1.4 Влияние смешивания рудного сырья с коксом на газодинамические условия и технико-экономические показатели доменной плавки

Кокс и рудное сырье, используемые в доменной плавке, в современных условиях значительно разли­чаются по крупности, ввиду чего газопроницаемость шихты в печи существенно зависит от того, в какой мере эти материалы перемешиваются при загрузке на колошник. От степени их смешивания в процессе загрузки зависит не только характер взаимного расположения кусков разной крупности, но и равно­мерность их распределения по сечению печи, что влияет на использование газа и на технико-экономические показатели плавки.

Днепродзержинском индустриальным институтом на заводе им. Петровского исследовано влияния за­грузки рудных материалов в смеси с коксом на ра­боту печи. Предварительно в лабораторных услови­ях изучили газопроницаемость слоя, состоящего из фракций различной крупности, при разных режимах загрузки.

Материалы продували компрессорным воздухом (5 ат) в цилиндре диам. 300 мм и высотой 700 мм с регулированием его расхода.

Перепад давления измеряли на высоте 0,5 м при расходе воздуха, соответствующем приведенной скорости (в расчете на полное сечение цилиндра) 0,9 м/с, что обеспечивало соблюдение условий автомодельности для всего диапазона размеров исследо­ванных фракций.

Загружали агломерат крупностью от 5—0 до 25— 15 мм. Для каждой пары исследуемых фракций из­меряли перепады давления воздуха в цилиндре и насыпную массу агломерата при расположении мел­кой и крупной фракций двумя слоями и при их за­грузке в смеси. По насыпной плотности можно было судить о величине порозности при разных условиях загрузки.

Измерения проводили при различном соотноше­нии фракций. Количество фракций 5—0 мм изменя­ли от 0 до 100% через каждые 10%.

На рисунке 4.1 приведены результаты исследования га­зопроницаемости слоя при загрузке фракций разно­го размера в комбинации с фракцией 5—0 мм.

Следует отметить неодинаковый характер зави­симости насыпной массы слоя от содержания мел­кой фракции. При загрузке слоями (1) изменение получается практически линейным. При загрузке в смеси (2) оно нелинейно. Общая насыпная масса при загрузке обеих фракций в смеси всегда больше, чем при их послойной укладке; следовательно, порозность слоя при смешивании фракций разной крупности уменьшается. Наибольшее различие в ве­личине у по кривым 1 и 2 наблюдалось в серии опы­тов на рис. 1, в с фракциями 5—0 мм и 25—15 мм, больше всего различавшихся по крупности. При смешивании этих фракций насыпная масса получа­ется на 11 —13% большей, чем при послойной за­грузке.

Уменьшение порозности при смешивании материалов разной крупности не всегда сопровождается ухудшением газопроницаемости. Судя по кривым ∆Р (рис. 4.1), смешивание фракции, несмотря на уменьшение порозности, приводит в большинстве случаев к увеличению газопроницаемости слоя, при­чем весьма значительному. Влияние порозности как таковой в данном случае не является определяю­щим. Более существенное значение здесь имеет из­менение размеров межкусковых каналов, свободных для прохода газа.

Более заметно проявляется влияние порозности при содержании мелочи выше 70%, когда при за­грузке в смеси получается худшая газопроницаемость, чем при раздельной.

Таким образом, для материала, содержащего на­ряду с более крупными фракциями также и мелочь 5—0 мм, загрузка их в смеси обеспечивает более вы­сокую газопроницаемость слоя, чем раздельная за­грузка.

Рис. 4.1. Изменение перепада давлений (∆Р) и насыпной массы (γ) агло­мерата при послойной укладке (1) и при загрузке в смеси (2) фракции 5—0 мм с более крупными фракциями а-в (цифры в скобках — мм)

Аналогичные результаты были получены в тех случаях, когда вместо фракции 5-0 мм применяли фракцию 3-0 или 5-4 мм.

При смешивании фракции 5-3 мм с более круп­ными получили иные результаты (рис. 2). В этих опытах изменение насыпной массы слоя γ и перепад давлений ∆Р при смешивании изменились аналогич­но. Переход от послойной укладки к загрузке смеси сопровождался уменьшением порозности и газо­проницаемости; лишь в одном случае изменение ус­ловий загрузки практически не повлияло на эти по­казатели (рис. 4.2, а).

Уменьшение перепада давления на 1 м высоты слоя в результате смешивания фракций разной крупности с фракцией 5-0 мм при ее содержании до 30% достигало 600-700 мм вод, ст. или пример­но 60-70%.

При удалении мелочи 3-0 мм из агломерата пе­реход от смешанной к послойной загрузке фракций уменьшал газодинамическое сопротивление слоя лишь на 30—50 мм вод, ст., или на 20—25%.

Рис. 4.2. Изменение перепада давлений (∆Р) и насыпной массы (γ) агломерата при послойной укладке (1) и загрузке в смеси (2) фракции 5 - 3 мм с более крупными фракциями а-г (цифры в скобках — мм)

Таким образом, относительное изменение пере­пада давлений на 1 м высоты слоя для агломерата, содержащего 5-30% мелочи, в 2-3 раза больше, чем без мелочи, а абсолютные значения перепада при наличии мелочи в 14—20 раз выше, чем при ее отсутствии. (Рассортировка агломерата по фракци­ям с раздельной их загрузкой обеспечивает повышение газопроницаемости шихты лишь при условии полного отсева мелочи (5-0 мм).

Рис. 4.3. Изменение газодинами­ческого сопротивления реальной шихты в зависимости от содер­жания мелочи при послойной укладке кокса и агломерата (1) и при их загрузке в смеси (2)

Рис. 4.4. Изменение газодинами­ческого сопротивления шихты в зависимости от содержания мелочи при послойной загрузке кокса и окатышей (/) и при их загрузке в смеси (2)

Для практики важно знать количественное изме­нение газопроницаемости при смешивании агломе­рата и кокса, имеющих реальный гранулометриче­ский состав.

Перепад давлений в слое из этих материалов из­меряли на установке с цилиндром диам. 520 мм и высотой 700 мм.

Использовали кокс крупностью 80—40 и агломерат крупностью 40—0 мм, меняя в них содержание фракций 5—0 мм в агломерате от 0 до 40% через каждые 5%.

Перепад измеряли (рис. 4.3) при приведенной ско­рости газа 0,9 м/с. Смешивание кокса и агломерата реального гранулометрического состава уменьшило газодинамическое сопротивление слоя на 12-25%.

Исследовали также изменения газопроницаемости слоя при смешивании кокса с окатышами, содержа­щими до 10% мелочи. В этих опытах при смешива­нии было выявлено на 17-25% большее сопротив­ление материалов, чем при послойной укладке (рис. 4.4). Сопротивление слоя при смешивании из­менялось значительно меньше, чем в опытах с аг­ломератом.

Как известно, повышение равномерности распре­деления материалов по сечению печи сопровождает­ся увеличением газодинамического сопротивления столба шихты. Поэтому смешивание рудного сырья с коксом, улучшая газопроницаемость ввиду осо­бенностей размещения мелких и крупных кусков, в то же время должно способствовать снижению газопроницаемости вследствие более равномерного распределения материалов.

Фактическое изменение газопроницаемости ших­ты в результате смешивания рудных материалов с коксом и влияние такой загрузки на работу печи может быть установлено только опытным путем.

Более полного смешивания рудного сырья с кок­сом в существующих производственных условиях удается достичь при загрузке в один скип рудной сыпи и кокса, размещаемого сверху. При опрокиды­вании скипа и высыпании материалов в приемную воронку и затем на большой конус и в печь матери­алы оказываются в значительной степени переме­шанными между собой: более мелкий и тяжелый рудный материал внедряется между кусками кокса.

Влияние условий загрузки на технико-экономиче­ские показатели доменной плавки исследовали на печи полезным объемом 1033 м³.

Загрузка рудного сырья и кокса в один скип при существующей схеме шихтоподачи с вагон-веса­ми затруднительна. В частности, при этом число пе­ремещений вагон-весов увеличивается вдвое, так как в карман набирается порция рудной сыпи, соот­ветствующая только половине объема скипа. Это значительно снижает производительность участка загрузки.

Для облегчения работы машинистов вагон-весов массу подачи с переходом на совместную загрузку рудных материалов и кокса увеличили более чем на 30%, обеспечив предельное заполнение скипа.

Для проведения опытных плавок в электросхему загрузки потребовалось внести некоторые измене­ния, обеспечивающие необходимую согласованность работы вагон-весов и коксовых затворов.

Перед опытными плавками на печи применяли цикличную систему загрузки Р2К2 ↑ КР2К ↑. В опыт­ный период применяли преимущественно циклич­ную загрузку, состоявшую из одной подачи с за­грузкой рудных материалов на дно скипа и одной подачи с загрузкой кокса на дно скипа. При этом, подача состояла из 20,5 т рудной сыпи и 6,5—6,7 т кокса.

Технико-экономические показатели работы печи в опытный и сравнительный периоды сопоставлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Технико-экономические показатели работы до­менной печи объемом 1033 м³ при загрузке рудного сырья в смеси с коксом (I) и при обычной загрузке (II)

Показатели	I	II
Производительность, т в сутки	1727	1669
Расход кокса (сухого), кг/т чугуна *	591	601
То же, %	98,3	100,0
Интенсивность плавки по коксу, т/м3	(98,0)
Доля подготовленного железорудного	1,020	1,002
сырья, %	97,3	96,7
В том числе окатышей	38,8	46,8
Содержание кремния в чугуне, %	0,74	0,68
Выход шлака, кг/т чугуна	518	507
Основность шлака (CaO/SiO,)	1,25	1,25
Расход природного газа, м3/т чугуна	85,7	85,5
Расход кислорода, м3/т чугуна	1,6	—
Температура дутья, °С	1072	1041
Избыточное давление колошникового газа,ат	1,01	1,01
Перепад давления (дутье — колошник), ат	1,20	1,20
Простои, %	0,45	0,50

Наличие в цикле подачи с загрузкой кокса на дно скипа было обусловлено стремлением подгрузить периферию, так как при преимущественном использовании подач с загрузкой рудной сыпи на дно ски­па содержание двуокиси углерода на периферии снижалось, а в осевой и промежуточной зонах повышалось.

Применение цикличных загрузок с различным соотношением указанных подач дает возможность регулировать распределение рудных нагрузок по сечению печи.

На новом режиме загрузки печь работала 10 дней. Сравнительный период после опыта тоже продол­жался 10 дней.

В течение опытного периода имелись некоторые обстоятельства, усложнявшие работу печи, что от­рицательно влияло на технико-экономические пока­затели. Основные трудности были связаны с напряженной работой машинистов вагон-весов. На протяжении всего опытного периода загрузка была узким местом в работе печи, что затрудняло устранение возникающих по разным причинам неполнот. В ря­де случаев печь работала на агломерате с рудного двора, отличающемся повышенным содержанием мелочи.

В опытном периоде увеличилась интенсивность плавки в результате улучшения газодинамических условий в печи. При более форсированном ходе пе­репад давлений был таким же, как и в сравнитель­ном периоде. Газопроницаемость шихты улучшилась, несмотря на некоторое повышение равномерности распределения материалов, подтверждавшееся бо­лее равномерным распределением содержания дву­окиси углерода по радиусу (рис. 4.5).

На опытных плавках удельный расход кокса снизился при приведении к одинаковым условиям на 12 кг/т чугуна, или на 2,0%, а производитель­ность печи возросла на 3,8%.

Можно считать, что смешивание рудного сырья с коксом при загрузке доменной печи, обеспечивая увеличение газопроницаемости шихты и более рав­номерное распределение материалов, способствует улучшению условий плавки и повышению ее техни­ко-экономических показателей.

Кратковременность опытного периода была обу­словлена значительными трудностями при подаче рудной сыпи и кокса в один скип. Можно усилить смешивание материалов и без та­кой загрузки. В частности, это достигается путем набора на малый конус двух скипов материалов: коксового и рудного с расположением кокса под слоем рудной сыпи.

Влияние такой загрузки на показатели доменной плавки исследовали на печи полезным объемом 700 м³, выплавлявшей передельный чугун. В обыч­ных условиях на печи применяется система загруз­ки Р₂К₂ - При этом подача состоит из 13 т рудных материалов и 3,7—4,1 т кокса.

Рис. 4.5. Распределение содержания двуокиси углерода в газе по ра­диусу колошника доменной печи объемом 1033 м³ при обычной послой­ной загрузке рудного сырья и кокса (1) и при их загрузке в смеси одним скипом (2)

Можно усилить смешивание материалов и без та­кой загрузки. В частности, это достигается путем набора на малый конус двух скипов материалов: коксового и рудного с расположением кокса под слоем рудной сыпи.

Влияние такой загрузки на показатели доменной плавки исследовали на печи полезным объемом 700 м³, выплавлявшей передельный чугун. В обыч­ных условиях на печи применяется система загруз­ки Р₂К₂ - При этом подача состоит из 13 т рудных материалов и 3,7—4,1 т кокса.

Соотношение размеров загрузочного устройства на этой печи таково, что во вращающейся воронке размещается только один скип материалов.

Рис. 4.6. Распределение двуокиси углерода по радиусу колошника доменной печи объемом 700 м³ при различных системах набора рудно­го (Р) и коксовых (К) скипов

При наборе двух скипов на малый конус значительная часть материала второго скипа размещается в не­подвижной приемной воронке. В связи с этим электросхему работы распределителя шихты изменили таким образом, чтобы он вращался только после загрузки на малый конус первого скипа каждой

па­ры.

В течение опытного периода продолжительностью 30 суток применяли различные системы загрузки в сочетании с набором двух скипов на малый конус.

Наиболее эффективной в смысле смешивания была загрузка по системе КРКР ↓, при которой распо­ложение каждой пары рудного и коксового скипов на малом конусе благоприятствует смешиванию. Однако ввиду особенностей электросхемы работы распределителя рудный материал при этом грузится в печь без вращения воронки.

Таблица 4.2. Технико-экономические показатели работы доменной печи объемом 700 м³ при наборе кокса и агломерата на малый конус (I) и при обычной загрузке (II)

Показатели	I	II
Производительность, т в сутки	1399	1292
Расход кокса (сухого), кг/т чугуна	546	562
Интенсивность плавки по коксу, т/м3 в сутки	1,229	1,165
Доля агломерата в шихте, %	100,0	100,0
Расход материалов, кг/т чугуна: металлодобавки	21	37
сырой флюс	50	54
конверторный шлак	11	54
Содержание кремния в чугуне,	0,78	0,79
Выход шлака, кг/т чугуна	479	493
Основность шлака (CaO/SiO)	1,26	1,26
Расход природного газа, м3/т чугуна	80	86
То же, кислорода	21,9	24,0
Температура дутья, °С	1062	1047
Избыточное давление колошникового газа, ат.	1,06	1,08
Перепад давления (дутье — колошник), ат.	1,03	1,01
Простои, %	0,33	0,15
Тихий ход, %	0,38	0,19

Чтобы обеспечить равномерность кругового распределения материалов, эту систему загрузки чаще использовали в комбинации с системой Р2К2↓ или РКРК↓, что попутно позволяло подгрузить периферию рудным материалом.

По тем же соображениям использовали систему загрузки РК2Р↓ и КР2К↓. По эффективности смешивания обе эти системы уступают системе КРКР↓, так как из двух пар скипов только одна имеет бла­гоприятное для смешивания расположение рудного материала и кокса. Однако они более удобны для машинистов вагон-весов.

На рис. 4.6 приведены кривые радиального распре­деления двуокиси углерода при различных системах загрузки.

Наиболее приемлемой по равномерности кругового и радиального распределения газа, а также по удобству для машинистов вагон-весов оказалась система загрузки РК2Р↓.

Показатели работы печи в исследуемый период приведены в табл. 2. Для сравнения взяли близкий по условиям доопытный период продолжитель­ностью 9 суток.

Переход на новый режим загрузки способствовал улучшению использования газа и повышению газопроницаемости шихты, что позволило увеличить интенсивность плавки. Это обеспечило повышение производительности печи на 7,0% при снижении удельного расхода кокса на 2,5% (после приведения к, одинаковым условиям) [11-12].

Выводы

1.Изменение условий загрузки фракций разной крупности оказывает различное влияние на газо­проницаемость агломерата в зависимости от наличия в нем мелочи 5—0 мм. При отсутствии мелочи по­вышение газопроницаемости слоя обеспечивается раздельной загрузкой фракций разной крупности, тогда как при ее наличии улучшение газопроницае­мости достигается путем загрузки этой фракции в смеси с другими.

2. Степень изменения газопроницаемости агломерата при переходе с послойной загрузки разных фракций на одновременную при наличии мелочи в агломерате значительно больше, чем при ее отсутствии. В частности, относительное изменение пере­пада давлений на 1 м высоты слоя для агломерата, содержащего 5—30% мелочи, в 2—3 раза выше, чем; без мелочи, а по абсолютной величине перепад при наличии мелочи в 14—20 раз выше, чем при ее отсутствии.

3. Смешивание кокса крупностью 80—40 мм с аг­ломератом, содержащим 5—40% фракций 5—0 мм уменьшает газодинамическое сопротивление шихты на 12—25% по сравнению с получаемым при по­слойной укладке тех же материалов. При смешива­нии кокса с окатышами, содержащими 10% мелочи, газодинамическое сопротивление слоя, наоборот, по­вышается.

4. На печи объемом 1083 м³ завода им. Петров­ского применение новой системы загрузки способ­ствовало увеличению газопроницаемости шихты более равномерному распределению материалов повышению производительности и снижению расхо­да кокса.