Температура в доменной печи: 2250 °C максимальная температура в горне доменной печи — Фан-Зона

(PDF) Особенности распределения температур газового потока в доменной печи

ISSN 0038—920X. “СТАЛЬ”. № 7. 2017 г.8

ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Температура над поверхностью засыпи, °C

1,9

1,7

1,5

1

2

1,3

1,1

0,9

0,7

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6

Расстояние от оси печи, м

Рис. 5. Распределение температур газового потока над по-

верхностью засыпи ДП-3 в январе – мае (1) и в октябре (2)

2016 г. после шоткретирования шахты

рого периода с практически одинаковым содержанием

окатышей объясняется тем, что при работе на «безга-

зовой шихте» (период 1) объем сухой зоны меньше,

чем при работе с природным газом (период 2), что в

конечном итоге и обусловило увеличение температур

в первом периоде в двух наиболее газопроницаемых

зонах — в центре печи и на периферии.

Далее был выполнен анализ изменения темпера-

тур над поверхностью засыпи шихты в зависимости

от количества ПУТ. В течение четвертого исследуе-

мого периода количество вдуваемого ПУТ достигало

в отдельные сутки 128 кг/т чугуна. В режим загрузки

шихты изменения не вносили, а анализ температур га-

зового потока над поверхностью шихты в этот период

свидетельствовал о слабом взаимном перетоке газов

между периферийной и центральной зонами печи, что

при вдувании ПУТ приводило к излишне развитому

периферийному газовому потоку. Подтверждением

служили результаты анализа изменения температур

над поверхностью засыпи шихты в зависимости от

количества ПУТ. Установлена связь (рис. 4) разницы

температур газового потока над поверхностью ших-

ты между периферийной (Т2) и промежуточной (Т5)

зонами сечения колошника от количества ПУТ, что

подтверждает присущую вдуванию ПУТ интенсифи-

кацию газового потока в пристеночной зоне с одно-

временно затрудненным перетоком газов вдоль ра-

диуса печи. После ремонта в сентябре 2016 г. ДП-3 с

шоткретированием шахты и установкой новых тер-

мозондов установленная особенность распределения

температур газового потока над поверхностью шихты,

характеризующаяся затрудненным перетоком газов

по радиусу печи по состоянию на начало октября, не

подтвердилась (рис. 5), что свидетельствует о влиянии

на распределение газового потока не только использу-

емой программы загрузки, но и состояния футеровки

шахты печи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований показано

влияние газодутьевых параметров работы печи, в том

числе при использовании в составе дутья природного

газа и ПУТ, на изменение распределения температур

периферийного газового потока и температур газов по

радиусу печи над поверхностью засыпи шахты. Уста-

новленные особенности влияния газодинамического

режима доменной плавки на температуру газового по-

тока позволяет при изменении режима загрузки или

дутьевого режима печи адекватно выявлять и правиль-

но отслеживать факторы, влияющие на распределение

температур газов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Большаков В. И. Применение в Украине технологии до-

менной плавки с вдуванием пылеугольного топлива // Сб.

науч. тр. ИЧМ «Фундаментальные и прикладные пробле-

мы черной металлургии». 2011. Вып. 23. С. 30 – 36.

2. Bolshakov V. I., Semenov Yu. S., Ivancha N. G. et al. Study of

the Flow of Burden Materials and their Distribution on the

Furnace Top of a Modern Blast Furnace // Metallurgical and

Mining Industry. 2012. Vol. 4. № 3. P. 158 – 165.

3. Bolshakov V. I., Semenov Yu. S., Kuznetsov A. M. The Ex-

perience of the Implementation of Modern Blast Furnace

Equipped with Bell-Less Top Charging Device under Condi-

tions of Changing Quality of Charge Materials // Metallurgi-

cal and Mining Industry. 2013. No. 2. P. 56 – 64.

4. Большаков В. И., Семенов Ю. С., Шумельчик Е. И. и др. Ре-

ализация энергосберегающей технологии загрузки совре-

менной доменной печи в конъюнктурных топливно-сы-

рьевых и технологических условиях // Металлургическая и

горнорудная промышленность. 2014. № 6. С. 6 – 14.

5. Семенов Ю. С., Шумельчик Е. И., Горупаха В. В. и др.

Управление распределением шихтовых материалов в до-

менной печи при вдувании ПУТ с использованием ин-

формации термозондов // Сталь. 2017. № 6. С. 7 – 11.

6. Semenov Yu. S., Mozharenko N. M., Horupakha V. V. et al. Ef-

fect of the Fuel, Raw Materials, and Process Conditionds on the

Behavior of Temperature Change in a Blast-Furnace Lining //

Metallurgist. 2015. Vol. 59. July. Issue 3. P. 290 – 299.

7. Семенов Ю. С., Шумельчик Е. И., Горупаха В. В. и др. Кон-

троль состояния футеровки доменной печи в течение пяти

лет ее эксплуатации // Металлург. 2017. № 4. С. 48 – 54.

8. Семенов Ю. С. Выбор рациональных режимов загрузки

доменной печи, оборудованной БЗУ, для условий работы

с малой массой подачи и с нестабильным качеством ших-

товых материалов // Черметинформация. Бюл. «Черная

металлургия». 2013. № 12. С. 14 – 19.

9. Семенов Ю. С. Новые подходы в управлении загрузкой

доменной печи, оборудованной БЗУ, в современных ус-

ловиях работы // В кн. «Познание процессов и развитие

технологии доменной плавки : коллективный труд вто-

рого международного симпозиума / под науч. ред. д. т. н.,

проф. И. Г. Товаровского. — Днепр : ЖУРФОНД, 2016. С.

272 – 285.

10. Semenov Yu. S., Shumelchyk E. I., Vishnyakov V. I. et al. Mod-

el system for selecting and correcting charging programs for

blast furnaces equipped with a bell-less charging apparatus //

Metallurgist. 2013. Vol. 56. January. Issue 9 – 10. P. 652 – 657.

11. Шюрман Э., Гуденау Г. В., Петерс К.-Х. Исследование

пластичной зоны на доменной печи завода в Швельгерне

// Черные металлы. 1982. № 6 – 7. С. 9 – 14.

12. Шюрман Э., Гуденау Г. В., Петерс К.-Х. Динамиче-

ское изменение формы и положения пластичной зоны

в доменной печи // Черные металлы. 1982. № 15/16.

С. 17 – 20.

Приборы бесконтактного измерения температуры на металлургических предприятиях

ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

Особенности теплопередачи в доменных печах » Все о металлургии

09.06.2015

Приведенные приемы анализа тепловой стороны доменного процесса основывались на тепловом балансе, рассчитанном по начальному и конечному состоянию системы, т. е. с учетом общего количества выделяющегося тепла, но без учета того, при каких условиях и при каких температурах происходит передача тепла от газов к материалам. Рассмотренный тепловой баланс, независимо от предложенных способов его расчета, базируется на «первом начале», т. е. на обеспечении соблюдения только баланса тепла в доменном процессе в целом. Согласно этому балансу, равные количества тепла, например, на испарение воды и на диссоциацию влаги, учитываются равным числом калорий и одинаково отражаются на расходе кокса. Между тем, фактическое влияние этих факторов на расход кокса неодинаково.
Соблюдение «второго начала», согласно которому тепло может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, обычным балансом не контролируется.
Пользуясь только обычным балансом, можно допустить, что при сушке влажной руды снижается расход кокса. Между тем, известно, что испарение влаги происходит в верхних горизонтах печи при низких температурах за счет тепла отходящих газов, в то время как тепло горения кокса выделяется в горне при высоких температурах и не связано с теплом, расходуемым вверху. Нельзя представить себе, чтобы для усиления притока тепла в горне, например, для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния или при увеличении расхода тепла на диссоциацию влаги, достаточно было бы только сэкономить тепло в верхних участках печи.
Эти рассуждения свидетельствуют о недостаточности обычного теплового баланса как средства анализа процесса. Можно обратить внимание и на то, что при составлении обычного баланса формально можно было бы в расчет принять любую высокую температуру дутья или любую низкую температуру колошника, в то время как фактически нельзя подавать в печь дутье с температурой, выше оптимальной в данных условиях, и нельзя никакими мерами снизить температуру колошника ниже определенного уровня.
Примером обусловленности температуры колошниковых газов существом процесса и невозможности ее снижения ниже некоторого уровня является то, что при увеличении высоты печи и, следовательно, пути газов почти вдвое не было достигнуто существенного понижения температуры колошниковых газов, несмотря ка то, что контакт шихты и газов при этом значительно удлинился. В подтверждение сказанного можно указать на следующий пример, приведенный М.А. Павловым: если сравнить две печи, из которых одна имела высоту 14,33 м и объем 170 м3, а вторая соответственно 24,38 м и 440 м3, то температура колошника у первой оказалась 390°, а у второй — 336°, т. е. изменилась незначительно. При сравнении печей объемом 328, 440 и 722 м3, производительностью соответственно 37, 50 и 80 т в сутки при работе их с одним расходом кокса и при одинаковом времени пребывания материалов в печи температуры колошника были 321, 312 и 308°, т. е. отличались незначительно.
Можно отметить также, что невысокие печи небольшого объема, работающие на влажной лимонитовой рудеминетт, имеют часто температуру колошника 60—70°, а печи Магнитогорского завода объемом 1386 м3, работающие на офлюсованном агломерате, при незначительном количестве летучих в шихте имеют температуру колошника 350—400°, причем использование углерода в последних неизмеримо выше, чем у первых.
Таким образом, температура отходящих газов не зависит от высоты и размеров печи, а определяется главным образом потреблением тепла в верхних горизонтах печи. Она зависит также и от количества тепла, выделенного в результате экзотермических реакций верхней части печи. Доказательством этого является весьма высокая температура колошниковых газов при выплавке ферромарганца из руды, содержащей пиролюзит (MnO2), в связи с выделением большого количества тепла при восстановлении от MnO2 до Mn2O3. При применении агломерата такой руды, в котором MnO2 переведена в низшие окислы, существенно снижается температура колошника.
He приходится говорить о том, что «низкотемпературное» тепло, теряемое в колошник с газами, нагретыми до 400—300°, не может быть использовано в печи, так как в других местах печи температура еще выше. Для снабжения нижних горизонтов нужным теплом необходимо, как известно, подвести это тепло в соответствующие участки печи, причем теплоноситель должен иметь соответственно более высокую температуру; тепло должно быть «высокотемпературным» и доставляться путем увеличения количества сжигаемого углерода либо повышением нагрева дутья.
Попытки улучшения использования тепла отходящих газов увеличением высоты печи, как видим, существенных результатов не дали. He приведут к успеху и попытки увеличения количества руды, обрабатываемой газами.
При увеличении количества руды, приходящейся на прежнее количество кокса, возможно снижение температуры отходящих газов; но в нижних частях печи, где избытка тепла нет, неизбежен тепловой «перегруз» — похолодание печи. В результате пришлось бы увеличить расход горючего, а это вызвало бы увеличение теплосодержания газов в шахте и на колошнике и, следовательно, повышение температуры отходящих газов.
Таким образом, возрастание количества неиспользованного тепла, уносимого газами в колошник, может быть следствием либо экзотермических реакций в верхних частях печи, либо следствием малого потребления тепла в шахте на удаление летучих (h3O, CO2) и испарение влаги, либо результатом возросшей потребности «высокотемпературного» тепла в нижних частях печи, вызывающей больший расход углерода. С этим связано образование большего количества газов, которые, переходя в шахту, не могут найти потребителя содержащегося в них тепла. Поэтому часто производственники, желая предохранить железные конструкции колошника от действия высоких температур, намеренно увлажняют руду, искусственно охлаждая этим газы. При этом, кстати, уменьшается скорость газов на колошнике и снижается вынос руды в виде пыли.
Все приведенные факты и основанные на них рассуждения заставляют предположить, что условия теплопередачи в нижних и верхних частях печи различны: внизу «высокотемпературное» тепло утилизируется полностью, причем приход тепла от горения топлива в горячем дутье без избытка покрывает потребность в нем нижней части печи; вверху же печи «низкотемпературного» тепла, принесенного сюда газами, пришедшими снизу, оказывается часто больше, чем необходимо для процесса, поэтому колошниковые газы выходят из печи с повышенной температурой. Количество неиспользованного тепла может увеличиться, если в шахте происходят экзотермические реакции (восстановление Mn2O3 из MnO2, восстановление Fe3O4 из Fe2O3, реакция 2СО→СО2 + С), поскольку тепла этих реакций использовать нельзя. С другой стороны, температура колошниковых газов снизится, если в шахте появится «местный» низкотемпературный потребитель, например, разложение гидратов или карбонатов, испарение влаги. Из этого следует, что при переходе с влажных руд на сухие или на офлюсованный агломерат повышается температура колошниковых газов.
Рассмотрим подробнее условия теплопередачи в верхней и нижней областях доменной печи, предположив вначале, что в шихте не содержится влаги. Оценим раздельно теплопередачу в областях с температурой ниже 900°, где не происходит разложения карбонатов и прямого восстановления, и в областях с температурой выше 900°, где, кроме разложения карбонатов и прямого восстановления Fe, Si, Mn, P и других элементов и перевода серы в шлак, происходит еще плавление чугуна, шлака, их перегрев и диссоциация водяного пара. Таким образом, в первой области имеет место обычный теплообмен, при котором газы отдают тепло, соответственно понижая температуру, а твердые материалы нагреваются.
В нижней же части печи, кроме обычного теплообмена, есть еще теплопередача, при которой газы, как и вверху, охлаждаясь, понижают температуру, а встречные твердые и жидкие вещества, воспринимая тепло, температуры не повышают. Именно такое явление имеет место при разложении карбонатов, плавлении, прямом восстановлении. На эту существенную разницу потребления тепла в верхней и нижней частях печи впервые в 1910 г. указал А.С. Саркисьянц, а позже — Дипшлаг, Н.А. Костылев, В. Матезиус, Б.И. Китаев и др.
Рассмотрим баланс тепла в верхней части печи. Принимаем следующие обозначения:
P — вес сухих материалов;
р — количество газов;
T0 и T — температуры материалов в начале верхней зоны, т. е. при загрузке на колошнике, и в конце верхней зоны;
t0 и t — температуры газов при входе и выходе из верхней зоны;
С и с — теплоемкости материалов и газов.
Так как количество тепла, отданного газами, охладившимися от t0 до t, равно теплу, воспринятому материалами, нагретыми от T0 до T, то баланс тепла выразится так:

Произведения рс = Wg и PC = Ws принято называть водяными эквивалентами. Нетрудно видеть, что рс > РС Так, например, при расходе сырых материалов P = 3,2 кг на 1 кг чугуна, теплоемкости их C = 0,22 ккал/кг °С, величина PC=Ws = 3,2*0,22 = 0,7. При выходе газа на 1 кг чугуна р = 3,5 м3 и его теплоемкости с = 0,33 ккал/м3 °C получим

рс = Wg = 3,5 * 0,33 = 1,15.

Отношение pc/PC = 1,15/0,7 = 1,65. При всех возможных изменениях значений Р, р, С и с отношение это всегда превышает единицу, откуда следует, что T-T0/t0-t > 1, т. е. материалы нагреваются в большей степени, чем охлаждаются газы.
Действительно, материалы в верхней зоне нагреваются от 0 до 900°, а газы на соответствующем участке охлаждаются примерно на 550°. Если в той зоне, где материалы нагрелись до 900°, температура газов составляет 950—1000°, то температура газа при выходе из печи будет 400—450°. Именно такой и бывает температура колошника при отсутствии влаги в шихте. В действительности температура колошника несколько ниже вследствие расхода тепла на удаление влаги и на некоторые эндотермические процессы (разложение некоторой части карбонатов до 900°), протекающие в шахте.
Из сказанного видно, что температура «сухого» колошника может быть снижена только в результате изменения соотношения водяных эквивалентов, т. е. вследствие снижения расхода горючего на единицу чугуна. Это следует из приведенного выражения. Если положить T0 = 0, то

Температура колошника t, таким образом, тем ниже, чем выше отношение водяных эквивалентов шихты и газа Ws/Wg = PC/pc или выше P/p, т. е. чем больше отношение количества шихтовых материалов к количеству газов или чем ниже расход кокса. Температура колошника зависит также от t0 и Т, но эти величины, как видно из предыдущего, изменяются мало.
Формула показывает, что с повышением нагрева дутья, вызывающим снижение расхода кокса, или с обогащением дутья кислородом снижается температура колошника: в обоих случаях снижается количество газов на единицу чугуна, т. е. увеличивается Р/р.
Рассмотрим баланс тепла в нижней зоне. Здесь тепло газов лишь частично используется для дальнейшего нагрева материалов и продуктов плавки; значительная же часть этого тепла используется на «скрытые» расходы. Обозначим сумму этих расходов через Q. Тогда получим, подобно предыдущему,

Уравнения (VI, 35), (VI, 36), (VI, 38), (VI, 39) условно отражают действительное течение процесса: ведь количества введенных и вышедших продуктов изменяются от начала к концу каждой зоны, так как в зонах происходят восстановительные и иные процессы, изменяющие значения P и P’. То же следует сказать и о количествах газа и теплоемкостях, в каждом расчете принимаемых приблизительно постоянными. Эти неточности не изменяют, однако, качественной стороны выводов.
Из уравнения (VI, 39) нетрудно заключить, что в нижней зоне, в противоположность верхней, отношение T’-T0’/t0′-t’ меньше единицы. В самом деле, если p’c’/P’C’ и в этом случае больше единицы, но меньше двух, то член Q/P’C'(t0′-t’) всегда равен или больше единицы, почему вся левая часть, а с ней и правая меньше единицы.
В том, что второй член левой части уравнения (VI, 39) больше единицы, нетрудно убедиться при любом подсчете, если подставить в это выражение конкретные величины.
Следовательно, в нижней части печи вследствие значительного увеличения теплопотребления шихты («скрытые» расходы тепла) температура твердых и жидких веществ изменяется всегда меньше, чем температура газов.
Сопоставляя закономерности изменения температур верхней и нижней зон печи и предполагая, что газы охлаждаются равномерно, получим схематическую картину, изображенную на рис. 190.

Прямая наклонная линия относится к газам, а ломаная — к материалам и жидким продуктам плавки. Разность температур, как это следует из выражений (VI, 36), (VI, 39) и рис. 190, будучи максимальной в низу печи, уменьшается к середине; здесь (при 900—1000°) перепад температур достигает минимального значения, а затем вновь возрастает. Заметная разность температур вверху соответствует тому, что газы уходят из печи при сравнительно высокой температуре.
В важнейших точках диаграммы буквами обозначены температуры, соответствующие входящим в формулы (VI, 36) и (VI, 39), причем очевидно, T = T0′ и t0 = t’, так как газ, оставляющий нижнюю зону, переходит в верхнюю с той же температурой, а материалы из верхней — в нижнюю с той же температурой. Из рис. 190 видно, что в верхней зоне изменение температур материалов больше, чем газов (VI, 36), а в нижней — наоборот (VI, 39).
Б.И. Китаев рядом расчетов и экспериментальных исследований показал, что область T, Т0′ и t0, t’ не фиксируется на одном горизонте, а распространяется на некоторую высоту печи. Сказанное иллюстрируется рис. 191, согласно которому печь по высоте делится не на две (как на рис. 190), а на три зоны, причем средняя зона, где разность температур газа и материалов незначительна, названа «холостой» высотой, а верхняя и нижняя области, соответствующие верхней и нижней зонам рис. 190, названы первой и второй ступенями теплообмена. Нетрудно видеть, что закономерности теплообмена, вытекающие из предыдущих рассуждений и отраженные на рис. 190, имеют место и на рис. 191: уменьшение разности температур между газами и продуктами плавки по мере движения газов снизу вверх во второй ступени (нижняя зона) и возрастание разности в первой ступени (верхняя зона). Искривление линий на рис. 191 объясняется учетом некоторых деталей, опущенных при схематическом построении рис. 190. В частности, на рис. 191 учтено, что в первой ступени, кроме простого теплообмена, имеет место и некоторый «скрытый» расход тепла — на испарение влаги, разложение гидратов и легкоразложимых карбонатов (FeCO3, MgCO3), — чему соответствует сравнительно более резкое падение температуры близ колошника.

Соображения Б.И. Китаева критиковались А.П. Любаном и другими, причем указывалось на то, что температуры измерялись термопарами, опущенными в печь через шомпольные отверстия, т. е. на периферии; поэтому незначительные изменения температур в «холостой» части печи характерны не для всего объема печи, соответствующего холостой высоте, а только некоторой небольшой периферийной части объема, содержащей мало руды и много шлака.
Б. И. Китаев, считая, что холостой является значительная часть объема доменной печи по высоте, поставил вопрос об уменьшении высоты печей.
Такой вывод вызвал серьезные возражения, основанные на том, что если даже и есть холостая высота, то она является результатом не конструкции (чрезмерной общей высоты) печи, а существа доменного процесса. Что это действительно так, доказывается измерением температур в модели доменной печи (1/20 нормальной высоты), полезной высотой 1225 мм. И.Ф. Коваль показал, что даже на такой маленькой печи при протекании в ней обычного процесса тоже имеется холостая высота, составляющая около 30% всей высоты. Следовательно, при уменьшении высоты печи холостой участок останется.

Ослабленный теплообмен на определенной высоте печи объясняется существенным изменением характера теплопередачи при 800—950°, которая не может осуществиться мгновенно или в небольшом участке пространства ввиду малой разности температур нагревающихся и охлаждающихся тел. Это изменение условий теплообмена как раз характеризуется незначительной разницей температур газа и материалов. Следует учесть, что восстановительные процессы при температурах 800—950° (область холостой высоты) идут с выделением тепла, а разложение карбонатов в той же области — с поглощением. Это способствует некоторой стабилизации температуры на известной высоте.
Резкое изменение температур в верхней и нижней зонах печи и слабое их изменение в средних подтверждается не только исследованиями, упомянутыми выше, но и более ранними измерениями температур газов по высоте печен США, проведенными Кинни (рис. 192).

Топливо для доменных печей | Металлургический портал MetalSpace.ru

Топливо, используемое для доменной плавки, выполняет три основные функции:

• тепловую, являясь источником тепла при разогреве шихтовых материалов до высоких температур и обеспечивая интенсивное протекание химических реакций при плавлении чугуна и шлака;
• химическую, являясь основным химическим реагентом-восстановителем оксидов железа и других элементов;
• физическую, обеспечивая высокую газопроницаемость столба шихты.

Необходимо отметить, что физическая функция топлива предотвращает тяжелые расстройства хода доменной плавки. Поэтому топливо должно быть твердым, кусковым материалом, создающим высокую газопроницаемость в области высоких температур и обеспечивающим условия для противотока газа и расплавленных масс металла и шлака.

Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо. Оно занимает значительный объем доменной печи и большая его часть должна сохраниться твердой, кусковой и прочной до нижней части печи.

К топливу предъявляют следующие основные требования:

• высокая теплота сгорания и восстановительная способность в химических реакциях;
• достаточная прочность и термостойкость, чтобы не образовывалось много мелочи при нагреве топлива и прохождении его через печь;
• неспекаемость в условиях доменного процесса;
• достаточная чистота по содержанию вредных примесей – серы и фосфора.

Кроме того, твердое топливо должно содержать мало золы, особенно кремнезема и глинозема, требующих применения флюсов.

Топлива естественных видов не удовлетворяют этим требованиям. Поэтому для доменной плавки приходится специально изготовлять твердое топливо – древесный уголь, кокс.

Древесный уголь

Древесный уголь практически утратил свое значение из-за низкой прочности.

Кокс

Кокс является единственным видом твердого топлива для доменной плавки во всей мировой практике черной металлургии.

Исходным сырьем для получения кокса являются особые сорта каменных углей, называемых коксующимися. Подготовка углей к коксованию заключается в дроблении, обогащении для снижения зольности и усреднении.

Кокс получают сухой перегонкой каменных углей в коксовых печах, представляющих собой узкую камеру шириной около 0,5 м, высотой 4 – 5 м и длиной около 15 м, объединенных в батареи. Число печей в батарее может достигать 60 – 70 штук.

Подготовленная шихта загружается в камеру через специальные отверстия. Обогрев печи осуществляется с боков через стенки огнеупорного кирпича путем сжигания газа в обогревательных простенках.

Для повышения температуры коксования воздух, используемый для сжигания газа и газ, предварительно нагревают до 900 – 1000 °С в регенераторах, расположенных под печами. Горение газа происходит в простенке, за счет этого осуществляется нагрев стенок двух соседних камер до температуры 1350 – 1400 °С. Продукты сгорания через обводной канал попадают в другой простенок, опускаются по нему, обогревая две другие стенки камер, и, проходя через регенераторы, нагревают их и уходят в дымовую трубу. Периодически происходит смена направления движения газов. Через нагретые регенераторы попадают воздух и газ, а через остывшие – продукты сгорания.

Загруженная шихта нагревается в камерах примерно до 1000 °С. Продолжительность коксования составляет около 15 часов. Затем полученный коксовый пирог специальным выталкивателем выталкивают из печи и тушат водой или инертными газами.

В процессе коксования из 1 тонны угольной шихты получают около 700 кг кокса, 300 – 350 м3 коксового газа и около 20 кг смолы. Смола и газ являются ценным химическим сырьем, из которого производят лаки, краски, удобрения и другие продукты. Очищенный коксовый газ применяют в металлургических печах в качестве топлива.

В последнее время для экономии кокса при доменной плавке в печь вдувают природный газ, мазут, угольную пыль. Достоинством применения указанных видов топлива является то, что они способствуют улучшению процесса восстановления оксидов железа путем обогащения доменного газа реагентами-восстановителями (СО и Н2).

Флюсы

Флюсы вводят в доменную печь для перевода пустой породы рудной части шихты и золы кокса в шлак, обладающего определенными физическими свойствами.

Температура плавления оксидов, входящих в состав пустой породы руд составляет от 1700 до 2800 °С. Это значительно выше температуры шлака в доменной печи (1450 – 1600 °С). Кроме того, для обеспечения хорошей текучести некоторые оксиды необходимо нагревать значительно выше температуры плавления. Однако, при определенном соотношении оксидов, входящих в состав пустой породы (SiO2, Al2O3, CaO, MgO), образуются легкоплавкие соединения, которые имеют температуру плавления около 1300 °С и характеризуются хорошей текучестью при 1450 – 1600 °С.

Для удаления серы из металла необходимо, чтобы шлаки, получаемые в доменной печи, содержали определенное количество основных оксидов (CaO и MgO). Например, необходимо, чтобы в шлаках отношение (СaO + MgO) / (SiO2 + Al2O3) составляло около 1, а отношение SiO2 / Al2O3 было равно от 2 до 4.

В зависимости от состава пустой породы руды применяются основные, кислые или глиноземистые флюсы. В большинстве случаев добываемые руды содержат пустую кислую породу и имеют приемлемое соотношение SiO2 и Al2O3. Поэтому, обычно применяют основной флюс в виде известняка, состоящего из карбоната кальция СaCO3 или доломитизированного известняка, содержащего кроме СaCO3 еще MgCO3.

В настоящее время известняк вводят при окусковании железных руд или железорудных концентратов. Это приводит к улучшению показателей доменной плавки, так как уменьшается расход тепла на процесс разложения карбонатов, который осуществляется на стадии окускования (агломерации или получении окатышей).

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

Температура газа в доменной печи » Строительный портал

Наивысшие температуры в доменной печи имеют место в горне, где происходит горение. Распределение температуры, выраженное в градусах, в различных точках сечения горна доменной печи не было известно в течение весьма длительного времени. М.А. Павлов рассказывает, что в прежнее время для суждения о тепловом состоянии горна доменщики вдвигали через глаз фурмы длинный железный лом диаметрам около 30—40 мм — до противоположной стены. Лом выдерживался в горне то или иное время, в зависимости от состояния горна, после чего вынимался. По накалу лома судили о степени прогрева горна и о распределении температур по радиусу горна, которое не было и не могло быть равномерным: вблизи фурмы; на некотором расстоянии от глаза ее, где находился фокус горения, лом бывал нагрет до ослепительно белого каления и даже оплавлялся, далее нагрев лома заметно понижался по мере приближения к середине горна.
При ненормальной работе доменной печи, например, при скоплении большого количества мусора в горне, лом оставался темным, не успев прогреться при сравнительно кратковременной выдержке. Наконец, при расстроенном ходе печи бывало, что лом вообще не мог пройти через середину горна, что свидетельствовало о присутствии нерасплавленных масс в этом месте.
Ввиду больших экспериментальных трудностей измерение температур в горне долгое время не производилось. Лишь благодаря работам советских исследователей, создавших специальные измерительные приборы, этот пробел был заполнен. Вместо единичных наблюдений, проведенных зарубежными исследователями, что не давало никакой гарантии их достоверности, советские исследователи произвели сотни измерений, вследствие чего полученные ими данные являются вполне достоверными, лишенными всякого элемента случайности.
Исследования начались с 1934 г. и продолжались в течение нескольких лет подряд. Измерения температур производились посредством графито-вольфрамовых и платино-платинорадиевых термопар, которые вводились в горн при помощи специальной охлаждаемой водой трубки.

На рис. 80 показано изменение температур по радиусу горна доменной печи с полезным объемом 1180 м3 (исследования 1935, 1936 и 1937 гг.). Каждая кривая построена по данным, представляющим собой среднее из многих наблюдений. Из рисунка видно, что температура в фокусе горения, расположенном на расстоянии около 600 мм от глаза фурмы, составляет примерно 1900° С. Затем по направлению к оси горна температура в зависимости от сорта выплавлявшегося чугуна (литейного или передельного) и условий работы колебалась в пределах 1400—1250° С.
На рис. 81 приведена кривая изменения температуры газа по радиусу горна доменной печи с полезным объемом 1300 м3. Эта кривая отражает ту же самую закономерность в распределении температур, которая была получена для печи объемом 1180 м3.

Измерение температур в распаре и шахте представляет меньшие экспериментальные трудности, хотя и не является простым и легким делом. Поэтому долгое время мы не располагали достаточно достоверными данными о температурах, господствующих в распаре и шахте доменных печей.
Многочисленные данные об измерении температур как по высоте шахты, так и по радиусу ее, полученные советскими исследователями, позволили заполнить этот пробел. В табл. 42 приведены результаты замера температур, по данным некоторых работ советских исследователей. Таблица показывает, что, так же как и в горне, температуры по радиусу распара, по радиусу шахты на различных горизонтах не остаются постоянными. Наибольшая температура наблюдается непосредственно у стенки печи; по направлению к оси печи температура падает. Минимум температуры достигается в зависимости от хода печи либо на некотором расстоянии от стенки печи (после чего температура снова поднимается, достигая второго максимума у оси), либо непосредственно у оси печи. При выплавке литейного и передельного чугуна температура в распаре колеблется в пределах от 1350—1300° С для максимума и до 900—950° С для минимума.

На среднем и верхнем горизонтах шахты распределение температур по радиусу принципиально такое же, как и по распару, но численные значения температуры иные. Для среднего горизонта шахты максимум температуры колеблется, как правило, в пределах 1000—900° С, поднимаясь в виде исключения до 1235° С; минимум температур колеблется в пределах 525—700° С. В верхнем горизонте максимум температур колеблется в пределах от 460 до 690° С, минимум — 125—300° С.
Температура газов, покидающих доменную печь, или, как говорят, температура колошника может колебаться в зависимости от многих факторов. Например, увеличение удельного расхода кокса будет способствовать повышению температуры колошника по той причине, что в этом случае количество газов на единицу чугуна возрастает, в то время как величина рудной сыпи остается без изменений, вследствие чего газы будут уносить с собой больше тепла и температура колошника увеличится. Наоборот, уменьшение удельного расхода кокса будет способствовать снижению температуры колошника.
Если распределение материалов ухудшится, то неравномерность в распределении газового потока усилится; это проявляется обычно в том, что в отдельных каналах, проложенных газом в столбе шихтовых материалов, проходит очень много газов, эти газы отдают шихте лишь незначительную часть заключающегося в них тепла и выходят из столба шихты с высокой температурой, что и вызывает повышение температуры колошника.
Существенное понижение уровня засыпи против обычного, уменьшая высоту столба шихты и тем самым сокращая время контакта газов с шихтой, ведет к повышению температуры колошника.
Температура колошника может в значительной степени меняться в зависимости от качества загружаемой шихты. Так, загрузка в шихту горячего агломерата будет способствовать повышению температуры колошника; наоборот, применение сырых бурых железняков с высоким содержанием гигроскопической влаги будет способствовать понижению этой температуры.
Увеличение веса руды по отношению к весу кокса будет способствовать понижению температуры колошника.
Что касается абсолютного значения температуры колошника, то в зависимости от условий работы она может колебаться при выплавке передельных и литейных чугунов от 80—100°С до 300—350° С.
При выплавке доменных ферросплавов — ферросилиция и ферромарганца — температура колошника вследствие высокого расхода кокса бывает значительно выше и может достигать 450—600° С, если для ее снижения не применяется искусственных мер (например, усиленная поливка шихты водой перед загрузкой в печь).
Средние температуры колошника представлены в табл. 43 (по данным 1949—1950 гг.).
В действительных условиях температура колошника никогда не остается постоянной. Загрузка свежей порции материалов вызывает быстрое понижение температуры; по мере подогрева только что опущенной порции шихты температура колошника растет, колебания температуры колошника между двумя завалками колошника могут составлять 150—225° С.

Как выплавлялась сталь | Политех (Политехнический музей)

17 октября 1855 г. английский изобретатель Генри Бессемер запатентовал новый процесс изготовления стали. Политех решил проследить историю развития металлургии от глиняных кузнечных горнов до мартеновских печей с магнезитовой футеровкой.

Цивилизация — это металл, начиная с первых неловких попыток обработки самородных металлов, и до ультрасовременных сложных сплавов. Недаром историки разделяют развитие человечества на этапы, начиная с каменного века: медный, бронзовый и, наконец, железный.

Самородные металлы встречаются довольно редко, поэтому начиная с медного века люди учились выплавлять их из руды. Хотя первое знакомство человека с железом сегодня относят еще к 3–4 тысячелетию до н.э., считается, что «настоящий» железный век наступил лишь около VIII в. до н.э. Во всяком случае, в 1200 г. до н.э. древние греки воевали с троянцами еще медным и бронзовым оружием.

Получать медь и бронзу (сплав меди с оловом) не особенно сложно. Во-первых, самородная медь распространена достаточно широко. Во-вторых, температура ее плавления — около 1350 °С, и в простейшем случае достаточно насыпать руду в каменный или глиняный тигель, и поставить его в кузнечный горн. Вскоре можно будет отделить шлак от вполне чистого металла.

Дорога к веку железа

Температура плавления железа — уже почти 1540 °С. Его получение потребовало печей более совершенной конструкции и более горячих. Чтобы повысить разогрев, воздух в них нагнетали мехами, а сами глиняные печи часто делали «глухими»: чтобы извлечь готовый металл и шлаки, печь приходилось разбирать, а для новой плавки складывать заново. Вдобавок, поддерживать высокую температуру удавалось только в небольших по размерам объемах. Производительность такой металлургии была невысока, а выплавленное железо исключительно дорогим.

Полудоменная печь XV века с водяным дутьем (Штирия)

Широко доступным железо стало только в XIV–XV вв., когда появились доменные печи, выплавка в которых может происходить непрерывно — разбирать ее нет нужды. Железная руда, чередуясь с топливом, засыпается в доменную печь сверху, а снизу подается разогретый воздух и извлекается шлак, а также чугун, сплав железа со сравнительно высоким количеством углерода.

Первым топливом доменных печей стал уголь — сперва древесный, потом каменный, — а с XVIII в. его вытесняет кокс, продукт нагревания угля без доступа кислорода.

Температура в доменной печи так высока, что складывать ее потребовалось из кирпичей, сделанных лишь из особых, огнеупорных сортов глины. В те годы самой стойкой показала себя белая глина (каолин), состоящая, в основном, из водных силикатов алюминия. Глину обжигали, чтобы удалить воду и спечь, получив шамот, затем его перемалывали и после добавления дополнительных ингредиентов формовали в кирпичи.

Стоит заметить, что кузнецы Средних веков относились к чугуну пренебрежительно: при всей своей высокой твердости, он исключительно хрупок и обычной ковке молотом не поддавался. Однако после того, как из него стали лить ядра, пушки, а затем рельсы и мосты, именно он стал основным для черной металлургии. «Доменно–каолинная» технология просуществовала несколько столетий, вплоть до начала XIX в.

Стальная революция

Следующий прорыв связан с созданием технологий получения из чугуна еще более удобных сплавов железа — сталей. Для этого требуется всего лишь снизить содержание углерода, однако долгое время добиться этого можно было лишь очень долгим и сложным способом, включавшим дополнительную проковку. Сталь не была массовой до тех пор, пока в 1780-х не появился новый революционный метод пудлингования.

В пудлинговой печи контакта чугуна с топливом не происходило. Уголь сгорал в очаге, тепло от которого направлялось к рабочему пространству, превращая загруженный чугун в тестообразную массу. При этом стены печи покрывали слоем глины, смешанной с оксидами железа, которые помогали углероду в расплавленном чугуне окисляться. При огромной температуре и за счет особого покрытия углерод и примеси выгорали, и в расплаве появлялись кристаллы достаточно чистого железа. Собрав их в комок, рабочие вытаскивали его из печи и отправляли на проковку.

Вскоре для пудлинговых и доменных печей было найдено и новое огнеупорное покрытие, способное выдерживать температуры, намного выше, чем шамот. Кремнезем — диоксид кремния — при нагревании спекается в огнеупорную стекловидную массу. Уже в 1820-х в Англии, где вовсю бушевала промышленная революция, была разработана технология получения огнеупорных кирпичей из богатой кремнеземом динасовой глины.

Вскоре доменные и пудлинговые печи начинают работу во всех развитых странах: с 1819 г. — во Франции, с 1835 г. — в Австрии, а в 1837 г. и в России открылся первый пудлинговый Камско-Воткинский завод. Металлургия стала обеспечивать возрастающие потребности человечества в «черном» металле. Континенты рассекли железные дороги, в моря вышли железные пароходы, артиллерия вооружилась внушительными пушками.

Между Бессемером и Мартеном

Потребности цивилизации в стали все росли, и технологии быстро совершенствовались. В середине XIX в. Генри Бессемер нашел, что «обезуглероживание» чугуна станет более эффективным, если сквозь ванну с расплавом продувать воздух. Однако бессемеровской переделке поддавался далеко не любой чугун: если он содержал фосфор, то при нагревании до красного каления резко терял всю свою прочность.

Изобретатель Генри Бессемер

Железные руды с низким содержанием фосфора достаточно редки, удалить же его из чугуна в печи не позволяла простая химия: шамотные и динасовые кирпичи создают в ней кислую среду, в которой нужные реакции не протекают. Решение нашлось лишь в 1877 г., когда Сидни Томас и Перси Джилькрист получили патент на новую технологию переделки чугуна — с добавлением связывающей фосфор извести и с облицовкой печи из материалов, содержащих щелочные оксиды магния и кальция.

В самой Англии к новому процессу отнеслись с недоверием. Вплоть до начала ХХ в. металл, изготовленный по этой технологии, ценился не слишком высоко, и даже фирма Lloyd’s брала повышенную плату за страхование судов, изготовленных из «томасовского» металла. Такой консерватизм обошелся англичанам дорого: к концу XIX в. Германия, вооружившись методом Томаса, стала металлургическим и промышленным лидером Европы.

Распространение томасовского процесса привело к тому, что с 1880-х внутренние поверхности сталеплавильных печей все чаще отделывали щелочными (основными) огнеупорами. Изготовленные, например, из минерала магнезита, они позволили поднять температуру до 1700 °С и открыли дорогу новой металлургической технологии — пришло время мартеновских печей.

Эра Мартена

Идею о превращении мягкого железа в сталь погружением его в расплав чугуна еще в 1722 г. высказал Рене Реомюр (тот самый, который изобрел спиртовой термометр и предложил свою температурную шкалу). Однако температура для этого требовалась настолько высокая, что реализовать процесс было невозможно вплоть до появления печей нового типа.

Первый шаг к ним сделал Фридрих Сименс, придумавший подавать в печь воздух, предварительно прошедший через систему труб и как следует прогретый. А завершил работу Пьер Мартен, который в 1860-х запатентовал процесс, позволявший расплавлять чугун, загружать его металлоломом или рудой — и получать сталь нужного качества и состава.

Первые мартеновские печи облицовывались по-старинке, денисовскими кирпичами, но вскоре их вытеснили более выносливые основные огнеупоры, получаемые из обожженного магнезита. Помимо прочего, они позволяли работать с большим спектром железных руд — и в 1880 г. на территории современной Польши была получена первая сталь, выплавленная в мартеновской печи с использованием магнезитовых огнеупоров.

В следующие десятилетия весь мир принялся осваивать внезапно ставший таким важным магнезит. Его добыча и производство из него огнеупорных изделий одно за другим начинаются в Австро-Венгрии, Германии, США, а около 1896 г. и на Урале было открыто огромное Саткинское месторождение. С началом нового века здесь открывается новый магнезитовый завод — впоследствии одно из передовых предприятий советской промышленности, а сегодня — ключевая часть компании «Магнезит», ведущего поставщика огнеупорных изделий для всей российской металлургии. Впрочем, это уже совсем другая история.

Доменная печь — обзор

5.2 Производство стали

Интегрированные сталелитейные заводы, работающие на угле, составили ~ 65% от 1,5 Гт мировой стали, произведенной в 2016 году, потребляя ~ 19 ГДж / т произведенной стали и выбрасывая в среднем по миру ~ 1,8 т-CO ₂ / т выплавленной стали. На первом этапе сталеплавильного производства высококачественный уголь (антрацит) используется в качестве топлива для доменной печи, в которой железо извлекается путем восстановления из руды гематита (Fe ₂ O ₃ ) с использованием окиси углерода в качестве Восстановитель.Ключевые реакции, происходящие в печи, следующие. Уголь сжигается с кислородом для получения диоксида углерода и тепла, в то время как известняк, вводимый в качестве флюса для удаления примесей из железа, прокаливается с образованием CaO плюс CO ₂ посредством той же реакции, что и при производстве цемента (Реакция (5.1) ). Продукт CO ₂ этих двух реакций затем вступает в реакцию с большим количеством углерода, образуя монооксид углерода:

(5,6) CO2 + C → 2CO

Окись углерода восстанавливает гематитовую руду с образованием расплавленного железа (чушкового чугуна), который собирается. у основания печи:

(5.7) Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Кальцинированный известняк объединяется с примесями с образованием шлака, в первую очередь силиката кальция, который плавает поверх жидкого чугуна и может быть удален:

(5,8) CaO + SiO2 → CaSiO3

На втором этапе производства стали, известном как кислородное производство стали (BOS), содержание углерода в передельном чугуне снижается с типичных 4–5% до 0,1–1% в печи, работающей на кислороде. Избыток углерода окисляется до окиси углерода, которую можно повторно использовать в качестве топливного газа или использовать в качестве восстановителя.В то же время другие примеси, такие как фосфор и сера, окисляются с образованием кислых оксидов, нейтрализуются добавлением извести и восстанавливаются в виде шлака, который используется в различных целях рециркуляции (см., Например, производство цемента в предыдущем разделе). раздел, а карбонизация минералов — в разделе 10.3.1). На этом этапе также добавляются легирующие элементы, такие как хром, марганец, никель и ванадий, чтобы добиться требуемого состава и свойств стали.

Доменные газы содержат около 30% CO ₂ после полного сгорания фракции CO, в то время как общий поток дымовых газов от металлургического комбината составляет ~ 15% CO ₂ .Таким образом, те же варианты улавливания CO ₂ , представленные выше для электростанции, также могут быть применены на сталелитейном заводе:

•

Улавливание CO _{2 после сжигания} из общего потока дымовых газов; Среди прочего были изучены абсорбция амина (Глава 6), мембранное разделение (Глава 8) и захват на основе гидратов (Глава 9).

•

Топка доменной печи кислородом, а не воздухом, в результате чего отходящий газ представляет собой чистую смесь CO и CO ₂ .

•

Улавливание CO ₂ на стадии предварительного сжигания и использование водорода вместо монооксида углерода в качестве восстановителя в реакции (5.7); то есть:

(5,9) Fe2O3 + 3h3 → 2Fe + 3h3O

Доменная печь, работающая на кислороде, интересна тем, что она может снизить выбросы CO ₂ от металлургического комбината на 40%, даже без CCS , за счет снижения расхода кокса в доменной печи.

Одним из вариантов предварительного сжигания, который был разработан в проектах CACHET и CAESAR, финансируемых ЕС, является применение реакции конверсии водяного газа с усиленной сорбцией для преобразования доменного газа в водород с улавливанием CO ₂ в карбонате калия. сорбент на основе гидротальцита, из которого он извлекается путем перепада давления.Технология продолжает развиваться в рамках проекта ЕС STEPWISE (см. Раздел 7.2).

В качестве альтернативы производству железа в доменной печи железо прямого восстановления (DRI) получают путем восстановления железной руды с использованием смеси водорода и монооксида углерода (реакция (5.7) и (5.9)) при температурах 800–1000 ° C. ° C. Первый коммерческий проект CCS на сталелитейном заводе был запущен в ноябре 2016 года на заводе Emirates Steel DRI в Муссафе, Абу-Даби. Установка производит синтез-газ (H ₂ + CO) для реакций прямого восстановления путем паровой конверсии местного природного газа, а отходящий газ установки DRI, содержащий 98% CO ₂ , обезвоженный, сжатый до scCO ₂ и транспортировка 43 км для увеличения нефтеотдачи на нефтяных месторождениях BAB и Rumaitha, эксплуатируемых ADNC.Проект будет улавливать 800 тыс. Тонн CO ₂ в год при полной эксплуатации.

Переработка стального лома с использованием электродуговых или индукционных печей составляет ~ 35% от общего объема отгруженной стали во всем мире, с производством ок. В 2016 году в результате этого процесса было зарегистрировано 550 млн тонн стали. Переработанная сталь значительно более энергоэффективна, чем производство новой стали, требуя лишь ~ 25% затрат энергии на единицу отгруженной стали. Мини-завод обычно потребляет 4,0–6,5 ГДж / т произведенной стали, снижая выбросы CO ₂ на ~ 80% до ~ 0.3 т-CO ₂ / т-сталь. Поскольку потребляемая энергия выражается в виде электроэнергии, сокращение соответствующих выбросов CO ₂ возвращается к обсуждению УХУ в секторе производства электроэнергии.

Доменный процесс — tec-science

В доменной печи железная руда реагирует с углеродом, содержащимся в коксе, с образованием серого или белого чугуна.

Процесс горения

Железо из переработанных руд должно быть растворено химическими процессами.Для этого требуется элемент, который связывает кислород сильнее, чем железо. Это именно то, на что способен уголь в качестве восстановителя . Углерод подается в доменную печь в виде кокса (пиролизованного угля) с коксохимической установки.

При достаточно высоких температурах углерод может непосредственно участвовать в восстановлении железа ( прямое восстановление, ). При более низких температурах восстановление происходит косвенно с помощью газообразного монооксида углерода, образующегося при сгорании ( косвенное восстановление, ).В обоих случаях оксид железа восстанавливается до железа.

Рисунок: Зоны в доменной печи

Использование углерода в качестве восстановителя не только из-за его высокой доступности, но и как газообразного вещества монооксид углерода имеет то преимущество, что он может хорошо проникать в пористые руды и вступать в реакцию с оксидами железа. По этой причине железная руда также обрабатывается как можно более пористой в виде агломерата и окатышей.

Углерод не только обеспечивает необходимое тепло для плавления железной руды, но также особым образом служит восстановителем для восстановления оксидов железа до железа!

Более подробно отдельные химические процессы в доменной печи описаны в следующих разделах.

Для выработки необходимого тепла и восстановительного газообразного оксида углерода (\ (CO \)) кокс сжигается в нижней части доменной печи с подачей горячего дутья. Углерод (\ (C \)), содержащийся в коксе, первоначально реагирует с атмосферным кислородом в горячем дутье (\ (O_2 \)) в соответствии со следующим химическим уравнением с образованием диоксида углерода (\ (CO_2 \)):

\ begin {align}
\ label {kohlendioxid}
& C + O_2 \ rightarrow CO_2 ~~~ \ text {(exotherm)} \\ [5px]
\ end {align}

Это горение является очень экзотермическим, т.е.е. выделяется тепло — как это обычно бывает при горении. Это приводит к повышению температуры до 2000 ° C. Газообразный диоксид углерода (\ (CO_2 \)) реагирует с углеродом, содержащимся в коксе (\ (C \)) из-за очень высоких температур, и образует газообразный оксид углерода (\ (CO \)) в качестве восстановителя:

\ begin {align}
\ label {kohlenmonoxid}
& CO_2 + C \ rightleftharpoons 2 ~ CO ~~~ \ text {(endotherm)} \\ [5px]
\ end {align}

Образование окиси углерода эндотермическое, т.е.е. с поглощением энергии, так что температура газа падает примерно до 1700 ° C. Однако следует избегать чрезмерного падения температуры, поскольку реакция двуокиси углерода на окись углерода происходит только при достаточно высоких температурах.

Слишком низкая температура снова будет означать обратную реакцию (обозначенную двойной стрелкой в ​​химическом уравнении) монооксида углерода в диоксид углерода. Но именно эта окись углерода необходима для восстановления оксидов железа и должна производиться в достаточных количествах.

Реакция Будуара

Реакция двуокиси углерода и углерода на окись углерода и ее обратная реакция зависит от температуры и описывается так называемой реакцией Будуара .

Ситуацию можно проиллюстрировать на примере испарения воды в закрытом помещении, наполненном воздухом. В зависимости от температуры воздух может поглощать определенное количество воды. Если воздух полностью насыщен водой, он не может больше впитывать воду, и остаток жидкой воды остается в комнате.Со временем баланс между водой, которая еще остается жидкой, и водой, содержащейся в воздухе, будет развиваться.

В то время как жидкая вода может на короткое время испаряться в локальной точке из-за статистических колебаний («реакция»), вода снова локально конденсируется из перенасыщенного воздуха в другой точке («обратная реакция»). Однако в глобальном масштабе между этими фазами или между реакцией и ее обратной реакцией жидкости и воды, связанной с воздухом, будет происходить равновесие. Также говорят о динамическом равновесии .

Однако это динамическое равновесие может быть смещено в пользу или за счет жидкой воды, в зависимости от температуры. При высоких температурах воздух может поглощать больше воды, поэтому больше воды испаряется и остаточное содержание жидкости уменьшается. Таким образом, равновесие смещается в сторону процесса испарения. Однако при понижении температуры часть воды, связанной с воздухом, конденсируется, и содержание жидкости в почве повышается. Затем равновесие смещается в направлении процесса конденсации (этот эффект также очень четко можно увидеть на охлажденных банках для напитков, где вода, содержащаяся в воздухе, конденсируется и образуются водяные жемчужины).

Рисунок: Реакция Будуара

Таким же образом существует также зависящее от температуры равновесие между реакцией диоксида углерода с монооксидом углерода и соответствующей обратной реакцией монооксида углерода с диоксидом углерода. На рисунке выше показано соотношение между оксидом углерода и диоксидом углерода в соответствующих состояниях равновесия при различных температурах. Становится очевидным, что при температуре выше 1000 ° C углекислый газ распадается почти исключительно на окись углерода.

При высоких температурах углерод реагирует преимущественно с диоксидом углерода с образованием моноксида углерода (как важного восстановителя). При низких температурах угарный газ в основном разлагается на углекислый газ и углерод!

Предварительный нагрев

При сжигании кокса образуются горячие газы, состоящие в основном из окиси углерода, двуокиси углерода, азота и (газообразной) воды. Эти горячие газы поднимаются в доменной печи и охлаждаются. Начиная с максимума 2000 ° C на уровне сопел горячего дутья (фурмы), температура снижается примерно до 200 ° C вплоть до горловины.При этой температуре залитую шихту сначала сушат и предварительно нагревают. Поэтому эта зона доменной печи называется зоной предварительного нагрева .

В зоне предварительного нагрева шихта предварительно нагревается и сушится!

Зона непрямого восстановления

Дальнейшее снижение содержания железной руды в доменной печи приводит к достижению температурной зоны от 400 ° C до 800 ° C. В этом регионе происходит так называемое непрямое восстановление железных руд до железа монооксидом углерода.

Газообразный монооксид углерода (\ (CO \)) окисляется до диоксида углерода (\ (CO_2 \)) путем поглощения кислорода, содержащегося в оксиде железа (\ (O \)). Непрямое восстановление можно разделить на несколько промежуточных реакций, при которых содержание железа в рудах непрерывно увеличивается и в конечном итоге получается чистое железо.

Во-первых, гематит со слабым содержанием железа (\ (Fe_2O_3 \)) восстанавливается оксидом углерода (\ (CO \)) до более железистого магнетита (\ (Fe_3O_4 \)).Затем магнетит восстанавливается до так называемого вюстита , (\ (FeO \)), прежде чем он окончательно восстанавливается до железа (\ (Fe \)):

\ begin {align}
\ label {indirekt}
3 ~ Fe_2O_3 & ~ + ~ CO && \ rightarrow ~ 2 ~ Fe_3O_4 && + ~ CO_2 ~~~~~~ \ text {(гематит} \ rightarrow \ text {магнетит )} \\ [5px]
Fe_3O_4 & ~ + ~ CO && \ rightarrow ~ 3 ~ FeO && + ~ CO_2 ~~~~~~ \ text {(магнетит} \ rightarrow \ text {wüstite)} \\ [5px]
FeO & ~ + ~ CO && \ rightarrow ~ Fe && + ~ CO_2 ~~~~~~ \ text {(wüstite} \ rightarrow \ text {iron)} \\ [5px]
\ end {align}

Только последняя химическая реакция вюстита с железом является экзотермической и дает тепло.Однако выделяемого тепла достаточно для обеспечения теплоты первых двух эндотермических реакций. Таким образом, общий баланс остается экзотермическим. Тем не менее, температура в этой зоне непрямого восстановления от 400 ° C до максимум 800 ° C слишком низкая для плавления восстановленного железа! Таким образом, консистенция железа остается твердой.

Нерасплавленные железные руды все еще содержат невосстановленные оксиды железа. Неблагоприятное скопление руды в точках контакта также может затруднить прохождение газа и, таким образом, оставить после себя невосстановленную железную руду.Однако самое позднее, когда процесс плавления происходит в более глубоких и горячих зонах доменной печи, железная руда может быть почти полностью восстановлена.

В зоне непрямого восстановления оксид железа, содержащийся в железной руде, восстанавливается газообразным оксидом углерода, в результате чего железная руда не плавится!

Зона прямого восстановления

Если железная руда, которая еще не была восстановлена, перемещается дальше в доменную печь, то углерод может также непосредственно восстанавливать оксиды железа, содержащиеся в руде, из-за высоких температур.Углерод (\ (C \)) окисляется до окиси углерода (\ (CO \)) за счет поглощения кислорода (\ (O \)). Из-за прямого восстановления оксидов железа углеродом говорят также о прямом восстановлении .

Прямое восстановление происходит в температурной зоне прибл. От 800 ° C до прибл. 1600 ° С. Прямое восстановление можно снова разделить на промежуточные стадии, на которых содержание железа в рудах увеличивается в каждом случае:

\ begin {align}
\ label {direkt}
3 Fe_2O_3 & ~ + ~ C && \ rightarrow ~ 2 ~ Fe_3O_4 && + ~ CO ~~~~~~ \ text {(гематит} \ rightarrow \ text {магнетит) } \\ [5px]
Fe_3O_4 & ~ + ~ C && \ rightarrow ~ 3 ~ FeO && + ~ CO ~~~~~~ \ text {(магнетит} \ rightarrow \ text {wüstite)} \\ [5px]
FeO & ~ + ~ C && \ rightarrow ~ Fe && + ~ CO ~~~~~~ \ text {(wüstite} \ rightarrow \ text {iron)} \\ [5px]
\ end {align}

Все эти реакции эндотермические.Необходимое для этого тепло обеспечивается (экзотермическим) сгоранием кокса. Соединения кремния, марганца и фосфора (и многие другие соединения), содержащиеся в пустой породе, также восстанавливаются эндотермически. Необходимое для этого тепло также должно производиться за счет сжигания кокса. Чтобы сохранить как можно более низкое тепловложение по энергетическим причинам, в рудах должно содержаться как можно меньше пустой породы. Это делает необходимой переработку руды, описанную выше.

Восстановленные примеси в доменной печи затем вступают в реакцию с добавленным флюсом в шихту и связываются в образующемся шлаке.

В зоне прямого восстановления углерод принимает непосредственное участие в восстановлении оксидов железа!

Зона цементации

Хотя углерод восстанавливает оксиды железа и производит железо, образующееся железо частично обогащается самим углеродом. Это достигается либо газообразным оксидом углерода, либо, при более высоких температурах, непосредственно углеродом. Это производит карбид железа \ (Fe_3C \), также известный как цементит .

Обогащение твердого железа углеродом в диапазоне температур от 900 ° C до 1200 ° C также называется науглероживанием .Соответствующие химические реакции следующие:

\ begin {align}
\ label {aufkohlen}
3 Fe & ~ + ~ 2 CO && \ rightarrow ~ Fe_3C ~ + ~ CO_2 \\ [5px]
3 Fe & ~ + ~ C && \ rightarrow ~ Fe_3C \\ [5px]
\ end {align}

За счет поглощения углерода температура затвердевания железа снижается с 1536 ° C до прибл. 1200 ° C (см. Диаграмму состояния железо-углерод ).

В зоне науглероживания восстановленное железо обогащается углеродом и образует промежуточный карбид железа (\ (Fe_3C \), цементит)! Науглероживание снижает температуру затвердевания железа!

Зона плавления

Из-за снижения температуры затвердевания диффузным углеродом в восстановленное железо, оно начинает плавиться в более горячих зонах доменной печи.Теперь внутренние слои руды также вступают в контакт с углеродом или газообразным монооксидом углерода и могут быть восстановлены до железа, а затем науглерожены. Постепенно вся железная руда восстанавливается, науглероживается и плавится. Поглощенный углерод остается растворенным в расплавленном чугуне. Это причина того, что чугун имеет относительно высокое содержание углерода.

В зоне плавления железо начинает плавиться и образует сильно углеродсодержащий чугун!

Зона врезки

Расплавленный чугун в конечном итоге собирается в поде доменной печи вместе со шлаком, который также является жидким.Из-за более высокой плотности чушкового чугуна его можно отрезать в самой нижней точке доменной печи (так называемый выпуск , ). Он имеет высокое содержание углерода около 4,5%. Дополнительные сопутствующие элементы перечислены ниже, хотя состав может значительно варьироваться в зависимости от типа чугуна.

• 4,5% углерода
• 2,5% кремния
• 1,5% марганца
• 0,5% фосфора
• 0,1% серы

Другие элементы, такие как титан, медь и т. Д.также в небольших количествах содержатся в чугуне.

Когда жидкий чугун затвердевает, содержание кремния, в частности, определяет, будет ли растворенный углерод выпадать в осадок в чистом виде в виде графита (\ (C \)) в микроструктуре или в виде карбида железа (\ (Fe_3C \), цементита).

Осаждение графита предпочтительнее для высоких концентраций кремния. Образованию графита также способствует относительно низкое содержание марганца и медленное охлаждение. С другой стороны, при относительно низком содержании кремния осаждение цементита является предпочтительным, когда чугун затвердевает.Этому, в свою очередь, способствуют относительно высокие концентрации марганца и более высокая скорость охлаждения.

Поскольку при высоких температурах и длительном времени отжига образовавшийся цементит снова распадется на свои составляющие (железо и углерод), эту форму затвердевания также называют метастабильной кристаллизацией в термодинамическом смысле. Напротив, графит представляет собой термодинамически стабильное соединение, которое выживает даже при длительном отжиге. Поэтому этот тип затвердевания также называют стабильным затвердеванием .

Из-за графита в стабильной затвердевшей микроструктуре поверхность излома чугуна выглядит матово-серой. Поэтому затвердевший чушковый чугун также называется серым чушком . Поверхность излома метастабильного затвердевшего чугуна, с другой стороны, имеет беловатый блеск и поэтому также называется белым чушком .

Рисунок: Серый и белый чугун

При стабильном затвердевании углерод осаждается в чистом виде в виде графита (серый чугун)! При метастабильном затвердевании образуется цементит на основе карбида железа (белый чугун)!

Серый чугун («чугун») служит сырьем для литейных производств для производства различных типов чугуна или чугунных материалов.Обычно он отливается небольшими слитками и предлагается литейным цехам для переплавки с другими материалами (шихта). Однако спрос на серый чугун составляет лишь небольшую часть. Более 90% чушкового чугуна выпускается как белый чушковый чугун («стальной чушковый чугун») и перерабатывается в жидкой форме на металлургических заводах в настоящую сталь с помощью специальных процессов последующей обработки. Эти процессы более подробно описаны в следующих статьях.

Доменная печь и печи | Eurotherm by Schneider Electric

Доменная печь

Доменная печь обеспечивает сырье для производства стали.Железо, произведенное в доменной печи, содержит высокую долю углерода, обычно 4%, и не имеет каких-либо добавок, необходимых для придания стали ее различных особых свойств.

Ранний процесс производства чугуна

Сырье для производства чугуна, железная руда, известняк и кокс обычно находили рядом с литейным цехом. Месторождения железной руды в горах Уэльса, которые можно было увидеть и собирать над землей, были известны как пятна.

Плавка железной руды требовала большого количества тепла, и была необходима печь, чтобы удерживать материалы и выдерживать высокую температуру.Первые печи были каменными и облицованы огнеупорным кирпичом. Неочищенный расплавленный чугун собирался на дне печи и выпускался в резервуары, называемые чушками. Выражение «чугун» до сих пор используется в современном сталеплавильном производстве.

Принципы производства чугуна и стали изменились очень мало, за исключением того, что современные доменные печи намного большего размера включают гораздо больше автоматического управления для увеличения производительности и эффективности печи.

Строительство доменных печей

В 1950-х и начале 1960-х годов доменные печи Великобритании выгодно отличались от доменных печей в других странах.Диаметр пода в этот период варьировался от 8 до 9,5 метров, с производительностью от 1800 до 2000 тонн в день и рабочим объемом около 1500 м.

Производительность доменной печи была выражена как:

Производительность (т / день)

Рабочий объем (м3)

Подстановка вышеуказанных цифр дает коэффициент производительности от 1,3 до 1,5.

К середине 1960-х годов японцы добились значительных успехов в проектировании доменных печей. Суточная производительность увеличена с 3000 до более 11000 тонн при диаметре пода 14 метров и рабочем объеме от 4000 до 5000 м3.Коэффициенты производительности для этих печей варьировались от 2,0 до 2,5.

Сравнивая эти цифры с данными по Великобритании, становится ясно, что увеличение диаметра доменной печи с 8 до 14 метров увеличило производительность печи только на 50% или около того.

Понимание влияния других параметров на процесс производства чугуна значительно повысило производительность и эффективность. Примеры:

• влияние расхода топлива, включая температуру дутья, эффективность газа и обогащение кислородом
• объем дутья и верхнее давление газа
• качество шихты и аэродинамические факторы
• доступность (время использования печи по сравнению со временем, когда она может быть использована)

Великобритания, как правило, не следовала японскому подходу к строительству более крупных печей, но British Steel в Redcar может похвастаться самой большой печью Великобритании высотой 14 метров.При номинальной производительности 10 000 тонн в день он фактически произвел 11 135 тонн в день. Его готовность составляет 97,1%, включая плановые остановки, и 99,9%, если плановые остановки исключены.

Доменная печь — ArcelorMittal в Бельгии

В доменных печах железная руда (в форме агломерата) плавится в жидкий чугун. Жидкий чугун на самом деле представляет собой чистое железо, которое является идеальной основой для создания стали на следующем этапе производства.

Как это работает?

Доменная печь производит жидкий чугун путем плавления железной руды в восстановительной атмосфере.Железная руда состоит из железа и кислорода. Расплавляя железную руду в восстановительной атмосфере, мы можем удалить кислород.

Сырье, используемое в доменной печи, кокс и агломерат, загружаются в доменную печь через весовые бункеры. Внизу доменной печи в печь вдувается горячий воздух с температурой от 1.000 ° C до 1200 ° C. Горячий воздух вступает в реакцию с коксом и пылевидным углем и образует восстановительный газ, который забирает кислород из железной руды. В то же время создается тепло, которое требуется при плавлении восстановленной железной руды.

Внизу доменной печи в печь вдувается горячий воздух с температурой от 1.000 ° C до 1200 ° C. Горячий воздух вступает в реакцию с коксом и пылевидным углем и образует восстановительный газ, который забирает кислород из железной руды. В то же время тепло плавит восстановленную железную руду.

По мере уменьшения нагрузки в доменной печи происходит превращение железной руды в жидкий чугун. Жидкий чугун собирается в поде доменной печи. В обычное время его выпускают через одно из двух отверстий, откуда он течет в торпедных ковшах.Затем они транспортируют жидкий чугун в сталеплавильный цех.

Помимо жидкого чугуна, доменная печь производит также шлак. Этот доменный шлак плавает поверх жидкого чугуна и содержит флюсы и пустую породу железной руды. Шлак выпускается, гранулируется с помощью струи воды под высоким давлением, обезвоживается во вращающихся барабанных фильтрах и транспортируется для использования в строительной отрасли.

Во время производства жидкого чугуна в доменной печи также образуется большое количество газа, содержащего определенное количество пыли от шихты доменной печи.Мы собираем и очищаем газ перед его распределением между различными пользователями. Нашим основным пользователем является электростанция ENGIE, расположенная недалеко от нашего объекта в Генте.

Измерения состава, температуры и давления газа в свинцовой доменной печи

Чугун — маршрут доменной печи

В 2016 году во всем мире было произведено более 1,1 миллиарда тонн доменного чугуна. Экономика доменных печей такова, что более крупные агрегаты имеют более низкие производственные затраты, следовательно, существует тенденция все больше и больше печей. Современные доменные печи производят более 10 000 тонн в сутки.

Для получения общей информации о товарном чугуне посетите страницу чугуна.

Современные доменные печи производят более 10 000 тонн в сутки.

Доменная печь

Доменная печь представляет собой противоточный реактор для газа / твердых веществ, в котором нисходящий столб шихты [кокс, железная руда и флюсы / добавки] вступает в реакцию с восходящими горячими газами. Процесс является непрерывным, сырье регулярно загружается в верхнюю часть печи, а расплавленный чугун и шлак выпускаются из нижней части печи через равные промежутки времени.

Ключевые этапы процесса:

• верхняя часть печи — свободная от шихты влага отводится от материалов шихты, а гидраты и карбонаты диссоциируют.
• нижняя часть шахты доменной печи — косвенное восстановление оксидов железа оксидом углерода и водородом происходит при 700-1000 ° C.
• Bosh Зона печи, где шихта начинает размягчаться и плавиться — прямое восстановление оксидов железа [и других] и карбонизация коксом происходит при 1000–1600 ° C.Расплавленный чугун и шлак начинают стекать на дно печи [под].

Между чушкой и подом расположены фурмы (медные сопла с водяным охлаждением), через которые в топку вдувается дутьевой воздух — воздух для горения, предварительно нагретый до 900–1300 ° C, часто обогащенный кислородом. Непосредственно перед фурмами находится зона горения, самая горячая часть печи, 1850–2200 ° C, где кокс реагирует с кислородом и паром в дутье с образованием окиси углерода и водорода [а также тепла] и железа. и шлак полностью плавится.

Расплавленный чугун и шлак скапливаются в поде печи. Менее плотный шлак плавает поверх чугуна. Шлак и железо выпускаются через определенные промежутки времени через отдельные летки. При производстве товарного чугуна чугун разливают в слитки; на металлургических комбинатах жидкий чугун или чугун в торпедных тележках-ковшах перемещается в сталеплавильные печи. Шлак поступает в шлаковые карьеры для дальнейшей переработки в полезные материалы, например, сырье для производства цемента, дорожного строительства и т. Д.

Машина для литья чугуна (любезно предоставлено Paul Wurth)

Реакции в доменной печи

Основные реакции:

2C + O ₂ → 2CO

C + H ₂ O → CO + H ₂

CO ₂ + C → 2CO

3Fe ₂ O ₃ + CO → CO ₂ + 2Fe ₃ O ₄

Fe ₃ O ₄ + CO → CO ₂ + 3FeO

FeO + CO → Fe + CO ₂

При загрузке доменной печи шихта добавляется слоями.Загрузка осуществляется либо с помощью элеватора, в котором ведро поднимается и опускается наверху печи для опорожнения непосредственно в печь [колокольная система], либо с помощью конвейерных лент к верхней части печи, где материалы загружаются в бункер, прикрепленный к верхней части печи [система без колпака], а оттуда в печь. С помощью вращающегося желоба можно добиться очень равномерного распределения шихты по печи. Система без колпака имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что во время загрузки теряется меньше энергоемкого доменного газа.

Добавки и флюсы служат для преобразования отходов или пустых пород в шихте (в основном кремнезема и глинозема) в шлак с низкой температурой плавления, который также растворяет коксовую золу и удаляет серу. Например:

CaCO ₃ → CaO + CO ₂

CaO + SiO ₂ → CaSiO ₃

FeS + CaO + C → CaS + FeO + CO

Сама доменная печь представляет собой стальную шахту футеровка огнеупорными, огнеупорными материалами.Самая горячая часть печи, где температура стенок превышает 300 ° C, имеет водяное охлаждение. Вся конструкция поддерживается снаружи стальным каркасом.

Доменный газ, выходящий из верхней части печи, представляет собой смесь двуокиси углерода, окиси углерода, водорода и азота и имеет теплотворную способность от 3200 до 4000 кДж / м³. После очистки он используется для различных целей, в том числе для нагрева дутьевых печей [«кауперов»], на предприятиях по агломерации железной руды и для выработки электроэнергии.Кредит на этот газ — важный фактор в снижении эксплуатационных расходов доменной печи.

Посмотрите видео ниже, чтобы увидеть:

• макет завода Уральская Сталь в России
• Производство передельного чугуна из вторсырья компанией DK Recycling в Германии

Для более подробного изучения процесса доменной печи, мы предлагаем ссылку на следующее:

Производство, формирование и обработка стали, 11-е издание, опубликованное Ассоциацией металлургических технологий.

Модель прогнозирования и управления теплом печи и ее применение в большой доменной печи

Тепло доменной печи является ключом к высокой эффективности и стабильной работе доменной печи, и трудно поддерживать подходящую температуру для больших операций доменной печи.При разработке модели прогнозирования и контроля нагрева печи следует выбирать параметры с хорошей надежностью и измеримостью, чтобы избежать использования менее точных параметров и обеспечить точность и практичность модели. В этой статье представлена ​​эффективная модель для прогнозирования и контроля температуры в большой доменной печи. По термическому равновесию и углеродно-кислородному балансу высокотемпературной зоны доменной печи был рассчитан показатель теплоты шлака и чугуна. Используя соотношение между температурой расплавленного чугуна и показателем теплоты шлака и чугуна, можно рассчитать тепловой параметр печи при изменении производственных условий, что может определять регулирование нагрева печи.

1 Введение

Поддержание приемлемого количества тепла — ключ к высокой эффективности и стабильной работе доменной печи. Трудно поддерживать подходящую температуру для большой доменной печи, а слишком высокие или слишком низкие температуры вызовут не только колебания состояния доменной печи, но также отрицательно повлияют на производственные и технические показатели доменной печи и качество жидкого чугуна. . Поскольку для доменного производства процесс производства является сложным реакционным процессом, включающим высокие температуры, внешние факторы, влияющие на температуру печи, и длительную задержку для большого изменения тепла в доменной печи, регулирование температуры в печи затруднено [1, 2, 3, 4].

С улучшением оборудования и технологий в большой доменной печи, точность некоторых параметров процесса доменной печи значительно улучшилась. Например, степень утечки воздуха в большинстве небольших доменных печей раньше составляла более 8%, но в современной большой доменной печи она обычно составляет менее 2%. В то же время повышается и требуемая точность контроля температуры печи. При проектировании модели прогнозирования нагрева печи и управления ею следует выбирать хорошие параметры для обеспечения надежности и избегать использования менее точных параметров для обеспечения точности и практичности модели.Чтобы соответствовать требованиям по температуре, операторы доменных печей должны правильно спрогнозировать температуру печи в соответствии с рабочими параметрами и точными мерами регулировки. В этой статье представлен эффективный метод прогнозирования и контроля температуры большой доменной печи, который может помочь в регулировке нагрева печи.

Есть много факторов, влияющих на тепло доменной печи. Основными факторами являются параметры дутья (включая объем дутья, поток насыщенного кислорода, скорость вдувания, влажность дутья и температуру дутья), количество кокса, использование газа, производительность операции, качество сырья и топлива (в том числе: кокс, уголь, спекание, и окатыши), тепловая нагрузка и топочная пыль.При изменении вышеуказанных условий следует рассчитывать тепловые параметры печи.

Расчетная модель, представленная в этой статье, выглядит следующим образом. Во-первых, были собраны последние данные о работе доменной печи в качестве исходных данных для работы доменной печи. Во-вторых, эталонные данные доменной печи использовались в уравнениях высокотемпературного теплового равновесия и углеродно-кислородного баланса доменной печи, рассчитывалась теоретическая скорость PCI, вычислялось теоретическое прямое снижение расхода углерода в эталонных условиях и рассчитывался показатель теплоты шлака и чугуна. .В-третьих, в уравнениях теплового равновесия и углеродно-кислородного баланса для высокотемпературной зоны доменной печи были использованы заданные параметры доменной печи, рассчитан целевой показатель теплоты шлака и железа, установлена ​​связь между температурой и показателем теплоты шлака и чугуна. , рассчитывались температура жидкого чугуна и [Si]; Наконец, в соответствии с заданной температурой расплавленного чугуна в уравнениях высокотемпературного теплового равновесия и углеродно-кислородного баланса доменной печи использовался показатель теплоты шлака и чугуна, а также рассчитывались скорость PCI и необходимое количество угля, чтобы регулирование нагрева может быть достигнуто.

2 Расчет теоретической скорости PCI

Во-первых, эталонными параметрами должны быть статистические данные, которые могут представлять недавнее рабочее состояние доменной печи («0» справа отмечен как эталонный параметр), а статистические параметры показаны в таблице 1.

Таблица 1

Контрольные параметры доменной печи.

Атмосферная влажность (%):

(1)

ж

0

знак равно

22.4

×

ЧАС

АТС

0

1000

×

18

Количество O ₂ в минуту (Нм3 / мин):

(2)

О

2

_

б

0

знак равно

[

0.21 год

×

(

1

—

ж

0

)

+

0,5

×

ж

0

]

×

V

б

0

+

V

каменный уголь

0

60

+

λ

о

2

×

V

о

2

0

60

+

1000

×

22.4

×

ЧАС

А

D

D

0

2

×

18

×

60

где, λ _{O 2} — процент качества O ₂ в обогащенном кислороде, равный 99.7%.

Расход кислорода при сгорании на тонну железа (Нм3 / тFe):

(3)

О

CBT

0

знак равно

1440

×

О

2

_

б

0

п

0

Расход углерода при сгорании на тонну железа (кг / тFe):

(4)

C

CBT

0

знак равно

О

CBT

0

×

24

22.4

При нормальных условиях отношение несгоревшего угольного порошка к печной пыли ниже, и влияние на расчет теплового равновесия и углеродно-кислородного баланса не больше, но по мере увеличения скорости PCI несгоревший угольный порошок в топочной пыли заметно увеличивается, M0 должно быть количеством угля, которое фактически вступает в реакцию в печи, которое представляет собой общее количество угля за вычетом количества угля, увеличившегося в топочной пыли. Если предположить, что уголь полностью сгорает в фурменной зоне, тогда расход углерода кокса при сжигании на тонну железа (кг / тFe)

(5)

C

C

B

Т

_

c

о

k

е

0

знак равно

C

C

B

Т

0

—

M

0

×

ω

0

C

каменный уголь

/

100

Объем газификации кокса на тонну чугуна (кг / тFe):

(6)

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

0

знак равно

K

0

×

ω

0

(

C

c

о

k

е

)

/

100

—

C

C

B

р

0

—

C

d

ты

s

т

0

Расход углерода прямым восстановлением на тонну железа (кг / тFe):

(7)

C

d

F

е

0

знак равно

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

0

—

C

C

B

Т

_

кокс

0

—

C

да

0

где

C

d

а

0
представляет собой потребление углерода другими восстановленными элементами, кроме железа (кг / тFe) и

C

C

B

р

0
— количество науглероживания в передельном чугуне (кг / тFe).C

ду

0
— содержание углерода в пыли на тонну железа (кг / тFe).

Количество кислорода, поступающего в доменный газ из сырья и топлива (кг / тFe), составляет

(8)

О

M

0

знак равно

м

синт

0

×

[

ω

0

(

Fe

2

О

3

синт

)

/

100

×

48

/

160

+

ω

0

(

FeO

синт

)

/

100

×

16

/

72

]

+

м

пелить

0

×

[

ω

0

(

Fe

2

О

3

пелить

)

/

100

×

48

/

160

+

ω

0

(

FeO

пелить

)

/

100

×

16

/

72

]

—

м

пыль

0

×

[

ω

0

(

Fe

2

О

3

пыль

)

/

100

×

48

/

160

+

ω

0

(

FeO

пыль

)

/

100

×

16

/

72

]

—

м

шлак

0

×

ω

0

(

FeO

)

/

100

×

16

/

72

+

M

0

×

[

ω

0

(

ЧАС

2

О

каменный уголь

)

/

100

/

(

1

—

ω

0

(

ЧАС

2

О

c

о

а

л

)

/

100

)

/

18

×

16

+

ω

0

(

О

каменный уголь

)

/

100

]

+

K

0

×

ω

0

(

О

кокс

/

100

)

+

10

×

(

[

Si

]

0

×

32

/

28 год

+

[

Mn

]

0

×

16

/

55

+

[

п

]

0

×

80

/

62

)

+

м

шлак

0

×

(

S

)

0

/

100

×

16

/

32

Количество молей H, содержащихся в кг угля (кмоль / кг):

(9)

п

0

(

ЧАС

c

о

а

л

)

знак равно

[

ω

0

(

ЧАС

c

о

а

л

)

/

100

/

2

+

ω

0

(

ЧАС

2

О

c

о

а

л

)

/

100

/

(

1

—

ω

0

(

ЧАС

2

О

c

о

а

л

)

/

100

)

/

18

]

Используйте приведенные выше результаты расчета в уравнении углеродно-кислородного баланса [5]:

(10)

η

C

О

0

знак равно

О

M

0

/

16

—

C

d

F

е

0

/

12

M

0

×

ω

0

(

C

c

о

а

л

)

/

100

+

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

0

/

12

—

η

ЧАС

2

×

v

ЧАС

2

О

_

б

0

×

C

C

B

Т

0

/

22.4

+

M

0

×

п

0

(

ЧАС

c

а

о

л

)

M

0

×

ω

0

(

C

c

о

а

л

)

/

100

+

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

0

/

12

Знаменатель — это общий объем углеродного газа в молях, в числителе — общий объем газа CO ₂ в молях, и количество равно общему количеству CO ₂ , образующемуся в результате реакции CO и O.CO образуется в результате сгорания фурмы, а O — из сырья и топлива, за вычетом мольного количества CO, полученного в процессе прямого восстановления C и FeO, и за вычетом молярного объема H ₂ O, полученного в результате прямого восстановления. H и O. η _{H 2} указывает коэффициент использования водорода в высокотемпературной зоне, который обычно составляет 30-50%.

Преобразуйте уравнение (9) в

(11)

M

0

знак равно

12

×

О

M

0

/

16

+

C

C

B

Т

0

+

C

d

а

0

(

η

C

О

0

+

1

)

×

ω

0

(

C

c

о

а

л

)

/

100

+

12

×

п

0

(

ЧАС

c

о

а

л

)

—

(

η

C

О

0

+

1

)

×

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

0

—

12

×

η

ЧАС

2

×

v

ЧАС

2

0

_

б

0

×

C

C

B

Т

0

/

22.4

(

η

C

О

0

+

1

)

×

ω

0

(

C

c

о

а

л

)

/

100

+

12

×

п

0

(

ЧАС

c

о

а

л

)

Используйте M ⁰ в уравнениях (5) и (7),

C

C

B

Т

_

c

о

k

е

0
и

C

d

F

е

0
можно рассчитать.

Сравнивая теоретическую скорость PCI, рассчитанную по приведенному выше уравнению, с фактическим углем, если отклонение невелико, его можно напрямую использовать в следующих расчетах. Однако расчетные данные необходимо проверять на наличие ошибок или искажения параметров. Исходя из этой предпосылки, отклонение между теоретическим и фактическим количеством необходимого угля (или скоростью PCI) корректируется для обеспечения точности расчетных результатов.

3 Расчет показателя теплоты чугуна [6, 7, 8, 9, 10]

Общий объем горячего воздуха, поступающего в доменную печь за минуту (Нм ³ / мин):

(12)

V

ЧАС

А

0

знак равно

V

б

0

+

V

о

2

0

/

60

+

V

c

о

а

л

0

/

60

+

V

c

о

а

л

_

N

2

0

/

60

+

ЧАС

А

D

D

0

×

1000

×

22.4

/

18

/

60

Соотношение H ₂ O в горячем воздухе:

(13)

φ

0

(

ЧАС

2

О

)

знак равно

(

ЧАС

А

D

D

0

×

1000000

/

60

+

(

V

б

0

+

V

c

о

а

л

0

/

60

)

×

ЧАС

А

Т

S

0

)

×

22.4

/

18

/

1000

/

V

б

0

Отношение O ₂ в горячем воздухе после разложения H ₂ O:

(14)

φ

1

0

(

О

2

)

знак равно

[

(

0.21 год

+

0,29

×

ЧАС

А

Т

S

0

×

22,4

/

18

/

1000

)

×

(

V

б

0

+

V

каменный уголь

0

/

60

)

+

V

o2

0

/

60

×

λ

o2

+

ЧАС

А

D

D

0

×

1000

×

22.4

/

18

/

2

/

60

]

/

V

б

0

Отношение O ₂ в горячем воздухе до разложения H ₂ O:

(15)

φ

2

0

(

О

2

)

знак равно

φ

1

0

(

О

2

)

—

φ

0

(

ЧАС

2

О

)

/

2

Соотношение N ₂ в горячем воздухе:

(16)

φ

0

(

N

2

)

знак равно

1

—

φ

2

0

(

О

2

)

—

φ

0

(

ЧАС

2

О

)

Объем горячего воздуха, необходимый для сжигания на килограмм углерода (Нм ³ / кг):

(17)

v

ЧАС

А

0

знак равно

22.4

/

24

/

φ

1

0

(

О

2

)

Объем H ₂ O в горячем воздухе для сжигания на килограмм углерода (Nm ³ / кг):

(18)

v

ЧАС

2

О

_

ЧАС

А

0

знак равно

v

ЧАС

А

0

×

φ

0

(

ЧАС

2

О

)

Объем сжигаемого горячего воздуха ₂ на килограмм углерода (Нм ³ / кг):

(19)

v

О

2

_

ЧАС

А

0

знак равно

v

ЧАС

А

0

×

φ

2

0

(

О

2

)

Объем N ₂ в горячем воздухе для сжигания на килограмм углерода (Nm ³ / кг):

(20)

v

N

2

_

ЧАС

А

0

знак равно

v

ЧАС

А

0

×

φ

0

(

N

2

)

Объем CO, образующегося при сжигании на килограмм углерода (Nm ³ / кг):

(21)

v

C

О

_

грамм

А

S

0

знак равно

22.4

/

2

Объем N ₂ , образующийся при сжигании на килограмм углерода (Nm ³ / кг):

(22)

v

N

2

_

грамм

А

S

0

знак равно

v

N

2

_

ЧАС

B

0

Объем H ₂ , образующийся при сжигании на килограмм углерода (Nm ³ / кг):

(23)

v

ЧАС

2

_

грамм

А

S

0

знак равно

22.4

/

24

/

ϕ

1

0

(

О

2

)

×

ϕ

0

(

ЧАС

2

О

)

×

(

1

—

η

ЧАС

2

)

Объем H ₂ O, образующийся при сжигании на килограмм углерода (Nm ³ / кг):

(24)

v

ЧАС

2

О

_

грамм

А

S

0

знак равно

22.4

/

24

/

ϕ

1

0

(

О

2

)

×

ϕ

0

(

ЧАС

2

О

)

×

η

ЧАС

2

Выручка от сжигания на килограмм углерода в высокотемпературной зоне (кДж / кг (C)):

(25)

q

C

_

C

B

Т

0

знак равно

9800

+

(

q

C

О

_

ЧАС

А

0

×

v

C

О

_

ЧАС

А

0

+

q

N

2

_

ЧАС

А

0

×

v

N

2

_

ЧАС

А

0

+

q

ЧАС

2

О

_

ЧАС

А

0

×

v

ЧАС

2

О

_

ЧАС

А

0

)

—

10785

×

v

ЧАС

2

О

_

ЧАС

А

0

—

q

ЧАС

_

р

D

C

×

η

ЧАС

2

×

v

ЧАС

2

О

_

ЧАС

B

0

—

(

q

C

О

_

грамм

А

S

0

×

v

C

О

_

грамм

А

S

0

)

+

q

N

2

_

грамм

А

S

0

×

v

N

2

_

грамм

А

S

0

+

q

ЧАС

2

О

_

грамм

А

S

0

×

v

ЧАС

2

О

_

грамм

А

S

0

+

q

ЧАС

2

О

_

грамм

А

S

0

×

v

ЧАС

2

О

_

грамм

А

S

0

)

где,

q

Икс_

ЧАС

B

0
указывают тепловую энтальпию x-газа при s удельной температуре дутья, и

q

Икс_

грамм

А

S

0
представляет собой тепловую энтальпию x-газа при предельной температуре (950 C).Для расчета энтальпии тепла используется метод, упомянутый в литературе [6]. q _{H _ RDC} — приведенное тепловое потребление водорода на 1 кмоль.

При сжигании кокса тепловая прибыль на килограмм углерода (кДж / кг (C)) составляет

(26)

q

C

_

C

B

Т

_

c

о

k

е

0

знак равно

q

C

_

C

B

Т

0

—

C

¯

c

о

k

е

×

ω

0

А

c

о

k

е

ω

0

C

c

о

k

е

×

(

т

s

л

а

грамм

—

т

Lim

я

т

)

При сжигании угля тепловая прибыль на килограмм угля (кДж / кг (C)) составляет

(27)

q

c

о

а

л

0

знак равно

q

C

_

C

B

Т

0

×

ω

0

(

C

c

о

а

л

)

/

100

—

q

ЧАС

_

р

D

C

×

η

ЧАС

2

×

п

0

(

ЧАС

c

о

а

л

)

—

q

D

E

C

Термический расход углерода на килограмм прямого уменьшения (кДж / кг (C)) составляет

(28)

q

d

F

е

0

знак равно

q

d

F

е

_

р

D

C

0

+

C

¯

c

о

k

е

×

ω

0

А

c

о

k

е

ω

0

C

c

о

k

е

×

(

т

шлак

—

т

предел

)

Теплопотери на тонну железа (кДж / тFe):

(29)

Q

потеря

0

знак равно

λ

л

о

s

s

×

Q

л

о

а

d

×

10000

×

24

/

п

0

Используя приведенные выше результаты расчета в уравнениях теплового равновесия и углерод-кислородного баланса для расчета высокотемпературной зоны доменной печи, целевой показатель теплоты сгорания шлака и железа (кДж / тFe) составляет

(30)

Q

высокая температура

0

знак равно

q

C

_

C

B

Т

0

×

C

C

B

Т

_

c

о

k

е

0

+

q

c

о

а

л

0

×

M

0

—

q

d

F

е

0

×

C

d

F

е

0

—

Q

потеря

0

Индекс теплоты чугуна и шлака указывает количество теплоты чугуна и шлака на тонну чугуна, которые представляют уровень тепла доменной печи.Чем выше показатель теплоты шлака и чугуна, тем выше теплота печи.

4 Прогнозирование и контроль нагрева печи

Использование целевых параметров (или фактических рабочих параметров) в уравнениях теплового равновесия и углеродно-кислородного баланса,

(31)

λ

высокая температура

×

Q

высокая температура

0

знак равно

q

C

_

C

B

Т

×

C

C

B

Т

_

c

о

k

е

+

q

c

о

а

л

×

M

—

q

d

F

е

×

C

d

F

е

—

Q

л

о

s

s

(32)

η

C

О

знак равно

О

M

/

16

—

C

d

F

е

/

12

M

×

ω

(

C

c

о

а

л

)

/

100

+

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

/

12

—

η

ЧАС

2

×

v

ЧАС

2

О

_

б

×

C

C

B

Т

/

22.4

+

M

×

п

(

ЧАС

c

о

а

л

)

M

×

ω

(

C

c

а

о

л

)

/

100

+

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

/

12

где,

(33)

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

знак равно

K

×

ω

(

C

c

о

k

е

)

/

100

—

C

C

B

р

—

C

d

ты

s

т

(34)

C

C

B

Т

_

c

о

k

е

знак равно

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

—

C

d

F

е

—

C

d

а

(35)

C

C

B

Т

знак равно

C

C

B

Т

—

c

о

k

е

+

M

×

ω

(

C

c

о

а

л

)

/

100

(36)

C

C

B

Т

знак равно

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

—

C

d

F

е

—

C

d

а

+

M

×

ω

(

C

c

о

а

л

)

/

100

Метод расчета O _M , C _da , C _CBR , C _пыли , n (H _уголь ), q _{C _ CBT} , q _уголь , q _dFe то же, что

О

M

0

,

C

d

а

0

,

C

C

B

р

0

,

C

d

ты

s

т

0

,

п

0

(

ЧАС

c

о

а

л

)

,

q

C

_

C

B

Т

0

,

q

каменный уголь

0

,

q

d

F

е

0

.

Q _тепла = λ _тепла × _Q ⁰ _тепла , λ _тепла — коэффициент тепла, и когда λ _тепла = 1, тепло печи можно считать эквивалентным эталон тепла печи.

Формула прогноза температуры расплавленного чугуна:

(37)

Т

я

р

о

п

знак равно

[

1

+

α

×

λ

высокая температура

—

1

]

×

Т

утюг

0

, где α — коэффициент корреляции между температурой жидкого чугуна и показателем теплоты шлака.

Используя приведенные выше результаты вычислений в уравнениях (31) и (32), только M и C _dFe являются двумя неизвестными в уравнении [5].

(38)

q

c

о

а

л

×

M

+

(

q

d

F

е

—

q

C

_

C

B

Т

)

×

C

d

F

е

знак равно

λ

час

е

а

т

×

Q

час

е

а

т

0

—

q

C

_

C

B

Т

×

(

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

—

C

да

)

+

Q

потеря

(39)

[

η

C

О

×

ω

(

C

c

о

а

л

)

/

100

12

+

η

ЧАС

2

×

(

v

ЧАС

2

О

_

ЧАС

B

×

ω

(

C

c

о

а

л

)

/

100

22.4

+

п

(

ЧАС

c

о

а

л

)

]

×

M

+

(

1

12

+

η

ЧАС

2

×

v

ЧАС

2

О

_

ЧАС

B

22.4

)

×

C

d

F

е

знак равно

О

M

16

—

η

ЧАС

2

×

v

ЧАС

2

О

_

ЧАС

B

×

(

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

—

C

d

а

)

22.4

—

η

C

О

×

C

грамм

А

S

_

c

о

k

е

12

M и C _dFe можно получить из уравнений (38) и (39), и результат можно использовать в уравнениях (34) и (35) для расчета C _{CBT _ coke} и C _CBT .

Расчетная суточная добыча чугуна (т / сутки):

(40)

п

знак равно

1440

×

О

2

_

ЧАС

B

C

C

B

Т

×

22,4

/

24

Количество необходимого угля (т / час):

(41)

м

c

о

а

л

знак равно

п

×

[

M

+

(

M

а

—

M

0

)

]