CC BY
90
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2009 р. Вип. № 19
УДК 669.162.26: 669.184.244.66
Сущенко A.B.1, Томаш М.А.2, Томаш A.A.3
ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ КРЕМНИЯ В ЧУГУНЕ НА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ ДОМЕННОГО И КОНВЕРТЕРНОГО ПРОЦЕССОВ
Выполнен анализ влияния содержания кремния в чугуне на расход топливно-энергетических ресурсов при выплавке чугуна и конверторной стали с учётом затрат тепла на обжиг извести. В основу метода исследования положены расчёты изменения статей тепловых балансов доменной и конверторной плавок при увеличении содержания кремния в чугуне на 1 кг/т (0,1 %).Установленоувеличение топливно-энергетических затрат на каждой стадии металлургического производства при повышении содержания кремния в чугуне.
Наибольшие резервы скрытой тепловой энергии для кислородно-конвертерного процесса несёт растворённый в чугуне углерод. Но технологические факторы управления содержанием углерода в чугуне практически отсутствуют. Поэтому при решении задачи оптимизации состава передельного чугуна больше всего внимания уделяют содержанию в нём кремния. Мнения разных авторов о рациональном содержании кремния в чугуне не совпадают. Не вызывает сомнений факт увеличения затрат теплоты на выплавку чугуна при повышении содержания в нём кремния [1]. По данным [2] увеличение содержания кремния в чугуне на каждые 0,1 % требует дополнительных затрат теплоты 22 МДж/т. В то же время окисление кремния чугуна в кислородном конвертере обеспечивает дополнительное выделение тепла при выплавке стали, особенно в начальный период плавки. Авторы [3, 4] показывают, что увеличение содержания кремния в чугуне на 0,1 % позволяет снизить его расход на 5,4 - 7,5 кг/т стали. В книге [4] описывается технология выплавки конвертерной стали в США из чугуна с содержанием Si 1,5 % и увеличенным расходом лома до 29 - 34 %. В то же время авторы статьи [5], ссылаясь на зарубежный опыт, показывают, что оптимальное содержание кремния в передельном чугуне составляет 0,3 - 0,4 %. Таким образом, окончательного мнения о влиянии содержания кремния в чугуне на сталеплавильный процесс не сложилось. Наиболее признанной можно считать позицию [2], согласно которой повышение содержания кремния в чугуне увеличивает затраты тепла на выплавку чугуна, но приносит дополнительное тепло в сталеплавильный процесс в количестве 19,8 МДж/т чугуна на каждые 0,1 % [Si]. Тем не менее, в общем тепловом балансе системы доменная печь - кислородный конвертер увеличение содержания кремния в чугуне ведёт к перерасходу тепловой энергии на 2,94 МДж/т стали на каждые 0,1 % [Si].
Известные количественные оценки влияния содержания кремния в чугуне на энергоёмкость выплавки стали являются весьма приблизительными, так как учитывают лишь отдельные статьи расхода и поступления тепловой энергии: расход тепла на диссоциацию оксида кремния в доменной печи, выделение теплоты при сгорании кремния чугуна в кислородном конвертере и потери тепловой энергии с дополнительным конвертерным шлаком.
Целью анализа является уточнение влияния содержания кремния в чугуне на затраты тепловой энергии в системе доменная печь - конвертер при выплавке чугуна и стали.
В основу анализа положен расчёт изменений статей теплового баланса доменной (табл. 1) и кислородно-конвертерной (табл. 2) плавки при увеличении содержания кремния в чугуне на 0,1 % (1 кг/т). Наибольшее увеличение затрат тепловой энергии на выплавку 1 т чугуна требует диссоциация SiCb (статья 1, табл. 1). Второй по величине статьёй дополнительного расхода тепла на выплавку чугуна является изменение его физического нагрева (ст. 3).
ПГТУ. канд. техн. наук, доц.
2ПГТУ, студент
3ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
Таблица 1 - Изменение расхода теплоты на выплавку 1 т чугуна при увеличении содержания кремния на 0,1 % (1 кг/т чугуна)
№ Статьи На 1 кг 81 в чугуне
МДж о/ /О
Увеличение расхода теплоты
1 Диссоциация 8Ю2 до 81 по реакции 8Ю2+2С=81+2СО, ()дис = 870,76 МДж/кмоль. 28 - молярная масса кремния, кг/кмоль 870,76/28 = = 31,1 38,54
Физическое тепло дополнительного колошникового газа
(г = 250 °С):
2.1 - продукта восстановления 81: 2-22,4/28 =1,6 м3, где 22,4 - объём 1 кмоля газа (н.у.), м3. 1,535 - теплоёмкость колошниково- 1,6-1,535* *25О/1ООО=0,6 0,74
го газа, кДж/(м3-°С)
2.2 -продукта газификации углерода, не растворившегося в чугуне: 0,244-22,4/12 = 0,46 м3, где 12 - молярная масса углерода, кг/кмоль 0,46-1,535* *25О/1ООО=0,2 0,25
2.3 -уменьшения выхода газа из-за снижения расхода известняка при СаО/8Ю2 шлака 1,25: 1,25-(60/28)-(22,4/56) = 1,07 м3, где 60 и 56 - молярные массы 8Ю2и СаО, кг/кмоль. 1,826 - тепло- -1,07-1,826* *250/1000 = = -0,5 -0,62
ёмкость С02, кДж/(м3-°С)
Всего тепла дополнительного колошникового газа 0,3 0,37
з Увеличение нагрева чугуна на 28,6 °С. 0,85 - средняя тепло- 28,6-0,85 = 30,11
ёмкость чугуна и стали, кДж/(кг-°С) [6] = 24,3
4 Увеличение потерь тепла в систему охлаждения (7 % от суммы статей 1- 4, 6, 7): 31,1+0,3+24,3-9,0-8,5 = 38,2 МДж 38,2-7/93 = = 2,9 3,59
5 Потенциальное химическое тепло колошникового газа (Кс = 65 %) - 35 % от суммы статей 1 - 7: 31,1+0,3+24,3+2,9- 41,1-35/65= = 22,1 27,39
-9,0-8,5 = 41,1 МДж
Сумма 80,7 100,00
Уменьшение расхода теплоты
За счёт уменьшения выхода шлака с энтальпией 1,871 МДж/кг 1,871-4,82= 20,79
[6] на (1+1,25)-(60/28) = 4,82 кг = 9,0
7 На разложение известняка при сокращении расхода на 1,25* *(60/28)-(100/56) = 4,78 кг, где 100 - молярная масса СаС03. 177,8-4,78/100= = 8,5 19,63
177,8 - затраты тепла на разложение 1 кмоля СаСОз, МДж
8 Уменьшение потенциального тепла [С], растворённого в чугуне (0,244 кг). 400,4 - теплота полного сгорания С, МДж/кмоль (400,4/12)* *0,244 = 8,1 18,71
9 Использование теплоты сгорания колошникового газа (80 % статьи 5) 0,8-22,1=17,7 40,87
Сумма 43,3 100,00
Увеличение расхода теплоты на выплавку 1 т чугуна 37,4
Увеличение температуры чугуна на каждые 10 °С повышает содержание в нём кремния на 0,035 % [6]. Для увеличения содержания 81 в чугуне на 0,1 % необходимо повысить его температуру на 10-0,1/0,035 = 28,6 °С. Наряду с увеличением затрат тепла наблюдается сокращение некоторых расходных статей теплового баланса доменной плавки при повышении содержания кремния в чугуне: за счёт уменьшения выхода шлака при восстановлении 1 кг кремния в металл (ст. 6) и сокращения расхода сырого известняка на офлюсование восстановившегося 8Ю2 (ст. 7). Повышение содержания в чугуне 81, элемента, препятствующего образованию карбидов, на каждые 0,1 % приводит к снижению содержания углерода в сплаве на 0,0244 % (0,244 кг/т чугуна) [6]. Это отражается в изменении теплового баланса доменной плавки уменьшением потенциального тепла углерода, растворённого в чугуне (ст. 8). Восстановление дополнительного 1 кг 81 и газификация не растворившегося в чугуне 0,244 кг углерода увеличивает выход колошникового газа с температурой 200 - 300 °С и количества уносимой им теплоты.
Таблица 2 - Изменение расхода теплоты на выплавку 1 т стали в конвертере при удельном расходе чугуна 0,86 т/т и увеличении содержания кремния в чугуне на 0,1 %
№ Статьи На 1 кг 81 в чугуне На 1 т стали
МДж % МДж %
Дополнительный приход теплоты
1 Окисление кремния 81+02=8Ю2+870,76 МДж/кмоль 870,76/28 = 31,1 48,29 26,7 48,28
2 Повышение температуры чугуна на 24,8 °С 24,8-0,85 = 21,1 32,76 18,1 32,73
3 Дополнительная теплота шлакообразования [7] 2Д 3,26 1,8 3,25
4 Тепло окисления Бе с переходом оксидов в шлак с СаО/8Ю2 = 3,0: (1+3,0)-(60/28)* *(20/80) = 2,14 кг. 3,7; 5,1 - теплота окисления Бе до БеО и Ре203, МДж/кг оксида (0,7-2,14-3,7+ +0,3-2,14-5,1) = = 8,8 13,66 7,6 13,74
5 Уменьшение физического тепла газа за счёт уменьшения [С], растворённого в чугуне, (0,46 м3,1=1680 °С). 1,617 - теплоёмкость конвертерного газа, кДж/(м3-°С) 0,46-1,617* * 1680/1000 =1,3 2,03 1Д 2,00
Сумма 64,4 100,00 55,3 100,00
Дополнительный расход теплоты
6 Увеличение расхода тепла со шлаком (1=1680 °С): (1+3,0)-(60/28)-(100/80)= 10,7 кг. 1,2 - теплоёмкость шлака, кДж/(кг-°С) 10,7-1,2-1680: : 1000 = 21,6 32,24 18,6 32,24
7 Недополученное тепло [С] чугуна (0,244 кг) при окислении 85 % до СО и 15 % до С02. 117,8-теплота окисления С до СО, кДж/моль (0,15-400,4+ +0,85-117,8)* *0,244/12 = 3,2 4,78 2,8 4,84
8 Потери тепла в конвертере (1,5 % от суммы статей 1 - 7 [7]) (64,4-21,6-3,2)* * 1,5/100 = 0,6 0,90 0,5 0,87
9 Обжиг извести в ИОЦ с расходом природного газа (111) 0,19 м3/кг извести. Дополнительный расход СаО: 3,0-60/28 = 6,42 кг. 34 - теплота сгорания ПГ, МДж/м3 6,42-0,19-34=41,6 62,08 35,8 62,05
Сумма 67,0 100,00 57,7 100,00
Увеличение расхода теплоты на выплавку 1 т стали с учётом обжига извести 2,6 2,4
Общее увеличение расхода тепла на металлургическом предприятии на 1 т стали 40,0 34,6
Снижение выхода колошникового газа за счёт сокращения расхода сырого известняка не компенсирует увеличения его объёма при восстановлении кремния и газификации углерода (ст. 2). Увеличение потерь тепла в систему охлаждения принято в количестве 7 % от дополнительного расхода теплоты (ст. 4). Неиспользованная химическая энергия доменного газа рассчитана с учётом коэффициента использования углерода Кс = 100-(()со2 + (?со)/((?со2 + 3,39()со) = 65 %, где <2со2 и ()со - тепло окисления углерода до ССЬ и СО, МДж (ст. 5). Принято, что 80 % доменного газа используется металлургическим предприятием в качестве топлива (ст. 9). В соответствии со статьями 1-4 теплового баланса (табл. 1) повышение содержания кремния в чугуне на каждые 0,1 % сопровождается увеличением удельного расхода кокса на 5,92 кг/т чугуна или на 1,2 %, что полностью соответствует современным представлениям [1] и подтверждает корректность выполненного анализа. Его результаты являются полностью прогнозируемыми: повышение содержания в чугуне на 0,1 % приводит к перерасходу топливно-энергетических ресурсов в доменной плавке на 37,4 МДж/т сплава.
Основными статьями дополнительного прихода теплоты в конвертерной плавке (табл. 2) при повышении содержания кремния в чугуне является его окисление (ст. 1) и увеличение энтальпии чугуна (ст. 2). Из опыта работы отечественных металлургических предприятий принято, что потери тепла при транспортировке чугуна составляют 13 % и его температура перед конвертером увеличивается на 0,87-28,6 = 24,8 °С/кг [Si]. При расчёте теплоты окисления дополнительного железа (ст. 4) принято, что 30 % Fe окисляется до FC2O3. а 70 % - до FeO при содержании оксидов железа в шлаке 20 %. Наряду с дополнительными затратами тепла со шлаком (ст. 6) учтено снижение поступления теплоты из-за сокращения количества углерода в чугуне (ст. 7) и сокращение потерь физического тепла с отходящими газами (ст. 5). При удельном расходе чугуна 860 кг/т стали дополнительный приход тепла непосредственно в конверторную плавку составит 33,4 МДж/т стали на каждые 0,1 % Si в чугуне. Однако, с учетом затрат тепла на обжиг дополнительной извести, необходимой для обеспечения требуемой основности шлака, указанный приход теплоты нивелируется и даже становится отрицательным. В условиях ОАО "МК "Азовсталь" для обжига 1 т извести во вращающихся печах известково-обжигательного цеха (ИОЦ) расходуется 190 м3 природного газа. В этом случае дополнительные затраты тепловой энергии на выплавку 1 т стали составят 2,4 МДж. Общее увеличение расхода тепловой энергии на предприятии в системе доменная печь - конвертер - ИОЦ при повышении содержания кремния в чугуне на каждые 0,1 % составляет 34,6 МДж/т стали.
Таким образом, с точки зрения энерго-ресурсосбережения при производстве чугуна и стали на металлургическом предприятии необходимо стремиться к минимально возможному содержанию кремния в чугуне. Последнее определяется технологическими условиями доменного и конвертерного процессов: стабильностью теплового состояния горна, недопущения аварийного похолодания и закозления доменной печи, условиями шлакообразования и рафинирования стали в конвертере, температурным режимом выплавки стали.
Выводы
1. Увеличение содержания кремния в чугуне повышает топливно-энергетические затраты на каждой стадии металлургического производства. Повышение [Si] чугуна на 0,1 % приводит к увеличению расхода тепла в доменном производстве на 37,4 МДж/т чугуна, в конвертерном производстве с учётом затрат теплоты на обжиг извести - на 2,4 МДж/т стали. Общее увеличение затрат тепла на производство 1 т стали на предприятии составляет 34,6 МДж.
2. Для минимизации расхода топливно-энергетических ресурсов при производстве стали на металлургическом предприятии необходимо стремиться к минимально возможному содержанию кремния в чугуне, которое определяется технологическими условиями получения, транспортировки, внепечной обработки чугуна и выплавки стали. В современных условиях работы отечественных металлургических комбинатов эта величина составляет 0,40 - 0,50 %.
Перечень ссылок
1. Товаровский И. Г. Анализ показателей и процессов доменной плавки / И. Г. Товаровский,
B.В. Сееернюк, В.П. Лялюк. - Днепропетровск: Пороги, 2000. - 420 с.
2. Буторина И.В. Основы устойчивого развития металлургической отрасли / И.В. Буторина. - Донецк: Каштан, 2005. - 332 с.
3. Баптизманский В.И. Тепловая работа кислородных конвертеров / В.И. Баптизманский, Б.М. Бойченко, В.П. Черееко. - М.: Металлургия, 1988. - 174 с.
4. Старое Р.В. Производство стали в конвертерах / Р.В. Старое, В.А. Нагорский. - К.: Техника, 1987. - 167 с.
5. Афонин С.З. Перспективы развития новых процессов конвертерного производства стали /
C.З. Афонин, ПЛ. Югов, В.М. Журавлёв II Сталь. - 1987. - № 11. - С. 29 - 31.
6. Доменное производство: Справочник в 2 т. - Т. 1. Подготовка руд и доменный процесс. -М.: Металлургия, 1989. - 496 с.
7. Якушев A.M. Справочник конвертерщика I A.M. Якушев. - Свердловск: Металлургия, 1990. -288 с.
Рецензент: В.А. Маслов
д-р техн. наук, проф., ПГТУ Статья поступила 12.01.2009
