Перспективы развития доменного производства

Высокая экономичность противоточного процесса и массовая выплавка металла в доменных печах предопределила их использование и в XXI столетии. Однако существуют проблемы. из-за которых дальние перспективы развития доменного производства находятся под большим сомнением. Во-первых, это относится, как было сказано во введении, к ограниченному запасу на планете коксующихся углей, во вторых добыча железных руд, их обогащение, окускование и наконец сама доменная плавка являются источниками загрязнения земной поверхности и атмосферы различными отходами (громадные свалки мусора, неиспользованных шлаков, шламов и др.), пылью и газами. Кроме того, двойной передел при производстве черных металлов должен быть конкурентоспособным по отношению к другим способам их получения. Все это вместе взятое определяет важность перспективы развития доменного процесса, последовательность внедрения в промышленность научных открытий и разработок с учетом законченности теоретических обоснований, экспериментальных данных, и наличия необходимых средств для практической реализации новых проектов.

На первом плане, как это было указано, стоит подготовка железорудных материалов к доменной плавке. К тому, что сказано по этому поводу, следует добавить о необходимости в ближайшие годы резко снизить выделение пыли на аглофабриках и фабриках по производству окатышей. Не исключено решение международных организаций о введении значительных штрафных санкций за превышение норм запыленности, как в цехах самих фабрик, так и во внешнее пространство. Следует также изменить способы отделения влаги из шламов, поскольку в настоящее время под шламы используется большая площадь пахотных земель. Необходимо все шламы возвращать в оборотный цикл металлургического производства.

Следует быстрее решать вопросы с установкой на доменных печах оборудования для использования каменноугольной пыли с дутьем. Экономия кокса при этом достигает 200 кг/т. чугуна при существующих способах подготовки шихты. Это позволит сохранить запасы коксующихся углей на более продолжительное время. Запасы же углей, пригодных для пылеугольного топлива достаточны для долговременного их использования [53,75,76,771.

Со временем доменные печи частично или полностью перейдут на работу с формованным коксом, производство которого основано на малококсующихся углях. Важно при этом знать, как изменится дренажная насадка в горне и газодинамика в нижней и в верхней частях печи. Проведенные в бывшем СССР опытные плавки на формованном коксе показали, что в образцах, извлеченных на горизонте воздушных фурм, содержание фракции 40-60 и < 25 мм составило 81,6 и 9,7%, а в кусковом коксе соответственно 35,0 и 15,3%. Следовательно формованный кокс на уровне фурм имел меньшее количество мелочи, т.е. в условиях доменной печи он оказался прочнее обычного кокса. Это наиболее существенное преимущество формованного кокса. По другим показателям он уступает кусковому коксу. В табл. 1.17 приведены средняя порозность и потери давления в слое формованного и обычного кокса в смеси с агломератом (числитель) и окатышами (знаменатель) [3, 38].

Таблиця 1.17 – Сравнение основных технических характеристик формованного и обычного кокса

Двухслойная загрузка кокса с агломератом или окатышами	Общая высота слоя с учетом внедрения верхнего в нижний, м	Средняя порозрность слоя, м3/м3	Потери давления, Па/м
В слое кокса	В коксо-рудном слое
FK20	1,075/0,876	0,481/0,411		1141/1027
FK50	1,075/0,875	0,496/0,403		991/1093
FK100	1,064/0,856	0,476/0,397		1077/1175
FK300	1,051/0,847	0,868/0,394		1076/1208
K15-45	1,330/1,116	0,534/0,474		1025/1075
K40-120	1,305/1,097	0,522/0,450		916/940
K40-90	1,303/1,097	0,524/0,466		980/1007
K40	1,179	0,495

Примечания: 1. FK - формованный кокс;

2. К - обычный кокс;

3. Внизу у символов FK и К стоят размеры кусков, мм;

4. В числителе кокс с агломератом, в знаменателе - кокс с окатышами; ΔР определяли при скорости воздуха 1 м/с для сечения пустого цилиндра.

Из табл. 1.17 видно, что порозность формованного кокса и с агломератом, и с окатышами меньше, чем соответственная порозность обычного кокса с теми же железорудными материалами, поскольку формованный кокс плотнее, его удельный вес 625 кг/м³, а для кускового кокса 450-500 кг/м³. Однако, потери давления на один метр высоты слоя при смешанной загрузке формованного и обычного коксов с агломератом и окатышами разнятся не столь значительно. Для FK₅₀ ΔР/Н составили 991 Па/м с агломератом и 1093 Па/м с окатышами. Для обычного кокса К_40-90 с агломератом и окатышами ΔР/Н составили соответственно 980 и 1007 Па/м.

Таким образом, газодинамические характеристики слоя шихты из формованного и обычного коксов с агломератом и окатышами примерно одинаковы, а прочность формованного кокса в печи оказалась выше, чем прочность обычного кокса.

Опытные плавки проводили в доменной печи 700 м³ метзавода им. Петровского при замене 25% кускового кокса (I период - числитель) формованным (II период - знаменатель) приведены ниже:

Производительность печи, т/сут 1045,0/1131,0

Общий расход кокса, кг/т чугуна 611,0/622,0

Расход природного газа, м³/т, чугуна 77,8/73,4

Содержание в шихте Fe, % 54,8/54,9

Рудная нагрузка, т/т. кокса 2,68/2,72

Количество металлодобавок, кг/т. чугуна 130/80

Количество шлака, кг/т. чугуна 488/444

Количество дутья, м³/мин 1470/1530

Температура дутья, ⁰С 1018/1025

Видно, что производительность печи в опытном периоде возросла на 86 т чугуна в сутки, а фактический расход кокса стал выше на 11 кг/т чугуна. Расход природного газа и металлодобавок был разным в сравниваемых периодах и после приведения к равным условиям расход кокса во II периоде был на 1,5 кг/т чугуна ниже, по сравнению с плавкой на 100% обычного кокса. Хороший дренаж продуктов плавки и высокие показатели работы печи позволили увеличить долю формованного кокса в шихте до 50%. Печь работала с обычным расходом дутья и несколько меньшим ΔР. Применение формованного кокса является весьма перспективным в доменном производстве.

Для черной металлургии стран СНГ большое значение имеет использование кинетической энергии колошникового газа для получения электроэнергии. В дроссельной группе для создания повышенного давления газа на колошнике все количество печных газов проходит через узкое сечение диаметром не более 100-160 мм. Если на пути газа поставить турбину на одном валу с ротором, то вырабатываемой электроэнергии на 4-х доменных печах среднего объема достаточно для работы всего металлургического предприятия. Капитальные затраты для сооружения электростанции в доменном цехе, примерно такие же, как и при строительстве новой тепловой электростанции, но в первом случае не нужно потом затрачивать топливо.

Известно, что черная металлургия в бывшем СССР потребляла примерно 8% от всей вырабатываемой электроэнергии. В настоящее время на Украине этот процент намного выше, поскольку здесь производится 30-35% чугуна от общего его производства в странах СНГ. Учитывая недостаточное производство электроэнергии на Украине и закрытие Чернобыльской АЭС, следует новые электростанции строить на металлургических комбинатах с использованием энергии доменного газа для выработки дешевой электроэнергии.

За последние годы на Украине резко снизилась температура дутья (примерно с 1180-1250 до 1000-1060 ⁰С). Только на этом дополнительный расход кокса составляет около одного миллиона тонн в год. При увеличении калорийности сжигаемого в воздухонагревателях газа, можно на тех же воздухонагревателях восстановить температуру дутья до 1150-1200 ⁰С с соответствующим снижением расхода кокса.

Перспективным является также обогащение дутья кислородом до 35-40% с одновременным вдуванием водородсодержащих добавок (природный, коксовый, генераторный газы, мазут и др.). Особенно это целесообразно при получении кислорода по более низким ценам, по сравнению с настоящим временем. Известно, что обогащение дутья кислородом увеличивает производство чугуна на 2,0-2,1% на каждый процент О₂ (табл. 1.14). Расход кокса при этом, как правило, остается без изменения или повышается на 0,18-0,22% на каждый процент увеличения кислорода в дутье. Поскольку при этом необходимо вдувать водородсодержащие добавки, то удельный расход кокса уменьшится.

В перспективе будут найдены сравнительно дешевые способы отмывки доменного газа от диоксида углерода и подачи его снова в доменную печь. Это позволит значительно снизить расход кокса и водородсодержащих добавок. Надо полагать, что в результате применения указанных перспективных способов ведения доменной плавки, ее конкурентоспособность будет расти и в XXI веке.