Підвищення ефективності доменної плавки удосконаленням управління процесами в горні печі

Вирішення проблем підвищення ефективності протікання процесів у горні доменної печі для скорочення витрати коксу і зниження собівартості чавуну. Розробка технічних рішень з підвищення ефективності використання комбінованого дуття високих параметрів.

Рубрика Производство и технологии
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 24.06.2014
Размер файла 101,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

Підвищення ефективності доменної плавки удосконаленням управління процесами в горні печі

05.16.02 - "Металургія чорних металів”

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Лялюк Віталій Павлович

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

Доктор технічних наук, професор Товаровський Йосип Григорович,

Інститут чорної металургії НАН України, старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Тарасов Володимир Петрович, Приазовський державний технічний університет, професор кафедри металургії чавуну;

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

доктор технічних наук, професор Губинський Володимир Йосипович, Національна металургійна академія України, завідувач кафедри теплотехніки й екології металургійних печей.

Провідна установа: Донецький національний технічний університет, Міністерство освіти та науки України, м. Донецьк.

Захист відбудеться " 15 ”жовтня 2002 р. у 1230 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України, 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий " 31 ”серпня 2002 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор ____________________ Камкіна Л.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Ключовими проблемами чорної металургії України в даний час є скорочення витрат енергетичних і матеріальних ресурсів на виробництво чавуну і підвищення одиничної потужності агрегатів. Найбільш вагомим фактором у рішенні цієї проблеми є економія коксу, питома витрата якого на 140-150 кг/т чавуну перевищує відповідні витрати в промислово розвинутих країнах.

Рішення поставленої задачі за рахунок підвищення ступеню використання теплової і хімічної енергії газового потоку здійснюється шляхом його раціонального розподілу по перетині доменної печі - як "зверху” - керуванням розподілом шихтових матеріалів на колошнику, так і "знизу" - керуванням подачею дуття і формуванням потоку газів у горні. Перше розроблене більше, друге - менше, що пов'язано з труднощами одержання первинної інформації про процеси в горні.

Процеси в горні є динамічними і багатофакторними. Відстеженням змін окремих параметрів не вдається точно оцінити, в якому напрямку підуть ті чи інші процеси, через що прийняття коректних рішень з управління ходом доменної плавки утруднено. Недостатньо вивчене, зокрема, питання про розміри фурмених зон горіння і глибину проникнення газів до центру горна, особливо при використанні комбінованого дуття, а також залишаються дискусійними критерії оцінки цих параметрів і способи керування ними. Застосовувані на практиці способи введення природного газу в потік дуття не забезпечують максимально-можливої ефективності його використання і вимагають удосконалення. У зв'язку з погіршенням якості коксу і його руйнуванням у ході плавки необхідні прогнозування і попередження очікуваних захаращень горну в умовах дефіциту традиційних "промивних" матеріалів. Зазначені питання, а також ряд загальних проблем доменної плавки як великої системи лягли в основу даної дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Питання, що розглядаються в дисертаційній роботі, відповідають Державній програмі розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року і Державній програмі енергозбереження. Виконання дисертації зв'язане з планами робіт НМетАУ, ІЧМ НАН України і КДГМК "Криворіжсталь”. Основу дисертації складають результати науково-дос-лідних робіт, виконаних з 1983 по 2002 роки: № гос. рег.0183.0009178 і № гос. рег.0184.0020722 (керівник), № гос. рег.01.85.0014811, № гос. рег.0187.0019468, № гос. рег.0188.0022918 і № гос. рег.0102U003689 (відповідальний виконавець).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є теоретичне обґрунтування, експериментальне дослідження і розробка заходів, спрямованих на рішення проблем підвищення ефективності протікання процесів у горні доменної печі для скорочення витрати коксу і зниження собівартості чавуну. Відповідно до цього були визначені задачі дослідження:

комплексне вивчення газодинамічних і гідродинамічних процесів у горні доменної печі і розробка критеріїв їхньої оцінки;

розробка найбільш ефективних заходів щодо удосконалення газодинамічних і гідродинамічних процесів у горні з наступним їхнім використанням на печах;

розробка технологічних і технічних рішень з підвищення ефективності використання комбінованого дуття високих параметрів;

аналіз деяких системних властивостей доменної плавки і розробка способів підвищення її ефективності на основі циклічного управління параметрами фурм, комбінованого дуття і процесами в горні доменної печі.

Методи досліджень. При виконанні роботи використовувалися методи математичного і фізичного моделювання, математичної статистики, експериментальні методи досліджень на доменних печах, фундаментальні положення системного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів.

На основі аналізу параметрів фурмених зон і руху газового потоку в горні вперше встановлено, що зміна довжини зон найбільш повно характеризується критерієм повної енергії потоку комбінованого дуття, а зміна глибини проникнення газів усередину горну - критерієм повної енергії потоку горнового газу. Розроблено науково-методичні основи визначення цих комплексних критеріїв і їхнього спільного використання при аналізі доменної плавки.

Розроблено наукові основи управління дуттєвими параметрами з оптимізацією величин повної енергії потоків комбінованого дуття і горнового газу для доменних печей, що працюють у різних умовах. Розроблені науково-методичні основи використання критеріїв повної енергії струменю природного газу і повної енергії потоку дуття для встановлення найкращих умов їхньої взаємодії з метою підвищення ефективності використання природного газу.

На основі математичного, фізичного моделювання, а також аналізу реальних умов нагромадження в горні розплавів і їхнього витікання через льотки, вперше виявлені закономірності в послідовності виходу чавуну і шлаку, обумовлені характером формування грузлих мас в області горну. Встановлено, зокрема, що відносна частка випущеного через льотку чавуну до появи нижнього шлаку може характеризувати ступінь "захаращення" горна, що дозволяє прогнозувати початок розвитку цього процесу і попереджати його.

4. Вперше встановлена і технологічно пояснена закономірність неконтрольованого зрушення показників і параметрів доменної плавки при незмінних умовах плавки. Показано обумовленість цієї закономірності наявністю в кожнім режимі плавки компонентів, які не відповідають середнім параметрам і деформують з часом пересічні показники і параметри шляхом нагромадження нових властивостей, що стимулюють зазначене неконтрольоване зрушення процесів в іншу область. Обґрунтовано необхідність безперервного відстеження зазначених зрушень для формування параметрів нового режиму з використанням автоматизованої системи контролю й аналізу.

5. Вперше розрахунково-аналітичним шляхом у перспективних режимах плавки обґрунтована

необхідність використання для оцінки параметрів фурмених зон горіння розроблених комплексних дуттєвих критеріїв, які більш адекватно, ніж відомі, відбивають зміну параметрів зон. Уперше виконано прогноз параметрів фурмених зон горіння для перспективних режимів плавки і показана можливість досягнення таких значень параметрів, які необхідні для підтримки високої інтенсивності доменної плавки в прогнозуємих режимах.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Нові узагальнюючі критерії потоку комбінованого дуття і потоку горнового газу, що запропоновані для оцінки стану фурмених зон і глибини проникнення газового потоку до центра горна, є основою методики оптимізації дуттєвого режиму доменної плавки на печах, які працюють у різних умовах.

2. Розроблено і випробувано технічні рішення з введення природного газу у фурмений прилад, запропоновано оригінальні способи нагрівання природного газу перед введенням у фурму, підведення гарячого дуття до кільцевого повітропроводу, контролю витрат гарячого дуття через фурми і колошникового газу через газовідводи з регулюванням процесів по окружності печі для підвищення ефективності використання природного газу.

3. Розроблено і випробувано методи діагностики й оперативні способи очищення горну від продуктів руйнування коксу, а також способи циклічної зміни діаметру повітряних фурм і параметрів комбінованого дуття, що призначені для активізації роботи всього об'єму горна.

Основні положення, що виносяться на захист:

розробка й обґрунтування узагальнюючих критеріїв оцінки параметрів фурмених зон, що найбільш адекватно відображають стан фурмених зон горіння і рух газового потоку - повної енергії потоку комбінованого дуття і повної енергії потоку горнового газу;

науково-методичні основи визначення розроблених критеріїв і їхнього використання при аналізі доменної плавки в існуючих і перспективних умовах із установленням найкращих параметрів на різних доменних печах;

закономірності витікання розплавів через льотки, їхній зв'язок з характером формування грузлих мас і діагностика, на цій основі, захаращень горну;

закономірність неконтрольованого зрушення показників і параметрів доменної плавки при незмінних умовах плавки й обумовленість цієї закономірності неоднорідністю процесів у часі і просторі;

комплекс технічних рішень з поліпшення показників доменної плавки, розроблений на основі використання запропонованих критеріїв і встановлених закономірностей.

Реалізація результатів роботи.

Наступні результати досліджень і розробок дисертаційної роботи були випробувані і використані на доменних печах КДГМК "Криворіжсталь”:

у доменному цеху №1 випробувані способи доменної плавки з підведенням природного газу "знизу" в фурму через клапанний механізм, а також подачею природного газу з чергуванням підведень "зверху” і по вісі фурми;

у доменних цехах №1 і 2 випробувані і впроваджені методи контролю і способи оперативної ліквідації захаращень горна;

у доменному цеху №2 випробувано і впроваджено спосіб ліквідації перекосу рівня засипки шихтових матеріалів шляхом оперативного регулювання розподілу природного газу по фурмах печі;

у доменному цеху №1 випробувано і впроваджено спосіб доменної плавки з циклічною зміною температури гарячого дуття.

Фактичний економічний ефект від упровадження наукових розробок дисертаційної роботи в період з 1985 по 2001 роки дорівнює 5277509 грн. Очікуваний економічний ефект - 237000 грн. Частка автора у фактичному економічному ефекті складає 862688 грн.

Особистий внесок дисертанта. В дисертації узагальнені результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних особисто автором при проведенні науково-дослідних робіт у НМетАУ. Основні ідеї і положення дисертаційної роботи розроблені особисто автором. Проведення промислових експериментів і впровадження результатів розробок здійснювалися при сприянні фахівців КДГМК "Криворіжсталь”, а також співробітників НМетАУ та ІЧМ НАН України. Обробка даних, отриманих у ході досліджень, а також узагальнення результатів зроблені автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені у дисертацію, оприлюднені на всесоюзних конференціях "Теорія і практика сучасного доменного виробництва" (Дніпропетровськ, 1983), "Моделювання процесів у шахтних і доменних печах" (Свердловськ, 1988), конференції "Створення й удосконалення енергозберігаючих технологій у пірометалургії” (Караганда, 1988), 8-й міжнародній конференції доменників "Витковице 1989” (Острава, Чехословакія, 1989), національній конференції "Нові й удосконалені технології для окускування сировини і виробництва чавуну і феросплавів" (Варна, Болгарія, 1990), міжнародній конференції "Стан і перспективи розвитку аглодоменного виробництва України" (Маріуполь, 1997), IV міжнародному конгресі доменників "Доменне виробництво на рубежі ХХI століття” (Магнітогорськ, 1997), міжнародній конференції "Виробництво чавуну і сталі" (Словаччина, Кошице, 1998), міжнародній конференції "Наукові школи УПІ-УГТУ. З творчою спадщиною Б.И. Китаєва - у ХХI століття” (Єкатеринбург, 1998), V міжнародному конгресі доменників "Виробництво чавуну на рубежі сторіч” (Дніпропетровськ - Кривий Ріг, 1999), міжнародній конференції "Автоматизований пічний агрегат - основа енергозберігаючих технологій металургії ХХІ століття” (Москва, 2000).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 44 наукових працях, у тому числі: 4 монографіях, 18 статтях у наукових журналах, 13 авторських посвідченнях на винаходи і 9 матеріалах праць науково-технічних, національних, міжнародних конференцій і конгресів.

Обсяг роботи. Дисертація, що складається з вступу, 5 розділів, висновків і додатку, викладена на 351 сторінках машинописного тексту, включаючи 55 рисунків, 31 таблиці, 2 сторінки додатку і список використаних літературних джерел з 463 найменувань.

Основний зміст роботи

ПРОБЛЕМИ УПРАВЛІННЯ РОБОТОЮ ГОРНУ ДОМЕННОЇ ПЕЧІ

Рішення задачі підвищення ефективності доменного виробництва на основі скорочення витрати коксу засновано на пошуку внутрішніх резервів технології в сучасних умовах. Кризові процеси в економіці і промисловості загострили невирішені раніше проблеми доменної плавки. Збільшення вмісту дрібних класів у агломераті і коксі, збільшення класу +80 мм у коксі, зниження гарячої міцності коксу, а також застарілі морально і технічно повітродувні засоби призвели до зниження інтенсивності плавки й істотного посилення периферійного ходу печей. Спроби завантажити периферію залізорудними матеріалами при управлінні "зверху” приводять до нерівного ходу печей, зросту перепадів тиску і зниженню витрати дуття через нерозв'язаність проблем управління газовим потоком у горні доменної печі й узгодження роботи горну з розподілом шихтових матеріалів на колошнику печі. Периферійний хід газового потоку в існуючих шихтових умовах часто визначається необґрунтованим вибором параметрів фурм і комбінованого дуття. Низька інтенсивність доменної плавки по дуттю в існуючих шихтових умовах змушує іноді працювати з закриттям від 10 % до 30 % повітряних фурм при відповідній окружній нерівномірності газового потоку в печі. Наявність максимальної за конструктивними умовами кількості повітряних фурм на печі 5000 м3 не дозволяє в умовах зниженої інтенсивності ефективно керувати дуттєвим потоком, зокрема збільшувати при необхідності діаметр фурм більше 150 мм. Зниження інтенсивності плавки по дуттю призвело до перерозподілу максимальних витрат дуття через фурми з боку, протилежного врізанню прямого повітроводу гарячого дуття в кільцевий повітропровід, у район цього врізання і т.д.

Аналіз роботи доменних печей при різних параметрах дуття і різному стані фурмених зон горіння показує, що орієнтація на оцінку останніх за окремими дуттєвими і конструктивними параметрами не є ефективною. Не дає повної оцінки також відомий комплексний параметр - кінетична енергія потоку дуття. Багатьма дослідниками показана відсутність надійного зв'язку розмірів зон горіння перед фурмами печі з кінетичною енергією, як і з іншими раніше запропонованими показниками.

Приблизно два десятиріччя назад у теорію і практику доменної плавки, поряд із традиційним показником працездатності потоку дуття, що виходить з фурм доменної печі - кінетичною енергією, введено новий показник - повна енергія потоку повітряного дуття, що враховує, крім кінетичної енергії, й енергію тиску потоку дуття. Цей показник мав потребу в уточненні, тому що в ньому не враховувалися застосування комбінованого дуття, а також горіння коксу і природного газу перед фурмами, що істотно впливають на розміри зон горіння і проникнення газів усередину горна.

Однією з проблем роботи фурмених зон горіння доменної печі є незадовільне змішування природного газу з дуттям в існуючому фурменому приладі, що істотно впливає на ефективність використання природного газу. Дослідженнями встановлено, що природний газ, який подається у верхню частину фурми, змішується з потоком дуття недостатньо повно. Значна частина його виноситься потоком дуття на периферію печі, попадає у відновну зону і піддається піролізу. В результаті в біляфурменому просторі утворюється сажа і поглинається тепло, при цьому менше використовується відновна здатність водню, знижується величина коефіцієнту заміни коксу природним газом, захаращується горн і знижуються техніко-економічні показники доменної плавки. Це стимулює пошук нових технічних рішень.

Найважливішою проблемою доменної плавки є оцінка стану матеріалів у зоні формування розплавів, що має вирішальний вплив на хід утворення і розплавлення грузлих мас. Від ходу цього процесу в критичних ситуаціях, особливо при нагромадженні великої кількості продуктів руйнування коксу, залежить можливість захаращення горну. З метою його попередження необхідна діагностика процесу і розробка попереджувальних заходів. У зв'язку з цим потрібно вивчення механізму і формування критеріїв захаращення горну доменної печі.

Складність процесів доменної плавки та неконтрольованість багатьох параметрів не дозволяє просліджувати всі причинно-наслідкові зв'язки явищ. Це призводить до поступового зрушення сталих режимів плавки і переходу до нових режимів. У зв'язку з цим однією з актуальних задач є встановлення принципових причин зазначеного явища і пошук способів його відстеження з метою оптимізації режиму плавки.

Таким чином, для більш ефективного управління плавкою виявлена необхідність подальших уточнень і розробок, що включають:

формування більш адекватних критеріїв для контролю змін розмірів фурмених зон горіння і глибини проникнення горнового газу до центра печі;

виявлення і ліквідація стійкої нерівномірності витрати дуття по колу доменної печі при управлінні витратою дуттєвих домішок через фурми;

відстеження по непрямих ознаках неконтрольованих змін робочого обсягу горну, що мають вирішальний вплив на хід доменної плавки;

вивчення тенденцій зміни газодинамічних параметрів роботи горну при зниженні витрат коксу і дуття в перспективних умовах;

узгодження процесів у горні з параметрами роботи верхньої зони печі.

Зазначені задачі є предметом розгляду в наступних розділах дисертаційної роботи.

Розробка комплексних критеріїв дуттєвого потоку та оцінка їхнього впливу на параметри фурменої зони

Для керування ходом доменної плавки і рішення визначених проблем газодинаміки горну доменної печі, а також для вивчення впливу параметрів фурм, комбінованого дуття і горнового газу на розміри зон горіння і глибину проникнення газів до центра горну розроблені комплексні показники оцінки потоків комбінованого дуття і горнового газу.

Формула для визначення повної енергії потоку комбінованого дуття у фурмі отримана перетворенням загального рівняння балансу секундної енергії потоку і враховує зміну об'єму, температури і щільності газоповітряної суміші при частковому горінні природного газу в порожнині фурми (за розмірністю - це потужність: Дж/с=Вт, але традиційно в фаховій літературі її називають енергією):

(1)

де Qосм - приведена до нормальних умов витрата газоповітряної суміші, м3/с; Тсм - температура суміші, К; n - кількість фурм; осм - щільність суміші за нормальних умов, кг/м3; Sф - площа перетину фурми, м2; Рд - абсолютний тиск дуття, Па; 371,2 (Па/К) і 68877,6 (Па22) - коефіцієнти перерахування на нормальні умови (Р0=101325 Па і Т0=273 К). Перший додаток рівняння (1) - енергія тиску, другий - кінетична енергія потоку комбінованого дуття у фурмі. Загальна кількість газоповітряної суміші, що утворилася при горінні природного газу в порожнині фурми доменної печі, складає:

де Qод - об'ємна витрата дуття за нормальних умов, обмірювана приладами на печі, м3/с; Qог - об'ємна витрата природного газу за нормальних умов, м3/c; г - відносна частка природного газу, що згоряє у фурмі, в основу розрахунку якої покладені дослідження формування газової фази у фурмі при зміні витрати природного газу. Результати розрахунків дозволили одержати рівняння:

Хімічний склад газової фази, що утворилася в результаті згоряння частини природного газу в порожнині фурми, і нормальну щільність суміші газів обчислюють по стандартних формулах.

Температуру суміші газів у порожнині фурми визначимо з рівняння теплового балансу газів у цій порожнині, де сv'д - питома об'ємна теплоємність дуття при постійному об'ємі, Дж/ (м3К); Тд - температура дуття, К; Тг - температура природного газу на вході у фурму, К; qнг=1348,15 кДж/м3 і qпг=35608,73кДж/м3 - теплота неповного і повного згоряння СН4, відповідно; - питомі об'ємні теплоємності відповідно оксиду вуглецю, діоксиду вуглецю, водню, вологи, метану, кисню й азоту при постійному об'ємі Дж/ (м3К); О2 - вміст кисню в дутті, м33; - вміст азоту в газовій фазі у фурмі, м33.

Як критерій для оцінки довжини зони горіння прийнята відстань від торця фурми по її вісі до точки, у якій вміст СО2 у газі складає 2 %. Цей критерій - єдиний, визначаємий експериментально в різних дослідженнях, і на думку фахівців, він досить адекватно відбиває вплив змін активності фурмених зон горіння, включаючи їхні фізичні розміри і стан газів, на роботу доменної печі і показники плавки.

Для порівняння впливу комплексного показника повної енергії потоку комбінованого дуття (Епм кд) і його кінетичної енергії (Ек кд) на довжину зони горіння за даними роботи доменних печей об'ємом 675-5000 м3 були отримані їхні парні кореляційні зв'язки. Вплив досліджуваних показників на довжину зони горіння () і величини кореляційних відносин () наступні:

Струмінь дуття, що вийшов з фурми, утворює розпушену порожнину з інтенсивним рухом газів і кусків коксу. На цій ділянці в струмінь підводиться додаткова енергія, яка виділяється при згорянні коксу і природного газу. В результаті цього склад, маса, температура, щільність і теплоємність потоку горнового газу змінюються не тільки відносно параметрів потоку комбінованого дуття на зрізі фурми, але й в об'ємі фурменої зони горіння та біляфурменого простору. Підведення енергії в потік горнового газу різко змінює параметри потоку. При цьому кінетична енергія потоку дуття інтенсивно витрачається в розпушеній порожнині. Для визначення величини повної енергії потоку горнового газу Епм гг у зоні горіння запропоновано рівняння, яке є аналогічним рівнянню (1):

(2)

де Qогг - вихід горнових газів, приведений до нормальних умов, м3/с; Тт - температура в зоні горіння (теоретична температура горіння), К.

Для аналізу енергетичних характеристик дуттєвого потоку в усій системі доменної печі виконали розрахунок стосовно умов роботи доменної печі об'ємом 2700 м3 КДГМК "Криворіжсталь" з визначенням енергій: кінетичної - Ек, тиску - Ед і повної - Епм:

Показники

Холодне

дуття

Гаряче

дуття

На всіх фурмах

У зонах горіння

На кожну фурму

На кожну зону горіння

Колошник

Ек, кДж/с

4,6

67,5

2306,9

2306,9

100,3

100,3

0,16

Ед, кДж/с

8519,7

36621,7

45208,8

84968,9

1965,6

3994,3

22413,7

Епм, кДж/с

8524,3

36689,2

47515,7

94175,8

2065,9

4094,6

22413,9

На шляху руху потоку до фурмених зон збільшуються всі види енергії. При цьому в самих зонах горіння кінетична енергія цілком витрачається, а повна збільшується вдвічі у порівнянні з її величиною на фурмах, що визначає її високу роль у формуванні газопотоків у горні і шахті.

Вплив величини повної енергії потоку горнового газу на довжину зони горіння вивчали на основі тих же даних зондування горну доменних печей об'ємом 675-5000 м3 і одержали наступне рівняння:

Порівняння виражень зв'язку довжини зони горіння з критеріями повної енергії потоку комбінованого дуття (Епм кд) і потоку горнового газу (Епм гг.) показує малоістотну їх відмінність як за тіснотою зв'язку (=0,78-0,83), так і за величиною впливу (0,5-0,6 % / %). Це означає практичну рівнозначність їхнього використання для оцінки змін довжини зони горіння і перевагу першого з них як більш простого.

Разом з тим критерій повної енергії потоку горнового газу більш повно відбиває процеси за межами фурми і, поряд з роботою потоку по утворенню розпушеної порожнини, характеризує процеси проникнення газів за межі цієї порожнини всередину горну. Це пояснюється схемою, що відбиває існуючі уявлення про зону горіння, де довжина зони () для двох випадків умовно однакова, але у випадку 1-1 застосовують атмосферне дуття, а у випадку 2-2 - комбіноване дуття високих параметрів. Кількість газів, що утворюються у зоні горіння на одиницю дуття, у випадку 2 більше, що обумовлює більш глибоке їхнє проникнення всередину горну.

Зазначене положення ілюструється нижче експериментальними даними для двох прикладів із практики, де позначена (додатково): - довжина зони горіння; - відстань від устя фурми до межі з температурою в горні 1300 С; - те ж з температурою 1400 С. В обох прикладах у періоді 2 був збільшений вміст кисню в дутті.

Періоди

Приклад 1

Приклад 2

Епм кд, кДж/с

, м

Епм гг, кДж/с

Епм кд, кДж/с

, м

Епм гг, кДж/с

1

1765

0,90

3204

1,88

1783

1,75

3288

2,50

2

1818

0,95

3477

3,25

1630

1,50

3461

3,00

У першому прикладі при деякім збільшенні Епм кд відбулося невелике подовження зони горіння в періоді 2, а за рахунок застосування кисневого дуття істотно збільшилася Епм гг, що сприяло проникненню газу всередину горну, про що свідчить збільшення з 1,88 до 3,25 м.

В другому випадку заглиблення потоку газу в горн відбулося, незважаючи на скорочення довжини зони горіння з 1,75 до 1,5 м, і підтверджується не тільки збільшенням з 2,5 до 3 м, але й підвищенням температури газів у центрі колошника.

Таким чином, критерієм повної енергії потоку комбінованого дуття можна характеризувати зміну довжини зони горіння, а критерієм повної енергії потоку горнового газу - ступінь проникнення газів усередину горну. На цій основі можливе рішення практичних задач по оптимізації дуттєвих параметрів.

У ході рішення зазначених задач стосовно доменних печей № 8,7 і 6 КДГМК "Криворіжсталь" за періоди з 1969 року до лютого 2002 року встановлено, що в залежності від умов роботи печі існують діапазони мінімально і максимально припустимих значень повної енергії потоку комбінованого дуття у фурмі і повної енергії потоку горнового газу у зоні горіння Епм кд min, Епм гг min, Епм кд max, Епм гг max, у межах яких хід плавки відповідає вимогам рівного ходу печі і відносно стабільного теплового режиму плавки. Вони складають:

Енергії

Для печі об'ємом 2700 м3

Для печі об'ємом 2000 м3

Епм кд min, кДж/с

1500

1400

Епм кд max, кДж/с

2300

2200

Епм гг min, кДж/с

3100

3000

Епм гг max, кДж/с

4600

4500

Управляти розмірами зон горіння і глибиною газорозподілу в горні рекомендується на основі зазначених критеріїв у межах граничних величин з позицій оптимізації режимів плавки.

Визначення траєкторій газоповітряного потоку для доменної печі об'ємом 5000 м3 КДГМК "Криворіжсталь" здійснено на основі сукупного розгляду описуваних частками газу траєкторій і векторних рівнянь руху часток потоку, що виходить з фурми. Показано, що з ростом витрати дуття і його температури при сталості інших параметрів потік глибше проникає до центра горну. Зі збільшенням діаметру повітряних фурм глибина проникнення потоку газу в горн печі зменшується. Криві розподілу СО2 уздовж радіусу колошника, що були отримані в періоди роботи доменної печі за цих умов, підтверджують такі зміни розподілу газового потоку.

Для підтримки оптимального газодинамічного режиму горну за критерієм повної енергії потоку горнового газу рекомендується при зміні параметрів комбінованого дуття компенсувати виконані зміни іншими параметрами чи зміною числа працюючих фурм, особливо коли має місце значне зниження витрати дуття.

Висока значущість одного з запропонованих критеріїв дуттєвого режиму - повної енергії потоку комбінованого дуття - підтверджується також його прямим зв'язком із продуктивністю і витратою коксу, більш сильним, ніж інших критеріїв (для печей об'ємом 675-5000 м3):

для довжини зони горіння

П = 85,2755 + 2663,67 - 658,22, т/доб; = 0,42;

К = 507,851 + 321,929 - 198,65, кг/т; = 0,31;

для кінетичної енергії потоку комбінованого дуття

П = - 465,04 + 0,1227Ек кд - 110-6, т/доб; = 0,14;

К = 1652,43 - 0,0544Ек - 6,910-7, кг/т; = 0,27;

для повної енергії потоку комбінованого дуття

П = 2705,75 + 4,1298 Епм кд + 0,0028, т/доб; = 0,84;

К = 1344,21 - 1,2782 Епм кд + 0,0005, кг/т; = 0,5.

Управління параметрами комбінованого дуття для підвищення ефективності використання природного газу

Величина коефіцієнту заміни коксу природним газом при його витраті 90-100 м3/т і теоретичній температурі горіння 2100-2200 С повинна бути близько 1,0 кг/м3, а при витраті природного газу 180-200 м3/т і теоретичній температурі горіння 1900-2000°С - 0,8 кг/м3. Такі значення коефіцієнту заміни коксу є граничними і забезпечуються при рівній роботі доменної печі з оптимальним розподілом газів по перетину печі та при повному окисленні вуглеводнів у фурмених зонах. У реальних умовах значення коефіцієнтів заміни нижче граничних, що обумовлено головним чином нерівномірним газорозподілом по перетину печі від оптимального і неповним окисленням вуглеводнів у фурмених зонах. В даний час на більшості доменних печей використовується метод підведення природного газу через отвір у верхній половині фурми. Відомо, що при підведенні природного газу у верхню частину внутрішньої порожнини повітряної фурми струмінь газу притискається до неї потоком дуття. Незадовільне змішування його з дуттям призводить до підвищення концентрації водню в периферійному газі, внаслідок чого менше використовується його відновна здатність і знижується величина еквіваленту заміни коксу природним газом.

У роботі запропоновано визначати траєкторії часток струменю природного газу в порожнині фурми доменної печі на основі векторного рівняння їхнього руху (метод Лагранжа) і повних енергій потоків дуття і природного газу. Виконано розрахунки траєкторій струменю природного газу в порожнині фурми доменної печі при широкому діапазоні зміни всіх параметрів потоків дуття і природного газу. Показано, що для подачі струменю газу до вісі повітряної фурми при підведенні "зверху” найбільш доцільно здійснювати нагрівання газу до 500-600 С.

Розроблені технічні рішення для нагрівання природного газу перед подачею у фурми доменної печі на базі повітряної фурми з тепловими трубками і конструкцій плитових холодильників.

Для підвищення повноти перетворень природного газу у фурменому вогнищі розроблені і частково випробувані конструкції вузла введення природного газу у фурму доменної печі: через інтенсивно охолоджувану насадку; через вогнетривку вставку з вогнетривким наконечником; через наконечник, установлений коаксиально в тепловій трубі; "знизу" в повітряну фурму, у якої вихідний отвір газопідводящої трубки захищається клапаном, що охороняє його від забивання рідким шлаком у моменти зниження витрати дуття і зупинок печі.

доменна плавка дуття комбіноване

Розроблено спосіб подачі природного газу у фурми, що полягає в одночасному підведенні газу через верхній і нижній отвори, при цьому витрати газу в двох потоках змінюють, мінімізуючи вміст водню в колошниковому газі. Розроблений також спосіб подачі природного газу з чергуванням по окружності горну вузлів уведення газу "зверху”, "знизу" і по вісі потоку, що сприяє поліпшенню повноти перетворень вуглеводнів. Дослідження на доменних печах КДГМК "Криворіжсталь" показали можливість економії коксу за цей рахунок в межах 3,1-4,4 %.

З метою розвитку способу управління параметрами комбінованого дуття шляхом пропорціювання витрат природного газу по фурмах відповідно до витрати дуття розроблена система контролю і регулювання співвідношення "природний газ-дуття”, яка може бути також застосована для рішення багатьох локальних задач управління доменною плавкою. Зокрема розроблений, випробуваний і впроваджений на доменній печі об'ємом 5000 м3 КДГМК "Криворіжсталь" спосіб ліквідації перекосу засипки шихтових матеріалів у доменній печі за рахунок збільшення витрати відновних домішок через фурми в секторі печі, де рівень засипки нижче, і зменшення витрати відновних додатків до дуття на ту ж величину в секторі печі, де рівень засипки вище. Розроблено також спосіб одночасного контролю витрат гарячого дуття через фурми і колошникового газу через газовідводи, що дозволяє оцінити розподіл газових потоків у печі і збільшити надійність контролю.

Установлена наявність стійкої нерівномірності витрати дуття по окружності печі, обумовленої конструкцією кільцевого повітропроводу. Знайдено технічне рішення по зменшенню цієї нерівномірності за рахунок виконання двостороннього діаметрального підведення дуття в кільцевий повітропровід і установки вставок у різні частини повітряпідводящого тракту.

Управління робочим об'ємом горна доменної печі

Основними причинами захаращення горна доменних печей є: утворення коксового дріб'язку через погіршення якості коксу й утворення неплавких мас на основі графіту, вапна і його силікатів чи алюмінатів, які випадають у самостійні тверді фази з чавуну і шлаку внаслідок зміни умов їхньої граничної розчинності при зміні температур по радіусу горна. Захаращення, зв'язані з утворенням коксового дріб'язку, більш характерні для центральної частини горна, але не виключені і на периферії, особливо в міжфурмених просторах. Ущільнена маса дрібного коксу у центрі печі малопроникна для шлаку, що утруднює газифікацію вуглецю за рахунок шлаків, які надходять у горн при нормальній роботі печі з дуже низьким вмістом монооксиду заліза. Можна припустити, що в цьому випадку шлак стікає по похилих стінках, які утворюються в центрі шлако-коксовой настилі, накопичується в основному на периферії печі і витискає чавун у центр горну.

Розроблено математичну модель нагромадження і витікання продуктів плавки з горна доменної печі, засновану на фізичній моделі, що припускає періодичне виникнення в центрі горна нижче рівня повітряних фурм області, непроникної для шлаку, внаслідок зниження там температур до рівня, при якому шлак не може знаходитися в рідкорухомому стані.

Запропонована модель витікання продуктів плавки з горна доменної печі покладена в основу контролю ступеню захаращення горну. Встановлено, що вихід через льотку протягом випуску менше 25 % чавуну до появи нижнього шлаку при коефіцієнті варіації цієї величини 0,22 протягом 48-72 годин свідчить про початок захаращення горна і необхідність вживання заходів по його "промиванню”.

Розроблено також балансовий метод контролю захаращення горна доменної печі, що полягає у визначенні кількості вапна, що накопичується в горні за визначений період часу. Експериментально встановлено, що при нагромадженні в горні більше 70-100 тонн вапна необхідно очищати горн печі.

Удосконалено і впроваджено у виробництво спосіб "промивання” горна доменної печі шляхом відключення чи зниження витрати природного газу, що подається у фурми печі, на 15-120 хвилин через 5-10 хвилин після відкриття випуску чи після появи нижнього шлаку. Це виключає можливість підвисання шихти в періоди відключення природного газу і збільшення теоретичної температури. Розроблено спосіб "промивання” горна, що полягає в збільшенні витрати природного газу на 7-9 % на 1-2 години для розігріву периферії горну перед відключенням чи зниженням витрати природного газу, що виключає завантаження в піч холостих подач для запобігання похолодіння горну після чи в момент "промивання” і погіршення якості чавуну, що утворюється з "промивної" шихти.

На доменній печі № 8 об'ємом 2700 м3 КДГМК "Криворіжсталь" було проведено 45 "промивань" за методикою, що передбачає зниження витрати природного газу на 15-120 хвилин через 10-15 хвилин після відкриття випуску. Продуктивність печі в цьому періоді була вище, ніж у базовому, на 7,8 %, а витрата коксу була нижче на 14 кг/т. На доменній печі № 6 об'ємом 2000 м3 було проведено 87 аналогічних "промивань" горну. Продуктивність печі в цьому періоді збільшилася на 1,4 %, а витрата коксу знизилась на 1,5 %.

Системний аналіз режимів плавки і робота горна в перспективних умовах

Системний аналіз

Відоме з практики доменного виробництва неконтрольоване зрушення показників плавки при тому самому режимі, а також підтримка заданих показників при періодичній зміні режиму і поверненні до нього не суперечать закономірностям функціонування доменної плавки як великої системи. В зв'язку з нерівномірністю розподілу середовища і його властивостей в об'ємі агрегату кожен режим містить компоненти, які не відповідають його середнім параметрам і деформують з часом середні параметри і показники плавки шляхом нагромадження нових властивостей, що стимулюють спонтанне зрушення стану процесів в іншу область і потребують корегування режиму для досягнення заданих показників.

Якщо високочастотні коливання параметрів, період яких на порядок менше часу перехідних процесів, практично не пропускаються піччю і не впливають на вихідні параметри, а коливання, порівняні з цим часом, повинні відслідковуватися для використання при оперативному управлінні, то довгострокові зміни, тривалість яких значно перевищує час перехідних процесів, призводять до повільного зрушення процесів до нового режиму, для оптимізації якого необхідне відстеження дрейфу процесів шляхом спеціальної обробки параметрів і показників.

З метою збільшення загальної активності роботи горну доцільна, наприклад, циклічна зміна діаметру повітряних фурм (довжини зони горіння), що сприяє періодичному посиленню газодинамічної і теплової активності периферії чи центру горна. Періодичність установлюється для кожної печі індивідуально на основі відстеження й аналізу дрейфу. Тривале спостереження за роботою доменних печей об'ємом 1719-5000 м3 КДГМК "Криворіжсталь" на фурмах різного діаметру показало, що при зменшенні діаметру фурм печі мали максимальне зростання продуктивності і максимальне зниження витрати коксу протягом 10-14 діб, і ще протягом 20-30 діб показники знижувалися до базових на момент зміни діаметру фурм. Загальна тривалість періоду поліпшення показників при зменшенні діаметру фурм - 30-34 доби. При збільшенні діаметру фурм печі мали максимальне зростання продуктивності і максимальне зниження витрати коксу протягом 20-30 діб, і ще протягом 40-60 діб показники знижувалися до базових на момент зміни діаметру фурм. Загальна тривалість періоду поліпшення показників при збільшенні діаметру фурм - 60-90 діб.

Різна тривалість стабільного режиму роботи доменної печі з моменту зміни діаметру повітряних фурм до початку спаду пояснюється різною площею перетину периферії і центру печі, різними розмірами зон горіння (довжиною і шириною) на фурмах різного діаметру, а також різним часом втрати активності периферії і центру при зміні діаметру фурм. Фурми більшого діаметру забезпечують більш широкі зони горіння, і якщо кількість встановлених і працюючих фурм відрізняється незначно, то має місце більш рівномірний газовий і тепловий потік на периферії. Якщо при цьому на фурмах більшого діаметру були більша витрата дуття, більш висока температура дуття і мале число закритих фурм, що сприяє росту повної енергії комбінованого дуття, то більше була і довжина зони горіння, що збільшувало площу активних зон у горні печі. На фурмах малого діаметру через збільшення міжфурмених відстаней знижувалася рівномірність розподілу газу і тепла на периферії і, якщо при цьому знижувалися витрата дуття і його температура, то зменшувалася повна енергія потоку комбінованого дуття і скорочувалася довжина зони горіння, а відповідно - і площа активних зон у горні печі.

З огляду на викладене, є доцільним використання технології доменної плавки з періодичним чергуванням фурм різного діаметру і періодичною перестановкою фурм різного діаметру місцями. Це забезпечує активізацію всього перетину горна як по радіусу, так і по окружності. Обидва способи дозволяють інтенсифікувати плавку, тому що забезпечують безупинний перехідний процес "периферія-центр" і "активні-застійні” зони, як уздовж радіуса, так і по колу горна печі. Для виключення операції заміни повітряних фурм можлива зміна їхнього вихідного перетину шляхом установки у внутрішньому каналі фурм жаростійких вставок.

У доменному цеху №1 КДГМК "Криворіжсталь" випробувано і впроваджено спосіб доменної плавки з циклічною зміною температури гарячого дуття, що полягає в переведенні чергового повітронагрівача на дуття на початку випуску чавуну зі зрушенням по фазі на 0,08-0,2 від тривалості періоду між випусками. Це дозволяє уникнути гарячих підвисань шихти в печі, підвищити середню температуру дуття на 75-140 С, циклічно змінювати величину запасу повної енергії потоку комбінованого дуття на зрізі фурми і довжину зони горіння, тобто активізувати роботу горну. Можлива частота коливань температури дуття дорівнює оптимальному числу випусків (8-14), що відповідає тривалості періоду 1,7-3 години при амплітуді 150-300 С.

В міру зменшення коливань параметрів (за рахунок стабілізації складу і властивостей шихти і дуття, збільшення рівномірності їхнього розподілу при подачі в піч, удосконалення конструкцій агрегатів і устаткування) відбувається збільшення тривалості неконтрольованого зрушення режиму до величин, що у ряді випадків дорівнюють міжремонтним періодам роботи агрегату. Відстеження зазначеного зрушення для оптимізації параметрів нового режиму вимагає використання автоматизованої системи контролю й аналізу процесів.

Робота в перспективних умовах

В сучасних умовах доменної плавки, при вже досягнутих на деяких заводах ряду країн майже граничних рівнях температури дуття і вмісту заліза в шихтових матеріалах, а також при ефективності відновних процесів у шахті доменної печі, що наближається до граничних значень, збільшення витрати додаткового палива, що вдувається у фурми, є основним чинником зниження витрати коксу. В Україні і Росії єдиним видом палива, що вдувається в печі, в даний час є природний газ. Збільшення його витрати до 180-200 м3/т чавуну при одночасному підвищенні концентрації кисню в дутті до 35 % і вище є одним з напрямків розвитку доменної плавки на найближчу перспективу.

Іншим напрямком є вдування пиловугільного палива за відомими і розробляємими технологіями, а також продуктів газифікації вугілля за розробленою ІЧМ НАН України технологією. В усіх випадках передбачається збагачення дуття киснем, що пов'язано, як правило, зі скороченням витрати дуття в одиницю часу і відповідним зменшенням кінетичної енергії потоку комбінованого дуття.

У розділі на основі виконаних різноманітних розрахунків розглянуто вплив параметрів зазначених перспективних технологій на очікувані величини довжини окислювальної зони і глибини проникнення газів до центру горна. Показано, що збільшення концентрації кисню в дутті і відповідне скорочення витрати дуття в одиницю часу, хоча і сприяє зменшенню кінетичної енергії дуттєвого потоку, однак не настільки значно впливає на величину повної енергії потоку комбінованого дуття. В результаті очікувані величини об'єму і довжини зони горіння не мають істотних змін.

Що стосується величини повної енергії горнового газу, що характеризує проникнення газів усередину горна, то вона в більшості варіантів перспективних технологій збільшується. Це обумовлено значним збільшенням кількості, на одиницю дуття, газів, що утворюються при горінні коксу і природного газу в зоні горіння.

Таким чином, використання запропонованих критеріїв дозволило установити прийнятність величин параметрів зон горіння для нормального ходу процесів у горні доменної печі в перспективних технологіях. Достовірність отриманих розрахунком результатів підтверджена зіставленням з реальними результатами дослідних плавок, проведених на різних доменних печах при збагаченні дуття киснем.

Показано також, що, як і в традиційних технологіях, при глибокому збагаченні дуття киснем із вдуванням природного газу, пиловугільного палива і продуктів газифікації вугілля, можливе ефективне управління розмірами зон горіння і проникненням газів усередину горну за рахунок варіювання кількості і діаметру повітряних фурм. Як критерії оптимізації використовуються повна енергія потоку комбінованого дуття і повна енергія потоку горнового газу.

Висновки

На основі аналізу параметрів фурмених зон уперше сформовані узагальнюючі критерії їхньої оцінки - повна енергія (повна потужність) потоку комбінованого дуття і повна енергія (повна потужність) потоку горнового газу, перша з яких пов'язана з розмірами зони горіння, а друга - з проникненням газів усередину горна.

Розроблено науково-методичні основи визначення узагальнюючих критеріїв фурмених зон і їхнього використання при аналізі з визначенням очікуваних переміщень газового потоку при ситуаційних змінах параметрів і встановленням найкращих параметрів плавки на різних доменних печах.

3. Розроблено методику розрахунку оптимальної кількості фурм і числа постійно працюючих фурм на базі повної енергії потоку горнового газу для забезпечення оптимального розподілу газу уздовж радіусу горну. Цей режим необхідно підтримувати для забезпечення рівного ходу печі і високих техніко-економічних показників плавки при змінах інтенсивності плавки по дуттю, якості шихтових матеріалів, концентрації кисню в дутті і таке інше. Обране число фурм і конструкція фурменого приладу повинні давати можливість установлювати на печі фурми діаметром до 220 мм.

4. Запропоновано новий підхід до визначення траєкторії струменю природного газу в порожнині фурми доменної печі на основі повних енергій потоків дуття і природного газу. Встановлено, що для подачі струменю газу до вісі фурми при традиційному підведенні "зверху” ефективніше всього здійснювати нагрівання газу до 500-600 С. Розроблено пристрої для нагрівання природного газу на базі повітряної фурми з тепловими трубками і плитовими холодильниками.

5. Розроблено конструкції вузла введення природного газу у фурму "зверху”, "знизу”, по вісі потоку, зі сполученням зазначених введень і чергуванням їх по колу печі. Дослідження показали можливість економії коксу за рахунок цього в межах 3,1-4,4 %. Розроблено і випробувано спосіб ліквідації перекосу засипки шихтових матеріалів у доменній печі шляхом управління витратою природного газу через фурми по секторах печі. Розроблено спосіб одночасного контролю витрати гарячого дуття через фурми доменної печі і контролю витрат колошникового газу через газовідводи печі.

6. На основі математичного, фізичного моделювання, а також аналізу реальних умов накопичення в горні розплавів і їхнього витікання через льотки виявлені закономірності в послідовності виходу чавуну і шлаку, обумовлені характером формування грузлих мас в області горна. Установлено, зокрема, що вихід через льотку для чавуну протягом випуску менше 25 % загальної кількості чавуну до появи нижнього шлаку при варіації цієї величини 0,22 протягом 48-72 годин свідчить про початок захаращення горна і необхідність вживання заходів по його "промиванню”. Розроблено способи контролю ступеню захаращення горна по характеру витікання продуктів плавки і балансовий метод контролю по кількості вапна, накопиченого в горні. Удосконалено спосіб "промивання” горну шляхом відключення чи зниження витрати природного газу, випробування якого показало високу ефективність.

7. Установлено, що відомі з практики доменного виробництва зміна показників плавки при тому самому режимі, а також підтримка заданих показників при періодичній зміні режиму і поверненні до нього, не суперечать закономірностям функціонування доменної плавки як великої системи. В зв'язку з нерівномірністю розподілу середовища і його властивостей в об'ємі агрегату кожен режим містить компоненти, які не відповідають його середнім параметрам і деформують з часом середні параметри і показники плавки шляхом накопичення нових властивостей, що стимулюють спонтанне зрушення стану процесів в іншу область і потребують корегування режиму для досягнення заданих показників. Зазначені зміни, тривалість яких значно перевищує час перехідних процесів, призводять до повільного зрушення процесів до нового режиму, для оптимізації якого необхідне відстеження зрушення процесів шляхом спеціальної обробки контрольованих параметрів і показників.


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.