Оптимизация структуры столба шихтовых материалов и газораспределения

Категория:
Выплавка чугуна


Оптимизация структуры столба шихтовых материалов и газораспределения

В настоящее время накоплен достаточный опыт, позволяющий установить основные предпосылки рационального распределения материалов и газового потока в мощных доменных печах. В связи с периферийным подводом дутья и увеличением поперечных размеров крупных доменных печей, что затрудняет проникновение газового потока в их центральную зону, изменяются требования к формированию столба шихтовых материалов в мощных агрегатах и проникающей способности струи дутья.

Отличительной особенностью распределения материалов в доменных печах большого объема является увеличение рудной нагрузки в промежуточной и периферийной кольцевых зонах с ее резким уменьшением в центральной части печи. При этом принимают меры по ограничению попадания мелочи в осевую зону. Необходимость формирования такой структуры столба шихтовых материалов диктуется созданием условий для проникновения потока газа к оси печи и прогрева материалов в этой зоне.

Перераспределение рудных материалов по радиусу печи не должно приводить к чрезмерному их сосредоточению на периферии или в промежуточной кольцевой зоне. В первом случае в фурменные очаги будут приходить неподготовленные материалы, что вызовет горение фурм, а во втором – приведет к чрезмерному опусканию линии плавления материалов и уменьшению высоты свободного от вязких рудных материалов коксового канала, по которому газовый поток и»фурмен-ной зоны устремляется к оси печи. В этом случае возможно резкое сокращение коксового канала или даже его перекрытие вязкими материалами, что нарушает устойчивость распределения газового потока и повышает сопротивление проходу газа. Таким образом, увлекаясь сосредоточением рудных материалов в промежуточном или периферийном кольце с одновременной разгрузкой осевой зоны, можно получить обратный результат – ослабить газовый поток в центральной части пени с понижением его устойчивости. В идеальном случае структура столба материалов должна обеспечивать оживленный газовый поток в узком кольце на периферии и развитый поток газа в ограниченной по площади осевой зоны печи. Соответственно должны распределяться и рудные материалы. О преимуществах работы доменных печей с подгруженной периферией и открытым центром неоднократно отмечалось в работах.

При освоении работы доменной печи № 9 объемом 5000 м3 комбината “Криворожсталь” для облегчения ее хода сначала уменьшили подгрузку периферии со смещением рудных материалов к оси печи, сохранив открытой осевую зону. Однако в дальнейшем подгрузили периферию, так как использование восстановительной способности газового потока было низким.

В работах установлено, что на печах среднего объема (2700 м3) при чрезмерной подгрузке периферии и значительном развитии осевого газового потока ход доменной плавки нередко нарушается. Резко повышается напряженность работы печи, сход материалов становится неустойчивым и сопровождается осадками. При этом наблюдается локальные оползания гарнисажа и возрастает количество сгоревших холодильников. Осложняются также остановки доменной печи из-за появления на фурмах шлака. При таком распределении материалов и газового потока ход печи был устойчивым лишь при низком содержании мелочи в агломерате. Устойчивость хода печи обеспечивалась “отдушиной” в осевой зоне, через которую выходили излишки (по условиям газодинамики) газа из других кольцевых зон и уменьшалось сопротивление опусканию материалов. В то же время сход шихты при чрезмерной подгрузке периферии был замедленным.

При увеличении количества мелких фракций в загружаемых железорудных материалах и попадании их в осевую зону наблюдали два вида расстройств. В одном случае центральная часть печи подгружалась. Отсутствие “отдушины” приводило к резкому возрастанию сопротивления проходу газов. Характерным признаком расстройств такого типа является постепенное повышение верхнего перепада и давления горячего дутья до самого момента подвисания столба материалов. Наблюдали также и увеличение температуры периферийных газов. Одно из таких расстройств проанализировано на рис. 36. После 23 ч постепенно начал расти верхний перепад с одновременным увеличением давления горячего дутья и температуры периферийных газов. С 23 ч 45 мин при относительно ровном сходе шихты по шомпольным диаграммам верхний перепад и давление горячего дутья резко возросли, сход материалов прекратился.

В другом случае при высоких скоростях газов и наличии мелких частиц в осевой зоне, что можно наблюдать при чрезмерном форсировании доменной плавки увеличением количества дутья, часть материалов в этой зане переходит во взвешенное состояние. При этом сопротивление проходу газа как в центре печи, так и в среднем по ее сечению уменьшается. Печь может проработать в этом случае еще некоторое время при плавном сходе шихты, а затем наступает подви-сание столба материалов, что происходит из-за смещения рудных компонентов шихты в зону псевдоожижения (такое смещение наиболее вероятно в момент опускания порции материалов).

Рис. 1. Диаграммы приборов, характеризующие ход печи 2700 м3 ЧерМК при увеличении содержания мелких частиц в агломерате: А – давление горячего дутья; Б – расход дутья; В к Г- соответственно верхний и нижний перепады; Д и У – соответственно левая и правая шомпольные диаграммы; Ж – температура периферийных газов

Пример подобного нарушения хода печи приведен на рис. 2. Диаграмма содержания СО2 по радиусу колошника показывает, что печь работала с чрезмерно открытым центром. С 14 ч из-за замусоренности горна и неполной выдачи продуктов плавки начал расти нижний перепад при понижении верхнего перепада. К 17 ч мусор из печи большей частью был удален, более полно выданы и продукты плавки. Сопротивление проходу газов к центру печи понизилось и газовый поток устремился к оси в большей мере.

Рис. 2. Диаграммы приборов, характеризующие ход печи объемом 2700 м3 ЧерМК при замусоренное горна:

В результате уменьшения сопротивления проходу газов в среднем по сечению печи давление горячего дутья понизилось, а расход дутья возрос, что еще в большей степени усилило осевой поток газа и привело к переходу значительной части шихтовых материалов во взвешенное состояние в осевой зоне. Несмотря на увеличение количества дутья общий перепад газов в печи и, как следствие, давление горячего дутья дополнительно понизилось. Через 55 мин при удовлетворительном сходе (по шомпольным диаграммам) столб материалов подвис, что вероятно, произошло из-за сдвига рудных материалов в открытую зону. Наличие характерных признаков в динамике изменений ряда показателей работы доменной печи позволило разработать методику прогнозирования и распознавания расстройств ее хода с выявлением первопричин нарушений и выдачей рекомендаций по своевременному принятию мер с целью их предотвращения.

Необходимость относительного развития периферийного газового потока выражается в частичном разрыхлении шихты на периферии и уменьшении сил сцепления материалов со стенкой шахты, увеличивая активный вес шихты. Так, оживление периферийного газового потока на печи 2700 м3 ЧерМК позволило форсировать плавку при сохранении удельного расхода кокса. При значительном увеличении поперечного сечения у крупных доменных печей, работающих с открытой осевой зоной, наличие оживленного газового потока не является обязательным условием, так как с увеличением объема уменьшается удельная боковая поверхность стен и снижается роль пристенного разрыхления столба шихтовых материалов. Например, при увеличении объема доменных печей на ЧерМК с 1033 до 5500 м3 удельная боковая поверхность стен уменьшилась более чем в 2 раза (с 0,568 до 0,259 м2/м3). Однако при этом подгрузка периферии и на крупных печах не должна быть чрезмерной с точки зрения прихода неподготовленных материалов в горн.

Опыт работы мощной доменной печи 5500 м3 ЧерМК подтверждает высказанные теоретические соображения. Печь работает с подгруженной периферией (температура на периферии 100-200 °С) и открытой осевой зоной. При этом обеспечивается устойчивый форсированный ход печи. Необходимым условием стабильной работы мощной доменной печи при таком распределении материалов и газового потока является отсутствие так называемого “тотермана” в центре печи и минимальное попадание в осевую зону мелких фракций.

Эффективная работа мощных доменных печей в значительной мере зависит от равномерности окружного распределения шихты. Отличительной, особенностью окружного распределения шихты при использовании бесконусного загрузочного устройства является тесная связь степени окружной неравномерности с режимом загрузки. Как правило, с целью уменьшения сегрегации шихты по крупности применяется многокольцевая загрузка. Возможности формирования оптимальной структуры столба шихтовых материалов с целью наилучшего использования тепловой и химической энергии газового потока при хорошей газопроницаемости в печи во многом зависят от наличия в шихте мелких частиц и неконтролируемого радиального перераспределения материалов.

При наличии большого количества мелочи труднее формировать растянутый гребень рудных материалов в широкой промежуточной кольцевой зоне без концентрации рудных нагрузок в более узком диапазоне с одновременным их уменьшением на периферии и расширением открытой зоны в центре печи. Неконтролируемое перемещение рудных материалов в печи усиливается при увеличении глубины воронки ?« осевой зоне, которая определяется как программой загрузки материалов, величиной естественного угла откоса й способностью их скатывания по уклону засыпи, так и соотношением скоростей опускания материалов по радиусу печи.

Если ранее на доменных печах небольшого объема скорость опускания материалов на периферии значительно превышала ее значения в осевой зоне, то на крупных доменных печах эти скорости выровнялись. Так, на доменной печи № 5 5500 м3 ЧерМК в отдельные периоды наблюдали опускание материалов в осевой зоне даже с более высокой скоростью. Об интенсивном опускании материалов в центральной части доменной печи № 9 5000 м3 комбината “Криворожсталь” отмечается в работе.

Для уменьшения глубины воронки поверхности шихты применяют режимы бесконусного загрузочного устройства с загрузкой коксовой части одной подачи в цикле в центральную зону печи. Подгрузка осевой зоны коксом обеспечивает необходимую степень ее раскрытия и предотвращает ссыпание рудных материалов в эту зону. В то же время следует отметить, что и при такой системе загрузки из-за быстрого схода материалов не всегда удается удержать приемлемый уровень глубины воронки, при котором не происходило бы ссыпание рудных материалов в центральную часть печи.

Рациональное распределение шихтовых материалов по радиусу доменной печи создает предпосылки для оптимального газораспределения, обеспечивающего максимальную эффективность процесса. При периферийной подаче Дутья и отводе газов создаются условия для периферийного потока газов и образования “малоподвижной” зоны материалов по ее оси. С увеличением поперечных размеров доменной печи высота этой зоны возрастает и на крупных агрегатах с диаметром горна 14,4 м и более может достигать 2/3 рабочей высоты печи. При загрузке центральной части печи коксом понятие “малоподвижная” зона утрачивает свой смысл, так как кокс обладает высокой газопроницаемостью и подвижен. Значительная часть его опускается к фурменным очагам, а нижняя часть коксового столба, представляющая собой неподвижную коксовую насадку, обновляется постепенно за счет растворения углерода кокса в чугуне и протекания реакций прямого восстановления.

При недостаточном проникновении газов к оси печи и наличии рудных материалов “молоподвижная зона” в центре печи может превращаться в неподвижный газопроницаемый массив с застывшими полупродуктами плавки, образуя “тотерман”, что осложняет работу печи. Формирование рациональной структуры столба шихтовых материалов является обязательным условием для проникновения газового потока в осевую зону, особенно для печей с большими поперечными размерами, но tie единственным. Вторым, очень важным, условием является создание необходимого запаса энергии фурменного газа для преодоления сопротивления его движению на пути от фурм до оси печи. Это достигается вдуванием соответствующего количества дутья и подбором числа и диаметра фурм. Для крупных доменных печей кинетическая энергия дутья составляет 90-110 кН/с, а скорость истечения дутья превышает 200 м/с.

При использовании термина “кинетическая энергия дутья” следует иметь в виду, что сила проникновения потока газа должна обеспечиваться не только скоростью истечения дутья, которая входит в формулу кинетической энергии во второй степени, но и массой дутья. В этом отношении для доменных печей с большим диаметром горна более приемлемо понятие “количество движения дутья”. Чрезмерное уменьшение диаметра фурмы при увеличении их числа может привести к снижению проникающей способности газового потока из-за потери жесткости струи, несмотря на достаточную кинетическую энергию дутья вследствие высоких скоростей его истечения. Наиболее эффективно одновременное увеличение массы дутья и его скорости. В первом случае (особенно при достаточном диаметре фурм) возрастает глубина зоны циркуляции по оси фурмы, во втором – область высоких температур перемещается к оси печи, повышая температуру газа в центральной зоне.

Недооценка роли параметров дутья в формировании оптимального газораспределения и согласованного изменения режима загрузки и параметров дутья проявилась при освоении работы мощной доменной печи 50(Х) м3 комбината “Криворожсталь”. Из-за недостаточной проникающей способности газового потока к центру горна и значи-тельнйго понижения температуры газа в осевой зоне вязкость шлака Завышенной основности, которую вынуждены поддерживать из-за большого прихода серы с коксом, оказалась чрезмерно высокой, что привело к его плохой проходимости через коксовую насадку и образованию малоподвижной зоны. Это не позволило использовать значительный резерв по газопроницаемости в верхней зоне печи путем более равномерного перераспределения рудных нагрузок. Структура столба шихтовых материалов и газораспределения определяет форму и расположение в печи пластичной зоны или зоны размягченных рудт ных материалов, ограниченной снизу линией плавления. В свою очередь зона размягчения – плавления оказывает большое влияние на распределение газового потока по сечению печи.

Исследования, проведенные на замороженных азотом доменных печах в Японии и ФРГ (5, 95), уточнили представления о форме и положении в печи пластичной зоны. Кроме того, получили важные сведения относительно образования малоподвижной зоны и тотермана в центре печи, послойного схода шихты вплоть до достижения температуры плавления железорудных материалов.

В настоящее время доменные печи оборудуют контрольно-измерительной аппаратурой для определения расположения пластичной зоны на действующих печах. С этой целью применяют вертикальные и горизонтальные зонды, расположенные на более низких горизонтах под поверхностью засыпи, а также измеряется статическое давление и температура газа на периферии в нескольких точках по высоте печи вплоть до заплечиков (96).

Наиболее характерное положение пластичной зоны в мощных доменных печах приведено на рис.38. Форма ее имеет д-образный вид, что соответствует развитому осевому потоку газа. Слои кокса при такой структуре пластичной зоны играют роль своеобразных щелей, по которым газовый поток распределяется по сечению печи. Наряду с распределением шихтовых материалов значительное влияние на форму и расположение пластичной зоны, оказывают и параметры дутья, влияя на соотношение теплоемкостей потоков шихты и газа. Исследования, проведенные в ФРГ на действующих печах, с определением расположения пластичной зоны по данным замеров давления и отвода тепла по высоте печи показали, что с увеличением рудной нагрузки на периферии зона размягчения – плавления перемещается вниз и приобретаетЛ-образный характер, а с уменьшением – W-образную форму. Установлено, что на расположение пластичной зоны влияют такие свойства железорудных материалов, как степень разрушения при низкотемпературном восстановлении, восстановимость и минералогический состав, а также развитие процессов косвенного восстановления, например при вдувании углеводородов. С повышением разрушаемости агломерата при низкотемпературном восстановлении температурный максимум по оси печи становится более плоским и широким, а пластичная зона смещается вверх, при этом усиливается периферийный поток газа.

Рис. 3. Схема расположения пластичной зоны в доменной печи: 1 – зона кусковых материалов; 2 – пластичная зона; 3 слои кокса; 4 и 5 – соответственно подвижный и неподвижный кокс; 6 – фурма; 7 – ось чугунной летки

Значительное влияние на поведение железорудных материалов в высокотемпературной зоне оказывает их восстановимость и восстановительный потенциал газа. Высокая восстановимость, обусловленная соответствующим минералогическим и химическим составом шихты, а также условиями окускования материалов, способствует ускорению протекания процессов косвенного восстановления в твердой фазе. Аналогично влияет повышение восстановительного потенциала газа при вдувании углеводородов. В результате снижается концентрация FeO в рудных материалах, поступающих в высокотемпературную зону печи, и повышается температура их размягчения, а толщина пластичной зоны уменьшается, что улучшает газопроницаемость столба шихтовых материалов.

Если в печи находится несколько материалов с разной восстанови-мостью, то расплавление протекает в широком диапозоне температур и толщина пластичной зоны увеличивается. Толщина этой зоны чем больше, чем ниже температура плавления. Авторы работы сделали вывод о том, что степень косвенного восстановления является также критерием толщины пластичной зоны, а тем самым газопроницаемости столба шихты. Поверхность расплавления должна быть по возможности большой, так как при этом уменьшается толщина пластичности зоны и ее сопротивление газовому потоку.

В работе приведены модели пластичной зоны для широкого диапазона возможных режимов работы мощных доменных печей (рис. 4), позволяющие проанализировать влияние ее формы на ход доменной плавки. При расположении зоны размягчения – плавления в виде символа W (рис. 4, а), ход печи нестабильный, с чрезмерно развитым периферийным потоком газа и неэкономичный. В случае W-образной формы (рис. 4, б) обеспечивается более равномерное радиальное распределение газа, но ход плавки, особенно на печах большого объема, тугой с нарушением ровности схода шихтовых материалов. При этом остаются большими тепловые нагрузки на кладку.

Рис. 4. Схемы расположения пластичной зоны в доменной печи при различных режимах работы

Лучшие результаты достигаются при д-образной форме пластичной зоны (рис. 4, в). В этом случае уменьшается сопротивление проходу газа в нижней части печи, что обеспечивает более стабильный газодинамический режим. Такому расположению зоны размягчения – плавления отвечает L-образное газораспределение с узкой осевой “отдушиной” и небольшим развитием периферийного потока газа. При работе сД-образной формой пластичной зоны и L-образным распределением газового потока достигли высоких результатов на доменных печах большого объема. Так, на доменной печи № 6 4500 м3 фирмы “Кавасаки сэйтецу” в Тибе, оборудованной бесконусным загрузочным устройством фирмы “Поль Вюрт”, достигли степени использования СО в колошниковом газе 51,9%.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум