УДК 669.162.16        


ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА

, д. т.н., , к. т.н.,

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет

им. »

От своевременного использования технологических решений зависят удельное потребление энергоресурсов, производительность и срок службы печи. Многолетние исследования, проводимые сотрудниками кафедры металлургии черных металлов ФГБОУ ВПО «МГТУ», по изучению работы доменных печей свидетельствуют о наличии зон, работающих с различной напряженностью. Имеются лимитирующие зоны в верхней ее части (2-6 м от уровня засыпи) и в области заплечиков над фурменными очагами, которые сдерживают интенсивность доменного процесса в целом. Они характеризуются пониженной газопроницаемостью шихты и (или) повышенной подъемной силой газового потока. В них величина потери напора газа приближается к предельно допустимой, что на практике проявляется в виде нарушения ровности схода материалов. Это сопровождается повышением удельного расхода кокса и снижением производства чугуна [1].

Работа доменных печей с верхней определяющей зоной по силовому взаимодействию потоков шихты и газа затрудняла снижение дорогостоящего кокса путем увеличения расхода природного газа, поскольку на каждые 10 м3/т чугуна природного газа рост взаимного сопротивления материалов и газов в верхней части печи составлял 2,9 %. По этой причине увеличение расхода газа сопровождалось неровным сходом шихты в верхней части печи и низким коэффициент замены им кокса. В этом случае было целесообразно использовать мероприятия, улучшающие газодинамические условия в верхней части печи.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В условиях работы доменной печи с нижней определяющей зоной имелись трудности экономии удельного расхода скипового кокса использованием его мелких фракций, что объясняется высокой ролью дренажа продуктов плавки в горне печи. В этом случае необходимо было использовать мероприятия, обеспечивающие улучшение дренажной способности кокса в горне печи [2-6].

В связи с этим актуальной задачей для производства чугуна является разработка технологических решений, использование которых обеспечит высокие технико-экономические показатели плавки доменных печей, работающих в условиях нижней и верхней определяющих по газодинамике зон.

Для выявления взаимодополняющих друг друга мероприятий, совместное применение которых обеспечит эффективное их использование, провели физическое, детерминированное, нейросетевое моделирование и промышленные эксперименты на доменных печах .

Физическим моделированием установили рациональные режимы загрузки материалов в бункер БЗУ, обеспечивающие максимально возможный коэффициент равномерности поступления компонентов шихты на лоток БЗУ по виду материала и наиболее высокую однородность шихты по крупности. Исследования провели на физической модели однотрактового компактного загрузочного устройства, изготовленной в масштабе 1:5 по отношению к линейным размерам БЗУ доменных печей № 2, 4 и 6 ОАО “ММК” [7-9] (рис. 1).

Для выявления рационального режима загрузки компонентов шихты провели несколько серий планируемых экспериментов. В серии опытов 1 в бункер БЗУ загружали агломерат и окатыши. Окатыши при этом располагали под агломератом, в среднем его слое и над ним. В серии экспериментов 2 к железорудной части шихты добавили марганцевую и железную руды, коксовый орешек, которые укладывали в слое агломерата совместно с окатышами. Количества руды и топливной добавки в бункере модели БЗУ были постоянными и соответствовали их расходу 200 и 100 кг кг в скип, содержащий 16 т железорудного материала. В сериях экспериментов 3 и 4 окатыши располагали соответственно сверху и в нижней части бункера БЗУ. Коксовый орешек и руды при этом располагали в бункере БЗУ аналогично первым двум сериям экспериментов под агломератом, в среднем его слое и над ним. Во всех опытах добавки размещали в последовательности убывания их объемной доли снизу вверх бункера. Варьируя долю окатышей в интервале от 10 до 50 %, оставляя неизменным общее количество загружаемых в бункер материалов, производили их выпуск в колошниковое пространство печи. По ходу выпуска отбирали пробы, рассеивали материалы на классы 1-3; 3-5; 5-8; 8-10; 10-12; 12-15; 15-17,5; 17,5-25; >25 мм, после чего отделяли компоненты шихты друг от друга. Определяли долю каждого материала по мере их истечения и затем рассчитывали коэффициент однородности по крупности (Кош) поступления шихтовых материалов на лоток БЗУ (формула 1) и коэффициент равномерности выхода коксового орешка (Кко) из бункера (формула 2).

Рис. 1. Физическая модель однотрактового компактного загрузочного устройства лоткового типа

            (1)

,         (2)

где уi – среднеквадратическое отклонение однородности i-тых порций шихты (fэкв/fсрв) по крупности,  поступающих из бункера;

fсрв, fэкв – средние значения средневзвешенной и эквивалентной по поверхности крупности материалов во всём объёме бункера;

  уi ко – среднеквадратическое отклонение по массе i-х порций коксового орешка, поступающих  из шихтового бункера;

КОср – среднее значение поступающих из бункера порций орешка по  массе.

Обработкой экспериментальных данных получили уравнения 3-6, соответствующие экспериментам 1-4:

Кош = 0,839 + 0,016А + 0,040Ок – 0,004А∙Ок – 0,023А2 + 0,002Ок2  (3)

Кош = 0,874 + 0,006А + 0,023Ок – 0,002А∙Ок – 0,025А2 + 0,005Ок2  (4)

Кош = 0,879 – 0,011А + 0,018Ок + 0,006А∙Ок – 0,007А2 – 0,018Ок2  (5)

Кош = 0,845 – 0,0002А + 0,022Ок – 0,005А∙Ок – 0,006А2 – 0,006Ок2  (6)

где  А – доля агломерата, располагающаяся под добавками в шихтовом бункере БЗУ, %;

Ок – доля окатышей от железорудной части шихты, %.

В полученных уравнениях все факторы представлены в кодированной форме и изменяются от  -1 до 1. По критерию Фишера все уравнения адекватно отражают экспериментальные данные.

Наиболее однородная шихта по крупности поступала на лоток БЗУ при наличии в ней добавочных материалов. Коэффициент однородности по крупности, равный 0,90, обеспечивала следующая последовательность набора материалов в бункер: вниз 54 % агломерата, затем коксовый орешек, окатыши в количестве 50 % от железорудной части шихты, руды, после чего оставшиеся  46 % агломерата (рис. 2).

При использовании в шихте железорудных материалов без добавок максимальный коэффициент, равный 0,88, обеспечивала загрузка на дно бункера 64 % агломерата, затем окатышей с долей 50 % от железорудной части шихты, после чего загрузка оставшегося 36 % агломерата. При уменьшении доли окатышей количество агломерата, располагающегося под ними, необходимо было увеличивать (рис. 3).

Рис.2. Зависимость коэффициента однородности шихты по крупности от доли агломерата, располагающегося под окатышами и добавками, при доле окатышей от железорудной части шихты 10 % (), 30 % () и 50 % () по массе

Рис.3. Зависимость коэффициента однородности шихты по крупности от доли агломерата, располагающегося под окатышами, при их доле 10 % (), 30 % () и 50 % () по массе

Нейросетевым и детерминированным моделированием исследовали влияние различных факторов на расход природного газа. Для построения нейронной сети использовали характеристики дутья, железорудной части шихты и кокса.

Выявили, что рост расхода природного газа на 1 м3/т чугуна можно было обеспечить увеличением уровня засыпи на 0,03 м, что соответствовало результатам опытных плавок в условиях определяющей роли силового взаимодействия потоков шихты и газа в верхней части печи.

Положительно влияло увеличение рудной нагрузки в осевой части печи, работающей с излишней осевой отдушиной, и снижение ее в рудном гребне. Радиальное расположение материалов оценили обобщенным параметром, характеризующим матрицу загрузки. Для этого суммировали количество оборотов по станциям радиального положения лотка, на которые загружали железорудное сырьё и кокс. Уменьшение этой величины для рудной части шихты на 0,45 и увеличение для кокса на 1,3 позволило повысить расход природного газа на 1 м3.

Повышение содержания кислорода в дутье на 1 % абс. позволяло увеличить расход природного газа на 10 м3/т чугуна.

Повышение температуры дутья на 10 град с одновременным увеличением расхода природного газа на 0,7-0,8 м3/т чугуна позволяло снизить удельный расход кокса на 2,5 кг/т чугуна, повысить производительность печи на 1,7 %. Это сопровождалось улучшением использования тепловой и химической энергии печных газов.

Возможности для увеличения расхода природного газа на 1 м3/т чугуна создавало по газодинамическим условиям в верхней части печи снижение влажности дутья на 0,6 г/м3.

       Удаление каждого 1 % мелочи 5-0 мм из агломерата позволяло увеличить расход природного газа на 4 м3/т чугуна с  эквивалентом замены им кокса 0,7 кг/м3.

Промышленными испытаниями на доменных печах А и Б выявили мероприятия, устраняющие отрицательное действие расхода природного газа при дополнительном его увеличении. Рассмотрели повышение давления газа под колошником и стабилизацию соотношения расходов природного газа и дутья по фурмам путем регулирования расхода газа по фактическому количеству дутья, поступающего через соответствующую фурму.

  На доменной печи А , работающей с верхней определяющей зоной по силовому взаимодействию потоков шихты и газа, отрицательное действие расхода природного газа устраняли повышением давления колошникового газа. Для этого исследовали 3 периода. В базовом периоде расход газа составил 13,4 тыс. м3/час (70,7 м3/т чугуна) (табл. 1). В периоде II и III его расход увеличили соответственно до 14 тыс. м3/час (72,5 м3/т чугуна) и 14,8 тыс. м3/час (79,5 м3/т чугуна).

Таблица 1

Параметры дутья доменных печей в исследуемые периоды

Наименование показателей

Доменная печь

А

Б

Расход природного газа, тыс. м3/час

13,4

14

14,8

15,5

16,0

16,0

Длительность периода, сутки

8

8

7

7

6

4

Расход, м3/т чугуна: дутья

  природного газа

1229

70,7

1182

72,5

1153

79,5

1117

101,5

1098

106

1115

108

Давление горячего дутья, кПа

249

250

263

257

258

258

Температура дутья,0С

1077

1093

1077

1189

1180

1185

Расход водяного пара, г/м3

2,56

2,04

2,18

3,37

3,81

1,63

Содержание кислорода, %

26,1

27,1

26,8

26,9

27,6

26,9

Доля расхода природного к дутью, % 

  среднее

  макс 

  мин


6,0

7,2

3,1


6,0

7,5

3,3


6,0

7,5

3,0


5,5

6,4

5,1


5,7

7,0

4,6


5,6

5,9

5,3

Интервал от среднего, мин

  макс 

1,2

2,9

1,5

2,7

1,5

3,0

0,9

0,5

1,2

1,2

0,3

0,3

Коэффициент равномерности расхода ПГ к горячему дутью по фурмам [4]

0,81

0,83

0,83

0,95

0,91

0,97

Увеличение расхода природного газа в периоде II с 13,4 до 14 тыс. м3/час без использования мероприятий, компенсирующих увеличение объема газов, сопровождалось некоторым ростом коэффициента сопротивления шихты в верхней части печи (табл. 2). Это являлось основной причиной уменьшения расхода дутья с 3420 до 3328 м3/мин (табл. 1).

Повышение давления газа на колошнике от 133 до 142 кПа (табл. 3) в третьем периоде сопровождалось понижением коэффициента сопротивления шихты в верхней части печи (табл. 2). Это позволяло увеличить расход природного газа до 14,8 тыс. м3/час, а расход дутья до 3491 м3/мин  (табл. 1).

Таблица 2

Показатели газодинамического режима

Наименование показателей

Доменная печь

А

Б

Расход природного газа, тыс. м3/час

13,4

14

14,8

15,5

16,0

16,0

Длительность периода, сутки

8

8

7

7

6

4

Коэффициент сопротивления шихты движению газов: на колошнике

  в горне

0,54

7,41

0,57

7,85

0,56

7,93

0,42

11,77

0,38

11,80

0,60

11,66

Динамический напор газа на пустое сечение колошника в рабочих условиях по температуре и давлению, н/м2

1,85

1,83

2,01

1,98

2,16

1,55


Таблица 3

Параметры колошникового газа

Наименование показателей

Доменная печь

А

Б

Расход природного газа, тыс. м3/час

13,4

14

14,8

15,5

16,0

16,0

Длительность периода, сутки

8

8

7

7

6

4

Состав колошникового газа, %: CO2

  CO

  H2

18,2

25,9

7,3

18,4

26,1

7,5

28,9

26,2

7,5

20,7

24,2

8,6

21,0

24,4

8,7

20,7

23,9

8,4

Степень использования, %: СО

  H2

41,2

33,0

41,3

34,8

42,0

35,0

46,0

34,1

46,2

35,7

46,5

37,9

Температура в газоотводах, 0С

189

186

181

1345

149

127

Давление колошникового газа, кПа

133

133

142

138

138

139

Градиент температур по периферии, 0C

275

260

160

240

247

202


Согласно табл. 4 фактическое и приведенное к одинаковым условиям производство чугуна в третьем периоде увеличилось, что являлось результатом повышения интенсивности по дутью и степени использования газа. Эквивалент замены кокса природным газом составил 0,72 кг/м3.

Анализ результатов опытных плавок, проведенных на разных доменных печах с различной длительностью периодов, позволил сделать вывод о том, что повышение давления дутья с увеличением давления в колошниковом пространстве на 10 кПа компенсировало увеличение взаимного сопротивления шихты и газов в печи от повышения расхода природного газа в среднем на 6 м3/т чугуна. Снижение расхода кокса составляло 5,2 кг/т чугуна при повышении производительности около 2 %.

На доменной печи Б устраняли отрицательное действие увеличения расхода газа стабилизацией соотношения расходов природного газа и дутья по фурмам. Для этого исследовали 3 периода. В первом расход газа составил 15,5 тыс. м3/час, во втором и третьем 16 тыс. м3/час. В периоде II, без использования компенсирующих мероприятий, коэффициент равномерности отношения расхода природного газа к дутью по фурмам снизился с 0,95 до 0,91. Интервалы между максимальной и средней, а также средней и минимальной величинами этого отношения увеличились соответственно с 0,5 и 0,9 до 1,2 (табл. 1). Доведение расхода газа до 16 тыс. м3/час в периоде II сопровождалось увеличением удельного расхода кокса (табл. 4). Основной причиной являлось снижение дренажной способности кокса в горне печи, о чем свидетельствуют повышение коэффициента сопротивления шихты в нижней части печи (табл. 2) и ухудшение равномерности работы печи по окружности (табл. 5).

Таблица 4

Основные технологические показатели работы доменных печей при различном  расходе природного газа

Наименование показателей

Доменная печь

А

Б

Расход природного газа, тыс. м3/час

13,4

14

14,8

15,5

16,0

16,0

Удельный расход кокса (сухого, скипового), кг/т чугуна: фактический

  приведенный

474,5

474,5

474,9

473,2

474,9

468,3


449,4

439,9


452,2

440,1


447,9

436,5

Расход коксовой фракции, кг/т чугуна

13,5

6,4

0

12,0

11,7

9,8

Производительность, т/сутки:

  по фактическому количеству

  загруженных подач

  приведенная

4007

4007

4052

3923

4362

4121



3640

3682



3725

3737



3641

3701

Расход, кг/т чугуна:

  сырьевых материалов

  кварцита

  марганцевой руды


1744

6,8

32,4


1652

5,4

32,3


1670

0,8

29,8


1634

-

-


1448

5

-


1617

2

-

Интенсивность хода:

  по дутью, м3/м3 минуту

  по суммарному углероду, т/м3 сутки:


1,70

0,81


1,65

0,79


1,73

0,85


1,9

1,02


1,96

1,06


1,88

1,01

Рудная нагрузка, т/т

3,50

3,57

3,54

3,73

3,75

3,79

Содержание Fe в шихте, %

56,8

57,2

57,7

57,5

56,9

57,2


Для эффективного использования природного газа в количестве 16 тыс. м3/час в третьем периоде стабилизировали соотношение расходов газа и дутья по фурмам с учетом температуры периферийных газов. Это обеспечили путем регулирования расхода газа по фактическому количеству дутья, поступающему через соответствующую фурму. В результате интервалы между максимальной и средней, а также средней и минимальной величинами этого отношения уменьшились с 1,2 до 0,3 (табл. 1). Причем отклонение соблюдали таким образом, чтобы расход природного газа был выше в местах с пониженной температурой периферийных газов и наоборот (табл. 6). На южной стороне печи температура периферийных газов была несколько выше, поэтому в эту область давали больше природного газа. 

Таблица 5

Показатели, характеризующие появление шлака по выпускам

Наименование показателя

Расход природного газа, тыс. м3/час

15,5

16,0

16,0

Время от начала выпуска до появления шлака, мин:

  на летке № 1 (ф1)

  на летке № 2 (ф2)



13

9



17

6



8

11

Отношение ф1/ ф2

1,44

2,83

0,72

|ф1 – ф2|, мин

4

11

3

Средневзвешанное значение между ф1 и ф2 (ф), мин

10

11

10


Таблица 6

Усредненная температура периферийных газов в периоде III

Наименование показателей

Расположение воздушных фурм и периферийных термопар по сторонам света

юг

север

Усредненная температура периферийных газов, 0С

318

202

Доля природного газа по отношению к дутью, %

5,56

5,62


Таким образом, коэффициент окружной равномерности распределения доли природного газа по отношению к дутью увеличился с 0,91 до 0,97 (табл. 1).

Стабилизация соотношения расходов газа и дутья по фурмам при неизменном его расходе, равном 16 тыс. м3/час, сопровождалась увеличением степени использования CO и H2  соответственно с  46,2 до 46,5 % и с 35,7 до 37,9 % (табл. 3), снижением градиента температуры газа по периферии с 247 до 202 0С (табл. 3). Это обеспечило снижение температуры колошникового газа от 149 до 127 0С. В периоде III снизился динамический напор газа на колошнике с 2,16 до 1,55 Н/м2 (табл. 2).

Стабилизация соотношения расходов природного газа и дутья по фурмам путем увеличения коэффициента равномерности отношения расхода природного газа к дутью по фурмам с 0,91 до 0,97 позволила увеличить расход газа более чем на 8 м3/т чугуна с коэффициентом замены им кокса  0,72 кг/кг.

На печах, работающих с верхней лимитирующей зоной по силовому взаимодействию потоков шихты и газа, возможно использование мероприятий, обеспечивающих снижение удельного расхода кокса, которые затруднительно применять при определяющей роли по газодинамике в нижней части печи [4]. К таковым относятся использование в доменной плавке коксового орешка крупностью 10-25 мм и коксовой фракции (25-40 мм).

Применение коксового орешка на доменных печах с верхней лимитирующей зоной в количестве до 12,2 кг/т чугуна не ухудшало ход доменной плавки. Дальнейшее увеличение его расхода до 22,6 кг/т чугуна без использования компенсирующих мероприятий привело к перемещению определяющей зоны в нижнюю часть печи, снижению коэффициента замены им кокса и производительности печи.

Исследованиями на доменных печах выявили мероприятия, необходимые для совместного использования с коксовым орешком в условиях работы печи с нижней определяющей зоной. В качестве них целесообразно было использовать промывочные материалы и кокс повышенного качества. Для устранения отрицательного действия 1 кг коксового орешка требовалось использовать марганцевую руду в количестве 1,7 кг или михайловскую железную в количестве  2,9 кг. Негативное действие коксового орешка на ход доменной плавки в количестве 4 кг/т чугуна компенсировало изменение одного из показателей качества кокса: снижение истираемости М10 на 0,05 % абс., или повышение горячей прочности CSR на 0,14 % абс.

Положительно сказывалось на ходе плавки повышение равномерности поступления коксового орешка из бункера БЗУ в колошниковое пространство печи.

Заключение.

Для эффективной работы доменной печи, обеспечивающей минимальное потребление удельного расхода топлива и максимально возможную производительность  необходимо использовать мероприятия, снижающие величину степени уравновешивания шихты в определяющей зоне. Физическим моделированием установлено влияние последовательности расположения компонентов шихты в бункере БЗУ на коэффициент однородности шихты по крупности, поступающей на лоток. Наиболее высокий коэффициент, равный 0,90, обеспечивала следующая последовательность набора материалов в бункер: вниз 54 % агломерата, затем коксовый орешек, окатыши в количестве 50 % от железорудной части шихты, руды, после чего оставшиеся 46 % агломерата. Отрицательное действие от дополнительного увеличения на 1 м3/т чугуна расхода природного газа компенсировало использование в условиях одного из следующих технологических решений: повышение уровня засыпи на 0,03 м, содержания кислорода в дутье на 0,1 % абс., температуры дутья на 14 град, снижение влажности дутья на 0,6 г/м3, удаление на 0,25 % абс. мелочи 5-0 мм из агломерата. На печах, работавших с излишней осевой отдушиной, целесообразно было уменьшать суммарное количество оборотов лотка по станциям радиального его положения для рудной части шихты на 0,45 и увеличивать для кокса на 1,3. Опытными плавками выявлено, что повышение давления дутья с увеличением давления в колошниковом пространстве на 10 кПа компенсировало рост взаимного сопротивления шихты и газов в печи от повышения расхода природного газа в среднем на 6 м3/т чугуна. Снижение расхода кокса составило 5,2 кг/т чугуна при повышении производительности около 2 %. Стабилизация соотношения расходов природного газа и дутья по фурмам путем увеличения коэффициента равномерности отношения расхода природного газа к дутью по фурмам с 0,91 до 0,97 позволила эффективно увеличить расход газа более чем на 8 м3/т чугуна с коэффициентом замены им кокса 0,72 кг/кг. Установлено, что использование коксового орешка в количестве до 12 кг/т чугуна на доменных печах, работающих с верхней определяющей по газодинамике зоной, не требует компенсации негативного его действия на дренаж продуктов плавки в горне, при дальнейшем увеличении расхода орешка определяющей становится нижняя зона, вследствие чего необходимо использовать компенсирующие мероприятия. В качестве мероприятий, устраняющих отрицательное действие коксового орешка на ход плавки, целесообразно было использовать промывочные материалы (марганцевая или михайловская железная руды в количестве 1,7 и 2,9 кг на 1 кг орешка соответственно), кокс повышенного качества. Применение кокса с более высокой на 0,14 % абс. горячей прочностью, либо пониженной на 0,05 % абс. истираемостью, устраняло отрицательное действие расхода орешка в количестве 4 кг/т чугуна.

Библиографический список


Cтефанович М. А. , Закономерности движения шихты и газа в доменной печи. – Магнитогорск. МГТУ им. Носова, 2011. – 161 с. Влияние коксового орешка на фильтрацию жидких продуктов плавки в горне доменной печи  / , , и др. / Вестник МГТУ им. . 2010.  № 4. С. 26–28. , Использование коксового орешка на доменных печах: Монография. Магнитогорск: Изд-во гос. техн. ун-та им. , 2013. 162 с. , , Использование нейросетевого моделирования для изучения газодинамического режима в нижней части доменной печи в условиях ее работы с коксовым орешком. Известия вузов. Черная металлургия. 2011. № 11.  С. 23-26. , , и др. Результаты использования в доменной печи коксового орешка с одновременным улучшением качества скипового кокса. Вестник МГТУ 2010. № 2. С. 24 – 27. Sibagatulin S. K., Kharchenko A. S., Teplykh E. O. Quality comparison of coke nuts / Coke and Chemistry. – 2012. – Vol.55. Issue 2. – P. 62-65. , , Поступление коксового орешка совместно с агломератом и окатышами из шихтового бункера БЗУ в колошниковое пространство доменной печи  / Известия вузов. Черная металлургия. 2011. № 8. С 18-19. , , и др. Рациональный режим загрузки коксового орешка в шихтовый бункер БЗУ. Сталь 2013. № 7. С. 8-10. , , и др. Влияние последовательности набора материала в бункер компактного БЗУ на эффективность работы доменной печи. Черные металлы. 2012. Специальный выпуск. С. 43-45.

Реферат

Физическим, нейросетевым и детерменированным моделированием и проведением опытных плавок на доменных печах выявлены технологические решения, позволяющие эффективно организовывать доменный процесс в зависимости от расположения определяющей зоны по силовому взаимодействию потоков шихты и газа. Совместное использование двух и более мероприятий устраняло отрицательное действие друг друга на ход плавки, что позволяло снижать удельный расход кокса и повышать производительность печи.

Ключевые слова

Доменная печь, определяющая зона, коэффициент сопротивления шихты, потери напора газа, природный газ, коксовый орешек.