CC BY
146
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
УДК 669.162.266.2/4
Дружков В.Г., Прохоров И.Е.
ВЫБОР РЕЖИМА ВЫПУСКА ЧУГУНА И ШЛАКА ИЗ ГОРНА ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
В 2014 году исполнится 50 лет, как впервые в мировой практике на доменной печи № 9 ММК внедрено устройство двух чугунных леток на отдельных литейных дворах. В настоящее время на доменных печах полезным объемом более 270о м3 число чугунных леток достигает четырех. Снижение выхода шлака на тонну чугуна, увеличение высоты горна позволили на большинстве печей отказаться от выпуска шлака через шлаковые летки. Использование чугуновозных ковшей мик-серного типа, внедрение стойкой заливной футеровки главных желобов, широкое распространение высококачественных леточных масс в значительной степени снизили трудоемкость горновых работ и способствовали изменению режима выпусков. Анализу отмеченных изменений в последние 20 лет и их взаимосвязи с режимом отработки чугуна и шлака уделялось недостаточно внимания, не внесены соответствующие изменения в технологические инструкции.
Основным параметром режима опорожнения горна от жидких продуктов плавки является число выпусков чугуна в сутки - N. Выпуски чугуна равномерно распределяют во времени, поэтому продолжительность цикла «накопление-выпуск» должна быть постоянной и равной (в минутах):
Т = 24 х 60/N = 1440/N. (1)
Выполнение графика выпусков при ровной работе доменной печи и постоянство условия продувки чугунных леток должно приводить к равномерному распределению по выпускам массы чугуна, которая определяется
д = Р/К = (Р/1440) х (1440/К) = дн х Т,
(2)
где Р - производительность печи, т/сут; дн - минутная производительность (скорость накопления чугуна), т/мин.
Современный уровень теории и практики доменного производства позволяет определить количество выпусков, при котором не будет условий для нежелательного вытеснения столба кокса в горне, аналитически решив балансовое уравнение:
К* =-
) • в-(1-е)-(1 + ш)
(144°'(°вк “ °о )' рг •є)
(3)
где Ш - относительный выход шлака, т/т; є - средняя степень заполнения кокса жидкими продуктами плавки, м3/м3; в - ускорение свободного падения, м/с2 ; ч0 -скорость опорожнения горна; - площадь горизон-
тального сечения горна, м .
Входящие в уравнение (3) величины активного
давления столба шихты на горизонте фурм (ст0) и среднего сопротивления вытеснению (св) можно рассчитать по следующим зависимостям [1]:
О0 = оГФ • е /А + рк • в • А-11 - е /А )-10“ ; (4)
(1 --А )•
ов = оГФ • е /А + рк • g ■ А-|е /А -1^10~, (5)
где рк - насыпная плотность кокса в горне, кг/м3; Нк -высота столба кокса в горне, включая погруженную часть, м; А=4/(4пГ); 4 - диаметр горна, м; п - коэффициент бокового давления; :Г - коэффициент внутреннего трения; сгф - среднее вертикальное давление столба шихты на горизонте фурм, кПа.
= С• рш • в• Нр-(1 -V)-10-3,
(6)
где С = 0,17 - доля активного давления на горизонте фурм от полного давления [2]. рш - насыпная плотность шихты выше фурм, кг/м ; Нр - рабочая высота печи, м; V = 0,5 - степень уравновешивания шихты подъемной силой газового потока; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Увеличение числа выпусков в прошлом, когда на печи была одна чугунная летка, сдерживалось рядом факторов: низким качеством огнеупорной леточной массы, уровнем механизации горновых работ и большими затратами времени на подготовку желобов к выпуску.
В настоящее время на доменных печах устанавливают две и более чугунных леток (до четырех на печах большого объема), тем самым устраняют ограничения на рост числа выпусков.
Увеличение числа выпусков - не единственный путь уменьшения количества чугуна в горне перед выпуском. Последнее можно осуществить также за счет уменьшения объемной (массовой) скорости опорожнения (д0) и увеличения, тем самым, продолжительности выпуска (4).
В отдельных случаях целесообразно задавать режим опорожнения не по до и Т, а по /д и Т, или проверять приемлемость выбранного режима по до, /в и Т.
Непрерывные, в течение нескольких суток, наблюдения за выпусками на доменных печах, проведенные авторами и выпускниками кафедры, а также обработка данных суточных рапортов о работе доменных печей по заводам страны в различные годы позволили определить величину характеристик режима опорожнения в различных условиях [1, 3].
Полученные данные об условиях и величине основных характеристик режима опорожнения горна доменных печей ММК сведены по группам (табл. 1).
Таблица 1
Изменение характеристик режима выпусков на доменных печах ММК по годам
Год Массовая скорость, т/мин Отношение дн / до или Ь /Т Число выпусков N Продолжительность выпуска Гв.мин Средняя масса выпуска, т
накопления дн выпуска до
Доменные печи полезным объемом 1180 м3
1955 1,28 6,8 0,188 7 38,8 264
1955 1,3 7,9 0,164 7 33,6 266
1956 1,32 6,7 0,197 7 39,0 260
1973 1,67 6,3 0,265 9 33,7 250
1976 1,76 6,4 0,275 10 39,5 252,8
Доменные печи полезным объемом 1370 м3
1954 1,38 5,92 0,233 7 47,1 279
1955 1,57 7,68 0,204 7 42,1 323
1962 1,57 8,0 0,20 8 38,0 304
1964 1,62 7,3 0,22 9 35,6 259,5
1975 2,1 6,98 0,30 10 43,2 301,5
1977 2,27 7,18 0,314 10 45,2 324,5
1977 2,18 6,46 0,337 12 40,4 261
1979 2,19 6,76 0,32 12 39,2 265
2002 2,28 4,29 0,53 15 50,1 216
2009 2,26 3,91 0,58 12 57,8 226
Доменные печи полезным объемом 2000 м3
1970 2,9 9,3 0,312 12 38 353,4
1972 2,94 9,32 0,315 12 44 410
1975 3,39 7,55 0,46 13 49,6 374,5
1978 3,51 7,45 0,47 14 48,4 380,6
1983 3,60 7,86 0,46 14 46,5 365,5
2009 2,95 5,96 0,49 14 49,5 295,5
Данные в табл. 1 приведены в хронологическом порядке - по годам. Число выпусков на доменных печах увеличивали с течением времени, поэтому данные в таблице фактически расположились в порядке возрастания частоты выпусков.
Независимо от полезного объема печи выявились сходные тенденции в изменении характера режима опорожнения. Они выражались в следующем. Постоянно возрастала производительность доменных печей, что заставляло технологов увеличивать число выпусков. В результате увеличилась доля продолжительности выпуска в цикле. Абсолютная величина продол-
жительности выпуска изменялась сравнительно мало, так как массовая скорость выхода чугуна до несколько падала (с 7-8 до 6-7 т/мин на доменных печах объемом 1180-1370 м3 и с 9-10 до 7-8 т/мин на доменных печах объемом 2000 м3). Таким образом, уменьшение количества чугуна, накапливаемого перед выпуском, достигалось на ММК в основном за счет уменьшения интервала времени между выпусками.
Подобная картина имела место на доменных печах других заводов страны, например на доменных печах ЧерМК (табл. 2).
Таблица 2
Изменение характеристик режима выпусков на доменных печах ЧерМК («Северсталь»)
Год Массовая скорость, т/мин Отношение дн / до или /Т Число выпусков N Продолжительность выпуска, мин Средняя масса выпуска, т
накопления дн выпуска до
Доменные печи полезным объемом 2000 м3
1972 3,24 7,25 0,442 12 52,7 348
1972 3,33 7,41 0,45 15 42,6 317
1978 3,24 7,0 0,46 15 44,5 310
1982 3,45 6,26 0,548 18 43,6 273
2004 3,39 4,45 0,548 18 66 275
Доменные печи полезным объемом 2700 м3
1972 4,08 6,45 0,484 15 46,9 387,4
1974 4,18 8,68 0,482 15 45,9 399,3
1978 4,42 7,59 0,583 18 45,8 348
1980 4,23 7,08 0,60 18 47,9 339,5
Доменная печь полезным объемом 5580 м3
2004 7,11 7,51 0,944 18 93,5 662,5
На многих доменных печах зарубежных заводов, а также на большинстве доменных печах большого объема в нашей стране (ЗСМК, НЛМК) реализуется другой путь уменьшения массы чугуна в горне перед выпуском - уменьшение массовой скорости выпуска чугуна (табл. 3).
Как видно из данных табл. 3, на ряде доменных печей большого объема скорости истечения уменьшены до 4-5 т/мин. Это привело к увеличению длительности выпуска на одну летку до 100-130 мин. Применение таких режимов стало возможным в связи с уменьшением диаметра пробуриваемого канала летки и использо -ванием безводной леточной массы. Скорость выпуска является функцией давления газов в горне (см. рисунок)
[4], а также длины канала (I) и его диаметра (^).
Значительное влияние на режим выпусков оказывает и тот факт, что при переходе на заливные желоба в несколько раз возросло время полного ремонта желоба (~ до 4,5-7 сут), в течение которого, естественно, летка исключается из работы. Это неминуемо приведет в той или иной степени к развитию окружной неравномерности газового потока, особенно на печах большого объема (полезным объемом более 2000 м3). В некоторой степени это неблагоприятное воздействие компенсируется современной тенденцией работы на «сухих» горнах, что позволяет поддерживать достаточное расстояние между горизонтом воздушных фурм и поверхностью раздела «газ-шлак» для обеспечения удовлетворительного распределения газов по горизонтальному сечению горна. Очевидно, что снижению уровня расплавов в горне и его постоянству способствует приближение скорости опорожнения горна ( д0 ) к скорости накопления (дн).
Оба направления в изменении режима опорожнения горна (как увеличение числа выпусков при постоянной д0, так и продолжительности выпуска при уменьшении д0) уменьшают интервал времени между выпусками. Поэтому их влияние на ход доменного процесса, в основном, одинаковое.
Оба эти направления в изменении режима ведут к различным внешним последствиям: изменению стойкости канала чугунной летки и желобов. Режимы быстрого и медленного опорожнения различаются числом открываний и закрытий чугунных леток, потерями на скрап, расходом заправочных материалов,
выносом коксовой мелочи, затратами труда и другими последствиями. Преимуществами выпуска чугуна с невысокими скоростями являются: снижение износа главного желоба в месте падения струи чугуна, снижение числа возмущений хода доменной плавки при колебаниях уровня продуктов плавки в горне.
9
£6
ж
♦-ДП1
■-ДП2
А-ДПЗ
Х-ДП4
Ж-ДП5
2,5 3 3,5 4
Давление дутья, кг/см2
Зависимость скорости выпуска чугуна от давления дутья на доменных печах заводв Рикфта, Япония [4]
Выпуск чугуна заканчивается продувкой чугунной летки горновым газом и заполнением ее канала леточной массой. Продувка необходима, чтобы убедиться в достаточно полной выдаче чугуна и шлака из печи. Регулярная продувка летки повышает температуру слоя кокса в секторах чугунных леток, в результате в этой области растет подвижность шлака, лучше идут процессы обессеривания [5]. Но должно быть четко определено время продувки, так как кроме положительного влияния продувка оказывает и негативное.
Отрицательными являются следующие явления: потери тепла и восстановителей с горновыми газами, загрязнение атмосферы, рост потерь металла со шлаком [5]. По химическому составу капли чугуна крупнее двух миллиметров из шлакового желоба близки к химическому составу брызг чугуна такого же размера, выносимых горновым газом. Это свидетельствует о существенном влиянии на величину потерь металла со шлаком, особенно значительных при длительной продувке летки, когда поток брызг достигает скиммера
[5]. Следовательно, при нормальном ходе доменной плавки время продувки (йър) необходимо строго регламентировать - ограничить одной - двумя минутами.
Таблица 3
Характеристики режима выпусков на доменных печах с пониженной скоростью выхода чугуна
Доменная печь Завод,город,страна Массовая скорость, т/мин Отношение дн/ до Число выпусков Продолжительность выпуска., мин
Номер Объем, м3 накопления выпуска
1 2323 Фукуяма, Япония 3,57 4,03 0,885 9-10 129
2 2828 То же 4,03 4,86 0,830 11 110
3 3016 Тоже 4,84 5,55 0,872 11 114
3 1040 Дортмунд, ФРГ 2,78 4,5 0,618 8 100
7 2215 Вестфаленхютте, ФРГ 2,92 4,5 0,649 8 120
2490 Фос-сюр-Мер, Франция 3,71 5 0,743 10-11 100
1 3000 ЗСМК 4,1 5,53 0,742 10-12 80-100
6 3200 НЛМК 4,75 6,32 0,753 13 66,3
В связи с наличием трех-четырех леток на мощных доменных печах и возможностью совместного выпуска через две, а то и через три летки одновременно (что может применяться при ликвидации расстройств хода печи), как еще один параметр режима выпусков предлагаем учитывать совместное время выпуска чугуна - 1совм. Примером является принятый режим выпусков жидких продуктов плавки доменной печи № 2 в Швельгерне одновременно на две летки [6], при котором заметно улучшилось качество чугуна по содержанию серы (среднее содержание [8] составило 0,030 против 0,037% при выпуске на одну летку, количество выпусков с содержанием серы > 0,040 % сократилось вдвое).
Заключение
Анализ данных о влиянии произошедших за последние 20 лет технических достижений позволяет рекомендовать выбирать режим выпусков таким образом, чтобы увеличить продолжительность каждого выпуска за счет уменьшения его массовой скорости. Это поможет сократить число возмущений хода доменной плавки, снизить трудоемкость горновых работ и будет способствовать уменьшению содержания серы в чугуне, вредных выбросов в атмосферу.
Список литературы
1. Кропотов В.К., Монетов Г.В. К вопросу об оптимальных режимах выпуска чугуна и условиях их реализации // Производство чугуна: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: МГМИ, 1974. С.8-10.
2. Измерение фактического давления шихты на горизонте воздушных фурм доменной печи / Г.А.Воловик, Б.В. Боклан, В И. Бондаренко и
др. // Доменное производствотемат.отрасл.сб. / МЧМ СССР. М.: Металлургия, 1975. Вып. 2. С. 75-77.
3. Прохоров И.Е., Кропотов В.К. Анализ возможности использования в доменной плавке железорудного сырья, приводящего к нарушению дренажной способности горна доменных печей: отчет о НИР по гранту PD 02-2.9.-31. № ГР 01040001791. Магнитогорск, 2004. 166 с.
4. Higuchi M. lizuka M. Shibuya T. High top pressure operation of Blast furnaces at Nippon Kokan KK // Journal of the Iron and Steel Institute. September, 1973. P. 1-12.
5. Бабарыкин H.H. Теория и технология доменного процесса: учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ им.Г.И. Носова, 2009. 257 с.
6. Повышение производительности доменных печей / Хартинг В., Лан-герК., ЛюнгенГБ., ШтрикерК.П. // Черные металлы. 1996. № 12. С.17-25.
Bibliography
1. Kropotov V.K., Monetov G.V. On the question of optimal modes of iron discharge and the conditions for their implementation.// "Production of pig iron” Interuniversity collection of scientific treatises. / Magnitogorsk: MGMI, 1974. P.8-10.
2. Volovik G.A., Boklan B.V., Bondarenko V.I. and others. Measuring of the actual burden pressure at the level of blast furnace tuyeres. // "Blastfurnace production”: The thematic industry publication. MFM of the USSR. Moscow: Metallurgies, 1975. Issue 2. P.75-77.
3. Prokhorov I.E., Kropotov V.K. Analysis of processing in blast furnace of iron ore that result to violation of drainage ability of the blast furnace hearth. // Report on research grant PD 02-2.9.-31. State reg. No. 01040001791, Magnitogorsk, 2004. 166 p.
4. Higuchi M, Iizuka M, Shibuya T. High top pressure operation of Blast furnaces at Nippon Kokan KK // Journal of the Iron and Steel Institute. September 1973. P. 1-12.
5. Babarykin N.N. Theory and technology of the blast furnace process: the
manual. /Magnitogorsk: SEI HPE MGTU named after
G.I. Nosov, 2009. 257p.
6. Harting V., Langer K., Lungen G.B., Shtriker K.P. Increasing of blast furnaces productivity. // Ferrous metals. 1996. No.12. P.17-25.
