Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 3 )

Введение топлива через течку проще, чем обычный ввод ее в дутье перед фурмой. Угольная пыль, вдуваемая через фурмы, горит уже при прохождении фурм. Через течку с трубой достаточного диаметра можно вводить в зону горения не только угольную пыль, не только частицы много меньше окатышей, но и частицы размером с окатыш, с кусок кокса или несколько больше. Можно засыпать и кусковое топливо.

При работе фурмы мощный газовый поток факела действует как «эжектор»; в него всасываются, увлекаются окружающие газы и кусочки шихты. Материалы, засыпаемые через течку, будут увлечены этим газовым потоком факела и разнесены по горну печи примерно так же, как куски кокса и окатыши переносятся факелами в существующих доменных печах.

Распространено определенное предубеждение, что в футеровке доменной печи недопустимы какие-то отверстия, течки, и др. Между тем подобная течка не представляет, очевидно, каких-то принципиальных опасностей. Куски угля, введенные через течку, могут служить и материалом для формирования «топливной насадки» в доменной печи, особенно если данный уголь при быстром нагреве дает прочный полукокс.

При наличии таких течек над фурмами вдувание угольной пыли можно заменить более дешевым и безопасным всыпанием в факелы пыли или угольной «крупки».

3. Введение топлива через кольцевое пространство и образование топливной оболочки массы М. Кусковое топливо можно загружать в отдельный отсек, который затем смыкается с основным рудным корпусом агрегата выше уровня фурм, где заканчивается перегородка, разделяющая отсеки. Такие схемы будут рассмотрены ниже, в разделе 7.4. В варианте, приведённом на рис. 3.3, кусковое топливо вводится через кольцевое пространство Т вокруг основного «рудного» корпуса «Мидрекс» с окатышами. Топливо и окатыши загружаются в разные отсеки, но ниже разделительной перегородки П топливо и рудная компонента приходят в контакт и далее опускаются вместе. Масса М металлизованных окатышей в горне в этом случае окажется заключенной в топливную оболочку по боковым поверхностям. Такая угольная оболочка может работать также в качестве графитовой смазки, облегчающей движение спекающейся массы М окатышей в корпусе агрегата и уменьшающей опасность зависания шихты. При такой загрузке топлива кокс, видимо, можно практически полностью заменить кусковым углем.

Рис. 3.3. Схема введения топлива Т через кольцевое пространство вокруг основного корпуса:

1 – фурмы основного дутья; 2 – дополнительное дутье для дожигания отходящих газов; 3 – загрузка топлива; 4 – загрузка окатышей; 5 – летки; П – перегородка, отделяющая топливо от окатышей.

Если факелы будут столь же интенсивными, длинными, со столь же высокими скоростями газа, как в доменной печи, то куски топлива будут сноситься газовыми потоками факелов к центру печи, вглубь плавящейся массы М металлизованных окатышей, обеспечивая ее науглероживание и плавление.

4. Врезки. Топливный отсек Т (см. рис. 3.3) не обязательно должен охватывать всю окружность агрегата; он может состоять из ряда отдельных секторов, каждый из которых «нацелен» на свою фурму. В этом случае топливо на каждую фурму будет подаваться из своей «врезки» в футеровке печи. Каждая «врезка» может иметь размер, например, 0,5-1 м. Каждая врезка прибавит к потоку опускающейся шихты свой поток топлива размером 0,5-1 м. Через течки, врезки, через кольцевое пространство Т можно вводить непосредственно в зону горения все те материалы, которые могут реагировать в факелах, но не могут успешно пройти длинный путь от колошника до факелов через шахту. Конечно, концентрат и угольную пыль нельзя загружать в доменную печь (или в агрегат см. рис. 3.1) сверху, через колошник; здесь эти порошки будут просто унесены из печи потоками отходящих газов. Сверху также нельзя загружать недостаточно прочные необожженные окатыши или непрочные куски угля, разрушающиеся в шахте. Но при введении прямо в зону горения, в факелы, нормально прореагируют, очевидно, любые виды топлива и рудные компоненты шихты.

5. Газогенератор в отдельном отсеке. Топливо можно сжигать в отдельных отсеках, в газогенераторах Г (см. рис. 3.4). Из газогенераторов Г горячие восстановительные газы поступают в основной рудный корпус М . Потоки дутья из газогенераторов и из коррекционных фурм 3 целесообразно направить так, чтобы газовые потоки циркулировали вокруг металлизованной массы М . Излишнее тепло горения топлива в газогенераторе можно утилизировать, добавляя в дутье водяной пар. При взаимодействии с углеродом пар даст водород, ускоряющий металлизацию. Избыток тепла будет меньше также при использовании углей с повышенным содержанием углеводородов. В данной схеме топливо не контактирует с рудой и металлом, поэтому будет уменьшено загрязнение металла рядом примесей топлива. Такие примеси будут удаляться с жидкой золой топлива через отдельную летку 5 (см. рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема агрегата «угольный Мидрекс» с газогенератором:

Г – один из газогенераторов; 1– фурмы основного дутья в газогенераторе; 2 – дополнительное дутье для дожигания отходящих газов; 3 – фурмы корректирующего дутья; 4 – загрузка окатышей; 5 – жидкое золоудаление газогенератора; 6 – летки

ГЛАВА 4. ВДУВАНИЕ ПОРОШКА КОНЦЕНТРАТА. О КАЧЕСТВЕ СТАЛИ

4.1. Вдувание порошка железорудного концентрата

с угольной пылью

В доменной печи в горячем дутье (например, 1200 0С) горит рудо–топливная смесь; в предлагаемых схемах в горячем воздухе горит одно лишь топливо, например, угольная пыль. Поэтому в зоне горения будет более высокая температура, чем в доменной печи, так как тепло внутри факела не будет расходоваться на нагрев железорудной компоненты шихты и на реакции восстановления.

Далее, в схеме (см. рис. 3.1) опускающиеся окатыши подойдут к зоне факелов более горячими, чем в доменной печи, так как они будут интенсивно прогреваться уже в шахте, в зоне дожигания отходящих газов. В зоне факелов образуется увеличенный избыток тепла еще и по этой причине. Для утилизации этого тепла в данной книге предлагается вдувать через фурмы в факел вместе с угольной пылью еще и порошок железорудного концентрата, или всыпать этот порошок концентрата с пылью в факелы через течки над фурмами.

Очевидно, вдувание концентрата можно выполнить по той же технологии и на том же оборудовании, которые используются сейчас при вдувании угольной пыли. При этом вдувание концентрата легче; угольную пыль требуется еще получить размолом кускового топлива, а концентрат в виде более тонкой пыли существует уже в своем исходном состоянии и, в отличие от угольной пыли, он не взрывоопасен, не пожароопасен. Концентрат ряда ГОКов имеет размер частиц меньше 0,3 мм, или даже меньше 0,074 мм, тогда как угольная пыль часто содержит частицы размером несколько миллиметров. Более тонкое измельчение требуется для сжигания пыли при более низких температурах.

При вдувании (или засыпании в факел через течку) частички концентрата попадут с газовым потоком факела в среду газогенераторного газа при очень высокой температуре (например, 2000 0С) и почти мгновенно превратятся в малые капельки чугуна, которые затем налипнут на поверхности жидких или твердых фаз в горне печи. Возможность неблагоприятного результата состоит в том, что некоторые струйки газов с частичками концентрата могут попасть в выше расположенную и сравнительно холодную зону (ниже 1140 0С), где нет расплавов. Такие частички, оставаясь твердыми, могут не слипнуться, а, пройдя процессы восстановления и окисления, почти в исходном виде могут быть вынесены из агрегата с колошниковыми газами. Однако такой вынос не ведет к слишком вредным последствиям, а его вероятность может быть достаточно понижена. Если всыпаемый концентрат или окатыши упадут мимо факела и попадут в более низко расположенные горячие зоны горна, то это не будет неблагоприятным результатом.

Факелы горячего дутья с угольной пылью и с концентратом могут давать металл уже сам по себе, даже и без участия кусковой шихты, например, в «пустом» агрегате типа доменной печи. Правда, если горячие газы факела будут просто уходить из агрегата, без утилизации физического и химического тепла, которую в схеме рис. 2.1 выполняет шахта с окатышами, то потребуется весьма высокий расход топлива, например, 1,75 тонны углерода на тонну жидкого металла при горении только до СО, и порядка 1,2 тонны углерода на тонну металла при обычном соотношении СО и СО2 (см. Приложение 2, задача 3).

Известны патенты по способу «Циклон», в котором подобный факел при более низких температурах предназначается для металлизации концентрата в твердый порошок железа. Такие процессы достаточно затратны по расходу топлива.

Если же факелы с концентратом и угольной пылью работают в агрегате «угольный Мидрекс» в массе кусковой шихты, то физическое и химическое тепла отходящих газов утилизируется вышележащими слоями окатышей. Получение металла из вдуваемого концентрата в этом случае будет столь же экономично по теплу, как получение металла из окатышей.

Если мы получаем часть металла из порошка концентрата и угольной пыли, то мы как бы исключаем для этой части продукции из металлургического цикла два передела – коксование угля, а также формование из порошка концентрата окатышей и их обжиг. Температура этих переделов часто составляет 1100 – 1300 0С, то есть приближается к температуре самого доменного процесса. Поэтому исключение этих двух переделов значительно снизит энергоемкость цикла, даст значительный экономический эффект.

Соотношение подачи рудной компоненты концентратом в факелы и окатышами сверху будет определять профиль распределения температур по высоте печи. Верхний предел количества подаваемого концентрата определится тем, что температуру факела нельзя чрезмерно понижать, иначе наступят трудности с расплавлением металлизованной массы М. Кроме того, чрезмерное уменьшение потока нагревающихся и металлизующихся окатышей в шахте печи понизит возможности утилизации химического и физического тепла дожигаемых отходящих газов. Долю концентрата, видимо, целесообразно поддерживать значительно меньше половины.

Насколько нам известно, в настоящее время не осознаны отмеченные возможности, открывающиеся при вдувании порошка концентрата.

4.2. Управляемость процесса

У двух доменщиков всегда три мнения, потому что третье мнение имеет домна.

Из дискуссий

Предлагаемые процессы являются также более управляемыми по сравнению с современным доменным процессом. При доменной плавке большую угрозу может представлять намечающийся недостаток тепла в горне, похолодание горна. Но если печь отапливается вдуваемой угольной пылью, как в схеме (см. рис. 3.1), то можно быстро изменять ее количество, то есть варьировать коэффициент недостатка или избытка воздуха, и, соответственно, соотношение процессов восстановления и тепловыделения, то есть нагрева или плавления.

Вопреки распространенному мнению, факелы выделяют в горне больше тепла, если к дутью добавлять меньше топлива, угольной пыли. Если выявится большой недостаток тепла в горне, то на какое-то время можно вообще не подавать угольную пыль; дутье без топлива даст большое количество тепла Q в горне за счет горения железа (Q = 290 кДж на грамм-атом кислорода). Если горение пыли вести с небольшим избытком воздуха, то происходит полное горение топлива до СО2 и выделяется 200 кДж/г-ат кислорода. При этих режимах дутья можно разогревать горн (как в конвертере) и ускорять плавление при замедлении восстановления или даже при временной смене восстановления на окисление. Наоборот, при большом избытке угольной пыли увеличится доля восстановления окислов избыточным твердым углеродом (или «прямое восстановление», С + FеО = Fе + СО) с поглощением тепла (Q = -180 кДж/г-ат избыточного углерода). В таком режиме ускорится восстановление при снижении температуры и замедлении плавления. Факел с угольной пылью можно регулировать примерно как ацетиленовую горелку, которая при недостатке кислорода используется для накопления жидкого металла и для сварки, а при избытке кислорода выполняет резку металла за счет его горения. В схеме (см. рис. 3.1) можно быстро изменять температуру горения в факелах, особенно если с угольной пылью вдувается еще и порошок концентрата.

Подобных возможностей нет в обычном доменном процессе. Если, например, выявится недостаток топлива в шихте, и мы увеличим его долю в завалке, то это даст эффект, лишь через сутки, когда данная шихта дойдет от колошника до горна. Нет возможностей быстро и намного изменять температуру горения в доменных факелах, соотношение восстановления и плавления, соотношение рудной компоненты и топлива в горне, избыток или недостаток топлива при горении (в горне домны всегда большой избыток топлива). Так как в домне реагирует смесь компонентов, то разные процессы жестко взаимосвязаны, и мало возможностей повлиять на их соотношение.

В связи с этим приходится полагаться на «искусство» доменщика, на его «чутье», на многолетний опыт, желательно на опыт нескольких поколений династии доменщиков. Однако все это не очень ясные и не очень надежные методы. Доменный процесс нередко называют капризным, непредсказуемым и др. Говорят, что у двух доменщиков всегда три мнения, потому что домна обычно имеет третье мнение.

Высокая управляемость предлагаемых процессов позволяет в них опробовать такие режимы, которые в доменной печи являются весьма рискованными или даже совершенно неприемлемыми.

Если в предлагаемом агрегате будет обилие дешевого тепла, то потеряют смысл предварительные процессы обжига сидеритов, обжига известняка, окислительного обжига руд и др. в отдельной специальной печи с последующим охлаждением и новым разогревом в доменной печи. Подобные процессы нецелесообразно будет проводить в отдельной печи, разумнее совместить их основной плавкой.

4.3. О качестве получаемой стали

Может быть, так будет получаться какая-то плохая сталь…

В условиях господства традиционной идеологии теоретические построения новых процессов, естественно, встречаются обычно с недоверием. Распространенные возражения сводятся к тому, что, может быть, здесь выявятся какие-то большие или непреодолимые технические сложности.

Естественно, если новую физико–химическую схему процесса предложит физхимик. При выборе схемы важно свободно оперировать данными о теплотах процессов, о теплоемкостях, о положениях равновесия, о константах скорости и др. Но металлурги–практики обычно быстро дают понять такому физхимику, что он недостаточно разбирается в технических сложностях и опасностях реального процесса, предлагает такие новшества исключительно по наивности, потому лишь, что «не бывал еще и около печи». Физхимик начинает думать, что, наверное, подобные варианты обдуманы или даже опробованы кем-то и отброшены как нереальные; просто не может быть, чтобы столь простые возможности оставались неиспользованными без каких-то глубоких причин. В результате такие физико–химические поиски быстро становятся неуверенными, робкими и вскоре затухают. Примерно по таким же причинам очевидные возможности часто не используются в разных областях, если они противоречат господствующей идеологии.

Обычное возражение по схеме (см. рис. 3.1), агрегата «Угольный Мидрекс» состоит в том, что, может быть, так будет получаться какая-нибудь плохая сталь, которую придется отправить в отвал. Подобные опасения в принципе естественны, потому что закономерности как доменного, так и сталеплавильного процессов далеко не ясны, часто представляются капризными, непредсказуемыми. В этих условиях естественно придерживаться отлаженных процессов, многократно опробованных вариантов и по возможности меньше от них уклоняться.

Возможности получения качественной стали, возможности рафинирования металла в том или ином агрегате определяются тем набором операций, которые можно провести с расплавом в данном агрегате. Важно иметь возможность перемешивать ванну с расплавами с определенной интенсивностью, а также возможность определенное время дать ей отстояться для хорошего разделения фаз. Ценна возможность вводить рафинирующие добавки (например, известь для очистки от серы) в жидкий металл, а также легирующие добавки. Хорошо, если можно организовать кипение и дегазацию металла в определенном режиме, варьировать содержание кислорода в расплаве, возможность нагреть металл до нужной температуры и др. Основным базовым условием для проведения всех операций является наличие достаточного количества дешевого тепла, возможность достаточно долго проводить нужные операции.

Возможности рафинирования металла в современных сталеплавильных агрегатах ограничены тем, что тепло в них весьма дорого. Нагрев ванны жидкого металла намного труднее и дороже, чем эквивалентный нагрев твердой шихты в шахтной печи. В сталеплавильных агрегатах, в отличие от домны, нет прихода тепла с горячим дутьем и нет утилизации хотя бы физического тепла отходящих газов. В предложенной схеме (см. рис. 3.1) в тепловом балансе горна–отстойника имеются эти статьи прихода тепла, характерные для домны, и, сверх того, имеется еще и утилизация химического тепла газов, получающихся при продувке жидкой ванны.

Если в агрегате по данной схеме (см. рис. 3.1) тепло горения топлива примерно в 10 раз дешевле, чем в доменной печи, имеется возможность в горне–отстойнике подбирать нужный режим обдува ванны факелами фурм и изменять этот режим по ходу плавки, то возможности рафинирования здесь весьма хорошие. После реализации такой схемы (см. рис. 2.1) откроются широкие перспективы рафинирования и легирования металла в горне–отстойнике. Сейчас не имеет смысла подробно обсуждать столь далекие перспективы, возможности спуска шлака перед рафинированием и др.

Обилие дешевого тепла позволяет также повысить температуру процесса в основном корпусе и более полно восстанавливать естественные легирующие компоненты руды, например, ванадий, марганец, кремний, титан в случае качканарских руд. При данной схеме исключаются также потери легирующих примесей, которые в современном цикле выгорают в конвертере. Конвертер отапливается в основном за счет горения железа и легирующих, что весьма дорого. По схеме (см. рис. 3.1) можно увеличить усвоение ценных легирующих примесей по сравнению с существующим процессом доменная печь – конвертер. Можно ожидать повышенное качество металла также за счет того, что здесь получается «первородный» металл из руды, который обычно лучше металла из лома.

Отметим, что многие сорта угля содержат больше серы, чем кокс, и при вдувании повышенных количеств угольной пыли в доменную печь иногда отмечается повышение содержания серы в чугуне. К большему содержанию серы в металле может привести и добавка кускового угля в завалку вместо кокса.

Если, однако, в данном агрегате имеется много дешевого тепла, то нетрудно добавить в шихту несколько процентов известняка и понизить тем самым содержание серы. Если тепло горения топлива в 10 раз дешевле, чем в доменной печи, то и затраты на такое рафинирование металла будут примерно на порядок меньше по сравнению с доменным процессом. В доменной печи добавка известняка приводит к большому перерасходу кокса; дополнительное тепло требуется на разложение известняка, а затем еще тепло и углерод расходуются на газификацию выделяемой известняком углекислоты (С+СО2 = 2СО). При горении до СО расчетный перерасход углерода составляет 650 кг/т известняка – больше, чем на получение тонны металла (600 кг), (см. Приложение 2, задача 4).

Сейчас получают широкое распространение процессы типа «электропечь – ковш»; в этих процессах легирование и раскисление стали, ее вакуумирование, и другие операции доводки проводятся в ковше (или в вакуум–ковше). При этом задача электропечи состоит в основном лишь в том, чтобы расплавить шихту, выдать жидкую сталь – полуфабрикат с нужной температурой и нужным содержанием углерода. Такая сталь может использоваться сразу, как рядовая сталь, или же может идти для дальнейшей переработки, для улучшения путем легирования, вакуумирования и др. Примерно такую сталь – полуфабрикат, как данная электропечь, может, очевидно, выдавать и обсуждаемый агрегат «угольный Мидрекс», особенно при наличии горна–отстойника.

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ПРОДУВКИ В СУЩЕСТВУЮЩИХ ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ

В доменной печи можно организовать последовательную продувку топлива и окатышей, если просто нижнюю часть печи заполнить коксом, а верхнюю – окатышами.

Возможно промышленное опробование элементов последовательной продувки на какой-то существующей малой доменной печи. Такие печи нередко простаивают или недостаточно загружены. Ряд элементов последовательной продувки можно опробовать без каких-либо изменений конструкции печи, перейти к новому процессу за счет одного лишь изменения режимов ее работы.

5.1. Загрузка шихты двумя зонами – топлива

и окатышей

Да кто же будет делать такие странности?!

Из дискуссий.

Если нижнюю часть печи заполнить одним коксом (см. рис. 5.1), а поверх кокса и до колошника загрузить только окатыши, то в зоне окатышей отходящие газы могут окислиться почти полностью до СО2 и Н2О, особенно при использовании легковосстановимых руд, например, гематитовых. Глубокого догорания газов можно добиться также при использовании окатышей, прошедших окислительный обжиг. При такой загрузке плавление металлизованных окатышей будет происходить на границе топливной и рудной зон; здесь установится температура около точки плавления чугуна, то есть примерно 1200 0С. В пределах слоя окатышей температура будет приблизительно линейно понижаться от 1200 0С на нижней границе слоя до комнатной температуры у только что загруженных порций окатышей на верхней границе слоя. В целом температура окатышей на соответствующих горизонтах будет значительно выше, чем в домне, и возможности доокисления газов – выше. В нижней части этой зоны окатышей 5 (см. рис. 5.1) восстанавливается низший окисел железа FeО, в равновесии с которым газы СО и СО2 находятся примерно в равных количествах. Выше находятся недавно загруженные слои, содержащие высшие окислы железа Fe2О3 и Fe3О4, которые, прогревшись до 400-500 0С, способны окислять отходящие газы практически нацело до СО2. При полном сгорании отходящих газов тепло горения топлива было бы в (2-3) раз больше, чем в современной доменной печи. Очевидно, намного больше, чем в

Рис. 5.1. Схема доменного процесса с элементами последовательной продувки.

М – масса металлизируемых и плавящихся окатышей; К – зона кокса; 1 – дутье с вдуванием угольной пыли, концентрата и с введением кускового кокса через течки; 2 – загрузка окатышей; 3 – летки

домне, будет и реальное тепло горения топлива при описываемой загрузке печи. При горении до СО расчетный расход углерода составляет 600 кг/т металла, тогда как при полном горении до СО2 расчетный расход углерода снижается до 202 кг/т. (см. Приложение 2, задача 1, 2).

Продувка массы М окатышей в верхней части печи может идти, очевидно, примерно в том же известном режиме, который хорошо отлажен в процессе «Мидрекс».

Загрузочный аппарат доменных печей допускает больший или меньший разброс шихты по радиусу печи. В частности, практикуется больший разброс кокса и его увеличенная доля около стенок печи, около фурм. Если аналогично вести загрузку при обсуждаемой последовательной продувке, то масса М окатышей в нижней части может приобрести вид конуса, вытянутого вниз (см. рис. 5.1). Это позволит увеличить зону контакта топлива и окатышей, зону плавления, и увеличить ее газопроницаемость.

В предыдущей схеме (см. рис. 3.1), в агрегате «угольный Мидрекс» важным новым элементом было плавление массы М на поду печи. Здесь масса М металлизованных окатышей плавится более тра диционно, на слое кокса; такое плавление не является настолько новым элементом процесса 1), как плавление на поду в предложенной схеме.

1) Теоретически интересен следующий вопрос: что будет, если не пополнять запас кокса в печи, а топливо подавать лишь в виде угольной пыли? Возможно, масса М металлизованных окатышей прочно спечется и «застрянет» в сужающемся книзу корпусе печи, в заплечиках домны. Наступит прочное зависание шихты. Под массой М может образоваться пустота, газовый мешок с горячими факелами. Металлизованная масса М может науглероживаться избыточной угольной пылью и оплавляться снизу, будучи в «подвешенном состоянии». Возможно некоторое снижение газопроницаемости в граничном слое плавящихся окатышей. Возможны неровности схода массы М при каких-то ее частичных разрушениях.

В доменной печи такой режим неприемлем, он приведет к смещению зоны горения вверх, к охлаждению горна и др. Но в обсуждаемом процессе, при его высокой управляемости, не исключено, что в принципе можно отладить приемлемый режим процесса даже и при такой экзотической ситуации.

В шахте доменной печи, расширяющейся книзу, а также в цилиндрической части печи масса М будет, очевидно, опускаться достаточно свободно, а в образующиеся по боковым поверхностям зазоры будут засыпаться окатыши сверху. Эта масса дает значительную усадку, уменьшение объема при металлизации и спекании,

а затем вследствие плавления. Если запас кокса в печи своевременно пополняется тем или иным способом, то масса М не опустится до заплечиков, до сужающегося книзу корпуса, и режим схода и плавления шихты будет достаточно хорошим, без осложнений.

5.2. Расход кокса

При данной загрузке печи с зонами топлива и окатышей (см. рис. 5.1) можно в значительной степени устранить не только «порок 1» доменного процесса (неполное горение топлива), но и «порок 2» – необходимость кокса. Для уменьшения расхода кокса целесообразно вдувание через фурмы угольной пыли, причем в большом количестве, так, чтобы горение пыли в факеле шло с избытком пыли (топлива) над кислородом дутья. Поверхность частичек пыли намного превосходит поверхность кусков кокса, поэтому угольная пыль будет поглощать в факеле почти весь кислород дутья, и почти не будет гореть кокс. Расход кокса сократится в несколько раз, особенно в случае мелкой пыли; основным топливом печи будет угольная пыль. Остаток пыли сверх стехиометрического соотношения к дутью будет переноситься с печными газами выше, в слой плавящихся окатышей, и расходоваться там в зоне плавления на металлизацию окислов и на науглероживание образующихся расплавов.

В факелах угольной пыли, вдуваемых в слой кокса, будет более высокая температура и образуется избыток тепла по сравнению с факелами обычной доменной печи, как и в агрегате «угольный Мидрекс» (см. рис. 3.1). В этом варианте не тратится тепло на нагрев окатышей и реакции восстановления в них, факел с угольной пылью вдувается в слой кокса. Здесь также будет целесообразна добавка к угольной пыли порошка железорудного концентрата для утилизации излишнего тепла.

Угольная пыль (особенно мелкая) может быстро поглощать почти весь кислород факела и дать газогенераторный газ (СО и Н2). Тонкий порошок концентрата способен быстро поглотить «свою» часть этого восстановительного газа, давая капельки чугуна. Оставшаяся часть восстановительного газа с избытком пыли пойдет вверх на металлизацию окатышей в шахте.

Правда, если нет течек для загрузки кокса, то придется работать не непрерывным процессом, а периодическим. В нормальной или оптимальной стадии процесса по мере расходования шихты добавляются новые окатыши, так что вверху все время имеются недавно загруженные слои, содержащие высшие окислы железа Fe2О3 и Fe3О4 с высокой способностью окислять отходящие газы. Но слой кокса при этом не удастся пополнять; хотя основным топливом служит угольная пыль, но постепенно «коксовая насадка» все-таки уменьшится до определенной малой величины, и потребуется ее пополнить. В этом случае целесообразно дать сверху большую порцию кокса, после чего загружать новый слой окатышей. Когда нижние слои вновь загруженного кокса опускаясь, прогреются примерно до 1000 0С, кокс начнет газифицировать углекислый газ в отходящих газах (С+СО2 = 2СО). Наступят большие потери химического тепла, примерно как и в доменной печи. Этот аномальный период закончится, когда нижние слои новой зоны окатышей, загружаемых поверх порции кокса, прогреются примерно до С, и станут способны окислять отходящие газы до СО2. Шахта печи снова окажется способной утилизировать не только физическое, но и химическое тепло отходящих газов.

Доля неэкономичных аномальных периодов будет примерно равна доле кокса в общем расходе топлива. Если почти весь кислород дутья поглощается угольной пылью, угар кокса незначителен, то и доля аномальных периодов невелика.

В последующем целесообразно пойти на некоторые сравнительно небольшие поправки к конструкции доменной печи – сделать рассмотренные выше течки над фурмами, и вводить через них из закрытого бункера кусковой кокс в газовые потоки факелов. Если принять такие коррективы в конструкции печи, то можно постоянно поддерживать, возобновлять топливную «насадку» или «постель» (подробнее см. ниже). Процесс при этом становится непрерывным, «аномальные» периоды исключаются, так как не потребуется подача кокса сверху. При работе фурмы факел эжектирует, всасывает окружающие газы и с ними кусочки шихты, которые разносятся затем по горну печи.

5.3. Вдувание угольной пыли с порошком концентрата

При современном доменном процессе, когда печи загружаются смесью кокса и окатышей, вдуваемая угольная пыль обычно заменяет лишь несколько процентов кокса. Вдувание угольной пыли допускается лишь как малая поправка к «нормальному» доменному процессу, которая не изменяет его сути. Считается, что при повышенном количестве угольной пыли и при уменьшении доли кокса в шихте понизится газопроницаемость шихты, затруднится ее сход, усилится прочное спекание металлизованных окатышей и, соответственно, чаще будут происходить зависания шихты и др.

Отметим, что эти доводы недействительны, если пыль вдувается вместе с концентратом. В смеси с концентратом можно вдувать в печь значительно больше угольной пыли и при обычной загрузке доменной печи, не уменьшая доли кокса в кусковой шихте, не изменяя соотношение кокса и окатышей. В принципе доменная печь может производить чугун в факелах почти из одной лишь угольной пыли и концентрата, и почти не расходовать кусковую шихту, не расходовать окатышей и кокса. Пыль с концентратом может реагировать независимо от реагирования кокса с окатышами. Такие возможности, видимо, не осознаны в настоящее время.

Правда, при каком-то чрезмерном количестве пыли и концентрата значительно уменьшится поток кусковой опускающейся шихты, и, соответственно, насколько-то ухудшится утилизация физического тепла отходящих газов. Можно увеличить число циклов восстановления-газификации, которые проходят газы (Приложение 3).

5.4. Скорость процессов

Генераторный газ содержит меньше восстанавливающих железо компонентов СО и Н2 (например, 35 % или 52 %, см. выше), чем конвертированный природный газ. Поэтому, во-первых, скорость реакций в предлагаемых агрегатах при прочих равных условиях может оказаться меньше, чем в агрегате «Мидрекс», и во-вторых, для получения тонны металла через массу окатышей потребуется продуть большее количество генераторного газа по сравнению с конвертированным природным газом. Может показаться, что это – большой недостаток предлагаемых процессов.

Что касается скорости реакций металлизации, то в предлагаемых агрегатах она может быть намного больше вследствие более высокой температуры (до 1200 0С и больше) по сравнению с 850 0С в агрегате «Мидрекс», и этот фактор перевесит влияние концентраций. Кроме того, в агрегатах «Мидрекс» значительная часть рабочего объема агрегата предназначается для охлаждения полученных окатышей холодным природным газом.

Увеличение продуваемого количества газов можно достигнуть за счет повышения перепада давления DР и за счет увеличения самого давления Р газов. Увеличение газопроницаемости можно получить и за счет увеличения размеров окатышей или брикетов, так как при более высоких температурах полностью прореагируют и более крупные окатыши.

Отметим также, что производительность доменных печей лимитируется обычно газопроницаемостью шихты, то есть возможной интенсивностью продувки. Если в предлагаемых процессах тепло горения топлива в 2-3 раза больше за счет более полного горения, то расход топлива, а также объем продуваемых газов на тонну металла будет соответственно меньше. Продувая тот же объем газов, можно получить больше металла. При данной газопроницаемости шихты, данной интенсивности продувки уменьшение удельного расхода топлива приводит также и к соответствующему увеличению производительности печи. Можно рассчитывать в данных схемах процесса примерно на такую же удельную производительность агрегата, как и в современных процессах «Мидрекс».

В целом предлагаемый режим работы доменной печи позволит, очевидно, в основном или почти полностью заменить кокс угольной пылью и намного увеличить тепло горения топлива за счет более полного окисления отходящих газов до СО2 и Н2О, сократить расход топлива. Окатыши или агломерат можно в значительной степени заменить более дешевым вдуваемым концентратом. Конечно, как и при реализации схемы (см. рис. 3.1), здесь также потребуется большая работа по отладке процесса. Но основные трудности и здесь не столько технические, сколько психологические или идеологические. До сих пор обсуждаемые приемы не используются не из-за какой-то чрезмерной сложности их, но из-за господства традиционной идеологии.

ГЛАВА 6. ДРУГИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ПРОДУВКИ. ДРУГИЕ ВАРИАНТЫ

6.1. Получение металла в факеле

Кратко рассмотрим схемы ряда других процессов с элементами последовательной продувки, не обсуждая технические сложности.

Теоретически факел горячего доменного дутья с угольной пылью и концентратом способен производить чугун или даже сталь уже сам по себе, без кусковой шихты. В принципе возможна «пустая» доменная печь, в которой работают такие факелы, капельки получаемого жидкого металла налипают на футеровку печи и по ней расплавы стекают в горн. Факелы могут быть направлены под углом к радиусу, так что в печи будет организована циркуляция газов с капельками расплавов по спирали вверх, и налипание капелек на стенки будет обеспечено центробежными силами. Известны предложения по подобной переработке сульфидов меди Cu2S, CuS. В подобных агрегатах весьма высока «газопроницаемость» пустой шахты печи.

Известен также подобный процесс в агрегате «Циклон», в котором, однако, используется более холодный воздух, температуры газов ниже точки плавления, и частицы железорудного концентрата должны превращаться в твердые частицы железного порошка, которые нельзя выделить из потока налипанием на стенку [33,34]. Выделение этих твердых частиц из газового потока является серьезной сложностью в таких процессах.

Важный недостаток таких процессов состоит в том, что здесь нет противотока газов и шихты, и, соответственно, нет утилизации физического тепла отходящих газов; в этом отношении подобные процессы уступают доменному. Конечно, здесь нет также и утилизации химического тепла отходящих газов; как и в домне, в отходящих газах будет преобладать СО. Такие потери физического и химического тепла отходящих газов приводят к тому, что расход топлива в таком агрегате может составить примерно (1.2–1,75) тонны углерода на тонну металла (см. Приложение 2, задача 3.). Но даже и такой процесс может оказаться экономически вполне целесообразным по сравнению с современным циклом, если в агрегате сталеплавильная футеровка, по данной схеме производится сталь, если используется уголь, который намного дешевле кокса, а физическое и химическое тепло отходящих газов утилизируется после печи, например, паровым котлом электростанции.