Аналитическое исследование возможности снижения расхода кокса при улучшении восстановительной работы газового потока в доменной печи

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

УДК 669. 162.263.23.004.67

Семакова В.Б.1, Семаков В.В.2

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА КОКСА ПРИ УЛУЧШЕНИИ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ГАЗОВОГО ПОТОКА В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

В статье рассмотрена упрощенная математическая модель для расчета минимального расхода кокса. Определено изменение расхода кокса по мере достижения печными газами равновесного состава.

Ключевые слова: расход кокса, степень использования газа, степень прямого восстановления, критерий полноты косвенного восстановления.

Семакова В.Б., Семаков В.В. Аналітичне дослідження можливості зниження витрати коксу при поліпшенні відновної роботи газового потоку в доменній печі. У статті розглянуто спрощена математична модель, щодо розрахунку мінімальної витрати коксу. Визначено зміна витрати коксу в міру досягнення пічними газами рівноважного складу.

Ключові слова: витрата коксу, ступінь використання газу, ступінь прямого відновлення, критерій повноти непрямого відновлення.

V.B. Semakova, V. V. Semakov. Analytical research of decrease coke consumption possibility at improvement of gas stream reduction work in the blast furnaces. In the article the simplified mathematical model for the evaluation of minimum coke consumption is considered. Difference of coke consumption was determined after the stove gases had reached balance composition.

Key words: coke consumption, degree of the gas use, degree of direct reduction, criterion of indirect reduction plenitude.

Постановка проблемы. Восстановительная работа газового потока в печи является одним из факторов, определяющих удельный расход кокса доменной плавки. Минимальный теоретически возможный расход кокса Kmin соответствует максимальной равновесной степени использования газового потока pwmax в печи. Определение Kmin и pwmax является сложной вычислительной задачей, решаемой при помощи ЭВМ и требующей разработки математической модели, позволяющей прогнозировать изменение показателей доменной плавки по мере приближения состава печных газов к равновесному.

Анализ последних исследований и публикаций. В конце 19 столетия акад. М.А. Павлов показал, что расход кокса в доменной плавке определяется не только затратами его на покрытие тепловых потребностей процесса, но и на образование восстановительного газа СО, следовательно минимальный расход кокса будет достигаться при некотором соотношении реакций косвенного и прямого восстановления в печи. Расчет минимально возможного расхода кокса на доменную плавку, основанный на идее акад. М.А. Павлова о дифференциации функций углерода кокса как источника тепла и восстановителя, проводился многими учеными: А.Н. Раммом, А. Ристом, А.П. Любаном, В.Н. Андроновым, И.Г. Товаровским и др. [1-5], которые внесли в него дополнения: условия равновесия химических реакций, применение зональных тепловых балансов и т. д. Проведение корректного расчета Kmin затруднено неизбежными допущениями при учете множества факторов и многообразием функций кокса в доменной печи. Полученные разными авторами значения минимального расхода кокса в различных условиях плавки изменяются в широких пределах 200-500 кг/т чугуна.

Цель статьи - разработка упрощенной математической модели доменной плавки, позволяющей прогнозировать изменение показателей работы доменных печей в конкретных технологических условиях по мере достижения печным газом равновесного состава, для определения резервов снижения удельного расхода кокса.

1 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

2 магистрант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

36

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

Изложение основного материала. Упрощенная математическая модель определения показателей доменной плавки основана на решении системы двух уравнений: расхода «кокса-источника тепла» Кт и «кокса-источника восстановителя» Кв. Потребность в «коксе-источнике тепла» рассчитывалась по уравнению теплового баланса [1, 6, 7]. Приход тепла учитывался по следующим статьям:

1) тепло доокисления монооксида углерода в диоксид углерода

дСОг =12690^ кДж,

где 12690 - тепло, выделяющееся при горении СО в СО2, кДж/м3;

VCO^ = VЕ _ ViH - объём СО2, образовавшегося в результате реакций косвенного восстановления, м3 5/т чугуна:;;

ViЕ= ОЩ^іОь + ГОГ - суммарный объём продуктов реакций косвенного восстановления Fe2O3 и FeO железорудной части шихты, м3/т чугуна; ri - степень косвенного восстановления по М.А. Павлову, д. ед.;

Оші0 - объем атомарного кислорода, отнимаемого от Fe2O3 шихты при восстановлении до FeO, м3/т чугуна:

QFe2O3

ш

= 22,4P

С

^Fe2O3 160 ,

Ррш - расход железорудной шихты, кг/т чугуна;

CF O и CFeO - содержание Fe2O3 и FeO в железорудной шихте, д. ед.;

0IuF>O - объем атомарного кислорода FeO шихты, в том числе полученного при восстановлении высших оксидов, м3/т чугуна:

oFeO

ш

= 22,4P„

2CF O С

Fe2O3 + ^ FeO

160 + 72

где VH = 2qHSm - объём Н2О, образовавшегося в результате реакций косвенного восстановления, м3 (поступление водорода с коксом и влагой дутья не учитывалось);

ПН - степень использования Н2 в реакциях косвенного восстановления, д. ед.;

Snr - расход природного газа, м3/т чугуна;

2) тепло окисления углерода кокса до СО:

qcO = 5250^|4Vct, кДж,

где 5250 - тепло, выделяющееся при окислении С в СО, кДж/м3;

VCt - объем газифицированного кислородом углерода кокса, м3/т чугуна:

22 4

Vck = CK -1000 C);

Ck и Сч- содержание углерода в коксе и чугуне соответственно, д. ед.;

K - удельный расход кокса, кг/т чугуна;

3) тепло окисления водорода в реакциях косвенного восстановления железа

qH = 10806 • VH, кДж,

где 10806 кДж/м3 - тепло, выделяющееся при горении 1 м3 Н2;

4) тепло сгорания природного газа с образованием СО и Н2 при условии, что природный

газ состоит исключительно из СН4: qnr = 1590 • Snr,кДж;

где 1590 кДж/м3- тепло, выделяющееся при горении 1 м3 СН4 до СО и Н2;

5) тепло, вносимое дутьем:

37

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

q = сдТд¥д, кДж

где сд и Тд - теплоемкость, кДж/(м3^К), и температура дутья, оС;

Vd - объём дутья, м3/т чугуна; V = Vc*_ ,

д 2

ю - содержание кислорода в дутье, д. ед.;

Vc - объём газифицированного кислородом дутья углерода у фурм, м3/т чугуна:

Сф

V = V + S„, - V,

VC = (1 - r О

ф

k

Vc - объём газифицированного углерода кокса при прямом восстановлении вюстита,

Cd

м3/т чугуна;

6) вносимое шихтой: qm = срШРрШТрШ + сириТи + ckKTk, кДж

где срш, си, ск - теплоемкость, кДж/(кг-К), рудной шихты, известняка и кокса при температуре их загрузки в доменную печь Трш, Ти, и Tk, оС, соответственно;

Ри - расход известняка, кг/т чугуна.

Расход тепла учитывался по следующим статьям:

1) расход тепла на диссоциацию оксидов железа:

qFe = Ррш

где 5154 и 4076 - теплота диссоциации Fe2O3 и FeO, кДж/кг; и прочих соединений:

qnp = 31079mSi4 + 7892mM„4 + 35755mP^ кДж;

где 31079; 7892; 35755 - тепло разложения Si02, кДж/кг Si; силиката марганца иMnO, кДж/кг Mn; Р2О5, кДж/кг Р;

mSi4, тМпч, тРч - масса соответственно кремния, марганца и фосфора в 1 т чугуна, кг;

2) расход тепла на диссоциацию карбоната кальция: qu = 4074ССОРи, кДж,

где 4074 - теплота диссоциации СаСО3 ^ СаО + СО2, кДж/кг СО2 [11];

ССОг - потери при прокаливании известняка, д. ед.;

3) тепло, уносимое чугуном: q4 = счТчтч, кДж, (15) где сч, Тч и тч - теплоемкость, кДж/(кг-К), температура, оС, и масса чугуна тч=1000 кг;

4) тепло, уносимое шлаком q = с Т В , кДж,

' ’ J ІШЛ шл шл щл’ “ ’

где сшл, Тшл и Вшл - теплоемкость, кДж/(кг-К), температура, оС, и выход шлака, кг/т чугуна; при работе на подготовленном железорудном сырье приближенно можно оценить как

Вшл С Fe2O3

где Ak - зола кокса, д. ед.;

CPeo )Р

+ AkK + (1 - Co )Ри

5) тепло, уносимое колошниковым газом: qKz = скгТкгДкг, кДж,

где скг, Ткг и VKa - теплоемкость, кДж/(м3-К), температура, оС, и выход колошникового газа, м3/т чугуна:

22 4

V. =

6) тепло, уносимое влагой колошникового газа: qw = ск ТкгУк , кДж,

38

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

где cw - теплоемкость, кДж/(м3-К),

WK

Vw ~ V,H - объём влаги колошникового газа, м3/т чугуна.

Уравнение потребности в газе-восстановителе, образующемся при газификации кокса и природного газа, для восстановления FeO представляется также в общем виде:

Г з

V = — oFeO, м3,

гв п ш пФ

где Ve - объем газа-восстановителя, образующегося в доменной печи, м3/т чугуна;

22 4

V- = 3S„, + V, + —С Рищ

Ck —— С02 и

Пи - коэффициент участия СО2 флюса в реакции С+СО2=2СО, д. ед.;

Пф - фактическая степень использования газа по реакции FeO+CO(H2)=Fe+CO2(H20), д. ед.

ДП № 2

X = 838,1 - -97,-г ,

\ г.

K = 239,5-^ -164,6;

I щ

ДП № 3

'Km = 906,9 - 537,0г,,

\ Г-

Кв = 248,1-^- -142,8;

I щ

ДП № 4

'Km = 852,6 - 522,5г, ,

< Г.

Кв = 245,5^ -145,1;

I Щ

ДП № 6

\Кт = 821,0 - 519,5 г, , т

< Г.

Кв = 245,1^ -173,1.

I Чф

Для технологических режимов работы доменных печей МК «Азовсталь» в 2007 г. (таблица) получены системы уравнений, которые решались относительно двух неизвестных удельного расхода кокса К и степени косвенного восстановления г, при условии равенства Кт=Кв:

Таблица

Показатели работы доменных печей МК «Азовсталь» в 2007 г.

Показатель ДП-2 ДП-3 ДП-4 ДП-6

Расход кокса, кг/т чугуна 499,4 541,7 531,9 487,4

Содержание железа в шихте Fe, % 58,61 58,46 58,81 59,03

Доля окатышей в шихте О, % 66,53 66,33 71,44 65,47

Расход природного газа Рпг, м3/т чугуна 112,3 100,7 102,8 119,1

Температура дутья Тд, °С 1129 965 1019 1102

Содержание O2 в дутье, % 23,99 25,11 24,29 25,47

Тепловые потери Q, % 12,6 11,8 10,5 8,4

Фактическая степень использования газа Пф, % 25,43 25,56 23,82 25,22

Степень прямого восстановления rd, % 30,18 30,31 35,86 33,34

Минимальная степень прямого восстановления rd min, % 16,8 17,71 20,23 19,87

Критерий полноты косвенного восстановления Кг, % 83,92 84,68 80,41 83,19

Минимальный расход кокса Кт,п, кг/т чугуна 424,2 465,04 436,06 404,69

Показатель идеальности плавки 2, 0,849 0,830 0,820 0,858

В интервале изменения фактической степени использования газа Пф, при помощи ЭВМ находили решение систем двух уравнений (23) и соответствующие им показатели доменной плавки. По мере улучшения восстановительной работы газового потока повышалась равновесная степень его использования nw (рис. 1,а) за счет уменьшения удельного выхода газа (рис. 1,б) и повышения в нем концентрации восстановителей. При этом наблюдалось снижение удельного расхода кокса К (рис. 1,в) и степени прямого восстановления rd = 1- г, (рис. 1,г). При достижении печным газом равновесного состава выполнялось условие Пф=Пм,тах и определялись минимально возможные Ктіп и rdmin (табл. 1), позволяющие рассчитать показатель идеальности плавки і=Ктіп/К [5] и критерий полноты косвенного восстановления Kr = r /(1 - rdmin), который

характеризует степень приближения доли восстановленных газами оксидов к максимальной теоретически возможной степени косвенного восстановления.

Для всех печей значения Кг практически совпадают (А Кг <0,0061 д. ед.) при равной

фактической степени использования газа и принадлежат одной кривой (рисунок, г), что позво-

39

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

ляет сравнивать восстановительную работу газового потока в разных печах либо одной - при различных технологических режимах. Наиболее полно косвенное восстановление протекало в печи № 3: Kr =84,68 % при содержании окатышей в железорудной шихте О=66,33 %, наименее

полно - в печи № 4: Kr =80,41 % при максимальном 0=71,44 %. Значения 2, характеризующие

степень приближения расхода кокса к минимальному, также близки при большей погрешности (Д2, <0,0207 д. ед.) и принадлежат прямым, практически сливающимся в одну прямую (рисунок, г).

степень использования газа, д.ед.

900

ей ей О X

о &

и

ц; Я

9

X > о Я сЗ и Рч

О S? -н

S -

К

Я

<D

«

О

я

h *8

К

<D

й g

о я С я

800

700

600

500

400

100

80

60

а

я

н

о

о

я

л

40

20

0

1 Is

1 I

1_

-г ^ іім

2

*

1

1 1

—/ / к- \—

f? ' tvmax

0,04 0,12 0,2 0,28 0,36

степень использования газа, д.ед.

Рисунок - Изменение показателей доменной плавки по мере приближения Цф^ nwmax в печах МК «Азовсталь»: № 2

Наименьший показатель идеальности 2=0,820 также соответствует работе печи № 4 с наименьшей фактической степенью использования газа Пф=23,82 % при относительно невысоких температуре дутья Тд=1019 °С и расходе природного газа Рпг=102,8 м3/т чугуна; наибольший показатель идеальности 2=0,858 достигнут на печи № 6, работавшей с минимальными Q = 8,4 % и высокой Тд=1102 °С при максимальных O2=25,47 %, Fe=59,03 %, Рпг=119,1 м3/т чугуна. Показатель идеальности печей МК «Азовсталь» не достигает 0,90-0,95 [5], что свидетельствует о существующем резерве снижения расхода кокса.

Выводы

1. Разработанная упрощенная математическая модель позволяет оценить изменение показателей доменной плавки по мере улучшения восстановительной работы газового потока и определить минимальные расход кокса и степень прямого восстановления при достижении максимальной равновесной степени использования газа.

2. В дальнейшем разработанную модель необходимо совершенствовать с целью изучения возможности снижения расхода кокса при применении различных факторов интенсификации доменного процесса.

Список использованных источников:

1. Рамм А.Н. Современный доменный процесс/ А.Н. Рамм. - М.: Металлургия, 1980. - 304 с.

40

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

2. Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвиснев [и др.] // Под ред. Ю.С. Юсфина. - М.: Академкнига, 2004. - 774 с.

3. Кузнецов А.М. Использование восстановительной способности газов и развитие прямого восстановления железа в ходе совершенствования параметров доменной плавки / А.М. Кузнецов, И.Г. Товаровский, В.И. Большаков // Металл и литье Украины. - 2004. -№ 11. - С. 6-10.

4. Любан А.П. Анализ явлений доменного процесса / А.П. Любан. - М., 1962. - 535 с.

5. Андронов В.П. Минимально возможный расход кокса и влияние на него различных факторов доменной плавки / В.П. Андронов. - Санкт-Петербург: Издательство СПбГТУ, 2001. - 142 с.

6. Товаровский И.Г. Эволюция доменной плавки / И.Г. Товаровский, В.П. Лялюк. - Днепропетровск: Пороги, 2001. - 424 с.

7. Вегман Е.Ф. Краткий справочник доменщика / Е.Ф. Вегман.- М.: Металлургия, 1981. - 240 с.

Рецензент: В.П. Тарасов

д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»

Статья поступила 01.02.2011

УДК 669.16.002.68

Маслов В.А.1, Дубовкина М.Ю.2, Хлестова О.А.3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЧУГУНА С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫХОДА УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

В статье рассмотрены условия и источники образования графитовой спели. Предложено использование математических моделей снижения температуры чугуна с целью определения выхода углеродсодержащих отходов.

Ключевые слова: графитовая спель, температура чугуна, математическая модель, углеродсодержащие отходы, ресурсосбережение.

Маслов В.О., Дубовкіна М.Ю., Хлестова О.А. Використання математичних моделей зниження температури чавуну з метою визначення вуглецьвмісних відходів. У статті розглянуто теоретичні основи і дано аналіз утворення графітової спелі. Запропоновані методи визначення ділянок з максимальною кількістю вуглецьвмісних відходів.

Ключові слова: графітова спель, температура чавуну, математична модель, утилізація, вуглецьвмісні відходи, ресурсозберігання.

V.A. Maslov, M.Y. Dubovkina, О.A. Khlestova. Usage of mathematical models for decreasing of pig iron temperature to detect carbonaceous wastes yield. In the article theoretical principles and analysis of graphite spill origination have been considered. It also proposes methods to determine segments with maximum percentage of carbonaceous wastes for their further utilization.

Key words: graphite spill, pig iron temperature, utilization, carbonaceous wastes, resource-savin.

Постановка проблемы. Задача управления отходами как источниками ценного сырья для самой металлургии и других отраслей народного хозяйства включает исследование источников образования, механизмов отходообразующих процессов, качественной и количественной оценки состава отходов.

1 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

2 канд. техн. наук, ст. преподаватель, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г Мариуполь

3 ст. преподаватель, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

41