4.7 Показатели работы доменных печей

Работу доменных печей и технологические параметры доменного процесса оценивают с помощью ряда расчетных показателей, которые можно условно разбить на две группы: параметрические показатели процесса и технико-экономические показатели доменной плавки.

Параметрические показатели используются для оценки состояния технологического процесса и оперативного управления им, а также для ретроспективной оценки процесса в различные периоды времени. Технико-экономические показатели работы доменной печи используются для оценки эффективности работы печи за декадные, месячные и годовые периоды времени.

Расчетные параметрические показатели доменного процесса.

К расчетным параметрическим показателям доменного процесса относятся показатели, характеризующие: температуру газов в фурменной зоне, процесс восстановления, газодинамическую напряженность процесса, состояние коксовой насадки, распределение газового потока по диаметру печи и др.

Эти показатели рассчитываются по измеряемым параметрам процесса (химический состав продуктов плавки, дутья и колошникового газа, давление дутья и газа, расход и состав вдуваемого топлива и др.) К таким показателям относятся :

Теоретическая температура горения

Т_теор. = (Q_c+Q_д + Qс_к – Q_дис)/0,001(V_СО ∙C_CO + V_N2∙C_N2 + V_H2∙C_H2),

Степень использования СО η_СО =СО₂/(СО+СО₂),

Степень прямого восстановления r_d= Fed/(Fe_общ – Fe_мет)

Индекс газодинамической напряженности ИГН

,

где : V_Д–расход дутья (горнового газа), м³/мин;

Р_ОБЩ – общий перепад давления, кгс/см²;

В зарубежной практике пользуются следующим показателем газодинамической напряженности:

Где: V – объем газа в заплечиках, м³/мин;

Рд, Рк – давление дутья и колошникового газа соответственно, Па;

Показатель проницаемости коксовой насадки или «Индекс тотермана» DMI

где:

Т_ч – температура чугуна, ⁰С

[Si], [P], [S], [Mn], [C] – массовая доля указанных элементов в чугуне, %

В – основность шлака (CaO/SiO₂)

Высокие значения DMI характеризуют коксовую насадку с высокой проницаемостью.

Показатель распределения газового потока по радиусу печи К

где:

Q^зап – тепловые потери с охлаждающей водой в заплечиках, МДж/т чугуна.

Q^1-2 – тепловые потери с охлаждающей водой в распаре и нижней части шахты (1 и 2 ряд холодильников), МДж/т чугуна.

Для ДП №6 установлены следующие значения К при различных газораспределениях:

≤ 2,0 – центральный ход печи;

2,0-2,7 – периферийно-центральных ход печи

>2,7 – периферийный ход печи.

Технико-экономические показатели доменной плавки.

Эффективность работы доменной печи оценивают с помощью ряда расчетных показателей, характеризующих: качество выплавляемого чугуна, производительность доменной печи, удельный расход кокса или удельный суммарный расход топлива.

Качество передельного чугуна, поступающего в сталеплавильные цехи определяется стабильностью его состава и температуры во времени и соответствием его химического состава и температуры на выпуске заданному составу и заданной температуре. Стабильность состава чугуна и его температуры характеризуют величинами среднеквадратичного отклонения контролируемых параметров. При выплавке обычного передельного чугуна контролируют на каждом выпуске температуру чугуна и содержание в нем кремния, серы, марганца и фосфора. Содержание углерода контролируется реже. Поскольку содержание марганца и фосфора в первую очередь определяется их содержанием в железорудных материалах и коксе, то соответствие химсостава чугуна заданному контролируется по двум компонентам – кремний и сера, содержание которых зависит в первую очередь от соблюдения технологии плавки и колебаний качественных характеристик кокса и железорудных материалов.

Современная концепция технологии доменной плавки на заводах интегрированного типа в части заданного (целевого) содержания кремния и серы в чугуне определяется исключительно экономическими факторами, а именно стремлением минимизировать затраты на выплавку стали. В связи с этим технология доменной плавки в большинстве случаев нацелена на выплавку чугуна с минимальным содержанием кремния в нем, которое определяется стабильностью качества используемых в плавке кокса и железорудного сырья. На заводах Европы, Японии и Кореи это содержание составляет 0,3-0,4 %, что существенно ниже содержания кремния в чугуне, выплавляемом и планируемом к выплавке в ОАО НЛМК (рис. 47). При этом содержание серы не опускается ниже 0,03 %, тогда как в чугуне доменных печей ОАО НЛМК это содержание значительно ниже (рис. 48).

Рис. 47. Содержание кремния в чугуне доменных печей ОАО НЛМК и ряда печей Европы, Японии и Кореи

Рис. 48. Содержание серы в чугуне доменных печей ОАО НЛМК и ряда печей Европы, Японии и Кореи

В то же время в специфических региональных условиях, когда цена металлолома существенно ниже себестоимости выплавляемого чугуна, содержание кремния в нем поддерживают на высоком уровне (0,8-1,0 %) в связи с повышенной долей металлолома в металлошихте конвертеров. Однако и в этом случае содержание серы (за счет пониженной основности шлака) поддерживают не менее 0,03% и подвергают его десульфурации.

В связи с использованием на металлургических заводах доменных печей различного объема (В ОАО НЛМК от 1000 до 3200 м³ сейчас и до 4300 м³ с 2011 года, в России от 250 м³ до 5500 м³) для оценки производительности печей используют их удельную производительность. Показатели удельной производительности доменной печи рассчитывают либо на 1м³ объема печи (Р_v, т/м³ в сутки), либо на 1 м² площади поперечного сечения горна (Р_s, т/м² в сутки). Первый показатель, кроме неудобства его применения из-за отличающихся по величине используемых объемов печи (полезный объем, рабочий объем, внутренний объем), практически детерминировано зависит от объема печи. Его применение, при сравнении удельных производительностей различного объема, дает всегда, некорректные величины При одних и тех же условиях работы малые доменные печи всегда демонстрируют более высокие значения показателя Р_v по сравнению с печами большого объема. Это легко демонстрируется аналитическим путем.

Выразим минутную производительность ДП (Pr) как произведение двух составляющих:

Pr = Pb·Q , t/min (1)

Pb - балансовая составляющая производительности, зависящая от удельного расхода топлива и содержания кислорода в дутье. Физический смысл балансовой составляющей – выход чугуна в ДП на 1 м³ образующегося в ней газа, t/m³ ;

Q – газодинамическая составляющая производительности, зависящая от газопроницаемости столба шихты в ДП. Физический смысл газодинамической составляющей – объем газа, проходящего через ДП в единицу времени, m³/min.

Газодинамическую составляющую производительности печи можно аналитически определить, используя известное уравнение S.Ergun:

∆P =φ∙H·ω²∙ρ(1-є)/d_e·є³, kg/m² (2)

где:

∆P – общие потери напора в столбе шихты в доменной печи от уровня фурм до уровня засыпи шихты в печи, kg/m²

φ – коэффициент сопротивления столба шихты,

Ρ – плотность газа в печи, kg/m³

ω- скорость газа в печи, m/min,

є- порозность столба шихты в печи, m³/m³

d_e –эквивалентный диаметр частиц слоя шихты в печи, m

Н – высота столба шихты в печи от уровня фурм до уровня засыпи, m. Н = h_bosh + h_belly + h_shaft

Преобразуем уравнение Эгона, выразив скорость газа через его расход (Q) и площадь поперечного сечения печи (S), а плотность газа через его молекулярную массу (M, кг/моль) с учетом влияние на плотность газа давления (p) и температуры (T) в печи.

∆P =φ∙H·Q²∙98TM(1-є)/S²d_e·є³·p∙273∙22,4 (3)

Выразим ∆P через давление в печи на уровне фурм (p_b) и на колошнике (p_t):

∆P = p_b - p_t (4)

и давление на уровне фурм через давление газа на колошнике:

p_b = p_t + γ·ρ_ch∙H (5)

где:

γ – коэффициент газодинамической устойчивости столба шихты,

ρ_ch∙ - объемная масса шихты в печи, kg/m³.

Подставив (4) и (5) в (3), найдем из уравнения (3) расход газа в печи:

Q = S[22,4·273∙ d_e·γ·ρ_ch∙ є³(p_t+0,5 γ·ρ_ch·H)/M98T(1-є) φ]^½ (6)

Принимаем за объем печи (V) сумму объемов заплечикав, распара и шахты:

V = V_bosh + V_belly + V_shaft (7)

Тогда эквивалентная площадь поперечного сечения печи (S_eq) будет равна:

S_eq. = V/H (8)

Для постоянных газодинамических и шихтовых условий работы ДП можно обозначить:

А = [22,4∙273 ²d_e·γ·ρ_ch є³/ φ∙98TM(1- є)]^½ · (9)

Тогда производительность ДП (Pr) может быть выражена уравнением:

Pr = Pb·S_eq∙A[p_t + 0,5 γ·ρ_ch∙H]^½, t/min (10)

Используя уравнения (10) и (9) определим удельную производительность на 1 м³ объема печи (P_V) и удельную производительность на 1 m² площади поперечного сечения печи (P_S):

P_V= Pb·A[p_t + 0,5 γ·ρ_ch∙H]^½/H, t/m³∙day (11)

P_S = Pb·A[p_t + 0,5 γ·ρ_ch∙H]^½_, t/m²·day (12)

Из формул (11) и (12) видно, что при прочих равных условиях работы доменных печей разного объема (равенство параметров Pb, A,p_t, γ и·ρ_ch) величины P_V на печах меньшего объема всегда будет больше и наоборот.

Указанного недостатка не имеет показатель удельной производительности, рассчитываемый на 1 м² площади поперечного сечения горна Р_S. Он же соответствует и физическому смыслу газодинамической составляющей производительности доменной печи (м3/мин.•м²). Сопоставление удельных производительностей доменных печей разного объема всегда однозначно подтверждает зависимость показателя удельной производительности Р_v от объема доменной печи (рис. 49).

Рис. 49. Среднегодовые показатели (P_Sh и P_V) удельной производительности доменных печей различного объема

Доменные печи ОАО НЛМК имеют удельную производительность на уровне Европейских доменных печей. Однако по удельному расходу топлива они существенно уступают лучшим Европейски печам (рис. 50, 51). Резервы снижения удельного расхода топлива на ДП ОАО НЛМК представлены на рис. 52).

Рис. 50. Удельный суммарный расход топлива на лучших ДП Европы и ДП НЛМК

Рис. 51.Удельная производительность лучших доменных печей Европы и ДП ОАО НЛМК

Рис. 52. Основные мероприятия, которые обеспечат снижение расхода топлива на выплавку чугуна на ДП ОАО НЛМК

Удельный расход кокса (кг/т чугуна) или удельный суммарный расход топлива характеризуют экономичность процесса, так как затраты на расход топлива составляют более половины себестоимости чугуна (рис.53).

Рис. 53. Себестоимость чугуна и стали (в ценах 2010 г.)

Суммарный расход топлива в коксовом эквиваленте рассчитывается как сумма расхода кокса и произведения расхода вдуваемого топлива на теоретический (максимальный для данного состава топлива) коэффициент замены кокса вдуваемым топливом.

Санитарно-экологическая функция доменной печи.

Уникальные температурные и окислительно-восстановительные условия, существующие в доменной печи во время ее работы, позволяют выполнять ей определенные санитарно-экологические функции, а именно утилизировать некоторые отходы металлургических заводов, утилизация которых другими способами либо невозможна, либо чрезвычайно экономически затратна, либо сопровождается серьезными вредными выбросами в атмосферу. К таким отходам относятся замасленная прокатная окалина, конвертерный шлам, отработанные моторные масла, отработанное трансформаторное масло.