CC BY
0д.т.н. Новохатский А. М., Блинов А. М., Бобров А. Ю. (ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ В ГОРНЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
В данной работе рассмотрены гранулометрический состав и порозность различных видов кокса: калиброванного, рядового, валового, кокса фурменной зоны. Кроме того, была определена кажущаяся плотность шлака, находящегося в нижней части доменной печи в период плавки. Ключевые слова: доменная печь, горн, кокс, шлак, порозность кокса, плотность шлака.
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2018. № 9 (52)
_Металлургия и материаловедение_
УДК 669.162
Важной проблемой в доменном производстве является определение объёмного баланса продуктов плавки в горне доменной печи с целью недопущения его переполнения [1]. В приходную статью данного баланса входит поступление чугуна и шлака в металлопри-ёмник, а в расходную — их выпуск. По материальному балансу определяется масса чугуна и шлака, приходящих в горн доменной печи. Так как плотность чугуна известна и имеет узкий диапазон 6,9-7,2 т/м3, то определение его объёма не представляет затруднений. Вычисление объёма горна, который занимает шлак, осложнено отсутствием данных о его кажущейся плотности во вспененном состоянии, а также значения порозности горнового кокса.
В горне доменной печи находится коксовая насадка, в межкусковых промежутках которой накапливается чугун и шлак. Кокс неоднороден по крупности и поэтому из-за вариации размеров кусков насадки величина пустот различна. Вероятно, что, имея относительно высокую вязкость, шлак не заполняет промежутки малого размера, а значит, при определении объёма расплава в горне это необходимо учитывать. В связи с этим требуется ввести научное понятие «наполнительная способность» коксовой насадки. Наполнительная способность показывает относительный объём, пригодный для накопления продуктов плавки. Она зависит от порозности и размера межкусковых промежутков коксовой насадки.
Порозность коксовой насадки изменяется в широких пределах и зависит от механического и химического разрушения кокса в доменной печи. Определение плотности шлака затруднено в связи с его вспениванием в горне доменной печи, и известное значение 2,6 т/м3 [2], которое было определено после дегазирования, не подходит для определения объёма расплава в металлоприём-нике. Поэтому важной задачей является определение кажущейся плотности горнового шлака и наполнительной способности коксовой насадки в горне доменной печи.
Исследования технических показателей кокса проводились для четырёх его видов:
- калиброванный кокс (крупность 50-60 мм; получали путём просеивания на ситах валового кокса);
- рядовой кокс, загружаемый в доменную печь (крупность +25 мм; отсевали мелкую фракцию, моделируя кокс, загружаемый в доменную печь);
- валовый кокс без отсева (кокс полифракционного состава, получаемый из коксовой батареи);
- кокс, отобранный через амбразуру фурменного прибора.
Ситовый состав трёх последних образцов представлен в таблицах 1-3 и на рисунке 1. Порозность кокса определялась по формуле:
£ = 1-^, (1) Рк
Металлургия и материаловедение
где£ — порозность; рн — насыпная плотность; рк — кажущаяся плотность.
Кажущуюся плотность кокса находили по формуле:
Рк =
m
V''
(2)
где т — масса образца; V — объём образца.
Объём образцов находили методом па-рафинирования. Отобранные 10 образцов кокса, различной крупности взвешивали, а затем погружали на тонкой проволоке в расплавленный парафин. Покрытые тонкой пленкой парафина куски погружали в градуированный сосуд с водой и по количеству вытесненной жидкости определяли их объём. Данные внесены в таблицу 4.
Ситовый состав рядового кокса (крупность + 25 мм)
Таблица 1
Фракция 25-30 30-40 40-50 50-60 +60
кг 0,572 1,482 1,196 0,5785 1,625
% 10,49 27,18 21,93 10,61 29,80
Таблица 2
Ситовый состав валового кокса
Фракция -3 3-5 5-7 7-10 10-15 15-25 25-30 30-40 40-50 50-60 +60
кг 0,075 0,125 0,085 0,105 0,165 0,465 0,44 1,14 0,92 0,445 1,25
% 1,44 2,40 1,63 2,01 3,16 8,92 8,44 21,86 17,64 8,53 23,97
Таблица 3 Ситовый состав кокса «из фурмы»
Фракция -3 3-5 5-7 7-10 10-15 15-25 25-30 30-40 40-50 50-60 +60
кг 0,99 0,28 0,266 0,37 0,76 1,65 0,404 0,435 0,275 0,1 0,07
% 17,68 5,00 4,75 6,61 13,57 29,46 7,21 7,77 4,91 1,79 1,25
Металлургия и материаловедение
Кажущаяся плотность кокса
Таблица 4
№ образца Размер, мм Масса, г Объём, см3 Рк, г/см3
1 37 13,0 15 0,867
2 34 15,6 20 0,78
3 37 6,75 10 0,675
4 29 11,4 12 0,95
5 43 32,5 35 0,93
6 52 43,1 53 0,81
7 48 34,3 32 1,07
8 55 54,8 58 0,94
9 52 31,3 32 0,97
10 50 47,7 50 0,954
Среднее 0,895
Насыпная плотность кокса определялась по стандартной методике. Навеску материала загружали до краёв в ёмкость известного объёма и массы и по формуле определяли насыпную плотность:
Рн =
тобщая тёмкости
V' ОЪЛУППГУП 1
(3)
где тобщая — масса сосуда с коксом;
тёмкости — масса ёмкости, ёмкости —
объём ёмкости.
Измерения производились для четырёх образцов: калиброванный кокс (крупность 50-60 мм); рядовой кокс, загружаемый в доменную печь (крупность +25 мм); валовый кокс без отсева; кокс, отобранный через амбразуру фурменного прибора. Результаты представлены в таблице 5. Из неё видно, что порозность кокса в зависимости от гранулометрического состава изменяется в широких пределах (0,22-0,58). Следует
отметить, что кокс «из фурмы», имеющий наименьшую порозность, содержит большое количество фракции — 3 мм (табл. 3, рис. 1), которая, вероятно, образовалась в результате его горения в фурменном очаге. Данная фракция при нормальной работе доменной печи не попадает в горн, а полностью сгорает. Поэтому нельзя считать, что в металлоприёмнике доменной печи коксовая насадка обладает такой низкой порозностью. Также невозможно нахождение в горне кокса с порозностью выше 0,52, так как механические разрушения, расходование углерода на реакции Будуара и прямого восстановления элементов увеличивают в нём содержание мелких фракций.
По мнению авторов, на основании проведённой работы, порозность кокса в горне доменной печи колеблется в пределах 0,3-0,45 в зависимости от условий работы агрегата.
Порозность кокса
Таблица 5
Вид кокса Рн , кг/м3 s
Калиброванный 378,8 0,58
Рядовой 391,4 0,56
Валовый 426,8 0,52
«Из фурмы» 700,8 0,22
Металлургия и материаловедение
На доменной печи № 3 ПАО «АМК» объёмом 1386 м3 при выносе фурмы через амбразуру из-за прекращения подачи дутья вышло большое количество шлака, который попал в поддоменник и там затвердел без дегазирования. Взятые образцы оказались лёгкими, пористыми, что даёт основания утверждать о вспененности шлака в горне (рис. 2, табл. 6).
Из-за большого размера пор вспененного шлака было решено отказаться от метода парафинирования при определении кажущейся плотности образцов. Вместо обволакивания кусков материала парафином, применяли покрытие образцов тонкой полимерной плёнкой. В остальном методика соответствовала применённой при определении кажущейся плотности кокса.
Полученная кажущаяся плотность образцов не соответствует плотности в металло-приёмнике, поскольку находящийся в порах горнового шлака газ сжат избыточным давлением, из-за чего при выходе расплава из печи происходит расширение пор. Для пересчёта кажущейся плотности в условиях горна доменной печи было применено уравнение Менделеева-Клайперона (при п=сопй).
При вычислениях были приняты следующие параметры: температура в горне доменной печи 1873 К, температура кристаллизации шлака 1723 К, давление в горне печи 405300 Па, а атмосферное — 101325 Па. При нахождении объёма в куске шлака принимали истинную плотность шлака 2600 кг/м3.
Параметры образцов шлака
Таблица 6
№ образца Масса, кг Объём, м3
1 0,236 3,75х10-4
2 0,28 7,2х10-4
Зная истинную плотность шлака и массу куска шлака, нашли его объём. После чего определили объём пор путём вычитания кажущегося объёма из объёма куска шлака. По уравнению Менделеева-Клайперона был найден объём пор шлака в горне доменной печи.
Объём твердого шлака в образце находили по формуле:
mV .=-+-
шл.тв.г '
Р
(4)
где Ушлтв1 — объём твёрдого шлака в образце, м3; mi — масса образца, кг; р — истинная плотность шлака, кг/м3.
Объём пор в «холодных» образцах равен:
V ■=V« -V
пор,г образца,г шл.тв.г >
(5)
где ¥пор i — объём пор в «холодном» образце; Уобразца 1 — объём «холодного» образца.
По уравнению Менделеева-Клайперона при постоянном количестве вещества найдём объём пор шлака в горне доменной печи:
V
пор ■ г,г
Р ■V ■■Т
атм ' пор,1 печи
Т Р
затв печи
(6)
где Ратм — атмосферное давление, Па; Рпечи — давление в горне печи, Па; Vпор■ г I — объём пор «горячего» образца (в горне печи), м3; Тзатв — температура затвердевания шлака, К; Тпечи — температура в горне доменной печи, К.
Найдём кажущуюся плотность шлака в горне доменной печи:
Рисунок 2 Горновой шлак
Рк
m,
V
(7)
пор■ г,г
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2018. № 9 (52)
_Металлургия и материаловедение_
где Ркаж.шл.1 — кажуЩаяся плотность шлака в условиях горна доменной печи.
По результатам расчётов была определена кажущаяся плотность шлака в горне доменной печи. В среднем по двум образцам она составила 1205 кг/м3.
Так как шлак находится в горне в межкусковых промежутках кокса, то определение порозности кокса в горне и реальной кажущейся плотности шлака позволит измерить уровень шлака в горне.
Выводы:
1. Установлено, что для определения объёмного баланса продуктов плавки в
Библиографический список
горне доменной печи необходимы точные значения прозности горнового кокса и кажущейся плотности вспененного шлака.
2. Определена порозность различных видов кокса, которая колеблется в пределах 0,22-0,58. По мнению авторов, пороз-ность коксовой насадки в горне доменной печи находится в пределах 0,3-0,45.
3. В ходе проведённых исследований определена кажущаяся плотность вспененного шлака и произведён её пересчёт для условий горна доменной печи. По результатам опытов средняя кажущаяся плотность составила 1205 кг/м3.
1. Новохатский, А. М. Влияние режима выпусков продуктов плавки на показатели работы доменной печи [Текст] / А. М. Новохатский, А. М. Блинов, Г. Д. Михайлюк // Сталь. — 2017. — № 4. — С. 12-15.
2. Вегман, Е. Ф. Краткий справочник доменщика [Текст]: справочник / Е. Ф. Вегман. — М. : «Металлургия», 1981. — 246 с.
© Новохатский А. М. © Блинов А. М. © Бобров А. Ю.
Рекомендована к печати к.т.н., проф. каф. ММК ДонГТУ Ульяницким В. Н., консультантом по вопросам качества кокса и технологии доменной плавки Филиала № 12 ЗАО «ВНЕШТОРГСЕРВИС», к.т.н. Кузьменко В. Ф.
Статья поступила в редакцию 05.03.18.
д.т.н. Новохатський О. М., Блинов О. М., Бобров О. Ю. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР, bam_10_89@mail. ru)
Ф1ЗИЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 МАТЕР1АЛ1В В ГОРН1 ДОМЕННО1 ПЕЧ1
В датй робот1 розглянуто гранулометричний склад i порозтсть р1зних вид1в коксу: кал1бро-ваного, рядового, валового, коксу фурменог зони. Крiм того, було визначено уявну щтьтсть шлаку, що знаходиться в нижтй частит доменног печi тд час плавки.
Ключовi слова: доменна тч, горн, кокс, шлак, порозтсть коксу, щтьтсть шлаку.
Doctor of Tech. Sc. Novohatskiy A. M., Blinov A. M., Bobrov A. Yu. (DonSTU, Alchevsk, LPR, bam_10_89@mail. ru)
PHYSICAL PROPERTIES OF MATERIALS IN THE BLAST-FURNACE HEARTH
The paper concentrates on a grain fineness and porosity of different kinds of coke: sized, run-of-oven, bulk, tuyere-zone coke. Besides, there has been determined the apparent density of slag located at the bottom of blast-furnace at melting.
Key words: blast-furnace, hearth, coke, slag, porosity of coke, density of slag.
