Инновационное оборудование и усовершенствованная технология производства агломерата для доменной плавки


ИННОВАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА АГЛОМЕРАТА ДЛЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ



Монография














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 669.162.26
ББК 34.32
     И66



Авторы:
Лялюк В. П., Журавлев Ф. М., Чупринов Е. В., Пополов Д. В., Швед С. В.

Рецензенты:
профессор Национальной металлургической академии Украины, доктор технических наук В. В. Бочка;
профессор Криворожского национального университета, доктор технических наук Г. В. Губин





И66       Инновационное оборудование и усовершенствованная техноло-
     гия производства агломерата для доменной плавки : монография / [Лялюк В. П. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -264 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0828-8

     Дана общая характеристика доменной плавки. Рассмотрены основные направления совершенствования технологии и оборудования в производстве агломерата. Представлены теоретические исследования рабочего процесса вибрационных конусных дробилок для подготовки рудной части шихты к спеканию, а также физические методы повышения теплоты в верхнем слое агломерационной шихты.
     Для широкого круга специалистов черной металлургии и смежных с ней отраслей. Может быть полезно студентам высших учебных заведений горнометаллургического и экономического профиля.

УДК 669.162.26
ББК 34.32








ISBN 978-5-9729-0828-8

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ВВЕДЕНИЕ


    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 современных.
    Дальнейшая эволюция доменной 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 значительными этапами этой эволюции являются:
    -      применение нагрева дутья и последующее его увлажнение для дальнейшего увеличения температуры;
    -      агломерация пылевидных руд и последующий ввод флюсов в состав агломерата;
    -     сжатие газа в рабочем пространстве доменной печи;
    -      обогащение бедных руд с последующим их окускованием путем агломерации или производства окатышей;
    -     удаление мелких фракций из шихты перед загрузкой в печь;
    -      применение природного и коксового газа, мазута и измельченного угля для вдувания через фурмы, а также загрузка кускового антрацита через колошник доменной печи;
    -     обогащение дутья кислородом;
    -      совершенствование управления доменным производством “сверху” и “снизу” на основе более совершенного контроля технологических параметров.
    Лучшие доменные печи конца XIX века работали с удельной производительностью 0,6-0,8 т/(м³-сутки) при расходе кокса 900-1200 кг/т чугуна; суточная производительность одного агрегата составляла 300-600 т.
    Результат развития доменной плавки в течение XX века выражается в 3-4-кратном увеличении удельной производительности доменных печей и в 2,5-3-кратном сокращении удельного расхода кокса.
    Совокупность известных и разрабатываемых мероприятий по совершенствованию доменной плавки позволит в XXI веке улучшить ее показатели примерно в 1,5 раза, достигнув удельной производительности 3,5-4,0 т/(м³-сутки) и расхода кокса 250-300 кг/т чугуна, что близко к предельным возможностям доменной плавки в рамках присущих ей характерных свойств.
    Развитие технологии на передовых предприятиях мира идет, прежде всего, по пути улучшения качества железорудного сырья и кокса, совершенствования параметров режима плавки и управления процессами. На этих предприятиях ряд крупных доменных печей (диаметр горна 9-14 м) работают с расходом кокса 300-350 кг/т чугуна при удельной производительности 2,5-3,2 т/(м³-сутки).
    Это достигается за счет использования богатой шихты (выход шлака 220300 кг/т чуг.) с полным ее офлюсованием и удалением мелочи (содержание фракции -5 мм менее 3-5 %), атакже применения прочного стабилизированного кокса, содержащего 85-90 % фракции 30-75 мм, которая сохраняется в горне на

3

90-95 %, и вдувания пылеугольного топлива. При этом широко используется загрузка коксового “орешка” 20-40 кг/т чугуна. При использовании в шихте доменной плавки большого количества неофлюсованых окатышей основность агломерата достигает 1,9-2,0 д.ед. Современная технология доменной плавки включает нагрев дутья до 1200-1250 °С при невысоком обогащении его кислородом (на 23-25 %) и вдувание пылеугольного топлива (250-300 кг/т чугуна). Большое внимание уделяется управлению распределением материалов на колошнике. На современных печах широко применяют загрузку кокса в центр. Оперативность управления распределением шихты обеспечивается применением лотковых загрузочных устройств.
    Резервы дальнейшего улучшения показателей плавки иллюстрируются результатами работы доменной печи №6 Hoogovens (2328 м³) в течение июня -декабря 1992 года с удельной производительностью 2,59 т/(м³ сутки) при расходе кокса 249 кг/т и дополнительно - коксового “орешка” 37 кг/т с вдуванием пылеугольного топлива 195 кг/т. В декабре расход кокса достиг 236 кг/т при расходе “орешка” 36 кг/т и пылеугольного топлива 212 кг/т.
    В реальных шихтовых условиях бывшего СССР в период социальной стабильности (до 1991 г.) на лучших доменных печах достигалась среднемесячная производительность 2,5-3,0 т/(м³-сутки) при удельном расходе кокса 390400 кг/т чугуна. Среднегодовая удельная производительность доменных печей выше 2,0 т/(м³-сутки) и расход кокса 410-450 кг/т чугуна были на 23 доменных печах России, ана 3-4 печах Украины, а среднегодовой расход кокса по отрасли был 460-470 кг/т при удельной производительности 1,6-1,75 т/(м³-сутки). При этом на отдельных доменных печах технологические параметры были: температура дутья 1200-1250 °С, концентрация кислорода 35-40 %, расход природного газа 170-180 м³/т, мазута 100 кг/т, пылеугольного топлива - до 120-160 кг/т.
    Следует отметить, что в СССР в свое время пошли по экстенсивному пути развития доменного производства, внедрялись технологии способствующие повышению интенсивности доменной плавки, а необходимо было вначале строить новые агломерационные фабрики с современными агрегатами и оборудованием, с использованием прогрессивных технологий получения агломерата. Из-за чего и сегодня качество железорудного сырья не удовлетворяет требованиям современной доменной плавки, в том числе и для внедрения технологии ПУТ высоких параметров. Примером может служить внедрение технологии ПУТ на доменной печи объемом 5000 м³ ПАТ “АрселорМиттал Кривой Рог” где с 2016 по 2021 годы самый высокий расход ПУТ был 101 кг/т чугуна, а основной причиной этого является низкое качество агломерата поставляемого на эту печь.
    Поэтому следует констатировать, что наряду с повышением качества кокса наиболее эффективным мероприятием, позволяющим существенно улучшить технико-экономические показатели работы доменных печей (снизить удельный расход кокса, повысить производительность, уменьшить выход шлака, обеспечить условия для внедрения технологии вдувания ПУТ), является улучшение металлургических свойств железорудной части доменной шихты.

4

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

1.1. Физическая сущность доменной плавки

    Доменная плавка предназначена для выплавки металла - чугуна из железных руд. Железные руды представляют собой горную породу, состоящую из рудных (оксиды железа) и нерудных минералов - пустой породы (оксиды кремния, кальция, магния, марганца и др. элементов) минералов, полезных (Ni, Mg, Cr, W, V) и вредных (S, P, Zn, Pb, As и др.) примесей.
    С учетом этого в доменной плавке необходимо решать следующие основные задачи:
    - восстановление оксидов железа, т.е. разделение железа и кислород;
    - отделение восстановленного железа от оксидов пустой породы;
    -     удаление вредных примесей, предотвращая насыщение ими выплавленного металла, обеспечивая максимальное усвоение полезных [1, 2].
    Перечисленные задачи решаются последовательно или одновременно в противоточном тепло-массообменном металлургическом агрегате шахтного типа - доменной печи [3].
    В качестве восстановителей в доменной печи используются углерод и водород твердого, жидкого и газообразного топлив, газифицированных кислородом дутья и оксидов железа. Основным топливом доменной плавки является каменноугольный кокс, заменяемый в определенном количестве кусковым антрацитом, загружаемым совместно с железорудными материалами или тонко-измельченным углем, вдуваемым через фурмы в печь [4-6].
    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 доменной печи, главным образом, в результате газификации (неполного горения) углерода топлива загруженного в доменную печь в кислороде дутья, подаваемого через воздушные фурмы.
    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 плавления, 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 плавления, образуя сплав оксидов - шлак.
    Образующийся в нижней части печи горячий восстановительный газ формирует поток, поднимающийся снизу вверх навстречу опускающимся материалам. Газ отдает материалам теплоту, сам при этом остывает и отнимает у них кислород, в результате чего окисляется. Таким образом, в ходе доменной плавки происходит обмен теплотой 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.


5

    Важными особенностями доменной плавки являются:
    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 теплота, необходимая для решения второй задачи плавки по разделению восстановленного железа и оксидов пустой породы, что осуществляется в жидком (расплавленном) состоянии в доменной печи и при выпуске из неё продуктов плавки.
    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 выше 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].

1.2. Основные показатели доменной плавки


    Основными технико-экономическими показателями доменной плавки являются [1]:
    1.     Производительность (П) - количество тонн чугуна, выплавленного за сутки. Если суточную производительность относят к 1 м³ полезного объема печи, то получают значение удельной производительности. Величина, обратная удельной производительности печи, называется коэффициентом использования полезного объема (КИПО) печи. Чем лучше работает доменная печь, тем выше её удельная производительность и ниже КИПО.
    2.     Интенсивность горения кокса (интенсивность плавки) (JK) - количество тонн кокса сожженное за сутки, отнесенное к 1 м³ полезного объема печи или к 1 м² сечения горна. Важно подчеркнуть, что в доменной печи кокс (углерод кокса) горит только в кислороде: поступающего через фурмы дутья (с выделением теплоты) и поступающей сверху из зоны непрямого восстановления недо-восстановленной шихты (с поглощением теплоты), т.е. в реакциях прямого восстановления. Интенсивность плавки также можно определять количеством проплавленной железосодержащей части шихты или количеством дутья на 1 м³ объема печи и т.д.
    3.     Удельный расход кокса (к) - количество тонн кокса, израсходованного для выплавки 1 тонны чугуна.
    Производительность, интенсивность плавки по сожженному коксу и удельный расход кокса связаны между собой соотношением:

П -      т/сут.; т/(м³-сут.).


(1)

6

    В соответствии с приведенной формулой производительность доменной печи может быть увеличена за счет:
    -  повышения интенсивности горения кокса - форсирование дутьем;
    -      путем снижения расхода кокса - форсирование повышением рудной нагрузки.
    Интенсивность горения кокса может быть увеличена:
    -  за счет увеличения поступления кислорода в составе дутья через фурмы;
    -      путем увеличения поступления кислорода с шихтой в зону прямого восстановления, т.е. степени прямого восстановления.
    Таким образом, производительность печи возрастает при [1, 2]:
    -      увеличении поступления кислорода с дутьем, т.е. при увеличении расхода дутья или содержания кислорода в дутье;
    -  сокращении расхода кокса в процессах нагрева;
    -      сокращении расхода кокса в процессах восстановления, причем, в процессах прямого восстановления.
    Из перечисленных методов повышения производительности печей одни -являются сугубо интенсификаторами плавки, т.е. повышают производительность за счет увеличения интенсивности горения кокса (интенсивности плавки). С этой целью используются повышение расхода дутья, обогащение дутья кислородом, увлажнение дутья, повышение давления в рабочем объеме печи.
    Другие - точнее именовать методами повышения эффективности плавки; главным образом в связи со значением стоимости сэкономленного кокса в себестоимости выплавленного чугуна. К ним относятся все способы повышения использования тепловой и восстановительной энергии газа, а также топливные добавки, подаваемые в фурмы печи (природный газ, мазут, пылеугольное топливо и др.) или загружаемые через колошник (антрацит) [1, 2, 4-6].
    Третьи - являются комплексными методами, повышающими производительность печей за счет роста числителя и сокращения знаменателя в формуле (1). Перечень данных методов включает в себя нагрев дутья, улучшение химического и гранулометрического состава, а также прочности сырья и топлива. Сюда же, по всей очевидности, необходимо отнести совершенствование распределения шихтовых материалов и газового потока по поперечному сечению доменных печей.

1.3. Топливо доменной плавки

    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 (К, Ж, ОС), марок каменных углей.
    В дополнение к коксу используются также загружаемый совместно с железорудными материалами кусковый антрацит, горючие газы (природный и коксовый), мазут, пылеугольное топливо и другие топливные добавки, как правило, подаваемые в горн доменной печи совместно с потоком дутья.


7

    Кокс, загружаемый в печь совместно с шихтовыми материалами через колошник, в доменной плавке играет в основном триединую роль:
    -      обеспечивает плавку газообразным восстановителем, частично принимая участие в прямом восстановлении оксидов железа и других элементов (восстановитель);
    -      обеспечивает необходимые температурно-тепловые условия протекания физико-химических превращений (энергоноситель);
    -      является разрыхлителем столба шихтовых материалов, заполняющих рабочее пространство печи (разрыхлитель).
    Однако в последнее время стали выделять еще три немаловажные для доменной плавки функции кокса [7, 8]:
    -      собиратель дисперсных пылевидных и газообразных продуктов в фурменной зоне (адсорбент);
    -      источник мелочи (“мусора”), снижающей газопроницаемость столба шихтовых материалов, понижающей жидкоподвижность шлаков в горне печи, приводящей к его загромождению [9];
    -     распределитель газового потока по сечению и высоте доменной 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, невысокая 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.
    По ходу плавки, опускаясь в рабочем пространстве печи, загруженный через колошник кокс расходуется в следующих процессах:
    1)  уносится колошниковым газом в виде мелких фракций;
    2)      расходуется в качестве восстановителя в реакциях прямого восстановления оксидов железа и других элементов (сгорает до СО в кислороде шихты);
    3)      сгорает до СО в кислороде дутья у фурм, образуя горновой восстановительный газ.
    4)  растворяется в железе, образуя чугун;
    5)      выбрасывается, в большем или меньшем количестве, через чугунную летку на выпусках продуктов плавки и при промывках горна.
    Необходимая для осуществления плавки теплота выделяется при горении дошедшего до фурм углерода кокса.
    Важно также иметь в виду и то, что в доменной плавке расход кокса регулируется только в связи с тепловым состоянием (нагревом) печи: при снижении нагрева его расход увеличивается, а при повышении - снижается. При этом процесс регулирования заключается в изменении количества сгорающего у фурм углерода методом “сверху”, т.е. за счет изменения расхода кокса в каждую подачу [1].

8

    1.4. Краткая характеристика качества кокса для доменной плавки

    Качество кокса является одним из главных факторов, определяющих ход и результаты доменной плавки. Оно оценивается тремя характеристиками: исходными физическими (прочность, истираемость, фракционный состав), химическим составом (содержание золы, серы) и физико-химическими характеристиками в процессе нагрева в доменной печи.
    Исходные прочностные характеристики кокса должны обеспечить минимальное его разрушение и образование мелочи при транспортировке и загрузке в доменную печь.
    По химическому составу кокс должен содержать максимальное количество углерода и минимальное количество золы и серы. Увеличение содержания золы увеличивает выход шлака, что требует повышения расхода теплоты на его плавление. При этом увеличивается расход кокса и снижается производительность печи. Кроме того, повышение содержания золы, которая при расплавлении в зоне высоких температур нарушает целостность куска кокса, ухудшает условия движения газа в нижней части печи. Это вынуждает сокращать расход дутья, из-за чего снижается интенсивность горения кокса и производительность доменной печи.
    Повышение содержания серы в коксе, переходящей в металл, требует принятия специальных мер по ее переводу из металла в шлак, что повышает 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 крупным, однородным по крупности, иметь минимальное количество мелких (менее 25 мм) и крупных фракций (более 80 мм), высокую прочность в холодном и горячем состояниях. Повышенное содержание мелочи в коксе ухудшает работу доменной печи по всей высоте из-за ухудшения условий динамики газа. Повышенное содержание крупных кусков свидетельствует о “недопеке” - недостаточной тепловой обработке угольной шихты. В рабочем пространстве печи такие куски разрушаются с выделением большого количества мелочи, в результате ухудшаются ход и результаты работы доменной печи.
    Требуемые физико-химические характеристики кокса в процессе нагрева в доменной печи обеспечивают газопроницаемость столба шихты, образование нужного количества восстановительного газа, скорость восстановления оксидов железа ^соответственно, производительность доменной печи.
    Для доменной плавки кокс должен соответствовать 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 влажно-сти в обе стороны - не более 0,5 %; реакционная способность CRI -23-26 %, прочность после обработки в СО₂ CSR - 70 % [10, 11].

9

    1.5. Требования доменной плавки к качеству железорудного сырья

    В настоящее время основным железорудным сырьем для доменной плавки остается агломерат. Работа доменной печи на 100 % окатышей вызывает серьезные осложнения в газодинамике доменной плавки, а загрузка в печь кислых окатышей значительно снижает стойкость основной футеровки печей.
    Разработанная в свое время на металлургическом комбинате “Криворож-сталь” технология загрузки окатышей предусматривает смешивание окатышей с агломератом, но даже в этом случае без особых осложнений для ровного хода доменной печи, оптимальным было не более 40-45 % окатышей в железорудной части шихты доменной плавки [12].
    Качество железорудных материалов, как и качество кокса, оценивается тремя основными характеристиками: исходными физическими (прочность, истираемость, гранулометрический состав), химическим составом (содержание железа, основность, содержание серы) и физико-химическими характеристиками в процессе нагрева и восстановления в доменной печи (прочность и истираемость, газопроницаемость и усадка слоя, температурный интервал размягчения и плавления, восстановимость).
    По химическому составу окускованное железорудное сырье должно иметь максимальное содержание железа и минимальное количество пустой породы (главным образом SiO₂). Содержание железа должно составлять в окатышах 6465 %, в агломерате - 58-59 % при содержании SiO₂ на уровне 3-5 %. Повышение содержания железа и снижение содержания SiO₂ уменьшает выход шлака в доменной плавке. При этом уменьшается расход кокса и повышается интенсивность горения кокса, в связи с чем, производительность печи возрастает.
    По итогам работы V Международного конгресса доменщиков (Днепропетровск - Кривой Рог 12-17 июня 1999 г.) железорудное сырье должно соответствовать требованиям, приведенным в таблице 1 [10, 11].
    В настоящее время доменщики определились с требованиями к качеству кокса, а коксохимики могут производить кокс нужного качества. А вот проблема повышения качества железорудного сырья и в частности основного его вида - агломерата в полной мере пока не решена.


Таблица 1. Требования доменной плавки к качествужелезорудного сырья

            Показатели             Агломерат Окатыши
                1                      2        3   
Допустимые отклонения от среднего:                  
содержания железа, %                 ±0,50    ±0,25 
основности, ед.                      ±0,05   ±0,025 
содержания FeO, %                    ±1,0      ---  
Содержание мелочи -5 мм в скиповом     5        2   
продукте не более, %                                

10