаются непосредственно. Нередко явления могут неправильно, извращенно передавать сущность предмета. Задача познания заключается в том, что бы за видимостью распознать сущность” [3].
    Для металлургических процессов обозначенное актуально еще и потому, что между сущностью и явлением, т.е. проявлением сущности, располагаются иные субстанции в виде огнеупорной футеровки, охлаждения, кожуха печей,

4

энергетических и иных полей, которые затрудняют, а иногда и искажают проявление сущности. Для доменной плавки обозначенное особо (дополнительно) значимо в связи с ее многофакторностью и большим транспортным запаздыванием между свершением и проявлением сущностных сторон процессов составляющих плавку и примеров тому множество [2].
    Эволюционное развитие доменной плавки идет по пути сокращения расхода кокса - основного энергоносителя, дефицит которого определяет развитие черной металлургии. Способы экономии кокса по существу сводятся к сокращению теплопотребности процессов за счет улучшения подготовки сырьевых и топливных компонентов и организации технологического процесса; а также к замене тепла и восстановительного потенциала газов, образующихся из кокса, вводимым с дутьем теплом и восстановителем, получаемым из менее дефицитных энергоносителе.
    Основные черты современной доменной плавки были сформированы к концу XIX века. К этому времени в большинстве развитых стран завершился переход на минеральное горючее - кокс, а конструкция доменной печи обрела формы, принципиально не отличающиеся от нынешних. Дальнейшая эволюция плавки шла по пути укрупнения агрегатов, повышения их производительности за счет интенсификации процессов при одновременном снижении удельного расхода кокса и затрат труда на производство единицы чугуна.
    Наиболее крупными этапами этой эволюции являются:
    -      применение нагрева дутья и последующее использование увлажнения его для дальнейшего увеличения температуры;
    -      агломерация пылевидных руд и последующий ввод флюсов в состав агломерата;
    -     сжатие газа в рабочем пространстве печи;
    -      обогащение бедных руд с последующим их окускованием путем агломерации или окомкования;
    -     удаление мелких фракций из шихты перед загрузкой в печь;
    -      применение природного газа, мазута и измельченного угля (ПУТ) для вдувания через фурмы;
    -     обогащение дутья кислородом;
    -      совершенствование управления доменной плавкой “сверху” и “снизу” на основе более совершенного контроля технологических параметров.
    -     загрузка кускового антрацита через колошник доменной печи.
    Лучшие доменные печи конца XIX века работали с удельной производительностью 0,6-0,8 т/(м³-сутки) (КИПО - 1,2-1,6) при расходе кокса 9001200 кг/т чугуна; суточная производительность одного агрегата составляла 300600 т. В современных крупных доменных печах выплавляют >10 тыс. т чугуна в сутки. Ихудельная производительность составляет 2,5-3,0 т/(м³-сутки), арасход кокса достигает 350-400 кг/т чугуна.
    Таким образом, результат развития доменной плавки в течение XX века выражается в трех- четырехкратном увеличении удельной производительности доменных печей и в 2,5-3 - кратном сокращении удельного расхода кокса.

5

    Совокупность известных и разрабатываемых мероприятий по совершенствованию доменной плавки позволит в XXI веке улучшить ее показатели примерно в 1,5 раза, достигнув удельной производительности 3,5-4 т/м³ в сутки и расходе кокса 250-300 кг/т чугуна, что близко к предельным возможностям доменной плавки в рамках присущих ей характерных свойств.
    Следует отметить, что большая часть пути эволюционного развития доменной плавки уже пройдена. Оставшаяся меньшая часть характерна возрастающими трудностями дальнейшего совершенствования процессов, природа которых присуща всем техническим системам, а первые симптомы их обнаружены еще на ранних стадиях развития и выражены как частный случай в известном принципе Окермана-Павлова [5, 6]: “Всякая причина, уменьшающая расход тепла в доменной плавке, дает тем больше сбережения горючего, чем менее был коэффициент полезного действия тепла в доменной печи”.
    Рассмотренная особенность доменной плавки как характерной сложной технической системы отражена во временной функции его развития. Замедление темпов улучшения показателей плавки обусловлено уменьшением эффективности, приходящейся на единицу затрат ресурсов по мере совершенствования процессов доменной плавки.
    Товаровский И.Г. в своей работе [5] сформулировал ряд основных принципов совершенствования доменной плавки:
    1.     Максимальный эффект от применения каждого мероприятия по совершенствованию доменной плавки достигается при условиях, противоположных тем, к которым ведет данное мероприятие.
    2.     Наиболее эффективны сочетания таких мероприятий, которые воздействуют на основные процессы плавки в противоположных направлениях.
    3.     По мере совершенствования процессов доменной плавки и приближения их к некоторому предельному режиму эффективность всей совокупности мероприятий по ее дальнейшему улучшению снижается.
    Первый основной принцип Товаровский И.Г. сформулировал также и в более общей форме [5]. Всякое воздействие на процесс, направленное на перевод его в другое состояние, вызывает явления, препятствующие этому переходу, и каждый последующий шаг воздействия оказывается менее эффективным, чем предыдущий.
    Тем не менее, технические резервы совершенствования процессов доменной плавки еще достаточно велики не только в масштабах отраслей, фирм, корпораций и других объединений, но и для лучших доменных печей [4].
    Анализ технологий получения чугуна, альтернативных доменной плавке, показал, что автономные агрегаты, являющиеся по существу фрагментами доменной печи, не имеют преимуществ в производстве массового металла. Интегральные оценки доменной плавки превосходят характеристики всех известных способов прямого получения железа в связи, с чем доменная плавка остается определяющим технологическим модулем черной металлургии, развитие которого будет формировать облик всего металлургического комплекса [1, 4].

6

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

1.1. Физическая сущность плавки

    Доменная плавка предназначена для выплавки металла - чугуна из железных руд. Железные руды представляют собой горную породу, состоящую из рудного минерала (оксиды железа), пустой породы (оксиды кремния, кальция, магния, марганца и др. элементов), примесей полезных (Ni, Mg, Cr, W, V) и примесей вредных (S, P, Zn, Pb, As и др.).
    С учетом этого в доменной плавке необходимо решить следующие основные задачи:
    -  восстановить оксиды железа, т.е. разделить железо с кислородом;
    -  отделить восстановленное железо от оксидов пустой породы;
    -      предотвратить насыщение выплавленного металла вредными примесями в то же время, обеспечить максимальное усвоение полезных примесей [2].
    Перечисленные задачи решаются в противоточном тепло-массообменном металлургическом агрегате шахтного типа - доменной печи (рис. 1, 2).
    В качестве восстановителей здесь используются углерод топлива твердого, а также газифицированного в кислороде дутья. Применяются также газообразные жидкие и пылевидные топливные добавки к дутью. Основным топливом в подавляющем большинстве случаев служит каменноугольный кокс.
    Шихтовые материалы (железорудные компоненты и флюс) совместно с топливом загружаются в доменную печь сверху и в процессе плавки опускаются в рабочем объеме печи вниз навстречу поднимающемуся потоку горячего восстановительного газа. Этот газ образуется в нижней части печи, главным образом, в результате газификации (неполного горения) загруженного в домну углерода топлива, в кислороде подаваемого через воздушные фурмы дутья.
    В ходе противотока протекают реакции, обеспечивающие превращение загруженных материалов в чугун и шлак. Железорудные материалы отдают потоку газа кислород, сами восстанавливаются до металлического железа, которое насыщаясь углеродом (растворяя в себе углерод) нагревается до расплавления, превращаясь в чугун.
    Не восстановленные оксиды пустой породы в рабочем объеме печи опускаются в составе шихты, попадая в зону все более высоких температур, в результате нагреваются до расплавления, образуя сплав окислов - шлак.
    Образующийся в нижней части печи горячий восстановительный газ формирует поток, поднимающийся снизу вверх навстречу опускающимся материалам. Газ отдает материалам тепло, сам при этом остывает и отнимает у них кислород, в результате чего окисляется.
    Таким образом, в ходе доменной плавки происходит обмен теплом и массой между встречными потоками газа и материалов.
    Продукты плавки чугун и шлак накапливаются в нижней части печи и периодически выпускаются из нее, разделяясь в процессе выпуска.


7

Рис. 1. Разрез доменной печи: 1 - чугунная летка; 2 - горн;
3 - заплечики; 4 - распар; 5 - шахта; 6 - колошник; 7 - засыпной аппарат;
8 - горизонт образования чугуна; 9 - горизонт образования шлака; 10 - зоны горения кокса; 11 - слой шлака;
12 - шлаковая летка; 13 - слой чугуна

8

Рис. 2. Общий вид доменной печи объемом 5000 м³

    Важными особенностями доменной плавки являются [2]:
    1)      Организация процесса горения в условиях избытка топлива (углерода). В результате углерод окисляется только до СО, образуя восстановительный газ и, соответственно, создавая восстановительную атмосферу в рабочем объеме печи, обеспечивающую возможность решения основной задачи плавки по восстановлению оксидов железа. При этом выделяется тепло, необходимое для решения второй задачи плавки по разделению восстановленного железа и оксидов пустой породы, что осуществляется в жидком (расплавленном) состоянии при выпуске продуктов плавки из доменной печи.
    2)      Образование железа в доменной печи осуществляется в условиях тесного контакта с углеродом топлива. Поскольку железо способно растворять в себе углерод, то оно быстро им насыщается в пределах 4-6 %, образуя чугун - сплав железа с углеродом. Предотвратить насыщение железа углеродом в доменной плавке в связи с отмеченным невозможно. Углерод в чугуне повышает твердость, однако ухудшает вязкие и пластические свойства металла. Поэтому для его удаления из металла путем окисления и перевода в газовую фазу, выделяющуюся из металла, и повышения, таким образом, качества последнего предусматривается вторая ступень металлургического передела - производство стали.

1.2. Топливо доменной плавки и его роль

    Основным видом топлива в современной доменной плавке является каменноугольный кокс, получаемый методом пиролиза (нагрев без доступа воздуха при температуре 1000-1100 °С) из смеси различных, главным образом коксующихся марок каменных углей. В дополнение к нему в ряде случаев используются также горючие газы (природный и коксовый), мазут, пылеугольное топливо и другие топливные добавки, как правило, подаваемые в горн доменной печи сопутно потоку дутья. В последнее время разработана технология загрузки через колошник доменной печи кускового антрацита.
    Кокс, загружаемый в печь совместно с шихтовыми материалами через колошник, в доменной плавке играет триединую роль:
    -      обеспечивает плавку газообразным восстановителем, частично принимая участие в прямом восстановлении оксидов железа и других элементов;
    -      обеспечивает необходимые температурно-тепловые условия протекания физико-химических превращений;
    -      является разрыхлителем столба шихтовых материалов заполняющих рабочее пространство печи.
    Для выполнения перечисленных задач кокс должен отвечать ряду требований, главным из которых является высокая прочность в холодном и нагретом до высоких температур состоянии, высокая газопроницаемость насыпной массы, низкое содержание золы и вредных примесей, прежде всего, серы, не высокая стоимость.
    В себестоимости чугуна стоимость кокса составляет около половины, поэтому сокращение расхода кокса при выплавке чугуна в доменной печи всегда было и продолжает оставаться одной из важных задач доменной плавки.


10