Спосіб доменної плавки

42909 Винахід належить до області чорної металургії, зокрема до виплавки чавуну в доменних печах, що працюють на дутті, збагаченому киснем і нагрітому до високої температури. Відомі способи доменної плавки на дутті, збагаченому киснем і нагрітому до високої температури. Для забезпечення нормального теплового стану горну управління рівнем теоретичної температури горіння коксу в горні використовують природний газ [1], мазут [2], зволоження дуття [З], коксовий газ [4] та інше. Недоліком відомих способів доменної плавки, в яких управління рівнем теоретичної температури горіння реалізується за рахунок вдування вуглецеводневих реагентів [1, 2], є дефіцитність і висока вартість природних вуглеводів, головне призначення котрих служити сировиною для хімічної промисловості, а також підвищений вміст водню в пічному газі [1, 2, 3, 4]. Як прототип взятий відомий спосіб доменної плавки [1] з подачею природного газу або другого палива з високим вмістом вуглеводів в доменну піч, який для збереження нормального теплового стану горну печі (теоретичної температури горіння вуглецю коксу) і забезпечення рівномірного розподілу кінцевих продуктів фізико-хімічного перетворення природного газу - водню і монооксиду вуглецю по всьому перерізу печі, природний газ подають в зону окислювання печі через фурми (або рядом з ними), при цьому дуття подають підвищеної температури та збагачене киснем. Недолік прототипу заключається в дефіцитності і високій вартості природного газу або другого палива з високим вмістом вуглеводів, а також високий вміст водню в пічному газі. Відомо [5], що реакції відновлення всіх оксидів заліза воднем проходять з поглинанням теплоти, в той час як за рахунок монооксиду вуглецю тільки відновлення магнетиту (Fе3O4) до FeO іде з поглинанням тепла. Гематит (Fe2O3) і закис заліза (FeO) відновлюються за допомогою монооксиду вуглецю CO з виділенням теплоти. В результаті в зоні непрямого відновлення оксидів заліза за рахунок монооксиду вуглецю температура реакційного середовища підвищується і сама зона розширюється, а при відновленні заліза за рахунок водню температура реакційного середовища знижується, а зона непрямого відновлення скорочується (таблиця). При цьому ступінь непрямого відновлення зменшується, а витрати коксу зростають. Ось чому краще збагачувати пічний газ монооксидом вуглецю, а не воднем. Вміст останнього доцільно дотримувати на рівні його виходу із газів та органічної маси коксу, та вологи дуття або 2-3%. Такої кількості водню достатньо для активації відновлення оксидів заліза за рахунок CO. Задача, що вирішується запропонованим винаходом, міститься в тому, щоб забезпечити нормальний тепловий стан горну (рівень теоретичної температури горіння) при роботі доменної печі на високонагрітому збагаченому киснем дутті без використання природного газу і досягається тим, що в запропонованому способі доменної плавки в тракт гарячого дуття (після повітронагрівачів) вдувають власний колошниковий газ, витрати якого в залежності від його складу, заданої теоретичної температури горіння коксу, температури дуття і вмісту в ньому кисню, знаходять із співвідношення: i Д + 2507 ´ w + a = де: 0,322 ´ w ´ t G Ск - 1253. 6 ´ (СО + Н2 ) - і G ´ (1 + w ) 1761´ (СО2 + СО) + і G ´ (1 + СО2 ) 0,161´ СО2 ´ t G Ск , м3/м3 дуття , 2507 і 1761 - теплові ефекти взаємодії O2 (екзо) и СО2 (ендо) с вуглецем коксу, ккал/м3 дуття; ід, іг - тепловміст дуття і горнового газу відповідно, ккал/м3; w - доля кисню в дутті, одиниць; tг - теоретична температура горіння коксу, °С; C k - доля вуглецю в коксі, одиниць; CO2, CO, H2 - доля відповідного компоненту в колошниковому газі, що вдувається, одиниць. Технічний результат, що одержують від використання запропонованого способу доменної плавки, складається з того, що нормальний заданий тепловий стан горну, тобто рівень теоретичної температури при роботі доменної печі на збагаченому киснем і нагрітому до високої температури дутті забезпечується без використання дефіцитного коштовного природного газу тільки за рахунок вдування в тракт гарячого дуття власного колошникового газу: Вдування палива в тракт гарячого дуття для підвищення температури дуття відомо із [6], де при початковій температурі дуття 875°С після спалювання мазуту в повітропроводі гарячого дуття температура підвищувалась до 950°С. Однак місцеве підвищення температури призводило до виходу із ладу повітропроводу, тому що теоретична температура горіння мазуту в нагрітому дутті перевищує 2000°С. Для пом'якшення означеного явища було запропоновано рішення [7] за розподілом по всьому периметру тракту. Запропонований спосіб доменної плавки залі чує роботу доменної печі на збагаченому киснем нагрітому до високої температури дутті і управління рівнем теоретичної температури горіння вуглецю коксу в горні шляхом вдування вуглеводневміщуючих компонентів в фурми, що відрізняється тим, що для управління рівнем теоретичної температури горіння коксу в горні вдувають в тракт гарячого дуття після повітронагрівачів власний колошниковий газ, витрати якого в залежності від його складу, заданої теоретичної температури горіння коксу в фурменій зоні, температури нагріву дуття і вмісту в ньому кисню знаходять із співвідношення (1), причому регулювання 42909 температури горіння колошникового газу в тракті гарячого дуття реалізується зміною долі холодного дуття від його всіх витрат, необхідних для диалювання одиниці об'єму колошникового газу, величину якого находять із співвідношення: qкг + Vв ´ і Д - і ДИМА ´ VДИМА b = Vв ´ іД , (2) де: іДИМА - заданий тепловміст продуктів горіння, ккал/м3; qкг - теплотворна здібність колошникового газу, ккал/м3; VB - об'єм повітря, необхідний для горіння колошникового газу, м3/м3; VДИМА - об'єм продуктів горіння колошникового газу, м3/м3 колошникового газу, при цьому сумарні витрати дуття, необхідного для спалювання колошникового газу, що вдувається, в залежності від складів дуття і колошникового газу знаходять із рівняння: СО + Н2 Vв = 2w ,м3/м3 колошникового газу, (3) а вихід продуктів із рівняння: VДИМА = 1 + VВ (1 - w ) , м3/м3 колошникового газу Вдування колошникового газу в тракт гарячого дуття дозволяє після його горіння в тракті одержувати гомогенну дуттєву суміш, що складається із продуктів горіння колошникового газу і дуття. В зв'язку з тим, що дуттєва суміш гомогенна природно, що газ, який вдувається, рівномірно розподіляється по всіх фурмах і по перерізу доменної печі. Якщо точку вводу колошникового газу приблизити до кожної фурми чи фурменого пристрою, то газ можна розподіляти не тільки рівномірно, але і пропорційно витратам дуття на кожну фурму або в заданому співвідношенні для управління окружним тепловим станом доменної печі. Горіння колошникового газу в тракті гарячого дуття значно підвищує температуру дуттєвої суміші, що сприяє підвищенню продуктивності печі поряд з підвищенням продуктивності за рахунок підвищення вмісту в дуттєвій суміші активного кисню (в порівнянні з вдуванням природного газу). Співвідношення (1) і (2) одержані із теплових балансів фурменої зони і зони спалювання колошникового газу в тракті гарячого дуття, і співвідношення (3) і (4) із стехіометрії горіння монооксиду вуглецю і водню діоксиду вуглецю і водяної пари. Спосіб доменної плавки, включає роботу доменної печі на збагаченому киснем нагрітому до високої температури дутті і управління рівнем теоретичної температури горіння вуглецю коксу в горні шляхом вдування в тракт гарячого дуття після повітронагрівачів власного колошникового газу передбачає попереднє стиснення колошникового газу до тиску, що перевищує тиск дуття. Приклад реалізації способу Доменна піч об'ємом 1514 м3 МК "Запоріжсталь" по тепловій потужності повітронагрівачів може одержувати дуття, нагріте до 1100°С (ід=373 ккал/м3) і допускає збагачення його до 25% кисню (w=0,25 м3/м3). Нормальна робота доменної печі в умовах України, тобто з рівним ходом без обривів і підвисань шихти реалізується при теоретичній температурі tг=2100°С (іг=758 ккал/м3). Для забезпечення означеної температури витрати колошникового газу в тракт гарячого дуття із співвідношення (1) мусять бути рівними: 0,322 ´ 0,25 ´ 2100 - 1253.6 ´ (0,25 + 0,03 ) - 758 ´ (1 + 0,25) 0,87 = 0,161´ 0,17 ´ 2100 1761´ (0,17 + 0,25 ) + 758 ´ (1 + 0,17 ) 0,87 0,159 м3/м3 дуття 373 + 2507 ´ 0,25 + a= 42909 де C k =0,87 од.; СО2=0,17; СО=0,25; Н2=0,03 Для спалювання такої кількості колошникового газу по (3) повітря горіння: 0,25 + 0,03 VВ = 0,159 = 0,089 2 ´ 0,25 , м3/м3 дуття При цьому вихід продуктів горіння складає (4): VДИМА = 0,159 + 0,089(1 - 0,25) = 0,226 м3/м3 дуття , а об'єм дуттєвої суміші буде рівний VД.С. = 1 - 0,089 + 0,226 = 1,137 м3/м3 дуття Виходом із складу дуття (w=0,25) і колошникового газу (СО2=0,17; СО=0,25; Н2=0,03) можна обчислити склад продуктів горіння, котрий приведений нижче: СО2=29,58% Н2О=2,11% N2=68,31% В зв'язку з тим, що тракт гарячого дуття розрахований на температуру дуття 1200°С, температура дуттєвої суміші не повинна перевищувати цього рівня. Тепловміст продуктів горіння при цій температурі дорівнює 473 ккал/м3. Тоді доля холодного дуття мусить складати із співвідношення (2) 832,4 + 208,9 - 6714 , = 1,771 b= 208,9 Величина b більша одиниці означає, що заданий тепловміст продуктів горіння можна забезпечити тільки у випадку перевищення теоретичних витратповітря горіння (0,089 м3/м3 колошникового газу) в 1,771 разів, тобто витрати повітря будуть дорівнювати: VВ = 0,089 + 1,771 = 0,158 м3/м3 дуття Якщо ж стійкість футерівки тракту гарячого дуття дозволяє підвищувати температуру дуттєвої суміші, то вдування і спалювання колошникового газу в тракті підвищить температуру дуттєвої суміші на наступну величину. В зв'язку з тим, що теплотворна здібність колошникового газу дорівнює 832,4 ккал/м3, а дуття внесло 373 ккал/м3, то продукти горіння будуть нести: 832,4*0,159+373*0,089=165,55 ккал, а в зв'язку з тим, що їх вихід дорівнює 0,226 м3, то їх тепловміст дорівнюватиме 165,55:0,226=732,5 ккал/м3, що відповідає температурі 1859°С. Тоді тепловміст дуттєвої суміші складає: 379 ´ (1 - 0,089 ) + 732,5 ´ 0,226 505,35 = = 444,5 1,137 1,137 ккал/м3 Склад дуттєвої суміші буде N2+О2=93,71%, СО2=5,87%, Н2О=0,42%, а теплоємкість такої суміші при 1300°С складає: Сд.с.=0,9391´0,3446+0,0587´0,5469+0,0042´4308= =0,3785 ккал/м3 град Тоді температура суміші буде рівнятися: 444 ,5 = 1174 o С t Д. С. = 0,3785 Підвищення температури дуття [8] на 100°С підвищує продуктивність на 2% і зменшує витрати коксу теж на 2%. Таким чином, наведений приклад реалізації способу доменної плавки показує, що поставлена задача повністю вирішується, в зв'язку з тим, що при вдуванні колошникового газу замість природного теоретична температура горіння знаходиться на заданому рівні, а температура дуттєвої суміші може бути підвищена на 74°С, що відповідає підвищенню продуктивності на 1,5% і зменшенню витрат коксу на 1,5%. Використання запропонованого способу доменної плавки дозволяє повністю відмовитись від використання природного газу, забезпечити рівну високопродуктивну роботу печі на високонагрітому збагаченому киснем дутті, а в результаті вирішити поставлену задачу. Джерела інформації 1. Некрасов З.І., Коробов I.I., Стражников I.Б., Суровов B.I. / A.с. № 132247, СССР кл. С21В5/06, С21В7/16, Бюл. 1972, № 17. 2. Заявка Японії № 56-156376 Спосіб ведення доменної плавки МКИ С21В5/00. 3. А.с. № 1014892 Спосіб регулювання вдування пари в доменну піч. МКИ С21В3/00. 4. Доменна плавка с вдуванням коксового газу / Пашинський В.Ф. та інші // Київ: Техніка, 1971 р., 104 с. 5. Водень в доменному процесі / Гольдштейн Н.Л. // М.: "Металургія", 1971, 208 с. 6. Доменні печі. Нормативи витрат коксу. Руководящий документ. МЧМ СССР (ИЧМ). Днепропетровск, 1987. 14 с. 7. Вдування мазуту в доменні печі Магнітогорського металургійного комбінату / Сагайдак І.М., Волков Ю.П., Федулов Ю.В. та інші. // Бюл. ЦНИИ ЧМ, 1964, № 5, с. 31-32. 8. Повітронагрівач гарячого дуття доменної печі з вбудованою камерою спалювання в прямій дільниці / Кобеза І.І. // А.с. № 423846, СССР, кл. С21В9/10.