Мини-доменные печи: эффективное производство железа для малых предприятий

Мини-доменная печь и получение железа

Мини-доменные печи (МДП) обычно рассматривают как миниатюрные версии обычных больших доменных печей (ДП). Эти печи идеально подходят для небольших производств. Фактически, они являются предшественниками современных больших доменных печей и поэтому эксплуатируются дольше. МДП расположены во многих странах, но большинство МДП находятся в Китае, Индии, Бразилии и Индонезии. Заводская готовность и достигнутое совершенство в этой технологии сделали МДП принятым путем получения железа. Кроме того, в наши дни большинство технологий проектирования, загрузки и эксплуатации, ставших нормой для современных больших печей, также внедрены в МДП.

МДП – вертикальная шахтная печь с тигельподобным домном. Зарядные материалы, состоящие из железной руды, кокса или угля в качестве восстановителя и топлива, и флюсов, обычно известняка или доломита, загружаются в верху печи. Печь работает по принципу встречного реактора. По мере спускания заряда по шахте он предварительно нагревается и предварительно восстанавливается горячими газами, поднимающимися от дна печи. Газы генерируются путем подачи горячего воздуха, обогащенного кислородом, через дующие. Горячий напор сжигает восстановитель, образуя восстанавливающие газы и тепло, необходимое для процесса восстановления в печи. Восстановленный зарядный материал плавится, образуя ГЖ (горячее железо), которое насыщается углеродом и спускается в домну. Флюсы объединяются с примесями в зарядных материалах, образуя расплавленный шлак, который накапливается поверх горячего железа в домне. Горячее железо и жидкий шлак периодически выпускаются из печи.

Важные особенности МДП

МДП демонстрирует гибкость и конкурентоспособность и подходит для производства как базового, так и литейного горячего железа (ГЖ). Важные характеристики МДП включают как простоту, так и экономичность. Другие особенности МДП:

• Проверенная технология и оборудование.
• Более простая конструкция и оборудование, чем у обычных больших ДП.
• Гибкость в загрузке рудой: рудная загрузка может варьироваться от 100% рудных кусков до любой смеси рудных кусков и агломератов (агломерат или пеллеты) в зарядной композиции.
• Можно использовать диапазон восстановителей, включая низкокачественный кокс и древесный уголь.
• Качество произведенного ГЖ аналогично качеству обычных больших ДП.
• Эксплуатация и обслуживание похожи, но более гибкие, чем у больших ДП.
• Низкие капитальные затраты и более низкие затраты на обслуживание оборудования.
• Экономичный и надежный источник ГЖ для литейных цехов и мини-сталелитейных заводов, где он используется в прямой интеграции со сталелитейными цехами, состоящими из индукционной печи / дуговой печи / печи энергооптимизации и иногда даже с малыми конвертерами.

Как следует из названия, размер МДП мал: внутренние объемы варьируют от 35 до 600 м³. МДП – обычно низкошахтные печи с эффективной высотой от менее 12 м до около 20 м. МДП обычно достигают производительности в диапазоне 2–3 т/м³/сутки и выше.

Важные особенности конструкции МДП

МДП – шахтная печь с вертикальной шахтой, наваренной над тигельподобным домном. Комплекс МДП состоит из самой печи, горячих напорных печей, верха МДП и загрузочной системы, нескольких обслуживающих платформ, складской системы с несколькими бункерами для зарядных материалов, дующей платформы и литейного цеха, системы гранулирования шлака, газовой системы, системы очистки доменного газа, системы снабжения сырьем и топливом, систем электроснабжения и других коммуникаций, а также воздуходувной станции и системы водооборота ДП и т.д. Планировка МДП обычно очень компактна: большинство объектов, обеспечивающих производство ГЖ, установлены очень близко к самой печи. Типичная технологическая схема МДП с сухой газоочисткой показана на рис. 1.

Печь как реактор-обработчик участвует в системе производства железа следующим образом:

• Принимает подготовленные зарядные материалы со складов через загрузочную систему.
• Принимает горячий напор, выработанный воздуходувкой на дувной станции и нагретой в горячих напорных печах. Горячий напор обычно обогащен кислородом.
• Производит и отдает ГЖ и жидкий шлак.
• Отдает сырой доменный газ в систему газоочистки.
• Принимает охлаждающую воду и сжатый воздух через систему охлаждения и коммунальные сети.
• Снабжается электроэнергией электросистемой.
• Управляется посредством системы команд и контроля.

МДП обычно имеет самоопорную рамочную конструкцию с четырьмя колоннами, поддерживающими 6 платформ иkip-мост (в случае ковшовой загрузки), стоящими непосредственно на бетонном фундаменте. Оболочка печи обычно строится из структурной стали разной толщины.

Типичные профили двух китайских МДП приведены в табл. 1.

Табл. 1. Типичные профили китайских мини-доменных печей
№	Параметр	Ед. изм.	Значение
1	Эффективный объем	м³	50	320
2	Диаметр домны	м	2,25	4,9
3	Диаметр пуза	м	3,05	5,7
4	Диаметр горла	м	2	3,7
5	Высота мертвого слоя	м	0,35	0,6
6	Высота домны	м	1,8	2,7
7	Высота сосна	м	2,3	2,9
8	Высота пуза	м	1	1
9	Высота шахты	м	5,3	9,2
10	Высота горла	м	1,27	1,6
11	Эффективная высота	м	12,02	17,4
12	Угол шахты	Град	84,27	83,79
13	Угол сосны	Град	81,57	82,15
14	Отношение высота/диаметр		3,58	3,05
15	Число дующих	шт.	6	12

В современных МДП для дна ДП и домны обычно используют полуграфитовые углеродные блоки и литьевые углеродные блоки соответственно. Углеродные блоки с хорошей теплопроводностью и эрозионной стойкостью эффективно защищают дно и домну ДП. Керамическая чашевая структура обычно используется для внутренней стенки домны с аллюминиевой облицовкой. Корундовые и корундо-алюминиевые кирпичи используются в области выпускного отверстия и шлаковом отверстии соответственно. Зону сосны, пуза и частично шахты обычно облицовывают аллюминиевыми кирпичами. Высокоплотные шихтовые кирпичи используют в верхней части шахты для облицовки. Внутренняя поверхность оболочки печи обычно опрыскивают аллюминиевыми бетонами для получения толщины 70 мм. Для внутренней облицовки горла и верхнего покрытия ДП используют сварку анкеров и один слой тепло- и износостойких бетонов. В зависимости от дизайна облицовки ожидаемая кампания МДП варьируется от 5 до более 10 лет.

Повышение температуры горячего напора – одна из главных мер для увеличения объема впрыска плюсневизированного угля в МДП и снижения коксового расхода. Проектирование системы горячего напора обычно делают так, чтобы температуру горячего напора можно было поддерживать на уровне 1200 °C, используя доменный газ как топливо. В наши дни МДП оснащают 3 горячими напорными печами с вращательно-тангенциальной конструкцией горения в куполе.

Дующие снабжаются горячим напором от распределительного коллектора через надувные трубы. Дующие устанавливаются вместе с дующими охладителями. Оба изготовлены из меди. Количество установленных дующих в МДП зависит от полезного объема МДП и рассчитывается на оптимальную скорость напора, обычно в диапазоне 210–230 м/с в рабочих условиях.

В наши дни современные МДП имеют одно выпускное отверстие, из которого текут и горячее железо, и шлак. Они разделены скиммерной пластиной, правильно установленной в желобе ГЖ на рабочей платформе. В некоторых МДП есть отдельное шлаковое отверстие для выпуска жидкого шлака. Горячее железо течет в ковш или торпедную тележку, а жидкий шлак транспортируется в систему гранулирования шлака.

Охлаждающие ставы используют в МДП: 3 секции гладкоповерхностных ставов в дне и домне и ставы с вставленным огнеупором в зонах сосны и пуза. Ступенчатые ставы применяют для шахтной зоны для эффективной поддержки кирпичной облицовки нижней шахты и уменьшения открытий оболочки ДП для повыщения герметичности МДП. Ставы из ферритного ковкого чугуна обычно используют для средней и нижней шахты. Бесшовная стальная труба отлита внутри става и реберная плита на горячей поверхности става. Углеродный материал закачивают в желоб. Водяное охлаждение обычно используют для дна МДП. Система дующих охлаждается отдельной системой водяного охлаждения.

Другое вспомогательное оборудование для самой печи: (i) двухступенчатая горловая броня, (ii) «инфракрасная камера горла», установленная у горловой загрузочной линии для обнаружения распределения заряда в горловой зоне, (iii) верхнее водяное опрыскивание и охлаждающее устройство, используемое при чрезмерном повышении верхней температуры.

Обычно МДП оснащают ковшовой загрузочной системой. В некоторых МДП вместо ковшовой загрузки используют конвейерную загрузку. Для верховой загрузки в МДП используют обе системы: (i) двухколпаковую загрузку с распределителем, и (ii) бесколпаковую систему верха. Современные МДП оснащены бесколпаковой системой верха.

В случае бесколпакового верха обычно используют два типа распределения: (i) кольцевое (одиночное кольцо, много-кольцевое) и (ii) точечное фиксированное. При кольцевом распределении материал из загрузочного бункера заряжается в печь распределительным желобом через концентрическое кольцо (одиночное) или много концентрических колец (много-кольцевое). При одно-кольцевом распределении распределительный желоб остается на одном заданном угле наклона во время зарядки. При много-кольцевом распределении угол наклона можно менять многократно во время зарядки. Можно делать одно-круговое или много-круговое распределение в каждой угловой позиции. При точечном фиксированном распределении распределительный желоб позиционируется согласно заданному углу наклона для распределения материала в заданную точку. Секторное распределение также возможно с бесколпаковым загрузочным оборудованием. Обычно для уравнивания используют азотный газ.

Высота заряда внутри печи (уровень загрузки) контролируется двумя штоковыми стержнями. Непрерывное определение уровня заряда выполняется автоматически во время нормального производства через штоковые стержни, которые автоматически опускаются вместе с уровнем заряда. Штоковый стержень поднимается при достижении заданного уровня. Уровень заряда индицируется в пульте управления.

Литейный цех обычно прямоугольной формы со стальной кровлей с уклоном 1:12 и железобетонными колоннами. Вентиляционные окна обычно предусматривают в проекте кровли. Литейный цех оснащен гидроуправляемой грязевой пушкой и гидро-/пневмоуправляемым станком для бурения выпускного отверстия. Литейный цех обычно полностью обеспыливается мешковым фильтром.

Доменный газ, образующийся в МДП, выводится 4 отводами, затем 4 подъемниками, а затем 2 подъемника собираются в 1 спускающий трубопровод, который идет в пылеуловитель. Температура верхового газа ДП обычно в диапазоне 100–300 °C с максимумом 400 °C. Оба подъемника на верху печи оснащены по 1 сбросившему клапану, обычно приводящемся гидроцилиндром. Пылеуловитель работает на гравитационном принципе и удаляет крупную пыль из доменного газа. Газ из пылеуловителя дополнительно очищают либо в мокрой системе газоочистки, состоящей из насытителя и первичных и вторичных скрубберов, либо в сухой системе газоочистки, состоящей из мешковых фильтров низкого давления с использованием азотного газа для обратной продувки пыли.

Эксплуатация МДП похожа на обычные большие ДП. Когда зарядные материалы – рудная загрузка (агломерат/пеллеты и кусковая руда), восстановитель (древесный уголь или доменный кокс) и флюс (известняк и доломит), заряженные в верху доменной печи, спускаются по шахте, они предварительно нагреваются горячими газами, поднимающимися из домны, и горячим напором, вводимым через дующие в нижней части шахты, непосредственно над домной.

Нагретый воздух сжигает большую часть доменного кокса, заряженного сверху, для выработки тепла, необходимого процессу, и обеспечения восстанавливающего газа, удаляющего кислород из рудной загрузки. Восстановленное железо плавится и стекает вниз в домну. Флюс объединяется с примесями в руде, образуя шлак, который также плавится и накапливается поверх горячего железа в домне. Время от времени жидкое железо и жидкий шлак сливаются из печи через выпускное отверстие.

В наши дни МДП оснащают впрыском плюсневизированного угля (ППУ), который осуществляется на уровне дующих. Современные МДП могут иметь скорость ППУ до 150 кг/т ГЖ. Общие эксплуатационные параметры МДП приведены в табл. 2.

Табл. 2. Эксплуатационные параметры МДП
№	Параметр	Ед. изм.	Значение
1	Готовность печи	дней	330–350
2	Агломерат в загрузке	%	около 80
3	Расход руды	кг/т ГЖ	1600–1700
4	Расход топлива	кг/т ГЖ	550–600
5	Расход доменного кокса	кг/т ГЖ	420–450
6	Скорость ППУ	кг/т ГЖ	120–150
7	Температура напора	°C	1100–1200
8	Верхнее давление	кг/см²	0,3–1,0
9	Расход шлака	кг/т ГЖ	300–380
10	Производительность ДП	т/м³/сутки	2–3
11	Обогащение воздуха кислородом	%	около 3

Типичное потребление коммунальных ресурсов МДП приведено в табл. 3.

Табл. 3. Типичное потребление коммунальных ресурсов в МДП
№	Параметр	Ед. изм.	Значение
1	Воздушный напор	Н м³/т ГЖ	около 1800
2	Генерация доменного газа	Н м³/т ГЖ	около 900
3	Пар	кг/т ГЖ	около 50
4	Электричество	кВт·ч/т ГЖ	около 120
5	Азот	Н м³/т ГЖ	около 2
6	Сжатый воздух	Н м³/т ГЖ	около 0,3

Система автоматизации МДП обычно обладает характеристиками: сильная функциональность, высокий стандарт производительности, высокая надежность, легкая расширяемость, полная коммуникационная способность, легкая реализация и распределенная структура, легкая эксплуатация. Обычно имеет высокий уровень противоэлектромагнитной помехоустойчивости и противоударной стойкости, а также модульную обработку и мгновенную отражательную способность.

Управление и надзор за эксплуатацией всей МДП обычно осуществляются из пульта управления МДП, который обычно находится рядом с рабочей платформой МДП. Система управления обычно состоит из диспетчерских станций, основного ПЛК, аварийных сигналов, блокировок и защит. Одна удаленная станция также обычно устанавливается в пульте управления сырьем. Система соединена через сеть. Диспетчерская система обычно используется для управления технологическими параметрами, трендовым записью и регистрацией аварий. Установлено ряд полевых приборов для измерения и контроля всех технологических параметров. Некоторые важные измерения включают: (i) измерения давления, (ii) измерения температуры, (iii) измерения расхода, (iv) измерения пылевого уровня доменного газа, (v) измерения уровня заряда, угла желоба и степени открытия дроссельного клапана, (vi) весовые измерения зарядных материалов и многое другое. Кабина управления для работы оборудования литейного цеха находится в самом литейном цехе в безопасном месте, откуда оператор может видеть оборудование.

Система водяного охлаждения МДП обычно требует промышленной воды на постоянной основе в зонах, включающих: (i) охлаждение оболочки доменной печи, (ii) охлаждение дующих и дующих охладителей, (iii) систему газоочистки в случае мокрой газоочистки, (iv) гранулирование шлака, (v) охлаждение гидросистемы верха ДП, (vi) охлаждение гидросистемы грязевой пушки/бурстанка. Вся вода рециркулируется. Надстройный водяной бак обычно предусматривают для обеспечения аварийных нужд при отключении электроэнергии. Основные параметры всех водяных систем контролируются через диспетчерскую систему из пульта управления.