Диплом / Доменная печь как объект автоматизации

Доменная печь как объект автоматизации

Доменная печь — агрегат для восстановительно-тепловой обработки оксидов металлов, представленных в виде различных природных руд и отходов производства. Продуктами доменной плавки являются чугун или ферросплавы, шлак, газ, колошниковая пыль. Назначение печи — производство восстановительного газа в максимально достижимых размерах в единицу времени и эффективное использование тепловой и химической энергии восстановительного газа. Производство восстановительного газа ограничено предельным значением подъемной силы газового потока, прекращающей нормальный сход шихтовых материалов в шахтной печи. Переход за предельное значение приводит к подвисаниям и канальному ходу. Нормальный сход шихтовых материалов характеризуется активным весом – вертикальным давлением столба шихты, возрастающим с увеличением высоты столба.

Увеличение вертикального давления столба шихты влечет за собой рост бокового давления и силы трения шихтовых материалов о стенки печи, что снижает активный вес. Увеличение высоты столба шихты имеет естественное ограничение, определяемое прочностью шихтовых материалов и, главным образом, прочностью кокса. Преувеличение высоты столба шихты приводит к чрезмерному измельчению кокса в печи, ухудшению газопроницаемости столба шихты, загромождению горна конгломератом из кокса и недовосстановленных железорудных материалов.

Боковое давление шихты определяется соотношением между углами естественного откоса сыпучих материалов (кокса, агломерата, окатышей) и углом наклона стен шахты. С уменьшением угла наклона стен шахты боковое давление уменьшается. Угол наклона стен шахты определяется условиями схода столба шихтовых материалов [31]. Если внешняя траектория зоны потока (согласно Н.Н. Бабарыкину) [32] имеет угол наклона угол наклона меньше угла наклона стен шахты, то происходит износ кладки; если угол наклона стен шахты меньше траектории зоны потока, то образуется застойные области и настыли.

Связь между вертикальным активным давлением столба шихты, силой трения и подъемной силой газового потока можно представить в виде выражения:

,

где p_a – вертикальное активно давление столба шихты, Па; H – высота столба шихты, м;  – насыщенная плотность шихтовых материалов, кг/м³; g – ускорение силы тяжести, м/с²; p – потери напора (подъемная сила газового потока), Па; n – коэффициент бокового давления шихты.

Рассмотрим условия интенсификации доменной плавки, исходя из выражения . Эти условия можно разделить на две группы: первая относится к мероприятиям по изменению параметров собственно газового потока; вторая связана с характеристиками шихтовых материалов, на которые можно влиять.

Подъемная сила газового потока характеризуется перепадами статического давления газа по высоте столба шихты, которые имеют определяющее значение при управлении ходом доменной печи. На современной доменной печи устанавливаются как нормальное значение перепада давлений, так и система мероприятий по сохранению и стабилизации этого значения. При движении жидкости (газа) через зернистый слой – столб шихты в доменной печи для расчета гидравлического сопротивления можно использовать зависимость, аналогичную по виду уравнению для определения потери давления на трение в трубопроводах:

,

где p – потери давления, Па (Н/м²);  – общий коэффициент сопротивления, отражающий наряду с влиянием сопротивления трения влияние местных сопротивлений; d_э – эквивалентный диаметр каналов в зернистом слое, соответствующий их суммарному поперечному сечению, м; l – длина каналов зернистого слоя в направлении потока движения газа, м; w – действительная скорость газа в каналах слоя, м/с;  – плотность среды, кг/м³.

В уравнении входит действительная скорость газа в каналах слоя, которую трудно найти. В связи с этим целесообразно выразить ее через фиктивную скорость w₀, условно отнесенную к полному поперечному сечению слоя, т.е.

w = w₀/,

где  – доля свободного объема или порозность слоя.

Обычно для расчета действительной скорости условно пренебрегают кривизной каналов, по которым движется газ в слое, т.е. считают среднюю длину каналов l равной высоте H слоя.

Эквивалентный диаметр каналов также трудно определить непосредственно, но он может быть выражен через размер частиц, составляющих слой.

Для тел произвольной формы, к каким относятся все сыпучие материалы, в том числе и доменная шихта, определяющим линейным размером служит диаметр эквивалентного шара d, равный диаметру шара, имеющего такой же объем, что и данное тело. Потеря давления при движении жидкости (газа) в слое тел произвольной формы зависит не только от диаметра эквивалентного шара, но также и от фактора формы Ф:

Ф = F_ш/F,

где F_ш – поверхность шара, имеющего тот же объем, что и рассматриваемое тело произвольной формы поверхностью F [36].

Эквивалентный диаметр каналов связан с диаметром эквивалентного шара, характеризующего слой, следующим образом:

d_э = 2Фd/3(1 – ),

где d – диаметр эквивалентного шара, м; для полидисперсных зернистых слоев

,

где x_i – объемная или, при одинаковой насыпной плотности, массовая доля частиц с диаметром d_i.

Коэффициент сопротивления  зависит, как и при движении жидкости в трубах, от гидродинамического режима (ламинарный, переходный, турбулентный), определяемого значением критерия Рейнольдса (Re).

Для расчета коэффициента сопротивления () существует ряд зависимостей, применяемых при различных режимах движения жидкости через слой. Все уравнения получены обобщением опытных данных различных исследователей и дают более или менее согласующиеся между собой результаты. В частности, применимо обобщенное уравнение:

 = (133/Re) 2,34,

в котором

,

здесь  – коэффициент динамической вязкости или просто вязкость, Нс/м².

При малых значениях Re (ламинарный режим) можно пренебречь вторым слагаемым в правой части уравнения ; при турбулентном режиме в автомодельной области (Re > 7000) можно пренебречь первым членом в правой части уравнения . Подставив в уравнение скорость w согласно выражению , общую высоту слоя (H) вместо длины каналов l, выражение эквивалентного диаметра каналов d_э через диаметры кусков и заменив общий коэффициент сопротивления  его выражением , нашли следующую зависимость потери давления в столбе шихты от различных факторов:

,

или, после подстановки значения Re из выражения :

.

Уравнение называют уравнением Эгона [35]. Его широко используют при анализе условий работы доменной печи. Увеличения производительности доменной печи достигают в рамках нормального перепада статического давления за счет обогащения атмосферного дутья кислородом и повышения давления газа в рабочем пространстве печи. Первое мероприятие снижает выход газа на единицу сгорающего у фурм углерода кокса и дополнительного топлива, второе – уменьшает скорость движения газа в печи. Как первое, так и второе направление широко используют при интенсификации доменной плавки.

Повышение производительности печи можно обеспечить, если исходя из выражения увеличить значение насыпной плотности шихтовых материалов. Увеличение средней насыпной плотности доменной шихты означает повышение отношения массы железорудных материалов к массе кокса в составе подачи, т.е. повышение рудной нагрузки. Рудная нагрузка зависит от теплового состояния печи и, в свою очередь, определяет это состояние; она находится под постоянным контролем персонала, ведущего процесс плавки и меняется обычно в узки пределах.

Повышение производительности печи можно осуществить за счет улучшения фракционного состава шихты, что также является одним из главных направлением интенсификации доменной плавки. Как видно из уравнения , увеличение эквивалентного диаметра куска снижает перепад давления. Эффект увеличения эквивалентного диаметра достигают удалением мелочи из шихты путем ее грохочения перед загрузкой в печь и повышением прочности материалов в холодном и горячем состоянии, чтобы уменьшить образование мелочи внутри печи. Снижение количества мелочи увеличивает одновременно порозность слоя (), которая входит в формулу в виде симплекса [(1–)/³]. Таким образом, отсев мелочи существенно влияет на газопроницаемость слоя и производительность доменной печи.

Взаимодействие тепловых, механических и химических процессов и их влияние на газодинамику доменной плавки

Производительность доменной печи зависит от качеств железорудных материалов, температуры, при которой происходит восстановление, состава газа-восстановителя. Качество железорудных материалов в числе прочих показателей характеризуется размером кусков. Увеличение размеров кусков вызывает уменьшение поверхности соприкосновения с газом-восстановителем, удлиняет путь движения газов к центру куска и увеличивает время, необходимое для достижения температур в центре куска, при которых возможно протекание восстановительных реакций [33]. Вместе с тем увеличение размеров и уменьшение поверхности кусков снижает сопротивление слоя и потери напора восходящего газового потока. Восстановимость руды в условиях доменной печи снижается также при уменьшении размеров кусков ниже определенного предела (например, ниже 3 – 5 мм), т.е. при увеличении содержания мелочи в шихте, хотя номинально реакционная поверхность при этом и возрастает. Снижение восстановимости обусловлено пониженной газопроницаемостью слоя мелочи, затруднением движения газа в слое и ухудшением обработки руды газом. Таким образом, влияние объемной доли мелочи на восстановимость руд и производительность печи является решающим фактором для всей газодинамики доменной плавки.

Большие размеры кусков повышают газопроницаемость слоя, но снижают восстановимость и степень использования восстановительной способности газа, а куски малых размеров снижают и газопроницаемость и восстановимость. Состав газа-восстановителя определяется содержанием СО, H₂, CO₂, H₂O, N₂. Состав газа оказывает существенное влияние на скорость восстановления, что является очень важным фактором, поскольку время пребывания газа-восстановителя в печи ограничено несколькими секундами.

Из составляющих доменного газа, образованного в горне перед фурмами, восстановителями являются CO и H₂. Углекислота (CO₂) и пары воды (H₂O) затрудняет течение восстановительного процесса и понижает скорость восстановления [33]. Азот в реакциях не участвует, но, уменьшая концентрацию CO и H₂ газа, понижает восстановительную способность газа и скорость восстановления.

При работе доменных печей на сухом атмосферном дутье в горновом газе содержится 34,7% СО и 65,3% N₂. Наличие влаги в дутье обуславливает содержание Н₂ в горновом газе в пределах 1–2%. Обогащение дутья кислородом и дополнительное увлажнения дутья, повышая содержание в газе окиси углерода и водорода, увеличивают скорость восстановления и восстановительную способность газа. Обогащение газа углекислотой и парами воды по мере их движения от горна к колошнику понижает скорость восстановлению оксидов и восстановительную способность газа. Повышение температуры неоднозначно влияет на скорость восстановления оксидов. В определенных температурных интервалах наблюдается понижение скорости восстановления: так, при 900 – 1000 ^оС происходит спекание частиц восстановленного железа или образование пластичных структур из не восстановленного FeO и пустой породы, затрудняющих доступ газа внутри кусков или к их поверхности в массе слоя.

Приведенный перечень факторов взаимодействия тепловых, механических и восстановительных процессов свидетельствует о том, что создание наилучших условий для выплавки чугуна в доменной печи является сложной задачей. Но благодаря совершенствованию технологии доменной плавки (подготовка железорудных материалов, повышение качества кокса, комбинированное дутье, управление распределением материалов на колошнике), использование тепловой и химической энергии доменного газа повышается, что приводит к экономии удельного расхода кокса.

В доменной печи процессы тепловыделения, движения печной среды и теплообмена происходят в тесной взаимосвязи. Совокупность процессов теплообмена, происходящих в рабочем пространстве печи, называется тепловой работой. Тепловую работу подразделяют на полезную, которая представляет передачу тепла шихтовым материалам, и потерянную, включающую все другие виды потребления тепла [34].

Интенсивность и распределение тепловых потоков входят в понятие теплового режима; изменения во времени и пространстве температуры печной среды и обрабатываемых материалов создают температурный режим; характер движения печной среды, включая распределение давлений, называется газодинамическим режимом.

Доменная печь в соответствии с классификацией режимов работы печей относится к слоевым печам с плотным слоем [34]. Особенностью этих печей является своеобразный газодинамический режим, который характеризуется фильтрацией газообразного теплоносителя через слой кусковых материалов большой толщины, что вызывает значительное падения давления. Внешний теплообмен между тонкими прослойками фильтрующегося газа и свободной поверхностью кусковых материалов сочетается при этом с передачей тепла от куска к куску в местах их контакта.