Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Мировая динамика выплавки стали показывает, что она сохраняет роль основного конструкционного материала, ежегодное производство которого превышает 1 млрд. тонн, и что за металлургией по-прежнему сохраняется основная задача - обеспечение необходимого количества качественной стали с учетом фактора экономической целесообразности её производства.

В сложных экономических условиях сталепроизводители, в стремлении снизить стоимость готовой продукции, прибегают к оптимизации затрат на производство. С целью увеличения спроса на чугун со стороны потребителей, необходимо стремиться к уменьшению его себестоимости. Увеличение конкурентоспособности, основанной на внедрении энерго- и ресурсосберегающих технологий, повышении производительности труда, является одной из первостепенных задач отечественной промышленности, на что неоднократно обращало внимание и руководство нашей страны [1].

Для увеличения конкурентоспособности следует стремиться к снижению себестоимости готовой продукции путем уменьшения затрат ТЭР на её производство, выходя на уровень зарубежных производителей. Применительно к доменным печам, технологические мероприятия заключаются, в частности, во внедрении и развитии технологии вдувания в горн восстановительного реагента - угольной пыли - топлива более дешевого, чем природный газ и коксующийся уголь.

Сравнение достигнутых удельных расходов кокса при вдувании ПУТ на зарубежных доменных печах, и природного газа на отечественных, показывает, что применение угольной пыли позволяет экономить больше кокса. Немаловажным фактором в пользу внедрения технологии ПУТ при производстве чугуна, является устойчивая тенденция к увеличению мировых и внутренних цен на энергоносители [2].

Таким образом, в условиях все углубляющегося экономического кризиса и дороговизны ресурсов, все большую актуальность приобретает проблема конкурентоспособности продукции на мировых рынках, что, в свою очередь, напрямую зависит от снижения ее себестоимости. В этих условиях важное значение приобретает проблема внедрения альтернативной технологии вдувания пылеугольного топлива.

Рассматриваемая технология вдувания пылеугольного топлива в современных условиях жесткой конкуренции на рынках сырья и готовой продукции в последние годы приобрела актуальность и в нашей стране.

Вдувание ПУТ является наиболее распространенным средством для замены кокса в процессе производства чугуна в доменных печах. Производителям необходимо максимально заменить кокс в производственном процессе с целью снижения затрат, связанных с восстановительными реагентами [3].

Научная новизна исследования состоит в том, что данная технология вдувания пылеугольного топлива впервые применяется при выплавке ванадиевого чугуна с использованием титаномагнетитовых руд и определяется прикладной направленностью исследования, а именно - возможностью анализа на базе ДП №5 и 6 ОАО «ЕВРАЗ НТМК».

Нижнетагильский металлургический комбинат (ОАО «ЕВРАЗ-НТМК») является уникальным предприятием в России, благодаря металлургическим особенностям технологии выплавки чугуна и стали с переработкой ванадий и титаносодержащих магнетитов.

При применении технологии вдувания ПУТ достигается максимальное коксо- и энергосбережение, т.е. снижается энергоемкость металлопродукции, что, в свою очередь, обеспечивает снижение себестоимости и повышение конкурентоспособности продукции.

Практическая значимость исследования состоит в том, что в данной работе не только проводится глубокий теоретический анализ, но и делается оценка освоения технологии вдувания ПУТ на базе ДП №5 и 6 ОАО «ЕВРАЗ НТМК».

Объект исследования - Технология вдувания пылеугольного топлива. Предмет исследования - Комплекс технологических, экономических и эксплуатационных факторов, влияющих на эффективность освоения техники вдувания ПУТ.

Цель исследования - определить факторы, влияющие на эффективность освоения техники вдувания ПУТ и сделать выводы о перспективах процесса доменной плавки с использованием данной технологии на примере ДП №5 и 6 ОАО «ЕВРАЗ НТМК».

Задачи исследования:

1. Охарактеризовать технологические особенности доменной плавки с использованием технологии ПУТ.

2. Привести и систематизировать международный опыт применения.

3. Описать технологическую схему комплекса ПУТ ДП №5,6 ОАО «ЕВРАЗ НТМК».

4. Дать рекомендации по экономической эффективности от реализации технологии на базе ОАО «ЕВРАЗ НТМК».

Анализ и систематизация литературных данных

Технология доменной плавки с использованием пылеугольного топлива известна с 1831 г. Промышленное применение технологии вдувания ПУТ началось лишь в середине XX века, а широкое распространение данная технология получила в 80-е годы XX века, когда началось строительство установок по вдуванию ПУТ в мире, в основном в Европе и Азии. В Северной Америке популярным стало вдувание природного газа совместно с другими видами жидкого и твёрдого топлива [2].

Разработка теоретических основ технологии вдувания пылеугольного топлива также насчитывает не одно десятилетие, как в нашей стране, так и за рубежом.

Еще в 1955 г. в СССР на металлургическом заводе им. Дзержинского были проведены первые опыты по вдуванию угольной пыли через фурму в доменную печь. Проблема внедрения технологии вдувания ПУТ в Светском Союзе рассматривалась в трудах В.Н. Андронова, И. Бабича, С.Л. Ярошевского, Ю.Ф. Куваева, В.И. Бабия и других авторов [4].

Работа С.Л. Ярошевского «Выплавка чугуна с применением пылеугольного топлива» была издана в Москве в 1988 г. [5]. Внедрение коксозамещающей технологии в доменной плавке в Украине рассматривали В.П. Лялюк, И.Г. Товаровский.

Следует упомянуть также труды международной научно-технической конференции «Пылеугольное топливо - альтернатива природному газу при выплавке чугуна», прошедшей в Донецке в 2006 г.

На конференцию было представлено 49 докладов, посвященных перспективам эффективности технологии доменной плавки с применением ПУТ, факторам, определяющим эффективность данной технологии: качество агломерата, кокса, ПУТ, ресурсам углей для приготовления ПУТ. Рассмотрены также вопросы теоретического обоснования оптимального технологического режима при высокой степени замены кокса ПУТ, компенсирующие мероприятия, обеспечивающие реализацию данного режима, зарубежный опыт, конструкции пылеугольных установок, доменных печей, новые способы производства чугуна с использованием ПУТ в качестве основного энергоресурса [6].

В связи с необходимостью снижения себестоимости чугуна и ростом цен на энергоресурсы, технология вдувания ПУТ приобрела популярность в России. В 2000-е годы появляется большое количество публикаций по данной проблеме в специализированной периодике - журналах // «Сталь», «Металлург», «Металлургическая и горнорудная промышленность», «Черная металлургия» и др [7,8].

Такие публикации, как статья «Перспективы применения пылеугольного топлива в доменных цехах Украины и России», выполненная в соавторстве А.А. Минаева, А.Н. Рыженкова и Ю.Г. Банникова, опубликованная в №2 журнала «Сталь» за 2008, рассматривает перспективы и проблемы внедрения технологии в нашей стране [2].

Данному вопросу также уделяется значительное внимание в работах украинских авторов, например: «Интенсификация сжигания пылеугольного топлива в доменной плавке» /В.В. Кочура, А.И. Бабич, А.М. Кузнецов // Металл и литье Украины. 2004. №3-4, «Экономическая эффективность использования пылеугольного топлива (ПУТ) в доменных цехах металлургических предприятий Украины» / М.В. Лядский, З.К. Афанасьева, Т.А. Ивлева // Металл и литье Украины. 2008, №11 [9,10].

Существует и большое количество зарубежных статей - «Повышение эффективности работы доменной печи при вдувании ПУТ с применением стимуляторов горения» под авторством I. Sengupta, A. Kymar, S. Grosh [et al.] // AJSE Steel Tecknology [11].

Методологическую основу проекта составляет диалектический метод исследования теоретических аспектов темы, системный подход ко всем изучаемым процессам и явлениям, применение экономико-математических и статистических методов при изучении прикладных аспектов темы.

Для расчета экономической эффективности освоения и внедрения технологии производства чугуна с применением вдувания ПУТ на базе ОАО «ЕВРАЗ НТМК» использовался метод математического моделирования, метод мониторинга полученных данных, а также методы обобщения, систематизации, сравнения и анализа представленных результатов.

Методологической базой исследования являются методы структурного и сравнительного анализа, для обобщения статистических материалов использовались математические методы, для обработки информации - логические методы сопоставления и группировки данных.



1. Сущность и технологические особенности процесса вдувания пылеугольного топлива

чугун пылеугольный топливо выплавка

1.1 Доменная плавка с использованием технологии вдувания ПУТ: история и современность

В древности железо получали в специальных очагах (горнах). Горн выкладывали из камней, в него загружали руду и древесный уголь. Для горения угля мехами вдували воздух. Образующаяся при горении окись углерода и углерод угля восстанавливали руду. Часть окислов железа восстанавливалась до закиси FeO и вступала в реакцию с окислами пустой породы, особенно с кремнеземом, образуя жидкий железистый шлак.

Зерна железа, полученные в результате восстановления его окислов, сваривались в рыхлую губчатую массу, называемую крицей. Эту крицу проковывали, выжимая из ее пор полужидкий шлак. Металл, полученный этим способом, назывался сыродутным. До XIII в. железо и сталь производились только этим способом. В сыродутном способе благодаря невысоким температурам в горне, небольшому времени пребывания железа в контакте с углем и особенно взаимодействию железа с железистыми шлаками получалось непосредственно мягкое малоуглеродистое железо [12].

Постепенно совершенствуя сыродутный горн, стали строить невысокие шахтные сыродутные печи - домницы.

Увеличение высоты домницы и усиление воздуходувных средств привели к удлинению контакта железа с углеродом и к росту температуры процесса. Восстановленный металл плавился и стекал вниз по кускам угля, растворяя углерод последнего и превращаясь в чугун.

Для доменного процесса характерны хорошие восстановительные условия в доменной печи, а также отделение восстановленного железа в виде расплава чугуна от окислов пустой породы руды, образующих шлаковый расплав, не смешивающийся с металлическим. Эти характерные особенности доменного процесса обеспечивают высокое извлечение железа из руды.

С ростом потребности в металле, развитием энергетических и технических возможностей постепенно увеличивалась высота и поперечные размеры доменных печей. При этом соответственно возрастал их полезный объем. Русские доменщики два столетия тому назад создали наиболее мощные и совершенные по тому времени доменные печи. В России впервые была построена доменная печь с круглым поперечным сечением всех элементов профиля: ранее домницы и доменные печи были квадратного сечения [13].

Русские доменщики первые применили подачу дутья через две, и более фурм. Изобретатель паровой машины Иван Ползунов в 1765 г. предложил цилиндрические мехи, опередив на четыре года англичанина Смитона.

Иностранный исследователь Л. Бек так описывал уральские доменные печи XVIII в.:

«Сибирские домны - величайшие и лучшие древесноугольные доменные печи, которые были до тех пор построены… они были с мощными цилиндрическими воздуходувками с водяным приводом. Сибирские домны имели от I0.5 до 15,0 м в высоту и от 3,6 до 3,9 м в поперечнике, в распаре; плели 6 цилиндрических воздуходувных мехов и производили от 100 до 150 т чугуна в неделю, каковая мощность тогда не была достижима даже для величайших английских коксовых домен» [14].

В 1735 г. в качестве горючего для доменной плавки впервые был применен кокс. Замена древесного угля коксом расширила сырьевые возможности и позволила увеличить производительность доменных печей. С этого времени доменное производство развивается особенно быстро. В дальнейшем производительность печей увеличилась в несколько раз благодаря применению (с 1829 г.) подогретого дутья.

Доменная плавка - это основной способ переработки природного железорудного сырья с получением чугуна (иногда ферросплавов и лигатур). Доменная плавка была освоена ещё в XIV в., и с тех пор уже в течение более 500 лет её технология практически не менялась [15].

Сущность доменного процесса состоит в восстановлении железа из оксидов и получении расплавленного науглероженного металла (чугуна) и шлака, которые легко отделяются друг от друга вследствие различия в плотностях (плотность чугуна примерно в 2.5 раза превышает плотность шлака). Выплавка чугуна из железорудных материалов производится в доменных печах. В любой момент времени доменная печь заполнена железосодержащими материалами: твёрдыми (в шахте, распаре и на колошнике), размягчёнными (в заплечиках, распаре и нижней части шахты), жидкими (в горне и металлоприёмнике) и коксом, который остаётся твёрдым во всём объёме печи. В нижней части печи кокс формирует своеобразную насадку, которая обеспечивает необходимый газодинамический режим плавки, полноту протекания процессов восстановления железа и науглероживания металла. В горне печи имеются отверстия для выпуска жидких продуктов плавки (лётки) и для ввода во внутреннее пространство печи дутья (фурмы). Доменное дутьё представляет собой воздух (иногда обогащённый кислородом), нагретый до 1000-1350°C, с топливно-восстановительными добавками (природный газ, угольная пыль, мазут и т.п.). В горне печи формируется окислительная зона, где горят кокс и топливно-восстановительные добавки, в результате чего получается газ, состоящий из азота, оксида углерода и водорода. В окислительной зоне самый высокий уровень температуры (2000-2500°C) в печи. Образовавшийся в окислительной зоне газ поднимается вверх; по мере продвижения его температура, количество и состав изменяются. Больше всего к нему добавляется оксида углерода, образующегося в результате реакций восстановления оксидов железа, кремния, фосфора, марганца и других элементов углеродом коксовой насадки. Состав газа, меняется, прежде всего, вследствие протекания реакций восстановления - оксид углерода превращается в углекислый газ, а водород - в воду. Нагревая шихту, газ охлаждается до температуры 100-300°C. Шихтовые материалы загружают в печь периодически, и время их пребывания в печи составляет 5-8 ч. По мере освобождения пространства в нижней части печи в результате сгорания кокса и плавления железной руды шихтовые материалы опускаются вниз, постепенно нагреваясь от поднимающихся вверх газов. При этом из них испаряется влага, происходит разложение карбонатов и восстановление оксидов железа оксидом углерода и водородом. При температуре около 1200°C начинается размягчение, а затем плавление материалов с образованием чугуна и шлака. Шлак получается из пустой породы железорудных материалов, золы кокса и флюса (если он используется при плавке); шлак является главным регулятором химического состава чугуна. Состав чугуна формируется в процессе стекания капель металлического расплава по коксовой насадке и взаимодействия со шлаком. Температура чугуна на выпуске составляет обычно 1380-1420°C, шлака - 1450-1500°C. Жидкие продукты плавки выпускают из печи периодически (по мере накопления) [16].

Современная доменная печь, служащая для выплавки чугуна, представляет собой шахтную печь. Вертикальное сечение рабочего пространства ее называется профилем печи и представлено на рисунке 1.1. Верхняя цилиндрическая часть доменной печи, служащая для приема плавильных материалов и отвода газов, называется колошником. Наибольшая по высоте коническая часть печи называется шахтой. Расширение шахты книзу облегчает опускание материалов и улучшает распределение газов по поперечному сечению печи. Цилиндрическая часть, соединяющая основание шахты с нижним конусом печи, называется распаром. Часть печи в виде усеченного конуса с меньшим нижним основанием, расположенная ниже распара, называется заплечиками. Форма заплечиков соответствует резкому сокращению объема шихтовых материалов в результате образования жидких продуктов плавки. Нижняя цилиндрическая часть печи, в верхней части которой сгорает кокс, а в нижней собираются продукты плавки - чугун и шлак, называется горном [12].

Рисунок 1.1 - Профиль доменной печи:

Доменная печь: 1 - защитные сегменты колошника; 2 - большой конус; 3 - приёмная воронка; 4 - малый конус; 5 - распределитель шихты; 6 - воронка большого конуса; 7 - наклонный мост; 8 - скип; 9 - воздушная фурма; 10 - чугунная лётка; 11 - шлаковая лётка.

Объем доменной печи, занятый плавильными материалами и продуктами плавки, называется полезным, а высота от лещади до верхнего уровня плавильных материалов на колошнике - полезной высотой доменной печи.

Технология доменной плавки с использованием пылеугольного топлива известна с 1831 г. Промышленное применение технологии вдувания ПУТ началось лишь в середине XX века, а широкое распространение данная технология получила в 80-е годы XX века. Затяжной период освоения технологии ПУТ можно объяснить необходимостью разработки сложного и дорогостоящего оборудования для подготовки и вдувания ПУТ, а также успешной конкуренцией со стороны мазута и природного газа.

Первый патент на вдувание измельчённого твёрдого топлива в доменную печь через фурмы выдан в Англии, в 1831 г., аналогичный патент выдан в Германии в 1877 г. Данные о начале практического применения ПУТ разнятся: по одним источникам первые попытки вдувания были предприняты в 1840 г., по другим первое вдувание измельчённого угля в шахтную печь было осуществлено в Канаде при плавке черновой меди в 1911 г. [1].

Масштабные экспериментальные работы по вдуванию ПУТ начались в 50…60-е годы ХХ века в США. В то время мазут выполнял ведущую роль в технологии вдувания топлива.

В 1955 г. в СССР на металлургическом заводе им. Дзержинского были проведены опыты по вдуванию угольной пыли через фурму в доменную печь объёмом 427 м³ при выплавке ферросилиция. Эти опыты положили начало исследованиям доменного процесса с применением пылевидного топлива на промышленных доменных печах СССР.

Только после энергетического кризиса в 70-е годы обратили внимание на уголь как на более разумную экономическую альтернативу. Применяемая в 70-х годах ХХ века практика вдувания мазута и других производных нефти обеспечивала расход кокса на уровне 400 кг/т чугуна. Второй нефтяной кризис заставил отказаться от вдувания жидких агентов и резко увеличил потребление кокса.

80-е годы стали периодом быстрого роста строительства установок по вдуванию ПУТ в мире, в основном в Европе и Азии. В Северной Америке популярным стало вдувание природного газа совместно с другими видами жидкого и твёрдого топлива. К концу 80-х вдувание ПУТ значительно потеснило другие виды топлива и в США.

Вследствие противоположной направленности воздействия процессов вдувания ПУТ и природного газа на ход доменной печи стало очевидным совместить вдувание этих видов топлива для более мягкого влияния на ход печи.

К настоящему времени в результате совершенствования технология вдувания ПУТ нашла широкое практическое применение. Использование технологии вдувания ПУТ позволяет снизить удельный расход кокса до 325-350 кг/т чугуна. Лидером по удельному расходу ПУТ являются Нидерланды.

Параллельно сокращению расхода кокса при вдувании больших количеств ПУТ, прежде всего, возрастают требования к качеству кокса, поскольку кокс является единственным твёрдым материалом ниже зоны когезии доменной печи и расходуется здесь с более медленной скоростью, т.е. подвергается более длительному воздействию высоких температур и веса столба шихты. В связи с этим кокс должен быть более прочным физически и устойчивым к химическому воздействию, чтобы обеспечить высокую газопроницаемость шихты.

Показатель прочности кокса после взаимодействия с углекислым газом (CSR - coke stretch reactivity) в значительной степени зависит от химического состава золы, который влияет на реакционную способность кокса. Состав доменного шлака также оказывает влияние на эффективность вдувания ПУТ - исследователями обнаружен значительный сдерживающий эффект увеличения потерь давления, возникающий в результате использования железорудного сырья с низким содержанием Al₂O₃.

1.2 Сущность и особенности технологии вдувания пылеугольного топлива

Технология ПУТ включает в себя одновременную подачу угольной пыли и природного газа в домну. И из-за использования не самого угля, а произведенного из него пылеугольного топлива, расход других составляющих снижается для газа на 70-80%, а для кокса - на 20-30%. Таким образом, уменьшается и расходная стоимость выплавки чугуна.

Для внедрения технологии вдувания ПУТ в доменную плавку необходимо выполнить комплекс следующих мероприятий:

- улучшить качество кокса по показателю CSR до 62% и более;

- снизить зольность шихты для коксования до 7,5%;

- обеспечить высокую стабильность показателей качества шихты для коксования;

- использовать для ПУТ угли с зольностью 6,0-8,5% и содержанием серы менее 0,5%;

- обеспечить стабильность качества показателей используемых для ПУТ углей;

- обеспечить стабильность качества компонентов железорудной шихты;

- уменьшить содержание мелочи в железорудном сырье до 3-5%;

- повысить температуру дутья до 1200-1250 єC.

Уголь, предназначенный для комплекса вдувания, хранится на складе, где для него должно быть выделено необходимое количество силосов или площадей из расчета запаса на 7-10 дней. Под силосами или бункерами, которые устанавливаются на складе хранения угля, монтируется система ленточных конвейеров. С их помощью уголь равномерно выдаётся на основной ленточный транспортёр подачи сырого угля в бункеры отделения пылеприготовления, дальнейшая схема приведена на рисунке 1.2. Для извлечения железосодержащих включений над конвейерной лентой подачи угля устанавливается магнитный сепаратор металла.



Рисунок 1.2 - Схематический разрез отделения пылеприготовления и установки вдувания ПУТ

Из бункера отделения пылеприготовления при помощи ленточного весового дозатора уголь поступает в валковую мельницу. Вес угля, поступившего в бункер, измеряется электронной системой взвешивания, а объём контролируется датчиками верхнего и нижнего уровня. Запас угля в бункере позволяет работать мельнице в непрерывном режиме 4-5 часов. Производительность мельницы напрямую зависит от свойств угля. Размер кусков сырого угля - до 60 мм, влажность его - не более 10%[17].

Измельчённый уголь с помощью горячего газа подаётся в сепаратор, установленный в верхней части мельницы. Крупные частицы ПУТ отделяются и возвращаются на стол для повторного помола, мелкие частицы выносятся газом из мельницы и поступают по газоходу в рукавный фильтр. Размер частиц ПУТ регулируется путём изменения скорости потока газа через сепаратор, скорости вращения сепаратора и на выходе из мельницы составляет: не более 74 мкм - 80%; не более 200 мкм - 100%.

В мельницу для сушки ПУТ подаются дымовые газы из вертикального генератора сушильного газа. Генератор сушильного газа имеет горелку, камеру горения и камеру смешения. Генератор предназначен для смешения доменного газа и воздуха горения в горелке, сжигания воспламеняемой смеси в камере горения и производства топочного газа, смешения горячего топочного газа с отходящим дымом воздухонагревателей для получения горячего сушильного газа (температура газа на входе в мельницу - от 200 до 350єС).

Температура смеси ПУТ и сушильного газа после мельницы - не более 100єС, содержание кислорода - не более 12%. Влажность пылеугольного топлива после мельницы - 1,0%.

Смесь пылеугольного топлива с сушильными газами поступает по газоходам в рукавный фильтр, где газы очищаются от ПУТ, которое осаждается в бункерах рукавного фильтра. Очищенный сушильный газ частично возвращается в генератор, частично выбрасывается в атмосферу. В бункерах фильтра устанавливаются уровнемеры пыли.

Угольная пыль из бункеров рукавного фильтра может подаваться с помощью клапан-питателей в любой из двух сборных бункеров ПУТ установки вдувания. Объём бункера обеспечивает непрерывное вдувание ПУТ в доменную печь в течение 4-6 ч. В бункерах имеются системы электронного взвешивания, измерения уровня и температуры пылеугольного топлива. В бункер подаётся осушенный азот для псевдоожижения угольной пыли, что улучшает загрузку ПУТ в инжекционный резервуар установки вдувания. Азот обеспечивает также безопасность длительного хранения ПУТ, что особенно важно во время простоев установки вдувания.

Установка вдувания пылеугольного топлива состоит из:

- системы загрузки ПУТ в инжекционные резервуары для вдувания ПУТ в печь;

- трёх инжекционных резервуаров;

- системы подачи азота в резервуары и транспортные трубопроводы;

- общего транспортного трубопровода ПУТ к доменной печи;

- делителя потока ПУТ;

- транспортных трубопроводов от делителя до фурм доменной печи;

- систем регулирования потока ПУТ в общем трубопроводе и систем равномерного распределения ПУТ по трубопроводам, подающим его к фурмам печи.

Инжекционные резервуары установки вдувания угольной пыли в доменную печь работают по очереди: один на вдувание пылеугольного топлива, второй на загрузке, третий - наборе давления и ожидании вдувания. Резервуары имеют электронную систему взвешивания, оснащены датчиками температуры и давления. Объём инжекционных резервуаров позволяет нормально вдувать ПУТ в доменную печь в течение 30-40 мин.

Транспортировка ПУТ в общем транспортном трубопроводе производится с концентрацией 25-40 кг на 1 кг азота и скоростью в начале трубопровода 3-4 м/с. Поскольку угольно-газовая смесь экстремально абразивна, для поддержания минимальных скоростей транспортирования ПУТ диаметр трубопровода ступенчато увеличивается по мере удаления от резервуаров (по мере снижения давления и уменьшения плотности газовой части потока).

По общему трубопроводу угольная пыль подаётся к делителю потока пыли. Делитель потока устанавливается непосредственно возле доменной печи. При помощи делителя ПУТ поступает в самостоятельные транспортные трубопроводы Ду 25 мм, по которым подаётся к каждой фурме печи. Для регулирования равномерного распределения ПУТ по трубопроводам на каждом трубопроводе устанавливаются датчики давления и температуры пылегазовой среды с системой подачи азота к трубопроводам. Вдувание угольной пыли может осуществляться как в ручном режиме управления с пульта установки вдувания, так и в автоматическом режиме.



1.3 Изменение основных процессов при вдувании ПУТ

Возможны два режима сгорания ПУТ:

- кинетический (при низких температурах, когда процесс горения лимитируется химической кинетикой);

- диффузионный (при высоких температурах, когда процесс горения лимитируется диффузией кислорода к поверхности топлива).

Для интенсификации горения мелких частиц в кинетическом режиме необходимо повышение температурного уровня процесса за счет посторонних источников теплоты или повышения концентрации частиц в газе, которые прогревают газ, способствуя процессу воспламенения частиц. Для частиц, сгораемых в диффузионном режиме, необходимо как повышение концентрации кислорода в зоне горения, так и диффузионный обмен внутри и вне частички за счет аэродинамической организации потока.

Практически и экспериментально доказано, что большинство частичек угольной пыли в условиях доменной плавки сгорает в диффузионном режиме ввиду незначительного влияния повышения температуры дутья на степень сгорания ПУТ [18].

Вдувание ПУТ оказывает непосредственное влияние на процессы, протекающие в фурменной зоне.

Процесс горения пылеугольного топлива может быть разделен на четыре стадии: нагрев частиц до воспламенения летучих; горение летучих, нагрев коксового остатка до его воспламенения; горение коксового остатка. Время нагрева частиц до воспламенения летучих в секундах возрастает линейно с увеличением размера частиц и уменьшается пропорционально температуре газовой среды в четвертой степени. Прогрев коксового остатка до его воспламенения наступает после окончания выгорания летучих ПУТ.

Длительность завершающей стадии горения коксового остатка пропорционально количеству горючей массы, кажущейся плотности, квадрату диаметра частиц и обратно пропорциональна температуре среды и степени обогащения дутья кислородом.

Для ускорения процесса сгорания частиц ПУТ первые 3 стадии, занимающие 20-50% общего времени сгорания и не вызывающие появление жидких и пластических масс, целесообразно осуществлять в сопле и в фурме, т.е. до выхода потока в фурменную зону. Выгорание коксового остатка должно завершаться в пределах фурменной зоны.

Количество и состав горновых газов оказывают влияние на ход восстановительных процессов, протекающих в шахте печи, изменение теплосодержания горновых газов, а также изменение степени прямого восстановления, во многом определяют тепловое состояние нижней зоны печи, и тем самым состав продуктов плавки [19].

При вдувании пылеугольного топлива произойдут следующие изменения протекания физико-химических процессов плавки:

1. Изменится соотношение рудной составляющей и кокса в шахте печи и, как следствие, развитие процессов косвенного восстановления.

2. Изменится высота коксовой насадки и время пребывания расплава на коксовой насадке, что приведет к изменению условий прогрева шлака.

3. Изменится температура газов в фурменном очаге за счет того, что углерод кокса попадает в фурменный очаг с температурой примерно 1500 ^оС, а угольная пыль с температурой не выше 50 ^оС.

4. Произойдёт изменение распределения рудной нагрузки по радиусу печи, а следовательно, потока газов и зоны вязкопластичного состояния.

5. Зольная составляющая ПУТ будет перемешиваться с промежуточным шлаком в условиях отличных от зольной составляющих кокса.

6. Условия восстановления кремния в фурменном очаге. SiO₂ в золе кокса частично восстанавливается до SiO выше уровня фурм.

7. Условия восстановления титана.

8. Возрастёт влияние горячей прочности кокса на ход физико-химических процессов.

С целью стабилизации теплового и газодинамического режимов печи для получения требуемого качества и производства чугуна, необходимо провести компенсирующие воздействия - изменить параметры комбинированного дутья и рудную нагрузку.

Изменение этих параметров в свою очередь оказывает существенное влияние на доменный процесс и показатели плавки [20].

Структурная схема влияния ввода дутьевой добавки на показатели процесса представлена на рисунке 1.3.

Надежная количественная оценка и анализ показателей процесса при вдувании ПУТ могут быть выполнена только с учетом всех указанных на рисунке взаимосвязей.

Влияние ПУТ на параметры дутьевого потока определяется процессами, протекающими в пределах фурмы, и описывается следующими уравнениями.

Объем дутья, истекающего из фурмы, увеличивается на величину равную объема азота, подаваемого для вдувания ПУТ и объема газа, образующегося при сжигании летучих ПУТ:

(1.1)

Принимая допущение, что состав летучих ПУТ - 5% СН₄, объем дутья увеличится на величину:

(1.2)

(1.3)

За счет твердого С угля:

(1.4)

Масса дутья, истекающего из фурмы (кг/сек), при этом увеличится на величину:

. (1.5)

Изменение температуры дутьевого потока связано с протеканием в пределах фурмы реакций сгорания ПУТ: конверсии метана и горения твердого углерода.

Выполнены расчеты влияния степени сгорания углерода ПУТ() в фурме на скорость истечения дутья из фурмы и его температуры.

Следовательно, влияние доли ПУТ, сгорающей в пределах тела фурмы, не оказывает существенного влияния на скорость изменения истечения газов из фурмы и их температуру.

Таким образом, горение ПУТ - сложный химико-физический процесс, который зависит как от кинетических характеристик, так и от физических факторов.



2. Реализация технологии вдувания пут в РФ на примере ОАО «Евраз-НТМК»

2.1 Особенности плавки ванадийсодержащих титаномагнетитов

Основным отличием титаномагнетитов от других руд, является наличие в них титана (от 4 до 18% TiO₂) и ванадия (от 0,1 до 0,8% V₂O₅).

Особенности доменной плавки титаномагнетитов связаны с необходимостью достижения наиболее полного извлечения ванадия в чугун и предотвращения (или минимизации) карбидообразования титана. Степень перехода ванадия в чугун зависит от многочисленных факторов таких как основность шлака, его количество, температура чугуна и др.

Учитывая то, что низшие оксиды ванадия трудновосстановимы, они требуют значительных затрат тепла, увеличение полноты восстановления и степени извлечения ванадия в чугун может быть достигнуто повышением температурного уровня процесса. Однако в реальных условиях повышение теплового состояния горна приводит к интенсивному образованию тугоплавких карбонитридов титана, которые резко увеличивают кажущуюся вязкость шлаков. Поэтому доменную плавку титаномагнетитового сырья, с другой стороны, вынуждены вести при умеренных температурах, т.е. до порога при котором не вызывается появление в горне вязких плотных масс из кокса, шлака и чугуна.

Условия восстановления титана в доменной печи сходны с таковыми для кремния, только титан восстанавливается труднее кремния.

В обычных условиях доменной плавки 7 - 10% титана восстанавливается и переходит в металлическую фазу, но, по мере науглероживания металла и восстановления в чугун кремния, растворимость в ней титана уменьшается и избыточный титан выделяется, концентрируясь (вместе с вновь образующимся) на контактных поверхностях металл-шлак, шлак-кокс, повышая адгезию металла к шлаку и шлака к коксу. Это является причиной плохой фильтруемости шлака через коксовую насадку, что выражается, в частности, в появлении шлака на фурмах, особенно перед выпусками и при снятии дутья, а также причиной повышенных потерь металла со шлаком, главным образом, в виде, так называемой, гренали, представляющей собой корольки металла в шлаковой оболочке, обогащенной карбидами и оксикарбонитридами титана.

По мере повышения содержания диоксида титана в исходной руде отмеченные осложнения нарастают, работа доменной печи становится крайне неустойчивой и характеризуется частыми загромождениями горна неплавкими массами.

Находящийся в составе титансодержащих железорудных материалов диоксид титана (TiO₂) последовательно восстанавливается в доменной печи по следующим реакциям:

TiO₂ + C = TiO + CO, (2.1)

TiO + C = Ti + CO. (2.2)

Термодинамический анализ приведенных реакций показывает, что восстановление оксидов титана с заметной скоростью начинается при температуре 1300 єС.

Получающийся металлический титан взаимодействует с углеродом, а также и с азотом с получением карбидов (TiC), карбонитридов (TiCN) и нитридов (TiN) титана:

Ti + C = TiC, (2.3)

Ti + C + N = TiCN, (2.4)

Ti + N = TiN. (2.5)

TiC образуется с большим выделением тепла (239,694 кДж/моль), условия его образования при воздействии углерода на TiO2 очень благоприятны. Образующиеся соединения имеют исключительно высокие температуры плавления - более 3000 єС (к примеру, TiC - 3420 єС). Поскольку температура чугуна и шлака при доменной плавке редко превышает 1450-1500 єС, то указанные карбиды и карбонитриды титана находятся в расплавах в виде твердых фаз.

С ростом температуры и времени выдержки расплавов в горне печи образование TiC и TiCN прогрессивно возрастает, что сопровождается их накоплением в горне доменной печи. Плотность карбидных и карбонитридных образований титана ниже плотности чугуна (плотность карбида титана 4,93 г./см3, а плотность чугуна 6,9 г/см3), но выше плотности шлака (плотность шлака 2,8 г/см3). Указанные образования, не растворимые в чугуне и шлаке, образуют третью фазу - греналь, которая практически не отделяется от чугуна в главном горновом желобе и попадает в чугуновозы и шлаковозы. Это приводит к увеличению удельного расхода железа на 1 т товарного чугуна.

Появление в расплавах чугуна и шлака твердых фаз карбидов и карбонитридов титана имеет еще одну отрицательную сторону. Образующиеся в этом случае твердые оболочки из TiC и TiCN препятствуют укрупнению капель чугуна, что приводит к увеличению потерь чугуна, уносимого из главного распределительного желоба при выпуске чугуна из горна печи.

Наличие твердых частиц карбидов и карбонитридов титана в шлаке делает шлак гетерогенной (неоднородной) системой, что сопровождается возрастанием кажущейся вязкости этого шлака. При увеличении нагрева горна печи и увеличении температуры нагрева расплавов чугуна и шлака восстановление оксидов титана и образование карбидов и карбонитридов титана интенсифицируется, что вызывает прогрессивное возрастание вязкости гетерогенного шлакового расплава.

В настоящее время успешная доменная плавка титаномагнетитов достигается за счет оптимизации её параметров, а именно:

- стабильное тепловое состояние печи;

- умеренный нагрев горна, при теоретической температуре горения в пределах 1850-2000 єС, получение чугуна с содержанием кремния в пределах 0,05 - 0,15% и температурой 1430 ± 20 єС;

- поддержанием основности шлака на уровне 1,15 - 1,25;

- своевременный и полный выпуск продуктов плавки, поскольку задержки с выпусками усиливают явление карбидообразования титана; а также ввода в шихту доменных печей марганцевого агломерата, который разрушает карбиды титана:

TiC + 3MnO = TiO₂ + CO + 3Mn. (2.6)

Однако в существующей технологии не увязаны предельные критерии по составу чугуна и шлака с параметрами давления (p) в печах, как известно, влияющими на содержание кремния в чугунах. Например, для реакции

SiO₂ + 2C = [Si] + 2CO, (2.7)

[Si] = K·(p_CO)^{? 2} и если K = const, то при увеличении давления содержание кремния должно уменьшаться:

[Si]₂ = [Si]₁·(p₁/p₂)²; (2.8)

и, поэтому, из-за негативного влияния [Si] на растворимость титана в чугунах, не исключено выделение карбидов и карбонитридов титана из чугуна в самостоятельные фазы, их накопление на контактных поверхностях металл-шлак, шлак-кокс.

Оптимизировать тепловое состояние нижней зоны доменной печи, таким образом, можно за счет перераспределения затрат тепла между эндотермическими реакциями восстановления оксидов трудновосстановимых элементов и физическим нагревом продуктов плавки, что реализуется путем повышения давления в нижней зоне печи.

Восстановление оксидов в нижней зоне печи протекает по реакциям прямого восстановления с поглощением тепла и увеличением объема газов. В частности, восстановление кремния в чугун из золы кокса протекает в две стадии. После первой стадии (SiO₂ + C = SiO + CO), монооксид кремния возгоняется и на коксовой насадке восстанавливается до металлического кремния, который растворяется в чугуне. Восстановление кремния протекает с большими затратами тепла и образованием газовой фазы. Поэтому, в соответствие с принципом Ле-Шателье, повышение давления в печи смещает равновесие реакций в сторону образования исходных веществ, что препятствует возгонке монооксида кремния и, следовательно, способствует снижению содержания кремния и других трудновосстановимых элементов в чугуне.

Таким образом, предотвращение образование карбидов и карбонитридов титана достигается путем оптимизации теплового состояния нижней зоны доменной печи по содержанию кремния в чугуне в пределах 0,05 - 0,12%, при этом оптимальное содержание кремния в чугуне определяется по обратной зависимости от максимально возможного давления в горне печи по формуле:

, (2.9)

где [Si] - содержание кремния в чугуне, %

р - давление газовой смеси в горне печи, ати

А, В-эмпирические коэффициенты, зависящие от условий плавки (состав шихты и горновых газов, основность шлака, температура в горне и т.п.).

Снижение затрат тепла на реакции прямого восстановления сопровождается повышением температуры чугуна и шлака. Повышение температуры, также как и снижение содержания кремния приводят к повышению растворимости титана в чугуне, что существенно снижает вероятность выделения карбидов и карбонитридов титана из металла в самостоятельную фазу.

Анализ работы доменных печей ОАО «НТМК», имеющих разные объемы и разное давление горновых газов, подтверждает зависимость степени восстановления трудновосстановимых элементов, критерием которой является содержание кремния в чугуне от максимально возможного давления в горне печи [21,22].

Основные технологические параметры доменных плавок за два года (2005-2006 гг.) приведены в таблице 2.1, а зависимость содержания кремния от давления дутья на рисунке 2.1.

Таблица 2.1 - Технологические параметры доменных плавок в 2005-2006 гг.

Показатели	ДП №3	ДП №1	ДП №6	ДП №5
Давление горячего дутья, ата	3,1 ч 3,2	3,45 ч 3,55	4,0 ч 4,15	4,8 ч 4,85
Содержание кремния в чугуне, %	0,12 ч 0,13	0,1 ч 0,11	0,08	0,065 ч 0,07
Удельный расход железа, кг/т чугуна	1007	1000	998	997
Расход кокса, кг/т чугуна	455 ч 465	445 ч 450	410 ч 420	400 ч 415
Удельная производительность, т/м3·сут	1,85 ч 1,9	2,2 ч 2,3	2,3 ч 2,4	2,45 ч 2,5

Из приведенных в таблице обобщенных данных о работе печей ОАО «НТМК» с высокой степенью достоверности (R² = 0,9836) выявлена взаимосвязь между давлением горячего дутья и содержанием кремния в чугуне в условиях устойчивой работы печей и определены значения эмпирических коэффициентов (А и В) из уравнения 2.10 равные, соответственно, 0,63 и 1,43. В этом случае уравнение 2.10 принимает следующий вид:

(2.10)

Рисунок 2.1 - Влияние давления дутья на содержание кремния в чугуне

Аналогичный анализ был проведен отдельно по доменной печи №6 ОАО «НТМК», имеющей полезный объем 2200 м³. Результаты приведены на рисунке 2.2 и в таблице 2.2.

Рисунок 2.2 - Влияние давления дутья на содержание кремния в чугуне по ДП №6 ОАО «ЕВРАЗ-НТМК»

В данном случае значения эмпирических коэффициентов (А и В) из уравнения 2.11 равны соответственно 6,5 и 3,1, а зависимость содержания кремния от давления принимает вид:

. (2.11)

Карбонитридные соединения титана, образующиеся в печи, могут отлагаться на стенках горна печи, кусках кокса, а также выноситься с продуктами плавки, в частности с чугуном. Причем, чем больше степень развития карбидообразования титана в печи, тем, естественно, больше доля карбонитридов титана в выпускаемом чугуне. Данные включения отлагаются на стенках чугуновозных ковшей, что приводит к снижению их емкости и увеличению веса тары. Таким образом, оценку карбидообразования титана можно произвести по чистоте используемых чугуновозов, а именно по двум показателям: весу порожних ковшей («тара») и количеству вмещаемого в них чугуна («налив»).

Таблица 2.2 - Оценка карбидообразования титана в чугуне, ДП №6 ОАО «ЕВРАЗ-НТМК»

[Si], %	Давление, ата	вес тары, т	налив, т	кокс	уд. пр-ть, т/м3сут
0,07	4,35	73	111	409	2,4
0,08	4,15	73,75	109,25	412	2,35
0,09	3,98	74	109	417	2,29
0,1	3,85	76	107	423	2,18
0,12	3,63	80	103	434	2,07
0,14	3,48	83	99	475	1,95

Результаты, приведенные в таблице 2.2, наглядно показывают, что снижение содержания кремния в чугуне, которое в свою очередь обеспечивается повышением давления в печи, снижает выделение карбидов и карбонитридов титана из металла в самостоятельную фазу [6/2].

По условиям выплавки кондиционных по содержанию серы чугунов в промышленных условиях оценены и рекомендуются пределы по содержанию кремния в металле 0,05 - 0,12%. При этом нижний предел обусловлен гарантированным получением кондиционного по содержанию серы (не более 0,03%) ванадиевого чугуна (таблица 2.3).

Таблица 2.3 - Влияние содержания кремния в чугуне на содержание серы

[Si]	[S]
0,11	0,010
0,09	0,012
0,075	0,015
0,06	0,020
0,05	0,025

Таким образом, на основе физико-химического анализа условий восстановления титана и общих закономерностей движения расплавов в пористых средах рассмотрены факторы, определяющие условия восстановления и карбидообразования в доменных печах.

Давление в горне печи определяется давлением горячего дутья. Зависимость оптимального содержания кремния от давления дутья имеет степенной вид. При повышении давления дутья создаются условия для более низкого содержания кремния в чугуне. Снижение содержания кремния в чугуне способствует предотвращению карбидообразования титана.

Рекомендуемые пределы по содержанию кремния в чугуне при давлении дутья от 4 до 5 ата (3 - 4 ати) - 0,05 - 0,12%. Нижний предел обусловлен гарантированным получением кондиционного по содержанию серы ванадиевого чугуна.



2.2 Схема комплекса ПУТ ОАО «ЕВРАЗ-НТМК»

Промышленное освоение использования ПУТ на доменных печах ОАО «ЕВРАЗ НТМК» началось в конце 2012 г. К началу февраля 2013 г. ДП №5 была выведена на проектные значения по объему вдувания ПУТ, а с 24 января 2013 г. началось промышленное освоение технологии доменной плавки с использованием ПУТ и на ДП №6.

Технологическая схема комплекса ПУТ ОАО «ЕВРАЗ-НТМК» предусматривает:

1. Прием сырого угля;

2. Транспортировку и хранение сырого угля;

3. Предварительную подготовку угля для производства ПУТ;

4. Хранение подготовленного угля и его транспортировка в пылеприготовительное отделение.

5. Помол угля до крупности 80% менее 90 мкм с одновременной сушкой до остаточной влажности не более 1,5% - получение готового сырья для вдувания ПУТ;

6. Распределение ПУТ и его транспортировку к статическим распределителям доменных печей;

7. Распределение ПУТ по фурмам доменных печей.

Основное здание Установки ПУТ ОАО «ЕВРАЗ-НТМК» представлено на рисунке 2.3.



Рисунок 2.3 - Установка ПУТ ОАО «ЕВРАЗ-НТМК»

Кроме того, неотъемлемой частью производства и вдувания ПУТ в доменные печи является производство и подача азота.

Сырой уголь на НТМК поступает в полувагонах. В зимнее время для облегчения разгрузки и очистки вагонов производится пленочное размораживание угля в вагонах. Разогрев вагонов до положительной температуры производится при помощи инфракрасных горелок, работающих на природном газе. При этом происходит оттаивание соприкасающихся со стенками и дном полувагона слоев смерзшегося материала. Далее вагон с углем подается к разгрузочному комплексу, в котором предусматривается разругрузка вагонов на вагоноопрокидывателе с предварительным рыхлением угля в вагоне с помощью буро-фрезерной установки и измельчения кусков угля на решетках бункеров дробильно-фрезерной машиной. Перед разгрузкой вагонов из них производится отбор проб с помощью шнекового пробоотборника. Отобранная проба подготавливается для дальнейших исследований при помощи проборазделочной машины и далее обрабатывается в лаборатории.

Разгрузка угля из приемных бункеров вагоноопрокидывателя производится при помощи двух ленточных питателей.

Из приемных бункеров вагоноопрокидывателя сырой уголь подается ленточным конвейером П-1 на перегрузочную станцию ПС-1 и далее конвейером П-2 на перегрузочную станцию ПС-2. На конвейере П-5 предусматривается улавливание магнитного и немагнитного металла.

Для предварительной подготовки угля предусматривается отделение предварительного дробления. Уголь, поступающий в это отделение по конвейеру П-5, направляется в зубчатую валковую дробилку на первичное дробление и далее на грохот для отсева фракции более 80 мм.

Уголь крупностью более 80 мм после грохота дополнительно измельчается щековой дробилкой.

Далее весь измельченный уголь конвейером П-6 транспортируется на силосный склад.

Помол и сушка угля осуществляются в пылеприготовительном отделении (ППО). Предусматривается две установки помола и сушки (УПиС) производительностью 80 т/ч ПУТ каждая.

Как указано выше, предварительно подготовленный уголь конвейером П-10 типа Sicon подается в ППО, где распределяется по двум загрузочным бункерам. Из каждого бункера сырой уголь газонепроницаемым цепным скребковым конвейером с регулируемой скоростью подается в соответствующую вертикальную валково-тарельчатую мельницу со встроенным динамическим классификатором.

Внутри мельницы осуществляется измельчение угля до крупности менее 90 мкм (80%) и параллельно его сушка горячим сушильным газом.

Свежий сушильный газ производится в генераторе сушильного газа сжиганием доменного газа вентиляторным воздухом. Температура свежего сушильного газа на выходе из генератора 305 С°. Эта температура снижается путём смешения его с потоком сушильного газа, прошедшего главный рукавный фильтр.

Благодаря смешению свежего и отработанного сушильных газов достигается уровень температуры, необходимой для сушки угля, а так же обеспечивается работоспособность рукавов главного фильтра, материал которых рассчитан на температуру 130 С°.

Сушильный газ после главного рукавного фильтра разделяется на две части. Один поток выбрасывается через вытяжную трубу в атмосферу, а другой подается в генератор сушильного газа, где смешивается со свежим сушильным газом, образовавшимся при сжигании доменного газа.

Циркуляция сушильного газа в контуре обеспечивается вентилятором.

Образовавшееся в результате помола угля в мельнице пылеугольное топливо потоком сушильного газа транспортируется в главный рукавный фильтр. На фильтрующих рукавах пылеугольное топливо отделяется от сушильного газа и падает в нижнюю часть корпуса фильтра, где собирается четырьмя винтовыми (шнековыми) конвейерами и с помощью двух ротационных клапанов и поперечного реверсивного цепного скребкового конвейера или, минуя его, подается на два грохота для отделения крупных частиц.

После грохотов ПУТ попадает на поперечный реверсивный цепной скребковый конвейер, которым загружаются бункеры хранения ПУТ распределительно-дозировочных систем. В эти бункеры ПУТ может так же загружаться непосредственно после грохотов, минуя конвейер. Крупные частицы ПУТ, отделенные на грохотах удаляются двумя шнековыми конвейерами.

Для распределения ПУТ и его подачи к статическим распределителям доменных печей предусматривается распределительно-дозировочное отделение, включающее три распределительно-дозировочные системы, по одной на каждую доменную печь.

Как указано выше, ПУТ поперечным реверсивным цепным скребковым конвейером или непосредственно с грохотов подается в загрузочные бункеры ПУТ распределительно-дозировочных систем.

Из каждого загрузочного бункера угольная пыль самотеком подается в один из трех инжекционных бункеров распределительно-дозировочной системы.

В инжекционных бункерах ПУТ взвешивается при атмосферном давлении, подпрессовывается азотом, постоянно псевдоожижается и транспортируется в плотнофазном потоке с высоким соотношением потока ПУТ к потоку транспортирующего газа (на уровне 15-20 кг. ПУТ/нм3 газа) в статический распределитель, устанавливаемый рядом с каждой доменной печью. В качестве транспортирующего газа используется азот давлением 1,8 МПа.