Перспективы развития коксодоменного передела

ОБОГАЩЕНИЕ И ПОДГОТОВКА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМУ ПЕРЕДЕЛУ

УДК 669.1

Шаган В.А., Макарова И.В., Манашева Э.М., Байченко С.А., Кашапов М.М.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОКСОДОМЕННОГО ПЕРЕДЕЛА

Аннотация. Рассмотрены способ увеличения производительности доменной печи и снижения расхода кокса за счет вдувания пылеугольного топлива. Проанализированы вопросы влияния качества кокса на его расход в доменную печь. Показано, что при вдувании в доменную печь больших объемов ПУТ повышаются требования к качеству кокса. Рассмотрен способ повышения качества кокса путем предварительного трамбования угольной шихты.

Ключевые слова: кокс, пылеугольное топливо, качество кокса, трамбование, производительность доменной печи, расход кокса.

Целью работы является выявление закономерностей влияния качества кокса на его удельный расход в доменной печи при вдувании ПУТ, а также выбор способа повышения качества кокса для современной коксовой батареи.

Ожидаемым результатом исследования является обоснование целесообразности строительства и введения в эксплуатацию современной коксовой батареи, разработка рекомендаций по улучшению качества кокса и обоснование необходимости дальнейшего развития и внедрения технологии вдувания ПУТ в доменном производстве.

Одним из наиболее уязвимых мест доменного производства является очень высокая энергоемкость, причем таких дефицитных и дорогих энергоресурсов, как кокс, мазут, природный газ. В современном доменном производстве стоимость топлива составляет до 50% себестоимости чугуна. Таким образом, уровень затрат кокса, как основного вида топлива в доменной печи, на 1 т чугуна - универсальный показатель эффективности и конкурентоспособности как доменного производства, так и всей металлургической области в целом.

В связи с этим в доменной технологии XXI века все активнее применяются различные топливные добавки, являющиеся заменителями дефицитного топлива - кокса. Массовому применению заменителей кокса способствует сокращение мировых запасов коксующихся углей, что приводит к ухудшению качества и повышению цен на металлургический кокс.

В таких условиях управление доменной плавкой - это искусство организации технологического процесса в доменной печи в конкретных условиях, обеспечивающего максимальную выплавку чугуна высокого качества при минимальных затратах материальных и трудовых ресурсов.

Новейшие технологии выплавки чугуна направлены на увеличение удельной производительности (до 2,5-3,5 т/(м3-сут)), сохранение дефицитных и дорого-

© Шаган В.А., Макарова И.В., Манашева Э.М., Байченко С.А., Кашапов М.М., 2015

стоящих энергоносителей и замену их на пылеугольное топливо (ПУТ). До недавнего времени основным заменителем кокса на металлургических предприятиях являлся природный газ, который значительно дороже ПУТ. Необходимым условием для сокращения расхода кокса в доменных печах путем замены его пылеугольным топливом является улучшение его качества, в том числе по реакционной способности (CRI) и послереакционной прочности (CSR). Основной эффект от применения измельченного угля заключается в непосредственной замене углерода кокса углеродом каменного угля. Уголь не содержит водород, и поэтому в отличие от углеводородов он не влияет на ход восстановительных процессов, однако при применении угля снижается температура в горне, и это ограничивает его расход [1]. Применение ПУТ приводит к повышению производительности печи в среднем на 1,5-2,0% и облегчает управление плавкой «снизу», что также повышает эффективность плавки.

На многих металлургических заводах Европы, Азии, Америки в домну вдувают ПУТ до 200-240 кг/т чугуна, а затраты кокса при этом снижены до 280300 кг/т. При этом не используют природный газ и мазут. Для достижения таких показателей металлургическому заводу нужен кокс с показателями CRI менее 30%, а CSR более 65-70%. Зависимость удельного расхода ПУТ от горячей прочности кокса представлена на рис. 1, из которого видно, что увеличение расхода ПУТ свыше 300 кг/т чугуна будет возможно только при повышении горячей прочности кокса до 80-90%. Для получения доменного кокса с такими показателями качества нужно иметь высококачественный коксующийся уголь, количество которого недостаточно для нужд коксохимических предприятий. Поэтому для улучшения качественных показателей CSR и CRI доменного кокса используют различные способы и приемы, основанные как на составлении и подготовке угольной шихты для коксования, так и на варьировании условий и технологий коксования.

350

с:

Я

Р 300

а 250 Н

И 200 3

в

£ 150

100

1 1 у = 6,064*С8Я- 223,78

Р.' = 0.6498 о»

• г"

•

60

90

65 70 75 80 85 Горячая прочность кокса С?Ж. % Рис. 1. Зависимость удельного расхода ПУТ от горячей прочности кокса: точки - экспериментальные значения по данным работы [2]; штриховая линия - прогноз

Для успешного внедрения технологии вдувания ПУТ в доменную плавку необходимо выполнить комплекс мероприятий:

- улучшить качество кокса по показателю CSR

до 62% и более;

- снизить зольность шихты для коксования до

7,5%;

- обеспечить высокую стабильность показателей качества шихты для коксования;

- использовать для ПУТ угли с зольностью 6,0-8,5% и содержанием серы менее 1%;

- обеспечить стабильность качества показателей используемых для ПУТ углей;

- обеспечить стабильность качества компонентов железорудной шихты;

- уменьшить содержание мелочи в железорудном сырье до 3-5%;

- повысить температуру дутья до 1200-1250°С;

- увеличить содержание кислорода в дутье до 28-33%.

Соблюдение этих условий гарантирует получение высоких коэффициентов замены кокса при использовании ПУТ [3] (рис. 2 и 3). Однако эта зависимость может быть нарушена, если зольность ПУТ меньше зольности кокса, что может привести к повышению эффективности использования ПУТ с увеличением коэффициента замены кокса до 1,0.

Расход ПУТ, «г.'г чугун.!

Рис. 3. Зависимость расхода кокса от расхода пылеугольного топлива

Требования к качеству кокса при применении ПУТ возрастают прежде всего в связи тем, что кокс является единственным твёрдым материалом ниже зоны когезии доменной печи и расходуется здесь с более медленной скоростью, т.е. подвергается более длительному воздействию высоких температур и веса столба шихты. В связи с этим кокс должен быть более прочным физически и устойчивым к химическому воздействию, чтобы обеспечить высокую газопроницаемость шихты.

Показатель прочности кокса после взаимодействия с углекислым газом (CSR) в значительной степени зависит от химического состава золы, который влияет на реакционную способность кокса. Коэффициент замены кокса пылеугольным топливом в доменной печи находится в функциональной зависимо) и кокса ):

сти от зольности ПУТ

Рис. 2. Зависимость коэффициента замены кокса от расхода ПУТ

где Кп - коэффициент замены кокса пылеугольным топливом;

- зольность пылеугольного топлива;

- зольность кокса.

Таким образом, эффективность использования ПУТ тем выше, чем меньше его зольность, что и является одним из главных требований, предъявляемых к углю для данной технологии. Производственный опыт показывает, что при коэффициенте замены кокса ПУТ, равным 1, повышение зольности ПУТ на 1% снижает производительность доменной печи на 1-3%. К тому же при повышении зольности ПУТ снижается коэффициент замены кокса пылеугольным топливом, определяющим эффективность данного вида топлива.

Еще одним требованием к технологии плавки [7] с ПУТ является то, чтобы общее содержание серы во вдуваемом угле не должно превышать его содержание в используемом коксе. При этом среднее содержание серы в высококачественном коксе составляет не более 0,85%.

Преимущества применения ПУТ в металлургии чугуна подтверждаются также следующими объективными данными [4-6]:

- расход ПУТ на 1 т чугуна достиг 170-290 кг, доля замены им кокса - 35-50%: в ряде стран ведутся работы по качественному совершенствованию данной технологии с целью повышения доли замены кокса ПУТ до 60-70%;

- на протяжении последних 30 лет практически все новые или реконструируемые доменные печи за рубежом строили в комплексе с современными пыле-угольными установками;

- на производство 1 т кокса расходуется примерно 1,3 т угольной шихты, в том числе 20-40% коксующихся углей. Производство 1 т ПУТ требует 1,1 т угля. Коэффициент замены кокса ПУТ, зольностью 510%, составляет 0,8-1,1 кг/кг. Что позволяет значительно сократить затраты.

Также следует отметить, что капитальные затраты на строительство коксохимических батарей в три раза выше, чем на строительство пылеугольной установки равной мощности, при возможности использования для приготовления ПУТ высококачественных некоксующихся газовых углей.

Технология доменной плавки с вдуванием в горн ПГ, требующая ежегодно на её реализацию примерно 2,5 млрд м3 ПГ, менее эффективна по сравнению с вдуванием ПУТ. Определяющими показателями, характеризующими преимущества ПУТ по сравнению с ПГ, являются возможность замены ПУТ в 2-3 раза большего количества кокса.

В условиях ОАО «ММК» наиболее приемлемыми вариантами печей, позволяющих производить кокс повышенного качества, удовлетворяющего основным требованиям для применения ПУТ в доменном производстве, являются:

1) коксовые батареи с установкой сухого тушения кокса (УСТК);

2) коксовые батареи с трамбованием угольной шихты.

Применение процесса сухого тушения кокса в технологии производства кокса в последние десятилетия во многих странах стало преобладающим. Это связано с тем, что данный процесс обладает рядом преимуществ по сравнению с мокрым тушением кокса:

- улучшение качества металлургического кокса по влаге, прочности, реакционной способности, гранулометрическому составу, позволяющее снизить его расход в доменном процессе на 3-5 %;

- повышение производительности на 4%;

- увеличение показателя М25 до 89%;

- уменьшение показателя М10 до 8,0%;

- утилизация тепла раскаленного кокса (до 50% от израсходованного на коксование), с последующим использованием полученного пара для выработки электроэнергии;

- сокращение вредных выбросов в атмосферу;

- снижение расхода кокса в доменных печах;

- возможность использования в шихтах для коксования увеличенного содержания слабоспекаю-щихся углей с получением качественного металлургического кокса;

- увеличение производительности доменных печей.

Соотношение кокса, потушенного сухим методом, и мокрого на примере ОАО «ММК» и Череповецкого металлургического завода ОАО «Северсталь» представлено в табл. 1.

Таблица 1

Потушенные печи на УСТК, %

ОАО «Северсталь» ОАО «ММК»

Период Сухое Мокрое Сухое Мокрое

тушение тушение тушение тушение

2013 г. 67,31 32,68 16,2 83,8

2014 г. 66,66 33,33 16,1 83,9

Исследования показали, что улучшение качества потушенного сухим способом кокса происходит, в основном, из-за его изотермической выдержки в камере-накопителе УСТК, которая является обязательным элементом установки. В камере-накопителе продолжается процесс молекулярно-структурных превращений кокса. При этом действительная плотность кокса увеличивается, а удельное электросопротивление и реакционная способность снижаются, что соответствует требованиям к качеству доменного кокса. В табл. 2 представлены показатели качества кокса печей ОАО «ММК» КБ №9 с использованием сухого тушения кокса и КБ №3-4 мокрого тушения. На печи подается шихта одинакового качества и состава.

Таблица 2

Показатели качества кокса коксовых печей ОАО «ММК» №9 и 3-4

Параметры 3-4 батарея 9 батарея

М 25 % 87,6 89,2

М 10 % 8,6 8,0

Зола 12,7 12,6

Сера 0,45 0,41

Углерод 83,00 82,90

Влага 3,8 0,3

CRI 33,3 31,6

CSR 49,5 52,2

Содержание в металлурги-

ческом коксе класса +80 мм

23,3 19,2

Из приведенных данных видно, что качество кокса сухого тушения по всем показателям выше, а также он обладает большей равномерностью гранулометрического состава за счет снижения содержания крупных классов (более 80 мм).

Если рассматривать эффективность УСТК в пределах коксохимического завода, то она невелика, поскольку потери от угара кокса почти в 2 раза превы-

шают прибыль от реализации пара и электроэнергии от УСТК, однако если рассматривать эффективность УСТК в комплексе с металлургическим заводом, то прибыль от УСТК очевидна за счет экономии кокса в доменном производстве.

Второй способ повышения качества кокса заключается в применении загрузки трамбованием шихты. Данная технология более перспективна и выгодна, поскольку позволяет не только повысить качество кокса при применении стандартной шихты, но и значительно снизить себестоимость продукции за счет введения в шихту дешевых слабоспекающихся углей низкого качества (до 40%) без ухудшения качества производимого кокса.

Преимущества технологии загрузки трамбованием:

- снижение показателя MIO (<7%);

- увеличение показателя М25 (>90%);

- увеличение выхода доменного кокса на 4 %;

- увеличение производительности до 10-15 % при одинаковом объеме печи за счет высокой плотности загрузки;

- единообразная насыпная мощность угольной загрузки по всей высоте коксовой печи;

- исключение нижней загрузки коксовой печи;

- возможность увеличения расхода ПУТ (пылеугольного топлива) на тонну чугуна;

- увеличение показателя CSR (>65%) и снижение параметра CRI (<30%);

- отсутствие контакта между дверью коксовой печи и угольным пирогом и, как следствие, меньше проблем с негерметичностью и блокированием дверей;

- может быть применена почти на каждой коксовой печи с верхней загрузкой, без нарушения текущей работы коксовой печи.

При использовании загрузки с трамбованием уголь трамбуется вне коксовой печи в отдельные «брикеты» (угольные брикеты), имеющие почти те же размеры, что и камера печи. Угольные брикеты имеют плотность до 1,15 т/м3 (на основе сырого угля с 10% содержанием влаги), благодаря этому в печь грузится на 30% шихты больше, чем при загрузке измельченного угля, в системах с верхней загрузкой.

Для данной технологии загрузки коксовыталкиватель совмещен с устройством для трамбования угольной шихты - трамбовочно-загрузочно-выталкивающая машина (ТЗВМ). Для подачи шихты в камеру трамбовочного устройства предусматривается

наличие угольной башни, размещенной над путями ТЗВМ.

Процесс трамбования угольной шихты состоит в том, что шихта из угольных башен, находящихся над ТЗВМ, подается в ее трамбовочную камеру. В данной камере происходит послойное уплотнение шихты падающими молотками. Процесс уплотнения продолжается 3-4 мин (рис. 4), затем «угольный брикет» на поддоне, который является составной частью уплотни-тельной камеры, вдвигается в камеру коксования, поддон выдергивается из камеры коксования назад в трамбовочную камеру, дверь коксовой камеры запирается, и процесс коксования начинается. Основными технологическими параметрами процесса трамбования шихты, обеспечивающими нужные характеристики угольного пирога, являются: удельная работа трамбования, массовая доля в шихте углей разных марок, гранулометрический состав и влажность шихты.

Увеличение влажности трамбованной угольной шихты от 8 до 10% благоприятно влияет на плотность получаемого пирога; при превышении 10% прочностные характеристики угольного пирога понижаются. В связи с этим на заводах, применяющих трамбование, влажность шихты должна быть в пределах 8-10%.

Рис. 4. Схема трамбования и загрузки трамбовки в печь [9]

Хорошей степенью измельчения шихты считается 90-92% содержания класса менее 3 мм, Для достижения хорошей трамбуемости шихты содержание в ней жестких газовых углей не должно превышать 60%.

На заводе TATA Steel [9] проведен анализ качества кокса по показателям М10 и CSR на печах с верхней загрузкой и загрузкой трамбования. Результаты представлены на рис. 5 и 6, из которых видно, что использование загрузки трамбованием приводит к значительному повышению качества кокса.

ОБОГАЩЕНИЕ И ПОДГОТОВКА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМУ ПЕРЕДЕЛУ

(¡4

со О л ч

и ё

и о С

80 70 60 50 40 30

верхняя загрузка загрузка трамбованием

Ы

С

ж

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Рис. 5. Показатель CSR на печах с верхней загрузкой и загрузкой с трамбованием [9]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Рис. 6. Показатель М10 на печах с верхней загрузкой и загрузкой с трамбованием [9]

На заводе ОАО «Алчевсккокс» [10] была применена технология трамбования угольной шихты на коксовых батареях №9-бис и 10-бис с проектной мощностью 1 млн т в год. На печи № 10-бис также применяется сухое тушение кокса. Данные по качеству кокса приведены в табл. 3.

Сравнительная характеристика прогнозируемого качества кокса для печей, работающих по разным технологиям, представлена в табл. 4.

Прогнозируемые показатели качества кокса, %

Таблица 4

Качество кокса коксовых батарей ОАО «Алчевсккокс» №9-бис и 10-бис, % [10]

Таблица 3

Показатель качества Коксовая батарея с нижним подводом и мокрым тушением Коксовая батарея с нижним подводом и сухим тушением Печи с трамбованием угольной шихты Коксовая батарея с трамбованием угольной шихты и сухим тушением *

М25 87 89,0 92,0 93,5

М10 8,6 8,0 7,0 6,5

W 4,0 0,3 4,0 0,3

CSR 49,5 52,2 >62 >62

CRI 33,3 36,1 <30 <30

Показатель качества Батарея 9-бис Батарея 10-бис

М25 89,7 91,7

М10 4,6 4,1

Влага 3,9 0,3

Зола 11,3 11,3

Сера 1,0 1,0

*Для технологии трамбования с применением сухого тушения предлагается угольная шихта следующего состава: спекающиеся 45%; коксовые 21,6%; отощающие 33,4%.

Таким образом, из табл. 4 видно, что совместное применение трамбования шихты и сухого тушения позволяют получить кокс с более высокими прочностными характеристиками, отвечающими требованиям ведения доменного процесса с применением ПУТ.

Заключение

Проведен анализ работы коксовых печей с различными методами загрузки угольной шихты и тушения кокса, даны рекомендации о наиболее подходящем варианте для строительства современной коксовой батареи, работающей по новой технологии и позволяющей производить кокс повышенного качества, удовлетворяющего основным требованиям для применения ПУТ в доменном производстве в условиях ОАО «ММК», поскольку печной фонд уже морально и физически устарел.

Проанализированы результаты работы доменных печей и выявлены закономерности влияния качества кокса на его удельный расход в доменной печи при ведении плавки с применением пылеугольного топлива, также рекомендовано оптимальное количество вдуваемого ПУТ, обеспечивающее ровный ход печи при минимальных экономических затратах.

Список литературы

1. Некрасов З. И. Опыт применения природного газа в доменном производстве // Бюл. ЦНИИИЧМ. 1962. № 8.

2. Золотухин Ю. А., Андрейчиков Н. С., Куколев Я. Б. Требования к качеству кокса для доменных печей, работающих с различ-

ным удельным расходом пылеугольного топлива // Кокс и химия. 2009. № 3.

3. Ярошенко Ю.Г. Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии черной металлургии: учеб. пособие. Екатеринбург: ООО «УИПЦ» 2012. 670 с.

4. Ярошевский С. Л. Резервы эффективности комбинированного дутья в доменных цехах Украины // Познание процессов доменной плавки. Днепропетровск: Пороги, 2006. С. 366-378.

5. Савчук Н.А., Курунов И.Ф. Доменное производство на рубеже XXI века // Новости черной металлургии за рубежом. М.: ОАО «Черметинформация», 2000. Ч. II, прил. 5. 42 с.

6. Проблемы продления кампании доменной печи и освоения технологии вдувания ПУТ. Современные решения и практический опыт: материалы 2-й Междунар. конф. доменщиков. Днепропетровск, 2009.

7. Васильев Ю.С., Дроздник И.Д. Сырьевая база для технологии вдувания пылеугольного топлива в доменные печи заводов Украины // Труды междунар. науч.-техн. конференции «Пыле-угольное топливо - альтернатива природному газу при выплавке чугуна». Донецк: УНИТЕХ, 2002.

8. Товаровский И.Г. Доменная плавка: монография. 2-е изд., доп. и уточ. Днепропетровск: Пороги, 2009.

9. Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Юсфин Ю.С. Металлургия чугуна: учебник для вузов / под ред. Ю.С. Юсфина. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. 774 с.: ил.

10. Воденников С.А., Аносов В.Г., Лаптев Д.А. Анализ эффективности доменной плавки с заменой кокса пылеугольным топливом // Металлургия. 2012. Вып. 28.

Сведения об авторах

Шаган Вера Александровна - студентка магистратуры, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Е-mail: Verusik-1991 @mail.ru

Макарова Ирина Владимировна - канд. техн. наук, доц. кафедры МЧМ, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Е-mail: m.irina1976@mail.ru

Манашева Эльвира Мударисовна - студентка магистратуры, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: kadirova.elya@mail.ru

Байченко Светлана Александровна - преподаватель спецдисциплин, ГАОУ СПО (ССУЗ) ЧО «Политехнический колледж». E-mail: baichenko. svetlana@yandex.ru

Кашапов Максим Максимович - студент каф. МЧМ, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: russian-hangover@mail.ru

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

PROSPECTS OF BLAST FURNACE PRODUCTION DEVELOPMENT

Shagan Vera Aleksandrovna - Magistracy Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: Verusik-1991@mail.ru

Makarova Irina Vladimirovna - Ph.D. (Eng.), Assistant Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: m.irina1976@mail.ru

Manasheva Elvira Mydarisovna - Magistracy Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: kadirova.elya@mail.ru

Baichenko Svetlana Aleksandrovna - Teacher of specialty disciplines, Polytechnic College. E-mail: baichenko.svetlana@yandex.ru

Kashapov Maxim Maximovich - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: russian-hangover@mail.ru

Abstract. The way of increase the productivity of blast furnaces and reduce consumption of coke by pulverized coal injection are considered. The questions of influence the coke quality to coke consumption into the blast furnace are analyzed. The injection of dust coal fuel in large quantities into the blast furnace are increase the increase to coke quality are shown. The way of increase the coke quality by preliminary punning of coal charge are considered.

Keywords: coke, dust coal fuel, coke quality, punning, the productivity of blastfurnace, coke consumption.