Исследование работы доменной печи при совместной загрузке железорудных материалов и кокса в скип

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Одним из наиболее эффективных путей снижения расхода топлива в доменной плавке является совершенствование загрузки материалов и распределения их на колошнике для формирования рациональной структуры столба шихтовых материалов и улучшения использования тепловой и восстановительной энергии газа.

Кокс и рудное сырье, используемые в доменной плавке, в современных условиях значительно различаются по крупности, ввиду чего газопроницаемость шихты в печи существенно зависит от того, в какой мере эти материалы перемешиваются при загрузке на колошник. От степени их смешивания в процессе загрузки зависит не только характер взаимного расположения кусков разной крупности, но и равномерность их распределения по сечению печи, что влияет на использование газа и на технико-экономические показатели плавки.

В данной дипломной работе  проанализирована работа доменной печи, в зависимости от исходных условий работы печи и способа загрузки  компонентов шихты в скип. Рассмотрены различные методы загрузки железорудных материалов и кокса в скип.

1.АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Опытные плавки при загрузке  доменных печей смесью кокса и агломерата

Во многих случаях загрузка рудных материалов и кокса в доменную печь производится в основном отдельными скипами. Материалы по сечению печи распределяются неравномерно по количеству и крупности. С увеличением поперечных размеров печи неравномерность возрастает, что вызывает чрезмерное «раскрытие» периферии и центра.

Одним из способов получения равномерного распределения рудной нагрузки по сечению печи, способствующего улучшению использования газа, является перемешивание рудных материалов и кокса и последующая совместная загрузка их в смеси.

На моделях и действующих доменных печах исследовали особенности распределения материалов по сечению и технологии доменной плавки при загрузке рудных материалов в смеси с коксом [1]. Лабораторные опыты проводили на цилиндре высотой 1200 мм и диаметром 225 мм, моделях доменной печи объемом 1386 м3 (масштаб 1:20) и засыпного устройства той же печи в масштабе 1:10. В опытах использовали производственный агломерат с содержанием до 30% мелочи фракции 0-5 мм, а также агломерат фракций 1-5, 1-10 и 6-10 мм и кокс фракций 20-40, 15-25 и 8-12 мм.

Материалы в цилиндр загружали послойно (при толщине слоев 0,5 м) и в смеси с помощью засыпного устройства типа воронка-конус при рудной нагрузке 3,5 кг/кг кокса. Продувку материалов осуществляли в неподвижном состоянии (после засыпки) и в движении. Состояние максимально разрыхленного (движущегося) столба материалов в цилиндре создавали путем закрытия его сверху и вращения на 360° с постоянной скоростью в стойках вокруг горизонтальной оси, а в модели печи – путем непрерывной разгрузки материалов с поддержанием постоянного уровня засыпи через промежуточную емкость.

Исследовали газодинамические характеристики отдельно кокса фракций 15-25 мм и агломерата 6-10 мм, а также при их загрузке послойно и в смеси, причем в каждой серии опытов к агломерату добавляли 5% мелочи 0-5 мм с доведением ее в базовой фракции (6-10 мм) до 40%. Кроме того, исследовали влияние уменьшения толщины и увеличения числа слоев.

Исследования показали, что газопроницаемость слоя зависит не столько от порозности в тех пределах, в которых она изменялась, сколько от размера и характера каналов, образованных межкусковыми промежутками, по которым движется газ. Это подтверждается данными, полученными при продувке кокса и агломерата. Средний размер кусков агломерата был в 2,5 раза меньше среднего размера кокса, хотя их порозности были равны и составляли 0,585 м3/м3. Потеря напора в слое агломерата была в 5 раз больше, чем в слое кокса (рис. 1, кривые 1 и 2). Из рис. 1 видно, что как в неподвижном, так и в максимально разрыхленном (движущемся) слое эта закономерность сохраняется. При переходе из неподвижного состояния в разрыхленное потери напора в слое кокса и агломерата уменьшаются в два раза (рис. 1 кривые 1 и 2).

Установлено, что в неподвижном состоянии послойная загрузка материалов (при отсеве фракции 0-5 мм) снижает их гидравлическое сопротивление по сравнению с загрузкой в смеси. При разрыхлении столба материалов гидравлическое сопротивление в смеси несколько ниже, чем при послойном расположении. Объясняется это тем, что отношение крупности смешиваемых кусков кокса и агломерата не превышает 2,5. Значительное снижение потери напора наблюдается при смешивании крупных материалов с более мелкими (рис. 2, а, б). Характерной особенностью является то, что во всех случаях при добавлении мелочи 0-5 мм к базовой фракции агломерата послойная загрузка его с коксом при отсутствии движения материалов позволяет снизить гидравлическое сопротивление по сравнению со смесью материалов (рис. 2, а). Для движущегося слоя смесь материалов при любом содержании мелочи в агломерате создает меньшее гидравлическое сопротивление, чем материалов, загруженных послойно (рис. 2, б).

Рис. 1. Изменение гидравлического сопротивления материалов в зависимости от количества дутья, способов формирования и состояния слоя: 1 – агломерат фракции 6-10 мм; 2 – кокс фракции 15-25 мм; 3 – послойная загрузка; 4 – смесь кокса и агломерата; –––––– неподвижный слой;

– – – – движущийся слой

Исследования показали, что в движении степень разрыхленности смеси на 5-10% больше, чем послойно загруженных материалов, следовательно, и гидравлическое сопротивление в смеси меньше. Происходит это потому, что при переходе смеси в движение часть кусочков агломерата расклинивает куски кокса, что приводит к дополнительному разрыхлению.

Другая часть агломерата (особенно мелочь) располагается с теневой стороны в неровностях кусков кокса, а также укладывается в локальных пустотах между крупными кусками кокса, слабо участвующих в создании сопротивления приходу газов.

Рис. 2. Влияние качества агломерата на газопроницаемость столба шихты после засыпки (а) и в движении (б):

–––––– послойная загрузка; – – – – загрузка смеси;

цифры у кривых – содержание фракции 0-5 мм в агломерате, %

Для движущегося столба материалов увеличение числа слоев в результате уменьшения их толщины способствует уменьшению потерь напора и в пределе смесь агломерата с коксом имеет максимальную газопроницаемость (рис. 3). При загрузке материалов в смеси они укладываются плотнее. Смесь занимает объем на 10-15% меньше, чем при послойной загрузке. Увеличение числа слоев неподвижного материала вызывает рост статического давления при данном гранулометрическом составе и фракционном соотношении исследуемых материалов. Однако при определенном соотношении фракций увеличение числа слоев в неподвижном столбе шихты может улучшить газопроницаемость.

Исследование влияния различных систем загрузок на распределение материалов по сечению колошника проводили на модели засыпного устройства. В опытах применяли агломерат фракций 0-12 и 1-5 мм и кокс фракций 15-25 и 8-12 мм. Материалы загружали обычными системами загрузки типа ААККх, КААКх и опытными – типа (ААА/ККК)х, КККК/АААА. Последние две системы предусматривают загрузку в один скип 1/4 подачи последовательно: сначала кокс, затем агломерат (А/К – агломерат вперед) или наоборот (К/А – кокс вперед). При этом обеспечивалось только частичное смешивание материалов при перегрузке их на колошник. И, наконец, на колошник загружали предварительно смешанные кокс с агломератом (смесь).

Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления столба шихты от числа слоев материалов (цифры у кривых – число слоев; см – смесь кокса с агломератом): –––––– неподвижный слой; – – – – движущийся слой

Для оценки распределения материалов по сечению колошник на 1/2 площади оборудовали наклонным днищем (α=17°), покрытым сверху крупнозернистой наждачной бумагой, моделируя поверхность засыпи материалов в доменной печи. После ссыпания двух-трех подач шихту на колошнике разделяли листовыми ножами через 1/3 радиуса на три концентрические полуокружности. Материалы из каждой зоны извлекали, отсортировывали кокс от агломерата и взвешивали.

Результаты исследования показали, что система загрузки ААККх способствует наибольшей неравномерности распределения рудной нагрузки по сечению колошника (рис. 4, кривая 1).

Рис. 4. Распределение рудных нагрузок по сечению колошника при различных системах загрузки: 1 – ААКК; 2 – КААК; 3 – КККК/АААА; 4 – АААА/КККК

При этом большая часть агломерата сосредоточивается в периферийной зоне III: рудная нагрузка у оси (зона I) почти в 6 раз меньше, чем на периферии. Система КААКх раскрывает периферию, сосредоточивая основную массу агломерата в промежуточной зоне II (рис. 4, кривая 2). Система (КККК/АААА)х способствует относительно равномерному распределению материалов, большему раскрытию периферии, значительному снижению рудной нагрузки в промежуточной зоне II и частичной подгрузке осевой зоны I (рис. 4, кривая 3). Система (АААА/КККК)х незначительно снижает рудную нагрузку в промежуточной зоне II, повышая ее в периферийной и осевой зонах (рис. 1.4, кривая 4). Загрузка смесью агломерата с коксом способствует наиболее равномерному распределению рудной нагрузки по сечению колошника (рис. 4, кривая 5).

В качестве критерия радиального распределения материалов использовали значение коэффициента неравномерности Кн, представляющего собой отношение разности максимальной и минимальной рудных нагрузок в отдельных зонах к среднему их значению по сечению колошника.

Наибольшая неравномерность распределения материалов (рис. 5) наблюдается при послойной их загрузке по системе ААККх  (Кн=1,56).

С увеличением степени перемешивания агломерата с коксом равномерность распределения возрастает, достигая наибольшего значения при загрузке смеси (Кн=0,56). В последнем случае при ссыпании с большого конуса относительно мелкий агломерат увлекается кусками кокса по направлению к оси колошника, обеспечивая более равномерное распределение рудной нагрузки по сечению.

Рис. 5. Влияние систем загрузок на степень радиальной неравномерности распределения материалов на колошнике

Первые опытные плавки с применением новой системы загрузки были проведены в 1971 г. на доменных печах завода им. Дзержинского. На печи полезным объемом 600 м3 загрузку материалов осуществляли с помощью ручного управления скипами, в каждый из которых загружали агломерат, а затем кокс порциями (1/4 их веса в подаче); подача состояла из четырех скипов. Через 7-8 ч после опытной загрузки общий перепад давления в печи понизился с 1,0 до 0,7 ати, интенсивность плавки повысилась, производительность печи на вторые сутки возросла на 7%. С ростом интенсивности плавки вагон-весы не успевали загружать печь и через 2,5 суток опыты были прекращены.

Продолжены они были на доменных печах А и Б полезным объемом 1386 м3. С целью сокращения загруженности вагон-весов в опытные периоды массу подачи увеличивали на 16-26%. Загрузку каждого скипа коксом и управление работой скиповой лебедки осуществляли вручную. В доопытный период применялась система загрузки 3ААКК 2КААКх, в опытный (КККК/АААА)х.

Во всех случаях при переходе на загрузку материалов в смеси наблюдалось повышение нагрева горна, увеличение содержания кремния в чугуне, что способствовало увеличению рудной нагрузки. На печи А она возрастала с 3,33 до 3,5 т/т, на печи Б – с 3,19 до 3,60 т/т. При горячем ходе печи отмечалось некоторое увеличение давления горячего дутья и общего перепада. Распределение газа по радиусу печи было более равномерным (рис. 6, кривая 2), использование его улучшилось, в результате содержания СО2 в колошниковом газе повысилось на 1,2-2,0% .

При выплавке бессемеровского чугуна на печи Б в опытный период (6 суток) содержание кремния в чугуне возрастало с 1,0 до 1,43%. Применение новой системы загрузки позволило на четвертые сутки уменьшить расход кокса на 800 кг/подачу (с 6,9 до 6,1 т) и увеличить рудную нагрузку на 12%. В этот период отмечалось некоторое раскрытие периферии и подгрузка центральной зоны печи, температура периферийных газов повысилась на 50-100 °С, ход печи стал более форсированным. В результате суточная производительность возросла на 1,5-2%, расход кокса снизился на 3-5%. Технико-экономические показатели работы доменных печей А и Б в базовый (в числителе) и опытный (в знаменателе) периоды приведены ниже (табл.1.1).

Рис. 6. изменение содержания СО2 в газе по радиусу колошника доменной печи Б в базовый (1) и опытный (2) периоды

Таблица 1.1.

Окончание таблицы 1.1.

Основным недостатком в проведении опытных плавок при загрузке печей смесью рудных материалов с коксом является чрезмерная загруженность работы вагон-весов. Этот недостаток можно устранить путем переоборудования рудных течек (рис. 7). Каждая течка 1 выполняется размером не менее объема скипа и должна иметь вертикальную перегородку 2, разделяющую ее на две равные части.

Рис. 7. Схема рудного желоба: 1 – желоб; 2 – перегородка; 3 – механихированые затворы

Обе части рудной течки снизу закрываются механизированными затворами 3. Такая конструкция рудной течки с отдельными затворами позволит разгружать вагон-весы, не дожидаясь подхода скипов, а перегородка обеспечит механическое разделение рудных материалов каждого кармана вагон-весов на две примерно равные порции. При этом выгрузка рудных материалов и кокса в каждый скип осуществляется одновременно или поочередно порциями, обеспечивая получение смеси. При необходимости переход на обычную систему загрузки осуществляется путем изменения программы работы затворов.

1.2 Распространение опыта загрузки доменной печи смесью агломерата и кокса на других заводах

В Днепродзержинском индустриальном институте разработана и на доменных печах металлургических заводов (им. Дзержинского и Криворожского) применена новая система загрузки доменной печи железорудными материалами в смеси с коксом Смесь агломерата с коксом получали путем одновременной их загрузки в скип [2].

При загрузке смеси агломерата и кокса плотность шихты возрастает. Объем смеси на 8-12% меньше, чем при загрузке двумя слоями. Несмотря на более плотную укладку материалов в смеси при одинаковой высоте столба, газопроницаемость смешанной шихты лучше, чем при послойной загрузке. Объясняется это тем, что мелкие фракции агломерата, попадая в локальные пустоты между крупными кусками кокса, в незначительной степени участвуют в создании сопротивления проходу газа. С уменьшением содержания мелкой фракции агломерата разница в сопротивлении смешанной и послойной шихты сокращается.

Опытные плавки на заводе им. Дзержинского проводили на доменных печах полезным объемом 1386 м3. В течение всего периода исследований работа печи сопровождалась увеличением нагрева горна, в результате чего рудная нагрузка повысилась на 5-10%. Центральная часть печи подгружалась, готовый поток перераспределялся, его использование по радиусу становилось более равномерным. Благодаря лучшему использованию газового потока содержание СО2 в колошниковом газе возросло на 1,2-2,0% (рис. 8).

При выплавке бессемеровского чугуна применение новой системы загрузки позволило на четвертые сутки уменьшить расход кокса на 800 кг/подачу и увеличить рудную нагрузку. В этот период температура периферийных газов повысилась на 50-100 °С, ход печи стал более форсированным, в результате чего суточная производительность возросла на 1,5-2%, расход кокса снизился на 3-5%.

Рис.8. Изменение содержания СО2 в газе по радиусу колошника доменных печей А (а) и Б (б) в базовый (1) и опытный (2) периоды

Технико-экономические показатели работы печей завода им. Дзержинского в базовый (в числителе) и опытный (в знаменателе) периоды приведены в табл.1.2.

Таблица 1.2.

Показатели работы доменной печи № А полезным объемом 2000 м3 Криворожского металлургического завода

Окончание таблицы 1.2.

Следующий этап исследований был продолжен на доменной печи № А объемом 2000 м3 Криворожского металлургического завода, где применяется транспортерная подача материалов к скипам.

Всего на доменной печи №А в течение периода исследований было проведено пять опытных плавок продолжительностью от 1 до 4 сут. Во всех случаях через 6-8 ч после перехода на загрузку смеси агломерата и кокса, так же как на заводе им. Дзержинского, наблюдался повышенный разогрев горна, повышалось содержание кремния в чугуне и несколько возрастал нижний перепад давления. При исходной коксовой колоше 7,7 т расход кокса в подаче при новой системе загрузки в отдельные сутки снижался на 600 кг, т.е. на 8%. Газ по сечению печи распределялся более равномерно, содержание углекислоты в колошниковом газе возросло с 16,5 до 18,7% (в среднем на 1,6%) (рис. 9).

Рис. 9. Изменение содержания СО2 по радиусу печи: 1 – при системе загрузки 3ААКК 2КААК; 2 – после 10 подач при системе загрузки КККК/АААА; 3 – после 80 подач при системе загрузки КККК/АААА;

4 – после 78 подач при системе  загрузки АААА/КККК

Полученные опытные данные о влиянии способа загрузки материалов в смеси на параметры процесса доменной плавки позволили в сентябре 1972 г. перед остановкой печи на капитальный ремонт провести более длительный опытный период.

В период исследований печь работала на агломерате НКГОКа (75%) и окатышах КЦГОКа (25%). Данные о химическом составе шихтовых материалов приведены ниже:

Кокс поступал с Криворожского коксохимического завода следующего состава, %:

В печи выплавляли передельный чугун с содержанием кремния 0,7-0,8 %.

В опытный период при переходе на систему загрузки доменной печи смесью шихтовых материалов вскоре после первых подач по системе А/К А/К А/К А/К подача кокса была уменьшена на 200 кг, через некоторый период (на 18-й и на 53-й подачах) – еще на 200 кг. Рудная нагрузка возросла с 3,7 до 4,0 т/т кокса. Ход печи при этом был ровный, а общий перепад давления практически не изменился.

На вторые сутки рудная нагрузка возросла до 4,11 т/т кокса, вследствие чего газопроницаемость столба шихты несколько ухудшилась. Несмотря на некоторое снижение интенсивности горения кокса (на 4,5%), производительность печи не только не уменьшилась, а, наоборот возросла, что объясняется увеличением (на 10%) рудных нагрузок. Интенсивность плавки по руде при этом повысилась на 4%.

Второй период исследований на доменной печи № А длился 9 сут; при этом расход кокса снизился с 495-492 до 451 кг/т чугуна, т. е. на 43 кг/т чугуна (или на 8,7%), производительность возросла с 3696-3820 до 3904 т/сут, т. е. на 146 т/сут (или на 3,9%). Технико-экономические показатели работы печи в этот период исследования представлены в таблице 1.2.

Содержание СО2 в газе, отобранном по радиусу колошника, в опытный период возросло с 16,5 до 18,0%. На каждый процент увеличения углекислоты расход кокса снизился примерно на 30 кг/т чугуна. Степень использования окиси углерода при этом возросла с 39,4 до 42,3%.

1.3 Совершенствование системы загрузки  железорудных материалов в смеси с коксом

Дальнейшее повышение эффективности доменного производства тесно связано с улучшением использования энергии газов в процессе плавки. На использование газа существенно влияют качество шихтовых материалов и загрузка их в печь.

Многочисленные исследования показывают, что при существующем качестве шихтовых материалов резервы совершенствования загрузки далеко не исчерпаны. Имеется еще значительный резерв улучшения использования газа на периферии и в центре. В целом состав газа в печи еще далек от равновесного.