3.POSIBILITATI DE EFICIENTIZARE A PROCESELOR DE
ELABORARE A MATERIALELOR METALICE PRIN UTILIZAREA
DE COMBUSTIBILI AUXILIARI.
3.1. INLOCUIREA PARTIALA A COCSULUI CU PRAF DE CARBUNE În prezent pe plan mondial se tinde către o scădere spectaculoasă a consumului
specific de cocs pe tona de fontă prin insuflarea prafului de cărbune la gurile de vânt ale
furnalelor.
Insuflarea în furnal a cărbunelui pulverizat se face în scopul reducerii consumului de
cocs, a înlocuirii combustibililor lichizi şi a gazului natural, asigurării unui regim stabil de
funcţionare, creşterii eficienţei economice, precum şi ameliorării condiţiilor de mediu.
In paralel cu extinderea procedeului a crescut interesul pentru cunoaşterea factorilor ce
controlează IPC, în care scop se efectuează cercetări pentru optimizarea procesului.
Se urmăreşte înţelegerea fenomenelor de bază, concomitent cu extinderea aplicaţiilor
industriale.
La nivele ridicate de insuflare, condiţiile ce prevalează în interiorul furnalului sunt
sensibil diferite. Principalele probleme asociate cu IPC se referă la:
- pregătirea cărbunelului pentru insuflare,
- procesul de combustie,
- praful de furnal,
- permeabilitatea furnalului,
- pierderile de căldură,
- repartiţia încărcăturii şi distribuţia gazului,
- procesul din creuzet,
- comportarea cocsului în furnal.
Tehnica insuflării prafului de cărbune în furnal a fost dezvoltată atât în Europa cât şi în
America. Insuflarea combustibililor auxiliari a fost pusă la punct în jurul anilor ’60, fiind
experimentate păcura, gazul natural şi cărbunele. Dintre acestea păcura s-a dovedit a fi cel
mai bun combustibil auxiliar însă atunci când a început criza petrolului s-a ajuns la folosirea
cărbunelui.
Această tehnologie se aplică în prezent la peste 100 de furnale din întreaga lume,
dintre care 44 se află în Europa de Vest.
În tab. 3.1 sunt prezentate câteva din furnalele care funcţionează cu această
tehnologie, criteriul pe baza căruia s-au ales datele de funcţionare pentru aceste furnale (dintr-
un număr mult mai mare) a fost acela de realizare a unui consum specific de cărbune cât mai
ridicat.
Tabelul 3.1.Principalele furnale care funcţionează cu sisteme de insuflare a prafului de
cărbune.
Ţara Compania
Diametru
creuzet,
[m]
Sistem de
insuflare
Anul pornirii
instalaţiei
Consum
mediu
cărbune,
[kg/tfontă]
Consum
cărbune,
[kg/tfontă]
Consum
cocs,
[kg/tfontă]
Thyssen 13,6 Kutner apr.1987 140 145 307
Germania Dillingen 11,0 Paul Wurth
Rotary
dec.1986 100 - 363
Krupp 11,5 Kutner iul.1987 100 100 390
Franţa Sollac 14,0 Paul Wurth
Rotary
feb.1986 100 100 385
HFRSW 7,0 Sprunck ian.1982 80 80 395
Olanda Hoogovens 11,0 Armco iul.1983 120 140 383
Ţara Compania
Diametru
creuzet,
[m]
Sistem de
insuflare
Anul pornirii
instalaţiei
Consum
mediu
cărbune,
[kg/tfontă]
Consum
cărbune,
[kg/tfontă]
Consum
cocs,
[kg/tfontă]
Anglia BSC 8,9 Simon-
Macawber
ian.1985 92 109 375
Belgia Sidmar 10,0 Paul Wurth
Rotary
apr.1987 110 120 397
Luxemburg Arbed 8,0 Paul Wurth
Rotary
mai 1990 oprit 84 467
SUA Armco 10,2 Armco 1973 90 120 390
Corea Posco 13,2 Armco iun.1987 65 75 398
Japonia NSC 13,8 Armco ian.1985 81 101 392
SUMITO
MO
11,1 Sumitomo ian.1986 87 104 405
România Sidex F4 9,1 Kutner iun.1996 150 170 430
Sidex F5 11,6 Kutner iun.1996 150 170 430
Progresele obţinute în ultimii ani cu insuflarea prafului de cărbune în furnale,
privesc atât siguranţa în funcţionare a instalaţiilor cât şi nivelul de insuflare atins, drept stadiu
actual al tehnicii în domeniul furnalelor se poate accepta consumul specific de cocs de numai
300kg/tfontă.
În prezent, se depun eforturi pentru a reuşi insuflarea a 250 kgcărbune/tfontă la furnalele
mari, ceea ce ar putea conduce la un consum de cocs de 250 kgcocs/tfontă.
În aceste condiţii, un rol deosebit de important îl are calitatea cărbunilor insuflaţi, şi
anume, conţinutul de materii volatile, sulf şi cenuşă, precum şi temperatura de topire a cenuşii
cărbunilor utilizaţi. De asemenea, această tehnică, impune o granulaţie extrem de fină a
cărbunilor (de ordinul sutelor de microni), aceasta însemnând realizarea unei măcinări foarte
avansate a acestora.
În Tabelul 3.2 sunt prezentate tipurile de cărbuni insuflaţi la furnalele menţionate
anterior, precum şi cele mai importante caracteristici ale acestora.
Tabel 3.2: Tipuri de cărbuni insuflaţi în furnal.
Ţara Compania Tipul de cărbune
insuflat Granulaţia Cenuşã
Materii
volatile
Germania Thyssen De la antracit la cu
materii volatile înalte 80%<90 m 6 ÷ 14% 9 ÷ 35%
Dillingen Huile 80%<200 m 7% 22 ÷ 23%
Krupp Cărbuni cu volatile
înalte 60%<90 m 6,5% 39%
Franţa Sollac Cărbuni cu volatile
scăzute 80%<100 m 13% 11%
HFRSW Cărbuni cu volatile
înalte 70%<90 m 7% 33%
Olanda Hoogovens Huile 80 ÷ 93% <75 m 3,4 ÷ 8,5% 17 ÷ 37%
Anglia BSC Huile 95%<2mm 3 ÷ 12% 22 ÷ 39%
Belgia Sidmar
Cărbuni cu volatile
înalte. Cărbuni
energetici. 70% > 100 m 9 ÷ 14% 23 ÷ 35%
Luxemburg Arbed De la antracit la lignit 80 ÷ 84% <200 m 4,5 ÷ 18% 5 ÷ 40%
Japonia NSC Energetic 80% < 75 m 9 ÷ 11% 30 ÷ 36%
Sumitomo Semicocsificabil 70% < 75 m 7 ÷ 11% 25 ÷ 36%
SUA Armco
Cărbune cu volatile
medii. Cărbune cu
volatile înalte. 80% < 74 m 3 ÷ 12% 28 ÷ 35%
Ţara Compania Tipul de cărbune
insuflat Granulaţia Cenuşã
Materii
volatile
Corea Posco No.1 Cărbune cu volatile
înalte 80% < 74 m 7 ÷ 10% 33 ÷ 38%
România
SIDEX
Furnalul
4 şi 5
De la antracit la
cărbune cu volatile
înalte 80% < 90 m 6 ÷ 14% 9 ÷ 35%
Parametrii medii de funcţionare a furnalelor unor state din Uniunea Europeană (UE)
sunt prezentaţi în tabelul 3.3. In tabelul 3.4 se arată comparativ parametrii de funcţionare ai
furnalului 5 ARCELOR MITTAL Galaţi cu aceia ai unor furnale ale UE.
Se observă că atât parametrii medii pe ţară, cât şi parametrii medii ai unor furnale,
clasează aceste agregate în categoria furnalelor performante, atât prin consumul specific de
combustibil cât şi prin productivitate. Din tabelul 1.2 rezultă consumuri de cocs medii în
1996, de 303 ... 349 kg/tfo, în cazul insuflării a 181 ... 143 kg PC/tfo. Consumul total de
combustibil, practic nu depăşeşte 500 kg/tfo. Productivitatea raportată la volumul de lucru este
de 2,4 - 2,9 t/m3, 24 h. Se observă preferinţa utilizării unor cărbuni sau amestecuri cu un
conţinut mediu de M.V., semnalându-se şi furnale performante ce utilizează cărbuni cu un
conţinut înalt de M.V. Caracteristică este şi cantitatea limitată de zgură (216 - 306 kg/tfo)
produsă şi conţinutul relativ mic de siliciu (0,34 ... 0,69%) din fontă.
Comparativ, parametrii F5 ARCELOR MITTAL Galati indică un consum specific de
cocs mediu în 2007 de 461 kg/tfo şi de 102 kg PC/t fo, deci un consum total de combustibil
mai mare cu 60 ... 75 kg/tfo, diferenţă care se regăseşte la toate nivelele de insuflare practicate
şi contribuie la limitarea cantităţilor de PC insuflate eficient.
Prezentarea situaţiei IPC pe plan mondial va reliefa importanţa pentru MITTAL
STEEL Galati ca o condiţie primordială pentru eficientizarea IPC, a ridicării nivelului de
performanţă al tehnologiei în varianta clasică. Această caracteristică se regăseşte la toate
furnalele europene ce folosesc eficient IPC.
Tabelul 3. 3: Parametrii medii de funcţionare a furnalelor cu insuflare de cărbune din Uniunea
Europeană
Denumire UM Germania Belgia Franţa Olanda Italia Anglia
Furnale - 7 6 8 2 3 3
Diam. Creuzet m 11,34 9,73 10,31 12,4 11,60 8,78
Volum de lucru m3 2252 1754 2100 3059 2551 1443
Utilizare % 97,6 97,3 95,2 96,1 98,0 98,0
Producţie zilnică t/24h 6076 4096 4431 8140 7297 3333
Indice utilizare t/m3,
24h
2,36 2,33 2,11 2,66 2,86 2,31
Consum cocs kg/t
fo
361 386 351 335 354 347
PC insuflat kg/tf
o
115 128 129 164 146 151
M.V.x)
cărbune % 28,7 26,3 21,8 39,1 25,2 18,2
Incărcătură:
- aglomerat % 72,49 82,21 87,21 47,20 74,27 73,61
- pelete % 17,71 9,90 0,30 49,62 17,51 7,50
- minereu % 9,54 7,83 11,88 3,18 8,22 18,81
- altele % 0,26 0,06 0,61 0 0 0
Temp. aer oC 1175 1112 1172 1198 1182 1120
Oxigen în aer % 23,6 24,0 22,6 25,7 25,2 26,6
Temp. flacără oC
2182 2187 2138 2165 2146 2237
Fontă:
- siliciu % 0,53 0,58 0,48 0,41 0,63 0,59
- sulf % 0,043 0,043 0,026 0,039 0,029 0,030
- temp. fontă oC 1495 1480 1481 1509 1504 1478
Cantitate zgură kg/tf
o
283 274 306 216 293 277
Tabelul 3. 4: Parametrii medii de funcţionare ai unor furnale cu insuflare de cărbune
din UE şi ARCELOR MITTAL GALATI SA
Denumire UM
MITTAL
STEEL Galaţi
F5
Thyssen Hamborn
F9
Sidmar
Gent
F.A
Sollac Dunk.
F.4
România RFG Belgia Franţa
Diametru
creuzet
m 11,6 10,2 10,0 14,0
Volum de
lucru
m3 2560 1833 1776 3648
Indice
utilizare
t/m3,
24h
1,777 2,68 2,77 2,40
Incărcătură
- aglomerat % 78,71 70,87 91,45 80,48
- pelete % 12,64 18,50 6,87 -
- minereu % 8,65 5,29 1,62 19,52
- altele % - 5,34 0,06 -
Cons.sp.coc
s
kg/tfo 461 338 303 316
Cons.sp.cărb
une
kg/tfo 102 141 181 174
M.V.
cărbune
% ~ 35 25,7 26,6 20,6
Oxigen în
aer
% 23,19 23,7 24,5 23,6
Temp. aer oC 1050 1132 1209 1210
Temperatura
flacără
oC
2210 2155 2187 2114
Fontă:
- siliciu % 0,77 0,408 0,38 0,338
- sulf % 0,025 0,038 0,018 0,026
- temp. fontă oC
1494 1503 1488 1491
FUNDAMENTAREA TEORETICĂ A OPORTUNITĂŢII SI EFICIENŢEI
ECONOMICE A FUNCTIONARII FURNALULUI NR.5-ARCELOR MITTAL GALATI .
CU GAZ METAN SI PRAF DE CARBUNE PENTRU O VARIANTĂ DE REFERINŢĂ
Cărbunii din Valea Jiului (tip PALD), neaglutinaţi, spălaţi special (tip PALD pentru
semicocs), la 9-10% cenuse.
- Compoziţia cărbunilor luată in calcul :
Analiza tehnica:Aanh
=9,2% ;Vanh
=36,2%;Stanh
=1,01;H2O=1,1%;Pcalorifica=6700[Kcal].
- Compoziţia materiilor volatile:
CH4=5%;H2=6%;CO=37%;CO2=35%;N2=17%.
A fost acceptată ca bază de pornire pentru calculele tehnologice analiza efectuată
asupra funcţionării F5-C.S.G.- in martie 1997, urmând ca in final să fie adus la nivelul normal
indicatorul de intensitate de funcţionare.
- Consumurile de combustibili realizate ( martie 1999) , au fost:
- cocs tehnic (kt) = 478,93 [kg/t];
- gaz metan = 0 [Nm3/t].
Din analiza efectuată a rezultat o desfăşurare satisfăcătoare a proceselor de reducere
si realizarea unor randamente bune ale CO si H2 la reducerile indirecte . S-a lucrat însă cu o
temperatură insuficientă de preîncălzire a aerului, ceea ce a condus la scăderea raportului de
înlocuire al cocsului prin gaz metan, evaluat la 0,9.
Se adoptă pentru calcul raportul de înlocuire 0,96 [kgcocs /kg cărbune].
VARIANTA-I-(varianta propusă):
Consumuri de combustibili auxiliari :
- gaz metan = 50 [Nm3/t];
- cărbune (anh) =50 [Kg/t].
Evaluarea consumului de cocs :
Kt (ech) - III / 1997 =508,7 +53,9*0,9=557,21[Kg cocs(ech)/t]
În cantităţile din proiect se consideră că furnalul va avea o intensitate normală de
funcţionare, Ia(comb.) = 1,0 , va utiliza aer la 1200 [oC] si conţinând 24% O2, ceea ce va
asigura randamente favorabile pentru CO si H2. Pentru calcul se acceptă Ri=60% si Rd=40%
(de la FeO la Fe). Se acceptă raportul de înlocuire cocs/CH4=1,04.
kt(cu metan +P.C.):kt=455[kg cocs anh/t]
Cantitatea de zgură, provenită din cenuşa cocsului şi a cărbunilor:
Varianta propusă VARIANTA-I-
- cenuşi de cocs: 63,6[Kg/t] 56,9[Kg/t]
- cenuşi de cărbune: - 4,8[Kg/t]
TOTAL: 63,6[Kg/t] 61,7[Kg/t]
- componenţi ai zgurii(70%): 44,5[Kg/t] 43,2[Kg/t]
- necesar baze din încărcătura: 33,5[Kg/t] 32,6[Kg/t]
TOTAL: 78,0[Kg/t] 75,8[Kg/t]
Diferenţele fiind neglijabile, nu este necesară o recalculare a încărcăturii:
Gazul de furnal
CO=46,3%
H2
=30%.
BILANŢUL TERMIC
Călduri intrate:
[103Kcal/t]
1) Arderea carbonului:-CO2:184.62*7950=1467.73
-CO:213.84*2340=500.39
398.46*4.939=1968.12
[103Kcal/t]
2) Căldura aerului:-1168.21*1200*0.336=476.87
-9.64*1200*0.506=476.87
[103Kcal/t]
3) Oxidarea hidrogenului:-47.26*2560=120.99
[103Kcal/t]
4) Zgurificare:2.7*451.6*0.4643=0.57
Component [Nm3/tfo] %calculate
CO2 345.67 19.76
CO 405.46 23.18
CH4 6.10 0.35
H2 103.88 5.94
N2 888.22 50.77
1749.33[Nm3] 100.00%
TOTAL:2566.55[103Kcal/t]
Călduri consumate:
[103Kcal/t]
1) Disociere oxizi: - - - - - - - - - - - - - - - - =1661.80
2) Evaporarea apei (încărcătura):
[103Kcal/t]
43.04*595=25.60
3) Evaporarea şi supraîncălzirea apei (călduri):
[103Kcal/t]
1.67[KgH2O]*695=1.16
1.67[KgH2O]*1100[0C]*0.506=0.93
TOTAL:2.09[Kcal/t]
4) Încălzirea cărbunilor:
50[Kg]*1200[0C]*0.5[Kcal/Kg
0C]=30.0
5) Disociere apă (aer + cărbune):
11.31[KgH2O]*3212=36.33
6)Disociere gaze combustibile:
CH4:57.59[Nm3*815=46.94
C2H2+C6H6:1.61[Nm3]*815*1.1=1.44
TOTAL:48.38
7) Căldura fontei: - - - - - - - - - - - - - - - - =278.0
8) Căldura zgurii: 451.6*420=189.67
9) Căldura gazului:
1749.33*160*0.338=94.64
81.02*160*0.464=6.01
TOTAL:100.61
10) Diferenţa de bilanţ (7.56%)=194.07
TOTAL:2566.55
Randamentul termic:
t=1661 8 2 09 30 0 36 33 48 38 278 189 67
2566 55100 87 52%
. . . . . .
..
t=87.52%
Randamentul carbonului:
c=1968 12 10
398 46 7950100 62 13%
3. *
. *.
c=62.13%
COEFICIENTI DE INLOCUIRE AI COCSULUI:
Provenienţa H2 care participa la Ri(47.26[Nm3H2]:
-H2(CH4-insuflat):-50[Nm3CH4] - - - - - - - - - - 100[Nm
3H2]=100[Nm
3H2]
-H2(cărbune):-3.98[KgH2] - - - - - - 3.8922 4
2
.=43.57[Nm
3H2]
-2.08[Nm3H2] - - - - - - - - - - - - - - - - - =2.08[Nm
3H2]
Total:45065[Nm3H2]
TOTAL:145.65[Nm3H2]
H2 provine 68.7% din CH4(insuflat) si 31.3%din materiile volatile si umiditatea cărbunilor.
Cantitatea de căldură obţinută prin oxidarea H2 (120.99*103Kcal), se împarte astfel:
- pentru CH4(insuflat):
120.99*103*0.687=83.12*10
3[Kcal]
- pentru cărbune:
120.99*103*0.313=37.87*10
3[Kcal]
1) Cocs înlocuit prin CH4(insuflat):
Varianta A(cu compensare):
C(CH4)=50*0.5357=26.79[KgC]
C(ech. oxid. H2)=83 12 10
493916 83
3. *
. [ ]KgC
TOTAL:43.62[KgC]
Cocs înlocuit:43.62:0.862=50.6[Kgcocs]
Coeficientul de înlocuire:(A)=50 6
501 01
3
4
..
[ ]
[ ]
Kgcocs
Nm CH
Varianta B (fara compensare)
a) C(CH4)=50*0.5357=26.79
b) C(ech. oxid H2)=83 12 10 50 815
49398 58
3. * *
.
Din a),b) 35.37[KgC]
- Cocs înlocuit: 35.37:0.862=41.03[Kgcocs]
- Coeficient de înlocuire (B): 41 03
50032
3
4
. [ ]
[ ]
Kgcocs
Nm CH
2) Cocs înlocuit prin cărbune:
- Varianta A(cu compensare)
a) C(comb.+carbune) =33.96[KgC]
b) C(ech.oxid.H2]=37 87 10
49397 67
3. *
. [ ]KgC
Din a) si b) 41.63[KgC]
- Cocs înlocuit:41.63:0.862=48.29[Kgcocs]
- Coeficient de înlocuire(A):48 29
500 97
..
[ ]
[ ]
Kgcocs
Kgcarbune
Varianta B (fara compensare):
- C(cărbune+combustibil): =33.46[KgC]
C(ech.oxid.H2):2
37 8 10 7 59 815 1 44 10
49 39
2 09 10 1 67 3212
49394 60
3 3 3. * . * . *
.
. * . *. [ ]KgC
Total C înlocuit :33.96+4.60=38.56[KgC]
Cocs înlocuit:38.56:0.862=44.73[Kgcocs]
Coeficient de înlocuire(B):44 73
500 89
..
[ ]
[ ]
Kgcocs
Kgcarbune
TEMPERATURA TEORETICA DE ARDERE LA GURILE DE VANT
Totul se raportează la 1[KgC(cocs)]ars la gurile de vânt
t(ta)=4537 55
2 331947
.
.[ ]
oC
Consum specific de cocs (echivalent):Kt(carb.)
cocs tehnic =455.0[Kg]
gaz metan 50[Nm3/t]-*1.01[Kg/Nm
3CH4]=50.5[Kg]
cărbuni (anh) 50[Kg/t]*0.97[Kgcocs/Kgcarb=48.5[Kg]
554.0[Kgcocsechivalent/tfonta]
VARIANTA-II(varianta propusa)-
Se insuflă pe la gurile de vânt numai praf de cărbune.
Ipoteza de lucru adoptată în Varianta a -II-(fără gaz metan) adopta un consum de praf
de cărbune de 125[Kg/t], ţinând seama de faptul că există un conţinut de cărbune în zona de
ardere.
Consumuri specifice de 100-150[Kg P.C./t] se practică la numeroase furnale din
Germania, Japonia, Franţa, China.
Se iau ca bază de calcul rezultatele obţinute în Varianta-I-.
Evaluarea consumurilor de combustibili în Varianta -I-a:
kt=554[Kg/t]-varianta-I-
kt(cocs)=554-125*0.97=432.75[Kg cocs/t]-varianta-II-
Se ia în calcul kt=430[Kg cocs/t]
GAZUL DE FURNAL
CO2=352.26 20.0%
CO=410.39 23.3%
CH4=6.07 0.3%
H2=79.87 4.5%
N2=912.18 51.9%
TOTAL:1760.77[Nm3] 100.00%
CO
CO CO
2
2
100=46.19%
CO
CO 2
100=1.17%
CO=351 26
351 26 410 39 1 65 9 04
.
. . . .100=46.77%
H2
=32%
BILANŢUL TERMIC
Călduri intrate:
1) Ardere carbon
CO2:188.18*7950=1496.03
CO:212.89*2400=510.94
TOTAL:401.07*5004=2006.972*103[Kcal]
2) Căldura aerului:
1190.09*1200*0.336=479.84
14.88*1200*0.506=9.02
TOTAL:488.86*103[Kcal]
3) Oxidare H2:40.77*2560=104.37
4) Zgurificare:2.7*466*0.4751=0.60
TOTAL:2606.20*103[Kcal]
Călduri consumate:
1) Disociere oxizi:=1661.80
2) Evaporare apă (încărcătura):41.89*595=24.92
3) Evaporare şi supraîncălzire apă (cărbuni):
5.22[KgH2O]*6.95=3.63
5.22*1100oC*0.506=2.91
TOTAL:6.54*103[Kcal]
4) Încălzire carbuni:125[Kg]*1200oC*0.5[Kcal/Kg
oC]=75.00
5) Disociere H2O (aer+carb.):14.86[KgH2O]*32.12=47.73
6) Disociere gaze combustibile:
CH4:18.48*815=15.47
C2H2+C6H6:4.02[Nm3]*815*1.1=3.60
TOTAL:19.07*103[Kcal]
7) Căldura fontei: =278.00
8) Căldura zgurii: 466*420=195.72
9) Căldura gazului:
1760.77[Nm3]*160[
oC]*0.338=95.22
74.65[Kg]*160[oC]*0.464=5.54
TOTAL:100.76*103[Kcal]
10) Diferenţa de bilanţ: (7.55%) =196.65
TOTAL:2606.20*103[Kcal
RANDAMENTUL TERMIC
t=1661 8 6 54 75 0 47 73 19 07 278 195 72
2606 20100 87 63%
. . . . . .
.* .
RANDAMENTUL CARBONULUI
C=2006 97 10
401 07 7950100 62 94%
3. *
. ** .
COEFICIENTUL DE INLOCUIRE AL COCSULUI PRIN CARBUNI
Varianta A(cu compensare):
C(comb.+carb.) =84.90[Kg]
C(ech.oxidareH2) 104 97 10
500420 86
3. *
. [ ]Kg
TOTAL:105.76[KgC]
Cocs înlocuit:105.76:0.862=122.69[Kg]
Coeficient de înlocuire (A):122 69
1250 98
.. [ / . ]Kgcocs Kgcarb
Varianta B (fără compensare):
C(comb.+carb.) =84.90[Kg]
C(ech.oxidareH2): ( . . ) *
. [ ]104 37 19 07 10
500417 05
3
Kg
TOTAL:101.95[KgC]
Cocs înlocuit:101.95:0.862=118.27[Kg]
Coeficientul de înlocuire (B):118 27
1250 95
.. [ / ]Kgcocs Kgcarb
TEMPERATURA TEORETICĂ DE ARDERE LA GURILE DE VÂNT
Totul se raportează la 1[KgC] (cocs) ars la gurile de vânt (g.d.v.).
tta=5148 95
2 58
.
.=1996[
0C]
Consumul specific de cocs(echivalent):
- cocs tehnic - - - - - - - - - - - -- =430.20[Kg/t]
- cărbune anh.:125[Kg/t]*0.98=122.5[Kg/t]
TOTAL:552.5[Kg/t]
INDICATORII FURNALULUI NR. 5- ARCELOR MITTAL Galaţi .- PENTRU
VARIANTELE CALCULATE Variante propuse Nr. Indicator Comp. Var.de.ref. -I- -II-
uzuala
1 Încărcătură
[Kg/tfo.]
- aglm.
- pelete
- min.Mn
- min.Braz.
- TOTAL
1327.5
484.4
7.6
-
1819.5
1327.5
484.4
7.6
-
1819.5
1341.9
484.4
7.6
-
1833.9
2
[Kg/t]
[Nm3/t]
[Kg/t]
- cocs tehn.
-CH4
- cărb.anh.
TOTAL
508.7
53.9
-
562.6
455.0
50
50
555.0
430.0
-
125.0
555.0
3 Aer suflat
[Nm3]
- debit calc.
- umiditate
- oxigen
- temp.[0C]
1336.5
1
22
970
1168.21
1
24
1200
1202.1
1
23.5
1200
4 [tfo/m3zief] Iu 1.165 1.805 1.80
5 [tfo/m3
.zief] Ia-cocs
-comb.
0.59
0.654
0.8213
1.00
0.778
1.00
6 [%] -scoatere de
fonta 55 55 54.53
7
Reducerea
oxidului de
Fe
-Rd/Ri
- CO
- H2
42/58
44.8
32.5
40/60
46.3
30.0
40/60
46.77
32.0
8 Gaz de furnal
[Nm3/t]
CO2[%]
CO[%]
H2[%]
1888
18.35
22.64
4.01
1749.33
19.76
23.18
5.96
1760.7
20.0
23.3
4.5
9 Calitatea fontei
Si[%]
Mn[%]
S[%]
C[%]
0.84
0.88
0.023
4.55
0.84
0.88
0.023
4.55
0.84
0.88
0.023
4.55
10 Zgura
[Kg/tfo]
CaO/SiO2
(CaO+MgO):SiO2
451.9
1.25
1.33
451.6
1.25
1.33
466.0
1.32
1.419
11 Căldura 103[Kcal/t] 2535.9 2566.55 2606.22
12 Resurse de
căldura
-oxid.C
-oxid.H2
-Qaer
79.0
4.0
17.0
76.7
4.7
18.6
77.0
4.0
18.8
13 Bilanţ termic
- t[%]
- C[%]
-dif.[103Kcal/t]
87.1
61.0
192.1/7.6
87.52
62.13
194/7.5
87.63
69.94
196/7.5
14 Raport de
înlocuire
-A[Kgk/Nm3CH4]
-B - -
-A - -
-B - -
1.07
0.87
-
-
1.01
0.82
0.97
0.89
-
-
0.98
0.95
15 teoretica
de înloc. [
0C] 1809 1947 1996
CONCLUZII LA DATELE OBTINUTE PRIN CALCULE TEHNOLOGICE
Pentru aceste calcule s-a luat în considerare faptul că furnalul va funcţiona cu o
intensitate de ardere I-a normală inclusiv cu o capacitate normală de încălzire a cauperelor. S-
a mai considerat un adaus de O2 astfel încât să se poată menţine o temperatură corectă tta şi să
se poată obţine rapoarte de înlocuire favorabile.
Am efectuat calcule tehnologice în două variante şi anume, varianta I-a unde am
considerat 50[Nm3 gaz metan] şi 50[Kgcărbune] (praf de cărbune) şi varianta a-II-a unde am
considerat 100% praf de cărbune, adică 125[Kg cărbune]. Trebuie menţionat ca pentru
proiectarea instalaţiei de insuflare din capitolul -II- au luat ăn calcul varianta a-II-a.
Avantajele economice se observă din următoarele:
- consumul specific de cocs tehnic a scăzut de la 508.7[Kg/t], (la funcţionarea
furnalului în luna martie 2001, la 455.0[Kg/t](pentru varianta a-II-a). Se poate observa ca
suma totală de combustibili a scăzut de la 562.6 la 555.
Ipotezele de calcul sunt acoperitoare şi se poate conta în realitate pe economie de
combustibili mai mare, deoarece s-au păstrat unele rezerve de căldură care să poată acoperi
variaţiile posibile în cazurile în care cărbunii ar prezenta neuniformităţi de compoziţie sau în
cazul în care condiţiile de insuflare nu ar fi cele mai bune. Economiile la consumurile de cocs
respectiv la consumurile totale de combustibili sunt datorate funcţionării furnalului cu un
regim normal de la şi cu o corectă circulaţie a gazelor reducătoare, ceea ce nu este cazul în
prezent, când furnalul are o funcţionare anormal de lentă, aceasta antrenând circulaţii
unilaterale ale gazelor. În afara de aceasta se asigură un regim corect de temperatură în faţa
gurilor de vânt prin preîncălzirea aerului. La 1200[0C] temperatura ce corespunde
caracteristicilor normale a cauperelor de la ARCELOR MITTAL Galati şi prin adausuri de
O2 în aerul suflat în corelaţie cu cantităţile de combustibili neauxiliari insuflaţi.
Randamentul CO ( CO) a crescut de la 44.6 până la 46.77, iar randamentul H2 a avut
o uşoară scădere în varianta I-a. Tragem concluzia că s-au obţinut randamente comparabile cu
cele ce se realizează la furnale cum ar fi cele din Germania, S.U.A, Japonia etc. Funcţie de
aceste randamente s-a obţinut o proporţie între reducerile directe şi indirecte, (de la FeO la
Fe), de circa 40/60.
Calitatea fontei a rămas aceeaşi cu cea de la funcţionarea furnalului în luna martie
2007, la zgură observându-se o mică creştere a cantităţii pentru varianta 100% cărbune.
Raportul de înlocuire a cocsului din combustibilii auxiliari a putut fi crescut de la 0 la
1.01 si 0.97(pentru varianta -I-), inclusiv la 0.98 (în cazul variantei a-II-a).
Din cele menţionate anterior, consider varianta cea mai plauzibilă pentru furnalele de
la ARCELOR MITTAL Galati . ca fiind varianta -I-, însă poate fi impusă şi varianta -II- din
motive economice. Tocmai de aceea dimensionarea instalaţiei de insuflare a fost făcută pe
varianta 100% praf de cărbune
Instalaţiile permit conducerea procesului din furnal în condiţiile în care adausurile de
combustibili auxiliari pot varia în limite largi. Aceasta înseamnă că furnalul poate funcţiona
fie numai cu gaz metan sau numai cu praf de cărbune, fie cu ambii combustibili auxiliari în
cantităţi diferite, însă corelate în aşa fel încât regimul de temperatura în zona de ardere din
faţa gurilor de vânt şi în general regimul de temperatură al creuzetului să fie menţinut cât mai
constant şi la un nivel favorabil condiţiilor de elaborare în furnalul respectiv a fontei de
afinare.
Este de dorit ca în toate variantele de funcţionare, regimul de preîncălzire al aerului
suflat să fie menţinut în vecinătatea nivelului normal de 1200[0C] şi să nu se accepte scăderi
importante ale temperaturii de preîncălzire a aerului aşa cum este cazul în prezent, cu efecte
defavorabile asupra funcţionarii furnalului şi a integrităţii grătarelor din material refractar
superior al cauperelor.
3.2. DETERMINAREA INDICELUI DE INLOCUIRE COCS/PRAF DE CARBUNE,
PE BAZA ANALIZEI STATISTICE DE CORELARE SI REGRESIE A
CONSUMURILOR SPECIFICE
3.2.1. Consideraţii generale Atunci cînd se analizează desfăşurarea unui proces tehnologic sau un aspect al unui
proces de producţie, în practică se obţin numeroase date sub formă de valori numerice
condiţionate de o multitudine de cauze ce nu pot fi supuse întotdeauna unui control riguros.
Metodele statistice au ca obiect obţinerea din haosul aparent al datelor numerice şi
observaţiilor a anumitor tendinţe şi legităţi. Plecînd de la aceste constatări se va căuta
stabilirea unor metodologii pentru determinarea cu ajutorul analizei statistice de corelare şi
regresie a raportului de înlocuire cocs / PC. Se vor considera consumurile specifice şi alţi
parametri tehnologici ai procesului de elaborare a fontei la furnalele 4 şi 5 de la MITTAL
STEEL Galati
In acest mod pe lîngă metoda teoretică bazată pe analiza pe model matematic a
efectului insuflării prafului de cărbune prezentată anterior sau a altor metode indirecte de
calcul bazate pe elemente de bilanţ termic se va dispune de un instrument de analiză deosebit
de eficient, aplicat de altfel pe scară largă în străinătate pentru determinarea, plecînd de la date
experimentale, a acestui parametru caracteristic exploatării moderne a furnalului.
Determinarea indicelui de înlocuire se poate face prin prelucrarea rezultatelor
experimentale de pe un anumit interval de timp, de exemplu considerarea datelor medii lunare
între ele pe un interval mai lung de timp (semestru, an etc.) sau a datelor medii zilnice,
săptămînale sau decadale pe intervale mai scurte.
Rezultatele analizei pe medii lunare pot diferi de acela pe mediile unor intervale mai
scurte de timp din cauza caracterului mai omogen al primelor în raport cu mediile unor
intervale mai scurte. Acestea pot prezenta influenţe cauzate de specificul procesului ce
necesită un anumit timp de răspuns la modificările intrărilor în sistem şi care nu pot fi
reprezentate totdeauna suficient de veridic la intervale de exemplu de numai 24 ore. Din acest
motiv s-a introdus ca metodologie în afară de considerarea datelor medii zilnice şi
considerarea mediilor acestora pe intervale mai largi de 5 ... 6 zile. Selectarea grupării
adecvate se poate face şi ţinîndu-se seama de elemente statistice precum gradul de corelare (r)
sau gradul de determinare (R = r
2) ce caracterizează precizia estimaţiei dreptei de regresie şi
intensitatea corelaţiei.
Protocoalele zilnice redau mediile observaţiilor prelevate de sensorii instalaţiilor AMC
şi a acelora introduse manual de operatori sau tehnologi şi conţin şi prelucrări ale datelor
precum bilanţuri de materiale şi termice.
Alte protocoale se obţin sub formă de medii lunare, sau pentru alte intervale
programate. Ele sunt completate în cadrul S. Tehnic UAF în special prin raportare la
perioadele efective de funcţionare.
Consideraţiile noastre se vor referi cu precădere la furnalele nr.4 şi 5 ce funcţionează
cu insuflare de praf de cărbune din anul 2006.
In scopul arătat se vor interpreta statistic pe bază de analiză de corelaţie şi regresie
informaţiile pentru următoarele perioade:
- valorile medii lunare (iulie - dec.) 2006,
- valorile medii lunare pe anul 2007,
- valorile medii lunare (ian. - mai) 2007,
- ansamblul perioadelor 2006-2007 considerate,
- valori medii săptămînale (5-6 zile) pe durate de 2 luni în 2007,
- valori medii zilnice pe durată de 1 lună în 2007.
Se vor avea în vedere numai lunile sau respectiv zilele cînd s-a insuflat praf de
cărbune.
Analiza se va referi la date efective (aparente - brute) şi la date corectate privind:
a) Corecţii pentru utilizarea gazelor naturale drept combustibil auxiliar, pe lîngă praful
de cărbune (dar nu concomitent) în special la furnalul 4, cînd nu s-a suflat continuu praf de
cărbune.
In cazul utilizării parţiale a gazelor naturale, astfel cum apare din datele medii lunare
se face echivalarea în praf de cărbune pe baza corecţiilor:
1 Nm3CH4 0,8 kg cocs, 1kgPC 0,9 kg cocs, de unde 1 Nm
3CH4 0,89kg PC
O corecţie de acest tip se regăseşte şi în raportările privind parametrii furnalelor din
SUA şi Japonia unde se utilizează şi insuflări mixte de PC + CH4 + păcură (SUA) şi PC +
păcură (Japonia şi SUA).
b) Corecţii metalurgice pentru compensarea variaţiei unor parametri prin echivalări în
kg cocs/t fontă, de exemplu:
scoatere în fontă: 8 kg/1 % Sc
temperatura aerului: 0,16 kg/1oC
umiditatea aerului: 0,6/kg, t fo sau 0,8 kg/g H2O, Nm3 aer
conţinut în Si al fontei: 6 kg/0,1% Si.
Se vor prezenta în continuare elemente de analiză statistică de corelaţie şi regresie cu
aplicare în cazul de faţă.
Se consideră două variabile şi anume variabila independentă x(consumul specific de
praf de cărbune) şi variabila dependentă de aceasta y (consumul specific de cocs).
Dacă pentru o valoare determinată a variabilei independente x, variabila dependentă y
ia de asemenea o valoare determinată, discretă, se spune că ele sunt legate funcţional y = f (x).
Dacă fiecărei valori x îi corespunde nu o singură valoare y ci o “distribuţie legată” de
valori y (legată de valoarea lui x) caracterizată fiecare printr-o medie y legată, există o
legătură statistică (stohastică) respectiv o corelaţie între y şi x. Această situaţie se regăseşte şi
în cazul consumurilor specifice de praf de cărbune (x) şi de cocs (y) la furnalele ce
funcţionează în condiţii normale.
Dacă se cunoaşte x se poate estima valoarea lui y. Mediile distribuţiilor legate se pot
plasa aproximativ pe o dreaptă care trece cel mai aproape de toate punctele. Această dreaptă
reprezentînd aceste medii se numeşte dreapta de regresie a lui y în raport cu x.
Termenul de regresie derivă din latinescul “regresio” care înseamnă întoarcere şi a fost
introdus în statistică de englezul Francis Galton. In cadrul cercetărilor sale privind ereditatea
Galton a constatat că din părinţi cu talie mai mare decît media pe colectivitate se nasc copii cu
o talie inferioară mediei colectivităţii şi invers. Acest termen deşi impropriu sub forma
generală, a devenit o noţiune consacrată în statistică.
In fig.2.1 se prezintă legătura dintre două variabile; a reprezintă legătura funcţională y
= f (x) şi b legătura de corelaţie între x şi y caracterizată prin aceea că fiecărei valori a lui x îi
corespunde o distribuţie de valori pentru y, definită prin media legată y /x şi dispersia legată
s2/x. Dreapta figurată care trece cel mai aproape de mediile legate este dreapta de regresie.
Precizia estimării dreptei de regresie este cu atît mai mare cu cît corelaţia este mai
intensă.
Coeficientul de corelaţie r se poate exprima prin relaţia:
(x - x) (y - y)
r = ----------------------- (1.6)
(n - 1) sx .sy
unde x şi y sunt datele de observaţie, x şi y mediile, n numărul de perechi de observaţii, sx şi
sy abaterile medii pătratice de selecţie.
O altă relaţie bazată numai pe observaţiile iniţiale este:
x y
xy - ----------
n
r = ---------------------------------- (1.7)
(n - 1) sx sy
Coeficientul de corelaţie caracterizează intensitatea legăturii lineare luînd valori
cuprinse între -1 şi + 1 astfel:
- cu cît r este mai apropiat de - 1 sau de + 1 cu atît corelaţia este mai intensă;
- dacă r este aproape de zero cele două variabile nu sunt linear corelate existînd
alternativa de a fi corelate după altă lege decît aceea lineară sau a nu fi corelate deloc;
- cînd valori mari ale lui x corespund cu valori mari ale lui y, r este pozitiv şi
variabilele sunt corelate pozitiv şi în cazul invers variabilele au o corelaţie inversă sau
negativa. In cazul urmarit al corelatiei dintre consumul specific de cocs şi de praf de cărbune
insuflat corelaţia este negativă, consumul de cocs micşorîndu-se la creşterea consumului de
PC. Coeficientul de corelaţie rxy reprezintă o estimare a unui coeficient de corelaţie teoretic
şi ca urmare este testat sub aspectul nivelului de încredere folosind valorile tabelate din anexa
4. Dacă r calculat > r teoretic atunci corelaţia este dovedită cu o probabilitate P = 1 - pentru
n - 2 grade de libertate, unde este pragul de probabilitate ( = 0,1 = 10%).
Pătratul coeficientului de corelaţie r2 = Rxy poartă numele de coeficient de
determinare şi exprimă proporţia din variaţia variabilei y care poate fi atribuită factorului x,
respectiv proporţia participării propriuzise a prafului de cărbune la modificarea consumului
specific de cocs restul variatiei putînd fi datorat altor influenţe.
In continuare se prezintă un exemplu de stabilire a ecuaţiei dreptei de regresie a
consumului specific de cocs tehnic în funcţie de consumul specific de cărbune insuflat la
furnalul 5 în iulie - decembrie 1996. Calculul se poate face manual sau cu calculatorul
electronic de exemplu CASIO fx 7000 prevăzut cu mod statistic de funcţionare sau cu
calculator tip IBM-486 cu ajutorul unui program statistic, care trasează dreptele de regresie cu
limitele de încredere şi intervalul maxim admis.
In varianta manuală de calcul care explicitează algoritmul analizei statistice de
corelare şi regresie se determină succesiv:
a) Coeficienţii ecuaţiei dreptei de regresie:
y = a - bx (1.8)
- Valoarea pantei b cu relaţia:
n xy - ( x) ( y)
b = -------------------------- (1.9)
n x2 - ( x)
2
şi a ordonatei a:
y + b x
a = -------------------- (1.10)
n
- Gradul sau coeficientul de corelaţie r se stabileşte de preferinţă cu relaţia
n
(1.7) şi cu ajutorul dispersiei Sx2 = (xi - x)
2 / (n - 1) (1.11)
i=1
şi
n
Sy2 = (yi - y)
2 / (n - 1) (1.12)
i=1
- Gradul sau coeficientul de determinare rezultă din ridicarea la pătrat a lui r.
3.2.2. Exemplu de determinare a indicelui de înlocuire pe baza analizei de
corelaţie şi regresie
In continuare se prezintă modul de calcul în varianta manuală a indicelui de înlocuire
pe baza determinării ecuaţiei dreptei de regresie. Se exemplifică calculul pentru o situaţie
concretă perioada iulie - decembrie 2006 - F5 pe baza datelor de exploatare prezentate în
studiul anterior. Consumul specific de PC este corectat cu adaosul echivalat în PC a CH4
utilizat temporar în lunile respective.
Tabel Calculul dreptei de regresie a consumului specific de cocs în funcţie de consumul
specific de PC (kg/t fo) la F5 MITTAL STEEL iulie - decembrie 2006
Nr.
crt
Luna PC
x
Cocs
y
x2
y2
xy
1. 07 41,97 498 1761,5 248004 20901,1
2 08 85,18 441 7255,6 194481 37564,4
3. 09 130,71 426 17085,1 181476 55682,5
4. 10 121,79 423 14832,8 178929 51517,2
5. 11 111,80 436 12499,2 190096 48744,8
6. 12 83,77 479 7017,4 229441 40125,8
x=575,22
x=95,87
( x)2=330878
y=2703
y=450,5
x2=60451,6 y
2=1222427 xy=254535,8
n xy - ( x) ( y) 6 .254535,8 - 575,22 .2703
b = -------------------------- = ----------------------------------------- =
n x2 - ( x)
2 6 . 60451,6 - 330878
- 27604,9
= ----------------- = - 0, 8672 ~ - 0,87
31831,6
y - b x 2703 + 0,8672 . 575,22
a = ----------------- = -------------------------------- = 533,64
n 6
- Ecuaţia dreptei de regresie a consumului specific de cocs funcţie de PC:
y = a + bx = 533,64 - 0,8672 x sau
y = 533 - 0,87x
- Raportul de înlocuire (indicele de echivalare) pentru x = 1 kg PC este ~
0,87 kg cocs/kgPC
- Dispersia:
n
Sx2 = (xi - x)
2 / (n - 1) = [(x1 - x)
2 + (x2 - x)
2 + ..... +(xn -x)
2] / (n - 1) =
i=1
= [(41,97 -95,87)2 + (85,18 -95,87)
2 + (130,71 -95,87)
2 +(121,79 -95,87)
2 +
+ (111,80 - 95,87)2 + (83,77 - 97,87)
2]/ (6-1) = 1061,068 ~ 1061,1
de unde:
Sx = S2x = 1061,1 = 32,57
n
Sy2 = (yi - y)
2 / (n - 1) = [(y1 - y)
2 + (y2 - y)
2 + ..... +(yn -y)
2] / (n - 1) =
i=1
Sy2 = [(498 -450,5)
2 + (441 -450,5)
2 + (426 -450,5)
2 + (423 -450,5)
2 +
+ (436 - 450,5)2 + (479 - 450,5)
2]/ (6-1) = 945,1
de unde:
Sy = S2y = 945,1 = 30,74
- Gradul de corelare:
x . y
r = [ xy - ------------------ ] / (n -1) . Sx Sy =
n
575,22 . 2703
= [254535,8 - --------------------- ] /(6-1) .32,57 . 30,74 = - 0,919 ~ - 0,92
6
Rezultă că precizia estimaţiei dreptei de regresie este înaltă.
- Gradul de determinare:
R = r2 = 0,8446 ~ 0,86
Intensitatea corelaţiei este ridicată.
Se obţin rezultate identice cu acelea determinate cu ajutorul calculatorului electronic.
Se recomandă aplicarea metodei în situaţii de necesitate (lipsa mijloacelor electronice de
calcul) şi ca metodă de verificare.
3.3. INFLUENTA CONTINUTULUI DE CENUSA A PC SI COCSULUI ASUPRA
INDICELUI DE INLOCUIRE DETERMINATA PRIN ANALIZA STATISTICA DE
CORELARE SI REGRESIE
Economia de cocs ce rezultă în urma IPC este influenţată de conţinutul de cenuşă al
cărbunelui. Cercetătorii spanioli au determinat pe baze statistice următoarea ecuaţie de
regresie [ 3 ]:
E = 1,48 - 0,66 (%Ac / % Ak)
unde:
E este indicele de înlocuire al cocsului prin cărbune, kg/kg
Ac - conţinutul în cenuşă al cărbunelui, %
Ak - conţinutul în cenuşă al cocsului, %
Gradul de corelare al ecuaţiei este r = 0,594. Valabilitatea rezultatelor este
circumscrisă cazului studiat dar sub aspect principal formularea poate fi generalizată. In
practică prezintă interes reducerea conţinutului în cenuşă atît în cărbune cît şi în cocs.
Influenţa asupra consumului de combustibil a variaţiei cantităţii de cenuşă cu PC apare a fi
mai mare decît a unei variaţii similare cu cocsul.
3.4.EFICIENTIZAREA PROCESULUI DE ELABORARE A FONTEI PRIN
INSUFLAREA MIXTÃ LA GURILE DE VANT ALE FURNALULUI A PRAFULUI DE
CÃRBUNE IN AMESTEC CU MINEREURI SI/SAU FONDANTI
Tehnologia de insuflare mixtã la gurile de vânt ale furnalului a prafului de cãrbune în
amestec cu minereuri şi/sau fondanţi reprezintã o problematicã cu abordare şi dezbatere
relativ recentã pe plan mondial /1-7/. Avantajele aplicãrii acestei tehnologii sunt multiple:
- creşterea permeabilitãţii la gaze a coloanei de materiale prin îmbunãtãţirea raportului
grosimii straturilor minereu/cocs; aceasta permite creşterea cantitãţii de praf de cãrbune
insuflat la gurile de vânt şi deci, reducerea consumului specific de cocs şi creazã implicit
condiţii de creşterea a productivitãţii furnalului;
- îmbunãtãţirea calitãţii fontei, în principal, prin reducerea conţinutului de siliciu; un
calcul estimativ aratã cã aceasta ar putea conduce la o reducere a costurilor de producţie la
elaborarea oţelului cu 0,3 ... 0,5%/t pentru fiecare 0,1% Si redus în fontã;
- creşterea gradului de combustie a cãrbunelui pulverizat insuflat la gurile de vânt,
fiind posibilã astfel îmbunãtãţirea raportului de înlocuire cocs/praf cãrbune precum şi
creşterea cantitãţii de praf de cãrbune insuflat la gurile de vânt.
In plus, utilizarea directã a minereurilor fine şi foarte fine la furnale, fãrã aglomerare
prealabilã ar avea ca efect o reducere a cheltuielilor de exploatare şi energetice; aceasta ar
conduce implicit la reducerea efectului poluant al siderurgiei asupra mediului.
Sub aspect ecologic, dezvoltarea unei tehnologii de insuflare a pulberilor în furnal
prezintã importanţã şi din alt punct de vedere. Aceasta ar permite reciclarea unor deşeuri
feroase din siderurgie (prafuri de la epurarea gazelor, şlamuri uscate, ţunder de laminare etc),
prin insuflare direct în furnal, fãrã a fi prelucrate în procesul de aglomerare, unde utilizarea lor
poate ridica probleme (degajãri de volatile care influenţeazã negativ funcţionarea
electrofiltrelor etc) /5/.
De asemenea, tehnologia de insuflare a pulberilor se poate aplica cu succes şi la
insuflarea ilmenitului în furnal pentru protecţia zidãriei creuzetului.
Dintre obiectivele enunţate mai sus, obţinerea fontei de afinare cu conţinut scãzut de
siliciu prezintã interes şi pentru ARCELOR MITTAL GALAŢI ; în prezent, fonta produsã
în mod curent la UAF prezintã un conţinut de Si 0,7%. Alte cãi de reducere a conţinutului
de siliciu în fontã, respectiv:
- controlul strict asupra procesului tehnologic de elaborare a fontei prin conducere
automatã pe calculator, sau
- pretratarea fontei în afara furnalului,
presupun investiţii ridicate, greu de realizat în momentul de faţã.
Pe de altã parte, la ARCELOR MITTAL GALAŢI se analizeazã implementarea
tehnologiei de insuflare a ilmenitului în furnal pentru protecţia creuzetului. In prezent, la
furnalele UAF se practicã adaosuri de ilmenit cu aglomeratul în cazuri de încãlzire zonalã a
zidãriei creuzetului. Aceastã metodã însã, este foarte costisitoare necesitînd consumuri
ridicate de ilmenit; în plus, antreneazã modificãri ale proprietãţilor încãrcãturii, unele cu
efecte negative asupra funcţionãrii furnalului. Prin aplicarea tehnologiei de insuflare se
eliminã aceste inconveniente, fiind posibilã reducerea consumului specific de ilmenit cu cca.
80% şi obţinerea de rezultate pozitive imediate.
Se apreciazã cã dezvoltarea unei tehnologii de insuflare a pulberilor în furnal este
motivatã tehnic şi economic şi este aplicabilã în condiţii de investiţii minime la ARCELOR
MITTAL GALAŢI unde s-a implementat tehnologia de insuflare a prafului de cãrbune.
FUNDAMENTAREA TEORETICĂ A INSUFLĂRII COMBINATE ÎN FURNAL
O caracteristicã a procedeului o reprezintã desfãşurarea unor reacţii
fundamentale de reducere şi topire în perioade de timp foarte scurte (de ordinul a 20
milisecunde). Procesele de disociere şi reducere care au loc la insuflarea mixtã influenţeazã
proprietãţile de ardere a cãrbunelui. La insuflarea unor cantitãţi mici de minereu reacţiile cu
cãrbunii sunt accelerate. La insuflarea unor proporţii ridicate reacţiile de ardere sunt frânate
din cauza consumurilor mari de cãldurã pentru încãlzirea materialelor insuflate şi a reducerii
directe endoterme.
Cercetãrile realizate de cãtre Institutul din Aachen (Germania), utilizînd o instalaţie
experimentalã care simuleazã procesul de ardere din faţa gurilor de vînt, au arãtat cã prin
pãstrarea unei proporţii optime de minereuri de fier în amestec, respectiv a unui raport O/C
între limite optime, randamentul de ardere creşte, minereul de fier avînd proprietãţi catalitice.
Pentru a putea insufla cantitãţi mari de minereu de fier în amestec cu cãrbunele,
cãrbunele trebuie sã prezinte o cotã ridicatã de componente volatile, iar minereul de fier sã fie
uşor reductibil.
Pentru menţinerea regimului de ardere şi a temperaturii, în condiţii corespunzãtoare de
funcţionare a furnalului este necesarã utilizarea materialelor de granulaţie foarte finã (< 0,1
mm) stabilirea proporţiei optime de minereu sau fondant în amestec cu cãrbunele pulverizat,
reglarea parametrilor de insuflare (temperatura aerului, conţinutul de O2 în aerul insuflat etc)
şi eventual sã se practice adaosuri de intensificare a arderii.
Literatura de specialitate consemneazã cã insuflarea unor cantitãţii de minereu de fier,
de pânã la 50 kg /t fontã (10-50% în amestec cu cãrbune), a permis diminuarea conţinutului de
siliciu din fontã, cu 35-40% (procente relative) în condiţiile menţinerii temperaturii fontei la
nivel aproape constant /2-6/.
Prin insuflarea unor fondanţi bazici (cu conţinuturi ridicate de CaO şi MgO), în
amestec cu cãrbune s-a stabilit cã fondanţii cu conţinut preponderent magnezitic sunt mai
eficienţi decît cei cu CaO; dintre fondanţii cu MgO, magnezita (MgCO3) s-a dovedit a fi cea
mai eficientã.
Pentru fiecare 10 kg/t fontã magnezitã insuflatã prin gurile de vînt, conţinutul de
siliciu se reduce cu cca. 25% (procente relative); pentru fiecare 1% creştere a MgO în zgurã,
conţinutul de siliciu se reduce cu cca. 20% (procente relative).
Insuflarea unei cantitãţi de pînã la 15 kg dolomitã/t fontã (cca. 10% în amestec cu PC)
a permis diminuarea conţinutului de siliciu cu cca. 20% (procente relative); în acelaşi timp, s-
a remarcat o diminuare a conţinutului de sulf cu cca.10% (procente relative).
Tehnologia de insuflare a minereurilor de fier şi a fondanţilor la gurile de vînt prezintã
avantajul cã permite ajustarea zonalã a conţinutului de siliciu, fãrã a modifica regimul de
funcţionare a furnalului şi menţinînd temperatura fontei la nivelul necesar.
La experimentãrile industriale studiate, pentru unele regimuri de insuflare
dezavantajoase pentru bilanţul energetic din zona gurilor de vînt s-au înregistrat creşteri ale
consumului specific de cocs de 2-5 kg / t fontã.
Pentru a verifica posibilitãţile de valorificare la furnalele din ţarã, a tehnologiei
studiate, s-au efectuat calcule pentru o situaţie realã, de exploatare curentã a unui furnal
funcţionând în regim de insuflare a prafului de cãrbune la gurile de vânt, furnal la care s-ar
putea aplica insuflarea mixtã (praf de cãrbune + minereu de fier + fondant) cu investiţii
minime.
In aceastã idee s-au prelucrat şi interpretat parametrii medii de funcţionare ai
furnalului nr.5 (2700 m3 - volum util nominal) de la ARCELOR MITTAL GALAŢI ,pentru o
perioadã consideratã reprezentativã pentru regimul normal de elaborare a fontei.
Pe baza datelor obţinute, s-a efectuat bilanţul de materiale, bilanţul termic şi s-a
stabilit regimul de funcţionare de referinţã pentru variantele tehnologice de insuflare mixtã,
calculate ulterior.
Pornind de la mersul de referinţã stabilit pentru condiţiile reale industriale s-a efectuat
calculul pentru douã variante tehnologice de insuflare mixtã:
A. aer îmbogãţit în oxigen (23,85%) + praf de cãrbune + minereu de fier
B. aer îmbogãţit în oxigen + praf de cãrbune + minereu de fier + fondant.
Rezultatele obţinute sunt prezentate în tabelul 3.4.1.
Tabelul 3.4.1. Regimul de funcţionare U.M Etapa
Referinţa Exp. A Exp. B
1 2 3 4 5
1. Consumuri specifice de materii prime:
- aglomerat I
- aglomerat III
- pelete CSI
- minereu Brazilia: . în încãrcãturã
. la gurile de vânt
- minereu India
- dolomitã (insufl. la gurile de vânt)
- praf cãrbune (insufl. la gurile de vânt)
- cocs tehnic (% umid.)
- cocs tehnologic (2,82% umid.)
- cocs aprovizionat (8,5% mãrunt)
- aer necesar (calculat)
- aer mãsurat (9,5% pierderi)
kg/t fontã
“
“
“
“
“
“
“
“
“
“
“Nm3/t fo
“
4,82
1400,04
118,19
176.76
-
17,86
-
121,28
423,00
435,27
475,70
1146,86
1267,25
4,82
1400,04
118.19
125,21
51,55
17,86
-
121,28
427,11
439,50
480,33
1146,86
1267,25
4,82
1389,14
118.19
125,21
51,55
17,86
20,00
121,28
427,11
439,50
480,33
1146,86
1267,25
2. Regimul termic al furnalului:
La gurile de vânt:
- debit aer insuflat
- presiune aer
- temperaturã aer
- oxigen în aer
- umiditate aer
- adaos praf de cãrbune
- adaos minereu de fier
- adaos dolomitã
La gura furnalului
- presiune gaze
- temperaturã gaze
Nm3/orã
atm. oC
% vol.
% vol.
g/Nm3
“
“
bar oC
248750
2,61
1087
23,85
1,25
105,75
-
-
1,36
116
253713
2,61
1087
23,85
1,25
105,75
44,95
-
1,33
117
253713
2,61
1087
23,85
1,25
105,75
44,95
17,44
1,33
117
3. Fonta:
- producţia
- compoziţia chimicã
C
Si
Mn
P
S
t/zi funcţ.
%
“
“
“
“
4711,00
3,90
0,74
0,65
0,106
0,029
4804,98
4,26
0,38
0,65
0,106
0,030
4804,98
4,26
0,30
0,65
0,106
0,028
1 2 3 4 5
4. Zgura:
- producţie specificã
- compoziţie chimicã
SiO2
Al2O3
CaOtot
MgO
FeO
MnO
CaS
- I.B: (CaO + MgO)/ SiO2 +Al2O3)
kg/t fontã
%
“
“
“
“
“
“
-
385,06
34,33
13,30
44,36
5,86
0,49
0,93
1,658
1,054
392,77
35,61
13,04
43,49
5,74
0,48
0,91
1,621
1,012
394,50
35,89
12,99
43,30
5,72
0,48
0,90
1,625
1,003
5. Gazul de furnal (uscat):
- producţia specificã
Nm3/t fo
1673,0
1673,0
1676,1
- compoziţia chimicã:
CO
CO2
H2
CH4
N2
- puterea calorificã
% vol.
“
“
“
“
kcal/Nm3
22,28
22,63
2,73
0,40
51,96
799,8
22,61
22,30
2,73
0,40
51,96
809,8
22,64
22,37
2,72
0,40
51,87
810,4
6. Indici de exploatare:
- indice de utilizare a vol. util
- intensitatea de ardere a cocsului
- intensitatea de ardere a Canh
fix
- scoatere de fontã
- scoatere de praf (apreciatã)
t/m3zi funcţ.
“
“
%
kg/t fontã
1,745
0,738
0,756
58,22
15,00
1,780
0,760
0,778
58,22
14,64
1,780
0,760
0,778
58,22
14,58
7. Bilanţ termic:
Cãlduri intrate:
- arderea C la CO2
- arderea C la CO
- arderea CO la CO2
- aerul cald
- cãldura fizicã a materialelor
total
kcal/kg fo
“
“
“
“
721,10
220,78
1143,90
422,86
6,57
2515,22
721,10
227,65
1127,34
422,86
6,57
2505,52
721,10
229,16
1123,45
422,86
6,57
2503,24
1 2 3 4 5
8. Consumuri de cãldurã
- disocierea oxizilor
- zgurificarea sulfului
- disocierea carbonaţilor
- evacuatã cu fonta
- evacuatã cu zgura
- evacuatã cu gazul de furnal
- disocierea umiditãţii la g.d.v.
- disocierea hidraţilor şi încãlz. vap.apã
- evaporarea umiditãţii şi încãlz. vap.apã
- pierderi de cãldurã (diferenţa bilanţ)
total
kcal/kg fo
“
“
“
“
“
“
“
“
“
1706,63
3,67
-
300,00
173,28
64,58
38,96
17,11
11,26
199,72
2515,22
1679,97
3,66
-
300,00
176,74
64,58
47,19
13,21
10,29
209,88
2505,52
1674,03
3,69
5,66
300,00
177,52
64,70
47,19
13,21
10,29
206,95
2503,24
Din datele obţinute rezultã cã schimbarea regimului de insuflare influenţeazã în
principal compoziţia chimicã şi producţia de fontã. Astfel, în situaţia menţinerii unui nivel de
insuflare de cca. 120 kg praf cãrbune/t fontã, prin insuflarea a 50 kg minereu de fier (cu
64,6% Fe) se poate realiza o scãdere a conţinutului de siliciu în fontã de la 0,74 la 0,38% şi o
mãrire a producţiei cu cca. 2% însoţitã însã de o creştere a consumului specific de cocs tehnic
de 4 kg/t fontã. Prin adãugarea la insuflarea mixtã (cãrbune + minereu) şi a 20 kg dolomitã
(cu 33,77% CaO şi 17,24% MgO), conţinutul de [Si]fontã poate fi diminuat de la 0,38 la
0,30%, fãrã a se modifica valoarea consumului specific de cocs şi a producţiei.
Pentru evidenţierea influenţei conţinutului de Si din fontã asupra bilanţurilor, de
materiale şi termic, ale procesului de elaborare a oţelului în convertizor s-a analizat efectul a
diferite conţinuturi de Si în domeniul 0,2-1,0% pentru o fontã avînd compoziţia chimicã:
C = 4,30%
Si = 0,2; 0,4; 0,7; 1,0%
Mn = 0,70%
S = 0,02%
P = 0,10%
S-au considerat: temperatura fontei 1380oC, temperatura oţelului lichid de 1650
oC şi
1700oC, încãrcãtura metalicã de 1100 kg, conţinutul de Fe legat chimic în zgurã de 20% şi
acela al Fe met. antrenat cu zgura de 12%.
Rezultatele calculului sunt prezentate în tabelul 3.4.2, pentru temperatura de 1700oC,
mai apropiatã de regimul actual de elaborare.
Tabelul 3.4.2 - Indicatori ai procesului de elaborare în convertizorul cu oxigen
kg/t oţel/ oC
Var Zgurã Fontã Fier vechi Fier în zgurã
[Si] % 1650 1700 1650 1700 1650 1700 1650 1700 1650 1700
1,0 64,8 67,0 116,1 120,0 832 860 268 240 37,1 38,4
0,7 47,1 48,7 86,2 89,1 844 872 256 228 27,6 28,5
0,4 29,4 30,3 56,7 58,3 876 902 224 198 18,1 18,7
0,2 16,4 17,4 35,7 36,8 899 927 201 173 11,4 11,8
Se observã tendinţa de scãdere importantã a necesarului de var, a cantitãţii de zgurã şi
implicit a fierului pierdut cu zgura, o datã cu micşorarea conţinutului de Si din fonta lichidã.
Pentru o temperaturã a oţelului produs de 1700oC, pierderea de metal cu zgura scade cu cca.
3,2 kg/t oţel . 0,1% [Si], necesarul de var se reduce cu cca. 6,2 kg/t oţel . 0,1% [Si], cantitatea
de zgurã cu cca. 10,4 kg/t oţel . 0,1% [Si] şi costurile de producţie se pot reduce cu 0,3 ...
0,5% / t oţel . 0,1% [Si].