Оптимизация работы доменной печи с использованием орехового кокса: эффективность и экономические выгоды

Применение орехового кокса в доменной печи

Металлургический кокс, также называемый доменным (ДП) коксом, играет ключевую роль в стабильной работе доменной печи. Типичный размер ДП-кокса составляет 30–60 мм (некоторые печи используют кокс 40–80 мм), и он составляет значительную долю себестоимости чугуна. Высокая стоимость обусловлена образованием большого процента мелких фракций при производстве кокса в коксовых печах: коксовой пыли (–10 мм) и орехового кокса (10–30 мм). Коксовая пыль полностью расходуется на аггломерационных заводах при спекании рудных мелков. Долгое время ореховый кокс практически не использовался на металлургических комбинатах и продавался сторонним потребителям. В 1960-х годах проф. В.И. Логинов предложил заряжать ореховый кокс в доменную печь в смеси с агломератом. Хотя идея успешно прошла испытания, первоначально существовало сопротивление её внедрению.

Сегодня использование орехового кокса в качестве частичной замены ДП-кокса считается проверенной технологией, а его добавление в рудную зарядку стало стандартной практикой. Объем использования зависит от доступности орехового кокса. В некоторых печах успешно достигнуто среднемесячное потребление более 100 кг орехового кокса на тонну чугуна. Статистический анализ европейских доменных печей показал, что коэффициент замещения ДП-кокса ореховым близок к 1,0.

Влияние орехового кокса на процессы в печи

В традиционной практике ферристое сырье (сыпчатая руда, агломерат, пеллеты) и ДП-кокс заряжаются попеременными слоями. Ореховый кокс загружается в смеси с ферристым сырьем. Его добавление в слой рудного сырья:

• обеспечивает эффективное использование дешевого побочного продукта коксования;
• снижает расход ДП-кокса;
• повышает производительность печи;
• оптимизирует газодинамический режим плавки;
• улучшает техно-экономические показатели за счет снижения себестоимости чугуна;
• сокращает выбросы CO₂, так как требуется меньше кокса.

Рис. 1 показывает сравнение традиционной зарядки и зарядки с ореховым коксом.

Механизмы действия и результаты исследований

Множество исследований подтвердили, что смешанная зарядка с ореховым коксом улучшает проницаемость зоны размягчения и плавления, а также прямую редукцию. Выявлены три основных фактора снижения коксового расхода:

1. улучшение газовой проницаемости в «сухой зоне» печи;
2. повышение восстановительных способностей рудного сырья;
3. «защита» металлургического кокса от реакции растворения в стве печи за счет более высокой реакционной способности орехового кокса.

Недавно установлено, что небольшое количество орехового кокса в рудной зарядке улучшает кинетику восстановления, снижает расход восстановителя и газовую/жидкостную проницаемость. Оптимальное количество критично: избыток орехового кокса приводит к накоплению невыгоревшего кокса в нижней части печи, что забивает мертвую зону (deadman), ухудшает качество чугуна и производительность. Это особенно опасно при высоких расходах пневмоугольного топлива. Идеально, ореховый кокс должен полностью сгорать до зоны сплощения. Рис. 2 иллюстрирует работу печи с и без орехового кокса.

Ключевые выводы экспериментов

Исследование влияния толщины слоев агломерата и кокса, а также смеси агломерат-ореховый кокс на газовую проницаемость при 1100–1600 °C показало: уменьшение толщины слоев снижает перепад давления. Добавление 90 г орехового кокса к 1400 г агломерата снижает перепад давления при 1400 °C с 380 мм вод. ст. до ~50 мм вод. ст. Вывод: высокая доля орехового кокса улучшает газовую проницаемость в зоне сплощения.

Моделирование сегрегации и радиального распределения орехового кокса в зарядном бункере (метод дискретных элементов) выявило, что окружностной баланс массы орехового кокса критически важен для равномерного распределения. Установка стабилизатора на кончике зарядной желоби эффективно предотвращает сегрегацию.

Изучение процессов восстановления при смешанной зарядке показало: прямое восстановление усиливается в зоне сплощения и подавляется в поднебеснике, что улучшает нагрев поднебесника. Влияние орехового кокса на коксовый расход зависит от свойств обоих коксов. Размер орехового кокса в рудном слое обеспечивает его преимущественное потребление для регенерации CO, защищая ДП-кокс от деградации и повышая проницаемость слоя. Рис. 3 демонстрирует сравнение схем зарядки.

Оптимальные параметры и риски

Высокая степень замещения ДП-кокса желательна, но избыток орехового кокса создает риск попадания невыгоревшего кокса в нижнюю печь, забивания мертвой зоны и поднебесника. Математическое моделирование и эксперименты подтвердили: при низком расходе ореховый кокс полностью сгорает газификацией, улучшая проницаемость; при высоком — не сгорает полностью, увеличивает перепад давления в коксовом слое. Опыт эксплуатации показывает: превышение оптимальной концентрации ухудшает дренаж поднебесника, снижает скорость плавки и производительность.

Моделирование мертвой зоны показало: пористость важнее диаметра кокса. Низкая пористость снижает проникновение горячих газов, создает зону низких температур. Мелкие коксовые частицы в нижней печи увеличивают перепад давления сильнее, чем снижают его в зоне сплощения — общий перепад растет.

Существует оптимальное количество орехового кокса, выше которого выгоды минимальны, а риск аномалий в работе печи возрастает.

Основные эффекты зарядки орехового кокса с ферристым сырьем

Повышение проницаемости

Проницаемость управляется объемом надува и перепадом давления в стве. При постоянном надуве её можно улучшить, снижая перепад. Газовая проницаемость определяет течение восстановительного газа и влияет на производительность. Добавление орехового кокса в сухую зону позитивно влияет на проницаемость. Эффект менее заметен при низких долях примеси. Использование 10% и 20% орехового кокса в рудной зарядке повышает производительность на 1,5% и 2,5% соответственно.

Изучение двух периодов работы печи (без и с ореховым коксом при неизменном объеме руды) выявило: перепад давления газа растит и вариации с количеством орехового кокса. Работа стала более ровной, выпуск вырос за счет снижения коксового расхода. Теплота и восстановительная способность газа используются полнее благодаря лучшему распределению газа.

При больших дозах орехового кокса предотвращается ухудшение проницаемости в нижней печи. ДП-кокс остается крупным в нижней части за счет селективной реакции растворения орехового кокса, а проницаемость зоны сплощения сохраняется высокой.

Исследование свойств рудного слоя с ореховым коксом (вариация высоты слоев и доли кокса) показало: перепад давления снижается при уменьшении высоты слоя (увеличении их числа), пик исчезает при >3 слоях. Перепад быстро падает с ростом доли орехового кокса. Карбуризация происходит на границе агломерат-кокс. При плавлении металла газ проходит преимущественно через кокс, сохраняя проницаемость. Парадокс: при добавлении орехового кокса пористость слоя снижается, но проницаемость растет. Следовательно, важны не только пористость, но и структура пор.

Добавление орехового кокса в рудной слой снижает газовое сопротивление зоны сплощения за счет создания дополнительных пор.

Кинетика восстановления

Ферристое сырье состоит из Fe₂O₃ и Fe₃O₄. Удаление кислорода — восстановление. Скорость и степень восстановления напрямую влияют на производительность. Температура теплового резервного зоны соответствует началу реакции Будуара (C + CO₂ = 2CO) — интенсивно эндотермической. Реакция Будуара контролирует общий процесс. Снижение начальной температуры теплового резервного зоны сдвигает равновесие реакции FeO + CO = Fe + CO₂ к более высокой эффективности утилизации CO. Это повышает КПД утилизации CO в верху печи и снижает расход восстановителей.

Высокая скорость восстановления оксидов железа желательна. Экспериментальный анализ восстановления при 900–1200 °C показал: ограничивающая стадия — окисление углерода. Восстановление идет в две стадии: Fe₃O₄ → FeO (быстрее) и FeO → Fe (медленнее). На финальной стадии скорость падает из-за образования фаялитового шлака (FeO·SiO₂). Феномен «заторможенности восстановления» проявляется во время и после размягчения сырья. Эксперименты подтвердили: при >1100 °C сырье без орехового кокса страдает от заторможенности, со смесью — нет. Для высокой степени восстановления размер орехового кокса должен быть сравним или меньше размера ферристого сырья.

Поведение при размягчении и плавлении

Зона, где руда начинает размягчаться и плавиться — зона сплощения. Толщина зоны сплощения влияет на перепад давления и проницаемость. Тонкая зона желательна. Её можно получить сырьем с малым интервалом температур размягчения и плавления, либо смешением орехового кокса. Высокотемпературные эксперименты с ореховым коксом показали: температура размягчения повышается на 86 °C, плавления — на 15 °C, разница сокращается на 71 °C. Это указывает на формирование более тонкой зоны сплощения.