CC BY
102
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
УДК 669.162.262.3 Сибагатуллин С.К., Майорова Т.В.
УВЕЛИЧЕНИЕ РАБОТЫ ГАЗОВОГО ПОТОКА В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ С ПОВЫШЕНИЕМ ОБЩЕГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ ПО ВЫСОТЕ
Близость к предельно низкой величине вертикального давления шихты в определяющей по газодинамике зоне и существование резерва в остальной части доменной печи делает возможным совершенствование выплавки чугуна повышением общего перепада давления газов. Это реализуемо, во-первых, перераспределением силового взаимодействия потока шихты с газами по высоте и сечению печи, во-вторых, стабилизацией его в определяющей зоне.
Перераспределение предусматривает улучшение результатов доменной плавки повышением напряжённости силового взаимодействия потоков шихты и газов в тех зонах, где это допустимо, без снижения вертикального давления в определяющей зоне. На печи это выглядит как ход доменной плавки с повышенным общим перепадом давления газов по высоте при ровном сжде шихты.
Общий перепад давления возрастает с повышением скорости газового потока, т.е. интенсивности по дутью, до предельно допустимого уровня, равномерности распределения железорудного сырья и кокса, крупных и мелких материалов по сечению и окружности печи [1-5 и др.]. Повышение равномерности распределения можно использовать преимущественно для снижения удельного расхода кокса, а повышение интенсивности по дутью при сохранении ровного
Интенсивность по углероду Рис.1. Влияние равномерности распределения железорудного сырья и кокса на интенсивность плавки и общий перепад давления газов в доменной печи:
1 - равномерное распределение для ограничения производительности и снижения удельного расхода кокса;
2 - оптимальное распределение для работы с максимальной производительностью; 3 - неравномерное распределение
сжда шихты - в направлении увеличения производительности . Зависимость между равномерностью распределения материалов и предельно допустимой интенсивностью схематично представлена на рис. 1.
Допустимый общий перепад давления оказывается наиболее высоким (ДРда) при предельно допустимой и достижимой повышенной равномерности распределения материалов по окружности и сечению (кривая 1). В этом случае газопроницаемость шихты получается низкой, а это, для исключения неровного схода шихты, заставляет вести доменную плавку с пониженной интенсивностью по дутью (1вп) и соответственно по коксу. При этом высокий перепад обеспечивает необходимую высокую порозность слоя шихты [2] (разрыхленное состояние её). Низкая интенсивность ведёт соответственно к пониженной производительности.
Допустимый общий перепад давления (ДР) в этом случае оказывается наибольшим в связи с тем, что насыпная плотность шихты высока по всем элементарным участкам сечения и окружности печи, с которой перепад давления связан линейной зависимостью:
АР =УУШ • Н , (1)
где V - степень уравновешивания шихты подъёмной силой газового потока; уш - насыпная плотность шихты; Н - рабочая высота печи.
Повышенная равномерность распределения железорудного сырья и кокса, крупных и мелких материалов обеспечивает высокую степень использования химической, тепловой и потенциальной энергии газового потока и соответственно низкий удельный рас-жд кокса. Такой режим хода доменного процесса целесообразно организовывать при необходимости ограничения производительности печи (например, в связи с отсутствием потребителей чугуна).
Степень использования потенциальной энергии газового потока характеризуется показателем цп (%):
цп = 100 -АР/Рд , (2)
где Рд - давление дутья.
При некотором оптимальном распределении, подбираемом логико-статистическим способом [3] (кривая 2), печь принимает максимальное количество дутья Уопт) ПРИ ровном сходе шихты. Такой режим обеспечивает сочетание максимальной производительности с низким удельным расждом кокса. По
Увеличение работы газового потока в доменной печи с повышением.
Сибагатуллин С.К., Майорова Т.В.
исследованиям на доменных печах увеличение общего перепада давления на 10 кПа сопровождается уменьшением удельного расхода кокса в среднем на 8 кг/т чугуна и повышением производительности на 2,1°%. Такое улучшение результатов плавки обеспечивается повышением использования тепловой, химической и потенциальной энергии печных газов.
При излишне неравномерном распределении (кривая 3) газопроницаемость шихты получается высокой, а допустимый общий перепад давления газов (АРнп) и допустимая интенсивность Унп), обеспечивающая в таких условиях устойчивое состояние шихты, оказываются низкими. Допустимый общий перепад давления газов в этом случае низок согласно выражению (1) в связи с минимальной насыпной плотностью шихты в зонах сосредоточения кокса.
Ведение доменной печи с повышенным общим перепадом давления газов обеспечивает увеличение количества совершаемой работы газового потока Ас, которая определяется по формуле
А =
R
22,4
P
• ln- и г ■
P
+УфгТфг ln
P
0 + со, Тсс
ln
р
'р~
где ПГ - расход природного газа, м /т чугуна; Уф? -выход фурменного газа, м3/т чугуна; COd - количество монооксида углерода, образовавшегося при прямом восстановлении, м3/т чугуна; Тпг - температура природного газа, К; Т^г - температура фурменного газа, К; Тсо - температура протекания реакций прямого восстановления, К; Рпг - давление природного газа; Рд - давление дутья; Рн - давление в зоне протекания реакций прямого восстановления, кПа; Ркг - давление колошникового газа; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К).
Распределение работы образования газа по высоте и сечению доменной печи, рассчитанное по результатам вертикального и горизонтального зондирования её [4], представлено на рис. 2 и 3.
Работа газового потока при движении его в верхней части печи изменяется экстремально. Экстремум обусловлен в основном быстрым увеличением к низу температур в верхней части верхней ступени интенсивного теплообмена [5].
Это увеличение по влиянию на скорость движения газа не компенсировано расширением печи к низу.
Дополнительно действует разрушение материалов при восстановлении железа, находящегося в виде Fe2O3, до Fe3O4. В середине шахты работа газового потока на единице высоты печи уменьшается в основном за
счёт замедления роста температур к низу печи в зоне замедленного теплообмена. Частично действует спекание мелких фракций до начала размягчения.
На нижних горизонтах печи работа газового потока на единице высоты печи значительно увеличивается вследствие образования зоны когезии, роста градиента температур в нижней ступени теплообмена, уменьшения сечения печи в заплечиках Указанное неравномерное распределение работы газового потока по высоте уменьшает её суммарную величину от горизонта фурм до уровня засыпи вследствие того, что в зонах максимума работы (верх шахты и заплечики) излишнее протекание её приводит к неровному сходу шихты. Для увеличения этой суммарной величины необходимо полнее использовать среднюю часть печи.
Неравномерное распределение работы газового потока по сечению печи (см. рис. 3) также приводит к уменьшению её суммарной величины от горизонта фурм до уровня засыпи. Это обусловлено недостаточным использованием зон, в которых создаётся пониженная рудная нагрузка для улучшения газопроницаемости шихты. Поэтому для повышения количества работы газового потока с улучшением результатов доменной плавки целесообразно создавать повышенную равномерность распределения железорудного сырья и кокса, крупных и мелких материалов по сечению, допустимую по ровности схода шихты.
Заключение
Организация жда доменного процесса с повышенным общим перепадом давления газов по высоте обеспечивает увеличение степени использования тепловой, химической и потенциальной энергии газов.
Для реализации хода доменного процесса, обеспечивающего повышенный общий перепад давления газов, целесообразно, наряду с другими мероприятиями, исключать зоны с пониженной рудной нагрузкой, создавая для этого необходимые условия.
О 5 10 и 20
Работа сопротивления, МДж/тчугуна
Рис. 2. Общий характер распределения работы газового потока по высоте доменной печи
кладки печи,
Рис. 3. Общий характер распределения работы образования газа по радиусу доменной печи в нижней части
Ведение доменной печи с повышенным общим
перепадом давления газов увеличивает количество
совершаемой газовым потоком работы.
Библиографический список
1. Стефанович М.А., Сибагагуллин С.К. Рациональная организация хсда основных процессов в противогочной зоне доменной печи // Производство чугуна. Свердловск: УПИ, 1983. С. 80-86.
2. Сысоев Н.П. Влияние скорости опускания столба шихты в доменной печи на его порозность // Производство чугуна. Магни-тсгорск: МГМА, 1994. С. 4-6.
3. Основы теории итехнологии доменной плавки / А.Н. Дмитри-ев, Н.С. Шумаков, Л.И. Леонтьев, О.П. Онорин. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. 545 с.
4. Бабарыкин H.H. Теория и технология доменного процесса. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. 257 с.
5. Теплообмен и повышение эффективности доменной плавки /
H.A. Спирин, Ю.Н. Овчинников В.С. Швыдкий, Ю.Г. Ярошенко.
Екатеринбург: УГТУ, 1995. 243 с.
Bibliography
1. Stefanovich M. A., Sibagatullin S.K. Rational organization of basic processes in the counter-flow zone of a blast furnace // Pig-iron Manufacture. Sverdlovsk: UPI, 1983. P. 80-86.
2. Sysoyev N.P. Influence of speed of stock column descent in a blast furnace on it fractional void volume // Pig-iron Manufacture. Magnitogorsk: Magnitogorsk mining and metallurgical academy, 1994. P. 4-6.
3. Basics of the theory and technology of blast furnace smelting / A.N. Dmitriev, N.S. Shumakov, L.I. Leontev, O.P. Onorin. Yekaterinburg: The Ural branch of the Russian Academy of Sciences, 2005. 545 p.
4. Babarykin N.N. Theory and technology of the blast furnace process. Magnitogorsk: the state educational institution of higher professional education "MGTU", 2009. 257 p.
5. Heat exchange and the increase of blast furnace smelting efficiency / N.A.Spirin, J.N.Ovchinnikov, V.S.Shvydky, J.G.Jaroshenko. Yekaterinburg: USTU, 1995. 243 p.
УДК 621.74:669.13 Андреев В. В.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ВКЛЮЧЕНИЙ ГРАФИТАВ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНАХ
Несмотря на более чем 60-летний период применения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и большое количество проведенных исследований, до настоящего времени еще не разработана общепринятая теория, объясняющая с достаточной достоверностью механизм образования сферолитов графита в чугуне. Это относится и к другим «промежуточным» (между пластинчатой и шаровидной) формам графита. Их появление в чугуне обусловлено невыполнением в расплаве в полной мере необходимых условий, обеспечивающих образование нормального шаровидного графита.
На основании результатов многолетних исследований, посвященных получению основных параметров жидкого состояния чугуна с шаровидным графитом, кинетики его кристаллизации и строения различных форм графита в нем Б.С. Мильманом была высказана гипотеза об условиях образования шаровидного графита в чугуне и роли элемента-модификатора в этом процессе [1, 2]. Затем основные положения этой концепции были обоснованы и подтверждены результатами исслгдования условий образования шаровидного графита без каких-либо сфероидизирующих графит элементов в синтетическом чугуне, выплавленном в глубоком вакууме из особо чистых исходных материалов и содержащем минимальное количество серы и кислорода [3, 4]. Согласно этой концепции образование шаровидного графита в чугуне про-исждит в условиях совместного воздействия двух основных факторов: высокого поверхностного натяжения расплава и значительного его переохлаждения. Роль же элемента-модификатора (при обработке технических чугунов) заключается в том, что он, благодаря взаимодействию и связыванию в стойкие химические соединения поверхностно-активных прим есейчугуна (кислорода
и серы), создает и поддерживает в расплаве вышеуказанные условия в процессе кристаллизации чугуна. При этом сам элемент-сфероидизатор не принимает непосредственного участия в формировании сферолитов путем избирательной адсорбции на гранях растущих кристаллов графита или каким-либо иным способом, а лишь препятствует таковой со стороны кислорода и серы. Результатом такого воздействия явлжтся кристаллизация графита в шаровидной форме.
В последующих исследованиях специалистов ЦНИИТМАШ, посвященных вопросам разработки новых сфероидизирующих присадок [5, 6] и новой технологии получениячугуна с шаровидным графитом непосредственно в процессе выплавки в электропечах промышленной частоты [7], эти положения были использованы и нашли свое экспериментальное подтверждение.
В настоящее время уже, практически, всеми исследователями в качестве одного из основных условий, определяющих возможность образования шаровидного графита в чугуне, признается необходимость его глубокого рафинирования от кислорода и серы, что, в конечном счете, приводит к повышению общего уровня поверхностного натяжения расплава и, как правило, повышению межфазного натяжения на границе расплав-графит. Таким образом, соблюдается первое необходимое условие для получения шаровидного графита. Что же касается второго необждимого условия (или фактора) - наличия определенного переохлаждения, под которым в данном случае понимается снижение температуры эвтектической кристаллизации чугуна с шаровидным графитом по отношению к исждному чугуну, то большинством исследователей он также признается в качестве главного, наиболее существенного фактора.
