Реконструкция доменной печи №2 комбината "Запорожсталь"

2.2 Сравнение загрузочных устройств «воронка-склиз» и лоткового типов с точки зрения качества распределения материалов

2.2.1 Бесконусное загрузочное устройство типа «воронка-склиз»

Одним из основных направлений повышения технико-экономических показателей доменной плавки является применение бесконусных загрузочных устройств (БЗУ), разработка и внедрение рациональных режимов загрузки, создание, освоение и совершенствование оборудования систем загрузки.

Бесконусные загрузочные устройства позволяют организовать практически непрерывную загрузку печи при оптимальном распределении шихтовых материалов по всему сечению колошника, а также корректировать и изменять режим загрузки в широких пределах.

На основании результатов исследований и опыта эксплуатации первого отечественного БЗУ, установленного в ноябре 1982г. на доменной печи №6 комбината "Криворожсталь", ВНИИМЕТМАШУЗТМ разработали новый вариант вращающегося распределителя (типа «воронка - склиз») с совковой насадкой у горловины воронки и усовершенствовали отдельные элементы конструкции БЗУ.

Бесконусное загрузочное устройство (БЗУ) конструкций ВНИИМЕТМАШ-УЗТМ обеспечивает прием шихтовых материалов, их шлюзование и распределение по окружности и радиусу колошника в соответствии с заданной программой [12].

Подача материалов в БЗУ (рис. 2.I) осуществляется скипами. БЗУ состоит из: приемной воронки, двух заслонок приемной воронки, двух промежуточных бунке- ров, двух верхних газоуплотнительных клапанов, двух выхлопных уравнительных клапанов, наполнительных уравнительных клапанов, шихтового затвора, двух нижних газоуплотнительных клапанов, двух отсечных устройств, привода распре- делителя, вращающейся воронки с совковой насадкой, склиза и двух наклонных течек.



Рисунок 2.1 - Схема бесконусного загрузочного устройства: I - скиповый подъемник; 2 - приемная воронка; 3 - заслонка приемной воронки: 4 - верхний газоуплотнительный клапан; 5 - уравнительный выпускной клапан; 6 - уравнительный наполнительный клапан; 7 - привод вращающегося распределителя шихты; 8 - промежуточный бункер; 9 - шихтовый затвор; 10 -нижний газоуплотнительный клапан; II - отсечное устройство; 12 - вращающаяся воронка распределителя; 13 - склиз распределителя.

Программное задание обеспечивает:

две программы загрузки (А и Б);

загрузку порций циклами в соответствии с программой работы шихтоподачи, автоматическое чередование порций в цикле загрузки (максимальное число порций в цикле при использовании обеих программ - 12), изменение от одного до трех количества углов рассогласования и заданное время вращения склиза и воронки на каждом угле рассогласования при рассыпке одной порции шихты;

прямое и обратное чередование колец при рассыпке порции;

заданное положение распределителя (гаражное положение) в момент открытия шихтового эатвора для каждой порции в цикле;

число гаражных положений - 12 (шаг 30°);

сдвиг гаражных положений для тех же порций последующего цикла на угол кратный 300 относительно гаражных положений предыдущего цикла;

рассыпку порций по одному из режимов (кольцевому, многокольцевому, веерному, точечному, секторному);

контроль вида материала заданного и разгружаемого для каждой порции в цикле;

ручную корректировку номера порций и программы рассыпки.

Основным принципиальным отличием распределителя этого типа БЗУ является оснащение выпускного отверстия вращающейся воронки совковой на-садкой, формирующей поток шихты при движении его по склизу. Боковые стенки этой насадки не дают материалу рассредоточиваться по поверхности склиза широким шлейфом и поэтому концентрированный его поток по своему характеру становится близким потоку, образуемому лотком.

Кроме того, распределитель БЗУ оборудован системой измерения массы вращающейся воронки, что дает возможность осуществлять контроль за загрузкой материалов в печь.

В ходе исследования распределения материалов на колошнике доменной печи перед ее задувкой с использованием рабочих масс порций кокса и агломерата (25т и 6,4т соответственно) получены следующие результаты.

Установлено, что материалы при падении со склиза встречаются со стенкой цилиндрической части колошника только при углах рассогласования 00,150,300и 450 (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 - Траектории падения материалов со склиза и точки встречи их со сгонкой колошника доменной печи при наличии совковой насадки

Следует отметить, что уже при уровне засыпи 1,25м углы 00 и 150 теряют свое значение и их использование становится нецелесообразным. Только при повышении уровня засыпи до 1,0м или более эти углы могут быть введены в цикл загрузки.

Начиная с угла 600 материалы падают на поверхность шихты не касаясь защитных плит и рассыпаются шлейфом шириною 0,85 м от стенки печи.

С переходом на углы рассогласования 750 и 900 поток материала отходит еще дальше от стенок колошника и на уровне 2,5 м укладывается от него соответственно на расстоянии 0,9 и 1,2 м при ширине шлейфа 0,9 и 0,75 м.

Необходимо отметить, что при падении кокса с угла 1800 не попадает точно в центр колошника, а рассыпается в радиусе 0,9 м от оси печи, с шириной шлейфа 0,85 м.

Сочетание углов 300 и 450 хорошо перекрывает периферию слоем прилега- ющим к стенке колошника при уровне засыпи 1,25м.

Для исследования распределения материалов на колошнике в качестве базы был принят цикл загрузки: КК - 1800, РР - 600, КК - 300, РР -300, КК - 450, РР -300.

Порция кокса при падении с угла рассогласования 1800 не образовала компактный холм, как предполагалось, а рассредоточилась по поверхности шихтовых материалов. Как видно из рис.2.3, кокс полностью накрыл почти весь диаметр колошника.

Исследуя данные замеров профиля поверхности шихтовых материалов по всем четырем диаметрам колошника, отмечена достаточно высокая окружная неравномерность их распределения (таблица 2.1).

В таблице 2.1 обращает на себя внимание то, что окружная неравномерность распределения агломерата значительно больше, чем у кокса. Если для железорудных материалов на этой печи она составляла 50-60%, то для кокса 20-40%. Исключением является только четвёртая порция, где слой кокса имел неравномерность 77,3%. Чтобы уменьшить окружную неравномерность необходимо производить загрузку по специальной программе с использованием «гаражных» положений.

Рисунок 2.3 - Распределение порций кокса и агломерата по диаметру колошника доменной печи при загрузке циклом: КК-180, РР-60, КК-30, КК-45, РР-30

Таблица 2.1 - Окружная неравномерность распределения шихтовых материалов на доменной печи №5 комбината Запорожсталь

Номерпорции	Наименова-ние порции	Средние площади, занимаемые материалами по радиусу колошника, м2	Средняя окруж- ная неравномерность
		Газоот-вод № 1	Пулеула-витель	Газоот-вод № 2	Воздухо-нагрева-тели	Газоот-вод № 3	Наклон-ный мост	Газоот-вод № 4	Литей-ный двор
1	А30	11,82	13,0	12,84	15,95	13,82	18,73	11,57	13,91	51,32
2	К45	12,96	18,33	13,12	12,5	16,51	13,05	15,24	15,53	39,79
3	АЗ0	17,49	11,13	19,82	13,37	18,79	14,56	16,43	18,7	53,3
4	КЗ0	16,66	20,3	16,35	10,16	9,55	13,35	12,0	12,7	77,34
5	А60	10,62	10,6	9,37	11,86	11,83	11,22	13,93	17,63	70,47
6	К180	21,31	18,6	20,0	19,4	20,37	16,87	20,63	17,5	20,9

Существующая программа управления загрузкой предусматривает смещение начала выгрузки последующей порции относительно предыдущей в цикле на угол - 300. Смещение между началом выгрузки последней порции предыдущего цикла и последующей порции нового цикла происходит также на угол - 300. Величина окружной неравномерности распределения шихтовых материалов на колошнике доменной печи по рудной нагрузке в пределах цикла составляет 12,1%.

По [13] в связи с тем, что в БЗУ типа «воронка - склиз» орган для запирания и регулирования расхода шихты из бункера выполнен в виде двухчелюстного затвора, установленного на вертикальном выпускном патрубке бункера, в отличие от конструкции фирмы "Пауль Вюрт", имеющего секторный (одночелюстной) затвор на наклонной течке, то у БЗУ, имеющем накопительную вращающуюся воронку, возможности к регулированию расхода шихты значительно ниже, чем в "прямоточных" БЗУ.

Полный диапазон величин раскрытия шихтового затвора по характеру истечения материала можно разделить на четыре зоны. При раскрытии затвора на 150-170 мм истечение шихты отсутствует. При увеличении зазора истечение неустойчивое, с подстоями. Только изменение зазора от 250 до 750 мм приводит к однозначному изменению расхода шихты, причем зависимость его от зазора достаточно близка к прямолинейной. Увеличение зазора сверх 750 мм на расход шихты практически не влияет (при диаметре выпускного отверстия 870 мм).

Результаты исследований показывают, что совковая насадка на носке вращающейся воронки формирет угол сектора растекания шихты по склизу до 450 - 50°. Благодаря этому поток материален, сходящих со склиза, значительно уплотняется, увеличивается его толщина.

Максимум радиальной плотности потока начинает удаляться от стенки колошника при = 50° (рис. 2.4).

Ширина кольцевой зоны колошника, непосредственно загружаемой основной частью потока шихты, составляет при = 100° не более 1000 мм, а величины максимумов количества шихты 40 - 53 %. При > 100° концентрация потока несколько снижается, поскольку шихта ссыпается, частично или полностью минуя склиз по боковым направляющим насадки. Недостатком такого распределителя шихты является небольшой диапазон углов рассогласования , изменение которых приводит к плавному смещению расположения максимума количества материалов по радиусу колошника.

2.2.2 Бесконусное загрузочное устройство лоткового типа

Основные узлы Бзу лоткового типа разработанного коллективами Гипромеза, Азовстали и Азовмаша (рис. 2.5): приемная воронка, газоотсекающие клапаны и лотковый распределитель шихты -- выполнены на основе изобретений СССР № 92719, 427057, 995516, 1093703,181143 [14].

3

Приемная воронка -- стационарная, что позволяет надежно решить вопросы укрытия зоны разгрузки скипов и герметичной стыковки приемной воронки с горловинами бункеров. Кроме того, приемная воронка смонтирована на откатной платформе с целью освобождения монтажной зоны для грузоподъемных средств на время производства ремонтов.

В газоотсекающих клапанах применены металлические контактные поверхности седла и тарели, наплавленные износостойкими материалами: релитовыми наплавками, лентой ПЛ-АН-111 и др.

Автоматическое управление загрузкой осуществляется в соответствии с данной программой, в основу которой положен цикл загрузки. Обычно он состоит из 12 - 24 чередующихся в определенном порядке порций кокса и железосодержащих материалов. Каждая порция загружается в один бункер. Программой задается очередность заполнения бункеров, вид загружаемого материала и угловые положения распределительного лотка, при которых порция выгружается в печь.

Вращающийся распределительный лоток имеет 11 фиксированных положений угла наклона от 0 до 53°, позволяющих подавать шихту в любую зону колошника. Обычно программа предусматривает деление по массе железорудной порции на 2-4 части, а кокса на 3-5 частей. Укладка частей производится кольцами от периферии к центру.

Бункеры загрузочного устройства установлены на массдозах, вырабатывающих сигнал, пропорциональный массе бункера. Массодозирующее устройство определяет массу материала, делит.его поровну на заданное программой количество частей и выдает команды на изменение угла наклона лотка после истечения каждой части шихты.

Равномерная по высоте укладка материала достигается тем, что шаг изменения угла наклона лотка задан увеличивающимся по мере уменьшения угла между лотком и осью печи так, чтобы площади колец материала, загруженного при разных угловых положениях, были равны.

В задаваемую программу загрузки ввели не только диапазон изменения угловых позиций лотка при выгрузке порции шихты, но и желаемое количество колец укладки материала на колошнике в каждой позиции. При этом отслеживание текущей массы материала в бункере по ходу высыпания позволяет автоматически корректировать угол раскрытия шихтового затвора для "замыкания" Последнего кольца укладки шихты в каждой угловой позиции лотка.

Для выравнивания поверхности засыпи, обеспечивающего поддержание оптимального газораспределения по окружности печи, зона с повышенной скоростью схода шихты подгружается путем вывода из "командного" режима отстающего зонда (одного из трех установленных), т.е. загрузка шихты в печь начинается от двух любых достигших "меры" зондов.

В режиме сегментной загрузки материала в задаваемом диапазоне окружности колошника лоток переводится в режим замедленного вращения, обеспечивающий загрузку относительно большей массы материала в заданный район колошника. [15]

Замедление вращения лотка над заданным сегментом колошника может быть установлено для всех угловых позиций его в цикле загрузки или только для верхних либо нижних. Замедление вращения на всех угловых позициях лотка обеспечивает подгрузку всей площади выбранного сегмента и применяется, как правило, для выравнивания нагрева горна по секторам леток, когда различие содержаний кремния в чугуне по отдельным леткам превышает ± 0,3 %.

Замедление вращения лотка на верхних угловых позициях цикла подгружает периферию сегмента и применимо для регулирования газопроницаемости столба шихты в выбранной зоне. Подгрузка коксом увеличивает газопроницаемость верхней "сухой" части столба шихты, подгрузка железорудным материалом снижает. Выбирается материал для подгрузки замедлением вращения с учетом температуры периферийных газов, состава радиального газа, характера работы зондов, [Si] по леткам, работы воздушных фурм, состояния гарнисажа низа шахты и заплечиков печи. Допустимо регулирование с замедлением вращения лотка до 40 % порций того или иного материала в цикле подач с перерывами 1 - 4 ч для анализа полученного эффекта.

Замедление вращения на крайних нижних угловых позициях лотка обеспечивает подгрузку железорудной частью шихты приосевой зоны печи. Загрузка в данном режиме может быть использована для улучшения дренажной способности горна в прилегающем к определенной летке секторе. Продолжительность применения сегментной загрузки в этом случае определяется анализом изменений показателей работы летки по выдаче жидких продуктов плавки и выходу коксографитового мусора, содержания кремния в чугуне, цинка и щелочей в шлаке.

Распределитель лоткового типа обеспечивает необходимую концентрацию материалов при ссыпании во все зоны колошника (рис. 2.6). Радиальная ширина непосредственно загружаемой кольцевой зоны составляет 750 мм. Максимальная концентрация шихты в промежуточной части колошника составляет 35 -- 50 %, а в периферийной зоне -- 52 - 85 %.



В [16] наилучший результате дал цикл загрузки вида: К-7-5; Р-7-6; К-7-4;Р-7-4; К-6-3; Р-6-3; К-7-4; К-4-3; Р-7-4 (масса железорудной порции 95 т, уровень засыпи 1,4 м), где цифрами указывается диапазон угловых положений лотка, при использовании которых загружали порции кокса (К) и железорудных материалов (Р). Средняя рудная нагрузка составила - 3,83.

Изменение рудной нагрузки по радиусу колошника установилось (табл. 2.2) близким к наилучшему, что объясняется лучшим использованием восстановительной способности газа.

Таблица 2.2 - Распределение рудных нагрузок по зонам радиуса колошника.

Средняя темпе-ратура перифе-рии, tп, 0С	Средняя рудная нагрузка, R, т/т	Скорость схода подач, vп, ед/ч.	Угловые положения лотка
			9	8	7	6	5	4	3	2
195	3,83	7,76	0	0	5,06	5,25	3,54	2,71	1,58	0

Важным фактором, обеспечивающим стабильный ход доменной печи, является равномерное окружное распределение шихты. Выполнененый анализ окружного распределения шихтовых материалов при загрузке печи БЗУ показал, что за два цикла максимальное отклонение рудной нагрузки составляет всего 3,5%, тогда как за первый цикл оно равнялось - 6%, а за второй - 6,1%. Максимальная окружная неравномерность по величинам рудных нагрузок в подаче 1 (порции К и Р) составила - 10,5%. Окружная неравномерность по массе при разгрузке порции кокса имеет максимальное значение 10,5% и 10,8%, в порциях № -1 и № 3 соответственно. По разгрузке железосодержащей части шихты максимальное значение окружной неравномерности 7,8% и 7,1%, в порциях № -2 и № -18 соответственно.

Таким образом, достаточно высокая окружная неравномерность в отдельных порциях и подачах нивелируется в одном цикле, а тем более за два цикла.

Окружное распределение материалов при БЗУ с лотковым распределением шихты является удовлетворительным и обеспечивает нормальную работу печи.

Лотковый распределитель обладает широкими возможностями регулирования распределения шихты и рядом важных особенностей работы которые позволяют обеспечить рациональное распределение шихтовых материалов и эффективное использование газового потока в ДП.

Программа цикла загрузки, обеспечивающая заданное распределение рудной нагрузки по радиусу печи может быть составлена путем достаточно большого количества сочетаний различных наборов угловых положений при выгрузке порций шихтовых материалов. С помощью выбора рационального набора можно организовать распределение шихты без существенного ее смещения по откосу профиля. Таким образом степень влияния пересыпания материалов по профилю засыпи уменьшается, а следовательно, все большая часть выгружаемых шихтовых материалов остается в тех кольцевых зонах, в которые они загружаются распределителем.

Применение на ДП-9 комбината "Криворожсталь" рационального режима загрузки позволило уменьшить расход кокса на 7 кг/т чугуна и увеличить производство чугуна на 270 т/сут[17].

2.3 Эффективность работы загрузочного устройства лоткового типа

2.3.1 Влияние структуры столба шихтовых материалов на ход доменной плавки

Многочисленные исследования, проведенные с помощью «зондирования» действующих доменных печей, и изучение столба шихты после охлаждения печей подтверждают тот факт, что ход доменной плавки в значительной степени определяется динамической структурой сформированного столба шихтовых материалов в сухой и пластической зонах.

Основными показателями структуры столба шихты являются удельные характеристики распределения материалов и газов, которые определяют температурно-тепловой и физико-химический режимы по высоте и сечению печи [19].

Для того, чтобы гарантировать нормальный ход доменной плавки, не загромождать центр печи и горн и обеспечить их теплом, приходится центральную часть печи разгружать от рудной составляющей шихты. Степень разгрузки центра, в зависимости от состояния печи и условий плавки, различна.

В последнее время с целью повышения использования газа, а соответственно, сокращения расхода кокса, появилась тенденция ко все большей подгрузке центрального сечения печи и более рациональной укладке материалов в промежуточном сечении между периферией и центром с помощью засыпных аппаратов, специальных устройств и систем загрузки.

Практика эксплуатации доменных печей показала, что наиболее рациональной является L -- образная форма кривой распределения температур газа по радиусу колошника (рис. 2.7) [18]. Однако количественное уточнение рационального распределения шихты и газа по радиусу печи должно осуществляться для каждой печи с ее конкретными условиями работы индивидуально.

Рисунок 2.7 - Рациональное распределение температур поверхности по радиусу колошника доменной печи

Практика работы доменных печей подтвердила эффективность такого распределения. Понижение количества и температуры периферийных газов уменьшает потери тепла через стенку и улучшает температурно-тепловые условия работы футеровки, холодильников и кожуха печи. Тепловые потери в низу печи сокращались в 1,1 - 1,3 раза, в верху -- в 1,5 - 2,0 раза, а экономия кокса достигала от 2-3 до 10-20 кг/т. Экономия кокса зависела от объема печи и состояния ее футеровки.

Кроме того, считается, что осевая отдушина необходима для более активной работы газов в центре печи и предотвращения загромождения горна [20].

Однако количество периферийных газов определяется не только газопроницаемостью периферии, но и сопротивлением осевой зоны. Между периферийным и осевым потоками газов существует причинно-следственная связь, обусловленная одним источником их образования и возможностью перетоков.

Увеличение рудной нагрузки в осевой зоне способствует повышению эффективности доменной плавки. Именно по причине разной степени развития осевого хода наблюдалось ранее упомянутое более существенное изменение экономии кокса (от 2 до 20 кг/т), чем сокращение потерь тепла через стенку (в 1,1 - 2,0 раза) при загрузке периферийной зоны.

Таким образом, оптимизация периферийного потока газов приобрела другую, опосредованную форму, через степень развития осевого хода газов при максимальной рудной нагрузке на периферии. Кроме того, минимизация потерь тепла через стенки печи не является достаточно надежным и универсальным критерием уменьшения энергозатрат на выплавку чугуна (включая затраты на ремонт футеровки и системы ее охлаждения), поскольку, в зависимости от степени развития осевого потока газов можно иметь не только экономию удельного расхода кокса, но и его перерасход. Более того, по мере развития осевого хода потери тепла через колошник, в отличие от потерь через стенку, растут.

Проведенные на доменной печи № 9 предварительные статистические исследования влияния распределения шихтовых материалов по радиусу колошника на технико-экономические показатели работы печи свидетельствуют, что наилучшие результаты достигаются, когда «гребень рудных нагрузок по возможности максимально растянут, рудная нагрузка не превышает в центре 2,0 т/т, а на периферии -- средней по печи рудной нагрузке. Эксперименты показали, что степень использования газа на доменной печи № 9 определяющим образом зависит от загруженности центра печи: увеличение количества рудных материалов в центральной зоне колошника сильно влияет на распределение газового потока и позволяет существенно сократить расход кокса. Однако увеличение рудных нагрузок в осевой зоне до 2 т/т кокса и выше приводит к загромождению горна и расстройствам хода печи [17 - 19].

Бесконусные загрузочные устройства лоткового типа установлены на 186 доменных печах во всех странах мира с развитым доменным производством (в том числе на всех работающих печах Японии).

Длительная эксплуатация показала, что применение этого БЗУ обеспечивает в сравнении с типовым двухконусным аппаратом: экономию кокса 8 %, повышение производительности до 12 %; уменьшение простоев по вине загрузочного устройства на 65 %; снижение общих затрат на обслуживание и ремонт до 80 %.

Но главным критерием оценки совершенства загрузочного устройства являются его возможности в управлении радиальным и окружным распределением шихты и газового потока в объеме печи, так как такое управление -- основной технологический прием повышения степени использования теплового и восстановительного потенциалов печных газов, достижения высокой интенсивности плавки при ровном и устойчивом сходе шихты.

2.3.2 Регулирование окружного распределения шихты лотковым БЗУ

Общая окружная неравномерность за цикл загрузки, состоящий из 6--14 порций материала, не должна превышать 6--10 %. Для обеспечения этого требования и более полного использования возможностей распределителя, расположенного непосредственно над поверхностью засыпи, наряду с другими мероприятиями на доменных печах, оснащенных бесконусными загрузочными устройствами с распределителями лоткового типа, применяется способ выгрузки материалов из шлюзовых бункеров, при котором начало выгрузки каждой следующей порции (подачи) в цикле загрузки смещается относительно предыдущей порции (подачи) на определенный угол. Величина шага угла смещения зависит от количества положений распределительного элемента, на которых осуществляется открытие шихтового затвора шлюзового бункера. Для обеспечения смещения начала выгрузки между циклами загрузки важно, чтобы количество порций материала в цикле не было кратным числу гаражных положений [21].

Распределители БЗУ, расположенные непосредственно под поверхностью засыпи, существенно воздействуют на формирование столба шихты и окружное распределение материалов. Исследованиями установлено, что неравномерность окружного распределения определяется в основном ориентацией незамкнутых колец при выгрузке материала в кольцевые зоны колошника и конструктивными особенностями БЗУ, влияющими на различное отклонение потока загружаемого в печь материала относительно оси печи в пределах каждого оборота распределителя.

Незамкнутость колец образуется из-за изменения времени истечения материала из бункеров БЗУ и деления порции на разные числа угловых позиций лотка. По данным исследований[22], продолжительность разгрузки бункера колеблется в пределах до 20 % от установленной величины. Вследствие указанных причин замкнутые кольца в каждом угловом положении распределителя даже при точном исполнении раскрытия шихтового затвора будут не правилом, а случайностью. Повышение равномерности окружного распределения шихты (ОРШ) достигается путем равномерного размещения незамкнутых частей колец шихты по окружности колошника. В этом случае начало открывания шихтовых затворов разгружаемых бункеров для каждой пары порций (порция кокса и порция железосодержащих материалов) смещают на 60° при прохождении лотком гаражных положений (точек через 60° по окружности колошника).

Выравнивание профиля засыпи, или газопроницаемости за счет увеличения объема шихты или рудной нагрузки в заданном секторе производят ориентацией незамкнутых частей колец материала путем программируемого начала открывания шихтовых затворов в заданных гаражных положениях (Пат. 2015169, Россия).

Установлено, что параллельное расположение бункеров БЗУ при отсутствии под ними накопительной емкости перед выгрузкой на лоток приводит к смещению потока шихты в центральной трубе и изменению характеристик сходящего с распределительного лотка потока в пределах каждого оборота, Это вызывает неравномерность ОРШ, зависящую от расположения материалов в бункерах БЗУ. Для компенсации этой неравномерности применяют чередование загрузки в бункеры БЗУ различных материалов.

Используется прием управления распределением шихтовых материалов путем изменения их расхода при загрузке в заданные секторы и кольцевые зоны площади колошника. Прием предназначен для устранения устойчивых перекосов профиля засыпи и подавления канального хода печи в автоматическом режиме. Неравномерность компенсируется путем изменения расхода материала, выгружаемого из бункера БЗУ, за счет увеличения (уменьшения) угла раскрытия шихтового затвора в выбранных границах сектора окружности и кольцевых зон по радиусу колошника и каждом обороте распределителя. Начало изменения угла раскрытия шихтового затвора задается с упреждением на время движения шихты от шихтового затвора бункера до поверхности засыпи в заданном секторе и кольцевой зоне с учетом направления вращения распределителя (Пат. 2022025, Россия).

С целью изучения окружного распределения шихтовых материалов проведены экспериментальные исследования [21]с записью осциллограмм работы оборудования системы загрузки. Расчет окружного распределения шихты и коэффициентов неравномерности ее распределения по результатам выгрузки 24 порций материала выполнен для различных режимов работы распределителя:

I- 6 гаражных положений (через 60°) со смещением начала выгрузки каждой последующей пары выгружаемых порций железосодержащих материалов и кокса относительно предыдущей на одно гаражное положение лотка (в направлении вращения распределителя): К0° См0° + К60° См60° + К120° См120° +.... и т. д.;

II- 6 + 6 = 12 гаражных положений с поочередным использованием при последовательной выгрузке пар порций железосодержащих материалов и кокса шести положений (через 60°) и следующих шести положений (через 60°), смещенных от

носительно предыдущих на 30° (в направлении вращения распределителя): К 0° См0° +К60° См60° + К120° См120° + К300° См 300° + К30° См30° + К90° См90° + К150° См150° + К210° См210° +...;

III- 6 + 6 = 12 гаражных положений, когда первые и последующие шесть пар порций железосодержащих материалов и кокса выгружаются в шести положениях (через 60°), при этом начало выгрузки последующих шести пар порций смещено относительно начала выгрузки предыдущих на угол 150°;

IV- 12 гаражных положений (через 30°) со смещением начала выгрузки каждой последующей пары выгружаемых порций железосодержащих материалов и кокса относительно предыдущей на одно гаражное положение лотка (в направлении вращения распределителя): К0° См0° + КЗ0° См30° + К60°См60° +...



Рисунок 2.8 - Параметры окружного распределения шихтовых материалов в периферийной кольцевой зоне за 24 порции материала при четырёх режимах смещения станций начала выгрузки порций.

Параметры окружного распределения шихтовых материалов для четырех режимов автоматического смещения положений начала выгрузки порций по 12 секторам в периферийной кольцевой зоне колошника приведены на рис. 2.8.

Номера с 1 по 12 на графиках соответствуют секторам с центральным углом 30°, заключенным между гаражными положениями распределительного лотка: 0-30°, 30-60°, 60-90°, …. 330-360° (0°). Лоток распределителя вращался во время проведения эксперимента по часовой стрелке.

Результаты расчета коэффициентов окружной неравномерности распределения материала на колошнике по оценочным параметрам приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Показатели неравномерности окружного распределения шихты в переферийной зоне колошника по результатам выгрузки 24 порций материала при рзличнгых режимах роботы распределителя.

Режимы работы распределителя	Коэффициент неравномерности ОРШ
	по рудной нагрузке	по массе	по объему
IIIIIIIV	0,1320,1480,0750,061	0,0390,0390,0270,020	0,0260,0280,0160,015

Из таблицы видно, что коэффициенты неравномерности в I и II режимах работы распределителя примерно равны и вдвое больше, чем в III и IV режимах. В IV режиме получены минимальные величины показателей неравномерности окружного распределения шихты, однако их достижение возможно только при использовании всех 12 гаражных положений за цикл загрузки, состоящей не менее чем из 24 порций шихты. В III режиме показатели неравномерности лишь немного ниже, чем в IV, но достигнуты они в пределах 12 порций, т.е. в два раза быстрее. По сравнению с IV этот режим является предпочтительным еще и потому, что он позволяет избежать повторяемости точек начала выгрузки порций материала в циклах с числом порций, кратным числу гаражных положений.

Целенаправленная ориентация незамкнутых колец при выгрузке материала может быть использована для компенсации неравномерности распределения шихты и газового потока по окружности колошника.

Известно, что параллельное расположение бункеров бесконусного загрузочного устройства (БЗУ) при отсутствии под ними накопительной емкости приводит к неравномерности окружного распределения шихты на колошнике, зависящей от расположения материалов в бункерах. Для компенсации этой неравномерности чередуют загрузку в бункеры БЗУ порции кокса (К) и смеси железосодержащих материалов (См), состоящей из агломерата и окатышей.

Результаты исследования этого явления и разработка методики устранения влияния конструктивных особенностей загрузочного устройства в [23, 24].

В [24] описана система управления раскрытием шихтовых затворов (УРШЗ) для доменной печи. Система предназначена для устранения перекосов профиля поверхности засыпи путем целенаправленного изменения объема материала в заданных секторах окружности колошника и выравнивания газораспределения в печи за счет уменьшения рудной нагрузки в зоне низких и повышения ее в зоне высоких температур. Расход материала из бункера при увеличении угла раскрытия шихтового затвора системой УРШЗ задается в соответствии с экспериментально полученными характеристиками.

Схема расположения кольцевых зон, механизмов БЗУ, термопар, траекторий и гаражных положений лотка приведены на рис. 2.9. Отклонения параметров от средней величины, принятой за единицу, в шести секторах (по числу «гаражных» положений лотка по окружности) с центральным углом 60° оценивались по отношению: Апi/Аср, где Апi -- значение параметра в i-м секторе, Аср -- среднее значение параметра.

Изменения радиального газораспределения в секторах и в целом по сечению печи контролировались по показателю Кр = tп/tк, увеличение (уменьшение) которого соответствует усилению (снижению) развития периферийного газового потока и, наоборот, снижению (усилению) развития осевого потока газа.



Рисунок 2.9 - Схема расположения по окружности колошника кольцевых зон и рабочих угловых положений лотка 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1; гаражных положений лотка по окружности колощника 0° - 300°; У - периферийных уровнемеров; Б - бункеров загрузочного устройства; ОГК - оси главного конвейера; Т - периферийных термопар; ГО - оси газоотводов

Характерное распределение температуры газа в газоотводах и в периферийной зоне по окружности печи до и после регулирования ОРШ показано на рис. 2.10.

До включения системы регулирования ОРШ разброс температуры газа в газоотводах по секторам печи был незначительным и не превышал 8 % при средней температуре газа tк =172°С. Разброс температуры по термопарам периферийного газа был значительно выше, ее максимальные значения tп = 150° С отмечались в секторах, ограниченных по окружности положениями 0 - 60° (термопары №4-6) и 180-240° (термопара № 12 - 14). Они превышали среднюю температуру на 37 и 22 % соответственно, а минимальные значения температуры фиксировались в секторах 60 - 120° (термопары № 7,8), 120 - 180° (термопары № 9 - 11) и 240-300° (термопары № 15,16) и был ниже средней ее величины на 16 - 18 %. В базово периоде наблюдалась тенденция к развитию пepиферийного газового потока.

Рисунок 2.10. Распределение температуры колошникового (t_к) ипереферийных (t_п) газов: 1 - температура периферийных газов в базовом периоде; 2 - то же, в опытном периоде; 3 - температура колошникового газа в базовом периоде; 4 - то же, в опытном периоде.

Изменение этих параметров и показателя радиального газораспределения по шести секторам окружности печи приведено в таблице 2.4.

Для уменьшения неравномерности окружного и выравнивания радиального газораспределения, исходя из технических возможностей системы УРШЗ, был применили следующий режим регулирования ОРШ: в сектор 0 - 60° дополнительно выгружается масса железосодержащих материалов из углового положения лотка 9, при этом повышаются рудная нагрузка и незначительно объем шихты в периферийной кольцевой зоне сечения колошника; в секторе 60 - 120° снижается рудная нагрузка, но несколько увеличивается объем шихты за счет выгрузки дополнительной массы кокса из углового положения лотка 8; для разгрузки периферийной зоны от железосодержащих материалов и снижения развития осевого газового потока в остальных секторах уменьшается объем шихты и увеличивается рудная нагрузка за счет вывода большей массы кокса, чем железосодержащей части порций, для выгрузки дополнительно в периферийную зону в сектор 60--120°.

Таблица 2.4 - Изменение параметров распределения шихты и газа по окружности печи

Параметры (числитель до, знаменатель после регулирования)	Секторы окружности колошника	Среднее значение по окружности
	0 60	60 120	120 180	180 240	240 300	300 360
Уровень засыпи, м	1,2 1,12		0,98 1,02	0,91 0,93		0,91 0,93	1,33 1,08
Температура, °С:
колошникового газа, tк	1,02 1,08	1,01 0,99	1,0 1,03	1,05 0,98	1,0 0,99	0,92 0,92	172 193
периферийного газа, tп	1,37 1,18	0,84 0,89	0,84 0,85	1,22 1,10	0,82 0,98	0,90 0,98	150 130
Показатель радиального газораспределения, Кр	1,09 1,10	0,89 0,90	0,89 0,84	1,24 1,12	0,88 1,00	1,05 1,07	0,87 0,68
Рудная нагрузка в периферийной зоне (расчетная), т/т	1,00 1,17	1,00 0,76	1,00 0,89	1,00 1,04	1,00 1,04	1,00 1,08	4,69 4,69
Масса (расчетная) порции, т:
кокса	1,00 0,95	1,00 1,31	1,00 1,03	1,00 1,90	1,00 0,90	1,00 0,90	1,92 1,92
железосодержащих материалов в периферийной зоне	1,00 1,14	1,00 1,0	1,00 0,95	1,00 0,95	1,00 0,95	1,00 0,99	9,48 9,49

Система управления ОРШ обеспечивала подачу команды на увеличение угла раскрытия шихтового затвора при выгрузке порции кокса в 8-м, а железосодержащих материалов в 9-м угловых положениях лотка при прохождении лотком точек окружности 300 и 240° соответственно. Увеличение углов раскрытия шихтовых затворов задавалось на величину 10°, при этом рабочие углы при выгрузке кокса из бункера 1 и из бункера 2 увеличивались соответственно от 42,8 и 29,8 до 52,8 и 39,3°.

Работа системы управления распределением шихтовых затворов в течение 4 ч позволила выравнять интенсивность газового потока в периферийной зоне колошника (см. рис. 2.10) и радиальное газораспределение в секторах по окружности печи (см. табл. 2.4). Так, колеблемость температуры газа в газоотводах печи снизилась в 1,3 раза, а разброс температуры периферийного газа по термопарам уменьшился почти в 2 раза. Средняя температура колошникового газа возросла на 21°С и составила 193°С, а периферийного газа уменьшилась на 20°С и стала равной 130°С.

Выравнивание параметров окружного и радиального газораспределения по секторам окружности печи после регулирования ОРШ в периферийной зоне колошника (см. табл. 4) указывает на соответствие выбранных и нанесенных воздействий по перераспределению шихты, а также на достаточную точность ориентации выгрузки порций шихты в заданные секторы регулирования.

Экспериментально установлено, что регулирование окружного распределения шихты путем изменения раскрытия шихтового затвора позволяет достаточно эффективно выравнивать окружное распределение газового потока.

Система управления раскрытием шихтовых затворов бункеров бесконусного загрузочного устройства обеспечивает точность и эффективность управляющего воздействия и позволяет плавно изменять объем и массу шихтовых материалов в заданных кольцевых зонах сечения колошника.

2.3.3 Регулирование радиального распределения шихты лотковым БЗУ

В связи с большим различием гранулометрического состава и средней крупности кокса и железорудных материалов распределение рудной нагрузки по радиусу в столбе шихты в доменной печи является решающим фактором, определяющим газопропускную способность печи в целом, а также характер распределения по радиусу и степень использования тепловой и химической энергии газа в печи. Создание неравномерности распределения рудной нагрузки по радиусу повышает газопропускную способность печи, причем в большей степени это повышение достигается при увеличении неравномерности за счет разгрузки осевой зоны печи. Что касается удельного расхода топлива на плавку, то, согласно традиционным представлениям, он всегда повышается с увеличением неравномерности распределения рудной нагрузки по радиусу [5, 17 - 19] (рис. 2.11).



Рисунок 2.11 - Влияние неравномерности радиального распределения рудной нагрузки (за счет разгрузки: 1 - периферии; 2 - центра) на изменение: а - производительности печи Р; б - расход кокса К.

Как видно, неравномерное распределение рудной нагрузки за счет разгрузки осевой зоны обеспечивает получение более высоких технико-экономических показателей работы печи (как по расходу кокса, так и. по производительности). Это объясняется более высокой балансовой производительностью печи в данном случае, обусловленной меньшим расходом кокса, чем при загруженной периферии. При прочих равных условиях расход кокса в данном случае определяется потерями тепла, которые при центральном газораспределении значительно меньше, чем при периферийном ходе.

Расход кокса увеличивается с ростом радиальной неравномерности распределения рудной нагрузки при раскрытии как центра, так и периферии (см. рис. 2.9), что объясняется изменением эффективности восстановительных процессов при увеличении неравномерности распределения рудной нагрузки: она снижается вне зависимости от того, разгружен центр или периферия. Что касается производительности печи, то она в обоих случаях проходит через экстремум, находящийся в области значений неравномерности рудной нагрузки по радиусу 0,7...0,75 [5].

В [10] приведены результаты регулирования радиального распределения шихты лотковым бесконусным загрузочным устройством с использованием данных системы «Спиротерм». Система «Спиротерм», позволяет непрерывно контролировать температуру поверхности засыпи. Как показал анализ работы данной системы, величина этой температуры зависит от эффективности теплообмена в слое порции загружаемых материалов и определяется прежде всего соотношением в этом слое теплоемкостей потоков шихты и газов. Поэтому измерение температуры поверхности засыпи позволяет получать дополнительную информацию о распределении шихты и газов по сечению колошника печи. Эта информация может быть использована при управлении загрузкой доменной печи, оборудованной бесконусным загрузочным устройством.

В табл. 2.5 приведены характеристики распределения газов и шихты по радиусу верхней части шахты под уровнем и на поверхности засыпи при нормальной работе доменной печи.

Таблица 2.5 Распределения газов и шихты по радиусу верхней части шахты под уровнем и на поверхности засыпи

Номер точки отбора или кольцевой зоны (от оси печи)	Средние значения параметра
	СО2, %	tпов., °С	tR, °C
Осевая зона	1	4,4	282	818
	2	13,3	253	702
	3	20,7	223	533
Промежуточная зона	4	20,7	195	399
	5	20,3	188	302
	6	20,3	187	225
	7	20,1	192	177
	8	20,2	196	148
Периферийная зона	9	19,9	195	135
	10	16,7	199	169

Видно, что характер распределения температур, измеренных системой «Спиротерм», соответствует характеру распределения по радиусу температуры и содержания диоксида углерода в газе под уровнем засыпи. При этом имеет место достоверная связь температуры поверхности засыпи и содержания диоксида углерода в газе под уровнем засыпи в периферийных и центральных участках радиуса.

Колеблемость температуры поверхности засыпи в целом достаточно высокая, что свидетельствует о хорошей чувствительности данного параметра к изменению распределения газа и шихты. Влияние изменения распределения материалов по радиусу верхней части шахты на показания термовизорной системы исследовались путем оценки взаимосвязи температуры поверхности засыпи и рудных нагрузок. Величины рудных нагрузок в радиальных зонах колошника определялись с помощью разработанной в Днепропетровском металлургической академии математической модели загрузки доменной печи бесконусным аппаратом лоткового типа[18].

В табл. 2.6 приведены данные о распределении температуры t поверхности засыпи и рудных нагрузок Р по радиусу колошника.

Таблица 2.6 Распределении температуры t поверхности засыпи и рудных нагрузок Р по радиусу колошника

Номер зоны (от оси печи)	tпов., °С	Р	А
Осевая зона	1	622	1,26	783
	2	460	1,72	792
	3	381	2,06	768
Промежуточная зона	4	269	2,36	688
	5	230	3,03	696
	6	172	3,86	663
	7	147	4,59	674
	8	151	4,43	668
Периферийная зона	9	154	3,93	605
	10	186	3,26	606

Видно, что значения температур поверхности засыпи в радиальных зонах в значительной степени определяются величиной рудной нагрузки в этих зонах. При этом прослеживается обратно пропорциональная зависимость температуры поверхности засыпи; от величины рудной нагрузки, т.е. t = A/P, где А -- коэффициент, зависящий от особенностей противотока газа и шихты в различных радиальных зонах печи.

Как следует из табл. 2.6, колеблемость температуры поверхности, и рудных.нагрузок в отдельных радиальных зонах, изменяется в широком диапазоне -- от 5,2 до 39,8 %, составляя в среднем 14,8 %. Колеблемость же коэффициента А существенно ниже по всех радиальных зонах и изменяется в относительно узком диапазоне, -- от 3,5 до 4,9 %, что можно считать величиной, постоянной для всех кольцевых зон поверхности шихты. В то же время по радиусу, колошника четко выделяются три зоны -- осевая, промежуточная и периферийная, в которых средние по зонам значения данного коэффициента существенно отличаются. Так, величина коэффициента А для осевой (кольцевые зоны 1 - 3), промежуточной (кольцевые зоны 4 - 8) и периферийной (кольцевые зоны 9 и 10} зон составила в среднем 781, 678 и 605 соответственно, образуя числовой ряд, убывающий в данном случае по направлению к периферии. Устойчивость этого ряда в различные периоды исследований свидетельствует о возможности использования полученной зависимости для определения базового уровня температуры поверхности засыпи как в осевой, промежуточной и периферийной зонах, так и в отдельных кольцевых зонах колошника доменной печи по известному распределению рудных нагрузок [10].

Анализ работы доменной печи; с различным характером распределения газов и шихты, а также результатов расчетного определения температур показал, что для изменения температуры поверхности засыпи на 100°С необходимо рудную нагрузку изменить на 0,2 - 0,3 т/т кокса в центральной и на 0,4 - 0,6 т/т кокса в периферийных зонах. При использовании бесконусного загрузочного устройства лоткового типа изменение рудной нагрузки в различных радиальных зонах можно достичь путем изменения угловых положений лотка, на который высыпается, порция материала.

Параметры загрузки шихтовых материалов бесконусным загрузочным устройством следующие:

Порядковый номер порции в цикле 12345678Вид материала в порции КАКАКАКАУгловое положе-ние лотка 9-69-78-59-79-69-75-49-6

Примечание: К - порция кокса; А - порции железорудных материалов; 9 - 6 - угловые положения лотка, исчисление которых производится от центра к периферии.

Например, при ссыпании шихты с лотка по системе загрузки, приведенной выше (масса кокса 23,6 т; уровень засыпи 1,6 м, масса железорудных материалов 90 т), для увеличения рудной нагрузки в периферийной зоне на 0,2 т/т кокса достаточно изменить при загрузке восьмой порции угловые положения вращающегося лотка с 9 - 6 на 9 - 7. Для изменения рудной нагрузки в центральной зоне на 0,1 т/т кокса при том же режиме загрузки необходимо при загрузке седьмой порции изменить угловые положения лотка с 5 - 4 на 4 - 3. В этих случаях изменения температуры поверхности засыпи составляет 40 - 60 и 40 - 50°С соответственно.

Цикл загрузки составляет выполнение программы, состоящей во многих случаях из 10 и более чередующихся в определенном порядке порций кокса и железорудных материалов. Загрузка печи производится циклично, т.е. программа периодически повторяется и укладка шихты, если рассматривать вертикальное сечение столба, производится в шахматном порядке -- локально, а не по всему радиусу колошника.

БЗУ лоткового типа позволяет реализовать при загрузке печи возможность целенаправленного формирования рудной нагрузки по всей площади колошника (по всем кольцевым зонам) в различных вариантах одной порцией кокса и одной порцией железорудных материалов, что в совокупности составляет одну подачу шихты (аналогично приемам конусных ЗУ). Такая процедура загрузки сократит на порядок время формирования рудной нагрузки по всей площади колошника, позволит более гибко и динамично управлять загрузкой печи, а значит, более эффективно использовать энергию доменных газов.

Для реализации этих возможностей [4] предполагается распределение порции кокса по радиусу колошника обратно пропорционально кривой изменения рудной нагрузки, а после укладки порции железорудных материалов должен образоваться горизонтальный профиль поверхности, т.е. переход от обычного режима загрузки к загрузке с горизонтальной поверхностью засыпи.

На рис. 2.10, поясняющем этот вариант, условно обозначено: К - профиль поверхности порции кокса; Р - профиль поверхности порции железорудных материалов.

Вначале грузится порция кокса. Верхняя поверхность К (рис. 2.12) каждой порции кокса от оси к периферии является вогнутой и препятствует относительному смещению порции железорудных материалов в радиальном направлении как при загрузке печи, так и при опускании шихты к горну. Другими словами, порция кокса образует "ложе" для порции железорудных материалов, которая, заполняя его, образует поверхность Р в горизонтальной плоскости.

Загрузка доменной печи производится циклично (подачами). Одна подача состоит из порций кокса и железорудных материалов, т.е. содержимого двух бункеров.

Углы откоса компонентов шихты влияют на распределение материалов по радиусу колошника в значительно меньшей степени при использовании лотковых загрузочных устройств, чем конусных, так как поверхность шихты в этом случае формируется из отдельных колец, и ее сглаженная форма не всегда соответствует углам откоса материалов. Существуют режимы загрузки, при которых углы откоса компонентов шихты практически не влияют на относительное распределение в печи кокса и рудных материалов.

Рисунок 2.12 - Распределение рудной нагрузки R по радиусу колошника (а) и вертикальное сечение одной подачи шихты (б) при раздельной загрузке порции кокса и железорудных материалов.

Технологические возможности вращающегося распределителя бесконусного разгрузочного устройства позволяют укладывать шихту в равные по площади кольцевые зоны 1-6 (см. рис. 2.10). Следовательно, объем шихты в каждой зоне является одинаковым. Для обеспечения требуемого распределения рудных нагрузок по площади колошника в каждую кольцевую зону подаются железорудные материалы и кокс в соотношениях, равных средним рудным нагрузкам ri в соответствующих зонах.

Дозирование расчетного количества материала в i-ю зону (по весу или объему) из бункеров загрузочного устройства производится за счет изменения проходного отверстия шихтового затвора (а возможно, и скорости вращения распределителя).

Регулируя расход кокса из приемного бункера шихтовым затвором и согласовывая этот расход со скоростью вращения распределительного лотка, производят выгрузку порции по кольцевым зонам. Затем, аналогично, формируется порция железорудных материалов.

2.3.4 Загрузка смешаных порций лотковым БЗУ

Стремление к максимально равномерному распределению материалов в рабочем объеме печи подсказывает целесообразность формирования столба шихты в ней из смеси рудных материалов и кокса. Экспериментально показано, что при послойной загрузке на границе слоев кокса и агломерата формируется прослойка с низкой газопроницаемостью, а при смешанной загрузке уменьшается порозность слоя, что компенсирует негативное влияние «граничного» эффекта в зоне кусковых материалов [24]. Сокращение насыпного объема смеси на 8 -10 % при снижении ее порозности позволяет разместить в печи больше шихты, но газопроницаемость всего столба при этом не снижается, так как при смешанной загрузке в зоне размягчения она значительно улучшается. Это позволяет сохранить объем газа в печи, а большее количество железосодержащих материалов на пути газового потока увеличит эффективность его использования.

Кроме того, из-за тесного контакта руды и кокса активизируются восстановление и теплообмен в "сухой" зоне шахты.

Смешаннаяя загрузка доменной печи, т.е. когда в печь подается смесь руда - кокс -- второй вариант целенаправленной загрузки шихты по всему радиусу печи при помощи БЗУ. На рис. 2.13 условно представлено (поз.б) сечение в вертикальной плоскости одной смешанной подачи шихты на колошнике (плотностью штриховки условно показана плотность шихты в каждой кольцевой зоне).

Рисунок 2.13 - Распределенгие рудной нагрузки R по радиусу колошника (а) и вертикальное сечение одной подачи шихты (б) при смешаной загрузке.