Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 5 )

Будет естественно, если новую схему процесса предложит специалист теории металлургических процессов, то есть физхимик. Однако в предложениях физхимиков нередко встречаются досадные «ляпсусы» из-за недостаточного знания технических сложностей и опасностей реальных процессов. Часто такие «ляпсусы» удается устранить при последующей доработке предложений; но для этого весьма желательна совместная работа с доменщиками. Однако способы мышления физхимика и доменщика обычно остаются весьма различными, даже если оба они являются сотрудниками одного академического института. Часто не удается наладить их совместную работу. Специалисты доменного процесса нередко сосредоточены на возможных расстройствах процесса, его опасностях, технических сложностях, но не на общей физико–химической схеме. Давно сложилось неколебимое убеждение, что «доменный процесс незаменим!». Сложившийся металлургический цикл представляется само собой разумеющимся, естественным, единственно возможным и др. Предложения изменить цикл воспринимаются как какое-то святотатство или наивность людей, совершенно оторванных от действительности, как авантюризм и др.

Сейчас физико-химические исследования обычно сосредотачиваются на периферийных вопросах, на деталях и частностях процесса, не проникают в анализ коренных вопросов, в выбор самого принципа процесса. Хотя «пороки» процесса и возможности их устранения вполне очевидны при физико–химическом анализе, но потребуется немало времени, прежде чем эти пороки будут осознаны до такой степени, что станут возможны уже конкретные решения по их устранению.

В современной идеологии металлургии одним из главных догматов (или постулатов) является тезис «доменный процесс незаменим!» По нашему мнению, этот тезис нужно скорректировать следующим образом: доменный процесс во многих отношениях доведен до высоких показателей, но имеет ряд врожденных пороков, унаследованных с древности; процесс можно и нужно видоизменить и избавить от наследственных пороков, перейдя от совместной продувки компонентов к раздельной продувке. Устранять «пороки» процесса можно и нужно введением сравнительно небольших корректив в современный процесс, при максимальном сохранении его хорошо отлаженных элементов, при сохранении его достоинств.

ГЛАВА 3. СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ В ШАХТНОЙ ПЕЧИ. АГРЕГАТ «УГОЛЬНЫЙ

МИДРЕКС»

3.1. Агрегат «угольный Мидрекс»

Если это раньше нас сделают, например,

китайцы, то нашей металлургии вообще хана!

Из дискуссий.

Рассмотрим схему агрегата (см. рис. 3.1), в которой устраняются несообразности 1-3 современного цикла за счет сравнительно небольших корректив к доменному процессу. При этом сохраняются основные черты и отмеченные преимущества доменной печи: большое поступление тепла с дутьем; хорошая утилизация физического тепла отходящих газов в шахте печи; высокая производительность, характерная для шахтных печей; возможность высокой единичной мощности агрегата.

Газогенераторами здесь служат факелы 1, в которых угольная пыль горит в доменном дутье. Пыль дается с избытком над стехиометрическим соотношением с кислородом дутья, поэтому горение идет лишь по первой стадии до СО и Н2.

В доменных печах в ряде случаев практикуется вдувание угольной пыли, но лишь в качестве небольшой добавки к коксу, в пределах нескольких процентов топлива. В данной схеме все топливо – угольная пыль. Ниже рассмотрены также другие способы введения угля в зону горения, в факелы.

Весь остальной объем печи вне и выше факелов работает как агрегат «Мидрекс» на газогенераторных газах, которые получаются в факелах на угольной пыли1). Весь агрегат по схеме (см. рис. 3.1) можно назвать «угольный Мидрекс». Отходящие газы дожигаются дополнительным дутьем через фурмы 2. При температуре дутья 1200 о С теоретическая температура ТТ горения в факелах угольной пыли – порядка 2130 оС, что более чем достаточно для расплавления

массы металлизованных окатышей. Расчет ТТ приведен в Приложении 2, задача 5.

Рис. 3.1. Схема агрегата «угольный Мидрекс» для получения жидкой стали в шахтной печи:

1 – фурмы дутья с угольной пылью; 2 – дополнительное дутье для дожигания отходящих газов; 3 – фурма корректирующего дутья в горне–отстойнике; 4 – загрузка окатышей; 5 – выносной горн–отстойник; 6 – летки; 7 – течка

Избыточный углерод вводимого топлива может сразу попасть в расплав, выжигаться из расплава газовыми потоками, отлагаться из газов в окатышах в виде сажистых отложений, может расходоваться на газификацию СО2 и др. Проследить разные пути углерода сложно, легче рассмотреть его общий баланс. Если угольная пыль в факелах горит до СО, то на науглероживание металла в этой зоне пойдет избыток углерода топлива сверх стехиометрического количества кислорода дутья, за вычетом выноса пыли вверх. В агрегате в целом, если топливо горит до СО2, то на науглероживание пойдет избыток углерода сверх стехиометрического количества по отношению к общему объему дутья, подаваемого в нижние и верхние фурмы. Варьируя избыток топлива, можно получать более или менее науглероженный расплав металла.

Ясно, что при достаточно большом избытке угольной пыли мы получим чугун (4,3 % С), а та часть пыли, которая не сможет израсходоваться в реакциях и раствориться в расплавах, будет выходить из печи в виде угольной мелочи, засоряющей шлак, а в случае неполного дожигания – также и в виде пыли колошниковых газов. Понижая избыток угольной пыли, мы последовательно получим высокоуглеродистую сталь (например, 2 % С), затем малоуглеродистую (например, 0,3 % С), затем железо почти без углерода, и дальше – расплав отчасти окисленного железа с повышенным содержанием кислорода и с примесью окислов FeО в виде неметаллических включений металла.

--------------------------------------------------------------------------------

1) В России, к сожалению, вдувание угольной пыли пока не практикуется, лишь планируется. Одна из причин этого, видимо, в том, что наша металлургия избалована обилием коксующихся углей в стране. К тому же долгое время наша металлургия была вне конкуренции и мало склонна к инновациям. На очереди много еще таких улучшений, которые можно достигнуть одними лишь организационными мероприятиями, или простым заимствованием технологий, давно и хорошо отлаженных на Западе, часто вместе с закупками зарубежных агрегатов и с приглашением западных специалистов по их наладке.

Отметим, что если вести в факелах полное горение угольной пыли до СО2 с избытком воздуха (как в факелах парового котла), то в печи всюду будет окислительная атмосфера с газообразной углекислотой СО2 в газах и с некоторым содержанием избыточного кислорода О2. Процессы восстановления вообще не пойдут, и печь станет агрегатом для обжига и плавления железной руды. Теоретически такой агрегат может производить рудный расплав (практически этот расплав является весьма агрессивным химически, а в смеси с угольной пылью может давать интенсивное вспенивание). При менее горячих факелах подобным образом можно в принципе вести окислительный обжиг магнетитовых руд (Fe3О4), которые в ряде случаев окисляют до гематита (Fe2О3). По этой же схеме может работать, например, печь для обжига сидерита или известняка, вагранка и др.

Очевидно, в принципе по схеме (см. рис. 3.1) можно получать любой металл от чугуна и стали до почти чистого железа. Избыток угольной пыли в факелах можно быстро изменять и, соответственно, корректировать состав получаемого металла. При этом сталь в таком процессе можно получать из окатышей уже в шахтной печи, без кокса, на угле и при экономном расходовании угля, благодаря полному дожиганию отходящих газов.

3.2. Технические сложности. Плавление массы металлизованных окатышей

Ну, расплавить–то мы уж как-нибудь сумеем!

Из дискуссий

Конечно, для отладки предлагаемых процессов потребуется освоить ряд новых элементов процесса и преодолеть ряд технических сложностей. Мы стремились возможно полнее обсудить такие технические сложности предлагаемого процесса со специалистами доменного и сталеплавильного процессов, с исследователями агломерации, теории печей, с обогатителями и др. Стремились провести возможно больше дискуссий с исследователями-металлургами, в основном в пределах уральской школы г. Екатеринбурга.

Агрегаты «Мидрекс» и факелы дутья с угольной пылью – известные и хорошо отлаженные элементы процесса. Обширный опыт сжигания тонкой пыли в факелах накоплен также на паровых котлах электростанций.

Основной новый элемент обсуждаемой схемы – это плавление массы М (см. рис. 3.1) металлизованных и спекающихся окатышей без коксовой насадки. В доменной печи металлизованные окатыши плавятся в смеси с кусками кокса и над слоем остаточного кокса, который заполняет нижнюю часть печи. Полученные расплавы окончательно науглероживаются до насыщения при фильтрации через «коксовую насадку» – слой кокса, который накапливается в горне вследствие избытка топлива. В ряде изобретений предусмотрено разделение неполного горения топлива и металлизации по разным агрегатам, но планируется все же традиционное плавление шихты на слое кокса и, соответственно, получение чугуна [11]. В обсуждаемом агрегате «угольный Мидрекс» предлагается перейти к сталеплавильной футеровке ванны печи, обойтись без коксовой насадки, без избытка топлива, и, соответственно, получать сталь уже в шахтной печи.

Если кокса нет, то в массе М уже при температуре около 850 0С происходит некоторое спекание металлизованных окатышей. В агрегатах «Мидрекс» образующиеся спеки дробятся валками механизмов выгрузки. В предлагаемом процессе масса М окатышей прогревается не до 850 0С, а вплоть до температур плавления, например, до 1300–1400 0С. Спекание массы М в агрегате может быть значительно более прочным; сейчас такого спекания избегают. Подобное спекание неприемлемо в нижних горизонтах доменной печи, в частности, в «заплечиках», где диметр печи уменьшается книзу, и при интенсивном спекании возможно прочное зависание шихты. Профиль доменной печи не рассчитан на появление таких спеков. Если бы здесь образовалась единая прочная масса М размером почти во все сечение печи, и при сходе вниз она как-то «зависла» бы в сужающемся корпусе агрегата, то для механического преодоления такого «зависания» могли бы потребоваться очень большие силы. Практически в случае такого зависания пришлось бы, вероятно, ждать оплавления застрявшей массы горячими газами, поступающими от факелов снизу. В доменной печи значительные спекания и зависания шихты происходят даже и при современном избытке кокса, разрыхляющем массу спекающихся металлизованных окатышей.