книги из ГПНТБ / Тарасов, В. П. Загрузочные устройства шахтных печей

деленные станции по заданной программе. Герметичность при вра­ щении воронки-трубы обеспечивается сальнико-водяным уплотне­ нием. Промышленное использование этого аппарата маловероятно в связи с тем, что он обладает серьезными недостатками, присущими распределителям шихты лоткового типа.

Для загрузки доменных печей с большим диаметром, работаю­ щих с повышенным давлением газа на колошнике, фирма «Демаг» предложила устройство, представленное на рис. 114 (К. ШнейдерМюнхайм, пат. ФРГ, № 1198840, 1961 г.). Шихтовые материалы, подаваемые на него ленточным транспортером, через приемную во­ ронку и вертикальную загрузочную трубу поступают в промежуточ­ ный бункер. Герметизируется промежуточный бункер двумя газовыми затворами клапанного типа. Из бункера шихта поступает в хобото­ образный патрубок, огибающий печной кожух. Выпускное отверстие распределительного патрубка имеет наклонную поверхность и рас­ положено на уровне засыпи шихты. С другой стороны выпускного патрубка предусмотрено скошенное отверстие для ссыпания загру­ жаемого материала. Высота слоя шихты подбирается опытным путем и зависит от количества проплавляемых материалов. В изогнутой части распределительного патрубка установлены один или несколько направляющих листов, разделяющих его на несколько отсеков. Благодаря этому можно избежать нежелательной сегрегации мате­ риалов по гранулометрическому составу. Патрубок вращается электроприводом через угловой редуктор и зубчатый венец с герме­ тизацией двумя сальниковыми уплотнениями обычной конструкции. Предполагается, что значительное уменьшение диаметра уплотне­ ний по сравнению с распределителем типовой конструкции позволит иметь надежную герметичность при значительно высоких давлениях газа на колошнике доменной печи.

При нормальном режиме загрузки предусматривается полное заполнение распределительного патрубка материалами. Таким образом предотвращается их свободное падение и значительно умень­ шается абразивный износ стенок патрубка шихтой. Кроме того, по мнению автора изобретения, такая система загрузки позволит полу­ чать равномерное распределение материалов по окружности колош­ ника. Возможна и загрузка отдельными подачами из промежуточ­ ного бункера по выходному патрубку, который после каждой подачи поворачивают на определенный угол, что позволяет загружать руд­ ную или коксовую составляющие шихты в определенные зоны колош­ ника.

Придавая особое значение равномерной загрузке шихты, К. Шнейдер-Мюнхайм предлагает с помощью особых устройств контролировать скорость вращения распределительного патрубка (пат. ФРГ, № 1229566, 1963 г.; № 1205997, 1965 г.). Для этой цели на одной стороне хоботообразного патрубка по радиусу печи разме­ щены несколько измерительных термопар и устройств для отбора проб газа. Их импульсы передаются в систему управления скоростью вращения распределительного патрубка и работой системы загрузки шихты в целом (ленточный транспортер, клапанные газовые

210

затворы, перепускные клапаны, очерёдность загрузки материалов и т. д.).

По нашему мнению, использование этого устройства в реальных условиях работы мощной доменной печи маловероятно, так как неизбежно коробление хоботообразного патрубка, который все время будет находиться в зоне интенсивного газового потока и сравни­ тельно высоких температур. По этой же причине и условия работы нижнего сальникового уплотнения вращающегося патрубка будут тяжелыми. Необходимая смазка будет выгорать, а применение паро­ лабиринтных уплотнений не обеспечит достаточно надежной герметич­ ности.

В центр печи будет попадать много рудной составляющей подачи, что усложнит работу горна. При этом возможна потеря дренажа центральной зоны нижней части печи и частое горение воздушных фурм. Возможно также значительное измельчение мате­ риалов (особенно кокса) вследствие их трения друг о друга во время вращения патрубка и при ссыпании на колошник.

Улучшение горизонтального распределения шихты типовым распределителем

Для обеспечения более стабильного и равномерного распреде­ ления сырых материалов по окружности шахтной печи И. Я- Светловский предложил под нижним конусом специальную крестовину с крыльями (авт. свид. СССР, № 43590, 1933 г.). Во время опуска­ ния нижнего конуса крестовина с крыльями вращается и разносит шихту по окружности колошника более равномерно, чем в обычном засыпном устройстве. Для большей равномерности такого распреде­ ления и для снижения сегрегации материалов по крупности на по­ верхности крыльев сделаны ребра, направленные к периферии и к центру колошника. Вращать крылья можно как обычным электро­ приводом, так и винтовой нарезкой вертикальной тяги, на которой подвешена крестовина. В этом случае при опускании нижнего конуса с полой штангой будет перемещаться и нарезанная часть тяги, что заставит вращаться и крестовину с крыльями.

Наряду с определенными конструктивными трудностями вра­ щения крыльев в условиях высокой запыленности и температуры колошникового пространства, очевидно, трудно получить равно­ мерное размещение материалов, так как скорость вращения крыльев не может быть большой. В случае же их деформации (отсутствие охлаждения) распределение материалов значительно ухудшится. Такое же ухудшение в размещении шихты по окружности и радиусу печи произойдет и в случае выхода из строя механизма поворота

крестовины с крыльями.

Аналогичный принцип равномерного распределения материалов по окружности печи был использован в предложении Н. С. Гирло, С. Г. Шпарбера и П. Г. Гайдаря (авт. свид. СССР, № 35859, 1933 г.).

Вих конструкции засыпного аппарата имеется центральная труба

сприводом для вращения и специальными лопастями, угол наклона

которых можно изменять. Внутри трубы находятся два малый конуса, выполняющих роль газовых затворов.

Хотя окончательные выводы об эффективности любой новой системы загрузки определяются промышленными или полупромыш­ ленными испытаниями, можно с уверенностью утверждать, что рас­ смотренные две конструкции загрузочных устройств неперспективны.

В1948 г. В. П. Мищенко предложил вращать воронку Мак-Ки

вмомент высыпания материалов из скипа (авт. свид. СССР, № 86028, 1948 г.). При достаточно быстром вращении (более 30 об/мин) можно значительно улучшить равномерность горизонтального распределе­

ния материалов в печи. Перевод отечественных доменных печей на работу с повышенным давлением газа на колошнике не позволил испы­ тать в реальных условиях такую загрузку, так как трудно осуще­ ствить уплотнение вокруг быстровращающейся распределительной воронки. Применение этого способа на нескольких печах США ока­ залось удачным [118, 187, 260]. Расход дутья был увеличен на 18— 24%, отпала необходимость в работе распределителя по станциям, производство чугуна возросло на 10—17%, а расход кокса снизился на 5—10%. В качестве уплотнения вокруг вращающейся воронки применили водяной затвор в сочетании с уплотнительными коль­ цами (см. рис. 14).

Быстрое вращение воронки Мак-Ки не только способствовало увеличению производительности печи и экономии кокса, но и зна­ чительно повысило стойкость огнеупорной футеровки шахты. Так, при выплавке литейных чугунов с обычной воронкой через два года после смены футеровки на кожухе печи появились местные перегревы, требовавшие дополнительного охлаждения. А при вращении воронки такие явления не возникали и в течение 6—7 лет не требовалось дополнительной поливки кожуха. После установки быстровращающегося распределителя длительность службы футеровки шахты уве­ личилась до семи лет (по сравнению с четырьмя годами на другом заводе).

Скорость вращения воронки составляла вначале 26—30 об/мин. Затем ее снизили до 20 об/мин, так как при быстром вращении зна­ чительно усложняются условия эксплуатации оборудования распре­ делителя. При сравнительно небольших скоростях вращения рас­ пределительной воронки достаточно равномерное распределение материалов по окружности печи не обеспечивается, ввиду того что шихта из скипа высыпается быстро и неравномерно. В связи с боль­ шими трудностями синхронизации скорости вращения распредели­ теля с количеством поступающего материала из скипа нет оснований рассчитывать на улучшение горизонтального распределения мате­ риалов. Для устранения этого недостатка было рекомендовано до­ полнительно вращать воронку одновременно с опусканием малого конуса (авт. свид. СССР, № 194861, 1965 г.; № 218921, 1967 г.). Это должно было улучшить качество распределения материалов по окружности печи. Однако сегрегация шихты по крупности все же остается и получаемая при этом неравномерность не будет перио­ дически смещаться по окружности, что приведет со временем к иска­

212

жению профиля печи. Такая неравномерность останется и в тоМ случае, если вращать воронку навстречу струе ссыпаемой шихты, как это предлагает фирма «Интерлейк Айрон Корп» (США) (пат. Франции, № 1110913, 1954 г.).

Исследованиями качества распределения материалов при враще­ нии воронки в период набора и высыпания шихты с малого конуса на модели (1 : 10) типового засыпного устройства доменной печи объемом 1719 м3 занимались В. Д. Сергиенко и Д. А. Сторожик [261 ].

Рнс. 115. Изменение коэффи­ циента окружной неравномер­

ности распределения материа­ лов ф на большом конусе при вращении распределителя в пе­ риод высыпания материалов из скипа (а), во время опускания малого конуса (б) и совместно в указанных режимах (в) для фракций, мм:

1 — 3—1; 2 — 8—6; 3 — 15—

10; 2 — суммарное количество фракций

п, об/мин

Было предусмотрено изменение угла опрокидывания скипа на раз­ грузочных кривых от 35 до 60°, хода малого конуса от 60 до 90 мм и скорости вращения воронки в пределах 12н—65 об/мин. Простран­ ство между чашей и большим конусом было разделено на 12 равных секторов-карманов. В качестве шихты служил агломерат трех фрак­ ций: 10—15; 6—8 и 1—3 мм. Перед высыпанием агломерата из скипа начинали вращать воронку распределителя (до номинальных обо­ ротов). Шихту из каждого сектора рассеивали по фракциям и взвеши­ вали. По среднеарифметическому значению пяти замеров подсчиты­ вали коэффициент неравномерности ср по формуле (44). Испытания показали, что увеличение числа оборотов воронки снижает степень неравномерности окружного распределения материалов. Этому нее способствует уменьшение угла а с 60 до 35°, так как увеличивается время высыпания агломерата от 1,4 до 2,2 с. Из рис. 115 видно, что

213

во всех трёх случаях с увеличением скорости вращения сверх 10 об/мин количественное и качественное распределение агломерата по окружности модели практически не изменяется. Практика же работы американских доменных печей показала, что изменение ско­ рости вращения воронки от 15 до 30 об/мин значительно влияет на размещение шихты по окружности [260]. Очевидно, принятые исследователями при моделировании коэффициенты механического подобия не полностью соответствуют действительности. Так, для получения механического подобия ими были приняты следующие изменения [261, с. 34]:

скорость опрокидывания скипа и открывания малого конуса

= ут, м/с'

а скорость во время опрокидывания 1,0 м/с, то время высыпания агломерата t'n составит примерно 3 с. Можно подсчитать число обо­ ротов воронки Nn, которые она сделает за это время при скорости вращения пп = 10 об/мин:

#„ = -§-*„ = 3-10/60 - 0,5 оборота.

Время высыпания агломерата из скипа модели определим по фор­ муле

В действительности же скорость высыпания для этих условий на модели составила 1,4 с [260 ]. За это время на модели воронка сделала

что не соответствует действительности.

Кроме того, при значительном уменьшении гранулометрического состава шихты растет коэффициент трения, что может повлиять на результаты распределения материалов. В этих случаях нужно поль­ зоваться формулами неполного механического подобия [56, с. 23], но с соблюдением одинаковой текучести насыпных материалов. При этом целесообразно также учитывать степень прижатия шихты к стен­

214

кам воронки центробежными силами, которые возрастают с увели­ чением скорости вращения в п2 раз.

Во время вращения воронки со скоростью 10 об/мин в натуре и при соответствующей скорости вращения воронки на модели не по­ лучается завершенного витка в размещении материалов по окруж­ ности конуса. Следует отметить также, что из скипа шихта высы­ пается за 3—4 с крайне неравномерно. Следовательно, ни в натуре, ни на модели в рассмотренных случаях не может быть равномерного количественного и качественного размещения шихты по окружности колошника. Полученные же результаты, свидетельствующие о до­ статочно ровном окружном распределении агломерата, можно объяс­ нить значительным усреднением шихты в пяти проведенных опытах. Но тогда максимумы и минимумы в размещении агломерата отдель­ ных подач могут накладываться друг на друга, так как их положе­ ние не контролируется в момент открывания малого конуса. Вслед­ ствие этого, по-видимому, нет разницы в распределении агломерата при вращении воронки в период его ссыпания с малого конуса по часовой или против часовой стрелки. Во время разгона воронки до оптимальной скорости (при которой открывается малый конус) максимумы и минимумы агломерата в ней смещаются, что также не контролируется. Непонятно поэтому, о каком дальнейшем закру­ чивании или раскручивании винтовой линии в распределении мате­ риалов может идти речь. Несмотря на указанные недостатки, иссле­ дования на модели подтвердили возможность получения удовлетво­ рительного окружного распределения материалов при вращении воронки (очевидно, со скоростью не менее 20 об/мин) в момент опро­ кидывания скипа и при высыпании шихты с малого конуса.

Существенным недостатком указанного метода загрузки является трудность герметизации вращающейся с большой скоростью рас­ пределительной воронки. Особенно усложняется вопрос эксплуата­ ции сальникового уплотнения при работе доменной печи с высоким давлением газа на колошнике. Наличие подпятника для вращения малого конуса и сальникового уплотнения между штангами конусов также создает определенные трудности при эксплуатации. Приме­ нение двойных малых конусов, исключающих уплотнение вокруг вращающейся воронки, вероятно, не является решением проблемы, так как усложнение конструкции распределителя шихты вызовет дополнительные эксплуатационные трудности.

Равномерное распределение материалов по окружности печи Ж- Маркел (пат. Франции, № 1259562, 1960 г.) предлагает получать

метричных оси печи и разных по диаметру, или из усеченного конуса (пат. ФРГ, № 1183924, 1960 г.). Качающийся приемный лоток в этом случае разделен двумя вертикальными перегородками на три желоба,

в каждом отдельном канале. Выпускные отверстия желобов-каналов расположены под углом 120° друг к другу, что увеличивает равно­

2}5

мерность поступления материалов в распределительную воронку. Материалы можно загружать как с вращением распределительной воронки, так и без ее вращения. Если загрузочная воронка не вра­ щается, то шихта через пережим направляется к оси печи, благо­ даря чему выравнивается несимметричность загрузки. При враще­ нии распределительной воронки равномерность загрузки будет еще лучше, но это способствует трению находящегося в ней материала. Однако трение происходит на сравнительно небольшой поверхности,

торых лежат различные идеи равномерного размещения сыпучих материалов по окружности доменной печи. В связи с этим полезно рассмотреть принципиальные особенности работы таких распреде­ лителей, так как незнание общих закономерностей загрузки шихты может привести к ошибкам при выборе, проектировании и модели­ ровании быстровращающихся распределителей.

Время высыпания материала из скипа составляет 3—4 с, следо­ вательно, чтобы материал располагался по всей окружности воронки, закрытой малым конусом, она должна вращаться со скоростью не менее 20 об/мин. Однако при этом распределение материалов по окружности печи еще не будет равномерным вследствие значитель­ ной качественной и количественной неравномерности потока ссыпае­ мой из скипа шихты.

Известно, что во время движения по наклонному мосту и на ле­ кальной кривой материалы в скипах сегрегируют по крупности. Мелочь просыпается между крупными кусками ц в первых порциям

216

высыпаемого из скипа материала всегда больше крупных фракций, чем в последующих. Таким образом, в первый момент из скипа высы­ пается небольшая порция крупных кусков, затем быстро (не более чем за 1 с) ссыпается основная масса материалов и в конце высыпается сравнительно небольшая их часть. При таком характере высыпания практически невозможно получить равномерное распределение ма­ териалов по окружности печи даже при вращении воронки со ско­ ростью 30 об/мин. Большая скорость вращения воронки практически неосуществима. Следовательно, быстровращающиеся распределители шихты должны иметь предварительное на­ копление шихтовых материалов во вра­ щающейся воронке с последующим равно­ мерным их ссыпанием. Время ссыпания должно быть достаточным для того, чтобы они легли по окружности большого ко­ нуса не менее чем четырьмя-пятью вит­

вращающимися воронками, не закрытыми конусами или односкатными днищами, неравномерность размещения материалов по окружности печи увеличивается. В этом случае положительного результата молено добиться прилеатием материалов центро­

беленой силой к стенкам воронки во время щейся воронки их ссыпания из скипа с последующим

медленным уменьшением скорости вращения распределителя для ссыпания материалов по всей окружности сразу.

При движении кусков шихты по наклонной поверхности вращаю­ щейся воронки на них действуют силы веса Р, центробежная сила Се, сила трения F и нормальная реакция стенки N (рис. 117). Проекти­ руя эти силы на оси абсцисс и ординат при равновесии, будем иметь

Сила трения пропорциональна нормальной реакции стенки и равна:

Подставляя в уравнение (155) значение Р из формулы (157),

217'

После соответствующих преобразований уравнение (162) примет следующий вид:

= яп/30 и решая уравнение (163) относительно скорости вращения п, получим

4, 11, 62]. Угол наклона образующей воронки составляет обычно 84—85°, а средний радиус равен 1,1—1,2 м. Угол трения для раз­ личных шихтовых материалов доменной плавки различен и колеб­ лется от 12 до 35°.

Из уравнения (164) можно определить наименьшую скорость вращения воронки, при которой все материалы будут прижиматься

Это выполнимо только для материалов с нулевой начальной ско­ ростью. В действительности же куски шихты при падении из скипа приобретают некоторую скорость, равную:

Где v0 — начальная скорость движения кусков материалов по

Следовательно, скорость вращения распределительной воронки, при которой основная масса материалов будет прижата центробеж­ ной силой к стенкам, должна быть несколько выше, чем полученная по формуле (164).

218

Быстровращающиеся распределители шихты применяют, как правило, при высоком уровне развития доменного производства, что само собою подразумевает и высокую степень подготовки ших­ товых материалов к доменной плавке. Однако в некоторых случаях быстровращающиеся распределители могут применяться для за­ грузки неподготовленных или агломерированных руд со значитель­ ным количеством мелочи. В таких случаях выбор режима работы

смешивании двух фракций с раз­ личным соотношением размеров кусков газопроницаемость слоя умень­

шается при добавлении более крупных кусков вплоть до содержания их в смеси в количестве 67%. При дальнейшем увеличении доли круп­ ной фракции объем пустот значительно возрастает. Наиболее силь­ ное различие в объеме пустот при смешивании двух фракций бывает в том случае, когда диаметр крупных кусков в 50 раз больше диа­ метра малых частиц. Если диаметры смешиваемых фракций разли­ чаются в 5—10 раз, то уменьшение пустот при их смешении выражено менее ярко. В случае же смешивания двух фракций, различающихся размером диаметров кусков в 2,0—2,5 раза, снижение газопрони­ цаемости весьма незначительно в любом количественном соотноше­ нии этих фракций.

Если смешиваются несколько фракций, то закономерности по­ нижения газопроницаемости слоя будут сложными. Но и в этом слу­

219