Источник: http://www.nbuv.gov.ua/portal/Natural/Vktu/2009_23/085_.pdf
Проведены модельные исследования радиального распределения шихтовых материалов в доменной печи. Разработаны предложения по оптимизации распределения газового потока в доменных печах, оборудованных различными конструкциями загрузочных устройств.
Проблема и ее связь с практическими задачами. Регулирование распределения шихтовых материалов в доменной печи обеспечивает характер распределения газового потока по вертикальному и горизонтальному сечению печи, степень использования тепловой и восстанови тельной способности печных газов, ровность хода печи по характеру опускания шихтовых материалов.
Технологическими приемами осуществления поставленной задачи при оборудовании доменных печей типовыми (двухконусными) загрузочными устройствами являются такие, как изменение очередности загрузки материалов на нижний конус (прямые и обратные подачи), уровень засыпи материалов в доменной печи, величина массы материалов в подаче. Значитель ноеувеличение технологических возможностей по управлению газораспределения в доменной печи имеют загрузочные устройства лоткового типа, обеспечивающие регулирование радиального и окружного распределения шихты, а следовательно, и газового потока в доменной печи, варьированием скорости вращения загрузочного лотка и угла его наклона.
Большинство доменных печей металлургических предприятий Украины оборудованы двухконусными загрузочными устройствами, получившими названия типовых.
Эти загрузочные устройства оборудованы вращающимся распределителем шихты для регулирования окружным распределением материалов и газов в доменной печи и имеет возмож ность регулирования радиальным газораспределением.
Анализ исследований и публикаций. В.П. Тарасовым разработано загрузочное устройство доменной печи с технологическим отверстием в нижнем конусе [1]. Устройство обладает неограниченными возможностями управления газораспределением по диаметру доменной печи. Существенным недостатком этого загрузочного устройства является необходимость оборудования доменных печей дополнительным газовым затвором в связи с невозможностью выполнения этой функции нижним конусом. На ряде металлургических предприятий Украины (ОАО «АрселорМиттал Кривой Рог», «ММК им. Ильича») успешно применяется загрузка шихтовых материалов в доменные печи с раздельной подачей на колошник рудных составляющих и кокса [2]. Это позволяет значительно улучшить газопроницаемость столба шихтовых материалов с одновременным увеличением степени использования восстановительной и тепловой энергии газов. Однако раздельная загрузка рудной составляющей и кокса в доменную печь не позволяет использовать для регулирования газораспределением в печи такой технологический прием, как очередность загрузки материалов, т.е. в этом случае нет прямых и обратных подач, которые имеют место при совместной загрузке агломерата (окатышей) и кокса на нижний конус засыпного аппарата. В связи с этим предложено загрузить железосодержащую часть подачи и кокса с различных уровней засыпи материалов на колошнике доменной печи [3].
Изложение материала и результаты. Основной целью исследования является определение характера перераспределения шихтовых материалов при их опускании в доменной печи, исследование распределения шихты на колошнике при различных системах загрузки, разработка технологических приемов управления радиальным газораспределением в доменных печах на основе результатов экспериментальных исследований и анализ применяемых систем загрузки шихтовых материалов в доменные печи на металлургических предприятиях Украины. В ходе выполнения экспериментальных исследований характера распределения шихтовых материалов по диаметру доменной печи на прозрачной модели при различных системах загрузки разработаны технологические приемы управления газораспределением при загрузке классических подач (два скипа кокса и два скипа агломерата) и утяжеленных подач (четыре скипа кокса и четы ре скипа агломерата) путем изменения режима опускания нижнего конуса и воздействия на поток ссыпающейся на колошник шихты магнитным полем [5].
В последние годы получило развитие и считается общепризнанной теория движения газового потока в зоне когезии через так называемые «коксовые окна». Суть заключается в том, что в зоне первичного шлакообразования при послойной загрузке железорудного сырья (агломерат, окатыши) и кокса образуются две зоны с различной газопроницаемостью: зона пластического состояния железорудных материалов практически газопроницаемая и слой кокса, обладающий высокой газопроницаемостью. В соответствии с таким представлением следует увеличивать высоту слоя железосодержащих материалов и высоту слоя кокса, что и достигается при загрузке раздельных четырех скиповых подач, успешно применяемых на уже названых металлургических комбинатах [2], опыт работы которых показал высокую технико-экономическую целесообразность такой технологии загрузки шихтовых материалов в доменной печи.
Кроме того, на степень использования тепловой и восстановительной энергии газов в доменной печи существенное влияние оказывает характер распределения газового потока по вертикальному сечению печи. На протяжении многих лет считалось, что для обеспечения ровного опускания шихтовых материалов в доменной печи необходимо иметь умеренно развитый газовый поток на периферии и в осевой зоне, что обусловливало значительное недоиспользование энергии печных газов. В связи с этим, в последние годы рациональным распределением газового потока в доменной печи с учетом качества шихтовых материалов, поступающих в доменные печи металлургических предприятий Украины, считается необходимым развитие газового потока в осевой зоне при значительной подгрузке периферии железорудными материалами. В соответствии с теорией «коксовых окон» на использование энергии печных газов и характер опускания шихтовых материалов существенное влияние оказывает конфигурация зоны когезии, которая изменяется от горизонтальной до W-образной и Л-образной. Форма пластической зоны является функцией распределения газового потока по сечению доменной печи. Для более полного использования энергии печных газов рациональным их распределением следует считать равномерное распределение по сечению доменной печи, что может быть осуществлено только при условии отсутствия мелких фракций в шихтовых материалах, которая не достижима для металлургических предприятий Украины. Так, к примеру, агломерат, производимый аглофабрикой ОАО «МК «Азовсталь», содержит до 20 % мелких фракций (-5 мм), который без отсева мелочи загружается в доменные печи. В соответствии с теорией «коксовых окон» наиболее благоприятной для доменной плавки является Л-образная форма пластической зоны. Для образования Л-образной формы зоны когезии необходимо создать преимущественное развитие газового потока в осевой зоне доменной печи, что осуществляется соответствующим распределением шихтовых материалов при их загрузке в доменную печь.
В доменных цехах рядом металлургических предприятий Украины в качестве железосодержащих компонентов доменной шихты используются одновременно агломерат и окатыши. Металлургические и физические свойства агломерата и окатышей существенно различаются по физическим свойствам (углу естественного откоса, сыпучести, насыпной массе и др.), необходимо учитывать различное поведение в доменной печи агломерата и окатышей. Угол естественного откоса у агломерата значительно больше такового окатышей, следовательно, при за грузке агломерата в доменную печь образуется более глубокая воронка, определяющая распре деление по диаметру доменной печи, загружаемых после агломерата материалов: кокс в боль шей степени будет перемещаться в осевую зону печи, в то время как агломерат распределится в основном на периферии. При загрузке на слой агломерата окатышей, в силу их меньшего по сравнению с агломератом угла естественного откоса, они будут концентрироваться в осевой зоне доменной печи. И, наоборот, загружаемый на слой окатышей агломерат в большей степени концентрируется у стен доменной печи.
Таким образом, замена в доменной шихты агломерата окатышами влечет существенное изменение распределение шихты, следовательно, и газового потока по сечению доменной печи.
При проведении экспериментальных исследований на прозрачной модели доменной печи определили влияние различных систем загрузки шихтовых материалов на их распределение по сечению доменной печи. Исследовалось распределение материалов при загрузке прямых, об ратных и раздельных подач.
При загрузке прямых подач на нижний конус загрузочного устройства в первую очередь набиралась рудная часть, а затем кокс. В верхней части доменной печи сохраняли послойное распределение материалов с преимущественным распределением рудной части в периферийной зоне. По мере опускания материалов значительная часть кокса перемешается в осевую зону. Это способствует преимущественному движению газов в центральной части доменной печи и концентрации высоких рудных нагрузок на периферии. При таком распределении газового потока зона когезии имеет Л-образную форму с высоко поднятой вершиной. При загрузке обратных подач на нижний конус в первую очередь загружали кокс, а затем рудную часть подачи. В этом случае часть кокса концентрировалась в узком периферийном кольце - 400...600 мм. Основная масса кокса, также как и при загрузке прямых подач, вытеснялась в основную зону печи. В нижней части доменной печи (в районе распора и заплечиков) концентрация кокса уменьшилась. Такое распределение шихтовых материалов определило распределение газового потока и зоны когезии W-образной формы с очень короткими «крыльями» и с менее выраженной вершиной.
Представляет значительный интерес система загрузки с раздельной подачей рудной и кок совой ее частей. При такой системе загрузки на нижний конус набирается только рудная часть подачи (четыре скипа) или топливная (четыре скипа кокса). В случае послойной загрузки мате риалов сохраняется по всей высоте доменной печи, что обеспечивает наилучшее перераспределение газового потока по сечению печи и равномерной обработке газами вышеупомянутых слоев шихтовых материалов. Этим, по всей вероятности, и объясняется высокая эффективность такой системы загрузки.
При такой системе загрузки нет возможности использования технического приёма управления газораспределением по вертикальному сечению доменной печи изменением порядка за грузки шихты на колошник. В ходе проведения исследований предложен способ регулирования распределения шихтовых материалов, следовательно, и газового потока изменением режима опускания нижнего конуса. Предложенный способ заключается в ступенчатом опускании нижнего конуса, что существенно влияет на распределение шихтовых материалов по сечению доменной печи и позволяет эффективно управлять газораспределением в доменной печи, поддер живать оптимальную конфигурации зоны когезии, обеспечить максимальную производительность доменной печи с максимальным использованием тепловой и восстановительной энергии газового потока, т.е. с минимальным удельным расходом кокса на выплавку чугуна.
Расчет высоты слоя агломерата и кокса, проведенный для систем загрузки, применяемых в доменном цехе одного из металлургических комбинатов Украины, показал значительную ее колебимость. При различных системах загрузки высота слоя агломерата изменяется от 0,25 до 0,48 м, высота слоя кокса изменяется от 0,15 до 0,79 м, что в некоторых случаях не обеспечивает образования в зоне когезии коксовых окон достаточной высоты.
На основании исследований рекомендуется при загрузке шихты в доменные печи, оборудованные конусными загрузочными устройствами, использовать раздельную подачу, состоящую из четырех скипов агломерат (окатышей) и четырех скипов кокса. Для доменных печей, оборудованных бесконусными загрузочными устройствами, рекомендуется раздельная двухскиповая подача в цикле с раздельной загрузкой трех скипов агломерата (окатышей) и трех скипов кокса.
Проведены модельные исследования влияния систем загрузки на характер рас пределения шихтовых материалов в доменной печи.
Исследован характер перераспределения агломерата и кокса при их опускании в доменной печи.
Предложены оптимальные системы загрузки шихтовых материалов в доменные печи, обо рудованные различными конструкциями загрузочных устройств.
1. Тарасов В.П Снижение энергетических затрат на выплавку чугуна в современных условиях Украины / В.П Тарасов, В.П. Русских, А.А. Томаш, В.Б. Семакова // Металл и литье Украины.-2000. - №3-4. - С. 5-7.
2. Климанчук В.В.Энергосберегающие разработки Приазовского государственного технического университета и Мариуполького металлургического комбината им. Ильича в металлургическом производстве/ В.В. Климанчук, А.А. Томаш, АВ. Сущенко, Н.В. Косолап и др.// Металл и литье Украины.-2005. - № 7-8. - С. 6-12.
3. Декларационный патент на изобретение 69655А,С21В7/20. Способ управления радиальным распределением шихты и газов в доменной печи/ B.C. Бойко, Е.А Царицын, А А. Малимон и др.
4. Товаровский ИГ. Эволюция доменной плавки / И.Г. Товаровский, В.П. Лялюк. - Днепропетровск: Поро ги, 2001.-424 с.
5. Патент на полезную модель № 33854 МПК(206) С21В5/00. Способ управления распределением шихты на колошнике доменной печи с помощью электромагнитного поля/ ДК Степнов, В. С. Бойко, С. А Матвиенков, В.П Русских и др.
Рукопись поступила в редакцию 18.03.09