CC BY
53
УДК 669.162.263
Дружков В. Г., Макарова И. В.
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРА ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ НА ПРОЦЕСС ЗАДУВКИ
Аннотация. Процесс задувки отличается от обычной работы доменной печи тем, что во время задувки шихта впервые начинает движение. Характер движения шихты во время задувки отличается от режима установившегося характера опускания материалов. Обеспечение равномерного схода шихты обеспечит более полный прогрев и восстановление ЖРС при подходе к зоне высоких температур в процессе задувки. Рациональное положение границы нулевой шихты позволит провести задувку без перерасхода дорогостоящего кокса и обеспечит прогрев горна к моменту прихода первых порций чугуна и шлака. Рассмотрены вопросы влияния различных факторов на сход шихты по сечению печи в процессе задувки. Даны рекомендации по расчету верхней границы нулевой шихты.
Ключевые слова: доменная печь, задувка, задувочная шихта, высота подзоны с неравномерным по радиусу сходом.
Известно, что доменный процесс основан на взаимодействии встречных потоков материалов и газа, что обеспечивает высокое использование тепловой и химической энергии последнего. От организации противотока зависят основные технико-экономические показатели плавки: производительность печи, удельный расход кокса, качество выплавляемого чугуна. Для более полного использования энергии газа необходимо иметь относительно равномерный по сечению шахты сход шихты. Чтобы обеспечить его, необходимо знать и использовать закономерности движения материалов и газов в рабочем пространстве доменной печи.
Ранее, при разборке замороженных на ходу доменных печей, установлено, что в шахте материалы опускаются в основном равномерно по сечению. Лишь в нижней части ее начинает сказываться влияние фурменных очагов, сужающихся заплечиков и осевой зоны малоподвижного кокса. Оно проявляется в появлении различия скоростей схода по радиусу. Наличие в верхней части рабочего пространства печи столба шихты с равномерным сходом желательно, так как это способствует лучшему прогреву и восстановлению железорудных материалов при подходе к зоне высоких температур. Чем меньше относительная высота подзоны потока с неравномерным по радиусу сходом, тем лучше. И задача определения ее - одна из актуальных.
Равномерный сход материалов обеспечивает более полную степень использования энергий газов. Для обеспечения относительно равномерного схода материалов в шахте необходимо, чтобы условия схода материалов в зоны горения и выхода газов из них для периферийной и осевой зон были одинаковыми.
При вертикальном расположении осей зон потока над фурменными очагами одинаковые условия схода материалов реализуются в том случае, если цилиндрическая поверхность, проведенная через середины рыхлых частей фурменных очагов, делит сечение распара на две равновеликие части, то есть отно-
шение площадей периферийного кольца и центрального круга равно единице (5^/5^=1,0) [1, 2]. В реальных условиях величина этого отношения для каждой доменной печи, в зависимости от профиля и условий ее работы, должна быть вполне определенной. Расчетные значения этого соотношения в печах различного объема представлены на рис. 1.
Рис. 1. Изменение отношения сечений периферийной и осевой зон на горизонте распара (5п/5ц) в печах
различного объема [1]: 1 - профиль проектный; 2 - профиль выдувочный; 3 - ОЗММ
Величину этого соотношения (£п/£ц) выразили через известные размеры профиля доменной печи:
5п
п¿2 п(аг-2ъ
4 4
1 2
П(ат -2-Ь-2- 2 V2 4
(1)
Чтобы выявить характер влияния указанных факторов на величину £п/£ц, провели преобразования данного выражения. После преобразований оно приняло вид
+1 =
В
В
а - 2Ь -1
© Дружков В. Г., Макарова И. В., 2016
а г - 2(ъ+- I;
(2)
2
Из анализа выражения (2) следует, что величина отношения 5Л/5Ц для каждой печи и известными размерами диаметров горна и распара зависит от величины высова фурм и половины протяженности рыхлой
части фурменного очага (Ь + 2/фо)и наоборот. Таким
образом, задаваться определенным значением отношения 5Л/5Ц - это значит задаваться определенной величиной (Ь +1 /фо ).
Приняв величину отношения Зп/ЗЦ равной единице, получили суммарную величину высова фурмы и половины протяженности рыхлой части фурменного очага:
7 1 * d D
Ь + - 1ф. --=.
2 2 2лТ2
чения равенства единице отношения Зп/ЗЦ для доменных печей различного объема.
, _ d
/фо - —^ -
D
1 2^2
- 2Ь.
(4)
(3)
При допущении равномерного распределения по радиусу и постоянного высова фурм можно рассчитать величину требуемой протяженности рыхлой части фурменного очага /ф^ , необходимой для обеспе-
Результаты расчетов приведены в табл. 1.
Из табл. 1 следует, что на доменных печах с малым полезным объемом требуемая протяженность
полости перед фурмой /ф^ близка к реальным ее значениям при малом значении высова фурм, но на мощных доменных печах она заметно превышает достигнутые в практических условиях значения. Также из таблицы видно, что для доменных печей среднего объема для достижения требуемого значения протяженности фурменного очага необходимо увеличивать высов фурм.
Для существующего и рекомендованных значений размеров элементов профиля данные о необходимом значении протяженности рыхлой части фурменного очага доменной печи №10 ОАО «ММК» представлены в табл. 2.
Расчетные значения протяженности рыхлой части фурменного очага, необходимой для обеспечения равенства площадей осевой и периферийной зон при различной величине высова фурм
Таблица 1
Уи, м3 dг, мм D, мм /фо , мм при
Ь = 200 мм Ь = 300 мм Ь = 400 мм Ь = 500 мм Ь = 600 мм
1033 7300 8200 1101,7 901,7 701,7 501,7 301,7
1386 8200 9300 1223,9 1023,9 823,9 623,9 423,9
1513 8600 9600 1411,8 1211,8 1011,8 811,8 611,8
1719 9100 10200 1487,5 1287,5 1087,5 887,5 687,5
2000 9750 10900 1642,5 1442,5 1242,5 1042,5 842,5
2700 11000 12300 1902,6 1702,6 1502,6 1302,6 1102,6
3200 12000 13100 2336,9 2136,9 1936,9 1736,9 1536,9
5037 14700 16100 2915,6 2715,6 2515,6 2315,6 2115,6
5580 15100 16500 3032,7 2832,7 2 632,7 2432,7 2232,7
Таблица 2
Расчетные значения протяженности рыхлой части фурменного очага при различных высовах фурм
для доменной печи №10 ОАО «ММК»
Доменная печь №10 ОАО «ММК» dг, мм Д мм /фо , мм при
Ь = 200 мм Ь = 300 мм Ь = 400 мм Ь = 500 мм Ь = 600 мм
Существующий профиль 10440 11240 2092,1 1892,1 1692,1 1492,1 1292,1
Рекомендованный профиль 10440 12006 1552,6 1352,6 1152,6 952,6 752,6
Из табл. 2 видно, что при изменении размеров профиля доменной печи №10 ОАО «ММК» значения необходимой протяженности фурменного очага для обеспечения равенства отношений площадей периферийной и центральной зон значительно снижаются, приближаясь к существующим на практике значениям. Из этого следует, что рекомендованный профиль обеспечит более ровный сход шихтовых материалов в шахте. При этом оптимальный высов фурм составит 400-500 мм.
Обеспечение равномерного схода шихты дает более полный прогрев и восстановление ЖРС при подходе к зоне когезии (ЗРПМ). Существующий профиль не обеспечивает равномерного схода шихты по всему сечению печи. Даже при самом большом высо-ве фурм (600 мм) не удается обеспечить необходимого соотношения 5Л/5Ц. Причиной этого может быть зауженный распар, что уменьшает значение 5"п, ускоряя сход шихты на периферии, где он и так имеет повышенную скорость схода. В результате шихта приходит в распар плохо подготовленной, а низкий распар не позволяет полностью вписать ЗРПМ. Увеличение сечения распара расширяет периферийную зону, уравнивания условия схода шихты в центральной и периферийной зонах. А увеличенная высота распара обеспечит полное вписывание ЗРПМ, улучшая газодинамику нижней части печи.
Как следует из табл. 2, обеспечить одинаковые условия схода в фурменные очаги материалов при колебаниях теплового состояния горна центральной и периферийной зон можно изменением высова фурм. Это можно осуществить даже при разгаре или зарастании кладки распара.
При задувке печи над каждым очагом горения образуется эллипсоид разрыхления (рис. 2), совокупность очагов горения, расположенных на периферии горна, обуславливает слияние эллипсоидов разрыхления в объем типа тора (или квазитора). По мере выпуска квазитор разрыхления растет в высоту, так как в условиях доменной печи сверху происходит пополнение убывающего объема. Рост квазитора разрыхления прекратится тогда, когда величина прироста высоты его сравнится со скоростью опускания материалов сверху вниз.
При изучении выпуска материалов через несколько отверстий, расположенных рядом, установлено, что до определенного уровня полоски из окрашенного материала опускались горизонтально. Это было объяснено взаимным пересечением эллипсоидов разрыхления (рис. 2), появлением в связи с этим возможности для выравнивания скоростей схода выше определенного горизонта.
В доменной печи вероятность равномерного по сечению схода материалов в шахте еще выше, если учесть, что имеется возможность наложения эллипсоидов разрыхления, образующихся не только над смежными, но и диаметрально противоположными фурменными очагами.
а
и
Рис. 2. Закономерности выпуска сыпучих материалов через отверстия: а - соотношение размеров эллипсоидов выпуска (1), разрыхления (2) и воронки выпуска (3); Ь - увеличение размеров эллипсоида разрыхления по мере увеличения количества выпускаемого материала; с - эпюры скоростей схода частиц в эллипсоиде разрыхления; d - пересечение эллипсоидов разрыхления и наложение эпюр скоростей схода через несколько отверстий
На основе этого движение материалов в нижней части печи представлялось следующим: над каждым очагом горения образуются устья, через которые проходит вся шихта, находящаяся в распаре и выше; в центре горна над горизонтом фурм образуется ОЗММ. Таким образом, характер движения материалов в печи можно представить так: более или менее равномерное опускание в верхней части печи, неравномерное - в нижней и малоподвижный конус материалов в центре (рис. 3). Исследования авторов подтвердили указанный характер опускания материалов.
Рис. 3. Составляющие столба материалов в доменной печи: 1 - зона потока с относительно равномерным (1') и неравномерным (1") по радиусу сходом; 2 - фурменные очаги; 3 - осевая зона малоподвижных материалов
Раздел 2
В условиях установившегося процесса материалы верхней части печи опускаются более или менее равномерно по всему поперечному сечению, а в нижней части печи имеет место неравномерный по сечению сход материалов.
Закономерности опускания частиц сыпучей среды через отверстия позволили с учетом особенностей опускания материалов в доменных печах установить влияние количества и протяженности рыхлой части зон горения на высоту зоны с неравномерным сходом шихты [2].
h = 1415 •
"нер -I,415 .
D2
- 0,5 • I
фо
1
1 -г2
(5)
Таким образом, высота подзоны неравномерного схода шихты зависит от количества и протяженности рыхлой части зон горения, диаметра печи на горизонте перехода от равномерного к неравномерному сходу (диаметра распара) и свойства шихты как сыпучей среды (эксцентриситета эллипсоида выпуска). Из выражения (5) следует, что чем больше количество и диаметр фурменных очагов, тем меньше высота зоны неравномерного схода шихты.
Заметное влияние на высоту неравномерного схода оказывает эксцентриситет эллипсоида выпуска. Последний, по данным Г. М. Малахова, для крупнокусковой обрушенной руды размером до 200 мм находится в пределах 0,93-0,97 [3]. С учетом того, что в нижней части доменной печи в твердом состоянии остается только кокс, крупность которого находится в оговоренных пределах, принимаем для кокса в заплечиках и распаре эксцентриситет эллипсоидов выпуска равным 0,95.
Таблица 3
Число воздушных фурм для обеспечения равномерного схода шихты и вписывание высоты зоны с неравномерным сходом
в заплечики и распар
Количество фурм, обеспечивающее наименьшую высоту подзоны с неравномерным по радиусу сходом материалов, зависит от профиля доменных печей, а именно от высот заплечиков и распара. Привязка к профилю существующих печей вызвала необходимость использования фактических данных о высотах заплечиков и распара при определении "нер = "з + "р .
Используя данные о размерах существующего и рекомендованного профиля доменной печи №10 ОАО «ММК», рассчитали минимально необходимое количество фурм, обеспечивающих равномерный сход шихты и вписывание высоты зоны с неравномерным сходом в заплечики и распар (табл. 3).
Как видно из табл. 3, число фурм при существующем профиле (25) не обеспечивало вписывание зоны с неравномерном сходом в заплечики и распар, так как не было достигнуто реальных значений протяженности рыхлой части фурменного очага при существующих высовах.
При рекомендованном профиле число фурм можно принять равным 20.
При задувке доменной печи важным фактором, от которого зависит дальнейшая работа печи, является количество кокса (нулевая шихта), задача которого максимально прогреть горн перед приходом в него жидких продуктов плавки. Количество загружаемого кокса - задача, решаемая каждым доменным цехом по-своему. Нет единой методики определения верхней границы расположения нулевой шихты. Рекомендуется использовать формулу (5) для определения нижней границы нулевой шихты.
Результаты расчетов представлены в табл. 4.
2
Доменная печь № 10 ОАО «ММК» Высов фурм в, мм
200 300 400 500 600
Существующий профиль ("р = 1700 мм, "з = 3000 мм)
/фо , мм 2092,1 1892,1 1692,1 1492,1 1292,1
Число фурм для печи с существующим профилем 19,4 20,7 22,0 23,3 24,6
Рекомендованный профиль ("р = 2500 мм, " = 3600 мм)
1фо , мм 1552,6 1352,6 1152,6 952,6 752,6
Число фурм для печи с рекомендованным профилем 17,0 17,6 18,2 18,7 19,1
Таблица 4
Верхняя граница расположения нулевой шихты при задувке доменной печи №10 ОАО «ММК»
Профиль Количество открытых фурм при задувке
пф = 24 пф = 20 пф = 12 пф = 10
Существующий ("р = 1700 мм, "з = 3000 мм; "г = 3600) "р+ "з+ "г = 1700 + 3000 + 3600 = 8300 мм 9885,6 10923,4 14342,4 15776,5
Рекомендованный ("р = 2500 мм, "з = 3600 мм; "г = 4200 мм) "р + "з + "г = 2500 + 3600 + 4200 = 10300 мм 10627,5 11729,6 15367,0 16894,5
Как видно из табл. 4, для высоты расположения границы нулевой шихты большое значение имеет количество открытых фурм при задувке печи. При использовании половины открытых фурм неравномерный по радиусу сход шихты начинается уже в нижней трети шахты. В этом случае высота границы нулевой шихты должна превышать эту границу. В противном случае, в нижнюю часть печи будут «затягиваться» непрогретые ЖРС, которые придут в еще холодный горн.
Список литературы
1. Макарова И. В. Улучшение показателей доменной плавки организацией рационального противотока на основе уточненного количества воздушных фурм: дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2006.
2. Влияние количества и размеров очагов горения в горне на сход материалов выше фурм в доменных печах различного объема / Кропотов В. К., Дружков В. Г., Макарова И. В. и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. 2004. № 7. С. 17-19.
3. Фиалков Б.С., Грузинов В.К. Влияние расположения зоны горения на работу доменной печи // Сталь. 1958. № 6.
4. Wagstaff J.B. A Report on Solid Movement in Blast Furnace Coke Oven and Row Materials Canferens, 1955. vol. 14.
5. Малахов Г.М. Выпуск руды из обрушенных блоков. М.: Металлургиздат, 1952. 316 с.
6. Стефанович М.А., Дружков В.Г. Исследование осевой зоны малоподвижных материалов в полукруглых моделях доменных печей различного объема // Производство чугуна: межвуз. сб. Свердловск: УПИ, 1979. С. 111-116.
7. Дружков В.Г., Стефанович М.А., Куклинов Н.С. Влияние различных факторов на размеры осевой зоны малоподвижных материалов в горне и заплечиках доменных печей // Производство чугуна: межвуз. сб. Свердловск: УПИ, 1985.
Сведения об авторах
Дружков Виталий Гаврилович - канд. техн. наук, доц. института металлургии, машиностроения и материалообра-ботки, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. Тел. (3519) 29-84-30.
Макарова Ирина Владимировна - канд. техн. наук, доц. кафедры МЧМ, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: m.irina1976@mail.ru
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
INFLUENCE OF MATERIAL MOVEMENT WITHIN THE BLAST FURNACE WORKING SPACE ON THE BLOWING PROCESS
Drouzhkov Vitaly Gavrilovich - PhD (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Makarova Irina Vladimirovna - Ph. D. (Eng.), Assistant Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Abstract. The main difference between blowing process (start-up) and the usual operation of blastfurnace is that in the course of blowing the burden starts it's moving. The nature of the burden movement during start-up is different from the established regime of material movement down. Uniform lowering of burden will provide more complete heating and recovery of iron ore materials when they approach the high temperature zone during start-up process. Rational location of the zero burden boundary allows to conduct blowing without overconsumption of expensive coke and to provide hearth heating at the time of the first portions of iron and slag arrival. Questions of influence of various factors on the descent of the burden in different points of cross section of the furnace in the process of blowing are considered. Recommendations for the upper limit of the zero burden calculation are given.
Keywords: blastfurnace, blowing, blowing burden, subzone height with irregular burden descent.
♦ ♦ ♦
