Несообразности металлургического цикла. Их устранение



страница3/12
Дата31.07.2016
Размер2.53 Mb.
ТипКнига
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

2.5. Оценки теплового баланса
Все волнуются за расход кокса, никто не

волнуется за расход топлива в рекуператоре.



Из дискуссии
Обилие дешевого тепла, хороший тепловой баланс обычно является решающим условием успеха и для других обсуждаемых или планируемых процессов получения металла. Многие предлагавшиеся процессы были с самого начала обречены на неудачу из-за недостатка тепла.

Расчетный расход углерода на получение тонны чугуна в домне составляет 200 кг/т при полном горении топлива до СО2 и 600 кг/т при горении до СО (расчёты 1 и 2 приложения). Для агрегатов без подогрева дутья и утилизации тепла газов расчетный расход топлива составляет 330 кг/т при полном и 2700 кг/т при неполном горении. В последнем случае процесс практически неосуществим.

Как отмечено выше, часто остается не вполне осознанным тот факт, что из-за неполного горения домна получает в 2-3 раза меньше тепла. Еще чаще этот фактор остается неосознанным при нагревании жидкого металла, где расход топлива может изменяться из-за этих факторов почти на порядок величины.

Поэтому процесс Рюмина (получение стали из руды в агрегате типа мартеновской печи) практически был обречен на неудачу с самого начала. Уже простой короткий расчет (в одно действие) типа тех, что выполняются в приложении, может выявить неэффективность или даже невозможность ряда таких предлагаемых процессов.

При этом интенсивность продувки обычно определяется газопроницаемостью агрегата и остается примерно постоянной, поэтому увеличение удельного расхода топлива одновременно означает еще и уменьшение производительности агрегата.

В изобретениях, при проектировании других агрегатов часто внимание сосредотачивается на удобствах, на тех особенностях конструкции, которые позволяют удобно выполнять те или иные операции. Однако для конечной экономической эффективности агрегата основными и решающими остаются те же показатели теплотехнической эффективности. И для печей Ванюкова, для агрегатов типа «Ромелт» или «Циклон», «Корекс», для топливных горелок в электропечи и других важнейшими остаются те же обсуждаемые вопросы:

1. Полнота сжигания топлива, то есть соотношение (%СО2/%СО) и (%Н2О/%Н2) в отходящих газах.

2. Утилизация в агрегате физического тепла отходящих газов, обычно на основе противотока газов и шихты. Мерою утилизации служит температура ТО отходящих газов. Именно для организации такого противотока и выполняется окускование сырья. Возможны случаи, когда целесообразно поступиться утилизацией физического тепла газов, чтобы не вести дорогое окускование.

3. Температура дутья ТД, поступление в печь дешевого рекуператорного тепла.

4. Температура выпускаемого металла ТМ, и шлака ТШ, то есть величина потерь тепла печью с этими продуктами процесса.

В нашей упрощенной расчетной схеме тепловой баланс агрегата (см. приложение), его теплотехническая эффективность, оценивается именно этими четырьмя показателями: (%СО2/%СО), ТО, ТД, ТМ.

Если нужно сравнить много схем получения металла и требуется оценить их сравнительную эффективность, то очень важно иметь способ быстрой оценки теплового баланса и расчетного расхода топлива. Существующие тепловые балансы предназначены для детального скрупулезного анализа существующих агрегатов, когда важно оценить по возможности все, даже малые слагаемые теплового баланса. Имеющиеся балансы содержат много слагаемых, включают много дискуссионных допущений, и поэтому неудобны для быстрых приближенных оценок. При расчете баланса по известным компьютерным программам остается неясной физика расчетов; мы видим лишь «черный ящик», преобразующий один поток данных в другой.

Если наша задача – оценка расчетного расхода топлива в планируемом новом процессе, то удобно брать основные статьи баланса тепла, известные точно, а именно теплоты основных реакций и теплоты нагрева-охлаждения реагентов.

При обычном расчете теплоты нагрева много времени отнимает сбор данных по теплоемкостям веществ и интегрирование уравнений для теплоемкостей. Мы принимали теплоемкости реагентов С постоянными и равными на грамм-атом С = 3= 24,93 Дж на градус в соответствии с теорией Эйнштейна-Дебая и правилом Дюлонга-Пти (R – газовая постоянная). При этом допущении расчетный расход углерода в каждой схеме процесса, а также теоретическая температура горения определяются легко и быстро, «в одно действие» (см. приложение).

Если, например, воздух поступает в печь с температурой 1200 ºС, газообразные продукты отходят при 200 ºС, полученный металл выдается с температурой 1400 ºС, то расчетный расход углерода получается равным 200 кг на тонну железа при горении до СО2 и 600 кг/т при горении до СО. При обычном горении топлива в домне на ¼ до СО2 и на ¾ до СО получается расход 500 кг/т. Это близко к реальным показателям хороших печей.

Можно добавить в данный расчет, например, сопутствующее разложение известняка, заданный выход шлака определенной температуры, потери тепла через стенки агрегата и др; от таких добавок вычисления не становятся намного более сложными, а результаты расчетов обычно качественно не изменяются. Этот способ оценки теплового баланса пригоден также и для составления зональных балансов тепла для каждой из зон печи в отдельности.

Если все тепло реакции Q расходуется на нагрев ее продуктов, то величина нагрева Т составит Т Q/n·3R, где n − число грамм-атомов (г-ат) веществ (исходных или конечных) в уравнении реакции.

Так, теоретическая температура горения углерода Т в холодном воздухе получается 740 ºС при горении до СО и 1480 ºС при горении до СО2 (расчёт 6 приложения).

Аналогичная величина для основной реакции восстановления FеО + С = Fе + СО получается равной:

Т = Q/n·3R = -40 000/3·3·2 = - 2200 ºС.

Отсюда следует, в частности, что если смесь недовосстановленных окислов с углеродом поместить в какое-то хранилище при 1000 ºС, то она может там металлизоваться на 10 % за счет собственного тепла, остывая на 220 ºС, от 1000 до 780 ºС.

2.6. Обеспечение теплом ванны с расплавами.

Отопление сталеплавильных агрегатов
Металлурги вообще не умеют эффективно

нагревать жидкий металл, только жгут его.



Из дискуссий
Практически та же проблема борьбы с неполным горением топлива (с «несообразностью № 1») возникает и при решении задачи обеспечения теплом жидкой ванны с металлургическими расплавами, при анализе отопления сталеплавильных агрегатов.

Сейчас практически нет эффективных способов отопления сталеплавильных металлургических агрегатов, нет хороших способов прогревания жидкой металлургической ванны за счет горения топлива. Если бы сталеплавильный агрегат можно было отапливать хотя бы столь же эффективно, как домну, то было бы очень выгодно в таком агрегате получать уже и металл из руды и угля. Дело в том, что в ванну с расплавами эти материалы можно всыпать или вдувать неокускованными и экономить на этом примерно половину стоимости чугуна.

Ванну кислородного конвертера прогревают практически в основном за счет горения в кислороде железа и легирующих примесей. Расчетная температура горения железа в кислороде составляет 5200 ºС (расчёт 6 приложения). Факел кислородной фурмы заглубляется в жидкий металл, и первичной реакцией становится горение железа и растворение кислорода в железе, который затем уже окисляет углерод и примеси. С конвертерным шлаком теряется железо и легирующие примеси в виде окислов FeO, SiO2, MnO и др. Практически конвертерная ванна прогревается за счет энергии, запасенной ранее в домне при восстановлении железа и легирующих примесей.

К тому же в кислородном конвертере выделение тепла идет в небольшой зоне с очень высокой температурой, в области кислородного факела. Аналогично в дуговой электропечи тепло выделяется в небольшой и очень горячей зоне электрической дуги. В обеих таких зонах идет интенсивное испарение металла и поэтому, например, 6 % металла улетает из печи в виде тонкой пыли. Требуется глубокая и дорогая очистка отходящих газов. В результате при конвертерной плавке (без лома) получается намного меньше стали, чем расходуется чугуна. Поэтому расходы по переделу в конвертере, как и в электропечи, намного больше, чем в доменном процессе. Хотя конвертерный процесс выглядит очень простым и быстрым, он достаточно дорог.

Если мы не умеем эффективно прогревать конвертерную ванну за счет горения топлива, если такое прогревание ванны все равно приходится вести за счет горения железа, то представляется более приемлемым то предшествующее перевосстановление, переуглероживание металла, которое традиционно происходит в домне. В этих условиях получает некоторое оправдание двустадийный процесс получения металла с переделом чугуна в сталь.

Если же мы отладим прогревание ванны горением топлива, то станут неразумными и перевосстановление металла в шахтной печи, и горение его в конвертере. Разумнее уже в шахтной печи сразу получить сталь. Правда, сейчас не ясно, насколько трудно будет отладить в шахтной печи такое плавление металлизованной массы, чтобы получить точно заданный состав металла. Здесь принято получать металл, какой уж сам получится. Если в шахтной печи будет сложно «попасть в анализ», то можно получать полупродукт, по составу близкий к стали, а затем выполнять небольшую коррекцию содержания углерода и температуры в конвертере или в собственном выносном горне-отстойнике печи, или даже в ковше.

Возможности получения качественной стали, возможности рафинирования металла определяются тем набором операций, которые можно провести с расплавом в данном агрегате. Важно иметь возможность перемешивать ванну с расплавами с определенной интенсивностью, а также возможность определенное время дать ей отстояться для хорошего разделения фаз. Ценна возможность наводить рафинирующий сталеплавильный шлак, вводить рафинирующие добавки (например, известь для очистки от серы) в жидкий металл, а также легирующие добавки. Хорошо, если можно организовать кипение и дегазацию металла в определенном режиме, регулировать содержание кислорода в расплаве. Если есть возможность перегреть металл до температуры порядка 1640 ºС, то можно провести термовременную обработку стали (ТВО) [16, 29], которая обычно приводит к измельчению зерна твердого металла и улучшению его механических свойств.

Отладка эффективных методов рафинирования стали представляется даже более важной, чем задача эффективного получения рядового металла1. Эффективность многих стальных конструкций или машин в решающей степени зависит от того, насколько улучшено качество стали в сталеплавильном процессе.

В других случаях важно получить высокие значения отдельных свойств металла.

Так как процессы выплавки рядового металла отрабатываются давно, то значительные улучшения здесь часто считаются практически невозможными, и исследователи сосредотачиваются на выплавке той или иной уникальной стали, даже если она производится в небольших количествах.

Основным базовым условием для проведения всех операций улучшения, рафинирования стали является наличие необходимого количества дешевого тепла, возможность достаточно долго проводить нужные операции не сжигая металл. Но современные плавки в конвертере или в электропечи обычно скоротечны, а тепло в этих агрегатах дорого. От многих возможных приемов улучшения металла приходится отказываться из-за недостатка или дороговизны тепла; они станут возможными, если обеспечить в агрегате обилие недорогого тепла без испарения металла.

Сейчас в электропечи часто выполняют лишь плавление металла, операции рафинирования проводят уже в ковше. Но сталь в ковше быстро остывает, и времени на все процессы мало; после заполнения ковша практически нет возможностей воздействия на расплав, нет перемешивания расплава и др.



2.7. Возможности полного сжигания топлива
Если реагируют углерод и кислород, растворенные в металле, то горение углерода идет в форме кипения ванны. Горение будет практически на 100 % неполное, пузырьки кипения содержат лишь СО, но не СО2. Такое же неполное горение будет и в том случае, когда газы дутья, омывающие расплавы, доходят до равновесия с углеродистым металлом. Горение углерода по первой стадии даст лишь 110 кДж тепла, или 28 % от 390 кДж тепла полного горения, которое было бы получено при окислении до СО2. Такой же результат (28 %) получится и при горении угольной пыли, если ее вдувать с кислородным факелом. При этом теоретическая температура неполного горения (2С + О= 2СО) составляет 2200 ºС. Если газы уходят с такой же температурой, как и температура жидкого металла, например, 1500 ºС, то они унесут 1500/2200 = 0,68 или 68 % от данного тепла неполного горения. Ванна получит лишь остальные 32 процента (100 – 68 = 32 %). Но и все тепло неполного горения составляет лишь 28 % полного, поэтому в итоге ванна получит только

0,32 · 0,28 = 0,09

или 9 % тепла полного горения. Как и выше (раздел 2.1) отопление получится примерно на порядок величины хуже оптимального, так как здесь горение неполное, как и в домне, но, кроме того, здесь нет еще и отмеченных выше преимуществ домны – прихода тепла с дутьем и утилизации тепла отходящих газов. Как отмечено выше, расчетный расход топлива на получение металла при таком отоплении оказывается неприемлемо большим – 2700 кг/т (расчёт 5 приложения).

Часто остается не вполне осознанным тот факт, что из-за неполного горения домна получает в 2-3 раза меньше тепла. Еще чаще этот фактор остается неосознанным при отоплении сталеплавильного агрегата, где эффективность отопления и расход топлива может изменяться из-за этого почти на порядок величины.

В присутствии топлива или углеродистого железа дожигание газов возможно лишь в сильно неравновесном состоянии, при избытке кислорода. Требуется решать сложную (часто неразрешимую) задачу, организовывать такие условия обтекания газами обогреваемых жидких фаз, чтобы тепло реакции горения газов дошло до этих фаз, а продукты этой реакции (СО2) в основном не достигли бы их поверхностей и не восстановились бы обратно топливом или металлом. Приходится добиваться такого обтекания фаз газами, когда теплопередача велика, а массопередача мала.

В мартеновской печи такая задача решается тем, что переходят к отражательной теплопередаче излучением, обеспечивают высокую светимость факела при неплотном контакте горизонтального факела со шлаком. Удается прогревать ванну и при сравнительно небольшом ее окислении, хотя горение топлива в факеле достаточно полное. Однако скорость теплопередачи излучением мала, поэтому тепловая мощность агрегата невелика, и процесс оказывается медленным.

При высокой температуре металлургического агрегата, около 1200-1500 ºС, равновесное соотношение (%СО2/%СО) составляет доли процента на границе с углеродом или с углеродистым металлом и 20-25 % на границе с железом, окисляемым до FеО (по реакции Fе + СО= FеО+СО). Если обеспечивается плотный контакт с факелом, и реакция доходит до равновесия, то практически невозможно значительное дожигание СО в присутствии твердого топлива, возможно лишь на 20-25 % в контакте с безуглеродистым железом. Примерно такая доля полного горения около (¼), реализуется в доменной печи; в колошниковых газах соотношение (%СО2/%СО) часто близко 1:3. В ряде случаев такое горение реализуется и в конвертере.

В агрегате «Ромелт», где специально организуют подачу кислорода сверху на дожигание газов, усваивается, видимо, около 30 % тепла полного дожигания.

Если газы топливного факела контактируют лишь со шлаком, то равновесное соотношение (%СО2/%СО) в газах составляет около 90:10 при окислении в шлаке FеО до Fе3О4 Поэтому достаточно полное (на 90 %) горение топлива возможно и при контакте факела с железистым шлаком, если только соотношение концентраций FеО/Fе2О3 не слишком велико, если концентрации закиси железа не превышает намного концентрацию окиси. Если же мы восстановим шлак почти до 100 % закиси FеО и начнем уже восстановление металла, то вернемся к примеру, рассмотренному выше, к равновесию Fе/FеО и доля полного горения составит 20-25 %.

Основная задача – достижение полного горения топлива – решается просто, если обогреваемые вещества не окисляются, не реагируют химически с газами факела, с СО2 и О2. Неполное горение получается из-за того, что углерод или железо разогреваемых веществ восстанавливают обратно продукты горения, например, СО2 до СО (С+СО2=2СО).

Так, если топливный факел разогревает безжелезистый шлак, который химически инертен к газообразным продуктам горения, то их обратного восстановления не будет, топливо может сжигаться полностью. Так же можно нагревать шлак с высшими окислами железа, если создать окислительную зону в ванне. Аналогично загруженные, еще не восстановленные окатыши в шахтной печи можно прогревать полным дожиганием газов, например, в агрегате «Угольный Мидрекс», если в шахте нет топлива, если продувка не совместная, а последовательная, и в верхней части шахты организуется окислительная зона.

Если топливный факел «не пробивает шлак», контактирует лишь со шлаком, но не с жидким металлом, то, как правило, можно обеспечить достаточно полное горение. Возможно эффективное отопление в агрегате с такой циркуляцией расплавов, при которой топливный факел греет почти безжелезистый или окисленный шлак в одной зоне агрегата, а этот нагретый шлак затем перетекает в другую зону ванны, где и передает тепло металлу.

Плотный контакт факела с расплавами, высокую скорость теплопередачи можно обеспечить при вертикальном факеле, который интенсивно омывает расплав, подобно факелам топливных горелок в электропечах. Параметры факела, необходимые для хорошей теплопередачи, можно определить из теории процессов переноса или из теории подобия.

При кислородном дутье образуется небольшая зона очень высоких температур с интенсивным испарением материалов. Для отопления ванны лучше использовать горячий воздух. Кислородную фурму лучше заменить фурмой доменного дутья, вертикальной, вмонтированной в свод или наклонной, вмонтированной в стенку, как в домне. Правда, доменную фурму невозможно или очень трудно сделать подвижной, но режим обдувки ванны можно регулировать за счет изменения интенсивности дутья.

Если дутье подавать с угольной пылью, то можно разогревать ванну, то есть отапливать сталеплавильный агрегат «доменным» способом, в основном за счет горения угольной пыли, а не железа и легирующих. Варьируя количество пыли, можно регулировать окислительный потенциал дутья, содержание кислорода, СО2 и СО в дутье, а при необходимости переходить даже и к восстановительному дутью с преобладанием СО.

При «доменном» дутье ванна агрегата будет прогреваться большим объемом газов с меньшей температурой; зона тепловыделения будет большего размера и не столь горячая. Испарение металла уменьшится от 6 % в кислородном конвертере до небольшой величины, характерной для домны.

Правда, увеличится объем отходящих газов и, соответственно, потери тепла с ними. Однако в основном это сравнительно дешевое рекуператорное тепло, вносимое с доменным дутьем. Получится достаточно эффективное отопление ванны с расплавами. При таком отоплении возможен сталеплавильный агрегат, в котором можно выполнять длительные операции глубокого рафинирования стали.

При таком отоплении ванны в ней можно также эффективно получать металл из рудных материалов, которые просто засыпаются на поверхность ванны, и угольной пыли. Расчетный расход углерода составляет 330 кг/т при кислородном дутье и 310 кг/т при доменном дутье (расчёт 5 приложения).

Если в шахтной печи получается полупродукт, близкий к стали, то в горне-отстойнике печи с таким доменным дутьем удобно выполнить небольшую коррекцию содержания углерода и температуры металла. Если отходящие газы из отстойника идут в шахтную печь на утилизацию, то его тепловой баланс будет уже очень хорошим. Можно экономично выполнять длительные операции глубокого рафинирования стали.

Отметим, что тепловой баланс обычного кислородного конвертера также стал бы намного лучше, если бы удалось подсоединить его к домне и вводить в домну отходящие газы конвертера. Конвертер работал бы с тепловым балансом домны, что обычно в несколько раз эффективнее.

При анализе работы других агрегатов возникают те же самые вопросы. И для топливных горелок электропечей, для факелов мартеновских, нагревательных, кольцевых, вращающихся и других печей, для процессов типа «Ромелт», печей Ванюкова и др., во всех случаях важным вопросом остается полнота сжигания топлива, дожигание отходящих газов и степень усвоения металлом тепла такого дожигания.

Так, в нагревательной печи факел движется над слоем заготовок металла; в факеле обеспечивается достаточно полное горение, но идет значительное окисление заготовок, и много металла уходит затем в окалину. Если поверх слоя заготовок (или даже на под рядом с металлом) насыпать слой кускового угля, примерно равный по толщине слою образующейся окалины, то удастся, очевидно, резко уменьшить угар металла. К тому же часть дорогого природного газа или мазута, сжигаемых в факеле, будет заменена более дешевым топливом – углем.

Если обеспечивается горение лишь по первой стадии (до СО), то угольная пыль намного эффективнее природного или коксового газа; доля тепловыделения первой стадии у метана СН4 (4 %) в 7 раз меньше по сравнению с углеродом (28 %). К тому же, в отличие от природного газа, угольная пыль дает факел с высокой светимостью и с интенсивной теплопередачей излучением.

Если вместо угольной пыли сжигать в таком кислородном факеле природный газ метан (как в топливных горелках электропечи), то при неполном горении вместо нагрева мы получим уже интенсивное охлаждение ванны. Аналогично в домне вдувание природного газа приводит к охлаждению горна.



2.8. Порок № 3 - переуглероживание металла
Еще пещерные металлурги принялись смешивать руду

с топливом, а мы никак от этого не избавимся. То, что

укоренялось шесть тысяч лет, быстро не ломается.

Из дискуссии
Порок № 3 доменной плавки состоит в том, что печь выдает не готовую сталь, а чугун. Это тоже следствие смешивания руды с избытком топлива. В современной домне, как и в древних горнах или в домницах, при восстановлении получаются металлизованные куски рудной компоненты в топливной засыпке; плавление такой смеси кусков железа и топлива начинается в точках контакта кусков. Первичным продуктом плавления является самый легкоплавкий эвтектический расплав системы железо – углерод с температурой плавления около 1140 ºС и с содержанием углерода примерно 4,3 %, то есть чугун.

Во время формирования доменного процесса металл выплавляли по упомянутому принципу: «уж какой сам получится, потом посмотрим, можно ли его куда-то применить». Это было разумно при знаниях 14-15-х веков, но неразумно, что этот подход по традиции сохраняется и сейчас. Сейчас мы знаем, что вполне можно получить массу металлизованных окатышей с составом, близким к стали, и тогда плавление такой массы в шахтной печи сразу даст сталь (или полупродукт, близкий к стали и не требующий глубокой переработки).

При раздельной загрузке и последовательной продувке окатыши могут практически не контактировать с топливом, а восстанавливаться газами, поступающими из топливной зоны. В этом случае первичный металл будет малоуглеродистым. Его плавление при контролируемом поступлении углерода даст сталь, как и плавление в электропечах аналогичной массы, получаемой в агрегатах «Мидрекс». Если плавление металлизованных окатышей в основном корпусе печи даст значительные колебания содержания углерода и температуры первичного металла, то усреднение расплава, а также приближение его к химическому равновесию может выполняться в выносном горне-отстойнике. Если в горн-отстойник вынесены одна или две фурмы доменного дутья, то здесь же при необходимости можно выполнить небольшую корректировку температуры и состава металла для более точного «попадания в анализ». Коррекция состава возможна даже в ковше, как это делается в процессах электропечь – ковш.

Интересно, что в металлургии меди уже стихийно произошло, в сущности, такое же преобразование, которое здесь предлагается для металлургии стали. Классический способ получения черновой меди включал шахтную плавку кусковых сульфатов меди CuS в смеси с коксом; полученный расплав штейна (расплава CuS с примесями) затем конвертировали с продувкой воздухом, что позволяло выжечь из расплава серу S и получить черновую медь Cu. Этот способ похож на получение стали по схеме доменная печь – воздушный конвертер.

Затем было замечено, что из некоторых руд можно получить медь методом инжекционной металлургии или методом «автогенной плавки», вдувая порошок медного концентрата в факел кислородного или воздушно-кислородного дутья. Горение серы из сульфатов CuS медной руды дает много тепла, поэтому в случае меди в факеле получался уже не метализованный порошок, как в способе «Циклон», а сразу капельки чернового металла. Факел дутья с этими капельками меди можно вдувать в ванну с расплавами. По такому принципу кислородно-факельной плавки работает, в частности, печь в г. Алмалык.

Затем был осознан тот факт, что тот же процесс можно провести и с кусковой рудой в шахтной печи, причем шахтная автогенная плавка по тепловому балансу эффективнее инжекционной плавки. Как обычно, шахтная печь обеспечивает утилизацию тепла отходящих газов; из агрегата автогенной кислородно-факельной плавки эти газы уходят горячими (например, 1300 ºС) и уносят много тепла. Можно в шахтную печь загрузить одни куски сульфата меди (Cu2S, CuS) без кокса, и их продувкой сразу получить жидкий металл за счет тепла горения серы. В некоторых случаях возникал недостаток тепла, который покрывался увеличением доли кислорода в дутье или повышением температуры воздушного дутья.

Конечный итоговый результат ряда таких блужданий технологии состоял в том, что из шахты печи, в которой плавили медную руду (CuS), был убран кокс, и это позволило обжигом руды сразу получать не штейн для конвертирования, а готовую жидкую черновую медь.

Шахтные печи для плавки медной руды (пиритов) в штейн создавались по образцу домен и унаследовали их несообразности. Можно отапливать такие печи факелами с угольной пылью, полным сжиганием угля, но их отапливают неполным сжиганием кокса, что в 10 раз дороже. Далее, присутствие кокса в шахте печи не дает гореть сере пиритов, так как углерод кокса поглощает кислород дутья и мешает окислению серы. Поэтому здесь мы встречаем еще один пример явной и вопиющей несообразности, которые можно не замечать лишь под влиянием упомянутой идеологической поразительной слепоты. Когда убрали из шахты кокс, там пошло выгорание серы из пиритов (Cu2S) и получился сразу готовый металл.

Отметим, что для получения более чистого металла была бы целесообразна продувка на двух уровнях, организация в печи с окатышами окислительной и восстановительной зон, как это предлагается в агрегате «Угольный Мидрекс» (рис. 2.1). Вверху, в окислительной зоне можно глубоко выжигать серу, окисляя в окатышах руды сульфат Cu2S до Cu2O. Внизу, в восстановительной зоне, можно глубоко удалить кислород, восстанавливая окислы за счет вдуваемой угольной пыли.

Когда сейчас такие процессы совмещены, тот и другой процесс не достигают нужной глубины, и для глубокого выжигания серы приходится терпеть конечный металл с большим содержанием окислов Cu2O в десятки процентов.

Подобную эволюцию прошла и выплавка ряда других цветных металлов из сульфатных руд (свинца, цинка и др.). Здесь также клас­сический способ включает плавление руды в шахтной печи типа домны (с теми же несообразностями), а затем конвертирование расплава для выжигания серы. Сейчас из шахты печи и здесь убирают в ряде случаев кокс, что позволяет получать готовый металл. Продувка на двух уровнях и здесь позволила бы получить более чистый металл.

Рис. 2.1. Схема агрегата для плавки медной руды на черновую медь:

1– основное дутьё; 2 – дополнительное дутье для выжигания серы,

дожигания отходящих газов; 3 – лётки; 4 – загрузка руды


В отличие от металлургии меди, в металлургии стали не удастся обойтись без топлива, но если это топливо сжигать вне шахты, например, в газогенераторе или лишь в объеме факелов, то тоже можно получить сразу готовый металл.

Этот «порок № 3» металлургического цикла, в отличие от «порока № 1», обсуждается сравнительно широко и имеется множество нереализованных изобретений по устранению такого порока, по прямому получению железа. Достаточно полный обзор изобретений и патентов по способам прямого получения железа потребовал бы больше времени и сил, чем, например, написание данной книги. Известно, в частности, что еще Д. И. Менделеев высказывался по этому вопросу: «…придет со временем пора искать способы прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун» (1899 г.).

В литературе можно найти также много различных разрозненных высказываний по тем или иным обсуждаемым порокам цикла и их полный обзор также был бы весьма трудоемким. В частности, вопросы более полного использования химической энергии топлива, принцип Грюнера и др. затрагивались во время известной дискуссии 70-х годов в журнале «Сталь» с участием виднейших специалистов доменного производства  М. А. Павлова и других.

2.9. Принцип «двустадийный процесс наиболее эффективен»
Один из важных принципов современной идеологии в металлургии состоит в том, что двуступенчатый процесс производства стали наиболее эффективен и останется таковым в обозримом будущем [7, 8].

Как отмечено выше, уверенность в том, что двустадийный процесс необходим, сформировалась в 19-м веке, когда древний кустарный кричной процесс полностью и убедительно проиграл конкуренцию процессу домна – конвертер. Ряд особенностей кричного процесса сделали его непригодным для массового индустриального производства металла, которое выросло за 19-й век примерно в 100 раз.

Но неразумно на основании этого факта 19-го века считать, что и сейчас двустадийный процесс принципиально эффективнее одностадийного.

Этот принцип нередко оказывается даже более незыблемым, чем принцип «доменный процесс незаменим». Даже если изобретаются способы прямого получения железа, то и здесь часто предлагается двустадийный процесс. В первом агрегате, как и в современном цикле, получается металлизованное сырье, и лишь во втором агрегате оно переплавляется в сталь, примерно как в процессе «Мидрекс» – электропечь, или вращающаяся печь – электропечь. Главное отличие таких процессов от современного процесса домна – электропечь состоит в том, что металлизованное сырье не переуглероживается и часто остается твердым. Давление доменной идеологии-религии столь сильно, и наша уверенность в необходимости двустадийного процесса столь велика, что мы не решаемся отказаться от двустадийности даже тогда, когда уже на первой стадии получаются металлизованные окатыши, по составу близкие к стали. Мы не решаемся тут же их расплавить, но вводим новый передел.

Представление о незаменимости двустадийного процесса также возникло на почве доменной идеологии. Считается, что доменный процесс невозможно изменить, с ним, как с явлением природы, можно только смириться. Приходится получать металл таким, каким дает его сам доменный процесс, то есть в виде переуглероженного чугуна, и только дальше уже можно подумать о его применении или улучшении, о понижении концентрации углерода, о переработке этого чугуна в сталь.

Так, в процессе «Корекс» получают металлизованные окатыши, по составу близкие к стали, но плавление их переносят в другой агрегат, причем плавят их не на сталь, а на чугун, на слое топлива (угля). Полученный металл практически нужного состава переуглероживается при плавлении, чтобы затем понижать содержание углерода в дорогом сталеплавильном процессе.

Правда, расплавление металлизованных материалов на чугун несколько проще. Можно не думать о составе конечного металла, оставить эту заботу сталеварам. При плавке на чугун легко восстанавливаются также остаточные окислы железа металлизованных окатышей, легче достигается низкое содержание окислов железа в шлаке. Температура плавки на чугун несколько ниже, шлаки менее агрессивны. Технически просто выполнить и конвертерный передел за счет горения железа и легирующих, но это весьма невыгодно.

При современных знаниях и технике, конечно, можно оставить эти небольшие удобства и вместо плавки на чугун отладить несколько более сложную плавку на сталь в шахтной печи, чтобы не выполнять целый дорогой сталеплавильный передел, который часто обходится намного дороже самой доменной плавки.




2.10. Порок № 4 - капризность,

плохая управляемость процесса
Домна своими пугающими капризами

держит доменщиков в страхе, и они

не решатся что-то существенно изменить.

Из дискуссии

Домна склонна к непредсказуемым и опасным расстройствам режима плавки; доменный процесс является довольно капризным и плохо управляемым. Говорят, что у двух доменщиков всегда три мнения, потому что третье мнение имеет домна.

Сход шихты в домне определяется силами веса и трения спекающихся кусков друг с другом, а также силами трения о стенки агрегата. Теория устойчивости движения утверждает, что в подобных системах движение оказывается принципиально неустойчивым. Даже если в начальный момент движение было равномерным, то затем оно переходит в скачки. Известен демонстрационный эксперимент, когда по столу стараются равномерно двигать за резинку какой-то груз; этот груз движется скачками, то останавливается, то срывается и совершает скачок, догоняя натянувшуюся резинку. Тем более неустойчиво движение спекающихся кусков, которые могут довольно прочно припекаться друг к другу на стадии неподвижности. Чтобы отразить подобное спекание в движении груза на столе, можно добавить еще некоторое приклеивание груза к столу на стадиях неподвижности.

Когда начинается спекание, пересыпание окатышей в данном объеме прекращается, масса окатышей «схватывается», какое-то время остается затвердевшей, затем разрушается под действием нарастающих внешних сил. Поэтому вполне естественно, что движение шихты в домне неустойчиво, в основном состоит из непредсказуемых подвисаний и осадок, обрушений разного масштаба по объему и по времени. Ровный сход шихты означает обычно, что подвисания и обрушения мелкие и частые, так что для общего движения они незаметны.

Значительное обрушение шихты может резко изменить газодинамику какого-то участка; перекрываются некоторые старые каналы течения газов и открываются новые. Обрушение большого масштаба может резко изменить газопроницаемость всей печи в целом и весь режим процесса.

В старых кричных горнах столб шихты свободно опирался на под, на днище печи. Когда перешли к плавке чугуна, а затем к угольной футеровке днища, проседание рудной шихты до пода стало недопустимо.

Если бы действовали только силы веса, то тяжелый (например, 30-метровый) столб шихты современной домны просел бы до днища печи. Но это привело бы к интенсивному растворению угольной футеровки в металле, ненасыщенном углеродом. Из-за тех небольших, временных и частичных местных проседаний шихты, которые случаются сейчас, растворение футеровки уже достигает тысячи тонн и больше.

Кроме того, если бы шихта просела до днища, было бы трудно или невозможно спустить шлак, содержащий множество твердых кусков, а со шлаком сошло бы много недогоревшего кокса и шихты.

Когда от кричного процесса переходили к плавке на чугун, выход был найден в том, что в профиле печи ввели заплечики, сужение корпуса книзу. С тех пор в домне столб шихты как бы отчасти подвешивается на заплечиках, его проседание затрудняется трением в массе спекающейся шихты, которая должна опускаться в сужающемся корпусе.

С точки зрения теории устойчивости движения, заплечики – это фактор, увеличивающий трение в спекающееся массе шихты. Соответственно увеличивается неустойчивость движения. В среднем этот прием решает задачу, зависания усиливаются, и в среднем нет чрезмерного проседания шихты в расплавы. Но усиливаются и скачки от зависаний шихты к обрушениям.

Обычное возражение доменщиков против увеличения доли угольной пыли также состоит в том, что долю кокса в шихте все равно нельзя уменьшать; если шихта недостаточно разрыхляется коксом, то увеличивается опасность ее чрезмерного спекания и слишком прочного зависания.

Так как топливо и окатыши в домне перемешаны, горение и восстановление совмещены, то извне трудно повлиять на соотношение процессов, выделяющих и поглощающих тепло. Не удается регулировать соотношение горения кокса, с одной стороны, и восстановления и плавления шихты, с другой.

Если происходит большое обрушение шихты, то на нижние горизонты иногда сразу поступает большая масса недовосстановленных окатышей. Резко ускоряется восстановление и плавление с поглощением тепла, может наступить опасное похолодание горна, осложненное вспениванием и др.

Приходится вести сложное и рискованное балансирование между чрезмерными зависаниями и чрезмерными обрушениями шихты в условиях принципиально неустойчивого движения материалов, между опасными перегревами и еще более опасными переохлаждениями горна, которые в пределе грозят катастрофической аварией, вплоть до «закозления» домны.

Если, например, выявляется опасная нехватка тепла, то доменщикам рекомендуют уменьшить долю окатышей в завалке на колошнике [7, 8], увеличить долю кокса. Но это добавочное топливо дойдет до горна в лучшем случае лишь через 6 часов, а в некоторых печах – лишь через сутки. За это время похолодание может или привести к аварии, либо смениться перегревом из-за очередного «каприза» домны. Быстрые меры борьбы с похолоданием, меры воздействия на домну «снизу», через дутье, сейчас часто оказываются недостаточными, слабыми. Например, рекомендуемое повышение температуры дутья, уменьшение его влажности и др., оказывается практически невозможно выполнить. В целом в современной доменной печи нет или недостаточно возможностей быстро и радикально преодолеть опасное похолодание, вообще недостаточно возможностей быстро (то есть «снизу») регулировать температурный режим плавки, бороться с «капризами» домны. Часто остается лишь скрупулезно выдерживать определенный режим плавки, который давно уже хорошо зарекомендовал себя, и многолетний опыт позволяет надеяться на то, что раньше подобные аномалии обычно рано или поздно прекращались сами.

Возможности эффективно и быстро регулировать температуру в горне появятся, если вдувать в домну много концентрата, заменяющего часть окатышей. Интенсивность процессов восстановления и плавления в горне, которые поглощают тепло, пропорциональна суммарному количеству поступающих сверху в горн окатышей и вдуваемого концентрата. Добавка или уменьшение вдуваемого концентрата эквивалентна изменению доли окатышей в шихте, но действует не через 6-20 часов, как при загрузке сверху, а практически сразу.

В этом случае добавка концентрата в дутье быстро снизит перегрев горна, а уменьшение его количества приведет при необходимости к повышению температуры. Этот прием дал бы доменщикам столь нужную возможность быстро и эффективно бороться с перегревами и переохлаждениями печи «снизу», быстро и в широких пределах регулировать при необходимости тепловой режим плавки.

Кроме подвисаний и обрушений шихты, перегревов и переохлаждений, есть множество других расстройств хода печи, есть наборы рекомендаций по нарушениям, статистика успешных и малоуспешных применений этих рекомендаций в прошлом и др. Говорят, что хороший доменщик должен чувствовать домну не только приборами, но и «печенкой», упоминаются и другие части тела. Расстройство процесса может разрастись и привести к опасным последствиям, большим потерям, а в пределе – даже к масштабным катастрофическим авариям в огромном агрегате. Поэтому доменщики обычно считают главнейшей своей задачей возможно более строгое выдерживание, оберегание раз отлаженных проверенных режимов плавки, и очень настороженно встречают предложения хотя бы немного изменить режим, не говоря уже о радикальных изменениях процесса, и, тем более, всего цикла. Если наша задача − обеспечить хороший ровный ход капризного доменного процесса, то консервативная доменная идеология вполне оправдана и полезна, здесь вполне целесообразно считать, что не только доменный процесс незаменим, но незаменимы и отлаженные проверенные режимы плавки. Такая идеология полезна доменщикам еще и в том смысле, что она помогает сохранить их монополию на все решения по доменным печам, «отфутболивать» любые слишком настойчивые предложения по изменению процесса с помощью одного универсального аргумента: «это будет уже не доменный процесс!».

Плохая управляемость доменного процесса ведет к тому, что доменщики стремятся годами работать на одном и том же сырье, в одном режиме, и желательно без переходов на «тихий ход», когда мало сырья или заводу не нужно много чугуна. В этом случае расстройства режима печи можно просто пережидать, так как в прошлом они рано или поздно проходили сами собой.

Если все же изменения режима плавки необходимы, то их стремятся выполнять очень медленно, а затем многократно и долго убеждаться в том, что проведенные изменения не ведут к опасным расстройствам хода. Считается, что после существенного изменения сырья или интенсивности продувки надо переработать объем шихты в 2-3 раза больше объема печи, чтобы убедиться, что переход на новый режим пройден благополучно, и ему не угрожают резкие расстройства хода плавки. Процесс считают достаточно установившимся обычно не раньше, чем через 10 дней работы при новых параметрах. Задуть домну после ремонта и вывести ее на стационарный режим удается лишь за время порядка месяца.

Для сравнения отметим, что сталеплавильный агрегат, даже самый большой, переходят на новый режим работы, например, за 10 минут, но не за полмесяца. Кислородный конвертер можно заполнить жидким металлом и вывести на стационарный режим продувки, например, за 10 минут, а не за месяц.

В сталеплавильном агрегате нет принципиально неустойчивого движения материалов и соответствующих «капризов», а управляющие воздействия быстрые, как воздействия «снизу» в домне. Если в агрегате типа домны большая часть сырья будет вдуваться с дутьем в виде порошка концентрата и угольной пыли, то ее режим также можно будет регулировать быстро и эффективно, как топливную горелку. Переход на новый режим продувки можно будет выполнить за несколько минут, а не за неделю.

Говорят, что доменный процесс защищен именно своей капризностью и плохой управляемостью; он предстает как пугающе-сложный, пугающе-капризный процесс с непредсказуемыми опасными расстройствами. Разные химические реакции в домне жестко связаны, так как все реагенты смешаны. Если мы пытаемся повлиять на ход одной реакции, возникают многочисленные трудно предсказуемые следствия по многим другим реакциям. Так как в домне все взаимосвязано, то управлять этим комплексом процессов трудно.

Доменная печь работает в невыгодном режиме полу-спекания массы металлизованных окатышей. При этом силы трения в спекающейся шихте очень неопределенные, а неустойчивость движения шихты очень велика. Как при меньшем, так и при большем развитии спекания сход шихты может быть более определенным, правильным, с меньшей неустойчивостью.

В принципе возможен и выгоден процесс с минимальным спеканием, когда сверху загружается почти один кокс, а основная часть рудной компоненты вводится в печь снизу через вдувание концентрата. Сход шихты будет примерно таким, как в печи обжига сухих материалов, например, известняка; зависаний не будет. В высокотемпературной зоне фурм и ниже на кусках кокса появятся капли и натеки расплавов, получающиеся из концентрата, но это не изменит качественно режим схода.

Возможен обратный по спеканию процесс, в котором сверху загружаются одни окатыши, все топливо вводится в виде вдуваемой угольной пыли. В этом случае ниже зоны «температуры Мидрекса» (T > 750 ºС) получится уже прочное спекание металлизующихся окатышей, и дальше шихта может опускаться уже в основном как единая спеченная масса, без пересыпаний и обрушений. В высокотемпературной печи можно предоставить такой спеченной массе опускаться как единое целое, без разрушений и пересыпаний, до твердого пода, до зоны оплавления. Сход массы будет определяться регулируемым оплавлением ее внизу, как в агрегате «Мидрекс» – регулируемой выгрузкой. В обоих предельных случаях, как без спекания, так и при глубоком спекании, получится, очевидно, более определенный, устойчивый сход шихты, в отличие от полуспеканий, подвисаний и обрушений в домне.

При переходе на режим без спекания или на режим плавки с полным спеканием целесообразно соответственно откорректировать профиль домны. Корректировку профиля обычно выполняют при капитальном ремонте печи.

Конечно, работа по поддержанию нужных режимов плавки в домне очень важна, ее достижения и потери на большой печи могут выражаться суммами, например, в десятки миллионов долларов в год. Но, отдавая должное важности этой работы, квалификации и чутью, даже искусству ее исполнителей, нужно иметь в виду, что здесь идет своего рода героическая борьба доменщиков с последствиями доменной идеологии. Освободившись от давления этой идеологии, можно создать процессы, более свободные от тех случайностей и опасностей, преодолением которых занимаются доменщики.

Такие опасные и часто непредсказуемые капризы домны укрепляют давно укоренившийся взгляд доменной идеологии о том, что доменный процесс надо воспринимать как явление природы, которое мы не в силах изменить, а можем лишь как-то приспособиться к нему. Мы можем лишь смягчить капризы домны, если будем тщательно оберегать установившиеся, сравнительно безопасные, режимы процесса и будем жестко отклонять предложения по всем радикальным изменениям.




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница