Технология подготовки шихты при производстве качественного кокса для доменной плавки


В. П. Лялюк







ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ шихты ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КАЧЕСТВЕННОГО КОКСА ДЛЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Монография













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

    УДК669.162.26
    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 И. Г. Товаровскии








         Лялюк, В. П.

     Л97 Технология подготовки шихты при производстве качественного кокса для доменной плавки : монография / В. П. Лялюк. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 212 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-0429-7

          Рассмотрены основные факторы, влияющие на качество кокса. Раскрыты методы подготовки угольных шихт к коксованию, в том числе повышение степени их однородности, выбор степени измельчения, оптимизация состава, термоподготовка и брикетирование. Освещены вопросы оценки качества кокса.
          Для специалистов черной металлургии и смежных с ней отраслей. Издание может быть использовано как учебное пособие для студентов металлургических, коксохимических и экономических направлений подготовки.
                                                    УДК 669.162.26
                                                    ББК 34.323









     ISBN 978-5-9729-0429-7 © Лялюк В. П., 2020
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ВВЕДЕНИЕ


    Основными природными ресурсами, используемыми при выплавке чугуна в доменных печах, являются железорудные материалы (агломерат и окатыши), превращающиеся по ходу плавки в металл и шлак. В качестве топлива используется кокс и частично кусковый антрацит, загружаемый через колошник доменной печи. Учитывая это для сокращения расхода энергоресурсов при выплавке чугуна необходимо, прежде всего, снижать расход кокса за счет повышения его качества.
    Применительно к доменным печам снижение расхода кокса в процессе плавки требует, с одной стороны, вложения средств, а с другой стороны, - некоторого уточнения представлений о влиянии тех или иных условий плавки на особенности расходования углерода кокса в физических и химических процессах. При этом основные пути снижения расхода кокса в расчете на тонну выплавляемого чугуна хорошо известны [1, 2].
    В их перечне первые позиции занимает существенное повышение качества кокса и железорудных материалов. Однако средства и условия для этого у доменных технологов имеются далеко не всегда. В этих условиях существенно возрастает значимость методов решения данной проблемы за счет вскрытия и реализации внутренних технологических резервов не только в доменных цехах, но и на коксохимических предприятиях, производящих кокс [3].
    Такие резервы всегда имеются и могут быть освоены путем дальнейшего уточнения закономерностей тепло- и массообмена между компонентами доменного противотока и совершенствования технологии подготовки угольной шихты к коксованию.
    В настоящее время постоянные изменения в сырьевой базе коксования, моральное старение и физический износ оборудования способствуют сохранению среди актуальных задач проведение комплекса исследований направленных на совершенствование технологии и оборудования при производстве кокса для обеспечения современной доменной плавки качественными шихтовыми материалами.
    Качество кокса является одним из главных факторов определяющих ход и результаты доменной плавки, и оценивается по двум направлениям: физическим показателям (прочность, истираемость, фракционный состав) и химическому составу [1, 2].
    По химическому составу кокс должен содержать максимальное количество углерода, и по возможности минимальное количество золы и серы. Увеличение содержания золы увеличивает выход шлака, что требует повышения расхода тепла на его плавление. При этом растет расход кокса и снижается производительность доменной печи. Кроме того, повышение содержания золы, которая расплавляется в зоне высоких температур, нарушая целостность куска кокса, ухудшает условия движения газового потока в нижней части доменной печи. Это вынуждает сокращать расход дутья, из-за чего снижается интенсивность горения кокса и производительность печи.

3

    Повышение содержания серы в коксе требует принятия специальных мер по ее переводу из металла в шлак, что увеличивает расход кокса. Кроме того, повышенное содержание серы повышает реакционную способность и снижает послереакционную прочность кокса, ухудшая газодинамику доменной плавки.
    По ситовому (фракционному) составу кокс должен быть однородным по крупности, содержать минимальное количество мелких (менее 25 мм) и крупных фракций (более 80 мм), обладать высокой прочностью в холодном и горячем состояниях. Повышенное содержание мелочи в коксе ухудшает работу доменной печи по всей высоте из-за ухудшения условий газодинамики плавки. Повышенное содержание крупных кусков свидетельствует о “недопеке” - недостаточной тепловой обработке угольной шихты. В рабочем пространстве печи такие куски разрушаются с выделением большого количества мелочи, что приводит к расстройству хода и результатов работы доменной печи.
    Для доменной плавки кокс должен соответствовать следующим требованиям, выдвинутым по итогам работы V Международного конгресса доменщиков (Днепропетровск - Кривой Рог 12-17 июня 1999 г.): показатель прочности М25 - не менее 90 %; показатель истираемости М10 - не более 6 %; содержание фракции +80 мм - не более 5 %; содержание фракции -25 мм - не более 5 %; колебания влажности в обе стороны - не более 0,5 %; реакционная способность CRI - 23-26 %; прочность после обработки в СО₂ CSR - 70 % [1, 2].
    При этом немаловажным, а возможно и главным, фактором для ровного хода доменной печи с высокими технико-экономическими показателями является стабильность параметров, определяющих качество кокса поставляемого в доменный цех.
    В этой связи большое значение имеет качество подготовки угольной шихты, которое заключается в правильно выбранной степени ее дробления в зависимости от содержания в шихте жирных и коксовых углей, что позволяет не ухудшать петрографические показатели шихты и не допускать ее “отощения”, что оказывает значительное влияние на качество кокса.
    В настоящее время сырьевая база коксования постоянно претерпевает существенные изменения, а количество хорошо спекающихся углей К, Ж и ОС в шихте неуклонно снижается, в связи с чем марочный состав угольных шихт давно не соответствует такому, который обеспечивает получение кокса высокого качества. На коксохимические предприятия поступают угольные концентраты, представляющие собой многокомпонентные смеси большого числа обогатительных фабрик, физико-химические свойства которых не отличаются стабильностью, а ритмичность поставки угольных концентратов на коксохимические предприятия далека от оптимальной [3].
    Угольная шихта составляется из углей “межбассейновой” базы, включая и угли дальнего зарубежья, совместимость которых на спекаемость и коксуемость не проверяется перед составлением шихт.
    В этих условиях одним из способов, позволяющим управлять качеством кокса, является обеспечение высокого качества подготовки угольных шихт перед коксованием. Рассмотрению, прежде всего этих вопросов, посвящена данная книга.

4

1. ПОДГОТОВКА УГОЛЬНЫХ ШИХТ К КОКСОВАНИЮ

        1.1. Влияние степени дробления угольной шихты на качество кокса

    На коксохимических заводах СССР степень измельчения шихты (содержание класса 0-3 мм) заметно снизилась с 1950 года от 90-93 % до 73-76 % в 90-е годы прошлого века [4]. Так, уже в 1973 году средняя степень измельчения шихты составила 79 % [5], а к 1980 году степень измельчения шихты еще снизилась и стала на Ясиновском и Криворожском коксохимических заводах 75,5 %; Макеевском - 75,7 %; Авдеевском - 75,9 %; Днепродзержинском - 71,4 %; Ждановском - 74,1 % [4, 6]. К 1992 году существенно изменилась структура добычи и качество углей, поступающих на коксование, заметно увеличилось содержание газовых и других углей пониженной спекаемости.
    В связи с этим, на Баглейском коксохимическом заводе провели промышленные коксования угольных шихт различного состава с увеличенной до 70 % долей углей пониженной спекаемости. Количество газового угля увеличили с 29,5 до 56 % при снижении содержания углей марок Ж и К с 39 до 21 % и с 17 до 9 %, соответственно. Количество угля марки ОС изменялось в пределах 1318 %. Степень измельчения шихты по содержанию класса 0-3 мм была 78,280 %. Качество кокса при увеличении доли углей пониженной спекаемости ухудшалось, но своевременная корректировка степени измельчения шихты, позволила сохранить качество кокса на достаточно высоком уровне. Так, при содержании марки Г 29,5 % качество кокса было М₂₅ - 88,7 %, М₁₀ - 5,5 %, а при содержании Г 56 % качество кокса снизилось до М₂₅ - 85,3 %, М₁₀ - 7,3 % [7].
    На коксохимических заводах России также подбирали оптимальную степень дробления угольной шихты. Так, на Новолипецком металлургическом заводе в процессе исследований установили, что оптимальная степень измельчения угольной шихты на тот момент времени была равна 76,5-77 % содержания класса 0-3 мм, вместо первоначального ее значения - 80 % [8]. По данным электронной версии информационного бюллетеня “Российский рынок производства и потребления коксующихся углей” (январь 2009 г.), представленной на сайте [9], степень измельчения угольной шихты на коксохимических заводах России изменялась от 73,6 до 79,0 % и только на НКМК (Новокузнецк) - 83,7 %; при этом показатели качества кокса изменялись в пределах: М₂₅ 84,4-89,1 %, М₄₀ 75,6-79,8 % и М10 7,2-10,3 %.
    Проведя многочисленные исследования при различном измельчении углей, входящих в состав шихты Карагандинского металлургического комбината, авторы работы [10] установили, что общая степень измельчения шихты для коксования на комбинате должна составлять 82 % содержания в ней класса 0-3 мм. Степень измельчения шихты на АО “АрселорМиттал Темиртау” в 2011 году изменялась в диапазоне 75,4-84,3 % [11].
    В работе [5] приводятся примеры использования метода дифференциального измельчения угольных шихт на металлургическом заводе США фирмы “Вейртон Стил °К”, на котором предусмотрено измельчение предварительно

5

выделенных из шихты крупных классов +16 мм. При этом общая степень измельчения угольной шихты составляла 65 % содержания класса 0-3 мм.
    На заводе “Бернс Харбор” фирмы “Бетлехем Стил” (США) осуществлено раздельное измельчение углей с высоким и низким выходом летучих веществ в различных дробилках. Общая степень измельчения шихты составляла 80-85 % содержания класса 0-3 мм.
    Исследователи фирм США, рассматривая основные направления повышения эффективности технологии коксования, считают необходимым учитывать при подготовке углей свойства отдельных классов, применять соответствующее дробление и меры по повышению насыпной плотности шихты.
    И.М. Глущенко в своей работе [12] рекомендует при значительном участии в шихтах жирных углей дробить только крупный концентрат при общем уровне помола не более 75-80 %. Выбор оптимального измельчения обеспечивает получение кокса требуемого качества и свойств.
    Авторы работы [13] для получения кокса оптимального качества предлагают угли марок Ж и К измельчать до содержания класса 0-3 мм - 75 %, а угли марок Г и ОС - до 80 и 85 %.
    Результаты промышленных коксований шихт с участием недробленого концентрата смеси углей марок Ж и Г показали возможность укрупнения шихты за счет уменьшения общего уровня ее измельчения с 78,0 до 74,5 % класса 03 мм. Такая подготовка угольной шихты не снижает прочностных свойств кокса, доменные печи работаютудовлетворительно [14].
    Вопрос о степени измельчения шихты должен решаться экспериментальным путем на каждом предприятии с учетом изменения качества кокса и технико-экономических показателей доменной плавки [15].
    Крайне важен оптимальный уровень помола, который устанавливается в зависимости от спекаемости шихты, степени засоренности инертными и слабо-спекающимися частицами, показателей качества отдельных классов крупности и способов измельчения. Чем выше спекаемость шихты, меньше засоренность ее крупных классов инертными частицами, совершеннее схема подготовки, тем ниже должен быть уровень измельчения [16].
    Авторы работы [17] также считают, что вопрос об оптимальном уровне измельчения угольных шихт очень важен, т.к. измельчение углей - дорогостоящая операция. Расход электроэнергии на 1 т измельчаемого угля в зависимости от его характеристики изменяется в пределах 1-3,5 кВт-час, а энергетические затраты на измельчение углей достигают 70 % от всех затрат на подготовку угольной шихты перед коксованием.
    В связи с рассматриваемым вопросом примечателен и опыт подготовки шихты к коксованию на Криворожском коксохимическом заводе (ККХЗ). В настоящее время это коксохимическое производство (КХП) предприятия ПАО “АрселорМитталКривойРог” (АМКР) [3].
    Так, в угольной шихте Криворожского коксохимического завода доля газовых углей в 1972 году составляла 35,5 % [18]. Шихта состояла из углей марок Г, Ж, К и ОС, а также бинарной смеси Г+Ж семи углеобогатительных фабрик. Уровень измельчения угольной шихты, принятый на заводе, был равен 74 %

6

содержания класса 0-3 мм. Проведя исследования, авторы работы [18] установили, что оптимальная степень измельчения шихт ККХЗ на тот момент времени при указанном качестве углей должна находиться в пределах 76-77 %, с учетом относительно тонкого измельчения отощенных и газовых углей и грубого помола углей марок Жи К.
     В другое время с целью оптимизации гранулометрического состава шихты для увеличения ее насыпной плотности на ККХЗ была изменена схема подготовки углей к коксованию. Шихта представляла собой смесь углей марок Г, Ж, К и бинарных смесей Г+Ж и ОС+Т, поставляемых десятью ЦОФ. По новой схеме газовые угли и бинарную смесь (Г+Ж) измельчали до содержания класса 0-3 мм не ниже 80 %; бинарную смесь (ОС+Т) - не ниже 90 %. Угли марок Ж и К при содержании в них класса 0-3 мм 76-77 % вводили в шихту без дробления по обводному желобу. Общая степень измельчения шихты снизилась с 80-81 до 76-77 %, а насыпная плотность увеличилась на 2,3 % [19].
     В последующем специалисты ККХЗ в работе [20] также отмечают, что рациональное использование угольной сырьевой базы коксования наряду с совершенствованием угольных шихт и технологии слоевого процесса коксования происходит также за счет применения прогрессивных методов подготовки углей. Общее повышение насыпной плотности шихты не только способствует увеличению производительности коксовых батарей, но и заметно улучшает физико-механические свойства кокса. Это особенно важно в связи с непрерывным ухудшением сырьевой базы коксования и снижением спекаемости угольных шихт. Так, в четвертом квартале 1976 года состав шихты ККХЗ значительно изменился, увеличилось содержание углей марки Г с 29,8 до 32,3 %, снизилось содержание углей Ж и К, соответственно, с 34,1 до 30,8 % и с 13,3 до 7,3 %. Произошло также увеличение доли участия в шихте углей Кузбасса с 7,9 до 13,2 %. Исходные угли марок Ж, К и ОС содержали до 70-80 % класса 0-3 мм и по ситовому составу представляли уже готовую для смешивания шихту. Общая степень измельчения шихты была 74-75 %.
     Однако нерациональная схема измельчения углей на ККХЗ приводила к тому, что зачастую переизмельчали хорошо спекающуюся часть угольной шихты (жирных углей). В результате в шихте увеличивалось содержание “ото-щающего” класса 0-0,5 мм, снижающего насыпную плотность шихты, ухудшающего ее коксуемость, что, в свою очередь, ухудшало физико-механические свойства кокса. Для устранения этих недостатков на первой очереди углеподготовительного цеха в желобе дробилки установили устройство для отсева классов 0-6 мм до дробления. Включение в технологическую схему отсеивающего устройства позволило вывести из процесса дробления до 30 % готового продукта и не переизмельчать жирные и коксовые угли, в результате чего механическая прочность кокса по показателю М25 возросла, а истираемость по показателю М₁₀ снизилась. Кроме этого внедрение отсеивающего устройства позволило примерно вдвое уменьшить расход электроэнергии на дробление [20].
     Следует отметить, что на ККХЗ одним из первых, кто предложил отсеивать класс 0-3 мм до дробления, был В.Ф. Кушниров (в последующем доцент, декан Криворожского металлургического факультета Днепропетровского ме

7

таллургического института в настоящее время Криворожский металлургический институт Национальной металлургической академии Украины). Исследуя шихту углеподготовительного цеха, он показал, что очень тонкое дробление имеет ряд существенных недостатков и идти по пути увеличения степени измельчения шихты, не достигнув при этом улучшения качества кокса, нецелесообразно. Необходимо постоянно определять оптимальную степень измельчения угольных шихт и производить отсев класса 0-3 мм перед молотковыми дробилками [21].
    Авторы [22] также определяли оптимальную степень измельчения угольной шихты ККХЗ уже на основании экономических показателей. В производственных условиях были найдены показатели качества кокса при измельчении шихты в диапазоне от 65 до 95 % содержания класса 0-3 мм. В соответствии с принятой на заводе схемой группового дробления компонентов шихты при базовой степени ее дробления 75 % газовые угли измельчали до 75-76 %, “ото-щающие” до 90-92 %, угли марок Ж иК до 60-70 % содержания класса 0-3 мм.
    В одной из последних работ по исследованию шихт Криворожского коксохимического завода, опубликованных в прошлом веке, предложено принять за эталонную такую шихту, которая содержит не более 26,5 % “отощающего” класса 0-0,5 мм с насыпной плотностью 823 кг/м³ [23]. Авторы этой статьи отмечают, что класс 0-0,5 мм характеризуется высокой зольностью, малым выходом летучих веществ и весьма низкой спекаемостью. В мелких классах концентрируются микрокомпоненты группы инертинита, отличающиеся малой прочностью и плохой спекаемостью.

        1.2. Эффект “самоотощения” при дроблении угольной шихты

    На многих коксохимических заводах подготовка шихты для коксования производится по схеме ДШ, когда дроблению подвергается шихта. При этом имеет место значительное переизмельчение хорошо спекающихся углей, в результате чего растет количество “отощающего” класса 0-0,5 мм. На некоторых заводах содержание этого класса в шихте доходило до 50-52 %, что резко снижало насыпную плотность шихты и, как следствие, снижалась производительность коксовых печей и ухудшалось качество кокса. Ухудшались также условия загрузки коксовых печей, увеличивался вынос пыли, снижалось качество смолы по зольности, увеличивалось количество фусов. При этом, чем больше степень измельчения шихты, тем большее влияние оказывает на ее насыпную плотность влага. При рабочей влажности 8-9 % насыпная масса шихты увеличивается с уменьшением содержания класса 0-0,5 мм и с увеличением крупных классов +3 мм. В шихте содержание класса 0-0,5 мм не должно превышать 35 % [24].
    При использовании в угольной шихте Запорожского коксохимического завода большой доли углей марки Г и Ж, с целью улучшения качества кокса за счет повышения насыпной плотности шихты, укрупнили шихту путем уменьшения содержания класса 0-3 мм с 88,4 до 84,7 %, при этом также снизилось содержание “отощающего” класса 0-0,5 мм с 46 до 38,1 %, а качество кокса заметно выросло [25].


8

    При измельчении шихты и сокращении количества крупных зерен ее качество ухудшается вследствие “выдрабливания” из них хрупких витринизирован-ных ингредиентов, зольность их растет, а спекаемость уменьшается. Чрезмерное измельчение приводит к существенному снижению спекаемости шихты, так как еще больше увеличивается поверхность спекания, усиливается адсорбция углем кислорода, возрастает газопроницаемость пластической массы, что ускоряет эвакуацию парогазовой фазы и тормозит протекание при пиролизе восстановительных процессов. Как результат, резко снижается текучесть пластической массы угля и наступает эффект “самоотощения” [17].
    Эффект “самоотощения” проявляется в явном виде при весьма тонких степенях измельчения углей. Оптимальной следует считать такую степень измельчения шихты, выше которой увеличение прочности кокса практически не происходит, и при которой обеспечиваются высокие технико-экономические показатели производства кокса. Оптимальным будет такой уровень измельчения, выше которого увеличение содержания в шихте класса 0-3 мм на 3-5 % не вызывает изменения индекса М₂₅(М₄₀) больше чем на 1 %. Каждой шихте соответствует свой оптимальный уровень измельчения. Специальные исследования и практика работы коксохимических предприятий подтверждают, что оптимум измельчения шихт, состоящих из хорошо обогащенных углей, лежит в области более низкого уровня их измельчения [17].
    В.И. Сухоруков отмечает, что прочность спекания угольных частиц находится в прямой зависимости от насыпной плотности угольной массы. В связи с этим рациональным является предварительное выделение мелких классов механическим путем и измельчение лишь крупной части шихты. В этом случае увеличение насыпной плотности достигается благодаря более выгодному соотношению между крупной и мелкой частями угольной шихты, приближающемуся к теоретическому - 68:32, т.е. содержание класса 0-0,5 мм в шихте, идущей на коксование, не должно быть больше 32 % [26].
    Необходимо более тонко измельчать слабоспекающиеся газовые, “ото-щенные” спекающиеся угли и угли марки Т. Более грубо необходимо измельчать хорошо спекающиеся угли и, в целом, уменьшать переизмельчение шихты и повышать ее насыпную плотность. Нельзя переизмельчать хорошо спекающиеся угли, что приводит к снижению при нагревании выхода жидких термоустойчивых продуктов, спекающих остальные компоненты шихты, а также слабоспекающиеся - из-за резкого увеличения поверхности спекания. Так как заметный рост поверхности наблюдается для “отощающих” классов 0-0,5 мм, то одной из задач подготовки углей и шихт является снижение в них содержания именно этого класса [27].

        1.3. Физико-химическая сущность влияния степени дробления угольной шихты на качество кокса

    Наиболее подробно физико-химическая сущность связи степени дробления шихты с качеством кокса изложена в работе [28], где авторы отмечают, что спекание углей и коксообразование являются в целом совокупностью химических

9

и физико-химических процессов и вызываемых ими физических явлений, происходящих при термической деструкции органических веществ каменных углей. Движущей силой процесса являются химические реакции термической деструкции этих веществ, протекающие во всем объеме каждого зерна в угольной шихте. В результате этих процессов происходит взаимодействие между образующимися продуктами термической деструкции каждого зерна, протекающее на границах и поверхности их контакта. При этом образовавшиеся продукты связываются между собой как физическими силами, так и химическими связями. Все это указывает на то, что зависимость между степенью измельчения, т.е. суммарной поверхностью зерен углей в шихте, и прочностью образующегося кокса не может быть прямолинейной и, что должен существовать оптимум размера зерен, различный для разных углей.
    Проведя соответствующие исследования, авторы работы [28] делают вывод о значении поверхности зерен углей, участвующих в спекании. Так, достигая определенного максимума без заметного влияния на спекаемость, избыточная поверхность материала при дальнейшем ее росте снижает толщину связующих слоев между зернами и резко ухудшает все показатели спекания - количество спекаемого материала и прочность образующегося твердого остатка. Поскольку поверхность материала возрастает с уменьшением диаметра зерен во второй степени, сделанные выводы позволяют считать вредным для процессов спекания избыточно тонкое дробление слабоспекающихся и неспекающихся компонентов шихты. В спекании смеси углей имеет значение как физическая сторона процесса (размер зерен каждого угля), так и физико-химическая его характеристика, в частности - наличие химических связей между зернами.
    Изучая глубину взаимного проникновения продуктов термической деструкции разных углей, авторы работы [28] установили, что степень перемещения этих продуктов у жирного угля, наиболее полно переходящего в жидкоподвижное пластическое состояние, во всех случаях резко снижается с уменьшением размера зерен. Это показывает, в частности, что даже пластическое состояние жирного угля не является однофазным (жидким), а представляет собой сочетание жидкой и твердой фаз и отличается от других углей только количественным соотношением их в системе. Именно поэтому и проявляется отрицательное влияние тонкого дробления жирного угля и шихт с его высоким содержанием на спекаемость.
    Кроме этого, степень перемещения продуктов деструкции углей зависит еще от свойств “принимающей” стороны, т.е. того материала, куда должна перемещаться пластическая фаза жирного угля. Один и тот же класс угля проникает в другие угли тем меньше, чем более тонко они измельчены, т.е. чем больше сопротивление “принимающей” стороны проникновению в нее пластической массы другого угля. Этот факт в еще большей мере усиливает отрицательное влияние тонких классов зерен углей в шихте на процессы спекания и коксообразования, а, следовательно, и на качество кокса [28].
    Глубина проникновения пластической массы углей в среду зерен или продуктов разложения других углей определяется как подвижностью пластической массы, так и сопротивлением, которое оказывают зерна углей проникающей в


10