ЭВОЛЮЦИОННАЯ ПЕРЕСТРОЙКА ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА НА БЕСКОКСОВОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВИЧНОГО МЕТАЛЛА

Доменный процесс в технологии массового производства стали в ближайшее время останется главным, а развитие его технологии и последующая реформация связаны с решением некоторых проблем.

Важнейшей из этих проблем является замена кокса низкосортным углем, которая решается путем припечной газификации угля и вдувания в фурменную зону продуктов его газификации [1]. Вдувание продуктов газификации угля (ПГУ), являющихся готовым горновым газом с высоким температурным потенциалом, позволяет заменить газ, образующийся из кокса, с переходом к малококсовой плавке и создает предпосылки для полной замены кокса как энергоносителя.

В рамках сложившейся эволюции процесса энергетически возможен полный вывод кокса и переход к бескоксовой плавке. Однако функция кокса как твердой насадки в зоне размягчения и плавления материалов не может быть исключена изза невозможности организации эффективного противотока в таких условиях.

В связи с этим развитие бескоксовой металлургии пошло по пути разделения процессов твердо и жидкофазного восстановления железа и осуществления их в разных агрегатах. Это породило новые проблемы (требования к качеству сырья, предохранение твердого металлизованного продукта от окисления, утилизация избыточной энергии газа и др.) и не дало преимуществ в экономике, топливоиспользовании и экологии, особенно в тех случаях, когда для плавления металла используется электроэнергия, получение которой требует трех, четырехкратных затрат первичной энергии.

Для совмещения процессов восстановления и плавления металла в одном агрегате с использованием в качестве энергоносителя энергетических углей [2] небесполезно вернуться к истокам бескоксовой металлургии и предложениям Д.КЛернова конца прошлого ве ка [3].

Используя идеи Д.К.Чернова, выполнили эскизный проект шахтногорнового агрегата (ШГА) для бескоксового получения металла (БПМ) на основе реконструкции доменной печи (ДП) объемом 1033 м3, в котором реализуется принцип автономизации процессов восстановления и плавления материалов в объеме агрегата, а подача энергоносителей осуществляется от установленных по окружности горна реакторовгазификаторов угля, генерирующих ПГУ требуемых параметров. Разделение процессов восстановления и плавления достигается за счет конструктивных и технологических решений: организация горловины между шахтой и горном, отводы газа из горна в шахту, рассечение температурного поля путем подачи холодного природного газа (ПГ) (см. рисунок).

Шахта 1 с помощью горловины 4 соединена с горном 7 и имеет фурмы 3 для подачи восстановительного газа в ее нижнюю конусную часть 2, угол наклона которой к горизонту должен обеспечить свободное ссыпание твердых материалов через горловину в горн и быть больше угла естественного откоса материалов (35—45°). Горн 7 имеет сводовую 5, коническую 6 и цилиндрическую 8 части. Сводовая часть образует сводовый объем относительно конуса ссыпающихся материалов, которые опираются на поверхность расплава и опускаются по мере расплавления. Она оборудована газоотво дами 12, направленными к фурмам для подачи газа в шахту. Указанный свободный объем необходим Для смешивания потоков газов, поступающих из отдельных фурм горна через плавящийся столб шихты, и выпадения твердых частиц из газа.

Коническая часть горна примыкает к сводовой и наклонена к горизонту под углом, близким к углу естественного откоса материалов. Она выполнена двухступенчатой по конструктивным соображениям, связанным с характером удержания кладки. В ее нижней части по окружности печи находятся фурмы 10. Каждая фурма является выходным патрубком реакторагазификатора (РГ) пылеугольного топлива (ПУТ), генерирующего газ требуемых параметров.

К каждому РГ подведено ПУТ и нагретый до 600—800 °С воздух, обогащенный кислородом.

Нагрев осуществляется рекуперативным способом путем сжигания колошникового газа или с использованием имеющихся регенераторов. Количество фурм и соответственно РГ по окружности печи равно 20. Над каждой из них расположена фурма для вдувания холодного восстановительного или природного газа 11, который подается также в горловину и газо отводы для регулирования температуры газа, поступающего в шахту. Таким способом осуществляется рассечение температурных полей горна и шахты и разделение твердо (в шахте) и жидкофазных (в горне) процессов. Выпуск металла и шлака осуществляется с помощью сифонных устройств 9.

Переоборудование ДП в ШГА может быть осуществлено при капитальном ремонте 1го разряда с реконструкцией. При этом объем агрегата от уровня леток для металла до уровня засыпи составит 915 м3, в том числе объем шахты 730 м3.

Работа ШГА включает загрузку кусковой железорудной шихты на колошник, нагрев и восстановление ее в противотоке восстановительного газа в шахте, горловине и верхней (сводовой) части горна, где материалы находятся при температуре ниже температуры размягчения; размягчение и плавление материалов в области фурменных очагов и вдали от очагов в жидкой ванне; формирование расплавов металла и шлака и их выпуск через летки. Вдуваемый через фурмы газ (20002500 °С) после тепломассообмена с ма* териалами в горне смешивается при 16001700 °С с ПГ и движется по газоотводам к фурмам шахты, куда подается с температурой до 900 °С; часть газа с такой же температурой (до 900 °С) поступает в шахту через горловину, куда также подведен ПГ для регулирования температуры.

Аналитические и экспериментальные исследования процессов твердофазного восстановления железорудной шихты в шахте , условий ее восстановления и плавления в горне и фурменных очагах ШГА показали возможность устойчивого хода процессов БПМ с получением металла, содержащего 2 % углерода и 0,1 % кремния, и высокоосновного шлака для производства клинкера.

На основе полученных результатов могут быть выбраны основные параметры нового технологического процесса и дана оценка ожидаемых его показателей.

В качестве прототипа принимаем технологию доменной плавки с обогащением дутья кислородом до 40% при расход* природного газа 180 м3/т чугуна, температуре дутья 1200 °С и влажности 1%. Выход шлака составляет 400 кг/т, содержание кремния в чугуне 0,7%, марганца 0,8%, углерода 4,5%, температура продуктов плавки 1550 °С. Производительность ДП составит в этих условиях 2500—3000 т/сут или 0,9—1,1 млн.т в год. Аналогичные условия задаем для БПМ и ШГА.

Основные расчетные параметры и тепловые балансы доменного процесса (в числителе) и процесса бескоксового получения металла (в знаменателе) следующие:

При более высоком расходе углерода БПМ имеет меньший расход ПГ, в результате чего общий расход топлива одинаков при экономии высокотеплотворного и дефицитного кокса и природного газа. Более высокий общий расход теплоты при БПМ обусловлен теплосъемом на' газификаторах» ошлакованием золы угля и более высокой температурой колошникового газа. Указанные затраты замещают энергию на получение кокса и обогащение угля.

Топливноэнергетическое сравнение процессов вели по изменяющимся статьям расхода энергоресурсов, к числу которых отнесены расходы кокса, угля, природного газа и кислорода, нагрев и сжатие дутья, а также получение кокса и угольной шихты. Исходя из этих условий и показателей процессов получили следующий расход условного топлива для ДП (в числителе) и БПМ (в знаменателе), кг/т металла:

Преимущества процесса БПМ по условному топливу обусловлены сокращением расходов ПГ, теплоты на нагрев дутья и получение кокса, а также углерода, растворенного в металле и унесенного в колошник.

Экономическое сравнение нового процесса с ДП выполнено по изменяющимся статьям расходов, срок окупаемости затрат составил 2,6 года. Происходящее в настоящее время повышение цен на все виды топлива приводит к увеличению абсолютной разности стоимости кокса и энергетических углей, а значит— к увеличению эффективности нового процесса.

Расчеты экологической эффективности процесса БПМ показали, что при годовой выплавке металла 1млн.т замена ДП на БПМ с выводом мощностей по производству кокса на 0,4 млн.т в год способствует сокращению выбросов пыли на 2,5т/сут и вредных веществ на 3,5т/сут.

Преимуществами процесса БПМ и ШГА являются возможность реализации ШГА при реконструкции ДП с быстрой окупаемостью затрат (2,6 года); переход на первичное топливо с ликвидацией коксохимии и соответствующим улучшением экологической обстановки; возможность перестройки черной металлургии на новую технологию с сохранением и совершенствованием сложившейся инфраструктуры. Это может стать новым этапом развития массовой металлургии.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994