Доменная печь – агрегат XXI века

Доменная плавка как процесс и доменная печь как агрегат сформировались в эпоху Средневековья и до сих пор не изменили своей сущности. Доменный процесс отличают следующие особенности:

– непрерывный характер,

– противоточное движение шихты и газа,

– наличие в одном агрегате зон твердого, пластичного и жидкого состояния,

– значительный диапазон температур (от 20 до 3500 °С),

– значительный диапазон давлений (от 10 до 500 кПа изб.),

– широкий спектр объемов агрегата и, следовательно, единичных мощностей (до 12 тыс. т чугуна в сутки),

– высокую продолжительность кампании печи (10 – 20 лет) и, соответственно, проплавление большого количества чугуна за кампанию (20 – 40 млн. т),

– минимальное количество вредных выбросов в окружающую среду.

Рисунок 38. Принципиальная схема применения техногенных материалов в шахтных печах.

Противоточный принцип процесса, осуществляемого в закрытом агрегате шахтного типа, обеспечивает максимальное использование энергии в процессе и простоту в обращении с продуктами плавки. Наличие углеродистой насадки обеспечивает уникальную, характерную только для доменной печи особенность совмещения в одном агрегате трех фазовых состояний шихты (твердого, жидкого и размягченного), находящейся в противотоке с газом /321/.

Описанная совокупность особенностей могла показаться технически нереализуемой, если бы доменная плавка не существовала в действительности. Вместе с тем, ход плавки в современных агрегатах характеризуется высокой устойчивостью при долговременно-непрерывном режиме работы. Это достигнуто длительным эволюционным развитием процесса с закреплением преимуществ, присущих шахтному противотоку. Результаты эволюции выразились в формировании уникальных свойств доменной печи, обеспечивающих устойчивое протекание процессов при высокой их эффективности. Рассмотрим некоторые из них.

Температурное и концентрационное поля современной доменной печи обладают замечательным свойством гашения колебаний, вызванных внешними воздействиями, что обеспечивает их устойчивость. Аналогичным свойством обладает коксовая насадка применительно к агрегатному состоянию материалов и их нагреву. Так, в случае уменьшения температуры плавления материалов вследствие повышения содержания в них монооксида железа («недовосстановленный» материал) или уменьшения основности шлака, высота коксовой насадки увеличивается. Это способствует увеличению времени пребывания расплава в насадке и дополнительному его нагреву, который компенсирует «недогрев» материалов при поступлении в насадку. Хорошо известно, что правильный подбор составляющих доменной шихты способствует формированию шлаков, свойства которых мало изменяются при колебаниях их химического состава. Это также является компонентом устойчивости хода плавки. Совокупность указанных свойств, направленных на противодействие доменной печи негативным воздействиям, можно квалифицировать как своеобразный механизм саморегулирования.

Хотя основным назначением доменной печи является получение первичного металла, ее технология и конструкция в равной мере адаптированы к получению полиметаллических лигатур, шлаковых расплавов и горючих газов, которые пока ещё квалифицируются преимущественно как побочная продукция. Однако при иной постановке задач побочным продуктом может стать чугун. Уже сегодня значительная доля чугуна производится из комплексных полиметаллических руд, содержащих титан, хром, ванадий, медь, мышьяк, редкоземельные металлы. Доля этих руд будет в дальнейшем только возрастать. Количество микропримесей в чугуне до сих пор практически не контролируется. Перевод плавки комплексных руд в русло управляемого процесса потребует иной постановки вопроса. Прежде всего, требуется переориентация доменного процесса на максимально полное извлечение основных примесей путём получения полиметаллических лигатур или перевода примесных элементов в шлак с последующей его переработкой /321, 332…335, 405/.

В комплексе металлургического предприятия доменная печь является также энергетическим агрегатом, снабжающим другие переделы доменным газом. Эта функция иногда может доминировать даже в существующих условиях, а в перспективе может стать не менее важной, чем производство чугуна. При этом следует помнить о том, что доменная печь – один из наиболее совершенных газификаторов кускового топлива. Она может быть настроена на получение горячих восстановительных газов для вдувания в другие печи, но может работать в режиме генерации отопительного газа для энергетических нужд.

Таким образом, доменная печь, являясь многоцелевым агрегатом, легко может быть перестроена на технологию, в которой доминирует одна из основных функций доменного процесса: производство первичного металла, получение шлака заданного состава, выработка газа требуемых параметров путем газификации твердого топлива (а также отходов энергетики, ТБО и т.п.). При выполнении каждой из этих функций как основной частично (в зависимости от жесткости постановки задачи), выполняются и остальные, но во всех случаях может решаться задача утилизации отходов и особенно бытовых.

Металлургия является наиболее универсальной отраслью народного хозяйства, способной утилизировать отходы, как техногенные, так и бытовые. Как известно, отходы главным образом представляют собой оксиды и их соединения. Поэтому чаще всего утилизация как промышленных, так и твёрдых бытовых отходов должна проводиться в виде восстановительных операций с получением конечного продукта, например, металла. В связи с этим агломерационное и доменное производства должны выполнять основную роль при переработке, кроме собственно металлургических, отходов энергетики, машиностроения, химии и др., а также ТБО. Большое значение при этом приобретают доменные печи небольшого объема, имеющие возможность более гибкого реагирования на запросы общества /323, 324, 406, 407/.