CC BY
307
УДК 669.162.262.4
Сибагатуллин С.К., Махмутов Р.Ф., Сибагатуллина М.И., Стародубов В.А., Буранова Э.Ф.
ОБ ОПТИМАЛЬНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В КОЛОШНИКОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Аннтотация Рассмотрено действие равномерности распределения шихтовых материалов в колошниковом пространстве на различные стороны доменного процесса. Повышенная равномерность распределения может использоваться в качестве одного из средств ограничения производительности печи при необходимости этого, например, в связи с отсутствием потребителя. Избыточно неравномерное распределение предопределяет работу печи с пониженным общим перепадом давления газов, так как попытка повышения его ведёт к нарушениям схода шихты, включая её подвисание. По исследованиям на доменных печах уменьшение общего перепада давления на 10 кПа сопровождается увеличением удельного расхода кокса в среднем на 8 кг/т чугуна.
Ключевые слова: доменная печь, загрузка, колошник, распределение материалов. железорудное сырьё, кокс, газопроницаемость
Распределение загружаемых материалов на колошнике издавна считали существенным элементом теории и технологии доменной плавки и отмечали это, в частности, в 1812 и 1841 гг. [1, 2]. Значимость его и для современных условий работы печей остаётся высокой [2-4]. Возможная величина снижения удельного расхода кокса дальнейшим совершенствованием распределения железорудного сырья и кокса в колошниковом пространстве получена равной 7% [2]. Обеспечивающим такое действие фактором является снижение затрат тепла на прямое восстановление железа из оксидов, приближение степеней прямого и косвенного восстановлений к оптимальным величинам [5, 6]. В связи с этим дифференцировали факторы, действующие на оптимальность распределения загружаемых материалов в колошниковом пространстве доменной печи.
Загружаемые в доменную печь материалы представлены железорудными составляющими и коксом. Железорудные составляющие включают, кроме главных (основных) компонентов, которыми являются агломерат, окатыши и руды, ещё и дополнительные компоненты (добавки). В современных условиях добавками являются: флюсы; промывочные материалы; материалы, формирующие гарнисаж; материалы, переносящие тепло в горн печи в особых условиях её работы; углеродсодержащие материалы - заменители части кокса.
Для получения наилучших результатов в работе доменной печи необходимо обеспечивать максимально достижимое равномерное окружное (по секторам окружности колошника) распределение всех загружаемых материалов по видам, а каждого из них их ещё и по количеству, крупности и другим существенным показателям качества. К таковым могут относиться прочность, реакционная способность и др. Повышение равномерности по окружности ведёт к улучшению степени использования шихтой химической и тепловой энергии печных газов и к увеличению межремонтного периода работы печи [7].
Распределение по кольцевым зонам (радиусу колошника) должно быть оптимальным, но в соответст-
вии с условиями работы печи. При этом также имеет значение распределение по видам материалов, количеству их в кольцевых зонах, показателям качества, в том числе крупности (содержания мелочи), прочности, реакционной способности и др.
Целесообразность оптимального характера распределения материалов по радиусу, вместо равномерного распределения, обусловлена действием следующих разносторонних требований к нему:
1. Для улучшения газопроницаемости нужно создавать неравномерное распределение, так как оно снижает потери напора газа при движении через слой шихты (улучшает газопроницаемость) в соответствии с данными на рис. 1, полученными лабораторными исследованиями и расчётами [8].
Для достижения высокой степени использования тепловой и химической энергии печных газов при их движении через слой шихты целесообразно располагать железорудные материалы и кокс либо послойно, либо в смеси, то есть равномерно. Но в этом случае значительно снижается газопроницаемость шихты, что ограничивает интенсивность движения газов и, следовательно, интенсивность выплавки чугуна, производительность печи.
В наших исследованиях при послойном расположении агломерата и кокса потеря напора h составила 7,54 кПа/м, а при предельно выраженном неравномерном распределении - 2,44 кПа/м, то есть уменьшилась в 3,1 раза.
Улучшение газопроницаемости неравномерным распределением позитивно влияет на возможность повышения интенсивности процесса увеличением скорости движения газов до некоторого предела, но негативно на использование их энергии. Существует, таким образом, распределение, которое оказывается приемлемым для всего доменного процесса с учётом противоположного действия на различные его стороны. Улучшение качества железорудного сырья по газопроницаемости (крупности и прочности) создаёт возможность и целесообразность повышения равномерности распределения рудной и коксовой частей шихты по сечению. Частично это реализуется без
корректировки режима загрузки за счёт изменения физико-механических свойств соответствующего сырьевого материала.
/ 2 3 Расстояние от «ладна^
Рис. 1. Влияние неравномерного распределения агломерата и кокса по сечению печи на потери напора газа при движении его через слой шихты
2. Имеются противоположно действующие факторы на предельно допустимую интенсивность движения газа через слой шихты. Наивысшая интенсивность ограничивается приближением степени уравновешивания материала подъёмной силой газового потока V к предельно допустимой величине. Приближение к пределу сопровождается остановкой схода шихты, считающейся технологической аварией (подвиса-нием), либо другим значительным нарушением структуры шихты. Предельная величина V зависит от условий работы печи и в настоящее время находится в интервале 40-60%.
Степень уравновешивания V материала подъёмной силой газового потока характеризуется выражением
V = h / Унас , (1)
где унас - насыпная плотность материала.
С одной стороны, неравномерное распределение, как отмечалось, улучшает газопроницаемость и, бла-
годаря этому, способствует повышению интенсивности. С другой стороны, при неравномерном распределении в некоторой зоне по сечению доля кокса значительно превышает долю железорудного материала. Поскольку насыпная плотность кокса почти в 4 раза ниже, чем железорудных материалов, то в этой зоне степень уравновешивания приближается к предельной величине, ограничивая дальнейшее повышение интенсивности. Следовательно, имеется оптимальное распределение железорудных материалов и кокса по сечению, позволяющее максимально интенсифицировать процесс производства чугуна.
Действие распределения на предельно допустимую интенсивность по углероду и общий перепад давления газов в связи с этим применительно к одной из печей ОАО «ММК» характеризует рис. 2. Повышенная равномерность распределения, соответствующая сплошной линии на рис. 2, может использоваться в качестве одного из средств ограничения производительности печи при необходимости этого, например, в связи с отсутствием потребителя.
1,8 1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
с
и а и
с
К
а
ю О
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Интенсивность по углероду, кг/(сут м3)
Рис. 2. Схема влияния равномерности распределения железорудного сырья и кокса на интенсивность плавки и общий перепад давления газов в доменной печи: — — — - оптимальное распределение для работы с максимальной производительностью;
-равномерное распределение для ограничения производительности и снижения удельного расхода кокса; -----избыточно неравномерное распределение
Избыточно неравномерное распределение предопределяет работу печи с пониженным общим перепадом давления газов, так как попытка повышения его ведёт к нарушениям схода шихты, включая её подвисание. По исследованиям на доменных печах уменьшение общего перепада давления на 10 кПа сопровождается увеличением удельного расхода кокса в среднем на 8 кг/т чугуна.
Наблюдения на лабораторной установке с прозрачными стенками при распределении шихты с относительно большим количеством кокса в центре показали перераспределение материалов под воздей-
ствием увеличивающегося количества воздуха. Повышение скорости движения воздуха до 1,74 м/с перевело шихту во взвешенное состояние; при скорости 1,83 м/с кокс в центре приподнялся, а рудная сыпь сдвинулась с периферии к центру; при скорости 1,93 м/с начался общий подъем столба шихты. В дальнейшем прорыв газа в центре сопровождался перемещением шихты по двум вращающимся потокам: материалы, поднимавшиеся в центре, замещались материалами с низа периферии, занимая, в свою очередь, освобождающееся место около стен. Совершая своеобразное вращательное движение, материалы перемещались с верхних горизонтов в нижние и наоборот. Материалы перемещались по высоте, превышающей поперечные размеры установки.
3. Периферийный подвод дутья в горн доменной печи предопределяет необходимость создания специальных условий для продвижения газов, образующихся при горении топлива перед фурмами, вглубь печи до осевой зоны. Для обеспечения этого необходимо повышение газопроницаемости осевой зоны увеличением доли кокса в ней. Кроме снижения потерь газа в области противоточного движения твёрдых материалов и газов достигается создание осевого коксового окна в зоне когезии, повышенный прогрев центра горна печи, улучшенный дренаж продуктов плавки там.
Таким образом, оптимальное распределение предусматривает повышенную долю кокса в осевой части печи по сравнению с другими частями, но, например, чем выше горячая прочность кокса и ниже его реакционная способность, тем меньше выражена необходимость раскрытия центра.
4. Опускание шихты в печи под действием силы тяжести, преодолевая силы, действующие в противоположном направлении (подъёмная сила газового потока, силы трения и др.), предопределяет необходимость создания условий для уменьшения силы трения шихтовых материалов о футеровку печи, снижения вероятности формирования настыли в шахте, улучшения режима формирования гарнисажа. Повышение газопроницаемости периферийной зоны для этого увеличением доли кокса в ней, кроме снижения потерь газа в области противоточного движения твёрдых материалов и газов, обеспечивает создание периферийного коксового окна в зоне когезии, повышенный прогрев периферии горна печи, улучшенные условия для продвижения продуктов плавки к лёткам.
Таким образом, оптимальное распределение предусматривает повышенную долю кокса в периферийной части печи. Подвижные промежуточные и конечные шлаки, факторы, снижающие окисление элементов чугуна в фурменном очаге, снижают потребность в коксе для размещения его у периферии.
Распределение СО2 на одной из доменных печей ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», близкое к оптимальному при различных условиях её работы, представлено на рис. 3.
22 20
(Ц
х
X
116
ср
(Ц
5
О 14 12
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Расстояние от кладки, мм
Рис. 3. Распределение СО2 по радиусу доменной печи в номинальных условиях работы (сплошная линия), при ухудшении (пунктир) и улучшении (штрихпунктир) условий
В рассмотренных для рис. 3 условиях работы печи наилучшие результаты по удельному расходу кокса и производительности были получены при распределении, соответствующем содержанию СО2 у периферии 17,7-19,3%, в зоне максимума 22,0%, а у оси 13,5% (штрихпунктирная линия). В неблагоприятных условиях (пунктирная линия) печь работала с повышенным удельным расходом кокса и пониженной производительностью по сравнению с другими периодами.
В качестве основных факторов, определяющих расположение материалов в слое после их загрузки в колошниковое пространство, рассмотрели следующие:
- траектория движения материалов с загрузочного устройства и место встречи потока их с поверхностью ранее загруженных материалов;
- соотношение углов откоса разных материалов, в том числе кокса и железорудного сырья;
- деформация ранее загруженного слоя вновь загружаемым материалом, то есть падающим с загрузочного устройства;
- соотношение скорости опускания поверхности шихты по кольцевым зонам от футеровки до оси, то есть по отдельным составляющим диаметра колошника; то же по секторам (по отдельным составляющим окружности колошника);
- самопроизвольное перераспределение материалов по крупности в процессе ссыпания материала с загрузочного устройства и после загрузки очередной подачи: сегрегация, перевеивание;
- количественное соотношение между материалами в шихте (агломерат, окатыши, кокс, руда, добавки).
На них влияют, кроме типа загрузочного устройства и физико-механических свойств загружаемых материалов, параметры газового потока: скорость, температура, давление, плотность.
—
А У ш
N
\\ V
Список литературы
1. Павлов М.А. Металлургия чугуна. М.: Металлургиздат. 1949. 628 с.
2. Товаровский И.Г. Прогнозная оценка влияния шихтовых материалов по радиусу колошника на процессы и показатели доменной плавки // Металлург. 2014. № 8. С. 46 - 52.
3. Дмитриев А.Н., Спирин Н.А. Использование современных информационных технологий для анализа и контроля доменного процесса // Чёрная металлургия: Бюл. ин-та «Черметин-формация». 2014. № 1. С.21 - 25.
4. Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвис-нев, Ю.С. Юсфин и др.; под ред. Ю.С. Юсфина. М.: Академкнига, 2004. 774 с.
5. Сибагатуллин С.К. Оптимальная степень прямого восстановления железа из оксидов // Сталь. 1997. № 4. С. 1 - 5.
6. Сибагатуллин С.К., Харченко А.С., Бегинюк В.А. Технологические решения для оптимальной реализации доменного процесса // Металлург. 2014. № 4. С. 64 - 70.
7. Стабилизация соотношения расходов природного газа и дутья по фурмам доменной печи / Сибагатуллин С.К., Харченко А.С., Полинов А.А. и др. // Теория и технология металлургического производства. 2014. № 1 (14). С. 23 - 25.
8. Стефанович М.А., Сибагатуллин С.К., Гущин Д.Н. Закономерности движения шихты и газа в доменной печию. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2011. 161 с.
Сведения об авторах
Сибагатуллин Салават Камилович - д-р техн. наук, проф. кафедры металлургии черных металлов, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519)29-84-30.
Махмутов Радик Фаилович - аспирант кафедры металлургии черных металлов, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Сибагатуллина Маргарита Ильдаровна - студентка гр. МБЖ-10, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Стародубов Валерий Алесандрович - студент магистратуры гр. ММЧМ-13, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Буранова Эльвира Фаритовна - студентка магистратуры гр. ММЧМ-13, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
ON THE OPTIMAL DISTRIBUTION OF MATERIALS IN THE BLAST FURNACE SPACE OF THE BLAST FURNACE
Sibagatullin Salavat Kamilovich - D. Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: (3519)29-84-30.
Mahmutov Radik Failovich - Postgraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Sibagatullina Margarita Il'darovna - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Starodubov Valerij Alesandrovich - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Buranova Jel'vira Faritovna - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University.
Abstract. The effect of the uniform distribution of the charge materials in the furnace throat space on various aspects of the blast furnace process is considered. Improved uniformity of distribution can be used as a means of limiting the performance of the furnace in need thereof, for example, due to lack of consumer. Excessively uneven distribution determines the operation of the furnace with a reduced total pressure drop of gas, as an attempt to increase it leads to violations of the vanishing of the charge, including its hanging. According to research the reduction in the total pressure drop of 10 kPa on the blast furnace is accompanied by an increase in .specific coke consumption by an average of 8 kg /1 of pig iron.
Keywords: blast furnace, loading, furnace throat, the distribution of materials, iron ore raw materials, coke, gas permeability.
References
1. Pavlov M.A. Metallurgiya chuguna [Ironmaking]. Moscow: Metallurgizdat, 1949. 628 p.
2. Tovarovskiy I.G. Prognostic evaluation of the influence of charge materials in the furnace throat radius on the processes and indicators of blast furnace smelting. Metallurg [Metallurg]. 2014, no. 8, pp. 46 - 52.
3. Dmitriev A.N., Spirin N.A. The use of modern information technology for analysis and control of the blast furnace process. Chyornaya metallurgiya: Byul. in-ta "Chermetinformatsiya". [Black metallurgy]. 2014, no. 1, pp.21 - 25.
4. Vegman E.F., Zherebin B.N., Pohvisnev A.N., Yusfin Yu.S. Metallurgiya chuguna [Ironmaking]. Moscow: Akademkniga, 2004, 774 p.
5. Sibagatullin S.K. The optimum degree of direct reduction of iron from oxides Stal [Stal]. 1997, no. 4, pp. 1 - 5.
6. Sibagatullin S.K., Harchenko A.S., Beginyuk V.A. Technology solutions for the optimal implementation of the blast furnace process. Metallurg [Metallurg]. 2014, no. 4, pp. 64 - 70.
7. Sibagatullin S.K., Harchenko A.S., Polinov A.A. i dr. Stabilization of the flow ratio of natural gas and blast to the tuyeres of a blast furnace. Teoriya i tehnologiya metallurgicheskogo proizvodstva [Theory and technology of metallurgical production]. 2014, no. 1 (14), pp. 23 - 25.
8. Stefanovich M.A., Sibagatullin S.K., Guschin D.N. Zakonomernosti dvizheniya shihtyi i gaza v domennoy pechi [Regularity of motion of the
charge and gas in the blast furnace]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2011, 161 p.
♦ ♦ ♦
