Оптимизация производительности доменной печи: ключевые параметры и стратегии

Производительность доменной печи и влияющие параметры

Доменная печь (ДП) получения железа — самый жизнеспособный способ производства горячего металла (ГМ) преимущественно благодаря своему хорошо установленному и проверенному производительству, гибкому использованию сырья и высокой способности к сохранению тепловой энергии. Это самый надежный процесс получения железа. Нет точных дат возникновения доменного производства. Однако важные проектные решения и переинженеринг начали внедряться в доменные печи в Европе еще в 14 веке. С тех пор непрерывные разработки в технологии доменного производства железа идут для повышения производительности и экономичности.

ДП прошла огромные модификации и развитие для увеличения продукции и улучшения общей эффективности. И технологическое развитие, и научные исследования привели технологию доменного производства к оптимальным операционным условиям. Технология стала более зрелой, и процесс ДП теперь высокоразвитый, работающий близко к термодинамическим пределам эффективности. Даже развитие альтернативных процессов плавления железа получает жесткую конкуренцию от технологии ДП.

ДП по сути — контртоковая подвижная печь с твердыми материалами (железосодержащая загрузка, кокс и флюс), а затем расплавленными жидкостями, движущимися вниз по шахте. Порошковый уголь и обогащенный кислородом (O₂) горячий воздух впрыскиваются на уровне тюйер близко к основанию. Восстановительные газы, образующиеся различными реакциями, движутся вверх по шахте печи, восстанавливая железосодержащие материалы, загружаемые наверху печи.

Многомерная система и параметры производительности

Процесс ДП — многомерная система, подверженная множеству взаимовлияющих переменных, влияющих на производительность. Необходимо изолировать взаимное влияние переменных, чтобы понять роль каждой на производительность ДП. Производительность определяется несколькими параметрами, из которых производительность — главный.

ДП создана долгим путем опыта, через который проведено множество модификаций и улучшений для достижения современного статуса. Интенсивная работа велась по повышению производительности. Рабочий объем ДП вырос с менее 100 м³ до более 5000 м³. Печь такого размера производит ~10 000–13 000 т ГМ в сутки с годовой продукцией более 4 млн т ГМ. Сообщается, что ДП с внутренним объемом 3000–5000 м³ кажутся оптимальными для производительности. Это значит, что производительность ДП больше коррелирует с удельной производительностью, измеряющей эффективность, обычно выражаемой в т/сут/м³ рабочего объема. В некоторых странах вместо рабочего объема рассматривают полезный объем. Несколько ДП работают при удельной производительности ~2,5 т/сут/м³.

Размер печи — только одна переменная, влияющая на улучшение производительности. Существует много других параметров. Развитие загрузочной зарядки, конструкция печи, технологии впрыска и процессное управление помогают улучшению производительности. Например, бесколпаковая система зарядки ДП разработана для поддержания хорошего распределения загрузочных материалов внутри печи и, следовательно, улучшения газового потока и скорости производства.

Производительность ДП — частное от возможной газовой пропускной способности за единицу времени и требуемой удельной газовой генерации на тонну ГМ. Повышение производительности с одной стороны требует увеличения газовой пропускной способности, что подразумевает улучшение проницаемости печи, а с другой — снижения удельной газовой потребности, что означает снижение удельного расхода восстановителя.

Основные факторы, влияющие на производительность ДП

Существует несколько факторов, влияющих на производительность ДП. Основные описаны ниже. Однако отметим, что указанные уровни влияния при изоляции факторов. Эти влияния не аддитивны, так как работа ДП — интегрированная операция, и разные параметры взаимодействуют внутри ДП, некоторые имеют усиливающий эффект, другие — ослабляющий.

Сырьевые материалы

Помимо топлив и восстановителей (кокс ДП, ореховый кокс, порошковый уголь), ДП для производства ГМ нуждается в: (i) железосодержащем сырье: спек, пеллет, калиброванная кусковая руда (размеренная железная руда); (ii) флюсовых материалах: известняк, доломит, кварцит; (iii) прочих материалах (аддитивах): марганцевая руда, титано-ферристая железная руда и т.д.

В железосодержащих материалах более высокое содержание Fe означает, что меньше гангу идет в печь, что нужно флюсовать для образования шлака. Следовательно, более высокое Fe снижает объем шлака и улучшает производительность ДП. С каждым 1% увеличением Fe в загрузочной смеси, заряжаемой в ДП, улучшение производительности: ~2,4% при Fe до 50%, ~2% при Fe 50–55%, ~1,7% при Fe 55–60%. Если заряжается лом, эффект на производительность: 0,6% роста на каждые 10 кг/т ГМ Fe в виде лома.

Известняк и доломит, заряжаемые прямо в ДП, кальцинируются внутри печи. Реакция кальцинации требует тепла, увеличивая удельный расход топлива. Если флюсы заряжаются через спек или пеллеты, кальцинация происходит вне ДП, и рабочий объем эффективнее используется железосодержащими материалами. Это улучшает производительность. На каждые 10 кг/т ГМ снижения потребления сырого известняка производительность растет на 0,5%. Для доломита — 0,4% на 10 кг/т ГМ.

Для высокой производительности ДП необходимо, чтобы загрузочные материалы обеспечивали высокую проницаемость и однородность в печи. Следовательно, зарядка мелкой фракции загрузочного материала должна контролироваться. На каждое снижение содержания менее 5 мм в железосодержащей зарядке производительность улучшается на 1%.

Загрузочные материалы должны иметь высокую восстановимость для продвижения короткого времени удержания. Также низкое содержание примесных элементов (цинк, свинец, щелочи) для избежания процессных нарушений. Производительность ДП во многом зависит от качества спека. Спект должен иметь оптимальное зерновое распределение, высокую прочность, высокую восстановимость, высокую пористость, температуры размягчения >1250 °C, постоянное содержание FeO 7–8% и постоянную основность.

Контроль распределения зарядки играет важную роль в улучшении производительности ДП. Контроль распределения обеспечивает стабильное снижение зарядки, регулирует газовый поток у стенки (избегая высоких тепловых нагрузок без образования неактивных зон) и помогает достичь хорошего контакта твердое-газ. Повышение однородности распределения рудной загрузки по радиусу верха печи для двухколпакового устройства улучшает производительность на 2%, для бесколпакового — на 3%. Замена двухколпакового на бесколпаковое улучшает производительность на 4%.

Топливо / восстановители

Два типа топлива/восстановителей: металлургический кокс (кокс ДП), заряжаемый сверху, и порошковый уголь / природный газ / коксовый газ / масло / угольная смола, впрыскиваемые на уровне тюйер.

Кокс ДП влияет на производительность множеством путей. Высокое зольное содержание в коксе приводит к зарядке печи большим количеством шлакообразующих материалов, которые нужно флюсовать, увеличивая объем шлака. Каждое 1% снижение зольности кокса улучшает производительность на 1,3%.

Другие свойства кокса ДП, влияющие на производительность: CSR (прочность кокса после реакции), CRI (индекс реакционной способности кокса), индексы Micum (M40, M25 или I40 и M10 или I10). Эти параметры влияют на проницаемость в шахте печи и механическую прочность кокса на уровне тюйер. M40 — дробящесть, M10 — изнашиваемость. Более высокие CSR и M40 и более низкие CRI и M10 улучшают производительность. Каждое 1% увеличения M25 повышает производительность на 0,6%, каждое 1% увеличения CSR — на 0,7%. Для M10: каждое 1% снижения повышает производительность на 2,8%. Рис. 1 показывает влияние свойств кокса ДП на производительность.

Рис. 1 Влияние свойств кокса ДП на производительность ДП

Сернистое содержание кокса ДП также влияет на производительность. Снижение серы в коксе на 0,1% повышает производительность в диапазоне 0,18–0,71% в зависимости от уровня серы в ГМ: 0,18% при 0,05% S в ГМ, 0,22% при 0,04%, 0,27% при 0,03%, 0,38% при 0,02%, 0,71% при 0,01%.

Размер кокса, заряжаемого в ДП, также влияет. Каждое 1% снижения фракции плюс 80 мм повышает производительность на 0,2%, а снижение минус 25 мм — на 1%.

Порошковый уголь / природный газ / коксовый газ / масло / угольная смола, впрыскиваемые на уровне тюйер, обычно влияют на удельный газовый поток, вызывая снижение верха температуры и увеличение адиабатической температуры (RAFT) в тюйерах. Эти эффекты компенсируются впрыском замещающего топлива. Впрыск вспомогательного топлива не влияет на производительность, но так как сопровождается впрыском кислорода, производительность растет за счет впрыскиваемого кислорода.

Горячий воздух и обогащение кислородом

Повышение температуры горячего воздуха на 10 °C повышает производительность: в диапазоне 800–900 °C на 0,5%, 900–1000 °C на 0,4%.

При содержании O₂ в дуте до 25%: повышение температуры на 10 °C дает: 1000–1100 °C — 0,3%, 1100–1200 °C — 0,28%, 1200–1300 °C — 0,25%, 1300–1400 °C — 0,22%.

При O₂ 25–35%: 1000–1100 °C — 0,25%, 1100–1200 °C — 0,2%, 1200–1300 °C — 0,2%, 1300–1400 °C — 0,18%.

При O₂ 35–40%: 1000–1100 °C — 0,2%, 1100–1200 °C — 0,18%, 1200–1300 °C — 0,16%, 1300–1400 °C — 0,14%.

Снижение влажности горячего воздуха улучшает производительность. На каждый 1 г/м³ при объеме дутья 1500–1600 м³/т ГМ — улучшение 0,14%, при 1000–1100 м³/т ГМ — 0,06%.

Обогащение горячего воздуха кислородом улучшает производительность. На каждое 1% (абсолютное) обогащения до 25% — улучшение 2%, 25–30% — 1,7%, 30–35% — 1,4%, 35–40% — 1,6%.

Повышение давления газов верха печи улучшает производительность. На каждые 10 кПа повышения давления в диапазоне до 200 кПа (избыточное) с соответствующим увеличением массы горячего воздуха — улучшение 1%.

Для ускорения плавления дифференциальное давление газов в ДП увеличивается. Каждое 1% увеличения до граничных значений улучшает производительность на 0,5%, выше граничных — на 0,3%.

Горячий металл и жидкий шлак

Практика отпира играет важную роль в достижении высокой производительности. Хорошая практика: хорошая длина отпира, своевременное открытие, контроль скорости отпира, правильный дренаж дна, закрытие отпира после сушки печи. Качество отпировочной массы критично.

Снижение кремния в горячем металле положительно влияет на производительность ДП. Снижение Si достигается за счет лучшего рудно-коксового отношения и смещения зоны сращения вниз. Это генерирует меньший объем для переноса кремния в горячий металл. Снижение Si на 0,1% улучшает производительность на 1,2%.

Снижение марганца в ГМ положительно влияет на производительность. На каждое 0,1% снижения Mn в ГМ рост производительности 0,22–0,44% в зависимости от содержания Mn в руде. Чем выше Mn в руде, тем ниже влияние.

Снижение фосфора в ГМ улучшает производительность. На каждое 0,1% снижения P — улучшение 0,6%.

Свойства шлака существенно влияют на производительность. Меньший удельный объем шлака более низкой вязкости улучшает производительность. Снижение шлака на 10 кг/т ГМ дает рост производительности 0,6% независимо от общего количества и содержания железа в зарядке.

Другие факторы, влияющие на производительность ДП

• Снижение коротких остановов ДП на 1% улучшает производительность на 1,5%.
• Снижение работы ДП на сниженном дутье на 1% улучшает производительность на 1%.
• Снижение случаев задержки открытия отпира на 1% (средняя длительность задержки 0,5 интервала между соседними отпирами) улучшает производительность на 0,1%.
• Автоматическое процессное управление улучшает производительность печи: минимизирует расход восстановителя, избегает процессных нарушений (подвешивание, проскальзывание, нарастания, газирование и т.д.) через немедленное противодействие, стабилизирует параметры ГМ и шлака. Эффект автоматического управления на производительность ДП — 3–5%.