Технические науки/1. Металлургия

 

Зинченко Ю.А.*, Аленгос М.А.**, Семаков В.В.**

*ПАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича», Украина

**Приазовский государственный технический университет, Украина

 

ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ЗАГРУЗКИ ШИХТЫ ПРИ ПОДАЧЕ В ДОМЕННЫЕ ПЕЧИ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

 

Вдувание в доменные печи пылеугольного топлива в значительной мере изменяет газодинамические условия доменной плавки, определяемые в основном системой загрузки шихты. Проведенные экспериментальные исследования показали целесообразность использования систем загрузки, обеспечивающих рациональное газораспределение в доменной печи.

СИСТЕМА ЗАГРУЗКИ, ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ, ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ШИХТЫ, ПЫЛЕУГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО

 

Постановка проблемы Система загрузки шихтовых материалов в доменные печи должна обеспечивать высокую степень использования энергии печных газов при нормальном сходе шихтовых материалов. Рациональная организация газораспределения должна удовлетворять двум противоположным требованиям: обеспечение высокой степени использования тепловой и восстановительной энергии печных газов, что требует равномерного распределения железорудной части шихты и кокса по сечению печи; обеспечение плавного схода шихтовых материалов. Для выполнения этих требований используют такие технологические приемы как изменение порядка загрузки шихтовых материалов на колошник, уровня засыпи шихты, массы подачи, режима опускания нижнего конуса, программы вращения распределителя шихты.

Распределение шихтовых материалов на колошнике является одним из основных факторов оптимизации технологического режима доменной плавки.

Идеальным для эффективного использования тепловой и восстановительной энергии газового потока является такое распределение материалов и газов, при котором в любом сечении печи единица железорудного сырья обрабатывается равным количеством газа. Однако на практике для обеспечения плавного схода шихты целенаправленно создается неравномерное распределение материалов и газов по сечению доменной печи. В результате создается неоднородная структура столба шихтовых материалов, газопроницаемость которого определяется не только газодинамическими характеристиками, но и расположением слоев отдельных компонентов.

Вдувание в доменные печи пылеугольного топлива сопровождается значительным сокращением доли кокса в столбе шихтовых материалов, изменением газодинамических условий доменной плавки, что требует рационализации систем загрузки шихты в доменные печи.

Анализ последних достижений в решении проблемы. По высоте столба шихтовых материалов в доменной печи целесообразно рассматривать три зоны по изменению газопроницаемости: зона сухой части печи, где шихтовые материалы находятся в твердом состоянии; зона первичного шлакообразования (зона размягчения и плавления, зона когезии) и нижняя зона, где в твердом состоянии находится только кокс. Определяющей для газопроницаемости является зона первичного шлакообразования, где железорудные материалы спекаются, переходят в пластическое состояние и плавятся, опускаясь в область более высоких температур. В последние годы получила развитие [1] теория коксовых «окон» при прохождении газов через слой железосодержащих компонентов шихты в пластическом состоянии (рис. 1). Принято, что газ в зоне размягчения может проходить только через коксовые окна. Слои размягчённой шихты приняты абсолютно непроницаемыми для газового потока.

Большое влияние на газопроницаемость оказывает конфигурация зоны когезии. Под зоной когезии понимают область в доменной печи, в которой материалы меняют свое агрегатное состояние, переходя из твердого состояния в жидкое через пластичное (рис. 1) В этой зоне потери давления газа составляют от 40 до 60 % общих потерь.

Конфигурация зоны размягчения и плавления определяется распределением температурных полей по высоте доменной печи, которые, в свою очередь, являются функцией распределения газового потока в доменной печи. Процесс размягчения руд является промежуточным этапом между процессами взаимодействия компонентов в твердом состоянии, спекания и процессом плавления.

1 – слой кускового кокса (коксовое окно); 2 – слой размягченной рудной шихты; 3 – поток газа; αw – угол наклона коксового окна к границе зоны размягчения; а – конфигурация зоны когезии при низкой интенсивности осевого потока; б – конфигурация зоны когезии при высокой интенсивности осевого потока
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1 – Схема движения газа через коксовые окна

 

Процесс размягчения представляет собой переход от твердого состояния к тестообразному, путем ожижения некоторой части пустой породы руды и образования некоторого количества жидкой фазы.

Большое влияние на газопроницаемость оказывает конфигурация зоны когезии, которая может быть различной (рис. 2) [2, 3]. W – образная форма зоны размягчения создает нестабильный неэкономичный ход с чрезмерно развитым периферийным потоком газа. В случае промежуточной (между W и Λ) формы обеспечивается более равномерное радиальное распределение газа, но ход плавки тугой с нарушением ровности схода шихты.

а) W – образная форма зоны когезии;

б) переходная форма зоны когезии;

в) Λ – образная форма зоны когезии

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 2 – Схема расположения пластичной зоны в доменной печи при различных режимах работы

 

Лучшие результаты достигаются при Λ – образной форме зоны размягчения. В этом случае уменьшается сопротивление проходу газов и обеспечивается более стабильный газодинамический режим. Зона когезии располагается в нижней части печи от распара до середины шахты. Местоположение зоны когезии в печи является функцией температурного режима доменной плавки, распределения газового потока по сечению доменной печи, физических и химических свойств шихтовых материалов. Поэтому ее положение может меняться по высоте и диаметру доменной печи.

Кроме того, исследованиями установлено [4], что при движении шихтовых материалов в доменной печи имеет место их перераспределение в горизонтальном направлении (рис. 3). На колошнике доменной печи отчетливо виден послойный характер распределения агломерата и кокса при их ссыпании с нижнего конуса. Однако в процессе опускания столба шихты кокс (светлая составляющая шихты на рисунке) в значительной степени вытесняется в осевую зону, как при загрузке прямых, так и при загрузке обратных подач. При загрузке прямых подач (рис. 3, а) сплошность коксовых окон в нижней и даже в средней части печи нарушается, это снижает газопроницаемость промежуточной и периферийной зон.

а – прямые подачи;

б – обратные подачи;

в – раздельная загрузка агломерата и кокса
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 3 – Распределение материалов в доменной печи при различных системах загрузки

 

При таком распределении газового потока форма пластической зоны имеет Λ-образную форму с высоко поднятой вершиной.

При загрузке обратных подач (рис. 3, б) часть кокса образует тонкое кольцо непосредственно у стен доменной печи. Основная же часть кокса, так же как и при загрузке прямых подач, вытесняется в осевую зону печи. Такое распределение шихтовых материалов определило распределение газового потока с образованием зоны размягчения Ẁ-образной формы с менее выраженной вершиной.

При раздельной загрузке агломерата и кокса подачами типа АААА↓, КККК↓ (рис. 3, в) при опускании шихты в доменной печи коксовые окна сохраняются по всей высоте шахты и распара. Такая система загрузки обеспечивает более высокую газопроницаемость столба шихтовых материалов в зоне размягчения по сравнению с совместной загрузкой в доменную печь агломерата (окатышей) и кокса.

Цель работы – разработать рациональную систему загрузки шихтовых материалов в доменные печи с учетом используемой в доменном цехе загрузки с увеличенной массой агломерата и кокса в подаче и повышением количества пылеугольного топлива вдуваемого в доменные печи.

Изложение основного материала. Наиболее распространенной системой загрузки шихтовых материалов в доменные печи является совместная загрузка рудной составляющей и кокса ААКК↓ (прямая подача) и ККАА↓ (обратная подача) с различными вариациями между ними (например, КААК↓).

Произведен расчет высоты слоев агломерата и кокса для четырехскиповой подачи, состоящей из двух скипов агломерата и двух скипов кокса. В расчете принято: масса кокса в подаче 8 т, масса агломерата – 27 т, насыпная масса кокса – 0,45 т / м3, насыпная масса агломерата – 1,7 т / м3, диаметр колошника – 6,9 м. При таких условиях объем кокса в подаче 8 / 0,45 = 17,8 м3, объем агломерата 27 / 1,7 = 15,9 м3, площадь колошника 37,4 м2. При условии равномерного распределения агломерата и кокса по площади колошника высота слоя агломерата составит 15,9 / 37,4 = 0,43 м, высота слоя кокса 17,8 / 37,4 = 0,46 м. Такая высота слоев кокса и агломерата образуется при загрузке подач ААКК↓ или ККАА↓.

При раздельной загрузке в доменные печи агломерата и кокса подачами АААА↓ и КККК↓ высота слоев агломерата и кокса увеличивается в два раза соответственно до 0,86 и 0,92 м. Кроме того, в высоком слое кокса происходит усреднение распределения газового потока по сечению печи перед его входом в слой агломерата, что обеспечивает повышение степени использования тепловой и восстановительной энергии печных газов.

Переход к раздельной загрузке доменных печей увеличенными порциями агломерата и кокса КККК↓ АААА↓ в доменном цехе ПАО «ММК им. Ильича» позволил значительно снизить удельный расход кокса на выплавку чугуна при увеличении производительности доменных печей в сопоставимых условиях. Переход на технологию выплавки чугуна с вдуванием ПУТ значительно сократил удельный расход кокса, а рудная нагрузка на кокс увеличилась с 3,4 до 4,7 кг / кг. При этом высота слоев кокса сократилась до 0,68 м, т. е. на 26,1 %. В то же время применение новых систем загрузки исключает управление радиальным распределением шихты и газов с помощью изменения очередности загрузки агломерата и кокса в доменную печь. При необходимости регулирования газораспределения переходили к смешанным системам загрузки, что сопровождалось увеличением удельного расхода кокса. Увеличение удельного расхода ПУТ сопровождалось увеличением интенсивности прогара элементов системы охлаждения нижней части шахты, опорного кольца (маратора) и заплечиков (рис. 4).

Рис. 4 – Влияние расхода ПУТ на систему охлаждения нижней части доменной печи
Для сохранения системы охлаждения нижней части доменной печи необходимо применять системы загрузки шихты, понижающие интенсивность газового потока в периферийной зоне и способствующие усилению развития газового потока в осевой зоне печи. С целью понижения газопроницаемости периферийной зоны наряду с системой загрузки АААА↓ КККК↓ были опробованы и другие, такие как АКККК↓ ААА↓, ККККА↓ ААА↓.

Для определения влияния систем загрузки на распределение шихтовых материалов, а, следовательно, и газов по радиусу доменной печи проведены экспериментальные исследования на секторной модели колошника, общий вид которой представлен на рис. 5. Модель выполнена в линейном масштабе 1 : 10 для доменной печи полезным объемом 2300 м3 (ДП № 5 ПАО «ММК им. Ильича»). При проведении исследований приняты следующие параметры загрузки: масса рудной колоши (2 скипа) – 27 т, масса коксовой колоши (2 скипа) – 5,7 т, уровень засыпи – 1,75 м, угол наклона поверхности материала на колошнике перед загрузкой – 18º. Исследовано распределение материалов по радиусу колошника при их загрузке по 3 программам (рис. 6, соответственно 1, 2, 3):

Рис. 5 – Общий вид секторной модели колошника

1) АААА↓1,75    2) ККККА↓1,75    3) АКККК↓1,7

    КККК↓1,75;       ААА↓1,75;            ААА↓1,75.

 

Приведенные данные показывают практически одинаковое изменение массы агломерата по радиусу колошника при всех исследуемых системах загрузки (рис. 6, а). В то же время кокс, загружаемый без агломерата, концентрировался в большей степени у стен колошника (рис. 6, б).

Рис. 6 – Характер распределения массы агломерата и кокса по радиусу колошника

 

Для снижения газопроницаемости в периферийной зоне к четырем скипам кокса в подаче следует добавлять один скип агломерата (рис. 6, в). Загрузка агломерата на нижний конус перед загрузкой кокса или после на газопроницаемость периферийной зоны существенно не влияет, но сильно влияет на газопроницаемость зоны, расположенной у оси доменной печи (ОДП). Для создания в осевой зоне так называемой «отдушины» (участка с высокой газопроницаемостью) в соответствии с полученными результатами экспериментальных исследований следует применять систему загрузки АКККК↓ ААА↓.

Загрузка шихты по системе 4А↓, 4К↓ обеспечивает более равномерное распределение материалов по сечению доменной печи (рис. 6, в), но при этом увеличивается газодинамическая напряженность плавки.

Выводы. На основании расчета высоты слоев агломерата и кокса подтверждена целесообразность их раздельной загрузки в доменную печь.

Замена части кокса пылеугольным топливом существенно изменяет газодинамические условия доменной плавки и требует оптимизации систем загрузки шихты.

Экспериментальными исследованиями определены способы регулирования газораспределения в доменной печи изменением системы загрузки в условиях работы доменного цеха ПАО «ММК им. Ильича».

Литература:

1.        Товаровский И.Г. Эволюция доменной плавки / И.Г. Товаровский, В.П. Лялюк.– Днепропетровск: Пороги, 2001. – 424 с.

2.        Борисов А.Ф Советы начальнику доменного цеха / А.Ф. Борисов.– М. : Фирма «ПРОГРЕСС», 1996. – 256 с.

3.        Тарасов В.П. О газопроницаемости зоны размягчения в условиях доменной плавки / В.П. Тарасов, О.Т. Хайретдинова, А.А. Томаш // Изв. вузов. Черные металлы. – 2002. – № 4. – с. 64-66.

4.        Русских В.П. Исследование влияния систем загрузки шихтовых материалов на распределение газового потока в доменной печи / В.П. Русских, М.А. Аленгос, Д.К. Степнов // Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту : зб. наук. праць / ПДТУ. – Маріуполь, 2009. – Вип. 19. – С. 21-24.