Применение антрацита в качестве заменителя кокса в доменном производстве
А.М. Новохатский, Г.Д. Михайлюк, А.В. Карпов
Введенние
Основной статьей стоимости выплавляемого чугуна является стоимость кокса. В связи с этим доменщиками непрерывно ищутся пути снижения расхода дорогого и дефицитного кокса. На текущий момент экономию кокса обеспечивают обычно такие его заменители:
- природный газ: в современных условиях, при его высокой стоимости и дефицитности, использование является экономически нецелесообразным, так как коэффициент замены кокса природным газом в реальных условия обычно не превышает значения 0,7;
- коксовый газ: применение его в доменной плавке осложняется тем, что для вдувания в печь необходимо повышать давление в газодувках, работа которых затруднена из-за содержания в нем смолистых веществ, от которых необходимо предварительно его очистить. Кроме того, имеющиеся объёмы коксового газа целесообразнее применять как топливо в прокатном производстве и т.д.;
- пылеугольное топливо: для вдувания ПУТа необходима закупка большого количества дополнительного дорогостоящего оборудования, а также последующее обслуживание его, что является серьезным недостатком.
Основная часть
Все вышеперечисленные методы предполагают подачу заменителей кокса непосредственно через фурмы в зону горения. В силу этого невозможно обеспечить расход кокса ниже 250-300 кг/т чугуна. Это объясняется тем, что кокс должен выполнять еще и роль «разрыхлителя» столба шихтовых материалов.
Эффективным направлением коксозаменяющей технологии является использование антрацита. Использование антрацита не приводит к существенному изменению основных технологических параметров процесса: производительность, выход колошникового газа, образование шлака и его основность колеблются в пределах, характерных для работы печей. Чугун по химическому составу соответствует стандарту. Кроме того, преимущество замены кокса каменным углем также в том, что он подается через колошник.
В 1985-1991 гг. ДонНИИчерметом совместно с Краматорским металлургическим заводом выполнена серия научных исследований по отработке технологии доменной плавки с частичной заменой металлургического кокса каменным углем различных марок: донецким антрацитом марки АС, донецким углем марки Т (тощий), углем марки ТПК (тощий, пластовый, калиброванный) Краснобродского угольного разреза (г. Белово Кемеровской обл.) [1].
Полученные результаты плавок показали целесообразность и необходимость частичной замены кокса углем без ограничения полезного объема доменных печей. Экономическая эффективность использования каменного угля в доменной плавке определяется соотношением стоимости кокса и угля, количеством замененного кокса углем и коэффициентом замены.
Применение антрацита в доменной плавке осложняется его сравнительно низкими прочностными свойствами. Для сохранения газопроницаемости слоя шихтовых материалов существует ряд систем загрузок его на колошник доменной печи.
Существует способ доменной плавки с загрузкой в доменную печь послойно руды и кокса, с добавлением в слой руды добавлять до 20 % угля [2].
В способе доменной плавки [3], для исключения загромождения горна, предполагается вести загрузку через колошник подач, состоящих из кокса, рудной части шихты и каменного угля, вводимого в печь с периодом, равным времени пребывания шихты в печи, при заданном массовом соотношении угля к коксу. При этом загрузку подач с каменным углем следует производить с периодом от времени пребывания шихты в печи, до величины произведения времени пребывания шихты в печи на соотношение насыпных весов кокса и угля.
По этой причине максимальная продолжительность периода загрузки подач, топливная часть которых состоит из 100 % угля, должна быть во столько же раз меньше периода загрузки подач со 100 % кокса, с тем, чтобы не допускать заполнения горна только углем и обеспечить его полное удаление.
Помимо этого были проведены исследования распределения угля по сечению колошника в зависимости от типа загрузки, на модели колошника печи объёмом 1719 м3, выполненном в масштабе 1:10 [4].
В промышленных объемах антрацит так же применялся в ОАО «АМК». При этом показатели качества антрацита соответствовали следующим требованиям: зола, не более 7,0%; сера, не более 0,7%; влага, не более 5,0%.
Результаты применения антрацита на доменных печах №3 и №5 представлены на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1 – Изменение производительности и расхода антрацита по времени на ДП№3 (1386 м) ОАО «АМК»
Рисунок 2 – Изменение производительности и расхода антрацита по времени на ДП№5 (1719 м) ОАО «АМК»
Из графиков видно, что удельный расход антрацита в отдельные периоды массового поступления антрацита достигал 60 кг/т чугуна. При этом существенного ухудшения хода доменных печей не отмечалось, содержание углерода в колошниковой пыли не увеличилось, признаки загромождения горна отсутствовали. Выполненный пофакторный анализ расхода кокса на производство чугуна по итогам 2008 года показал, что коэффициент замены кокса антрацитом составил 0,95-1,0 т/т.
Результаты промышленного испытания показали хаотичные изменения производительности при замене кокса антрацитом. Это так же подтверждается анализом показателей работы печи при применения антрацита в ОАО «ЕМЗ» [5].
С целью обеспечения ровного хода печи, во время применения антрацита, необходимо поддерживать высокое качество шихтовых материалов, в частности антрацита. Этого можно достигнуть, зная его механические свойства.
В холодном состоянии антрацит и кокс похожи по прочности, однако при нагреве прочность антрацита становится значительно ниже прочности кокса. В связи с этим по предложенной методике [6], были выполнены исследования горячей прочности антрацита.
Для обеспечения наибольшей представительности результатов значение показателя прочности на сжатие, определять для заготовок в форме кубов 15 мм, так как это наиболее соответствует размеру кусков антрацита в доменной печи.
Для изготовления кубов были отобраны пробы, представленные в таблице 1.
Таблица 1 – Химический состав проб антрацита
Для каждой из пробы были получены по 4 показателя холодного сжатия (при комнатной температуре), прочности при тепловом ударе (пробы резко нагреваются до 350оC и горячего сжатия (нагрев до 900оС).
Для каждой пробы было выполнено испытание в четыре раза. Результаты исследований представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Показатели прочности антрацита сжатием, МПа
Сопоставление прочностных характеристик антрацитов, добытых из разных шахт, представлено на рисунке 3.
Рисунок 3 – Усредненные показатели прочности антрацитов сжатием при разных температурах
Из рисунка видно, что связь между холодной и горячей прочностью отсутствует. Например, уголь от поставщиков ЦОФ Нагольчанская и Дарьевка имеет практически одинаковое значение холодной прочности, однако антрациты от ЦОФ Нагольчанская на 34,4% имеют выше показатель горячей прочности. Температура колошникового газа составляет примерно 350оС, из за этого весь материал, загружаемый в печь сразу подвергается тепловому удару. Это воздействие не ухудшает прочность железорудных материалов и кокса, но снижает прочность антрацита.
В антрацитах содержится примерно 5% влаги, при нагреве их до 350оС происходит активное испарение воды.В связи с этим повышается внутреннее напряжение в кусках антрацита и падает его прочность. В среднем прочность при тепловом ударе падает на 20%.
Наиболее высокими показателями холодной и горячей прочности обладают угли от следующих поставщиков: Ровеньки-Антрацит, Лобовские Копи, ЦОФ Нагольчанская. Соответственно данные угли рекомендуется использовать в качестве заменителя кокса.
Выводы
В результате вышеизложенного видно, что при применении антрацита в качестве заменителя кокса необходимо тщательно контролировать его прочность. Поскольку предложенную методику [4] сложно реализовать в промышленных масштабах, то в качестве контроля горячей прочности необходимо использовать метод определения индекса реакционной способности кокса и прочности остатка [6]. Использование данного метода позволит контролировать прочность загружаемого антрацита, что обеспечит прогнозируемое изменение производительности доменной печи.
Срисок литературы
- Котельников И.В. Опыт доменной плавки с частичной заменой кокса каменным углем. / И.В. Котельников, Н.Н. Попов, Н.Д. Прядко. и др.// Сталь. – 1994. – №8. – С. 15-20.
- Способ ведения доменной плавки. Заявка №1-28802. Япония. - МКИ4 С 21 В 5/00. - Изобретения за рубежом. - М.: ВНИИГПЭ, 1982.
- Способ доменной плавки. В.Г. Воскобойников, Б.М. Герман, В.Т. Белолипецкий и др. А.с. СССР №1158591. - МКИ4 С 21В3/00. - М.: Бюллетень ВНИИГПЭ СССР.-1985.-№20.
- Бочка В. В. Распределение материалов на колошнике доменной печи при частичной замене кокса кусковым углем. Труды V Международного конгресса доменщиков. - Днепропетровск: Пороги, 1999. - с. 315-317.
- Новохатский А.М., Михайлюк Г.Д., Карпов А.В. Проблемы использования антрацита как заменителя кокса в доменном производстве / Сборник научн. трудов ДонГТУ, выпуск 28, 2009.
- Кокс. Метод визначення індексу реакційної здатності коксу (CRI) і міцності залишку коксу після реакції (CSR). ДСТУ 4703:2006 (ISO 18894:2006, MOD). - [Действует с 01.01.2008]. - К.: Держспоживстандарт України, 2008. - 23 с. 34.
Рецензент д.т.н., проф. С.Л. Ярошевский
© А.М. Новохатский, Г.Д. Михайлюк, А.В. Карпов