Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 7 )

В то же время в данной схеме отпадают некоторые трудности и опасности, которые характерны для доменного процесса. В домне традиционный избыток топлива приводит к понижению температуры горения, к потерям тепла на нагрев этого лишнего несгорающего кокса. Затем этот избыточный кокс скапливается в горне в виде недогоревших остатков кусков топлива, засоряет шлак топливной мелочью, что затрудняет выпуск такого «засоренного» шлака. Получается двойной вред, не говоря уже о перерасходе кокса. В схеме (см. рис. 3.1) нет избытка углерода топлива, нет коксовой насадки. Расплавы не насыщены углеродом, и коксовая или угольная мелочь, попадающая в шлак и металл, будет в них растворяться. Здесь нет и такого препятствия к использованию кускового угля, как засорение шлака угольной мелочью.

В целом из рассмотрения технических трудностей процесса можно сделать вывод, что для его отладки по данной схеме потребуется, конечно, большая работа по освоению, наладке, оптимизации новых элементов. В то же время не видно принципиальных препятствий, которые могли бы сделать освоение такого процесса невозможным или чрезмерно трудным. Предлагаемый агрегат сохраняет основные отлаженные элементы и преимущества доменной печи, а также агрегатов «Мидрекс», но устраняет «пороки» цикла 1-3. Новых элементов не столь много. При достаточно последовательной работе такой процесс вполне можно освоить.

Видимо, 1 млн. долларов достаточно для создания малого агрегата по схеме (см. рис. 3.1) и отладки на нем такого процесса. После этого переход к большим агрегатам был бы лишь вопросом изменения размеров печи. Для сравнения отметим, что затраты на производство чугуна на большой доменной печи могут составить например, 500 млн долларов в год, и годовые потери средств из-за обсуждаемых «пороков» на такой печи также составят величину порядка сотен миллионов долларов.

В настоящее время подобные процессы не внедряются не потому, что это очень сложно, но в основном по психологическим причинам, в силу «поразительной слепоты» к нетрадиционным решениям, выходящим за рамки господствующей идеологии. Давление устоявшейся традиции и инерции приводит к тому, что не удается даже придумать простой переход к схеме процесса без несообразностей, не удается в полной мере осознать преимущества таких схем. По тем же психологическим причинам трудности освоения новых процессов представляются чрезвычайно большими, пугающими, и мы не решаемся взяться за работу по отладке рационального процесса без отмеченных пороков.

Можно сказать, что мы терпим металлургию с явными несообразностями по недоразумению. Если преодолеть эти психологические сложности, то вполне возможно отладить получение стали в шахтной печи без использования кокса, на угле, и при экономичном расходовании угля благодаря его полному сжиганию, при расходе немногим более 200 кг углерода на тонну металла.

3.6. Вспенивание

Предложено же, наверное, сто агрегатов. Почему ваш, сто первый агрегат, будет лучше?! Вот вспенится все, как в процессе Рюмина…

Из дискуссий.

Конечно, главное – не те или иные особенности конструкции агрегата сами по себе; главное – чтобы был обеспечен переход от совместной продувки топлива и окатышей (или агломерата) к их раздельной последовательной продувке. Последовательную продувку можно реализовать и в существующей доменной печи, если ее нижнюю часть заполнить одним коксом, а верхнюю – одними окатышами. При этом очень важно преодолеть давление традиционной идеологии, иначе само наше мышление остается робким и непоследовательным, и мы не избавимся от упомянутой идеологической «поразительной слепоты» по отношению к обсуждаемым возможностям.

Идеологии и религии нередко оказываются очень устойчивыми и могут сохраняться столетиями и даже тысячелетиями. Выполнение запретов господствующей идеологии, соблюдение существующих табу, часто обеспечивается фобиями, страхами; кажется, что любое отклонение от существующих процессов приведет к каким-то катастрофическим последствиям. В нашем случае часто говорят, что отклонение от традиционного варианта доменного процесса приведет, например, к недопустимому понижению газопроницаемости шихты; или же к охлаждению горна с опасностью «закозления» печи; к засорению шлака угольной мелочью так, что его будет трудно или невозможно спустить, и др. Часто говорят об опасности вспенивания шлака; в частности, приводят пример процесса Рюмина, в котором наступало катастрофическое вспенивание.

Но в действительности процесс Рюмина (получение стали из руды в агрегате типа мартеновской печи) был обречен с самого начала из-за недостатка тепла в таком агрегате; вспенивание и свидетельствовало о недостатке тепла. Здесь нет утилизации физического тепла продуктов горения в рабочем пространстве печи; если доменную печь колошниковые газы покидают с температурой 150-200 0С, и уносят немного тепла, то рабочее пространство мартеновской печи газы покидают с температурой, например, 1600 0С, и уносят основную часть тепла горения. Далее, теплопередача от факела к шлаку и металлу здесь идет лишь через ограниченную поверхность зеркала ванны.

Если реакция восстановления FeO + C = CO + Fe идет в шлаковом расплаве за счет кусочков твердого топлива или науглероженного металла, то часто она развивается бурно; большое поглощение тепла реакцией (Q = -160 кДж/моль) приводит к охлаждению и загустеванию шлака. Выделяется много газов СО, пузыри которых не могут быстро покинуть загустевающий шлаковый расплав, что и приводит к вспениванию.

Обширный опыт борьбы со вспениванием накоплен в доменном процессе. Важное правило состоит в том, что нужно возможно полнее восстановить окислы железа в твердом состоянии, не расплавить металлизуемые материалы слишком рано, при большом количестве недовосстановленных окислов железа. Нельзя допустить чрезмерного развития реакций восстановления в шлаковом расплаве.

Если есть возможность регулировать соотношение топлива (угольной пыли) и воздуха в факеле, как в схеме 3.1 (см. рис. 3.1), то можно в широких пределах варьировать соотношение восстановления и плавления. В частности, если температуру в горне поддерживать ниже 1140 0С, то плавления вообще не будет, пойдет лишь металлизация в твердом состоянии.

При наличии достаточного количества тепла и при разжижающих добавках шлак можно также поддерживать достаточно жидким и не склонным к вспениванию.

3.7. Способы введения топлива непосредственно в зону горения, в факелы

От доменной совместной продувки топлива и руды к последовательной продувке можно перейти, если не загружать топливо вместе с окатышами через колошник, а, минуя шахту печи, доставить топливо непосредственно в зону горения, желательно в газовые потоки факелов. Рассмотрим способы такой доставки топлива прямо к факелам.

1. Вдувание пыли. В доменных печах широко применяется вдувание в факелы через фурмы угольной пыли крупностью, например, минус 3 мм. При высокой температуре в факелах быстро сгорают и достаточно крупные частички пыли; измельчение угля до такой крупности обходится недорого.

Однако сейчас обычно пыль вводится лишь в качестве небольшой добавки, заменяющей несколько процентов кокса. Считается, что значительное уменьшение доли кокса в шихте может привести к весьма негативным последствиям. В схеме (см. рис. 3.1) кокса нет, можно не беспокоиться об уменьшении его доли, вдуваемая угольная пыль может быть единственным топливом агрегата.

2. Течки. Течками называют обычно трубы (или отверстия), через которые в металлургический агрегат «текут», засыпаются шихтовые материалы, часто с помощью дозаторов. В обсуждаемом агрегате (см. рис.3.1) целесообразно сделать такие течки над фурмами (см. рис. 3.2), чтобы засыпаемые материалы попадали в газовые потоки факелов.

Рис. 3.2. Схема течки для подачи сыпучих:

1 – факел дутья; 2 – фурма; 3 – течка с потоком сыпучих

Конечно, в течку нужно подавать материалы из закрытого бункера, в котором давление газов такое же, как в печи. Такая течка может иметь диаметр трубы, например, 20-30 см. Конструкция должна обезопасить трубу от чрезмерных термических воздействий, а выход такой течки (как и жерло фурмы) от воздействий доменного гарнисажа, расплавов и др. При необходимости можно предусмотреть операции ухода за течкой при смене фурм, когда продувка останавливается. Течка и фурма могут быть объединены в единый конструктивный узел.

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.