CC BY
134
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2008 р.
Вип. № 18
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГОРЯЧЕЙ ПРОЧНОСТИ КОКСА С8Я НА ЕГО УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД В ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ
Выполнен теоретический анализ влияния горячей прочности кокса CSR на его удельный расход в доменной плавке. В основу расчёта положены современные представления об изменении степени восстановления оксидов железа по высоте доменной печи и данные о зависимости между горячей прочностью кокса CSR и его реакционной способностью CRI
В структуре себестоимости чугуна в Украине затраты на кокс составляют более 50 %, что является важным стимулом для снижения его потребления. Хотя удельный расход кокса при производстве чугуна в нашей стране снизился, этот показатель всё ещё в 1,5 - 1,8 раза больше, чем в странах Европы, Японии и Китае.
Высокая стоимость кокса определяет повышение требований металлургов к его качеству и обуславливает развитие в Украине технологии вдувания пылеугольного топлива (ПУТ) в доменные печи.
В мировой практике оценку качества кокса и его поведения в доменном процессе наиболее часто проводят методом корпорации «Ниппон Стил» (NSC) [1], устанавливающей реакционную способность CRI и горячую прочность кокса CSR. Метод NSC принят в ряде стран как национальный стандарт ISO 18894:2006 и планируется к введению в Украине.
Существующие в настоящее время сведения о влиянии горячей прочности кокса CSR на показатели работы доменных печей, в том числе и на удельный расход кокса [2, 3], получены путём обработки статистических данных разных металлургических предприятий. Поэтому они существенно различаются и носят противоречивый характер.
Целью работы явилось теоретическое обоснование влияния свойств кокса на его удельный расход в доменной плавке на основании анализа статей теплового баланса.
Горячая прочность CSR и реакционная способность CRI кокса взаимозависимы [2]
Это явление обусловлено химическими процессами, протекающими в его структуре при высоких температурах и контакте с СОг, входящим в состав доменного газа. Между углеродом и вкрапленной золой протекают химические реакции. Именно наличие золы, её химический состав и реакционная способность кокса обуславливают впоследствии показатели его горячей прочности. Основными реакциями, протекающими в структуре кокса, являются восстановление золы и образование карбида. В результате обеих реакций ослабляется структура кокса. Вновь образовавшееся вещество не сращивается со стенками ячеек спёкшейся массы [4].
В доменной печи восстановление оксидов железа косвенным путём без участия углерода кокса протекает в верхних горизонтах при температуре менее 900 °С. В нижней части доменной печи при температурах свыше 1200 °С железо из оксидов восстанавливается только прямым путём, когда восстановителем является углерод, а косвенное восстановление газами отсутствует. Реакционная способность кокса не может оказывать влияние на развитие химических реакций в этих зонах. На участке температур от 900 до 1200 °С располагается зона смешанного восстановления, в которой развиваются оба восстановительных процесса. Именно в этой зоне сказывается влияние реакционной способности кокса на восстановление оксидов железа. С увеличением CRI возрастает доля реакций восстановления железа твёрдым углеродом. Согласно данных математи-
ПГТУ. аспирант 2ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
CSR = -1,70 CRI + 101,85.
(1)
ческого моделирования, выполненного японскими разработчиками (рис. 1) [5, 6], в интервале температур 900 - 1200 'С степень восстановления оксидов железа Я увеличивается на 40 %, от 50 до 90 %. Подобные результаты получены при исследовании восстановительных процессов в действующих доменных печах Магнитогорского металлургического комбината методом горизонтального зондирования [7]. В зоне смешанного восстановления значение Я возрастает с 40 до 80 %. Таким образом, 40 % кислорода, связанного с железом, переходит к восстановителю в этой зоне.
Рис. 1 - Распределение температур (а) и степеней восстановления окислов железа (б) в доменной печи, рассчитанные с помощью кинетико - математической модели (цифры у кривых -температуры. "С, и степени восстановления, д. ед.)
Восстановление железа углеродом в доменной печи протекает в два этапа по схеме:
FeO + СО = Fe + С02, АН = - 13,65 МДж/кмоль (2)
С02 + С = 2СО, АН = 166,32 МДж/кмоль. (3)
Если CRI = 0, то все 40 % кислорода, вступающего в реакцию в зоне с температурами 900 - 1200 С, взаимодействуют только с газами - восстановителями, и реакция (3) не протекает из-за низкой реакционной способности кокса. Если CRI = 100 %, то из-за очень высокой реакционной способности кокса все 40% кислорода участвуют в прямом восстановлении. В этом случае весь С02 в зоне смешанного восстановления прореагирует по реакции (3). При реальных значениях CRI по реакции (3) прореагирует только часть СО2 пропорционально величине реакционной способности кокса. То есть при значении CRI = 25 % прямым путём прореагирует 0,01-25-40 = 10 % кислорода, связанного с железом, и 25 % всего образовавшегося в этой зоне С02 прореагирует с углеродом кокса. В то же время 30 % связанного с железом кислорода вступит в восстановительные реакции только с газами. Аналогично при CRI = 50 % вступит в реакцию с твёрдым углеродом 0,01-50-40 = 20 % кислорода, а половина С02 в этой зоне прореагирует с углеродом кокса. Остальные 20 % кислорода примут участие в реакциях косвенного восстановления с образованием С02 и ÏÏ..O. При увеличении CRI на 1% степень прямого восстановления Rj увеличится на 0,4 %.
Обычный железорудный агломерат содержит 54 % железа и 11 % FeO. Содержание кислорода в такой шихте составляет:
11—+(54-11-—)• —= 21,92 %s 72 72 2-56
где 16, 56 и 72 - атомарные массы кислорода и железа и молярная масса FeO, г/моль.
Для получения 1 т чугуна с содержанием железа 94 % необходимо, чтобы в реакции восстановления вступило кислорода, связанного с железом: 1000-94-21,92/(100-54) = 382 кг. Следовательно, при степени прямого восстановления = 100 % прямым путём восстановится 382 кг кислорода шихты, связанного с железом. Каждому 1 % соответствует 382/100 = 3,82 кг кислорода из оксидов железа, восстановленного твёрдым углеродом. На увеличение на 1 % степени прямого восстановления потребуется дополнительно тепла: 3,82-166,32/16 = 39,7 МДж/т чугуна.
Углерод кокса сгорает у фурм в соответствии с суммарной реакцией:
С + 0,502 = СО, АН = -117,84 МДж/кмоль. (4)
Часть теплоты, выделяющейся при сгорании углерода кокса, расходуется на перевод золы в шлак, нагрев кокса до температуры горения, уносится с дополнительным объёмом колошникового газа. В то же время дополнительным дутьём, необходимым для сгорания кокса, вносится физическое тепло. Общее количество теплоты, использующейся в доменном процессе при сгорании 1 кг кокса, рассчитано в таблице.
Таблица - Количество теплоты, использующееся в доменной печи при увеличении расхода кокса на 1 кг
Статья теплового баланса Порядок расчёта Поступление тепла, МДж/кг кокса
1. Горение углерода кокса у фурм 2. Теплота, расходуемая на перевод золы в шлак 3. Тепло, поступающее с дополнительным дутьём с температурой 1000 °С и содержанием 02 25 % 4. Тепло, уносимое дополнительным объёмом колошникового газа с температурой 300 °С 5. Тепло, расходуемое на нагрев 1 кг кокса до температуры горения 2100 °С ВСЕГО 117,84-0,86/12, где 0,86 - содержание углерода в коксе, д. ед. (86 %); 12 - молярная масса углерода, кг/кмоль. - 1,25-0,12-1,95, где 1,25 - основность шлака; 0,12 - содержание золы в коксе, д. ед. (12 %); 1,95 -энтальпия шлака, МДж/кг. 0,001-(100/25)-0,86-(11,2/12)-1,412-1000, где 11,2 -объём 0,5 кмоля газа, м3; 1,412 - теплоёмкость дутья при температуре 1000 °С, кДж/(м3-°С) [8]. - 0,001-3,6-1,410-300, где 3,6 - выход колошникового газа на 1 кг кокса, м ; 1,410 - теплоёмкость колошникового газа при 300 °С, кДж/(м3-°С) [8]. - 0,001-1,09-2100, где 1,09 - теплоёмкость кокса, кДж/(кг-°С) [8]. 8,45 -0,29 4,53 - 1,52 -2,29 8,88
Таким образом, при увеличении степени прямого восстановления железа на 1 % расход кокса увеличится на 39,7/8,88 = 4,47 кг. При увеличении CRI на 1 % и, соответственно, Rd на 0,4 % потребуется дополнительный расход кокса 4,47-0,4 = 1,79 кг/т чугуна. В соответствии с соотношением (1) увеличение реакционной способности кокса CRI на 1 % сопровождается снижением его горячей прочности CSR на 1,7 %. Тогда при снижении горячей прочности CSR на 1 % расход кокса увеличится на 1,79/1,7 = 1,05 кг/т чугуна, или на 100-1,05/490 = 0,22 %, где 490 - средний удельный расход кокса при производстве передельного чугуна на доменных печах Украины, кг/т. График зависимости удельного расхода кокса и степени прямого восстановления Rd от величины горячей прочности CSR приведен на рис. 2.
Результаты анализа влияния индекса CSR на удельный расход кокса с учётом теплового баланса и закономерностей восстановительных процессов в доменной печи практически совпадают с ранее полученными результатами статистической оценки влияния
Горячая прочность кокса CSR, % 17 ¡Ï
Рис. 2. - Влияние горячей прочности кокса С SR на удельный расход кокса (1) и степень прямого восстановления Rj (2)
качества кокса на показатели доменной плавки [2]. Применение объективного коэффициента влияния горячей прочности кокса на его расход позволит точнее выполнять технико-экономическую оценку эффективности доменной плавки, выбор рациональной технологии выплавки чугуна и состава угольной шихты для производства кокса.
Выводы
1. Влияние реакционной способности CRI кокса на развитие прямого и косвенного восстановления обнаруживается в зоне смешанного восстановления в интервале температур 900 -1200 °С, в которой оба процесса протекают одновременно. Развитие восстановления железа твёрдым углеродом в этой зоне пропорционально реакционной способности кокса.
2. Увеличение горячей прочности кокса С SR на 1 % снижает степень прямого восстановления железа Rd на 0,24 % и уменьшает расхода кокса на 1,05 кг/т чугуна или на 0,22 %.
Перечень ссылок
1. Формирование свойств кокса. Реакционная способность / Е.Г. Ковалёв, В.М. Шмалъко, И.В. Шулъга, A.B. Рьщенко II Углехимический журнал. - 2006. - № 5 - 6. - С. 13.
2. Влияние реакционной способности и "горячей" прочности кокса на технико-экономические показатели доменной плавки в условиях ОАО "МК Азовсталь" / A.A. Томаш, В.П. Тарасов, Р.В. Ковалъчик и др. // Вюник Призов, держ. техн.. ун-ту: 36. наук. пр. - Mapiyno.ib. 2007. -Вип. 17.-С. 9- 13.
3. Влияние термической прочности и реакционной способности кокса на показатели доменной плавки / О.П. Онорин, Ю.П. Щукин, В.В. Филиппов, B.C. Рудин II Новые технологии и материалы в металлургии. - Екатеринбург, 2005. - С. 114 - 119.
4. Цикарев Д.А. Разрушение металлургического кокса под влиянием химического состава золы углей I Д.А. Цикарев II Кокс и химия. - 2002. - № 10. - С. 42 - 43.
5. Blast furnace Phenomena and modeling / Ed. by Yasuo Omori II Elsevier applied science. - London and New York: 1987. - 631 p.
6. Товаровский И.Г. Эволюция доменной плавки / И.Г. Товаровский, В.П. Лялюк. - Днепропетровск: Пороги, 2001. - 424 с.
7. Готлиб АД. Доменный процесс / АД. Готлиб. - М.: Металлургия, 1966. - 503 с.
8. Доменное производство: Справочник в 2 т. - Т. 1. Подготовка руд и доменный процесс. - М.: Металлургия, 1989. - 496 с.
Рецензент: В.П. Тарасов д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 19.03.2008
