Теоретичні основи руху продуктів плавки та регулювання процесами в горні доменної печі

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 669.162.28

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ РУХУ ПРОДУКТІВ ПЛАВКИ І УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСАМИ В ГОРНІ ДОМЕННОЇ ПЕЧІ

05.16.02 «Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів»

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

НОВОХАТСЬКИЙ Олександр Михайлович

Маріуполь 2009

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Петрушов Станіслав Миколайович, Донбаський державний технічний університет, професор кафедри металургії чорних металів, м. Алчевськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Тарасов Володимир Петрович, Приазовський державний технічний університет, професор кафедри металургії чавуну, м. Маріуполь;

доктор технічних наук, професор Довгалюк Борис Петрович, Дніпродзержинський державний технічний університет, професор кафедри автоматизації виробничих процесів, м. Дніпродзержинськ;

доктор технічних наук, професор Шатоха Володимир Іванович, Національна металургійна академія України, професор кафедри металургії чавуну, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 12.06.2009р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті (87500, м. Маріуполь, вул. Університетська, 7).

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Приазовського державного технічного університету (87500, м. Маріуполь, вул. Університетська, 7).

Автореферат розіслано 30.04.2009р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої

ради Д 12.052.01

доктор технічних наук

професор В.О.Маслов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Концепція розвитку промисловості України передбачає розроблення нових технологій, що підвищать її конкурентоспроможність, особливо в чорній металургії.

Доменне виробництво є одним з перших металургійних переділів, який зумовлює ефективність роботи сталеплавильних і прокатних цехів. На частку виплавки чавуну припадає більше половини всіх поточних і капітальних витрат на виробництво готового прокату. У доменному виробництві найбільш актуальним питанням є зниження умовно постійних витрат за рахунок раціонального використання шихтових матеріалів і паливно-енергетичних ресурсів, підвищення продуктивності і якості чавуну, що зрештою дозволяє здійснити економію средств і одержати найбільший прибуток.

Найбільш важким завданням є організація хорошої роботи горна, регулювання його місткості, вертикальної й горизонтальної дренажної здатності, яка дозволить без утруднень і простоїв вести плавку високої інтенсивності та виплавляти якісний чавун.

Указані проблеми характерні для доменного виробництва України, а також відповідають загальній світовій тенденції цього напряму технічного прогресу, рішення їх дозволить істотно поліпшити показники металургійного комплексу.

У зв'язку з цим створення й розвиток теоретичних основ роботи горна та доменної печі в цілому, розроблення способів управління доменною піччю на підставі досліджень закономірностей у сукупності з новими засобами контролю параметрів процесів у горні на основі сучасної обчислювальної техніки є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання роботи було пов'язано з ухвалою Ради Міністрів УРСР (ухвала Держплану УРСР від 29.11.95р.), з планами науково-дослідних робіт Міністерства промислової політики, Міністерства освіти і науки України, Донбаського державного технічного університету, ВАТ "Алчевський металургійний комбінат", ВАТ "Єнакіївський металургійний завод", ВАТ "Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського", ВАТ "Дніпровський металургійний комбінат".

В основу дисертації покладено результати наступних науково-дослідних робіт, виконаних під керівництвом або за особистою участю автора з 1984 по 2006р.р.: № держ. рег. 018300225938 (виконавець); № держ. рег. 01850019782 (виконавець); №держ.рег.01890043447 (виконавець); №держ.рег.01870020629 (виконавець); № держ.рег.01860102966 (виконавець); №держ.рег.01980042288 (керівник); № держ. рег. 01900054073 (керівник); № держ. рег. 0193U029120 (виконавець); №держ.рег.01003U002541 (керівник); № держ. рег. 0196U000649 (керівник).

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є теоретичне обгрунтування, експериментальні дослідження й розроблення методів, спрямованих на вирішення проблеми підвищення ефективності виплавки чавуну на підставі аналізу закономірностей зміни параметрів процесів у горні. Відповідно до цього були визначені завдання:

- комплексне дослідження протікання процесів у горні доменної печі з урахуванням розробки технологічних і технічних рішень управління режимами спорожнення та наповнення горна рідкими продуктами плавки, аналізу поведінки рідких продуктів плавки по радіусу, колу і висоті горна, а також розробки ефективних способів управління дренажними умовами низу печі за допомогою зміни параметрів комбінованого дуття;

- розробка технічних засобів, методів і програм контролю стану горна доменної печі і технічних заходів оптимізації й стабілізації режиму випуску продуктів плавки визначення кількості випусків за добу, час наповнення і спорожнення горна;

- розробка критерію дренажних умов у горні і технологічних заходів щодо активізації роботи нижньої частини печі;

- розробка критерію зміни теплового стану і технологічних заходів щодо стабілізації теплового режиму доменної печі;

- розробка теоретичних основ і технічних засобів визначення моменту оповзання гарнісажу в нижній частині шахти, розпару і заплечиків та заходів стабілізації теплового стану горна під час попадання в нього непроплавлених мас;

- комплексне дослідження стаціонарної нерівномірності роботи низу доменної печі і ліквідації причин, що їх викликають;

- розробка енергозберігаючих технологій, які полягають у вдосконаленні підведення вуглеводневих добавок у суміші з технічним киснем.

Об'єкт дослідження: процеси поведінки рідких продуктів плавки в період наповнення й спорожнення горна доменної печі.

Предмет дослідження: вплив методів удосконалення роботи горна на підвищення ефективності виплавки чавуну. доменний піч горно плавка

Методи дослідження: під час виконання роботи на доменних печах ВАТ "Алчевський металургійний комбінат", ВАТ "Єнакіївський металургійний завод", ВАТ "Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського", ВАТ "Дніпровський металургійний комбінат". У роботі використовувалися лабораторні дослідження, методи математичного й фізичного моделювання, математичної статистики, порівняльний аналіз закономірностей доменного процесу, пасивний, активний експерименти на металургійному агрегаті. Під час досліджень використовувалися пристрої щодо контролю стану горна доменної печі й оповзання гарнісажу.

Наукова новизна отриманих результатів.

На основі наукових узагальнень, теоретичних розробок й експериментальних досліджень у лабораторних умовах і на промислових агрегатах вирішена важлива науково-прикладна проблема підвищення ефективності виробництва чавуну за рахунок розробки теоретичних основ руху продуктів плавки й управління процесами в горні доменної печі.

Нові наукові результати, одержані автором, полягають у наступному:

1. Сформульовано наукові основи закономірностей протікання процесів у горні доменної печі, що пояснюють порушення горизонтальної поверхні чавуну і шлаку з утворенням воронки в періоди наповнення і його спорожнення продуктами плавки, які визначаються періодичністю: утворення воронки в шарі чавуну в районі каналу чавунної льотки, сумісний вихід шлаку і утворення депресивної воронки в його шарі, прорив горнових газів, що є ознакою закінчення випуску, після закриття каналу льотки - процесів вирівнювання депресивної воронки в шлаку і збільшення рівня розплавів до допустимого рівня в корисному об'ємі горна.

2. Уперше за допомогою розробленої математичної моделі отримано можливість визначення об'єму горна заповненого шлаком, що залишається після закінчення випуску продуктів плавки, який складає від 14 до 83% залежно від режиму випуску і його корисного об'єму, а також розрахунку профілю поверхні депресивної воронки і часу її вирівнювання в період наповнення горна протягом 15-35 хвилин на печах з корисним об'ємом до 3000 м³, на доменних печах більшого об'єму, що мають 3-4 льотки і безперервний випуск, у горнах яких дзеркало шлаку має складну поверхню, котра не вирівнюється.

3. Удосконалено теоретичні положення оптимізації режиму випуску і накопичення продуктів плавки: кількість випусків за добу, час наповнення і спорожнення горна для доменних печей різного об'єму й різних шихтових умов, які дозволили збільшити продуктивність від 1 до 9,6% і зменшити витрату коксу на 0,3-0,7%.

4. Одержали подальший розвиток методи управління доменною плавкою на підставі критеріїв зміни теплового стану печі і дренажних умов горна, одержаних за використання алгоритмів й інформаційної бази від теплового потоку продуктів плавки, що виходять з каналу чавунної льотки, і характеру зміни електрограм, контрольованих по висоті і колу кожуха нижньої частини печі.

5. Уперше встановлена кількісна залежність між товщиною гарнісажу, температурою й кількістю охолоджуючої води, що йде на барабани-сепаратори випарної системи охолоджування, обгрунтована ефективність управління ходом доменної печі з використанням технічних засобів, які визначають момент оповзання гарнісажу зі стінок нижньої частини шахти, розпару й заплечиків, і стабілізації теплового стану горна через зміну рудного навантаження й параметрів комбінованого дуття, що дозволило скоротити тривалість похолодання печі в цей період з 5 до 2 годин.

6. Одержали наукові основи визначення стаціонарної нерівномірності роботи горна і причин, що їх викликають на печах, які мають дві й більш льоток. Установлено, що конструктивні особливості горна, у першу чергу взаємне розташування льоток по висоті горна, кут їх нахилу істотно впливають на закономірності поведінки рідких продуктів плавки під час випуску, утворення випускних воронок чавуну й шлаку. Розроблена й упроваджена методика й засоби контролю стаціонарної нерівномірності роботи низу печі, що з'являється за вищевикладених конструктивних особливостей горна, і ліквідації причин їх виникнення.

7. Розроблено наукові основи використання схем подачі вуглеводневих домішок з технічним киснем під час виплавлення переробного чавуну з метою енергозбереження, а також зниження процесів сажовиділення і зменшення випадків захаращування горну.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено спосіб контролю зміни рівня рідких продуктів плавки в період їх випуску і визначення об'єму горн, зайнятого шлаком, який залишається в момент продування каналу чавунної льотки горновими газами, а також вирівнювання депресивної воронки після закриття каналу чавунної льотки.

2. Розроблено аналітичний і фізичний способи визначення режиму й кількості випусків продуктів плавки за добу з горна доменної печі на підставі аналізу показників плавки і використання даних нових технічних засобів, що грунтуються на контролі різниці електрограм на кожусі низу печі.

3. Розроблено технічні засоби контролю тенденції зміни рівня продуктів плавки, критеріїв дренажних умов горна й загального теплового стану доменної печі на підставі контролю електрограм на кожусі печі й величини теплового потоку від продуктів плавки.

4. Розроблено спосіб промивки горна через зміну параметрів комбінованого дуття залежно від данних нових технічних засобів, що грунтуються на вимірюванні електрограм на кожусі низу доменної печі.

5. Розроблено спосіб регулювання теплового стану печі залежно від характеру електрограм на кожусі печі й інтенсивності випромінювання потоку продуктів плавки в період їх випуску через канал чавунної льотки.

6. Розроблено методику й засоби контролю стаціонарної нерівномірності роботи низу доменної печі і визначення причин, що її викликають та їх ліквідація.

7. Розроблено технічні засоби контролю моменту оповзання гарнісажу на підставі вимірювання витрати води на барабанах-сепараторах, інтенсивності охолоджування холодильників і управління доменною плавкою під час попадання його в горн печі через використання холостих подач, зміни величини рудного навантаження й параметрів комбінованого дуття.

8. Розроблено й випробувано конструкцію повітряної фурми, що забезпечує сумісну подачу вуглеводневих добавок у суміші з киснем, що виключають піроліз палива й захаращування горна.

9. На доменних печах ВАТ "Алчевський металургійний комбінат", ВАТ "Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського", ВАТ "Єнакіївський металургійний завод" і ВАТ "Дніпровський металургійний комбінат" упроваджені шляхи підвищення ефективності виплавки чавуну на підставі аналізу закономірностей зміни параметрів процесів у горні, що дозволило зменшити витрату коксу на 0,3-0,7% і збільшити продуктивність печі на 1-9,6%.

Загальний економічний ефект від упровадження технологічних розробок становить 8,5 млн. грн. Теоретичні розробки автора впроваджено в навчальний процес кафедри металургії чорних металів Донбаського державного технічного університету як новий лекційний матеріал, лабораторні роботи й методичні вказівки для студентів спеціальності 7.090401 - «Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів».

Особистий внесок претендента. У дисертаційній роботі узагальнено результати науково-дослідних робіт, виконаних в Донбаському державному технічному університеті з 1984 по 2008 рік під керівництвом автора або за його особистої участі. Узагальнення результатів робіт виконано автором самостійно. Основні ідеї під час проведення досліджень належать автору.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися і обговорювалися на Міжнародних, Всесоюзних і Республіканських науково-технічних конференціях і семінарах: науково-технічній конференції "Работа фурменной зоны доменних печей" (газодинаміка, теплообмін, масообмін) (м. Свердловськ, 1985р.); другій Всесоюзній науково-технічній нараді "Применение ЭВМ в научных исследованиях и разработках" (м. Дніпропетровськ, 1989р.); другій Всесоюзній нараді "Базы физико-химических данных для оптимизации металлургических технологий" (м. Курган, 1990р.); Всесоюзної науково-технічної конференції "Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии» (м. Свердловськ, 1990р.); Всесоюзної технічної конференції "Теплотехнические обеспечения технологических процессов в чёрной металлургии" (м. Челябінськ, 1990р.); Міжнародної науково-технічної конференції "Моделирование восстановительных процессов и их применение в металлургии" (Польща, м. Катовіце, 1991р.); Міжнародної науково-технічної конференції "Теория и технология аглодоменного производства" (м. Дніпропетровськ, 1995р.); V Міжнародному конгресі доменщиків (м. Кривий Ріг, 1999 р.); наукової конференції "Новые технологии - путь в будущее" (м. Донецьк, 1999 р.); IV Української науково-технічної конференції "Развитие аналитического контроля в металлургии и машиностроении" (м. Дніпропетровськ, 1999 р.); 2-ої Міжнародної науково-практичної конференції "Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии" (м. Москва, 2002р.); Міжнародної науково-технічної конференції "Теория и практика производства чугуна" ( м. Кривий Ріг, 2004р.); Міжнародної конференції "Стратегия качества в промышленности и образовании" (Болгарія, м. Варна, 2005р.); III-Міжнародному конгресі чавуну і стали (Туреччина, м. Ереглі-Зонгулдак, 2005р.); Міжнародної конференції "Обновляющаяся стальная промышленность в свете стабильного развития" (Угорщина, м. Дунауйварош, ISD DUNAFERR, 2008р.).

Результати роботи апробовано на науково-технічних семінарах кафедри металургії чорних металів Донбаського державного технічного університету.

Матеріали дисертації доповідалися на щорічних науково-технічних конференціях ВАТ "Алчевський металургійний комбінат" і ВАТ "Єнакіївський металургійний завод".

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 31 наукових роботах, зокрема у 19 статтях в наукових журналах і збірниках, 6 авторських свідоцтвах і патентах, 6 доповідях на Міжнародних, Всесоюзних і Республіканських науково-технічних конференціях і семінарах.

Обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 8 розділів, висновків і 4 додатків, викладена на 380 сторінках друкарського тексту, включаючи 58 малюнків, 35 таблиць, 94 сторінки додатку і список використаних джерел із 283 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обгрунтована актуальність роботи, визначена мета й завдання досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, апробація, структура й обсяг дисертаційної роботи.

У першому розділі зроблено аналіз сучасного уявлення про закономірності і параметри процесів, що відбуваються у горні доменної печі. Розглянуто фізико-хімічні процеси, рух матеріалів і газів у нижній частині доменної печі, які роблять великий вплив на стабільність її ходу, тепловий стан і постійність основних параметрів процесу, чим забезпечується високопродуктивна, економічна робота металургійного агрегату. Нестаціонарність доменної плавки викликається періодичністю випуску чавуну і шлаку, яка спричиняє помітні коливання ряду параметрів: інтенсивності плавки, стаціонарної нерівномірності і т.п., що впливають на хід печі.

У теперішній час необхідна розробка нових засобів контролю стану нижньої частини печі, які не вимагають великих фінансових витрат. Одним з таких напрямів є використання інформації про тепловий потік від продуктів плавки, характер зміни електрограм, що знімаються з кожуха по колу, висоті нижньої частини печі, а також величини теплозняття з випарної системи охолоджування.

Безпосередній контроль за станом горна спільно з методологічними зосновами аналізу гідродинамічних умов роботи низу доменної печі, дадуть об'єктивну оцінку причин розладів роботи печі й дозволять розробити заходи, що підвищать ефективність плавки.

З урахуванням зазначених проблем у роботі вирішуються наступні завдання.

1. Розроблення теоретичних основ закономірностей руху рідких продуктів плавки в горні доменної печі в періоди їх випуску через канал чавунної льотки й наповнення.

2. Визначення ліній струму й однакових швидкостей руху рідини в горні в період їх випуску через канал чавунної льотки.

3. Розроблення математичної моделі зміни рівня продуктів плавки в період їх випуску і визначення об'єму горна, зайнятого шлаком, що залишається після продування каналу чавунної льотки горновими газами, а також профілю депресивної воронки.

4. Розроблення математичної моделі вирівнювання депресивної воронки, утвореної рідким шлаком у коксовій насадці після закінчення випуску рідких продуктів плавки через канал чавунної льотки.

5. Розроблення методики визначення оптимального режиму випуску і спорожнення горна доменної печі й кількості випусків продуктів плавки за добу: часу заповнення і спорожнення залежно від технологічних умов роботи.

6. Розроблення технічних засобів визначення стану роботи горна на підставі контролю електрограм на кожусі низу доменної печі з використанням алгоритмів, що дозволяють визначити рівень шлаку по колу горна доменної печі, тенденцію зміни теплового стану й дренажних умов горна.

7. Розроблення алгоритмів і технічних засобів контролю моменту оповзання гарнісажу зі стінок нижньої частини печі.

8. Розроблення способу регулювання теплового стану печі залежно від данних технічних засобів контролю тенденції зміни теплового стану і оповзання гарнісажу.

9. Розроблення способу промивки горна доменної печі через зміну параметрів комбінованого дуття з використанням даних, одержаних новими технічними засобами стану низу доменної печі.

10. Розроблення способу і конструкції повітряної фурми для сумісного подання вуглеводневих добавок у суміші з киснем з метою забезпечення повного згорання палива, зменшення попадання сажі в горн печі і поліпшення техніко-економічних показників плавки.

У другому розділі розроблено теоретичні основи і математична модель закономірностей спорожнення і наповнення горна рідкими продуктами плавки. Розглянуті питання руху розплавів через коксову насадку в горні доменної печі в період наповнення або випуску продуктів плавки. Установлено, що вони є окремим випадком руху рідини в пористому середовищі й підпорядковуються законам гідродинаміки. Багато гідродинамічних формул, що описують закономірності руху рідини, одержано на підставі дослідів. Проведення експериментів з метою вивчення руху розплавів у горні на діючій доменній печі практично неможливе через її конструктивні й технологічні особливості. Проте цю інформацію можна отримати під час проведення активних дослідів у лабораторних умовах, використовуючи при цьому відомі методи дослідження, що об'єднують основи теорії фізичного моделювання гідродинамічних явищ.

У нижній частині горна скупчується шар чавуну, а на його поверхні шар шлаку. Горновий кокс під дією активної ваги стовпа шихтових матеріалів занурюється в рідкі розплави. Цьому зануренню протидіють сили тертя шихтових матеріалів об стіни печі, підйомні сили потоку газу, що виштовхують сили розплавів.

Під час випускання рідких продуктів плавки розплави з горна витікають не тільки під дією гідростатичного тиску їх шару, а переважно під тиском горнових газів і стовпа шихтових матеріалів. Рух чавуну й шлаку в горні печі в цілому має ламінарний характер, а в районі каналу чавунної льотки - турбулентний. Під час руху чавуну над випускним отвором утворюється воронка, у яку захоплюється шлак. Моделювання показало, що в шарі шлаку утворюється депресивна воронка. Прорив через неї горнового газу є, зазвичай, сигналом припинення випускання. Проте в горні доменної печі залишається шлак, що зменшує його місткість.

Для розроблення математичної моделі роботи горна враховується, що рівень чавуну в період випуску й наповнення має, в основному, по перерізу печі горизонтальну поверхню. Рівень шлаку змінюється за закономірністю, утворюючи в період випуску депресивну воронку, а в період наповнення горна відбуваються процеси її вирівнювання.

Баланс об'ємів продуктів плавки в період випуску з горна доменної печі можна зобразити рівнянням:

,

Баланс об'ємів продуктів плавки в період наповнення горна можна подати рівнянням:

,

Для розроблення математичної моделі закономірностей спорожнення і наповнення горна продуктами плавки необхідно розв'язати задачу визначення геометричних розмірів і об'єму депресивної воронки, що утворюється в період випуску розплавів, і об'єму горна, зайнятого залишковим шлаком.

На холодній моделі горна в лабораторних умовах були проведені дослідження з визначення гідродинамічної сітки потоку шлаку в період випуску продуктів плавки. Використовуючи графічний метод, запропонований Ф. Форхгеймером, побудована координатна сітка ліній струму й однакових швидкостей руху шлаку в період випуску продуктів плавки.

Аналіз показав, що лінії струму спрямовані в бік отвору каналу льотки, а лінії однакових швидкостей розташовані по кульовій поверхні, центром якої є початок льотки, і обмежені по колу циліндровою поверхнею, зверху дзеркалом шлаку, а знизу дзеркалом чавуну.

Одержані характеристики руху рідких продуктів плавки дозволяють створити математичну модель зміни рівня розплавів у горні печі в період випуску, побудувати утвірну депресивну воронку шлаку в об'ємі коксу, оцінити його кількість, що залишається в горні після закінчення випуску.

Подано аналітичний розрахунок утворення воронки в шарі чавуну в процесі випуску. Час утворення воронки визначається за рівнянням:

.

Чавун під шаром шлаку практично витікає до горизонтальної поверхні.

Методика розрахунку геометричних розмірів шлакової депресивної воронки розроблена для ідеальних умов: стабільна робота доменної печі; приплив чавуну й шлаку в горні печі, їх фізичні й хімічні властивості однакові по всьому перерізу; відсутнє завалювання горна по периферії й у центрі; неможливий вплив стінок металоприймача на витікання продуктів плавки.

Кінцевою метою поданої методики є визначення вертикальної й горизонтальної швидкості руху шлаку у фіксованих точках горна, що дозволить аналітичним методом розрахувати величини тривалості випускання продуктів плавлення, геометричні розміри депресивної воронки в будь-який момент випускання, об'єм горна, зайнятого шлаком, що залишається в печі в момент закриття каналу чавунної льотки.

З віддаленням від каналу льотки швидкість витікання шлаку в об'ємі горна зменшується пропорційно площі сфер (рис.1), відповідно зменшуються вертикальні й горизонтальні її складові, для визначення яких обчислимо площі частини сферичної поверхні. Для зручності розіб'ємо об'єм горна на три зони:

- об'єму V₁, обмеженого сферою, поверхнею чавуну й передньою стінкою горна;

- об'єму V₂, обмеженого сферою, поверхнею чавуну, поверхнею шлаку й бічною стінкою горна;

- об'єму V₃, обмеженого сферою, поверхнею шлаку й задньою стінкою горна.

Розглянемо осьовий переріз горна доменної печі, де H_о - рівень заповнення його шлаком. У об'ємі горна в трьох зонах V₁, V₂, V₃ площі частини сферичної поверхні очевидно обчислюватимуться за різними формулами.

Формула для обчислення площі частини сферичної поверхні в зоні V₁ має вигляд:

Формула для обчислення площі частини сферичної поверхні в зоні V₂ має вигляд:

.

Формула для обчислення площі частини сферичної поверхні в зоні V₃ має вигляд:

.

Лінійна швидкість руху шлаку в напрямі до каналу чавунної льотки в будь-якій фіксованій точці горна для будь-якого об'єму доменної печі визначається за виразом:

.

Маючи розрахункову величину тривалості випуску продуктів плавки можна визначити рівень шлаку в будь-якому секторі горна. Для цього отримано наступний вираз:

.

Після визначення рівня шлаку в кожному секторі горна, будується поверхня депресивної воронки залишкового шлаку в горні доменної печі.

Для визначення об'єму горна, зайнятого залишковим шлаком після закінчення випуску продуктів плавки, використаний наближений метод, який полягає в тому, що виділяються елементарні об'єми по секторах:

=.

Методика дозволяє визначати рівень шлаку в будь-якому секторі горна в період випуску продуктів плавки, побудувати геометричні розміри депресивної воронки, визначити об'єм горна, зайнятий залишковим шлаком після закінчення випуску.

Час вирівнювання депресивної воронки визначається за виразом:

,

Загальний рівень наповнення горна доменної печі за період вирівнювання депресивної воронки шлаку становитиме:

.

У третьому розділі розглянуто аналіз процесів у горні доменної печі, запропонований другий альтернативний аналітичний метод визначення величини об'єму горна, заповненого залишковим шлаком після закінчення випуску, на підставі балансу прибуття і виходу продуктів плавки в горні доменної печі.

Об'єм чавуну, що виплавляється за добу й займає горн, становитиме:

,

Об'єм шлаку, що виплавляється за добу й займає горн, становитиме:

,

Сумарний об'єм чавуну й шлаку, що виплавляється за добу, становитиме:

+.

У період випуску продуктів плавки в металоприймач безперервно надходять зверху знов виплавлені чавун і шлак, які проходять через нього й потрапляють безпосередньо в чавуновізні й шлаковізні ковші. Сумарний об'єм таких продуктів плавки за добу становитиме:

.

Кількість випусків рідких продуктів плавки за добу через канал чавунної льотки з горна доменної печі можна визначити за формулою:

або ,

Використовуючи середньостатистичні дані роботи доменних печей, можна визначити об'єм горна, що не бере участі в процесах масообміну продуктів плавки в період їх випуску:

або .

У попередньому розділі на підставі теоретичних досліджень розроблено методику визначення об'єму горна, який заповнений шлаком, що залишається після закінчення випуску продуктів плавки. Було виконано порівняльний аналіз двох розроблених методик з метою доведення їх ідентичності й відповідності реальним умовам протікання процесів у горні доменної печі.

Порівняльний аналіз отриманих результатів за використання двох незалежних методик дозволив вивести оцінку відносної погрішності визначення залишкового шлаку й, відповідно, профілю депресивної воронки й, зрештою, кількості випусків продуктів плавки.

Дві розроблені незалежні методики визначення об'єму горна зайнятого залишковим шлаком, за різних рішень випуску продуктів плавки на печах з об'ємом від 1033 м³ до 3000 м³ показали їх ідентичність і прийнятність використання за умови контролю балансу продуктів плавки в горні. Відносна погрішність в середньому становила 2,66%.

Методики дозволяють моделювати зміни рівня чавуну й шлаку в період наповнення й випуску продуктів плавки, визначити об'єм горна, зайнятого шлаком, що залишається в горні після закінчення випуску. Вони призначені для проведення технологічних розрахунків, визначення оптимального режиму випуску і їх кількості за добу. Одержані теоретичні й практичні дані призначені також для читання лекцій студентам з теорії й технології доменного виробництва за фахом "Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів".

Теоретичний аналіз показав, що на печах малого об'єму найлегше організувати роботу горна, оскільки невеликі поперечні розміри забезпечують сприятливі умови видачі чавуну й шлаку. Після закінчення випуску за різних режимів видачі продуктів плавки на доменній печі об'ємом 1033 м³ корисний об'єм горна заповнений залишковим шлаком на 14-43%.

На печах великого об'єму це завдання ускладнюється. Так на печі об'ємом 3000 м³ після закінчення випуску корисний об'єм горна заповнений залишковим шлаком на 60-83%, що вимагає організації більшої кількості випусків продуктів плавки за добу. З підвищенням об'єму печі й діаметра горна збільшується кількість шлаку, що залишається після закінчення випуску.

Використовуючи методику, розроблену в попередньому розділі, як приклад розрахований профіль поверхні дзеркала депресивної воронки шлаку після закінчення випускання на печі об'ємом 3000 м³ при його тривалості 30,45 і 60 хвилин (рис. 2).

За зменшення швидкості видачі продуктів плавки, після закінчення випуску, з протилежного від чавунної льотки боку горна рівень шлаку підвищується. Для більш повного його спорожнення необхідна інтенсивна видача шлаку від 2 до 4,5 м³/хв. При цьому вертикальна швидкість спорожнення горна буде вища за швидкість наповнення, що дозволить зменшити об'єм горна, заповненого залишковим шлаком у момент продувки горнового газу й закриття каналу чавунної льотки.

Найбільш ефективним заходом для зниження кількості шлаку, що залишається після закінчення випуску, є збільшення кількості випусків продуктів плавки. Проте їх кількість, з іншого боку, визначається економією витрат на горнові роботи, а також повною наливкою ковшів.

Числовий аналіз показав, що після випуску й закриття чавунної льотки депресивна воронка вирівнюється в середньому від 15 до 35 хвилин на печах з об'ємом від 1033 до 3000 м³.

За зменшення часу заповнення горна на великих доменних печах шар над льотками накопичується до 100-250 мм, на малих - до 500 мм. На потужних доменних печах за тривалого випуску невеликого часу наповнення депресивна воронка не встигає вирівнюватися, особливо на печах, що мають 3-4 льотки й безперервний випуск.

У четвертому розділі розглянуто систему контролю за станом горна доменної печі.

Відомі розробки щодо визначення й контроля рівня продуктів плавки по колу печі. Вони передбачали видачу інформації на екран у вигляді розгортки рівня чавуну й шлаку в районі кожної з повітряних фурм і дозволяли запобігти підйому розплавів вище за зрізи фурм через відкриття тієї або іншої льотки, що було істотним теоретичним і технологічним рішенням у той час. Таким чином, за допомогою цих розробок можна було визначати зовнішні вихідні параметри окружної нерівномірності рівня продуктів плавки, але вони не дозволяли провести аналіз і з'ясувати причини її появи, оскільки в них було відсутнє відповідне програмне забезпечення й не враховувалося багато параметрів ходу печі.

Автором розроблено систему визначення контролю й регулювання роботи горна доменної печі. Система складається з датчиків контролю основних інформаційних сигналів електрограм по висоті й колу нижньої частини кожуха доменної печі, датчиків контролю інтенсивності випромінювання випусканих продуктів плавки, вимірювального блока з модулями фільтрації, імітації вхідних сигналів, живлення й багатоканальним вимірювальним підсилювачем, комп'ютера з адаптером аналогових сигналів.

Система призначена для оперативного контролю стану низу доменної печі, визначення відхилень від нормального технологічного режиму й запобігання аварійним ситуаціям. Вона дозволяє контролювати рівень розплавів у горні й ступінь заповнення його продуктами плавлення, а також тенденцію зміни дренажних умов у горні й загального теплового стану печі.

Алгоритми й програмне забезпечення системи дозволяють здійснювати:

- контроль електрограм на кожусі в заданих секторах по висоті та колу горна доменної печі;

- контроль зміни рівня розплавів по колу горна;

- контроль інтенсивності випромінювання продуктів плавки в період їх випуску з горна;

- визначення моментів початку й закінчення випуску чавуну й шлаку через чавунні льотки;

- контроль тенденції зміни теплового стану доменної печі;

- контроль тенденції зміни дренажних умов у горні.

Видавана системою інформація відображається на екрані дисплея в табличному й графічному вигляді у формі, зручній для використання за оперативним управлінням доменною піччю.

Порівняння інформації, поданої в реальному часі, дозволяє визначити розігрівання горна або його похолодання. Прогноз теплового стану низу печі попереджає обслуговуючий персонал за 1,5-2 години. Крім того, визначається окружна нерівномірність спорожнення й наповнення горна доменної печі.

У сукупності система визначає загальний стан низу доменної печі.

Експлуатація системи за конкретних технологічних ситуацій дозволяє здійснити:

- оптимізацію режиму випусків рідких продуктів плавки, за рахунок уточнення їх кількості й тривалості;

- стабілізацію теплового стану низу доменної печі через зміни рудного навантаження на колошнику й дуттьових параметрів;

- стабілізацію дренажних умов у горні, за рахунок організації його промивки;

- контроль окружної нерівномірності роботи низу печі й уживання заходів по її ліквідації.

Удосконалення технології доменної плавки на підставі використання системи з відповідними технологічними інструкціями дозволяє зменшити окружну нерівномірність роботи горна, стабілізувати схід стовпа шихтових матеріалів, вирівняти температурне поле по перерізу печі. Це дозволяє одержати до 9% приросту продуктивності печі й зменшити до 1,2% витрати коксу, а також запобігає горінню повітряних фурм.

У п'ятому розділі подано технологію керування ходом доменної плавки на підставі аналізу закономірностей зміни параметрів процесів у горні. Одним із шляхів удосконалення технології доменного виробництва є оптимізація процесів на підставі використання додаткової інформації від нових засобів контролю стану нижньої частини печі. Таким новим засобом контролю закономірностей зміни параметрів процесів, що відбуваються в горні, є використання електрограм на кожусі печі.

На рис. 3 подано характерний графік зміни різниці електропотенціалів щодо висоти кожуха печі в зоні чавунної льотки й з діаметрально протилежного боку в період наповнення й випуску рідких продуктів плавки. Буквами позначено П.В. - початок випуску, К.В. - кінець випуску.

На печі об'ємом 1386 м³ ВАТ "ЕМЗ" організовували 12 випусків продуктів плавки за добу через канал чавунної льотки з середньою тривалістю випуску 60 хвилин і наповненням 60 хвилин. Продуктивність печі становила 1816 т/добу чавуну, вихід шлаку 460 кг/т чавуну.

За такого графіка випусків перед початком розкриття каналу чавунної льотки (рис.3, графік А) утворилася стабілізована складова величини зміни різниці електропотенціалів на кожусі печі як у зоні чавунної льотки, так і з діаметрально протилежного боку горна (криві 1,2), яка показує його переповнювання рідкими продуктами плавки, що підтверджується зменшенням інтенсивності руху коксу перед фурмами, помутнінням задньої стінки вогнища горіння, іноді появою шлаку в рильній частині порожнини фурми.

Під час переповнювання шлак віддувається від стінок горна до центру печі дуттьовим потоком, вогнища горіння деформуються й розвивається периферійний хід. Наявність периферійного ходу супроводжується збільшенням температури периферії шахти, а також збільшенням утворення пару на випарній системі охолоджування.

Практика показує, що переповнювання горна рідкими продуктами плавки приводить до руйнування захисного шару - гарнісажу, футерування печі, до збільшення втрат тепла, відповідно до підвищення витрати коксу, зменшення продуктивності печі, частішають випадки горіння повітряних фурм.

Ураховуючи подані вище теоретичні розробки закономірностей процесів у горні доменної печі було запропоновано змінити режим випуску продуктів плавки за рахунок збільшення їх кількості, зменшення тривалості випуску й збільшення швидкості випуску розплавів.

Тривалість часу переповнювання горна доменної печі визначили за стабілізованою складовою величини зміни різниці електрограм на кожусі печі в зоні чавунної льотки, яка в середньому становила 15 хвилин, а за добу 15 · 12 = 180 хвилин. Ураховуючи, що час випуску становив 60 хвилин, слід додатково організувати 180: 60 = 3 випуска.

Було розроблено й реалізовано графік випусків продуктів плавки з 15 випусками за добу, тривалістю набору в середньому 50 хвилин і часом випуску - 45 хвилин. Запропонований режим роботи горна узгоджується з даними теоретичного аналізу при вивченні закономірностей зміни параметрів процесів, які відбуваються у нижній частині печі.

Реалізований новий оптимальний режим відпрацювання продуктів плавки показав, що характер електрограм змінився (рис. 3, графік Б) - відсутня стабілізована складова електрограм на початку випуску продуктів плавки. Переповнювання горна продуктами плавки не спостерігалося.

Пофакторний аналіз показав, що продуктивність печі збільшилася на 9,6%, економія коксу становила 0,16%, зменшилася окружна нерівномірність.

На електрограмі можна визначити час вирівнювання депресивної воронки шлаку (рис. 3, крива 1). Через 5-15 хвилин після закриття каналу чавунної льотки графік зміни електрограм має перегин. У період вирівнювання швидкість підвищення рівня шлаку інтенсивніша, ніж після того, як шлак у горні набув горизонтального рівня.

На печах великого об'єму вирівнювання депресивної воронки шлаку відбувається за проміжок часу до 35 хвилин, оскільки воронка має великі розміри.

Після відкривання каналу чавунної льотки на електрограмі є перегин, який указує на момент появи шлаку. Під час випуску рівень шлаку зменшується інтенсивніше (рис. 3).

Використання електрограм кожуха печі дозволило розробити методику критерію оцінювання дренажних умов горна. Відношення величини зміни за період випуску продуктів плавки різниці електропотенціалів на кожусі печі з боку діаметрально протилежного від чавунної льотки до зміни різниці електропотенціалів на кожусі в зоні чавунної льотки характеризує стан дренажних умов горна.

Якщо величина зазначеного відношення прагне до нуля, це свідчить про втрату активності горна. У період випуску продуктів плавки з протилежного щодо чавунної льотки боку горна рівень шлаку не знижується.

Для активізації роботи горна, його очищення від продуктів руйнування коксу, сажи, що утворюється від піролізу вуглеводневих домішок й незгорілих частинок пилевугільного палива, уперше в металургійній практиці України запропонований спосіб, що передбачає зменшення кількості кисню, що віднімається від оксидів заліза в зоні непрямого відновлення через циклічне скорочення витрати природного газу по групах повітряних фурм, що включають 2-3 фурми з періодом регулювання від 10 до 40 хвилин і з чергуванням в напрямі від чавунної льотки, на яку проводитиметься випуск, до діаметрально протилежного боку. Отримано залежність тривалості перекриття додаткового палива на фурми від різних параметрів роботи печі.

, хв.

Методика випробувана й упроваджена на доменних печах ВАТ "АМК".

У момент закінчення випуску, коли льотка була продута горновими газами, рівень розплавів знаходиться на горизонті каналу чавунної льотки. При цьому різниця електропотенціалів від випуску до випуску дрейфує. Дослідження показали, що аналіз електрограм дозволяє визначити початок охолоджування або, навпаки, розігрівання доменної печі за 2-2,5 години раніше, ніж показував аналіз вмісту кремнію в чавуні.

Кореляційний зв'язок між характером зміни електрограми й вмістом кремнію в чавуні становить 0,86.

Відомості про характер зміни електрограм у момент закінчення випуску дозволяють використовувати способи керування стабілізацією теплового стану печі через зміни рудної загрузки або зміною параметрів комбінованого дуття.

Річні економічні ефекти від упровадження системи контролю стану горна печі й удосконалення технології доменної плавки на підставі аналізу закономірностей зміни параметрів процесів у горні подано в таблиці 1.

У шостому розділі подано результати теоретичних досліджень розроблення й упровадження методики регулювання ходу печі під час виникнення накопичення й оповзання гарнісажу.

Оповзання гарнісажу приводить до різкого похолодання доменної печі в результаті попадання непроплавлених мас у горн, а також підвищення величини теплових втрат через стоншене футерування (рис. 4). Запобігання негативній дії попадання холодних непроплавлених мас на роботу горна печі в момент їх оповзання виконується окремими подачами або скіпами додаткового коксу. Проте ефективність цих заходів абсолютно недостатня для швидкого налагодження стійкої роботи горна й печі в цілому через великий час запізнювання (до 7 годин) подавання коксу від моменту виявлення оповзання гарнісажу. Крім того, час початку оповзання гарнісажу існуючими приладами й методами визначити неможливо.

У зв'язку з цим уперше в практиці управління доменних печей апропонований спосіб і проведено теоретичні дослідження щодо встановлення залежності температури й витрати води в паровипарювальній системі охолоджування нижньої частини шахти, розпару, заплечиків і товщиною гарнісажу.

Встановлено, що в період зростання товщини гарнісажу витрата пароводяної суміші зменшується й досягає мінімальних величин у період досягнення гарнісажем максимальних розмірів. У момент відриву його від кладки печі витрата води на системі збільшується. Таким чином, за наявною інформацією про тепловий стан нижньої частини шахти печі, розпару, заплечиків і зміни витрати води на охолоджування з'являється можливість прогнозування початку оповзання гарнісажу зазвичай за 3-5 годин. Для безперервного контролю зміни витрати й температури води розроблено автоматичну систему, що дозволяє визначити з великою точністю початок оповзання гарнісажу.

У результаті теоретичних досліджень і статистичного оброблення даних розроблено методику визначення величини додаткового коксу, кількості холостих подач залежно від збільшення витрати води на випарну систему охолоджування й величини теплових втрат (рис. 5).

У результаті час запізнювання подачі коксу скорочується до 1,5-2 годин, що дозволяє за коротший час стабілізувати роботу печі і понизити витрату додаткового коксу. Для швидшого розігрівання горна в цей період скорочують витрату природного газу і, якщо є можливість, збільшують температуру дуття.

Такий комплексний підхід до регулювання ходу доменної печі під час оповзання гарнісажу дозволяє стабілізувати й нормалізувати її роботу, поліпшити дренажні умови горна, збільшити продуктивність печі й зменшити витрату коксу.

Методика була впроваджена в доменному цеху ВАТ "АМК" й дозволила отримати економічний ефект у розмірі близько 700 тис. крб.

У сьомому розділі подано результати досліджень причин появи стаціонарної нерівномірності, що з'являється в періоди випусків продуктів плавки через різні льотки. У сучасних умовах під час освоєння потужних доменних печей, оснащених декількома чавунними льотками, найбільш складним завданням виявилась організація роботи горна. Планомірні горнові роботи не вирішують повною мірою питання стабілізації роботи низу печі. Значно частіше стали траплятися розлади його роботи, які приводять до похолодання печі, неповного випуску продуктів плавки, нестабільної тривалості випуску, до коливання хімічного складу цільового продукту, масового горіння повітряних фурм.

Перш за все необхідно враховувати взаємне розташування льоток по висоті й кут їх нахилу. Елементарні розрахунки показують, що зміна кута нахилу льоток на 2-3⁰ за середньої довжини каналу льотки 2-3 м може привести до того, що внутрішній отвір однієї льотки виявляється на 80-110 мм вище, ніж в іншої. Тому навіть за відсутності зовнішніх ознак окружної нерівномірності через одну льотку виходитиме чавуну більше, ніж через іншу, а за наявності трьох і більше льоток, що знаходяться під різними кутами нахилу, нерівномірність посилюється й через одну з льоток може навіть відбуватися випуск шлаку вперед.

На кількість і швидкість витікання чавуну й шлаку, що виходить з печі за час випуску, великий вплив чинять: довжина й діаметр льотки, зміни їх розмірів за час випуску, тиск газів, в'язкість продуктів плавки. Зміна швидкості випуску продуктів плавки істотно впливає на форму воронки продуктів плавки й відносну нерівномірність співвідношення чавун-шлак за перерізом воронки на різних відстанях від випускного отвору, що може привести до перемішування чавуну й шлаку й порушення оновлення коксового насаду у горні печі.

Порушення розподілу продуктів плавки по висоті й колу горна печі також дуже впливає на коливання хімічного складу чавуну від випуску до випуску. Коливання посилюються неоднаковістю умов випусків під час порушення розташування отворів льоток по висоті горна.

Так через льотку, отвір якої розташований вище за інших, видаватиметься свіжовідновлений чавун, що має підвищений вміст кремнію й марганцю. Через льотку, розташовану нижче за інших, видається чавун з нижчележачих шарів горна, який має нижчу температуру, менший вміст кремнію й більший вміст сірки.

З метою глибшого виявлення вищенаведених положень вивчено роботу доменної печі №1 Алчевського металургійного комбінату. Піч об'ємом 3000 м³ має три льотки й у досліджуваний період працювала дуже нестійко з показниками, далекими від оптимальних.

Для вивчення доменна піч була умовно розділена на три сектори відповідно до кількості льоток. Виконаний статистичний аналіз роботи печі за 12 місяців показав наявність явно вираженої стаціонарної нерівномірності роботи нижньої частини печі.

Як характеристики окружної нерівномірності використані абсолютна різниця й середні значення наступних параметрів: час накопичення й тривалість випуску продуктів плавки; кількість чавуну, що випускається, і шлаку за один випуск, за добу; хімічний склад чавуну й шлаку; парознімання системи випарного охолоджування; температура чавуну.

Виконаний статистичний аналіз роботи печі за 12 місяців показав наявність на доменній печі явно вираженої стаціонарної окружної нерівномірності роботи нижньої зони печі (таблиця 2).

Найбільша кількість випусків була проведена на чавунну льотку №1, найменша - на чавунну льотку №3. У процентному співвідношенні кількість випусків на першу чавунну льотку становила 36,8%, на другу - 34,0%, на третю - 29,2%.

Середній час наповнення горна й тривалість виходу продуктів плавки практично однакові й становлять близько 36,1 хвилини й 64,9 хвилини відповідно.

Кількість шихтових матеріалів, завантажених на колошнику печі, у середньому становила 13,6 подач за годину й майже не залежала від того, на яку льотку здійснювався випуск.

Найбільш істотна відмінність спостерігається в кількості виданих продуктів плавлення по льотках. Середня маса чавуну за випуск найбільша на чавунну льотку №3 (у 1,51 раза більше, ніж на чавунну льотку №1, і в 1,13 раза більше, ніж на чавунну льотку №2). Відносна нерівномірність з виданої маси чавуну становила близько 50%.

З іншого боку, середня кількість ковшів виданого шлаку за випуск на чавунну льотку №3 найменша (у 1,67 раза менше, ніж на чавунну льотку №1, і в 1,43 раза менше, ніж на чавунну льотку №2). Окружна відносна нерівномірність становила близько 67%. Вона не може бути зумовлена тривалістю випуску, оскільки середня тривалість відпрацювання продуктів плавки по чавунних льотках практично однакова (64-66 хвилин), не може бути зумовлена кількістю випусків за добу, у середньому за рік їх кількість становила на чавунну льотку №1-5,2 випусків за добу, на чавунну льотку №2 - 4,7 випусків за добу й на чавунну льотку №3 - 4,1 випусків за добу.

Наявність нерівномірності видавання маси продуктів плавки по колу горна безумовно позначається і на хімічному складі чавуну і шлаку.

Уміст кремнію в чавуні, який виходить через чавунну льотку №1 - найбільший, а на чавунній льотці №3 - найменший. Аналогічно розподіляється й уміст марганцю. Пояснюється це тим, що на першій льотці видається свіжовідновлений чавун, що має підвищений вміст кремнію. На чавунну льотку №3 видається чавун з нижчележачих шарів, який має нижчу температуру й зазнає хімічної сегрегації (вміст кремнію мінімальний). Більш того, через утворення стаціонарної застійної зони шлаку має місце зниження температури розплавів, що також зменшує вміст кремнію в чавуні.