Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 6 )

Для агрегата «угольный Мидрекс» (см. рис. 3.1), видимо, не подходит профиль доменной печи с сужением книзу. Для предотвращения обсуждаемых зависаний корпус агрегата целесообразно, видимо, сделать с постоянным сечением или немного расширяющимся книзу, хотя масса М при металлизации и спекании дает значительную усадку.

При опускании массы М будут появляться зазоры между этой массой и стенками агрегата, в эти зазоры будут засыпаться сверху загружаемые окатыши. Ниже рассмотрен вариант, когда металлизованная масса М оказывается окруженной «угольной оболочкой» по боковым поверхностям, и трение о стенки агрегата при опускании массы М здесь может уменьшить графитовая смазка. В электропечах и в конвертерах хорошо отлажено плавление металлизованных окатышей (неспеченных) и брикетов, полученных в агрегатах «Мидрекс» и «Хилл–3» [31]. Если какие-то куски металлизованной массы М плотно спекутся, то плавление всей массы будет близко к плавлению металлического лома в мартеновской печи, в конвертере, к плавлению лома на поду печи топливным факелом, или плавлению чугунных чушек в вагранке.

Теплота процесса плавления железа (15 кДж/моль) сравнительно невелика по сравнению с тепловым эффектом реакций его восстановления углем (160 кДж/моль), или по сравнению с теплотой реакций горения углерода до СО (110 кДж/моль), по сравнению с теплотой нагрева шихты (примерно 35 кДж/моль Fe) и др. Плавление может занимать небольшую часть времени пребывания шихты в печи и небольшую часть затрат тепла. Однако закономерности плавления и спекания определяют механические свойства массы М, эта масса может приобретать и терять механическую прочность.

Целесообразно придать фурмам и факелам дутья с угольной пылью некоторый наклон к радиусу печи в горизонтальной плоскости, и за счет этого организовать в зоне фурм циркуляцию газов по кругу, затем по спирали вверх. В этом случае горячие газы факелов будут омывать большую поверхность массы М и ванны, чем при строго радиальных факелах.

В данном процессе, как и в доменном, в некоторых случаях потребуется добавлять в шихту известняк или известь, другие добавки для рафинирования металла, флюсы и плавни для разжижения шлака, и др. Если такие неметаллические добавки загружать слоями, как и в домне, то они будут разделять массу М на блоки. При плавлении эта масса будет распадаться на соответствующие фрагменты.

В каких-то случаях целесообразно плавление массы М на почти «сухом» и почти плоском поду печи, по которому получающиеся расплавы сразу стекают в горн–отстойник. В других случаях целесообразно иметь под массой М достаточно глубокую ванну с жидким металло–шлаковым расплавом, некоторые горячие факелы дутья направить несколько вниз, и, соответственно, греть и науглероживать ванну факелами с угольной пылью (сейчас подобным образом разогревают расплавы топливными факелами). Металлизованная и спекающаяся масса М окатышей, погруженная внизу в ванну, будет в значительной степени плавиться и науглероживаться снизу жидким металлом и шлаком на границе с расплавами.

Куски пористой массы М могут плавать на поверхности металлического расплава. Ванна с расплавами может смягчать толчки от неравномерности схода массы М. Эти неравномерности (как и неравномерности схода шихты в домне) можно понизить соответствующим автоматическим варьированием давления дутья.

Может потребоваться большая кропотливая работа по отладке оптимальных режимов плавления массы М в данных новых условиях. Но каких-то очень больших или непреодолимых трудностей здесь нет.

3.3. Выносной горн–отстойник

Обычно жидкая сталь, выпускаемая из печи, должна иметь значительный перегрев над температурой плавления, чтобы удобно было выполнять последующие операции с расплавом, не опасаясь его затвердевания. Даже начало частичного затвердевания металла в последующих операциях грозит большими осложнениями. Но в данной схеме плавящаяся масса М может контактировать с расплавами, что затрудняет перегрев расплавов.

В варианте (см. рис. 3.1) для лучшего перегрева жидкого металла и для коррекции его состава предусмотрен выносной горн–отстойник. Одна из фурм доменного дутья вынесена в этот горн; следует предусмотреть здесь возможность регулирования интенсивности дутья. При вдувании угольной пыли такая фурма может науглероживать металл, а без пыли – окислять его. Такой обдув металла можно, очевидно, отрегулировать как дутье в конвертере с боковым дутьем (или при вертикальной фурме – как в конвертере с вертикальным дутьем). Обычно считается, что доменное дутье качественно отлично от конвертерного, но можно, очевидно, подобрать параметры продувки так, что доменное дутье будет выполнять конвертерные функции. В процессах доменная печь – конвертер конвертерное дутье составляет обычно (5-10) % доменного дутья в расчете на тонну металла.

В предельном случае основной корпус агрегата (см. рис. 3.1) и горн-отстойник могут работать примерно как агрегат «Мидрекс» и конвертер, или доменная печь и конвертер. Но, видимо, целесообразнее уже в основном корпусе получать почти нужный состав металла, подбирая нужный избыток угольной пыли. В горне-отстойнике целесообразно выполнять лишь небольшую коррекцию состава, при доле коррекционного дутья меньше (5-10) %. Тепловой баланс горна–отстойника будет намного лучше, чем у обычного конвертера, так как физическое и химическое тепло отходящих газов утилизируется в основном корпусе агрегата и используется горячее доменное дутье. Современные конвертеры отапливаются в основном за счет горения железа и легирующих примесей.

В горне-отстойнике можно обеспечить также лучшую очистку металла от всплывающих неметаллических включений, лучшее рафинирование металла. В этом варианте можно достигнуть большего усреднения состава металла, лучшее «попадание в анализ». Окончательное усреднение состава может происходить уже в миксере.

3.4. Другие технические сложности. Футеровка

Важный новый элемент обсуждаемой схемы состоит в том, что здесь потребуется отладить сталеплавильную футеровку ванны и днища шахтной печи. Большое преимущество доменной печи – это отлаженная футеровка днища (лещади) печи угольными блоками, что обеспечивает ее высокую стойкость и большие межремонтные периоды. Доменная печь может годами работать на одной футеровке. Однако эта футеровка работает лишь с чугуном, но не с жидкой сталью. Футеровка сталеплавильных агрегатов часто имеет меньшую стойкость. Однако сейчас стойкость электропечей, конвертеров, ковшей при хорошей футеровке составляет уже несколько сотен плавок. Стойкость футеровки ванны агрегата (см. рис. 3.1) можно дополнительно повысить за счет использования элементов водяного охлаждения, применения более современных и качественных огнеупоров, путем увеличения толщины слоев футеровки. При необходимости можно сделать многослойную футеровку с возможностью водяного охлаждения каждого слоя. Можно надеяться со сталеплавильной футеровкой ванны получить для данного агрегата «угольный Мидрекс» примерно такую же длительность межремонтного периода, как и у доменной печи.

Как термические, так и химические нагрузки на футеровку в агрегате (см. рис. 3.1) будут меньше, если печь работает с высокоуглеродистыми сталями; их шлаки менее агрессивны, а температура плавления примерно на (150-200 ) 0С ниже, чем у малоуглеродистых сталей. Еще меньше химические и термические нагрузки на футеровку при работе на чугун. Доменная печь в этом отношении достигает хороших показателей отчасти за счет того, что выполняет наиболее простую работу (по нагрузкам на футеровку), а более сложную работу с агрессивными и высокотемпературными расплавами оставляет сталеплавильным агрегатам. Более простую работу берет на себя домна и по содержанию углерода: она дает предельно насыщенный углеродом металл, состав которого четко определен, почти не колеблется, и нет опасности «не попасть в анализ».

Отметим, что в доменной печи угольными блоками выкладывается обычно только днище, а боковые стенки, контактирующие внизу с жидким чугуном, работают на обычной водоохлаждаемой футеровке из огнеупоров с гарнисажем. Это также свидетельствует о том, что водоохлаждаемые огнеупоры могут годами выдерживать воздействия жидкого металла и шлака.

В доменных печах за межремонтный период разрушаются, растворяются в металле иногда сотни тонн угольной футеровки днища, и, соответственно, в «пне» печи накапливаются сотни тонн чугуна ниже уровня летки. Многослойная сталеплавильная футеровка также способна выдержать подобный большой угар без нарушения работы печи.

Расходы на футеровку в агрегатах (см. рис. 3.1) будут, возможно, более высокими, чем в доменном процессе, но меньшими, чем при доменном и сталеплавильном переделе вместе. Агрегат по этой схеме будет, очевидно, также значительно сложнее и дороже, чем эквивалентная доменная печь, но дешевле, чем доменная печь в сумме со сталеплавильными агрегатами, перерабатывающими ее чугун. При этом расходы на футеровку и амортизация доменной печи не являются самыми крупными статьями в стоимости металла. Если будет достигнуто производство стали из концентрата и окатышей одним процессом, причем без кокса и с экономичным полным сжиганием угля, то такая сталь будет, очевидно, дешевле, чем чугун сейчас, и, например, в 2-3 раза дешевле современной рядовой стали.

3.5. Сопоставление технических сложностей предложенной схемы и доменного процесса

Если все так просто, то почему этого никто не сделал?

Вдувание дополнительного дутья на средних или повышенных горизонтах доменной печи для дожигания отходящих газов не является вполне новым элементом, который потребовалось бы отрабатывать полностью заново, «с нуля». Подобное вдувание неоднократно опробовано, хотя и не получило распространения. Такое вдувание выполняли, в частности, еще в начале 20-го века в связи с работами по «железококсу», который получался при добавке руды в коксовые батареи.

В агрегатах типа «Мидрекс» в ряде случаев выполняется и более сложная операция – замена газа на определенном горизонте печи, где отбираются газы, поднимающиеся снизу, и вдуваются новые. В целом вдувание дополнительного дутья и дожигание отходящих газов не представляются технически очень новой или очень сложной задачей.