4.6 Основы управления доменной плавкой. Оптимальное распределение шихты и газа в печи, условия и технические средства для его достижения.

Задача управления доменной плавкой является сложной многопараметрической задачей, целью которой является обеспечение стабильной, безопасной и высокопроизводительной работы доменной печи на заданном уровне при выплавке чугуна заданного состава и температуры и с минимальными затратами на его выплавку. Решение этой задачи сводится к оптимизации распределения шихтовых материалов и газов по радиусу и к стабилизации нагрева печи, состава шлака и газодинамической напряженности (общего перепада давлении) на оптимальных уровнях.

Сложность этой задачи обусловлена наличием более 15 управляющих воздействий, которые используются для управления процессом и одновременно в той или иной степени оказывающих влияние на распределение материалов и газа по радиусу, на газодинамику процесса, на тепловое состояние печи и на шлаковый режим ее работы. К этим параметрам относятся (рис.40):

Рис. 40. Схема доменного процесса: входные и выходные параметры

1. Распределение материалов и газа по радиусу печи:

- распределение рудной нагрузки по радиусу печи,

- масса рудной подачи,

- уровень засыпи.

2.Газодинамика процесса:

- расход дутья,

- давление газа на колошнике,

- общий перепад давления.

3. Нагрев печи (тепловое состояние):

- рудная нагрузка на кокс,

- температура дутья,

- влажность дутья,

- расход вдуваемого топлива,

- содержание кислорода в дутье.

4. Шлаковый режим

- расход флюсующей добавки.

- соотношение агломерата и окатышей,

- расход промывочных материалов (руда, марганцевая руда, плавиковый шпат, промывочный агломерат).

Основным управляющим воздействием, оказывающим влияние на нагрев печи, газодинамику и распределение газов по радиусу печи, является распределение рудной нагрузки по радиусу. Задача управления распределением железорудных материалов и кокса (рудной нагрузки) по радиусу печи является оптимизационной, т.е. сводится к нахождению и поддержанию оптимального (по одному из критериев: производитель, расход топлива, себестоимость чугуна и др.) для существующих условий работы печи радиального распределения шихты. К этим условиям относятся в первую очередь качество кокса (горячая и холодная прочность, средний размер кусков) и железорудных материалов (горячая прочность, содержание фракции 0-5 мм, восстановимость), а также производственная программа работы печи. В общем случае оптимальным распределением шихтовых материалов и газов по радиусу является такое их распределение, при котором в печи имеет место выраженный стабильный центральный поток газов с температурой на уровне засыпи 800-1000 ^оС, обусловленный наличием в структуре столба шихты центральной коксовой «отдушины» - осевой зоны с нулевой или очень низкой рудной нагрузкой (рис.41). Площадь горизонтального сечения этой зоны на уровне засыпи должна составлять не более 7-10 % от площади колошника. При этом печь работает с центральным ходом газов.

Рис. 41 Работа печи с центральным ходом газов

Основное количество железорудных материалов распределяется в промежуточной зоне между узким периферийным кольцом и коксовой отдушиной. В узкой периферийной кольцевой зоне (10-15 % площади колошника) рудная нагрузка должна быть пониженной по сравнению с промежуточной зоной. При таком распределении материалов достигается наиболее экономичная работа печи благодаря высокой степени использования тепловой и химической энергии газа, минимальным потерям тепла с охлаждающей водой холодильников, распара и шахты. Из кокса, находящегося в осевой зоне печи и практически не взаимодействующего с газом, т.е. сохраняющего свою прочность и размеры кусков, формируется коксовый тотерман с высокой проницаемостью.

Недостатком центрального хода, особенно при выплавке чугуна с низким (0,3-0,4 %) содержанием кремния, может быть расположение корней зоны когезии в нижней части заплечиков, вблизи фурм. В этом случае возможно опускание в горн неподготовленных (недовосстановленных) железорудных материалов, а при колебаниях в них содержания железа и его окисленности или их основности имеется высокий риск снижения дренажной способности коксовой насадки в периферийной зоне горна из-за повышения вязкости образующихся холодных первичных шлаков. Это создает условия для горения фурм из-за скопления продуктов плавки перед ними, особенно при низком качестве кокса.

При значительном снижении рудной нагрузки в периферийной кольцевой зоне в ней увеличивается порозность и основная часть газа идет здесь. Работа печи с периферийным ходом газов повышает устойчивость процесса и делает его легче управляемым из-за более высокого расположения корней зоны когезии (рис. 42).

Рис. 42. Работа печи с периферийным ходом газов

Негативной стороной работы с периферийным ходом газов является увеличение потерь тепла из-за повышенных тепловых нагрузок на стены и, как следствие, менее экономичная работа печи из-за повышенного расхода кокса. Кроме того, при длительной работе печи с чрезмерно развитым периферийным ходом возникает риск «потери центра» - снижения температуры в центре коксового тотермана и потери его проницаемости.

Наиболее эффективное управление распределением шихтовых материалов по радиусу при их загрузке в печь достигается специально сконструированными для такого распределения загрузочными устройствами. К таким устройствам, применяемым в настоящее время на доменных печах относятся:

1.Двух и трех-конусные загрузочные устройства с подвижными колошниковыми плитами (рис. 43).

2.Бесконусные загрузочные устройства (БЗУ)с лотковым распределителем шихты (рис 44).

3. БЗУ с роторным распределителем шихты (рис.45).

4. БЗУ с трубообразным распределителем шихты (рис.46).

А Б

Рис. 43. Распределение материалов на колошнике типовым 2-х конусным загрузочным устройством (А) и конусным устройством с подвижными плитами (Б)

Рис. 44. Распределение материалов на колошнике БЗУ с лотковым распределителем шихты)

Рис. 45. БЗУ с роторным распределителем шихты

Рис. 46 БЗУ с трубчатым распределителем шихты

Среди перечисленных загрузочных устройств БЗУ с роторным распределителем шихты обладает рядом несомненных технических и технологических преимуществ перед остальными, а именно:

- Высокая окружная равномерность распределения материалов на колошнике.

- Более гибкое и динамичное распределение материалов по радиусу, позволяющее значительно быстрее оптимизировать их радиальное распределение.

- Мягкая технология загрузки без переуплотнения поверхностного слоя шихты в печи и деформации профиля предыдущей порции шихты, что достигается за счет уменьшения кинетической энергии потока выгружаемого материала при его разделении на пять следующих друг за другом потоков.

- Усреднение загружаемой порции материалов по химическому и гранулометрическому составу.

- Более высокий темп загрузки.

- В 3-5 раз более высокий срок службы распределителя шихты, позволяющий работать без остановок печи на его замену в течение нескольких лет.

- Простота и более высокая надежность и работоспособность загрузочного устройства в целом.

- Меньший износ шихтовых затворов в связи с отсутствием необходимости регулировать скорость выхода шихты из бункера.

- Меньшие эксплуатационные затраты.