1.1.7. Оптимизация газодинамики доменной плавки

Как уже отмечалось, доменный процесс является многофакторным и его оптимизация в буквальном смысле этого слова практически маловероятна. Поэтому под оптимизацией газодинамики доменной плавки понимают различные мероприятия, направленные на совершенствование технологии загрузки печей, лучшее использование тепловой и восстановительной энергии печных газов, снижения потерь давления в зоне когезии, улучшение дренажа жидких продуктов плавки через коксовую насадку и т.д.

Во время опускания шихты происходит растрескивание агломерата и окатышей при их нагреве и восстановлении оксидов металлов. На рис 1.12 представлено измельчение агломерата в шахте (рис 1.12, а) и распределение средних размеров частиц по радиусу колошника (рис 1.12, б). На первом горизонте (4,2 м от верха колошника) количество частиц < 5 мм составило 20-32 % вместо 5-15 % при ссыпании с конуса. В середине шахты (8-9 м от верха колошника) количество мелочи возросло до 62-85 % причем масса частиц < 3 мм увеличилась до 40-60 %. В нижней части шахты количество мелочи возрастало в меньшей мере (рис. 1.12, а поз 3 и 4).

На верхнем горизонте средний диаметр частиц у стен минимальный и составил 3,8 мм (рис. 1.12, б), так как у стен печи было максимальное количество частиц < 1,0 мм. При ссыпании с конуса частички агломерата < 3 мм отклоняются встречным потоком газа к стенкам печи. Часть из этих частичек попадает в промежуточную зону или выносится из печи газами. На рис. 1.12, б видно, что в центральной части рудные частицы разрушались быстрее по сравнению с периферийной и промежуточной зонами, где ниже нагрев газа и его восстановительная способность.

Следовательно, офлюсованный агломерат, железная руда и окатыши в доменной печи превращаются в мелкие частицы уже в верхних горизонтах шахты, т.е. в сухой части столба шихтовых материалов. Объем агломерата и кокса примерно одинаков и столб шихты имеет низкую порозность (см. рис. 1.4), т.к. объемная доля мелочи равна m = 0,4-0,5. Поэтому наиболее важным для оптимизации газодинамики доменной плавки является не только отсев мелочи из агломерата и окатышей, но и получение этих материалов с такими свойствами, которые увеличивали бы их прочность в процессе восстановительно-тепловой обработки.

Таблица 1.1 – Результаты термообработки офлюсованного

агломерата в атмосфере азота и воздуха

Условия обработки			Минералогический состав, %		Показатель измельчения
0С	τ, мин	Атмосфера	гематит	магнетит	< 5 мм, % (по массе)	< 3 мм, % (по массе)
Необработанный			32,6	46,2	52,3	29,0
1250	30	Азот	20,5	60,0	45,7	29,7
1300	30	Тот же	11,4	70,0	7,7	4,9
1350	30	Тот же	1,7	73,3	0,4	0,4
1200	30	Воздух	55,9	13,3	37,2	22,3
1300	30	Тот же	53,3	10,0	43,5	25,9
1350	30	Тот же	54,4	8,3	31,8	22,0

Установлено, что разрушение агломерата и окатышей происходит вдоль зерен гематита (Fe₂O₃), с увеличением количества гематита в агломерате пропорционально возрастает и показатель измельчения. В настоящее время основной задачей является получение агломерата и окатышей, в которых бы исключалось содержание гематита или снижалась бы скорость их восстановления. Для этой цели охлаждение агломерата производят в восстановительной среде, исключающей образование гематита. Однако получение восстановительных газов является дорогостоящей операцией и практически мало применяется. Более технологичной является вторичная термообработка агломерата в атмосфере азота и воздуха [25, 26, 27]. В таблице 1.1 приведены результаты вторичного подогрева агломерата, в воздухе и в чистом азоте при повышенной температуре.

Видно, что наилучшие показатели достигнуты при температуре 1300-1350⁰С в атмосфере азота. Количество гематита снизилось более чем в три раза, а масса мелких частиц < 5 мм и < 3 мм снизилась в 5-6 раз. При термообработке в атмосфере воздуха измельчаемость снижается в меньшей мере с 52,3 % в необработанном агломерате до 32 % после термообработки (для частиц < 5 мм). Поскольку на металлургических комбинатах передел чугуна в сталь производят в конверторах с продувкой кислородом сверху, всегда имеется азот, который и нужно использовать для термообработки агломерата. Такую же термообработку следует применять и для окатышей.

Возможны и другие варианты упрочнения агломерата и окатышей в условиях восстановительно-тепловой обработки. Например, получение вместо зерен ромбоэдрального гематита зерен глобулярного гематита, которые в меньшей мере подвергаются разрушению в процессе нагрева и восстановления. Для окатышей возможно быстрое их охлаждение со скоростью 400-500⁰С/мин. с образованием высокопрочного закаленного стекла из расплавленной части нерудных компонентов (кремнезем, флюс и др.). Наличие указанного стекла повышает прочность окатышей в 1,2-1,5 раза в исходном состоянии и резко увеличивает их прочность при восстановительно-тепловой обработке. Большой объем исследований выполняется по производству металлизованных окатышей, обладающих высокой прочностью при восстановлении. В настоящее время этот процесс является весьма дорогостоящим и поэтому не нашел еще широкого применения.

Более равномерное окружное распределение материалов и газов получают за счет изменения программы ВРШ. Если в каждой следующей подаче вращать воронку с материалом на 180⁰ больше по отношению к углу вращения предыдущей подачи, то компенсация окружной неравномерности будет происходить быстрее. Максимальная неравномерность масс агломерата двух диаметрально загруженных подач по схеме 180⁰ + 2α (α - угол отклонения положения гребней материалов от оси печи) составила 1,0-2,3% против 1,7-3,2 % при обычной схеме загрузки. Угол отклонения гребня от оси обычно 30⁰, тогда 2α = 60⁰. Более равномерно распределилась и мелочь (< 5 мм) 5-7 % неравномерности против 9,4-11,7 % для загрузки обычным способом. Остальные фракции распределились примерно одинаково для рассмотренных программ работы ВРШ.

Газодинамика слоя зависит в основном от параметров, входящих в уравнение для определения ΔР таких, как d_э.ч.; (1-ε)/ε³ и др. На рис. 1.13 представлены указанные параметры в зависимости от способа их загрузки. Видно, что со стороны откосов m = 0,27, а со стороны гребней 0,09. Более равномерное распределение мелочи по окружности печи предопределило и более равномерное распределение d_э.ч. и симплекса (1-ε)/ε³. Так например максимальная разность последнего составила 55 % для обычной загрузки и 25 % для загрузки методом диаметральной компенсации и учетом углов отклонения гребней от оси печи (2α). При такой загрузке улучшаются показатели доменной плавки, в частности снижается удельный расход кокса. Практика показала, что при диаметральной загрузке материалов расход кокса снижается на 3-5 % при равной, примерно, производительности печи.

Более равномерное окружное распределение шихты для каждой подачи можно получить и за счет вращения воронки в момент опрокидывания скипа. Этому же способствует наличие пережима во вращающейся воронке, уменьшение ее выходного отверстия, установка в ней рассекателей и делителей. Все указанные конструктивные изменения воронок были апробированы в промышленности и подтвердили улучшение равномерности в распределении материалов и газов по окружности печи.

В настоящее время, большинство доменных печей загружают циклами, чаще всего 3ААКК↓ 2КААК↓. В цикл могут входить обратные подачи, смешанные, раздельные, "пыжи" (АААА↓, КККК↓) и т.д. Соотношение подач различной очередности подбирают обычно опытным путем или с помощью моделей. На модели, например, установили, что наиболее приемлемым для условий "Криворожстали" является цикл 3AAKK↓ 2КАКА↓ 1,5 м, а наиболее худшее распределение дает цикл 2ААКК↓ 5КАКА↓ 1,75 м. Оба цикла апробировали на одной из доменных печей объемом 2002 м³. Удельная производительность составила - соответственно 2,003 и 1,796 т/м³сут., а расход кокса 507,9 и 543,6 кг/т чугуна [3, 28].

На рис. 1.14 представлено распределение рудных линз при обычной загрузке (а) и различных уровнях засыпи (б). Впервые такую загрузку осуществили на доменных печах ММК им. Ильича, а затем на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК). Степень использования восстановительной способности газов повысилась на 0,8-1,9%, а содержание СО₂ на 0,6-1,3%. Расход кокса сократился при этом на 5-10 кг/т чуг., а производство чугуна осталось без изменения [29, 30, 31].

Положительный результат получили также при загрузке печей разными по массе рудными и коксовыми колошами. На ММК им. Ильича грузили печь объемом 1033 м³ циклом из двух подач коксовой колошей 4,8 т и одной подачи - 7,2 т кокса. Содержание СО₂ у стен возросло с 6-7 % при обычной загрузке (все подачи 7,2 т кокса) до 10,5-11% для циклической загрузки больших и малых подач. Общее содержание СО₂ в газе возросло на 1,0-1,2%, а расход кокса снизился на 2,2% при одновременном увеличении производительности печи на 100-130 т чугуна в сутки. Такие же результаты получили на д.п №1 НПО "Тулачермет". На д.п № 8 "Криворожстали" через 12 подач со сниженной массой кокса (9,5 т вместо 11,5 т) давали одну холостую подачу КККК↓. В таком же режиме грузили доменные печи на Западно-Сибирском металлургическом комбинате (3CMK). Производительность печей возрастала на 1,05-3,2% при одновременном снижении расхода кокса на 0,7-2,9 %. На рис. 1.14 (в) видно насколько существенно изменяется радиальное распределение СО₂ (а значит и газового потока) при неизменной массе подач и циклической загрузки больших и малых порций.

Положительные результаты оптимизации окружного и радиального распределения материалов и газов по концентрическим окружностям доменной печи при загрузке ее типовым загрузочным устройством позволили разработать новые ЗУ, которые увеличивали возможности варьирования противотоком шихтовых материалов и газов. Наиболее равномерное распределение шихты по окружности печи получили с помощью быстровращающейся воронки с четырьмя направляющими лопастями (БВНЛ). В момент высыпания шихты из скипа через подвижную приемную воронку, БВНЛ вращалась со скоростью 18-20 об/мин. и материалы прижимались центробежной силой к ее лопастям. Затем электропривод отключался и БВНЛ по инерции вращалась с замедлением. Центробежные силы уменьшались и шихта четырьмя потоками ссыпалась на верхний конус (рис. 1.15). На верхний конус набиралась вся подача, а затем она ссыпалась на нижний конус и на колошник печи. Это позволяло держать в межконусном пространстве все время такое же давление газа, как и на колошнике. Нижний конус находился в качестве газового затвора только на период открывания верхнего конуса, т.е. в 4-5 раз меньше, чем это имеет место в типовом загрузочном устройстве.

Распределение порозности (ε) и (1-ε)/ε³ по окружности печи при загрузке ее типовым и многорежимным распределениями шихты (MPШ) с БВНЛ представлены на рис. 1.16. Видно, что распределение по окружности печи материалов МРШ практически равномерно. При загрузке материалов ВРШ типовой конструкции даже в лучшем варианте максимальная разность составляет 25-30 % по изменению симплекса (1-ε}/ε³, изменение которого, как было отмечено ранее, аналогично изменению потерь напора газа. Более равномерное распределение материалов и газов при загрузке печи многорежимным распределителем позволило снизить расход кокса на 7 % и увеличить удельную производительность с 1,75-1,90 до 2,0 т/м³ сутки.

В настоящее время широкое применение нашли бесконусные загрузочные устройства (БЗУ) лоткового типа (pиc. 1.17). При этом лоток вращается не только по окружности печи, но может перемещаться и в радиальном направлении. Вращением лотка по окружности колошника на определенном расстоянии от стен и соответствующим регулированием количества ссыпаемых материалов можно загружать шихту, примерно с таким же распределением, которое - дает конусный засыпной агрегат. Шихту можно также перемещать ближе к стенкам, в промежуточную или осевую зоны. Лотковый БЗУ представляет идеальные условия для работы по станциям, в том числе для исправления не только окружного, но и радиального потоков газа. Возможен также режим загрузки с одновременным поворотом и наклоном лотка. В этом случае получается достаточно равномерный слой материалов по радиусу печи.

Шихту подают скипами или ленточным транспортером 1 (рис.1.17) через направляющий желоб 2 и открытый верхний газовый затвор 3 в два промежуточных бункера 4. В нижней части промежуточных бункеров установлены разгрузочные тракты с шихтовыми затворами 5 и нижними газовыми клапанами 6. Шихтовые затворы удерживают материалы в момент открывания газоуплотнительных клапанов и регулируют скорость истечения выгружаемой шихты, которая через центральную течку 7 попадает во вращающийся лоток 8. Лоток делает 8 оборотов в минуту, угол наклона к вертикальной оси может изменяться от 0⁰ до 50⁰. Период высыпания 80 с с учетом времени загрузки второго шлюзового тракта.

К сожалению в технической литературе нет сведений о газодинамических параметрах столба шихтовых материалов при загрузке печей БЗУ лоткового типа. Следовательно, нельзя в полной мере сравнить качество распределения шихты с рассмотренными ранее конструкциями загрузочных устройств. На ДП объемом 5500 м³ Череповецкого металлургического комбината (ЧерМК) частицы < 5 мм в основном сосредоточены в промежуточной и периферийной зонах. Крупные куски наоборот находятся в основном в осевой зоне. Такое распределение шихты по гранулометрическому составу способствует формированию рационального газового потока, что и подтверждается радиальным распределением СО₂ и СО.

Кроме того БЗУ обладают хорошими эксплуатационными и ремонтными свойствами, позволяют работать с высоким давлением газа на колошнике и поэтому нашли достаточно широкое применение в металлургической промышленности.

Успешное использование БЗУ лоткового типа послужило толчком в развитии вращающихся непосредственно на колошнике печи желобов, лотков, воронок, сегментов и т.д. Так, предложен вращающийся желоб, закрепленный в коробе. Желоб можно наклонять по радиусу печи и в комбинации с вращением короба загружать материалы дифференцированно или равномерно по горизонтальным и вертикальным сечениям печи. В другом предложении устройство имеет малый конус и поворотный желоб, который с помощью центральной штанги может менять угол наклона желоба во время ее вертикального перемещения. Предложены различные конструкции стационарных распределителей шихты (СРШ), которые могут обеспечивать достаточно равномерное окружное распределение шихты и обеспечивать рациональную неравномерность газового потока по радиусу доменной печи. Кроме БЗУ лоткового типа указанные разновидности ЗУ еще не апробированы в достаточной мере в промышленных условиях и поэтому трудно судить о положительных и отрицательных аспектах их работы.

* индексами 2,3 обозначено число скипов.