Минаев А.А., Ярошевский С.Л. и др. Снижение расхода и дефицитности потребляемых энергоресурсов на производство чугуна - файл n1.doc

приобрести
Минаев А.А., Ярошевский С.Л. и др. Снижение расхода и дефицитности потребляемых энергоресурсов на производство чугуна
скачать (185.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc186kb.26.08.2012 21:44скачать

n1.doc





УДК 669.162 Минаев А.А1., Ярошевский С.Л2.,

Афанасьева З.К3., Голухин Н.В4., Мишин И.В5.
СНИЖЕНИЕ РАСХОДА И ДЕФИЦИТНОСТИ

ПОТРЕБЛЯЕМЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ НА ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА – ОСНОВНОЙ РЕЗЕРВ КАЧЕСТВЕННОГО ПОВЫШЕНИЯ

РЕНТАБЕЛЬНОСТИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ УКРАИНЫ
Одной из определяющих причин высокой стоимости черных металлов – 540-550 $/1 т – является соответственный расход топлива, составляющий от 900 до 1500 кг у.т. на 1 т готовой продукции. До 80-85 указанных энергоресурсов расходуется при производстве чугуна, причем, преимущественно, в виде весьма дорогих и дефицитных кокса и ПГ, стоимость которых составляет 40-45 % себестоимости чугуна.

В Украине средний расход кокса на выплавку 1 т чугуна составляет 450-550 кг, плюс 70-100 м3/т чугуна ПГ, что составляет 550-650 кг у.т. Указанные цифры – на 100-200 кг/т превышают средний уровень подобных затрат в доменных цехах в странах Европы. Принимая во внимание минимальный расход кокса, достигнутый в производственных условиях в странах Европы и Азии, – 240-300 кг/т, реальные перспективы в ближайшие годы снижения этого показателя до 200 и менее кг/т чугуна, очевидно, что снижение расхода и дефицитности энергоресурсов на 1 т чугуна – является определяющим резервом снижения себестоимости, повышения рентабельности и конкурентоспособности Украинской металлургии.

Известно, что на протяжении десятков последних лет качество железорудного сырья, дутье, собственно доменные печи, улучшались и совершенствовались, что способствовало повышению их стоимости, и, тем не менее, полностью оправдывалось за счёт соответственного снижения расхода кокса и прироста производительности доменных печей. Последние 20-25 лет, на основе бурного и весьма эффективного развития доменной технологии, прежде всего, на основе применения дополнительных видов топлива и, в первую очередь – пылеугольного (ПУТ), расход кокса на 1 т чугуна снижен практически вдвое – до 240 кг/т чугуна. Более того, массовый промышленный опыт, новейшие теоретические разработки подтверждают принципиальную возможность снижения расхода кокса на 1 т чугуна до 100-200 кг, что естественно открывает перспективу дальнейшего качественного повышения рентабельности традиционной схемы производства черных металлов.

Рассмотрим основные мероприятия, определяющие данную перспективу.


  1. Замена кокса ПУТ

Идея замены части кокса ПУТ защищена патентом еще в 1831 г. Однако массовое промышленное внедрение ПУТ – технологии началось, по существу, в 70-80 гг. XX века – после теоретического исследования вопроса и разработки специализированного оборудования, обеспечивающего вдувание ПУТ в доменные печи в полном соответствии с требованиями технологии, взрывопожаробезопасности, экологии и др. Итогом данной работы стало введенние в 70х-80х годах в эксплуатацию первых промышленных установок фирмы «Armco Steel» (г. Эшленд, США) и Донецкого металлургического завода» (Украина) [1] .

Соответствующим образом в 70-80 гг. изменилась и мировая конъюнктура: дефицит ПГ, качественно меньшая его эффективность при замене кокса, по сравнению с ПУТ, дальнейшее повышение стоимости кокса, в основном, из-за дефицита коксующихся углей.

В результате бурного развития ПУТ – технологии после 1980 года в мире с применением ПУТ в 21 веке выплавляется около 350 млн. т чугуна в 30 странах мира, в более чем 130 крупнейших и современных доменных печах; за прошедшие 30 лет замена кокса ПУТ выросла от 10-15 до 40-45 %; определилась перспектива дальнейшего повышения эффективности ПУТ – технологии. Это следует, прежде всего, из опыта эксплуатации доменных печей и теории полной и комплексной компенсации нарушения технологии определяемых горением ПУТ в фурменных зонах и снижением доли кокса в шихте [ 2-4].

Для характеристики теплового режима горна доменной печи приняли полученное из уравнения баланса тепла для нижней зоны теплообмена уравнение необходимой теоретической температуры горения, рассчитываемой из условия сохранения базовой температуры продуктов плавки (индекс «0» для исходных, индекс «1»- для новых технологических условий) [1,5]:



где t0 и t1 – необходимая теоретическая температура горения, 0С;

rdo и rd1 – степень прямого восстановления, в долях единицы;

V0 и V1 – выход горновых газов, м3/т кокса;

К0 и К1 – расход кокса, кг/т чугуна;

tн – температура в зоне замедленного теплообмена, 0С.

Для характеристики газодинамического режима использовали уравнение А.Н. Рамма [6];

, (2)

где Р1 и Р 0производительность доменной печи;

Vr0 и Vr1 – выход горновых газов, м3/т кокса;

? 0 и ?1 – плотность горновых газов, кг/м3;

d0 и d1 – относительная газопроницаемость шихты, %.
Аналогичные расчеты выполнены также для времени сгорания ПУТ в фурменных зонах, скорости восстановления оксида Fe косвенным путем [2,5].

Для оценки эффективности применяемого ПУТ и компенсирующих мероприятий предложено понятие суммарного коэффициента замены кокса дополнительным топливом ( к3):

 к3 = [3] ,

где ? Qк ПУТ и ?Qк комп. м. – снижение расхода кокса в результате повышения расхода ПУТ и внедрения компенсирующих мероприятий, кг/т;

? QПУТ – соответствующий прирост расхода ПУТ, кг/т.

Из уравнений 1,2 следует, что при вдувании ПУТ необходимая теоретическая температура горения и производительность печи могут изменяться в значительных пределах; при этом факторами, определяющими данные изменения, являются изменение расхода кокса, степени прямого восстановления оксида железа, выхода горновых газов, газопроницаемости шихты и другие технологические факторы [1-3,5].

Приведенные исследования, анализ отечественного и зарубежного опыта показывают, что при достижении величины К3  1 создаются условия для восстановления базовых технологических условий плавки, обеспечивающих сохранение эффективности использования ПУТ и возможность повышения его оптимального расхода: – данные условия определили как режим полной и комплексной компенсации.

Однако, как массовый промышленный опыт, так и теория полной и комплексной компенсации показывают, что при уровне замены кокса ПУТ > 30-40 % дальнейшее совершенствование технологии, повышение коэффициента замены кокса ПУТ, сталкиваются с весьма существенными проблемами, существенно снижающими эффективность технологии.

Изложенный анализ предопределяет качественное изменение стратегии дальнейшего развития технологии доменной плавки и применения ПУТ, прежде всего, в направлении использования для ее реализации отечественных неспекающихся углей и повышения уровня коэффициента замены кокса дополнительными топливами до 60-80 %.
2. Перспективы и возможность качественного повышения эффективности доменной плавки с применением дополнительных видов топлива.

Сегодня стало очевидно, что вдувание ПУТ в доменные печи не самый перспективный и эффективный вариант использования в доменной печи дешевых и неспекающихся углей.

Логично предположить, что технология выплавки чугуна и черная металлургия подошли к тому пределу, когда количество должно перейти в качество.

На наш взгляд, первым пунктом данного перехода должно стать замена ПУТ горячими восстановительными газами (ГВГ), приготовленными из рядовых, дешевых и отечественных углей.

Необходимо отдать должное профессору ИЧМ И.Г. Товаровскому, многие годы отстаивающему данную идею, к сожалению, не нашедшую пока убедительного технического решения [7, 8].

Однако, данное техническое решение уже есть: около 10 лет в Южной Корее успешно работает комплекс агрегатов «Корекс» + «Мидрекс»: агрегат «Корекс», производящий чугун с использованием в качестве энергоносителя любых углей, производит одновременно и ГВГ в количестве, достаточном для эффективной и производительной работы обоих агрегатов, т.е. агрегат «Корекс» является промышленным и высокопроизводительным газификатором угля [9].

Логично предложить технологический комплекс из двух других агрегатов: «Корекс» + доменная печь. Ориентировочные расчеты показывают, что при соотношении производительности данных агрегатов 1:5 доменный цех может быть обеспечен ГВГ в количестве 200-300 м3/т чугуна, приготовленным из рядовых, неспекающихся и, главное, донецких углей, которыми в равной мере можно заменять как ПУТ и ПГ, так и кокс.

Несомненными преимуществами такого комплекса является снижение прихода в горн золы и серы, поступление дополнительного физического тепла, что эквивалентно повышению температуры дутья.

И все же главное преимущество в том, что, отказываясь от дефицитных импортных углей и других энергоносителей, мы получаем возможность значительно – до 60-80 % и более – увеличивать долю замены кокса недефицитным и более дешевым топливом – ГВГ!

Капитальные затраты на реализацию способа применения ГВГ также минимальны за счёт:

Перспектива описанной технологии весьма благоприятны, однако, пока под ней нет фундамента – кокса соответственного качества.

Главная и определяющая роль кокса в доменной плавке – обеспечение газопроницаемости столба шихты по высоте печи – от лещади до уровня засыпи на колошнике. За время развития доменной технологии расход топлива на 1 т чугуна снизился от 3500 до 500 кг; при этом почти так же – от 80-100 до 15-25 % – снизилась реакционная способность топлив – соответственно древесного угля и современного кокса [8-9].

Соответственно повысилась прочность кокса, улучшился его фракционный состав. вследствие чего, снизились до 1/5-1/10 части непроизводительные затраты углерода кокса.

Естественно, значительное снижение реакционной способности кокса ограничит развитие непроизводительных процессов и разрушение кокса в шахте печи, что обеспечит поступление в горн кокса с более высокими физико-химическими свойствами, бульшим содержанием углерода, что позволит обеспечить повышение газопроницаемости и дренажную способность горна, соответственно повысить уровень рудных нагрузок на кокс, снизить уровень его расхода на 1т чугуна.

Подобные соображения неоднократно высказывались в технической литературе. В 50-60-х годах прошлого века профессор ДПИ Сорокин В.А. отстаивал возможность осуществления бескоксовой доменной технологии: роль основного энергоносителя в ней выполнял ПГ, а коксовой насадки – шары из высокоогнеупорного материала.

Очевидно, что в современных условиях роль таких шаров целесообразно выполнять коксу, задачи которого должны быть сведены к выполнению функций насадки, исключив, по возможности, выполнение всех остальных непроизводительных процессов и реакций.

Опыт показывает, что высокоэффективную технологию с расходом ПУТ 200-260 кг/т чугуна и более удается внедрить лишь на предприятиях, имеющих кокс с показателями CRI 17-25 % и CSR 65-74 %, что подтверждено соответствующими требованиями к качеству кокса [4]. Аналогичный вывод сделан и в работе [10]: из рис 1 следует, что расход ПУТ более 220 кг/т чугуна может быть освоен при условии соответственного повышения показателя CRS до 70 %.

Расчёты показывают, что для повышения до 60-80 % – коэффициента замены кокса дополнительным топливом необходимо соответственное повышение свойств металлургического кокса: CSR до 80-90 % и CRI – до 0-10 %.

Анализ изменения качества кокса в последние 30-50 лет за рубежом, мнение специалистов-коксохимиков дают основания считать, что это технически разрешимая задача, связанная, однако, со значительным увеличением качества угольной шихты, периода коксования, дальнейшим совершенствованием режима подготовки кокса к плавке.



Рисунок 1 – Зависимость CSR кокса от удельного расхода ПУТ
Таким образом, решение двух принципиальных задач – производство ГВГ из рядовых отечественных углей в агрегате «Корекс» или ему подобном, и повышение качества кокса по показателям CSR и CRI – открывают перспективу для повышения доли замены кокса дополнительным топливом до 60-80 %, соответственного снижения расхода кокса до 200 кг/т чугуна и ниже, полной замены при выплавке чугуна природного газа.

Производительность доменных печей при этом, однако, не может быть существенно повышена, что целиком зависит от зоны, определяющей производительность печи – зоны пластического состояния шихтоматериалов, или зоны когезии.

Эффективность технологии при этом может существенно повыситься, прежде всего, за счет сокращения расхода кокса и других дефицитных и дорогих энергоносителей, что, наравне с увеличением расхода дополнительного топлива, определяется следующими возможными благоприятными изменениями технологии:


3. Эффективность энергосбережения при выплавке чугуна

Выше изложены принципиальные положения технологии доменной плавки с заменой его 60-80 % кокса восстановительным газом, полученным из недефицитных донецких углей, реализация которой позволит снизить расход скипового кокса до 100-200 кг/т чугуна.

Принимаем в расчете:

Качественный расчет показывает, что реализация технологии доменной плавки с заменой 60-80 % кокса ГВГ, приготовленными из неспекающихся донецких углей может обеспечить снижение себестоимости 1 т конверторной стали на 40-80 $, что при годовом производстве стали в Украине 35 млн. т составит экономический эффект в размере 1,4-2,8 млрд. $ (США).
ВЫВОДЫ
1. Резервы реализованной в 30 странах мира технологии доменной плавки с вдуванием на 1 т чугуна 200-250 кг ПУТ, обеспечивающая замену 30-45 % кокса и снижение его расхода на 1 т чугуна до 240-300 кг в значительной мере исчерпаны. Дальнейшее развитие данной технологии затруднительно и малоэффективно из-за проблем, связанных с дефицитом и дороговизной углей для производства ПУТ, сгоранием ПУТ в печи, необходимостью значительного дальнейшего повышения качества и стоимости шихтовых материалов и дутья.

2. Изложен принцип доменной плавки с заменой ПГ, ПУТ и кокса горячими восстановительными газами, производимыми из рядовых углей в агрегатах внедоменного производства чугуна: Корекс, Ромелт и др. Реализация данной технологии, очевидно, требует дальнейшего качественного повышения качества скипового кокса, в первую очередь, по показателям горячей прочности (CSR) и реакционной способности (CRI) соответственно до 80-90 и 0-10 %.

3. Расчеты показывают, что реализация технологии доменной плавки с заменой 60-80 % кокса ГВГ, может обеспечить снижение себестоимости стальной заготовки на 10-20 %, что при годовом производстве в Украине стали 35 млн. т обеспечит получение экономического эффекта в размере 1,4-2,8 млрд. $.
Список использованных источников


  1. Ярошевский С.Л. Выплавка чугуна с применением пылеугольного топлива. - М.: Металлургия, 1988. - 176 с.

  2. Ярошевский С.Л., Кузнецов А.М., Афанасьева З.К. Резервы эффективности комбинированного дутья в доменных цехах Украины.- Донецк: Норд компьютер, 2006.- 31 с.

  3. Ярошевский С.Л. Перспективы и эффективность доменной технологии определяются степенью замены кокса пылеугольным топливом/ Доклад на конференции «Пылеугольное топливо – альтернатива природному газу при выплавке чугуна», г. Донецк, 18-21 декабря 2006 г.- Донецк, 2007.- 21 с.

  4. Савчук Н.А., Курунов И.Ф. Доменное производство на рубеже ХХI века //Новости черной металлургии за рубежом. - 2000. - Часть ІІ. - Приложение 5. - М.: ОАО «Черметинформация». - 42 с.

  5. Ноздрачев В.А., Ярошевский С.Л., Терещенко В.П. Перспективные технологии доменной плавки с применением кислорода и пылеугольного топлива. – Донецк: Новый мир, 1996. – 173 с.

  6. Рамм А.Н. Современный доменный процесс.- М.: Металлургия, 1980.- 304 с.

  7. Товаровский И.Г. Доменная плавка. Эволюция, ход процессов, проблемы и перспективы.- Дніпропетровськ: Пороги, 2003.- 598 с.

  8. Познание процессов доменной плавки. Монография, под редакцией член-корреспондента НАН Украины Большакова В.И. и д.т.н., проф. Товаровского И.Г. - Дніпропетровськ: Пороги, 2006.- 439 с.

  9. Курунов И.Ф., Савчук Н.А. Состояние и перспективы бездоменной металлургии чугуна.- М.: Черметинформация, 2002.- 198 с.

  10. Золотухин Ю.А., Андрейчиков Н.С., Куколев Я.Б. Требования к качеству кокса для доменных печей, работающих с различным удельным расходом пылеугольного топлива// Кокс и химия.- 2009.- № 3.- С. 25-31.

  11. Вегман Е.Ф. Доменное производство. – М.: Металлургия, 1989. – 495с.



1 ДонНТУ, д.т.н., проф.

2 ДонНТУ, д.т.н., проф.

3 ДонНТУ, ассистент

4 ДонНТУ, аспирант

5 ДонНТУ, аспирант


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации