Современный доменный процесс

Доменная печь является уникальным промышленным агрегатом, так как сформировавшись в средние века, за последние 500-600 лет не претерпела существенных изменений. Основные особенности доменного процесса.

1. Противоточный характер движения материалов.

2. Энергетически малозатратный (экономный) агрегат.

3. За счет высокой герметизации минимальное количество вредных выбросов и пыли.

4. Наличие в одном агрегате одновременного зон твердого, жидко-твердого и жидкого состояния.

5. Наличие большого температурного перепада от 0 до 2200 °С, а при использовании плазмы до 3500 °С.

6. Большой перепад давлений от 10 до 500 кПа

7. Большой объем доменных печей, современные доменные печи имеют в 5000 м³ (9 печь завода «Криворожсталь») и 5580 м³ (завод «Северсталь»).

8. Кампания доменной печи длится до 40 лет, за одну кампанию доменная печь выплавляет от 20 до 40 млн. т чугуна.

Рисунок 2.2 – Общая схема доменного производства

XXI век, по сути, пока остается веком железа т.к. сталь используется на 2 порядка больше чем все другие материалы вместе взятые. Годовое производство стали в мире составляет порядка 800 млн. т.

В настоящее время доменные печи занимают в черной металлургии господствующее положение. Доменный процесс значительно усовершенствован. Широкое распространение получили:

- нагрев дутья и обогащение его кислородом;

- работа с высоким давлением газов в рабочем пространстве;

- вдувание природного газа, нефти, мазута и пылевидного угля в воздушные фурмы печей.

Количество дутья достигло предела (1, 8-2 полезных объема печи в минуту). Высота доменной печи повысилась до 32-34 м, а ее полезный объем - до 4000-5500 м ³. Суточная производительность современной доменной печи достигает 12000-13000 т, а удельный расход кокса снизился до 0, 4-0, 45 т/т чугуна, а при вдувании пылеугольного топлива до 0, 3 кг/т. Высокий уровень механизации и автоматизации производства, высокая производительность труда рабочих - все это несомненные достоинства доменной печи.

Доменное производство имеет недостатки.

1. Полезная высота доменной печи определяется главным образом прочностью топлива. В частности, древесный уголь начинает разрушаться в печи в порошок, если эта высота превышает 18 м, а кокс - при превышении полезной высоты 33-34 м. Так как современные крупные коксовые доменные печи давно приблизились к последней из этих норм, дальнейшее увеличение их полезной высоты не может быть значительным.

Из этого следует, что рост полезного объема доменной печи V_пв будущем может осуществляться только увеличением поперечных размеров печи, но при этом усиливается неравномерность распределения газов по радиусу доменной печи. Все это ухудшает работу газов и не способствует снижению удельного расхода кокса, затрудняет ведение печи.

Достигнуты и пределы возможного роста производительности печей с помощью интенсивных технологий. Продолжавшийся почти 3000 лет рост количества дутья привел к шестидесятым годам XX века к достижению предельного объема дутья, превышение которого неизбежно приводит к расстройству хода печей. Предел дутья на окускованной шихте оказался равным 1, 7-2, 0 V_п/мин. Сегодня в России практически трудно найти доменную печь, на которой было бы можно добавить дутья - все они работают вплотную к зоне передува.

Возможности интенсификации доменной плавки дальнейшим увеличением давления печных газов, температуры дутья и концентрации кислорода в нем крайне ограничены и требуют больших капиталовложений. КИПО лучших доменных печей мира не опускается ниже 0, 3... 0, 35 [м³/т] сут. Другими словами, ожидать увеличения производительности единичной доменной печи сверх 14000... 15000 т/сут. нет оснований.

2. Современная доменная печь работает на коксе, что требует сооружения и непрерывной эксплуатации коксовых батарей. Кроме того, доля коксующихся углей в общих мировых запасах каменного угля по данным ЮНЕСКО не превышает 8%, и многие страны давно не имеют своего кокса. Попытки на длительный период заменить кокс частично нефтью, мазутом и природным газом в ближайшем будущем прекратятся из-за дефицитности этих видов топлива. Остается лишь вдувание измельченного угля в фурмы (до 200-250 кг/т чугуна), но полная замена кокса углем невозможна. Таким образом, доменная печь по любой технологии требует дефицитного кокса, и возможность создания метода бескоксовой выплавки чугуна всегда будет весьма привлекательной для металлургов мира.

3. Интенсивность доменной плавки лимитируется газодинамическими факторами, что требует полного окускования шихты. Десятки аглофабрик и фабрик окатышей решают эту задачу, но при этом затрачивается топливо и загрязняется окружающую среда вредными выбросами. Таким образом, без эффективной работы фабрик окускования работа доменной печи также невозможна.

4. Доменная печь на крупном металлургическом предприятии полного цикла играет, как известно, двойную роль: в ней плавят чугун и, кроме того, получают доменный газ, используемый в качестве дешевого топлива в цехах. Однако эта вторая роль доменных печей, работающих в качестве газогенераторов и пережигающих ценное вещество дорогого кокса в дешевый доменный газ, постепенно отмирает. Гибель мартеновского производства, прокатка без повторного нагрева и использование всей теплоты литой заготовки, возможность остановки КХП, аглофабрик и фабрики окатышей при отказе от коксоаглодоменной схемы, переход чугуноплавильных печей на работу с холодным кислородом - все это резко сокращает потребность в доменном газе.

На металлургическом заводе Претория (ЮАР) работает установка COREX, в которой передельный чугун (1100 т/сут.) выплавляется на некоксующемся угле, т.е. совсем без кокса, что позволяет снизить себестоимость чугуна на 30%. В 1995 г. началось строительство нового металлургического завода (4 млн. т стали/год) на о. Тайвань. Впервые не сооружаются КХЦ, аглофабрика и доменный цех - вместо этого монтируются две установки COREX для бескоксовой выплавки чугуна на австралийских окатышах. Владельцы предпочли сократить число рабочих мест на заводе, т.е. резко повысить производительность труда, отказаться от кокса, выплавлять на некоксующемся угле дешевый чугун.

Печи жидкофазного восстановления железа являются следующим шагом развития техники выплавки чугуна. Опытно-промышленная печь РОМЕЛТ работает на любом некоксующемся газовом или тощем каменном угле, что позволяет отказаться от строительства коксовых печей. Печь РОМЕЛТ не нуждается в окускованном сырье и работает на пылеватых рудах, шламах, сохраняя уровень выноса пыли на уровне 30-100 кг/т чугуна.

ПЖВ не имеют шахты и по существу свободны от газодинамических ограничений, лимитирующих сегодня производительность доменных печей. Другими словами, на печах РОМЕЛТ можно дуть больше, доводя интенсивность плавки до уровня, недостижимого для доменных печей. Например, на печи РОМЕЛТ на НЛМК был достигнут рекордный КИПО = 0, 19 [м³/т чугуна]/сут.

Таким образом, печи жидкофазного восстановления позволят отказаться от услуг трех важнейших цехов металлургического завода (аглофабрика, фабрика окатышей, коксовый цех), что в средних условиях позволит сократить штат завода на 3000-4000 человек. При этом возрастет производительность труда, улучшится экологическая обстановка на заводе.

На рисунке 2.1 приведена технологическая схема современного двухстадийного (классического) производства черных металлов.

Рисунок 2.1 – Технологическая схема современного двухстадийного

производства стали

Происходит постоянное развитие и модернизация черной металлургии. Родились оригинальные методы, которые радикально изменяют существующие технологические процессы. Альтернативой доменному процессу становятся способы прямого восстановления железа из руд. Быстро развивается индустрия получения металлических порошков, применяемых для производства конструкционных материалов с уникальными свойствами.

Основными цехами металлургического завода являются доменный, сталеплавильный, прокатный.

Вспомогательные цехи предназначены для обслуживания основных цехов и обеспечения их бесперебойной работы. В эту группу входят следующие цехи: энергетические, огнеупорные, транспортные, ремонтные и др.

Исходным сырьём металлургического предприятия является:

– железная руда (обогащенная и окускованная);

– каменный уголь, прошедший также предварительную обработку;

– флюсы, также прошедшие предварительную обработку.

Производство чугуна на металлургических заводах состоит из двух основных этапов:

– подготовка исходных материалов (шихты) к плавке;

– выплавка чугуна.

Шихтовыми материалами доменной плавки являются железосодержащие компоненты (агломерат, окатыши), кокс и флюсы. Подготовка железосодержащей части шихты состоит в обогащении руды на обогатительных фабриках и окусковании с получением агломерата или окатышей. Обогащение производится с целью повышения содержания полезного компонента (железа) в руде, что существенно улучшает металлургические свойства железосодержащей части шихты. Окускование сырья способствует повышению газопроницаемости столба шихтовых материалов в доменной печи, улучшению восстановительной способности газового потока, уменьшению выноса газовым потоком мелких фракций шихты из доменной печи. В результате окускования значительно увеличивается производительность доменных печей, сокращается расход кокса.

Каменный уголь, входящий в состав исходного сырья, используется в доменной шихте в виде кокса, являющегося продуктом переработки специальных (коксующихся) марок углей. Качество кокса характеризуется химическим составом, физико-механическими свойствами и зависит от свойств исходных углей, их подготовки к коксованию, технологии коксования и обработки готового кокса.

Флюсы, применяемые в доменной печи, служат для придания легкоплавкости пустой породы руды, ошлакования золы кокса и получения жидкоподвижного шлака. В качестве флюса обычно применяют известняки. Флюсы вводятся в доменную печь обычно в виде офлюсованных агломерата и окатышей или в виде кускового материала.

На рисунке 2.2 приведена общая схема доменного производства.

Продукцией черной металлургии является:

– чугуны, выплавляемые двух видов: передельный, используемый для передела в сталь и литейный, используемый для производства отливок в литейных цехах.

– ферросплавы для выплавки легированных сталей;

– стальные слитки для производства различного проката (рельсов, балок, листа, труб и др.), а также для изготовления крупных кованых валов, дисков, роторов турбин.

Современное металлургическое предприятие (комбинат) рассматривается как комплекс производств, деятельность которых направлена на получение конечной металлопродукции: товарного чугуна, стальных слитков и заготовки, проката разнообразного сортамента и др. В состав таких комбинатов, как правило, входят: рудники и горно-обогатительная фабрика, коксохимическое, агломерационное, доменное, сталеплавильное, прокатное, а также необходимые вспомогательные производства. Тесная кооперация между ними, непрерывный обмен материалами и энергоносителями определяют эффективность работы комбината в целом.