3.1.4 Вдувание углеродсодержащих веществ в доменную печь

Целесообразность вдувания в доменную печь углеродсодержащих веществ, в частности углеводородов, признавали еще в прошлом веке. В 1838 г. Барнетт предложил вдувать в доменные печи газы, содержащие углеводороды и смолы. Затем предлагали вдувать нефть и ее продукты, угольную пыль, каменноугольный пек, коксовый, попутный и природный (сырой и конвертированный) газы. Однако промышленное освоение плавки с использованием дополнительного топлива, вводимого через фурмы, началось в 40-х годах нашего столетия в Советском Союзе. Опыты с вдуванием в горн угольной пыли в конце 40-х годов были проведены на металлургическом комбинате им. Дзержинского. С этого времени начался новый вид доменного процесса — на комбинированном дутье. Под комбинированным дутьем, понятие которого ввел А. Н. Рамм, понимают дутье, состоящее из ряда газообразных, смеси газообразных и жидких или газообразных и твердых компонентов. В общем случае к комбинированному дутью можно отнести увлажненное дутье, а также дутье, обогащенное кислородом. Однако обычно под комбинированным дутьем понимают использование атмосферного воздуха (или технического кислорода) в смеси с углеродсодержащими веществами.

Вдувание в горн природного газа

Вдувание в горн природного газа явилось крупным технологическим мероприятием, которое принесло значительную пользу народному хозяйству СССР и позволило значительно интенсифицировать плавку. От вдувания природного газа только в период 1959—1966 гг. народное хозяйство СССР получило экономию 392 млн. руб. Производительность доменных печей выросла на 4—7 %, расход кокса снизился на 7—14 %. На ряде металлургических предприятий достигли расхода природного газа 140 м³/т чугуна и выше. Расход природного газа во многих случаях зависит от достигнутого до этого расхода кокса, так как расход природного газа обусловлен его долей в дутье, а расход последнего зависит от расхода кокса. В результате этого чем выше начальный расход кокса, тем больше расход природного газа на 1 т чугуна.

Вдувание природного газа существенно меняет характеристики отдельных явлений доменной плавки и прежде всего тепловые и газодинамические условия работы печи.

Вдувание коксового газа

В 1962—1963 гг. на Кузнецком металлургическом комбинате проведены опыты использования в доменной плавке коксового газа следующего состава, %: 2,3 СО,; 7,1 СО; 59,1 Н₂; 3,8 О₂; 2,4 С_Г1Н_П; 24,6 СН₄.

При использовании 92,8 м³ коксового газа на 1 т чугуна экономия кокса составила 9,1 %, а производительность печи выросла на 4,2 %. Коксовый газ по сравнению с природным вносит меньше тепла в печь и содержит меньше углерода, поэтому коэффициент замены кокса коксовым газом по сравнению с природным газом должен быть ниже. В настоящее время на ряде заводов СССР ведутся опыты по вдуванию коксового газа совместно с другими добавками.

Вдувание мазута

Мазут оказывает аналогичное природному газу воздействие на доменную плавку. Отличие заключается в том, что мазут при горении у фурм вносит в печь больше тепла (из-за меньшей теплоты разложения и большего количества углерода).

Основной эффект воздействия мазута связан с прямой заменой углерода кокса углеродом мазута. Поскольку в печь вносится водорода значительно меньше, чем с природным и коксовым газами, влияние улучшения восстановительных условий, в частности снижение степени прямого восстановления, проявляется в меньшей степени,I По сравнению с природным газом и коксом мазут вносит в печь больше серы. Однако промышленный опыт показал, что на содержание серы в чугуне это не влияет.

Определенную проблему составляют транспортировка мазута в печи и его равномерная подача в зону горения. Высокая вязкость холодного мазута вызывает необходимость некоторого его подогрева.

Ограничения количества вдуваемого в печь мазута те же, что и в случае использования природного газа, а именно ухудшение газодинамики плавки и снижение температуры в горне печи. Вдуванию большого количества мазута в горн препятствует также то обстоятельство, что в фурменной зоне горит только часть мазута; выделяющийся сажистый углерод нарушает ход плавки.

Вдувание измельченного угля

Большим преимуществом пылевидного угля по сравнению с другими видами топлива является его низкая стоимость. При вдувании измельченного твердого топлива затраты тепла на процессы термического его разложения небольшие, что обеспечивает сравнительно высокий (особенно по отношению к природному и коксовому газам) приход тепла в горн доменной печи. По данным Л. Богданди и Р. Гергена, теплота сгорания у фурм отдельных углей (содержащих 3 % влаги и 7 % золы) составляет, кДж/кг: антрацит 7530; тощий уголь 6800; газовый уголь 6100; пламенный уголь 5300.

Основным эффектом воздействия измельченного угля на процесс является непосредственная замена углерода кокса углеродом угля. Поэтому коэффициент замены кокса углем во многом зависит от свойств угля, в частности от содержания в нем углерода, золы, серы и влаги. Чем выше содержание углерода в угле, тем большее значение имеет прямая замена им углерода кокса, тем выше приход тепла в горн печи и выше коэффициент замены кокса углем. В отличие от газообразных и жидких восстановителей уголь практически не содержит водорода (кроме содержащегося в летучих и водяном паре), поэтому вдувание угля в горн оказывает слабое влияние на ход восстановительных процессов. Зола угля несколько увеличивает выход шлака в печи, что снижает экономию кокса при вводе угля в печь. Сера, вносимая углем, может частично переходить в чугун, что требует ограничения используемых углей по их сернистости. При вдувании угля газодинамические условия плавки практически не меняются. В связи с этим лимитирующим фактором количества используемого твердого топлива является нагрев горна. Уменьшение прихода тепла в горн из-за меньшей по сравнению с коксом теплоты сгорания угля и наличия водяных паров, претерпевающих в горне диссоциацию, приводит к снижению температуры горна. Поэтому в доменной плавке следует использовать высушенные угли.

Совместное использование углеводородов и обогащенного кислородом дутья

Оценивая преимущества и недостатки использования обогащенного кислородом дутья и углеводородов, нетрудно убедиться в своеобразном их сочетании. Итак, углеводороды и кислород воздействуют на различные показатели плавки (производительность и расход кокса), взаимно компенсируя отрицательные последствия использования, комбинированного дутья (нарушение газодинамических условий плавки, сдвиг изотерм в печи, изменение температуры горна и т. д.). Практика и расчеты показали, что можно подобрать такое соотношение добавок к дутью, при котором количество газа в печи (на единицу углерода, сгорающего у фурм), а следовательно, и газодинамические условия плавки меняться не будут. При этом существенно не должен меняться и тепловой режим горна.