ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА В РОССИИ

Последние десятилетия были очередным этапом соперничества традиционной схемы металлургии доменная печь — конвертер и внедоменно го получения металла восстановительная печь— электропечь. На наш взгляд, во всемирном масштабе следует оценить итог этого соперничества как победу традиционной схемы.

Доменное производство обладает тремя главными недостатками: экологические последствия; необходимость использования в качестве топлива лишь каменноугольного кокса; возможность использования только кускового материала.

Конкуренты доменной печи являются не принципиально иными агрегатами, а ее частями, чаще всего шахтой или горном, взятыми отдельно. Предлагается заменить доменную печь либо ее верхней частью— шахтой (шахтные печи восстановления, реторты и др. при получении губчатого железа), либо нижней частью— горном (агрегаты жидкофазного восстановления с получением жидкого металла). Это расчленение доменной печи — вынужденное, вытекающее из стремления заменить каменноугольный кокс менее дефицитным топливом.

Таким образом, конкурентами доменной печи являются ее собственные части, взятые отдельно или стоящие рядом (процесс Корекс). Эти конкуренты должны доказать свою более высокую эффективность, чем агрегат в целом.

Возможности низкотемпературного восстановления в шахте газом хорошо изучены в промышленном масштабе.

Практика показала, что шахтная печь восстановления не может конкурировать с доменной печью в качестве универсального высокопроизводительного источника первичного металла.

В настоящее время широко обсуждаются и проходят опытнопромышленную и промышленную проверку различные методы жидкофазного восстановления металла из руд. К преимуществам этого направления следует отнести замену кокса недефицитными сортами твердого топлива; необязательность в ряде случаев обогащения и окускования руд; возможность попутно производить из недефицитного твердого топлива высококачественный газ восстановитель.

Однако процесс жидкофазного восстановления имеет ряд негативных особенностей: невозможность получать различные марки металла (литейный чугун, ферросплавы с повышенным содержанием марганца, хрома и др.) и вытекающие из этого безвозвратные потерт со шлаком всего количества находящегося в шихте хрома, марганца и других ценных попутных элементов; сложность получения малосернистого металла; повышенные (по сравнению с доменной печью) безвозвратные потери железа со шлаком; высокий расход топлива (для агрегата ПЖВ при проплавке бедной необогащенной руды * 5 т/т, богатой руды * 2 т/т.

Нетрудно заметить, что высокие расходы топлива (даже для подготовленной руды) обусловлены высокими тепловым и химическим потенциалами колошникового газа (1200-1500 °С, 100 % СО). Поэтому перспективы развития этих способов получения жидкого металла, использующих недефицитные виды твердого топлива, связаны с поиском путей максимального использования энергии колошникового газа. Этот газ можно использовать для предварительного восстановления шихты в отдельном агрегате (процесс Корекс).

Однако кроме усложнения схемы в этом случае необходимо применение окускованного сырья. Возможно дожигание части колошникового газа над ванной металла с максимальным возвращением это# дополнительной теплоты ванне (российский процесс ПЖВ). Расчеты показывают, что при дожигании 40% СО до СОг в колошниковом газе и возвращении 80% теплоты ванне возможно сокращение расхода топлива на 3040%. Очевидно, для процессов жидкофазного восстановления наиболее пригодны шламы, в частности отходы конвертерных и прокатных цехов.

Таким образом, можно полагать, что на обозримое время конкурента доменному способу производства чугуна не предвидится. Это подтверждается низкой долей металла, производимого в мировом хозяйстве альтернативными способами (~1%).

Поэтому перспективы развития доменного производства целиком зависят от его совершенствования и прежде всего от его экологической чистоты. Необходима смена приоритетов в оценке совершенства процесса и, в частности, отказ от опоры только на признанные техникоэкономические показатели.

Существующие методы повышения экологической чистоты металлургического производства сводятся главным образом к разработке более совершенных методов очистки газов и улавливания различных выбросов в окружающую среду. Однако следует стараться ликвидировать не следствие, а причину, т.е. перестроить металлургические процессы с тем, чтобы саму возможность вредного воздействия на окружающую среду свести к минимуму.

В настоящее время трудно определить конкретные решения. Так, эффективность процессов окускования оценивается и с точки зрения достижения максимальных степеней десульфурации шихты. При этом допускаются значительные выбросы оксида серы в атмосферу. При содержании в аглоруде 0,3% серы, степени десульфурации 90% и объеме производства агломерата 15 млн.т в год в атмосферу может быть выброшено ежегодно более 80 тыс.т S02. Между тем, на наш взгляд, вопрос надо ставить совершенно иначе — довести степень десульфурации до минимума с соответствующим эффектом для окружающей среды. При этом пршкГд серы в доменную печь с 0,48 (при 0,03% серы в агломерате) увеличится до 4,8 кг/т.

Для условий Урала и Востока при наличии малосериистого кокса имеются реальные технологические возможности сохранения содержания серы в чугуне на уровне, близком к прежнему. Однако даже некоторый рост расхода кокса не должен на первом этапе экологизации доменного производства смущать, так как это целиком окупается эффектом для окружающей среды. В перспективе же следует взять курс на внедоменную обработку чугуна.

Практика подтвердила установленное в основном трудами отечественных ученых верхнее ограничение обогащения железных руд. Для их большинства таким пределом является содержание 66—67% железа в концентрате. Превышение этой величины приводит к снижению прочностных свойств агломерата и окатышей с соответствующими последствиями для доменной плавки.

Наблюдается стремление к дальнейшему повышению доли окатышей в доменной шихте за счет снижения количества производимого агломерата как продукта более вредного с экологической точки зрения. Особенно этот процесс должен проявлять себя и далее для условий СНГ, характеризующихся значительной долей устаревших агломерационных агрегатов, наносящих большой ущерб окружающей среде.

Основные научные и технические достижения в окусковании сырья в последнее время связаны с оптимизацией состава шихты. Не оправдало себя производство окатышей с повышенным содержанием монооксида железа. Опыт работы печей и подробные расчеты этого варианта плавки показали, что ожидаемый рост интенсивности плавки чаще всего не подтверждался, основные цели ресурсосбережения не достигались, падала эффективность комбинированного дутья. В то же время оптимизация состава шихты, в том числе использование извести, магнийсодержащих добавок, компонентов, снижающих температуру плавления шихты, используемой для производства агломерата и окатышей и увеличения подвижности и других свойств подучаемого при окусковании расплава, может привести к существенному улучшению качества агломерата и окатышей и росту техникоэкономических показателей процесса.

Время предъявляет и дополнительные требования к качеству сырья. За рубежом в перечень обязательных требований уже давно введено ограничение в составе сырья содержания щелочных соединений, причем жесткость требований и штрафные санкции постоянно растут. Во многих же рудах стран СНГ щелочи присутствуют в большом количестве.

При небольшой доле этих окатышей в шихте доменных печей их негативное воздействие проявляется слабо. Однако уже при доле окатышей в шихте 50—60% приход щелочных соединений в доменную печь составит ~2кг на 1т чугуна, что соответствующим образом скажется на показателях плавки.

В связи с этим вновь возникает вопрос о замене бентонита в шихте для производства окатышей другими видами связующего, поскольку бентонит несет с собой заметное количество щелочей. Одним из наиболее эффективных видов заменителей бентонита являются бедные глиноземистые железные руды. При замене бентонита в качестве связующего материала, снижении прихода щелочных соединений в шихту одновременно решается проблема комплексного использования сырья, вовлекая в производство бедные железные руды. Такой вариант производства железорудных окатышей разработан в России» прошел широкую промышленную проверку на Лебединском горно обогатительном комбинате и проплавку окатышей в доменных печах НовоЛипецкого металлургического комбината с положительным техническим и экономическим эффектом.

Как известно, наша страна была первой в массовом применении комбинированного дутья. Совместное использование природного газа и кислорода оказали наибольшее влияние на снижение расхода кокса в доменном производстве. Однако последние годы характеризовались снижением эффективности комбинированного дутья, уменьшился коэффициент замены кокса природным газом, не давал должного эффекта рост содержания кислорода в дутье.

Глубокое обогащение дутья кислородом (>3540%) невыгодно по многим причинам и, прежде всего, потому, что не обеспечивает экономии кокса, а чаще всего приводит к росту его использования. По существу, кис лород обеспечивает лишь условия ввода в доменную печь высоких объемов природного газа, не являясь или слабовыполняя роль самостоятельного интенсификатора. Повышение • концентрации кислорода в дутье было оправдано лишь в условиях затратной экономики, 4 условиях наращивания производства любой ценой.

Использование комбинированного дутья чаще всего не только не снижает, а, напротив, увеличивает количество печного газа, и поэтому достигаемый прирост, производительности никак не связан с количеством газа. Он должен вызываться другими факторами, обеспечивающими рост рудной нагрузки. Однако при расчете относительного изменения производительности по формуле Рамма изменение рудной нагрузки не учитывается.

Таким образом, в сочетании с природным газом кислород не является интенсификаторс по производительности, а является лишь фактором регулирования количества и температуры газов в печи, и поэтому использование кислорода не должно неизменно обеспечивать прирост производства.

Одним из перспективных вариантов технологии, ожидающих промышленного опробования, является обогащение дутья азотом, впервые предложенное в Японии и позднее российскими учеными. Проведенные расчеты показывают, что обогащение дутья азотом позволяет экономить кокс и регулировать интенсивность плавки без искажения температурных и аэродинамических полей доменной печи.

Резкое повышение в России цен на газообразное и жидкое топливо, приближение их к уровню мировых цен делает в настоящее время нереальным их использование для получения горячих восстановительных газов (ГВГ). Это положение очевидно сохранится и в обозримом будущем. Поэтому наиболее важным направлением получения ГВГ остается газификация твердого топлива. Основной вопрос экономии кокса в доменной печи связан с тем, как вводить в доменную печь твердый заменитель кокса: в измельченном виде или в виде газообразных продуктов его неполного сгорания. Использование газообразного топлива имеет неоспоримые преимущества. Главная трудность это метод получения ГВГ из твердого топлива. Перспективно использовать в качестве газогенератора агрегат ПЖВ. Расчеты показывают, что комбинация доменной печи и агрегата ПЖВ в качестве единого блока позволяет получить высокие техникоэкономические показатели при улучшении экологической ситуации по сравнению с другими ресурсосберегающими технологиями доменной плавки. Однако это весьма перспективное направление требует промышленной проверки.

Технологическая эффективность пылеугольного топлива в основном зависит от его состава, а экологическая еще и от совершенства устройств для измельчения, хранения, транспортировки и ввода угольной пыли в печь.

Использование нового вида горючего поставило ряд новых вопросов, среди которых обеспечение полного сжигания угля у фурм, предотвращение настылеобразования на фурмах и др. Для обеспечения полного сжигания угля необходимо повысить концентрацию кислорода в дутье. В новых условиях хозяйствования работа доменных печей на формованном коксе получает также другую оценку.

Ресурсосбережение все больше становится главной целью различных технологических мероприятий и все меньшее внимание уделяется росту производительности доменных печей.

Оправдала себя тенденция применения более совершенных устройств для загрузки и распределения материалов в доменной печи. Число печей, оборудованных бесконусными засыпными устройствами давно уже превышает 100 (в Японии более четверти всех доменных печей оснащены бесконусными засыпными устройствами), совершенствуются конструкции подвижных плит на колошнике и др.

В настоящее время особенно высоко ценятся чугуны с низким содержанием не только серы и фосфора, но и кремния, марганца, хрома, титана и др. Получение жидкого чугуна высокого качества позволяет ускорить последующие металлургические операции и получить на выходе с завода более высокие экономические результаты.

Содержание кремния в чугуне определяется в отличие от фосфора и в большей мере от марганца методом ведения доменной плавки. Между тем содержание кремния в передельном чугуне оказывает большое влияние на эффективность сталеплавильного передела. В частности, крайне важно поддерживать концентрацию кремния в чугуне на уровне, определяемом условиями конвертерного производства при минимальном отклонении от среднего. Причем если в области сравнительно высоких (~0,4%) содержаний кремния снижение абсолютного его значения способствует снижению затрат в конвертерном цехе даже при сравнительно большом значении среднеквадратичного отклонения, то при низких абсолютных концентрациях кремния (~ 0,25 %) уменьшение разброса дает больший эффект, чем снижение абсолютного значения. Подавлению перевода кремния в чугун способствуют снижение температуры фурменных газов и активности оксида кремния в шлаке путем повышения его основности, повышение давления газа в рабочем пространстве печи и интенсивности плавки, уменьшение объема зоны шлакообразования.

Снижению разброса значений содержания кремния в чугуне способствует в основном стабилизация хода доменной печи.

В различных странах проводится внедомен ная обработка чугуна с целью его обескрем ниваиия, десульфурации, дефосфорации, а может быть, в будущем удаления и других элементов. В Японии установками по внедомен ному обескремниванию оснащены 14 из имеющихся 37 доменных печей. Такие установки имеются и в Европе. В качестве реагентов для обескремнивания используются агломерационная пыль, окалина, кислород. Одновременно вводится флюс (чаще всего известь) для ошлакования образующегося кремнезема. После проведения процесса содержание кремния в чугуне не превышает 0,14%. Обескрем нивание служит первым этапом внедоменной обработки.

Среди других направлений технического прогресса перспективно математическое моделирование доменного процесса.

Несмотря на то что на обозримое будущее традиционная схема производства черных металлов доменная печь кбнвертер останется приоритетной, производство первичного металла стоит на пороге серьезных изменений. На первое место выходят проблемы экологической чистоты процессов и ресурсосбережения. Фактор производительности полностью потерял свое ведущее место. Вложение средств в изменение технологии окускования и производства чугуна с целью перехода на безотходные и малоотходные процессы существенно выгоднее, чем сосредоточение внимания на очистке газов и воды. Ресурсосбережение одновременно решает и экологические проблемы.

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