Технологии повышения эффективности работы доменных печей

Технологии повышения эффективности работы доменной печи

Доменная печь (ДП) – это инвестиция в будущее. Следовательно, необходимо обеспечить надлежащие размеры всего оборудования, систем и компонентов, а также внедрение технологий, обеспечивающих желаемое производство и качество, с тем чтобы можно было достичь улучшенной производительности доменной печи. Особенно это актуально, когда доменная печь уходит на капитальный ремонт. Внедрение при капитальном ремонте технологий повышения эффективности работы доменной печи также отвечает новым требованиям, предъявляемым к производительности доменной печи, безопасности персонала, снижению требований к техническому обслуживанию и соблюдению экологических требований.

Ключевой задачей для операторов доменных печей всегда было обеспечение непрерывной и надежной подачи чугуна в сталеплавильный цех неизменного качества и с минимально возможными затратами. Любой перерыв в производстве чугуна может привести к потенциальной остановке последующих производственных и перерабатывающих мощностей. Время простоя должно быть сведено к минимуму, а срок службы доменной печи должен быть продлен как можно дольше. Для обеспечения стабильного качества чугуна необходимо избегать колебаний рабочих параметров доменной печи, что возможно только за счет применения соответствующих технологий, а также сложных решений по автоматизации и управлению технологическим процессом.

Существует несколько технологий (рис. 1), внедрение которых значительно улучшает эксплуатационные характеристики доменной печи и повышает ее эффективность как по производительности, так и по расходу топлива. Это приводит к повышению производительности чугуна на единицу объема доменной печи и снижению расхода доменного кокса. Некоторые из основных технологий описаны ниже.

Рис. 1. Технологии повышения эффективности работы ДП

Увеличение внутреннего объема печи

Применение передовых технологий огнеупорной футеровки печи и охлаждения печи позволяет уменьшить толщину футеровки печи при капитальном ремонте печи с одновременным увеличением срока службы печи. Уменьшение толщины футеровки приводит к увеличению внутреннего объема доменной печи и, как следствие, увеличению производительности печи. Это также обеспечивает стабильный профиль температуры печи на протяжении всей кампании печи. Улучшенные огнеупоры, используемые для огнеупорной футеровки печи, включают в себя устойчивые к эрозии огнеупоры из глинозема в верхней кладке, огнеупоры из карбида кремния в чаше и днище печи, а также устойчивые к эрозии углеродные стенки горна с керамической прокладкой. Для охлаждения печи медные пластины используются в зонах с высоким тепловым потоком, а чугунные пластины используются в других зонах. Чугунные клепки обычно бывают с автономным охлаждением.

Качество железной шихты

Для обеспечения проницаемости доменной печи, необходимой для стабильной работы, важно, чтобы железная шихта была прочной, близкой по размеру и эффективно просеивалась для удаления мелких частиц. Он не должен чрезмерно распадаться в штабеле, что приводит к дополнительным штрафам. Он должен быть достаточно пористым, способным к восстановлению и иметь соответствующий размер, чтобы позволить материалу в достаточной степени уменьшиться к тому времени, когда он достигнет зоны размягчения. Таким образом, когезионная зона является менее ограничивающей, с меньшим количеством богатого FeO шлака, а тепловая нагрузка в нижних областях печи ниже, что способствует бесперебойной работе. Должны быть выполнены требования к физическим и металлургическим свойствам агломерата, калиброванно-кусковой руды и/или окатышей для эффективной работы. Свойства размягчения и плавления железосодержащих компонентов оказывают большое влияние на работу доменной печи. Ограничения в когезионной зоне и плохие характеристики плавления могут привести к неравномерному опусканию шихты, нестабильной работе и температурным колебаниям.

Важным аспектом, который следует учитывать при выборе отдельных компонентов шихты, являются их характеристики размягчения и плавления. Основная часть перепада давления в доменной печи приходится на зону размягчения, плавления и стекания железистой шихты в слой кокса, через который поднимаются газы. Широкий диапазон плавления и размягчения приводит к повышенному перепаду давления и большому корню зоны когезии, сталкивающемуся с кирпичной кладкой нижнего ствола.

Качество кокса

Для стабильной работы доменной печи с приемлемой производительностью необходим кокс хорошего качества. Это одна из наиболее часто упоминаемых причин неудовлетворительного периода эксплуатации. Кокс должен быть прочным и стабилизированным, чтобы выдерживать вес шихты с минимальным механическим разрушением. Он должен быть достаточно большим и плотным, с минимальным количеством мелких частиц, чтобы создать проницаемый слой, через который жидкости могут стекать в топку, не ограничивая восходящие газы. Постоянный размер необходим, чтобы избежать нежелательных изменений проницаемости и поддержать концепцию изменения толщины слоя кокса по радиусу печи для управления радиальным потоком газа. Кокс должен быть достаточно инертным к растворению (индекс реакционной способности кокса, CRI, нормальное значение от 20 % до 23 %), сохранять свою прочность в таких условиях (прочность кокса после реакции, CSR, нормальное значение от 65 % до 68 %), и быть с низким содержанием щелочи, чтобы свести к минимуму газификацию щелочи в канале, что оказывает вредное воздействие на расщепление кокса. Низкое содержание серы также необходимо для сведения к минимуму содержания серы в чугуне. Необходимо контролировать изменения влажности кокса и содержания углерода, чтобы свести к минимуму их влияние на тепловое состояние процесса.

Кокс в центре печи постепенно заменяет покойника и кокс в поде, который должен оставаться проницаемым, чтобы жидкости могли стекать через центр пода. Это позволяет избежать чрезмерного периферийного потока горячего металла в горне. Повышение температуры в центре пода обычно наблюдается при увеличении крупности кокса, что указывает на повышенную активность в центре пода. Размер отверстий коксовых грохотов является важным параметром для поддержания проницаемости горна. Обычно целесообразно увеличить размер грохота и загрузить образующийся дополнительный мелкий кокс, смешанный с железистой шихтой, подальше от центральной линии печи.

Цель определения качества кокса состоит в том, чтобы гарантировать, что крупный кокс достигает нижних областей печи. Чтобы контролировать эту цель в долгосрочной перспективе, рекомендуется время от времени брать пробы кокса с фурменного уровня, чтобы оценить прохождение кокса через печь. Обычно это выполняется во время планового технического обслуживания, часто в сочетании с заменой фурм. Большой образец кокса отбирается из фурменного отверстия и его свойства сравниваются с образцом соответствующего исходного кокса.

Чтобы свести к минимуму термические и химические изменения, желательна однородная загрузка. Компоненты шихты должны быть как можно более тщательно перемешаны. Это зависит от количества компонентов шихты и индивидуальной системы загрузки, но обычно этого можно добиться в разумной степени путем выбора бункеров для хранения и последовательности выгрузки материала.

Загрузка орехового кокса

Гибкая система загрузки позволяет использовать ореховый кокс. Размер орехового кокса, доступного для загрузки, зависит от размера и эффективности коксовых грохотов доменной печи на коксосортировочном агрегате коксовых батарей, но обычно находится в диапазоне от 10 мм до 25 мм. Загрузка орехового кокса, смешанного с железистым материалом и расположенного посередине радиуса, улучшает работу за счет повышения эффективности восстановления и проницаемости рудного слоя в когезионной зоне. Загрузка орехового кокса также снижает внутреннюю температуру. Ореховый кокс также загружается на стенку, зажатую между двумя засыпками руды, чтобы предотвратить неактивную область стенки, когда мелкая руда загружается на стенку.

Распределение нагрузки

Распределение нагрузки является одним из основных факторов, влияющих не только на стабильность работы, но и, определяя радиальный поток газа в печи, является одним из основных факторов, контролирующих скорость износа стенок печи. В последние годы для улучшения контроля над распределением шихты в дымовой трубе доменной печи и, таким образом, улучшения контакта газ-твердое тело и эффективности использования топлива, было использовано несколько новых разработок. Два типа распределительных систем, которые обеспечивают достаточный контроль для обеспечения высокой производительности, — это бесконусная верхняя часть с наклоняемым вращающимся желобом и система загрузки колокола с подвижной броней горловины.

В первую очередь, радиальный поток газа регулируется долей железистой шихты по отношению к коксу, поскольку размер кокса обычно намного больше. Этого проще всего добиться, загружая материал дискретными слоями и варьируя толщину слоя по радиусу печи. Таким образом, защита стен печи достигается за счет увеличения доли рудного слоя на стенке, что приводит к уменьшению количества тепла, отводимого системой охлаждения стенки. Однако существует ограничение на долю железистого материала вблизи стенки печи, в противном случае образуется неактивный слой, который может способствовать образованию наростов на стенках и попаданию неподготовленной шихты в нижние области печи и увеличению отказов фурм. Доля кокса в центре печи должна быть достаточной для обеспечения стабильной работы печи при желаемом уровне производства. Большая доля кокса создает относительно проницаемую область с меньшим количеством нисходящих жидкостей, что позволяет использовать максимальный объем дутья без больших колебаний давления дутья и неравномерного опускания шихты.

Кокс в центре печи заменяет кокс в поде, а проницаемый центр с высоким содержанием кокса способствует проницаемости пода, что связывает поток жидкости через под. Однако центральная коксовая труба не должна быть слишком широкой, иначе это приведет к неэффективности и может привести к повреждению определенных частей колошника из-за чрезмерно высокой теплоемкости восходящего газа.

Раздельная оплата материалов

Более сложные системы распределения позволяют дополнительно контролировать распределение нагрузки за счет использования более чем одного диапазона размеров данного материала. Одним из наиболее часто используемых методов является загрузка мелкодисперсных черных материалов, часто из отсевов основной железной шихты. Мелкая мелочь загружается отдельно в небольших количествах близко к стенке печи, чтобы дать локальное снижение проницаемости и, таким образом, защитить стенки. Загрузка отдельной небольшой порции более тонкого материала обычно снижает загрузочную способность печи. Зарядка небольших партий с раструбом и системой подвижной брони горловины вызывает меньше задержек, чем с бесраструбным навершием, благодаря уменьшенному времени разряда. Возможна загрузка небольших количеств более мелких материалов на стенку печи путем загрузки их сначала в верхний бункер или большой конусный бункер и с использованием соответствующего начального угла наклона желоба или установки подвижной брони горловины. Однако количество ограничено характеристиками разгрузки бункера до того количества, которое пройдет через бункер, не смешиваясь с остатком загрузки. Существует также финансовая выгода от непосредственного использования такой мелкой фракции железа по сравнению с ее возвратом для повторного спекания. Аналогичным образом железная шихта может быть разделена на большие и малые фракции, которые затем загружаются в разные части радиуса печи для контроля радиальной проницаемости.

Работа под высоким давлением

Одним из ограничивающих факторов при попытках увеличить объемную скорость дутья в доменной печи является подъемный эффект, вызванный большими объемами газов, продуваемых вверх через шихту. Этот эффект подъема (массовый расход) препятствует нормальному опусканию груза и вызывает скорее потерю, чем увеличение производительности. Для повышения производительности сверх нормы доменная печь оборудована запорным клапаном в системе колошникового газа для увеличения давления выходящего газа. Это увеличение давления сжимает газы во всей системе и позволяет выдувать большее количество воздуха. С этим увеличением количества воздуха, выдуваемого в минуту, происходит соответствующее увеличение производительности. Кроме того, это также подавляет образование SiO, что приводит к снижению содержания кремния в горячем металле.

Когда давление колошникового газа увеличивается, давление струи входящего воздуха также должно увеличиваться пропорционально. Кроме того, если верхнее давление увеличивается, необходимо использовать нагнетатель большего размера, способный подавать увеличенный объем струи при более высоком давлении. Кожух печи, корпуса печи, пылеуловитель, первичная промывка и газопровод также должны иметь структурную целостность, чтобы выдерживать повышенное давление. Дроссельный клапан, используемый для увеличения верхнего давления, расположен за первичной газопромывочной машиной, где пескоструйный эффект газа снижен за счет удаления большой части пыли, уносимой газом из топки. Линия выхода воды из первичной шайбы должна быть оборудована регулятором, чтобы давление газа внутри шайбы не разрушало гидрозатвор. Чистый газ или азот используется для выравнивания давления на загрузочном оборудовании печи. Успешно работают печи с верхним давлением 2-2,5 кг/кв.см. В некоторых из этих печей используются рекуперационные турбины верхнего давления для рекуперации части энергии сжатия и производства электроэнергии.

Температура горячего дутья

Температура горячего дутья повышает топливную экономичность доменной печи и позволяет повысить температуру печи, что увеличивает производительность печей. Высокие температуры горячего дутья необходимы для эффективной работы доменной печи, поскольку они существенно снижают потребность в печном коксе и облегчают впрыск вспомогательного топлива, такого как пылевидный уголь, в качестве замены доменного кокса. Общая экономия энергии, возможная за счет комбинации методов, составляет порядка 0,12 млн ккал/т чугуна. Это приводит к снижению эксплуатационных расходов, поскольку коксовое содержание снижается на 2,8 % на каждые 100°С повышения температуры дутья, когда она поддерживается в диапазоне от 1000°С до 1200°С. Многие современные печи работают при температуре горячего дутья выше 1300°С. .

Обогащение струи горячего воздуха кислородом

Целью обогащения дутья кислородом является регулирование температуры адиабатического пламени (ОПП) канала подачи, газообразования горна и интенсивности плавки. Когда воздух дутья обогащается кислородом, происходит увеличение RAFT. Высокие температуры пламени обычно несовместимы с шихтовыми материалами относительно низкого качества и требуют шихтовых материалов надлежащего качества. Дальнейшие высокие температуры пламени из-за обогащения кислородом необходимо контролировать с помощью влаги дутья и впрыска топлива. Существуют печи с обогащением кислородом более 12 %. На каждый процент кислорода выше, чем при обычном воздушном дутье (примерно 21 % кислорода), производительность увеличивается примерно на 2–4 %. В тех случаях, когда материалы шихты обладают хорошей восстанавливаемостью, то есть они будут быстро восстанавливаться, температура пламени может быть значительно повышена, а эффективность использования топлива может быть улучшена. Разумное использование кислорода обеспечивает средства управления массовым расходом вспомогательного газа, что позволяет максимально увеличить производительность печи при одновременном контроле качества чугуна.

Дополнительный впрыск топлива

С развитием методов повышения температуры горячего дутья до диапазона от 1000°С до 1300°С и необходимостью контроля ОПТ из-за типа используемого шихтового материала стало возможным вводить углеводородное топливо в дутье. печи через фурмы для регулирования температуры пламени, повышения восстановительной способности шлакового газа и одновременного замещения части доменного кокса. В присутствии большого количества кокса углеводородное топливо может гореть только до монооксида углерода и водорода; следовательно, они производят меньше тепла, чем кокс, который они заменяют, что позволяет контролировать температуру пламени, но производимый ими восстановительный газ более эффективен, чем газ, образующийся при сжигании кокса.

Было опробовано множество различных видов топлива — природный газ, коксовый газ, нефть, гудрон и пылевидный уголь, даже суспензии угля в нефти. В настоящее время угольная пыль является наиболее часто используемым инжектором в доменных печах из-за его относительного изобилия и низкой стоимости. Когда используется уголь, он также вводится в воздушный поток фурмой, входящей в воздушный поток через боковые стороны нагнетательных трубок. Наиболее желательно, чтобы инжектируемый уголь был полностью газифицирован и сожжен до того, как он покинет туннель прямо внутри топки. При впрыскивании топлива необходимо соблюдать особые меры предосторожности, чтобы избежать скопления топлива в форсунке или паяльной трубке и его последующего сгорания. Процесс вдувания пылеугольного топлива описан ниже.

Угольное сырье транспортируется на углеобогатительную фабрику, где примеси удаляются с помощью грохота и подвесного магнита. Затем уголь измельчают и одновременно сушат в потоке горячего газа или в комбинированном измельчительном агрегате/сушилке с последующей экстракцией через систему с помощью вытяжного вентилятора. Уголь с правильным гранулометрическим составом вытягивается через скоростной сепаратор и улавливается в рукавном фильтре. Конечный продукт просеивается перед отправкой в ​​бункер для хранения. Часть выхлопных газов рециркулируется обратно в генератор горячего газа на измельчительном агрегате/сушилке. Эта функция управления гарантирует, что общее содержание кислорода в горячем газе, контактирующем с углем, поддерживается на уровне ниже 12 %, что исключает любую возможность воспламенения измельченного угля. Система нагнетания угля состоит из шлюзовых бункеров и инжекторных блоков. Расход угля на каждую фурму может независимо регулироваться механическим питателем. В качестве альтернативы может быть предусмотрена более простая система с меньшей точностью управления потоком для каждой фурмы с использованием системы на основе делителя. В настоящее время оборудование для PCI достаточно надежное, его доступность превышает 98 %, а скорость вдувания угля составляет 2 %.

Автоматизация и контроль

В наши дни система автоматизации и управления обеспечивает идеальное решение для всех аспектов работы печи. К ним относятся, в частности, (i) управление сводом печи на скиповых или ленточных сводах со сложной схемой загрузки и распределением шихты, (ii) уникальная спиральная система загрузки безколпакового свода для увеличения доли мелочи, которая может быть загружена, (iii) складское помещение контроль последовательно дозированных материалов с взвешиванием «в полете» и наслоением материала, (iv) контроль газоочистки, (v) контроль печей для циклической, параллельной, перекрывающейся параллельной и шахматной параллельной работы четырех печей, (vi) контроль системы впрыска угля, (vii) эксплуатация и контроль литейного цеха, и (viii) контроль завода по грануляции шлака. Помимо автоматизации и управления, также есть функции для обеспечения безопасности предприятия и последовательности останова.

Для обеспечения высокоэффективной работы доменной печи при низких затратах в настоящее время доменные печи оснащены системой оптимизации замкнутого цикла. Эта система функционирует на основе передовых моделей процессов, искусственного интеллекта, усовершенствованных программных приложений, графических пользовательских интерфейсов и операционных ноу-хау. В печах с системой оптимизации с замкнутым контуром достигаются отличные технологические характеристики и значительно меньшие производственные затраты. В замкнутой экспертной системе основные параметры доменной печи, подлежащие контролю, осуществляются без необходимости взаимодействия с оператором. Например, контроль количества кокса, основности, скорости впрыска пара и даже распределения шихты может выполняться одновременно и автоматически в режиме замкнутого цикла, чтобы обеспечить стабильные и последовательные операции процесса при низких производственных затратах. Точное управление доменной печью достигается на основе передовых моделей процессов.

Система управления технологической информацией, предусмотренная в современной доменной печи, собирает, подготавливает и сохраняет все необходимые данные для последующего использования.