CC BY
45
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. № 13
УДК 669.162.263
Тарасов В.П.1, Томаш А.А.2, Семакова В.Б.3, Хайретдинова О.Т.4
К ВОПРОСУ РАЦИОНАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ГАЗОВ
ПО РАДИУСУ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Рассмотрены актуальные вопросы радиального и окружного распределения шихтовых материалов в доменной печи. Показаны основные достоинства и недостатки типового ЗУ и БЗУ различных конструкций. Приведены результаты эксплуатации конусного ЗУ с технологическим отверстием в нижнем конусе, показана большая его эффективность по сравнению с типовым ЗУ и БЗУ всех известных модификаций
Одной из наиболее важных проблем во всем мире, в том числе и в Украине, является снижение энергетических затрат. В доменном производстве это в первую очередь относится к снижению расхода дефицитного и дорогостоящего кокса.
Настоящая статья является одной из многих НИР кафедры металлургии чугуна ПГТУ, направленных на решение указанной проблемы. В статье продолжается анализ последних работ [1-9], опубликованных в технической литературе по данному вопросу, предложены новые теоретические, конструктивные и технологические решения и их промышленное опробирование на доменных печах МК «Запорожсталь».
Управление ходом доменной печи является сложным процессом, требующим от обслуживающего персонала глубоких теоретических знаний. Особенно это относится к управлению радиальным распределением материалов и газов, которое в основном определяет ход печи, ее производительность и удельный расход кокса [1,2 и др.].
В связи со спецификой профиля доменной печи, периферийным подводом дутья, резким увеличением поперечных размеров горна, распара и колошника распределение материалов по радиусу колошника должно быть неравномерным. Рациональным считается создание умеренно развитых газовых потоков у стен печи и в центральной зоне. Меньший поток газов должен быть в промежуточной зоне [1-3 и др.]. Это касается всех доменных печей, какими бы они не располагали загрузочными устройствами (ЗУ).
При любых ЗУ и шихтовых материалах, наибольшие рудные нагрузки (РН) должны быть в промежуточной зоне, умеренные РН - в периферийной зоне и самые низкие РН - в центральной зоне печи. Желательно при этом в осевой узкой зоне иметь «отдушину», т.е. устойчивый, больший по сравнению с другими поток печных газов. Считается рациональным, если через 4 % площади колошника в центре печи будет проходить 7 - 8 % печных газов.
Об этом следует снова напоминать, так как и сейчас встречаются в технической печати неясности в этом вопросе и даже противоположные мнения. Так в недавно опубликованной работе [4] утверждается, что при сегрегации материалов при ссыпании на колошник: « более крупные куски скатываются в периферийную зону, а мелкие в центральную, и склонны образовывать при ссыпании конус, форма которого характеризуется углом естественного откоса материала». И далее там же, «выклинивание кокса к стенкам печи, а рудной части к осевой зоне» [4, стр. 5, 2 последних абзаца].
Все как раз наоборот. При ссыпании материалов на колошник не конус образуется, а воронка поверхности засыпи. При движении материалов по поверхности засыпи сужающимися потоками к центру колошника при любых ЗУ угол естественного откоса мало влияет на форму воронки (а не конуса) поверхности засыпи. Не мелкие , а крупные куски именно кокса (легкие,
1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
3 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
4 ПГТУ, ассистент
а, следовательно, они и выталкиваются наверх) движутся в осевую зону. Мелкие фракции рудной части подачи остаются в основной своей массе в промежуточной и частично в периферийной зонах. Если при этом не ставить, например, лоток вертикально, максимальный угол рассогласования между воронкой и «склизом», загружать последним скипом в конусном ЗУ с ТОНК (технологическое отверстие в нижнем конусе) не кокс, а рудную часть подачи, загружать окатыши не в промежуточную зону, а последними при ссыпании подачи на колошник.
Недостаточно четкие представления о радиальном распределении материалов и газов имеют и другие специалисты доменного производства. Особенно это касается перевеивания мелких частиц рудных материалов из промежуточной в центральную зону, перетока их в граничном слое между высокими рудными нагрузками и разрыхленным слоем кокса в центральной зоне.
Многие специалисты доменного производства не имеют четких представлений о положительных и негативных сторонах БЗУ, а также не могут реально судить о целесообразности установки роторных, лотковых, типа «воронка - склиз» и БЗУ других конструкций. В технической литературе [4 -7] приводятся весьма различные данные о снижении расхода кокса лотковыми БЗУ от 12 до 25 кг/т чугуна, роторными ЗУ от 10 до 18 кг/т чугуна и ЗУ «воронка -склиз» от 8 до 15 кг/т чугуна. Причем разное снижение расхода кокса при замене типовых ЗУ на БЗУ приводится не только на регионы с различными сырьевыми и дутьевыми условиями, но и для одних и тех же доменных печей. Например, для печей ЗСМК (ДП № 2 и № 1) при работе с роторными ЗУ в разных источниках указана экономия кокса от 5 до 1,5 - 2 %. Более низкая экономия кокса приходится на длительные сравниваемые сроки эксплуатации БЗУ роторного типа, а более высокая экономия кокса на короткие сроки работы.
В работах [4 -7] указывается на достаточно равномерное окружное распределение материалов и газов при загрузке доменных печей БЗУ. В других работах [3, 7] указывается на значительную окружную неравномерность в распределении шихты БЗУ, которая значительно выше окружной неравномерности при загрузке доменных печей ЗУ типовой конструкции. В роторных ЗУ неравномерность по массе из 2' скипов составляет 0,5 - 2,0 % и по фракциям 2 - 4 % [8]. Однако при этом из РЗУ не исключают ВРШ типовой конструкции.
Во всех БЗУ материалы на колошник ссыпаются веером, что увеличивает возможность перевеивания мелких фракций из зон с более мощным потоком газов в зоны с меньшим потоком газов. Этот очень важный вопрос отсутствует в публикациях о применении БЗУ для загрузки доменных печей [4 -8]. В этих же работах не указано как меняется по-розность слоя, хотя бы для стационарных условий загрузки шихты. Поэтому трудно судить о распределении печных газов по радиусу колошника при загрузке домны БЗУ, РЗУ, ЗУ «воронка - склиз».
Известно, что БЗУ всех конструкций почти на порядок дороже типового ЗУ, поэтому непонятно утверждение авторов [7, 8], что РЗУ на 15 % дешевле затрат на установку типового ЗУ. Этот момент также непонятен, как и другие вопросы, рассмотренные выше.
Целью настоящей статьи является теоретическое и практическое обоснование наиболее рационального распределения газового потока в доменной печи и соответствующее конструктивное решение.
На МК «Запорожсталь» на 2~ доменных печах для загрузки шихты применяют типовые ЗУ с ТОНК (рис. 1). Через технологическое отверстие нижнего конуса непосредственно в центр доменной печи пересыпается от 15 до 20 % кокса из каждой подачи. Поэтому в доменной печи в центральной ее
1 - чаша; 2 - большой го нус, 3 - цилиндрическая обечайка, 4 - воронка ТВП; 5- ребра жесткости для крепления штанги большого конуса (БЕ); 6 - втулка штанги БК; 7 - клин; 2 - пгтанга БК; 9 - малый конус (МК); 10 - штанга МК
Рис. 1 - Схема типового ЗУ с ТОНК
части образуется непрерывный узкий столб кокса, который служит отдушиной в осевой зоне. Количество печных газов в центре печи обеспечивает здесь достаточные температуры для прогрева шлака и чугуна, а также тепло для реакций прямого восстановления железа из его монооксида.
В таблице 1 представлены результаты эксплуатации доменных печей № 3 и № 4 МК «Запорожсталь», загрузка которых производится типовым ЗУ с ТОНК. Доменная печь № 3 стояла без ремонта 10 лет, поэтому для сравнения за базовый период взята работа ДП № 4 при загрузке ее типовым загрузочным устройством. Это вполне закономерно, так как такой же расход кокса с типовыми ЗУ имеют доменные печи МК «Азовсталь» (560 - 580 кг/т), ММК им. Ильича (550 - 560 кг/т), ДМЗ (570 -580 кг/т) и других металлургических предприятий Украины.
Таблица 1 - Показатели работы ДП №3 и №4 МК «Запорожсталь» с типовым ЗУ с ТОНК (базовый период) и с ТОНК (II и III периоды)
Базо- Опыт Опыт Изменение Изменение
вый ный ный расхода кокса, % производства, %
Наименование показателя ДП №4 02. 2000-01. 2001 ДП №4 07. 2001-06. 2002 ДП №3 01. 2002-09. 2002 ДП №4 к базовому ДП №3 к базовому ДП №4 к базовому ДП №3 к базовому
Производство, т/сут 2032 2264 2332
Расход сухого кокса, кг/т чуг. 579 521 518
Выход шлака, кг/т 493 472 460 -1,0 -1,65 +1,0 +1,65
Температура дутья, °С 1038 1113 1093 -1,65 -1,21 +1,65 +1,21
Расход известняка, кг/т 36 25 22 -0,5 -0,75 +0,5 +0,75
Содержание в чугуне, %: 81 0,75 0,73 0,84 -0,24 +1,1 +0,24 -1Д
Мп 0,44 0,38 0,35 -0,01 -0,01 +0,01 +0,01
8 0,024 0,022 0,023 +0,2 +0,1 -0,2 -0,10
Расход металлодобавок,
кг/т 3 10 1,6 -0,21 +0,05 +0,21 -0,21
Простои, % 1,78 0,63 0,81 -0,57 -0,5 +1,71 +1,5
Тихий ход, % 1,33 0,83 0,72 -0,25 -0,3 +0,75 +0,9
Влага кокса, % 4,2 4,55 4,5 +0,35 +0,3 -0,35 -0,3
Зола кокса, % 11,6 11,7 11,6 +0,13 - -0,13 -
8 кокса, % 1,19 1,35 1,25 +0,63 +0,18 -0,63 -0,18
Мю кокса, % 7,9 7,74 7,70 -0,39 -0,56 +0,39 +0,56
М25 кокса, % 86,5 87,0 87,0 -0,3 -0,3 +0,3 +0,3
Расход природного газа, м3/т 93 97 84 -3,2 кг/т +7,2 кг/т - -
Сумма, % кг/т -3,6 -24 -3,85 -15,2 +5,45 +4,45
т/сут + 112 +93
Приведенное к равным условиям производство чугуна, т/сут 2144 2125 2264 2332 2144 2125
Приведенный к равным условиям расход кокса, кг/т чуг. 555 564 521 518
Из таблицы 1 видно, что расход кокса на доменной печи № 4 при загрузке ее с ТОНК сократился фактически на 58 и приведенный к равным условиям на 34 кг/т. Для доменной печи № 3 фактический расход кокса сократился на 61 и приведенный к равным условиям на 46 кг/т.
Фактический расход кокса 518 - 521 кг/т для доменных печей № 3 и № 4 МК «Запорож-сталь» является в настоящее время самым низким расходом на Украине. Доменная печь № 5 этого же комбината , оборудованная БЗУ «воронка - склиз», имела за период 06.01 -06.02 фактический расход кокса 528 кг/т. Эта печь оборудована отсевом мелочи агломерата, который составил за указанный период 6 %. Если учесть это (остальные параметры очень близки), то расход кокса составит 528 + (528 0,03) = 543,8 кг/т. Таким образом, на ДП № 5 МК «Запорож-сталь», оборудованной БЗУ, удельный расход кокса больше по сравнению с ДП № 3 и № 4, оборудованными типовыми ЗУ с ТОНК на 20 - 22 кг/т чугуна.
Кроме МК «Запорожсталь» низкий расход кокса в настоящее время имеют доменные печи МК «Криворожсталь». За 1998 г. на этом комбинате фактический расход кокса составлял на ДП № 1 - 559; ДП № 5 - 584; № 7 - 570; № 8 - 573 кг/т [9]. Таким образом, в 1998 г. расход кокса на ДП МК «Криворожсталь» при загрузке типовыми ЗУ составлял такие же величины, как и на остальных доменных печах Украины. В 2001-2002 г.г. удельный расход кокса на ДП МК «Криворожсталь» снизился до 495-500 кг/т, но при этом загружается не менее 20 кг/т обработанного специальным образом антрацита (точное количество используемого антрацита не публикуется). Кроме того, отсеивается мелочь агломерата (плюс к расходу еще 3-3,5 %).
Следовательно, на доменных печах № 4 и № 3 МК «Запорожсталь», оборудованных типовыми ЗУ с подачей части кокса непосредственно в центр колошника, самый низкий фактический и приведенный к равным условиям расход кокса.
Во время эксплуатации типового ЗУ с ТОНК на ДП № 3 и № 4 МК «Запорожсталь» выявилась зависимость количества пересыпаемого в центр кокса от рудной нагрузки (РН ) и величины рудной колоши (объема подачи). Замерами перед задувкой печи было установлено, что объем шихты на нижнем конусе составляет 23 м3. Засыпаемый на нижний конус объем шихты более 23 м3 пересыпается в центральную зону. Поскольку последним скипом всегда загружается кокс, то именно он пересыпается в центральную зону.
В таблице 2 приведены величины рудных колош и РН, которые определяют соответствующее количество пересыпаемого в центр кокса. Видно, что при рабочих РН и рудных колошах (3,2 - 3,4 т/т и 21 - 22 т) в центр печи пересыпается от 15 до 25 % массы кокса в подаче. Содержание СОг в осевой зоне при этом составляет от 3 - 4 до 5 -6 %, что обеспечивает достаточный поток печных газов в центре печи (рис. 2).
Таблица 2 - Влияние величины рудных колош и РН на количество пересыпаемого через ТОНК в центр печи кокса
РН, т/т кокса Рудная колоша, т 18,6 19,6 20,6 22,6 Примечание
3,0 Количество кокса, пересыпаемого в центр печи: т 3 м о/ /о 0,56 1,2 9,2 1,13 2,4 17,1 1,74 3,7 25,3 2,96 6,3 39,3 При нормальной работе ДП № 3 и № 4 РН=3,3 -3,4 т/т и рудных колошах 21-22 т в центр печи пересыпается 20-22 % от массы кокса
3,2 Количество кокса, пересыпаемого в центр печи: т 3 м о/ /о 0,19 0,4 3,2 0,47 1,0 7,7 1,32 2,8 2,04 2,49 5,30 35,3
3,4 Количество кокса, пересыпаемого в центр печи: т 3 м о/ /о 0 0 0 0,14 о,з 2,4 0,94 2,0 15,5 2,07 4,40 31,2
Радиус колошника, д.ед.
1 - при загрузке ДП №4 типовым ЗУ; 2 - то же при ЗУ с ТОНК; 3 -при загрузке ДП №3 ЗУ с ТОНК
Рис. 2 - Содержание С02 по радиусу ДП №4 и № 3 МК «Запорож-сталь»
Однако, существует неоднозначная зависимость количества пересыпаемого в центр печи кокса от РН и массы подачи. Например, при ухудшении качества кокса или увеличении мелочи в агломерате на всех доменных печах всегда переходят на малые колоши. Так поступают и доменщики на МК «Запорожсталь», но при этом снижается количество пересыпаемого в центр печи кокса и расстройство хода печи увеличивается и по этой причине. Положение несколько сглаживается снижением в этом случае РН. Как видно из таблицы 2, уменьшение рудной колоши снижает массу пересыпаемого в центр печи кокса, а снижение РН увеличивает. Однако, неудобство изменений общей массы и объема подачи при соответствующих колебаниях качества сырых материалов значительно влияет на производительность печи и расход кокса.
Для устранения указанного недостатка в ЗУ с ТОНК предложены подвижные плиты в межконусном пространстве (рис. 3) [10]. Если нужно увеличить количество пересыпаемого кокса в осевую зону, то при ссы-пании кокса из последнего скипа, одна (или две, в за-симости от величины газового потока в центре) из подвижных плит выдвигается в сторону технологического отверстия в нижнем конусе и кокс из этого сектора полностью или частично пересыпается в центр печи. Подвижные плиты могут выдвигаться поочередно, и получается 6 станций работы по распределению кокса по окружности колошника. Выдвигаются в большем количестве те плиты, в секторе которых повышенная температура периферии. На наш взгляд, в этом случае отпадает необходимость в ВРШ, т.е. не нужно вращающейся воронки (ВВ) с приводом, подпятника на штанге малого конуса для вращения его вместе с ВВ. уплотнения вокруг ВВ.
Подвижные плиты в межконусном пространстве (ППМП) будут выполнять и роль подвижных плит колошника (ИНК), которые успешно применяются в Германии, Японии и в других промышленно развитых странах. Условия работы ППМП более благоприятны по сравнению с ППК, т.е. их эксплуатация значительно упрощается. Конструкторская часть подвижных плит доведена до такой высокой степени надежности, что затраты на их эксплуатацию резко снижены и сводятся в основном к расходу на применение азота (или чистого доменного газа) для создания противодавления в корпусах приводов плит и их охлаждения.
На рис. 3 показано устройство конструкции подвижных плит фирмы «Син Ниппон Сэйтэцу» [4], которая успешно применяется для регулирования окружного распределения шихты на колошнике печи. Примерно такая же конструкция может использоваться и для установки ППМП
1 - герметичный корпус, 2 - вал, 3 - рычаг вне корпуса; 4 - рычаг с корректирующей плитой; 5 -'приводной механизм (гидравлический, электрический)
Рис. 3 - Констрзгкция подвижных плит фирмы "Син Ниппон Сэйтэцу"
Таким образом, успешная работа ДП № 3 и № 4 МК «Запорожсталь» с загрузкой их типовым ЗУ с ТОНК может служить примером для установки таких ЗУ на всех доменных печах, оборудованных типовыми загрузочными устройствами. Преимуществом таких ЗУ против БЗУ является не только большая экономия кокса, но и более дешевое изготовление, монтаж и эксплуатация. Если окупаемость БЗУ при установке их на доменные печи составляет 7 - 9 лет (для печей малого и среднего объема), то окупаемость ЗУ с ТОНК составляет полгода.
Выводы
1. При современных условиях доменной плавки необходимо иметь в осевой зоне доменной печи «отдушину», т.е. устойчивый поток газов (~ 8 % на 4 % центральной площади колошника).
2. БЗУ всех конструкций обеспечивают устойчивый осевой поток газов, но при веерной загрузке шихты увеличивается перевеивание мелких частиц из области развитых потоков газов в секторы с меньшим газовым потоком.
3. При загрузке БЗУ окружное распределение шихтовых материалов имеет большую неравномерность по сравнению с типовым ЗУ.
4. Применение для загрузки доменных печей ЗУ типовой конструкции с технологическим отверстием в нижнем конусе снижает расход кокса на 20 - 30 кг/т чугуна по сравнению с обычным конусным ЗУ и на 10-20 кг/т чугуна по сравнению с БЗУ.
5. В дальнейшем планируются исследования с переменным количеством кокса, пересыпаемого в центр доменной печи, за счет установки подвижных плит в межконусном пространстве ЗУ.
6. Кроме того, намечаются исследования количественного определения объемов газового потока по окружности и радиусу колошника.
Перечень ссылок
1. Стефанович М.А. Анализ хода доменного процесса / М.А.Стефанович.-Свердловск: Металлургиздат. - 1963. - 286 с.
2. Ефименко Г.Г. Металлургия чугуна / Г.Г. Ефименко, A.A. Гиммелъфарб, В.И.Левченко,-Киев: Вища школа.- 1988,- 351 с.
3. Тарасов В.П. Газодинамика доменного процесса: 2~ изд. псрсраб. и доп./ В.П.Тарасов. -Металлургия.-1990,- 216 с.
4. Современные загрузочные устройства доменных печей/ В.А. Авдеев, О.И. Шайнович, Е.И. Ясаков, A.B. Марченко II М.: Металлургия. -1994. - 64 с.
5. Большаков В.И. Теория и практика загрузки доменных печей / В.И.Большаков. - М.: Металлургия. - 1990. - 256 с.
6. Результаты освоения роторного загрузочного устройства конструкции ОАО ЗСМК/ С.Ф.Бугаев, А.А.Антонов, И.И.Басалаев II Сталь.-1997.-№ 6.-С. 19-22.
7. Бочка В. В. Исследование некоторых особенностей истечения материалов из бункеров БЗУ I В.В. Бочка, Н.Ш. Гринштейн, В.В. Тарановский II Сталь.-1994.-№ 7.-С. 11-14.
8. Особенности распределения шихтовых материалов загрузочным устройством с роторным распределителем шихты/ А.А.Антонов, С.Ф.Бугаев, В.П.Горбачев, В.В.Каляка //Сталь.-1999.-№ 5.-С. 17-19.
9. Шеремет В.А. Аглодоменное и коксохимическое производства КГГМК «Криворожсталь»/ В.А.Шеремет!!Производство чугуна на рубеже столетий,- Днепропетровск: Пороги, 1999,- С. 489.
10. A.c. 1725562 СССР, МКИ5 С21 В7/08. Загрузочное устройство доменной печи.
Статья поступила 08.12.2002
