Спосіб завантаження доменної печі

Винахід відноситься до металургії чорних металів й найбільш ефективно може бути використаний при завантаженні доменних печей. Відомий традиційний спосіб завантаження доменної печі, що включає подачу на колошник залізорудних матеріалів і кускового коксу крупністю більш 25 мм [Тарасов В.П. Газодинаміка доменного процесу. - М.: Ме талургія, 1990. - 216 с.]. Відомий спосіб не дозволяє вирішити задачу, що стоїть перед винаходом, тому що потреби у твердому паливі задовольняють тільки за рахунок дорогого крупного кускового коксу. Відомий спосіб ведення доменної плавки, що включає пошарове завантаження в доменну піч залізорудних матеріалів з різною основністю і коксу з частковим змішуванням залізорудних матеріалів з коксом крупністю 10-25 мм, коксовим горішком [А.С. СРСР № 1585337, МПК С21 В 5/00, Бюл. винаходів, 1990, № 30]. Застосування коксового горішка крупністю 10-25 мм, що має відносно низьку вартість, дозволяє скоротити витрати більш дорогого крупного кускового коксу. Коефіцієнт заміни коксу коксовим горішком складає 0,7 -0,9 кг коксу/кг горішка. Завантаження відсіву коксу разом з рудними матеріалами забезпечує підвищення газопроникності рудного шару і поліпшення розвитку відновних процесів. Разом з тим, відомий спосіб не дозволяє цілком вирішити задачу, що стоїть перед винаходом, тому що дрібний коксовий горішок додатково руйнується в шахті доменної печі, перетворюється в кокосовий дріб'язок, опускається в нижні обрії доменної печі і знижує газопроникність та дренажну здатність коксової насадки в нижній частині робочого простору. Це приводить до зниження продуктивності доменної печі, нерівному сходу ши хти, захаращенню горна, збільшенню загальної витрати твердого палива і зниженню коефіцієнта заміни кускового коксу коксовим горішком. Найбільш близьким способом, прототипом, є спосіб завантаження доменної печі, що включає подачу на колошник рудних матеріалів і кускового коксу крупністю більш 35 мм і введення в залізорудну частин у шихти коксика сухого гасіння фракції 10-35 мм, коксового горішка [А.С. СРСР № 1708856, МПК С 21 В 5/00, Бюл. винаходів, 1992, № 4]. Коксовий горішок сухого гасіння має більшу механічну міцність, за звичайний кусковий кокс мокрого гасіння. Завдяки цьому, процеси додаткового руйнування дрібного коксового горішку в ша хті та їхні негативні наслідки мають менший розвиток. Разом з тим, відомий спосіб не дозволяє цілком вирішити задачу, що стоїть перед винаходом, тому що кокс сухого гасіння має більш високу міцність у холодному стані. При нагріванні в атмосфері печних газів він руйнується так само як кокс мокрого гасіння. Через це не вдається цілком усун ути зниження газопроникності і дренажної здатності коксової насадки в нижній частині робочого простору, зниження продуктивності доменної печі, нерівного сходу ши хти, захаращення горна, збільшення загальної витрати твердого палива і зниження коефіцієнта заміни кускового коксу коксовим горішком. Задачею винаходу є розробка способу завантаження доменної печі, у якому за рахунок зміни механічних властивостей завантаженного коксового горішку досягається підвищення газопроникності і дренажної здатності коксової насадки в нижній частині доменної печі, що забезпечує рівний сход шихти, підвищення продуктивності доменної печі, зниження питомої витрати твердого палива і збільшення коефіцієнта заміни кускового коксу коксовим горішком. Поставлена задача вирішується тим, що в способі завантаження доменної печі, що включає подачу на колошник рудних матеріалів і кускового коксу крупністю більш 25 мм, відповідно до винаходу в суміші із залізорудними матеріалами завантажують коксовий горішок крупністю менш 25 мм, механічна міцність якого при нагріванні в атмосфері печних газів більш ніж на 54 % вище, ніж кускового коксу. Кокс виконує в доменній печі три найважливіші функції: палива, відновлювача і розпушувача. Використання коксу як палива і відновлювача не вимагає його механічної міцності і газопроникності насипної маси. Функції розпушувача кокс переважно виконує в нижніх обріях доменної печі при високих температурах, залишаючись твердим кусковим матеріалом, коли рудні матеріали знаходяться в розм'якшеному стані й у виді розплаву. Кусковий кокс утворює насадку, у міжкускових порожнечах якої стікає розплав і одночасно рухається висхідний потік газів. Завдяки газопроникності і дренажній здатності коксової насадки, у нижніх обріях печі зберігається можливість щодо вільного проходу газів. Виконувати функції розпушувача кокс може тільки за умови збереження достатньої крупности шматків і значного об'єму міжкускових порожнеч. Для збереження газопроникності коксової насадки перед завантаженням у доменну піч кокс розсівають, відокремлюючи фракцію 0-40 мм на великих доменних печах корисним об'ємом більш 3000 м 3 і 0 - 25 мм на печах середнього об'єму 1033 - 2700 м 3. Більшість доменних печей України середнього об'єму, і відсіванню підлягають шматки коксу крупністю менш 25 мм. У нижній частині доменної печі кокс знаходиться в умовах високих температур, в а тмосфері печних газів і витримує вагу стовпа шихти з верхніх обріїв доменної печі. Для збереження крупності шматків кокс повинний володіти високою механічною міцністю при нагріванні в атмосфері печних газів, що зветься гарячою міцністю. Стандартним показником гарячої міцності коксу є показник CSR [Дишлевич I.I., Ізюмський Н.Н., Журавльов В.А. Доменне виробництво України: новий підхід до оцінки якості коксу // Збірник доповідей 8-го міжнародного семінару «Вугілля в металургії та енергетиці». - Ялта, 2002. - С. 20 – 33], що визначається як вихід фракції більш 10 мм після руйнування в барабані коксу, підданого високотемпературній обробці при температурі 1100 °С в атмосфері СО2. Зі збільшенням CSR гаряча міцність коксу зростає. Показник CSR коксу з донецьких вугіль, наприклад Ясиновського коксохімічного заводу, складає 36,3 %. Т.є при нагріванні у доменній печі 100 - 36,3 = 63,7 % коксу руйнується до крупності менш 10 мм. Для оцінки газопроникності коксу в нижній частині доменної печі необхідно визначити його фракційний склад у залежності від гарячої міцності. Систематизовані дані про фракційний склад коксу в нижній частині доменної печі відсутні. Для пророкування фракційного складу коксу різної міцності можна скористатися описом крупности часток кускового матеріалу за допомогою статистичного розподілу Вейбула (рівняння Розина -Раммлера) [Рубінштейн Ю.Б., Волков Л.А. Математичні методи у збогаченні корисних копалин. М.: Надра, 1987. - 296 с.] b F(d ) = 1 - exp(- l d ) , де F(d) — зміст шматків розміром менш d, д.од.; d - крупність шматків, мм; l іb - параметри статистичного розподілу. При відомих параметрах l і b вміст будь-якої фракції визначають по рівнянню Розина - Раммлера. Для визначення l і b досить інформації про вміст двох фракцій кускового матеріалу: F(d1) і F(d2). Для цього рівняння Розина - Раммлера перетворюють до лінійного виду ln ln 1 = ln l + b ln d 1 - F (d ) і за результатами рішення системи рівнянь 1 ì ln ln = ln l + b ln d1 ï ï 1 - F ( d1) í 1 ïln ln = ln l + b ln d 2 ï 1 - F (d 2 ) î визначають значення ln l і b . За відомим значенням ln l розраховують параметр l . За показником гарячої міцності коксу визначають зміст фракції коксу менш 10 мм у горні і заплічках доменної печі. Для коксу з донецьких вугіль, наприклад Ясиновского коксохімічного заводу, зі змістом фракції менш 10 мм у нижній частині печі 63,7 % F(d1) = F(10) = 0,637, a d1 = 10. In d1=ln10=2,303. ln ln 1 1 = ln ln = 0,013 . 1 - F (d1 ) 1 - 0,637 В наслідок руйнування в складі коксу в нижніх обріях доменної печі практично відсутні шматки крупніше 60 мм. Можна прийняти, що зміст фракції +60 мм не перевищує 1 %. Тоді d2 = 60. lnd2 = In 60 = 4,094. F(d 2) = F(60) = 0,99. ln ln 1 1 = ln ln = 1,527 . Вирішуючи систему рівнянь 1 - F (d 2 ) 1 - 0,99 ìln l + 2,303 b = 0,013 , í î ln l + 4,094 b = 1,527 одержуємо b = 0,845; ln l = -1,932; l = 0,145. Таким чином, фракційний склад коксу з донецьких вугіль у горні і заплічках доменної печі описується рівнянням F ( d ) = 1 - exp( -0,145d 0, 845) . Фракційний склад коксу з донецьких вугіль у нижній частині печі, розрахований по отриманому рівнянню приведений у табл. 1. Таблиця 1 Фракційний склад коксу з донецьких вугіль у нижній частині доменної печі Фракція, мм F(d), д.од. Вміст, % 0-1 мм 0,1348 13,48 1-3 мм 0,3068 17,20 3-5 мм 0,4312 12,44 5-10мм 0,6370 20,58 10-25мм 0,8890 25,20 25-40мм 0,9620 7,30 40-60 мм 0,990 2,80 Аналогічний метод розрахунку застосуємо для оцінки фракційного складу коксового горішка в нижній частині доменної печі за показником гарячої міцності CSR. При цьому максимальна крупність шматків коксового горішка не перевищує 25 мм. Тоді d2 = 25, lnd2 = ln25 = 3,219. F(d2) = F(25) =0,99. ln ln 1 1 = ln ln = 1,527 . Крупність 1 - F (d 2 ) 1 - 0,99 більш дрібного за кусковий кокс кокосового горішка, що характеризує його гарячу міцність CSR, визначали з пропорції 25 / 60 = d CSR / 10 d CSR » 4 мм де 60 і 25 - максимальна крупность шматків коксу і коксового горішка, мм; 10 - крупність шматків коксу, що характеризує його гарячу міцність, мм. Тоді d1 = 4, Ind1 = 1,386. Для коксового горішка Ясиновського коксохімічного заводу з тією же гарячою міцністю F(d1) = F(10) = 0,637. ln ln 1 1 = ln ln = 0,013 . Вирішуючи систему рівнянь 1 - F (d1 ) 1 - 0,637 ìln l + 2,303 b = 0,013 , í î ln l + 4,094 b = 1,527 одержуємо b = 0,826; ln l = -1,132; l = 0,322 і рівняння, що описує фракційний склад коксового горішка в нижній частині доменної печі F ( d ) = 1 - exp( -0,322d 0, 826) . Фракційний склад коксового горішка з донецьких вугіль у горні і заплічках доменної печі приведений у табл. 2. Таблиця 2 Фракційний склад коксового горішка з різною гарячою міцністю CSR у нижній частині доменної печі, % Міцність горішка Горішок коксу донецьких вугіль CSR 36,3% Горішок CSR 40 % Горішок CSR 50 % Горішок CSR 56 % Горішок CSR 60 % Горішок CSR 70 % 0-1 27,56 23,67 15,25 11,39 9,23 5,02 Фракції, мм 3-5 15,41 1 -3 27,46 27,22 25 22,83 21,13 16,22 16,33 17,98 18,37 18,36 17,32 5-10 18,04 10-25 10,53 19,96 25,02 27,9 29,72 33,69 11,82 15,75 18,51 20,57 26,76 Фракційний склад горішка з різною гарячою міцністю в нижній частині робочого простору доменної печі, приведений у табл. 2, розраховували аналогічно. При цьому змінювалось значення F(d1). Для горішка з CSR 40 % F(d 1) = 0,6; CSR 50 % F(d 1) = 0,5 і т.д. Основною характеристикою газопроникності коксу є порозність, частка міжкускових порожнеч у загальному об'єму шару. Порозність коксової насадки в нижній частині доменної печі розраховували за формулой (Томаш О.А., Тарасов В.П., Ковалевский І.А. Аналіз впливу різних факторів на порозність зернистих матеріалів // Вісті вузів. Чорна металургія, І998.-№9.-С.8-12.) e= [ [ ] ] e k - g { - (1 - e k ) / e k F K/ 3 ( d M / d K )} 1 2 , 1 - g{ - (1 - e k ) / e k F K/ 3 ( dM / d K )} 1 2 де g - зміст дрібної фракції, д.од; ek - порозність коксу, що не містить дрібних часток, F K/ 3 2 ek = 0,5 м 3/м 3; - - фактор форми, рівний для куль 2/3, для коксу F 2 / 3 = 0,5; dM/dK - відношення діаметрів дрібних і великих часток. Вміст дрібної фракції 0-3 мм у насадці коксу з донецьких вугіль (Ясиновського коксу) без додавання горішку складає (табл. 1) 13,48 + 17,20 = 30,68 %, g = 0,3068 д.од. Середній діаметр дрібних часток коксу dM = 13, 48 * 0,5 + 17,20 * 2 = 1,34 мм , де 13,48 + 17,20 K 0,5 і 2 - середні діаметри фракцій 0 - 1 і 1 -З мм. Середній діаметр великих шматків коксу (табл. 1) d= 12,44 * 4 + 20,58 * 7,5 + 25,20 * 17,5 + 7,30 * 32,5 + 2,80 * 50 = 15,47 мм , 12,44 + 20,58 + 25, 20 + 7,30 + 2,80 де 4; 7,5; 17,5; 32,5; 50 - середній діаметр фракцій 3 - 5, 5 - 10,10 - 25,25 - 40 і 40 - 60 мм. Відношення dM/dK = 1,34/15,47 = 0,087. Порозність кокосової насадки складе e= 0,5 - 0,3068{ - [(1 - 0,5) / (0,5*,05)] * 0,087]} 1 = 0,330 м 3 / м3 1 - 0,3068{ - [(1 - 0,5) / (0,5*,05)] * 0,087]} 1 При додаванні коксового горішку фракційний склад коксової насадки змінюється. Частина коксового горішка в товщі рудного шару витрачається на відновлення оксидів заліза та інших елементів і не доходить до заплічок і горна. Прийнято, що 50 % горішка залишається після реакцій відновлення і надходить до складу кокосової насадки. При додаванні 10 % від маси кускового коксу коксового горішка з донецьких вугіль (CSR = 36,3 %) зміст фракції 0 - 1 мм у складі коксової насадки складе (13,48 + 0,01*0,5*10*27,56)/(1 +0,5*10/100)== 14,15%, де 13,48 і 27,56 - зміст фракції 0-1 мм у кусковому коксі й горішку (табл. 1 і 2), %; 10 - витрата горішка від маси кускового коксу, %; 0,5 - коефіцієнт, що враховує витрату 50 % горішка на відновлення. Аналогічно розраховували весь фракційний склад коксової насадки при додаванні горішка, приведений у табл. 3. Таблиця 3 Фракційний склад коксової насадки в нижній частині доменної печі при додаванні 10 % коксового горішка з CSR = 36,3 % від маси кускового коксу, % 0 - 1 мм 14,15 1 -3 мм 17,69 3-5 мм 12,58 5-10 мм 20,46 10-25 мм 24,50 25-40 мм 6,95 40-60 мм 2,67 Зміст дрібної фракції 0-3 мм у коксовій насадці при додаванні 10 % маси кускового коксу коксового горішка із CSR = 36,3 % складе: g = (14,15 + 17,69)/100 = 0,3184 д.ед. Середній діаметр дрібної фракції сім = (0,514,15 + 217,69)/(14,15 + 17,69) = 1,33 мм. Середній діаметр великої фракції (табл. 3) d= 12,58 * 4 + 20, 46 * 7,5 + 24,50 *17,5 + 6,95 * 362,5 + 2,67 * 50 = 15,28 мм . 12,58 + 20, 46 + 24,50 + 6,95 + 2,67 dM/dK = 1,33/15,28 = 0,087. Порозність коксової насадки в горні і заплічках при додаванні 10 % коксового горішка з CSR 36,3 % зменшиться до e= 0,5 - 0,3184{ - [(1 - 0,5 ) / (0,5 * 0,5 )] * 0,087 ]} 1 = 0,322 м3 / м 3 . 1 - 0,3184{ - [(1 - 0,5 ) / (0,5 * 0,5 )] * 0,087 ]} 1 Аналогічно визначали порозність коксової насадки в нижній частині печі при додаванні різної кількості коксового горішка, від 0 до 40 % від маси кускового коксу, з різною гарячою міцністю, CSR змінювався від 36,3 % (коксовий горішок з донецьких вугіль) до 70 % (відсів високоякісного коксу закордонного виробництва). Так при додаванні 20 % коксового горішка з гарячою міцністю 70 % зміст дрібної фракції 0-3 мм у коксовій насадці в нижній частині доменної печі знижується до g = 0,2982 д.од., а її порозність збільшується до 0,339 м 3/м 3. Винахід пояснюється кресленням (фіг. 1), на якому показана зміна порозності насадки коксу з донецьких вугіль (CSR = 36,3 %) у нижній частині доменної печі при додаванні різної кількості коксового горішка з різною гарячою міцністю. При додаванні до коксу з донецьких вугіль коксового горішка з CSR = 36,3 %, 40 і 50 % порозність коксової насадки в горні і заплічках знижується (фіг. 1). Наслідком цього є зменшення газопроникності і дренажної здатності коксової насадки, погіршення роботи доменної печі, збільшення загальної витратитвердого палива і зниження коефіцієнту заміни коксу коксовим горішком. При CSR коксового горішка 60 і 70 % його додавання до коксу з донецьких вугіль підвищує порозність (фіг. 1), газопроникність і дренажну здатність коксової насадки в нижній частині доменної печі, завдяки меншому руйнуванню більш міцного за кокс коксового горішка і зниженню вмісту дрібної фракції 0-3 мм. При цьому можна чекати поліпшення роботи доменної печі, підвищення її продуктивності, зниження сумарної витрати твердого палива і збільшення коефіцієнту заміни коксу коксовим горішком. При CSR коксового горішка 56 % його додавання не приводить до зміни порозності і газопроникності насадки коксу з донецьких вугіль у нижній частині доменної печі. Отже, показники роботи доменної печі залишаться незмінними. Таким чином, для збереження незмінної газопроникності коксової насадки в нижній частині робочого простору доменної печі гаряча міцність коксового горішка повинна бути на 100*(56 - 36,3)/36,3 = 54 % вище гарячої міцності кускового коксу. Зміна режиму роботи доменної печі при різному співвідношенні міцності коксу і коксового горішка при нагріванні в атмосфері печних газів (гарячої міцності) приведена в табл. 4. Таблиця 4 Зміна режиму роботи доменної печі при різному співвідношенні міцності коксу і коксового горішка принагріванні в атмосфері печних газів Міцність коксового горішка при нагріванні в атмосфері печних газів CSR менше або дорівнює міцності кускового коксу Міцність коксового горішка при нагріванні в атмосфері печних газів CSR перевищує міцність кускового коксу менш ніж на 54 % Порозність, газопроникність і дренажна здатність коксової насадки в нижній частині доменної печі зменшується, продуктивність доменної печі знижується, загальна витрата твердого палива збільшується. Коефіцієнт заміни коксу коксовим горішком k 1. Спосіб завантаження доменної печі здійснюють у такий спосіб. У дві доменні печі доменного цеху завантажують кусковий кокс із різною гарячою міцністю. У першу доменну піч подають кокс із більш низькою гарячою міцністю, наприклад кокс із донецьких вугіль. В другу доменну піч завантажують кокс із гарячою міцністю, яка більш ніж на 54 % переважає гарячу міцність коксу для першої печі, наприклад якісний імпортний кокс. Кусковий кокс завантажують у коксові бункери бункерної естакади перед доменними печами. Перед завантаженням у доменні печі з кускового коксу відсівають фракцію менш 25 мм на віброгрохотах, встановлених під коксовими бункерами. Весь відсів коксу крупністью менш 25 мм із першої доменної печі відправляють на аглофабрику чи іншим споживачам твердого палива. Відсів коксу з більш високою гарячою міцністю з другої доменної печі крупністю менш 25 мм додатково розсівають на фракції 0 - 10 мм і 10 -25 мм на додатковому віброгрохоті. Коксовий дріб'язок 0 - 10 мм відправляють на аглофабрику чи іншим споживачам твердого палива. Коксовий горішок 10-25 мм із другої доменної печі у вагонах або конвеєром направляють до першої доменної печі. У складі рудних бункерів бункерної естакади першої доменної печі, призначених для накопичування агломерату, окотишів, залізної руди, вапняку й інших добавок, виділяють 2 - З бункера для накопичування коксового горішка крупністю 10-25 мм. Коксовий горішок із другої доменної печі перевантажується у виділені бункери. При завантаженні рудних матеріалів у першу доменну піч в один скіп завантажують разом залізорудні матеріали, вапняк і коксовий горішок, транспортуючи їх від рудни х бункерів за допомогою конвеєра або вагон-ваг. Після підйому скіпа на колошник у доменну піч завантажують суміш рудних матеріалів, вапняку і коксового горішка. Кусковий кокс крупніше 25 мм завантажують у доменну піч окремими скіпами. При цьому витрату коксу в подачу зменшують на k*Pгор, де k > 1 - коефіцієнт заміни коксу горішком, Pгор - витрата коксового горішка в подачу, кг. В іншому те хнологія доменної плавки залишається незмінною. Спосіб завантаження доменної печі з використанням коксового горішка з високою гарячою міцністю був випробуваний у промислових умовах на доменній печі № 2 МК ім. Ілліча корисним об'ємом 1033 м 3 у листопаді 2003 p. протягом 19 діб. У доменну піч завантажували кокс Авдійовського коксохімічного заводу з донецьких вугіль (гаряча міцність CSR w 36 %). Коксовий горішок одержували з доменної печі № 5 МК ім. Ілліча шляхом відсівання фракції 12-25 мм з алтайського коксу з гарячою міцністю CSR = 61 % (Дишлевич I.I., Ізюмський Н.Н., Журавльов В.А. Доменне виробництво України: новий підхід до оцінки якості коксу // Збірник доповідей 8-го міжнародного семінару «Вугілля в металургії та енергетиці». - Ялта, 2002. -С. 20 33). Таким чином, гаряча міцність коксового горішка перевищувала гарячу міцність кускового коксу на 100*(61 - 36)/36 = 69,4 %. Умови роботи в базовому періоді, коли в доменну піч завантажували тільки кусковий кокс, і в дослідному періоді, коли в піч разом з кусковим коксом подавали горішок, були здатні до порівняння. У табл. 5 порівнюються показники роботи доменної печі в базовому і дослідному періодах. Додавання 10,8 кг/т чавун у коксового горішка з підвищеною в порівнянні з кусковим коксом гарячою міцністю забезпечило значне збільшення добової продуктивності доменної печі на 117 т чавуну і зниження питомої витрати коксу на 12,5 кг/т чавун у. Коефіцієнт заміни коксу коксовим горішком склав 12,5/10,8 = 1,16 кг коксу/кг горішка. Очікуваний річний економічний ефект від зниження питомої витрати коксу при питомій витраті коксового горішка з підвищеною гарячою міцністю 10 кг/т чавуну на доменній печі корисним об'ємом 1033 м 3 складе 0,001*(1,16*10*700- 10*120)*700=4844тис.грн., де 1,16 - коефіцієнт заміни коксу коксовим горішком підвищеної гарячої міцності, кг/кг; 700 і 120 - вартість 1 т кускового коксу і відсіву коксу, грн/т; 700 - річна продуктивність доменної печі корисним об'ємом 1033 м 3, тис. т. Таблиця 5 Порівняння показників роботи доменної печі на коксі з донецьких вугіль без додавання коксового горішка (базовий період) і з додаванням горішка алтайського коксу (дослідний період) Показник Питома витрата коксового горішка, кг/т чав. Рудне навантаження на кокс, відношення маси рудних матеріалів до загальної маси коксу й горішку,т/т Питома витрата коксу, кг/т чав. Продуктивність доменної печі, т/доб. базовий період 0 3,55 дослідний період 10,8 3,71 568,9 1856 556,4 1973