Доменная плавка с использованием в шихте антрацита

Ключевой стратегической задачей, стоящей перед отечественной и мировой черной металлургией, является снижение потребления энергоресурсов на производство единицы готовой продукции. Основными мероприятиями, направленными на решение данной задачи, являются оптимизация технологических процессов, а также реализация проектов, обеспечивающих снижение энергозатрат.

В доменном производстве наиболее дорогостоящим компонентом шихты является металлургический кокс, ресурсы которого на свободном рынке крайне ограничены, а качественные характеристики, во многом зависящие от состава угольной шихты и состояния коксовых батарей, зачастую не соответствуют условиям достижения оптимальных параметров устойчивого технологического режима доменной плавки. Мировые запасы коксующихся углей в настоящее время оцениваются примерно в 1,5 трлн. т, что составляет менее 10 % от общих ресурсов каменных углей; при этом разведанные запасы не превышают 400 млрд. т [1]. На протяжении последних 60 лет разработка и внедрение в производство целого ряда мероприятий, таких, как нагрев дутья до температуры 1200 °С, прецизионно управляемая загрузка шихтовых материалов в доменную печь, окускование предварительно измельченного и обогащенного железорудного сырья, вдувание углеродсодержащих добавок [2] (природный газ, угольная пыль, гранулированный уголь, мазут, коксовый газ, измельченный пластик) и другие, позволило снизить удельный расход кокса с 1000 до 350 кг/т чугуна и менее (рисунок).

Динамика потребления энергоносителей при производстве чугуна в доменных печах Европы [3]

В России в качестве энергосберегающей технологии активно используется вдувание природного газа в горн доменной печи. Очевидно, что в ближайшее время стоимость природного газа может значительно возрасти, и дальнейшее его использование станет экономически неэффективным. В мировой практике для экономии энергоресурсов при производстве чугуна используется технология вдувания пылеугольного топлива (ПУТ). Несмотря на ряд очевидных преимуществ технологии ПУТ, следует отметить, что в России в настоящее время нет ни одного действующего комплекса по подготовке, хранению и подаче измельченного угля в горн доменной печи. Возведение таких комплексов требует решения целого ряда организационных и производственно-технологических вопросов на каждом конкретном предприятии, а также значительных капитальных затрат на их реализацию [4].

Использование антрацита в шихте доменных печей – менее распространенная в мировой практике технология частичной замены кокса. В числе основных преимуществ использования антрацита в качестве компонента шихты доменной плавки следует отметить большую по сравнению с коксом теплотворную способность, низкую зольность, небольшую стоимость и отсутствие необходимости дополнительных капиталовложений, так как подача антрацита в доменную печь осуществляется через колошник с помощью установленного на печи засыпного аппарата [5, 6].

В настоящее время эта технология успешно реализуется на доменной печи № 1 полезным объемом 1066 м³ ОАО «Косогорский металлургический завод», оборудованной бесконусным загрузочным устройством компании Paul Wurth.

Особенностью производства чугуна на Косогорском металлургическом заводе является использование железорудной шихты, практически полностью состоящей из неофлюсованных окатышей. В мире аналогичный опыт постоянной работы на 90-100 % неофлюсованных окатышей в железорудной шихте имеется лишь на некоторых доменных печах США и Канады. По данным 2007 г., на такой шихте работали восемь печей на заводах в Кливленде, Уоррене, Гранит-Сити, Лорейне и возле озера Эри. При этом следует отметить, что на североамериканских печах применяли окатыши с очень высоким содержанием железа (не ниже 67 %) и, соответственно, минимальным содержанием пустой породы, использовали кокс с высокими прочностными характеристиками и минимальным содержанием золы. Кроме того, указанные печи работали на обогащенном кислородом воздушном дутье. Доменный цех Косогорского завода, находясь в более жестких сырьевых и технологических (отсутствие мощностей по производству кислорода) условиях, выплавляет чугун нодулярного класса, а также литейные марки чугуна с низким содержанием примесных элементов; при этом доменная плавка ведется в устойчивом технологическом режиме.

Опытно-промышленные плавки с использованием в шихте антрацита были начаты в июне 2010 г. Железорудная часть шихты включала 88 % неофлюсованных окатышей и 12 % руды Михайловского ГОКа, т.е. содержание михайловской руды в шихте было несколько выше по сравнению с типовыми шихтовыми условиями предприятия. При этом газодинамические характеристики столба шихты практически не изменились, а расход сырых флюсов находился на уровне, соответствующем условиям выплавки литейных марок чугуна на предприятии (350-400 кг/т чугуна). Антрацит в шихту добавлялся как при выплавке литейного, так и при выплавке передельного чугуна. Удельный расход антрацита в шихте изменялся в пределах 25-50 кг/т чугуна. Всего за период проведения опытно-промышленных плавок в печь было загружено более 4000 т антрацита. Для оценки эффективности использования антрацита в качестве заменителя части кокса был проведен сравнительный анализ параметров работы печи в базовый и опытный периоды. Характеристики используемых в исследуемый период кокса ОАО «Алтайкокс» и антрацита угольных шахт Луганской области (Украина) приведены в табл. 1.

Таблица 1. Технический анализ кокса и антрацита, используемых в опытно-промышленных плавках чугуна

Сравнение технического анализа кокса и антрацита показало, что зольность кокса в 3 раза превышает зольность антрацита, содержание летучих веществ в коксе в 3 раза меньше, а показатель горячей прочности CSR в 2,5 раза выше, чем антрацита. Элементный состав антрацита отличается ббольшим по сравнению с коксом содержанием серы и углерода. Фракционный состав кокса и антрацита приведен ниже.

                    Фракция, мм                                            Доля, %

                         Кокс

                          +80                                                       2,1

                         60-80                                                     35,8

                         40-60                                                     47,4

                         25-40                                                     13,7

                          -25                                                         1

                      Антрацит

                          +50                                                       4,2

                         25-50                                                     86,1

                          -25                                                       9,7

Из представленных данных следует, что примерно 90 % антрацита, поступающего на Косогорский металлургический завод, имеет фракцию 25-50 мм при среднем размере куска 40 мм. Содержание мелкой фракции (менее 25 мм) составляет при этом примерно 10 %.

Основные показатели работы печи № 1 Косогорского металлургического завода в базовый и опытный периоды приведены в табл. 2, а состав и температура колошникового газа за те же периоды исследований – в табл. 3.

Таблица 2. Среднесуточные показатели работы печи № 1 ОАО «Косогорский металлургический завод»

Таблица 3. Состав колошникового газа

Для сравнительного анализа были выбраны периоды работы печи, когда выплавляли литейный чугун одной марки (полный химический состав чугуна в базовом и опытном периодах представлен в табл. 4) с содержанием кремния 2,71 % и 2,74 % соответственно. Температурно-дутьевой режим и расход природного газа в сравниваемых периодах также существенно не изменялись.

Таблица 4. Химический состав чугуна по периодам исследования, %

Удельный расход антрацита в опытно-промышленных плавках составил 30,7 кг/т чугуна при снижении расхода кокса на 33,2 кг/т чугуна. Коэффициент замены углерода кокса углеродом антрацита (при пересчете на приведенный к базовым условиям работы печи расход кокса) составил примерно 1 кг/кг. В расчете замены кокса антрацитом коэффициент замены составил 1,08 кг/кг. Суммарный расход флюсов снизился на 10 кг/т при неизменной основности шлака, что явилось следствием меньшего содержания золы в антраците по сравнению с коксом. Однако следует отметить, что выход шлака в опытном периоде несколько увеличился, прежде всего из-за изменения состава михайловских окатышей и руды, содержание общего железа в которых незначительно снизилось (на 0,05 % в окатышах и на 0,5 % в руде). Это привело к увеличению удельного расхода металлошихты и суммарного прихода в печь пустой породы окатышей.

В ходе исследований была выполнена оценка влияния замены части кокса антрацитом на содержание примесных элементов, прежде всего серы в товарном чугуне. Несмотря на то, что в антраците содержится большее количество серы, чем в коксе (см. табл. 1), результаты опытно-промышленных плавок показали, что в конечном продукте содержание серы остается практически постоянным на уровне 0,012-0,013 % как в базовом, так и в опытном периодах. Все избыточное количество серы, поступающее в шихту с антрацитом, переходит в шлак.

Исследование влияния добавки в шихту антрацита на количество образующейся колошниковой пыли показало, что при замене части кокса антрацитом общее количество образующейся пыли практически не изменилось, но содержание в ней углерода возросло. Это свидетельствует о возможном частичном разрушении антрацита в печи и переходе части углерода в колошниковую пыль. Состав пыли в базовом и исследуемом периодах представлен в табл. 5.

Выводы

1. При проведении опытно-промышленных плавок с добавкой в шихту антрацита изменений хода печи и газодинамических характеристик столба шихты не наблюдалось, расстройств работы печи также не было.
2. Анализ опытных плавок показал, что при удельном расходе антрацита 30,7 кг/т чугуна фактический коэффициент замены углерода кокса углеродом антрацита составляет 1 кг/кг. В расчете замены кокса антрацитом коэффициент замены составил 1,08 кг/ кг. Это свидетельствует о высокой эффективности использования коксозамещающей технологии доменной плавки с использованием в шихте антрацита. На основании проведенных исследований можно сделать вывод о целесообразности дальнейшего использования антрацита в шихте доменной плавки.
3. Несмотря на большее содержание серы в антраците по сравнению с коксом, введение его в шихту доменной плавки не привело к ухудшению качества выплавляемого чугуна по содержанию серы. В соответствии с результатами балансовых расчетов сера, поступившая в доменную печь вместе с антрацитом, перераспределяется между газовой и, в большей степени, шлаковой фазами.