Ключевые факторы, влияющие на потребление кокса в работе доменной печи

Факторы, влияющие на коксозатраты в доменной печи

Доменная печь (ДП) — встречный реактор, где восстановительный газ образуется при газфикации углерода кокса кислородом горячего надува, подаваемого через дьюзы в нижней части печи. Восстановительный газ течет вверх, восстанавляя железносную загрузку, заряжаемую сверху.

Коксозатраты — параметр потребления кокса ДП, измеряемый в кг кокса на тонну горячего чугуна.

Кокс ДП — ключевой материал для доменного процесса, выступающий основным энергоисточником (топливом), восстановителем, карбуризатором и проницаемой структурной опорой. Нет другого удовлетворительного материала, который мог бы полностью или частично заменить кокс ДП как проницаемую опору загрузки.

Кокс ДП — самый важный сырье компонент по влиянию на работу печи и качество чугуна. Качественный кокс обеспечивает плавное снижение загрузки с минимальной деградацией, минимальными примесями, максимальной тепловой энергией, максимальным восстановлением металла и оптимальной проницаемостью для газообразных и жидких продуктов. Введение качественного кокса снижает коксозатраты, повышает производительность и снижает стоимость чугуна. Роль кокса в улучшении работы ДП показана на рис. 1.

Реалистичная оценка вероятной производительности кокса в печи с впрыском или без него включает свойства кокса, отражающие его устойчивость к деградации в химической и термической среде печи. Такие свойства, дающие рекомендации по использованию кокса, касаются кусковости, формы и равномерности размера, химического состава, механической прочности, термической и химической стойкости. Кокс для ДП должен быть удачным компромиссом между структурой и свойствами. Для хорошей работы печи кокс должен быть умеренно крупным, с узким диапазоном размеров, высокой механической прочностью для выдержки ослабляющих реакций с CO₂ и щелочами, абразии и термического шока. Из-за множества неизвестных факторов универсальные индексы качества для всех печей установить невозможно, хотя типичные спецификации качества кокса ДП существуют.

Примеси в коксе ухудшают его работу в печи, снижая роль как топлива (количество углерода для прямого и косвенного восстановления) и как проницаемой опоры. Примеси: влага, летучие вещества, зола, сера, фосфор, щелочи. Их уровень должен быть минимальным.

Влажность — прямое следствие охлаждения кокса с некоторой зависимостью от размера. Высокая и переменная влажность влияет на коксозатраты и балансы в печи, высокие летучие вещества создают проблемы в очистке доменного газа.

Сера и зола (содержание и химизм) особенно важны: при их росте производительность кокса в печи падает. Зола кокса — непроизводительная часть, влияющая на объем и состав шлака.

Физические свойства кокса связаны с необходимостью удерживать феррую загрузку и давать проницаемую матрицу для течения восстановительных газов и перекачивания жидких продуктов в нижней зоне печи. Эти свойства — размер (средний и распределение) и устойчивость к разрушению и абразии. Размер кокса контролируется просеиванием. Крупный средний размер с узким распределением обеспечивает адекватную проницаемость.

Хотя индексы механической прочности кокса дают операторам полезную оценку, они составляют только часть картины. Испытания проводятся при комнатной температуре и не учитывают процессные условия кокса в печи. Поэтому тесты CSR (прочность кокса после реакции) и CRI (индекс реакционной способности кокса) дают лучшие индексы прочности.

Кокс деградирует при спуске через ДП. Деградация вызвана механической нагрузкой, атрицией, термическим стрессом, реакциями газфикации, неорганическими соединениями в доменных газах и графитизацией. Минеральное вещество в коксе играет большую роль в характере и степени путей деградации, прямо и косвенно.

Процесс получения чугуна в ДП — мультивариантная система со множеством взаимовлияющих переменных, влияющих на потребление кокса. Необходимо изолировать взаимное влияние переменных, чтобы понять роль каждой на коксозатратах.

Эффективная доменная печь работает при низких коксозатратах. Эффективная работа требует увеличения газового прохода, что означает улучшение проницаемости печи, и снижения удельной потребности в газе, то есть удельного потребления кокса. Многие факторы влияют на коксозатраты. Основные описаны ниже.

Топливо/восстановитель

В ДП используются два типа топлива/восстановителей: кокс ДП, заряжаемый сверху, и пюрированный уголь/природный газ/КПГ/мазут/угольная смола, впрыскиваемые на уровне дьюз.

1. При производстве чугуна коксозатраты влияются множеством способов. Высокая зольность кокса означает зарядку печи большим количеством шлакообразующего материала, который нужно флюсировать для образования шлака. Это увеличивает объем шлака. По эмпирическому правилу снижение зольности кокса на 1% уменьшает коксозатраты на 1–1,5%. Другие свойства кокса, влияющие на коксозатраты: CSR, CRI, индексы микум (M40 или I40 и M10 или I10). Они влияют на проницаемость в колоснике и механическую прочность кокса на уровне дьюз. M40 — дробливость, M10 — износостойкость. Высокие CSR и M40 и низкие CRI и M10 улучшают коксозатраты. Сера в коксе также влияет: снижение серы на 0,1% повышает производительность печи на ~1,0%.
2. Топливо (пюрированный уголь/природный газ/КПГ/мазут/угольная смола), впрыскиваемое на уровне дьюз, обычно сопровождается обогащением горячего надува кислородом. Впрыск кислорода снижает удельный расход газа, снижает температуру верхового газа и повышает адиабатическую пламенную температуру в дьюзах (RAFT). Эти эффекты компенсируются впрыском замещающего топлива. Совместный впрыск кислорода и топлива на уровне дьюз снижает коксозатраты. 1 т пюрированного угля замещает ~0,9–1,0 т кокса ДП. Аналогичное снижение коксозатрат дает впрыск других видов топлива. Кислород один не снижает коксозатраты, но повышает производительность печи.

Сырье

В ДП заряжают два основных типа сырья.

1. Железносные материалы: агломерат, пеллеты, калиброванная руда (КЛР). Высокое содержание железа (Fe) означает меньше гангуза, требующего флюсирования для шлака. Высокое Fe снижает объем шлака и коксозатраты. По эмпирическому правилу увеличение Fe на 1% снижает коксозатраты на 0,8–1,2%.
2. Флюсы (известняк, доломит, кварцит и др.). Известняк и доломит при зарядке в печь кальцинируются внутри. Реакция кальцинирования требует тепла, увеличивая коксопотребление. Если флюсы заряжают через агломерат или пеллеты, кальцинирование происходит вне печи, и рабочий объем печи эффективнее используется железосным материалом. Это снижает коксозатраты. Общее правило: сокращение флюсов в загрузке на 100 кг улучшает коксозатраты на 20–35 кг/т чугуна.
3. Для низких коксозатрат загрузочные материалы должны обеспечивать высокую проницаемость и однородность по всем температурным и реакционным зонам печи. Материалы должны иметь высокую восстановимость для сокращения времени удержания. Низкое содержание примесных элементов (цинк, свинец, щелочи) для избежания нарушений процесса.
4. Качество агломерата также влияет на коксозатраты. Агломерат должен иметь оптимальное зерновое распределение, высокую прочность, высокую восстановимость, высокую пористость, температуру размокания выше 1250 °C, постоянное содержание FeO 7–8% и постоянную основность.

Контроль распределения загрузки

Управление распределением загрузки играет важную роль в снижении коксозатрат. Оно обеспечивает стабильное снижение загрузки, регулирует газовое течение в стенке (избегая высоких тепловых нагрузок без создания неактивных зон) и способствует хорошему контакту твердого и газа.

Содержимое кремния в чугуне

Снижение кремния в чугуне положительно влияет на коксозатраты. Снижение достигается за счет улучшения соотношения руда-кокс и смещения зоны сцепления вниз. Это создает меньший объем для перехода кремния в чугун. Снижение Si на 1% улучшает коксозатраты на 5–15%.

Свойства шлака

Свойства шлака существенно влияют на коксозатраты. Низкий удельный объем шлака с низкой вязкостью улучшает коксозатраты.

Сливная практика

Сливная практика важна для снижения коксозатрат. Хорошая практика: правильная длина сливного отверстия, своевременное открытие, контроль скорости слива, правильное дренирование дна, закрытие слива после сухой печи. Качество сливной массы критично.

Автоматический процессный контроль

Автоматический контроль повышает производительность печи: минимизирует расход восстановителя, предотвращает нарушения процесса (подвесы, пробойки, нагар, газирование) через немедленную контрреакцию системы, стабилизирует параметры чугуна и шлака. Влияние на коксозатраты — 3–5%.

Температура надува

Коксозатраты снижаются примерно на 2% при повышении температуры надува на 100 °C.

Верхнее давление

Высокое верховое давление также снижает коксозатраты. При повышении давления на 0,1 кгс/см² коксозатраты снижаются на ~0,1%.

Мелкая фракция в загрузке

Уменьшение мелкой фракции в загрузочных материалах улучшает коксозатраты в диапазоне 0,4–0,7%.