Научные труды ДонНТУ

Применение антрацита в качестве заменителя кокса в доменном производстве

А.М. Новохатский, Г.Д. Михайлюк, А.В. Карпов

Проанализированы результаты промышленного использования угля как заменителя кокса. Определены горячая и холодная прочности антрацита. Представлены рекомендации к выбору поставщиков для применения антрацита в качестве заменителя кокса в доменном производстве.

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.

Изменение производительности и расхода антрацита по времени на ДП№3 (1386 м) ОАО «АМК»

Рисунок 1 – Изменение производительности и расхода антрацита по времени на ДП№3 (1386 м) ОАО «АМК»

Изменение производительности и расхода антрацита по времени на ДП№5 (1719 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

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

Показатели прочности антрацита сжатием, МПа

Сопоставление прочностных характеристик антрацитов, добытых из разных шахт, представлено на рисунке 3.

Усредненные показатели прочности антрацитов сжатием при разных температурах

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

1. 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.

2. Способ ведения доменной плавки. Заявка №1-28802. Япония. - МКИ4 С 21 В 5/00. - Изобретения за рубежом. - М.: ВНИИГПЭ, 1982.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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



СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ