Исследование работы доменной печи при совместной загрузке железорудных материалов и кокса в скип

По данным исследований [2], в условиях комбината им. Ф. Э. Дзержинского увеличение содержания углекислоты в колошниковом газе на 1% приводит к снижению расхода кокса примерно на 30 кг/т чугуна (улучшению использования окиси углерода на 3%). Результаты опытных плавок [1, 2, 4] показывают, что при загрузке железорудных материалов, смешанных с коксом, в различных условиях плавки достигаются значительное снижение удельного расхода кокса (на 2-8%) и повышение производительности доменных печей (на 1-4%).

В настоящее время еще распространено убеждение, что столб шихты из смешанных материалов различной крупности имеет худшую газопроницаемость, чем расположенных послойно. И только в некоторых работах [5-7] указывается, что такая шихта может иметь более высокую газопроницаемость. Различные мнения о газопроницаемости слоя материалов, загруженных в смеси и послойно, могут быть одинаково справедливы, но только для конкретных условий при определенных количественных значениях.

Результаты исследований  газопроницаемости слоя материалов, загруженных послойно и в смеси, показали, что при смешивании материалов существенное уменьшение сопротивления столба шихты наблюдается при определенных соотношениях мелких и крупных материалов. В частности, при смешивании производственных агломератов, содержащих 20-30% мелкой фракции (0-5 мм), с коксом потеря напора в слое одинакова. При большем количестве мелочи газопроницаемость смеси значительно выше, чем при послойном расположении кокса и агломерата. В этом случае слой мелкого агломерата являлся определяющим в создании сопротивления проходу газа. При количестве мелочи менее 20% газопроницаемость смеси была хуже, но незначительно (рис. 10).

Насыпная масса смеси в зависимости от количества мелкой фракции в агломерате была на 7-25% больше насыпной массы столба шихты с послойной укладкой. Вследствие этого в одном и том же объеме помещается на 4-13% больше агломерата с незначительно худшей газопроницаемостью, если фракции 0-5 мм меньше 20%, и лучшей, если содержание этой фракции больше 30%.

Рис.10. Зависимость параметров слоя шихты при раздельной загрузке агломерата и кокса (– – – –) и смесью (–––––) от содержания мелкой фракции в агломерате

 

Увеличение насыпной массы шихты на 10% (с 1,05 до 1,15 т/м3) эквивалентно улучшению использования объема печи на 5% и соответственно такому же сокращению удельного расхода кокса. В результате увеличения активного веса смешанной шихты возникает возможность вести доменную плавку при более высоких значениях перепада давления. При увеличении насыпной массы шихты с 1 до 1,15 т/м3 критическая скорость газа в слое, при которой шихта переходит во взвешенное состояние, возрастает с 7,5 до 8,25 м/с, а критический перепад давления газа в столбе шихты высотой 1 м увеличивается на 2250 Па [8].

Результаты восьми опытных плавок, проведенных на комбинатах им. Ф. Э. Дзержинского, «Криворожсталь» и заводе им. Г. И. Петровского в различные периоды (1971- 1982 гг.), показали, что в зависимости от исходного режима плавки при обычной системе загрузки влияние на газодинамику процесса при переходе на загрузку материалов в смеси неодинаково.

В случае исходного периферийного или центрального хода печи переход на загрузку смесью вызывал некоторое увеличение перепада давления. Количество дутья при этом несколько снижалось до уровня, обеспечивающего ровный сход шихты. Несмотря на некоторое уменьшение количества дутья, эффект от загрузки смесью был значительным, производительность возросла, расход кокса снизился за счет лучшего использования газа и полезного объема печи.

Некоторый рост перепада давления при загрузке агломерата с содержанием мелочи около 25% в смеси с коксом объясняется более равномерным распределением агломерата по сечению и значительным увеличением рудных нагрузок (на 6-14%). При увеличении рудной нагрузки на 10% интенсивность горения кокса в среднем понижалась на 5%, интенсивность же плавки по руде возрастала на 4-5%. В этих условиях производительность увеличивалась на 4, расход кокса снижался на 8%. Некоторое увеличение перепада давления может наблюдаться в переходный период перевода с обычной системы загрузки на загрузку смешанными материалами из-за недостаточного и несвоевременного уменьшения количества кокса в подаче, в результате чего возникает горячий ход, нарушающий ровность схода шихты.

Опыт показал, что при переходе на загрузку смесью расход кокса в подаче после 2 ч работы на новом режиме следует уменьшать на 2 %, после 4-х – еще на 2, а затем уже корректировать по содержанию кремния в чугуне.

Увеличение рудной составляющей в объеме печи при загрузке смесью и более рациональное ее распределение по сечению вызывало улучшение использования газа, а соответственно и снижение расхода кокса. Последнее, в свою очередь, приводило к дополнительному повышению рудных нагрузок. Как правило, содержание СО2 по радиусу печи перераспределялось таким образом, что общее количество его в газе возрастало. Чаще всего количество СО2 на периферии изменялось незначительно, а к центру печи увеличивалось (рис. 11).

Смешивание материалов, которое обеспечивалось в опытных плавках путем загрузки в один скип железорудных материалов и кокса, было несовершенным. Если принять степень смешения агломерата и кокса при равномерном распределении рудной нагрузки во всем объеме кокса за 1, то в случае опытных плавок она достигала значения не более 0,5.

Рис.11. Изменение содержания СО2 по радиусу печей (1 – Vп = 1386,

2 – 2000 м3) при загрузке по системе 3ААКК 2КААК ( –––––)

и смесью (– – – –)

Степень смешения была недостаточной, хотя распределение рудной составляющей по радиусу печи было значительно равномерней, чем при обычных системах загрузки (рис. 12).

Наблюдения за работой печей при загрузке кокса в смеси с железорудными материалами по сравнению с работой при обычной системе загрузки показали, что меняются не только газодинамические условия плавки, но активизируются массо-теплообменные и физико-химические процессы в слое шихты. Достигается более равномерный ход процессов в целом объеме столба шихты и локальных его участках.

Рис.12. Распределение рудных нагрузок по сечению колошника

( I – периферия, II – промежуточное сечение, III – центр) при раздельной загрузке (–––––) и смесью (– – – –): 1 – ААКК; 2 – КААК; 3 – ААКК;

4 – АК×АК; 5 – КА×КА; 6 – смесь

 

Так, в зоне пластического состояния материалов (1100-1350 °С) слои рудных материалов при обычной загрузке практически плохо проницаемы и газ в основном проходит через коксовые окна. При загрузке смесью железорудные материалы в зоне пластического состояния более или менее равномерно распределены между коксом, через слои которого более равномерно проходит газ по всему сечению печи (рис. 13). Участки рудных материалов, находящихся в пластическом состоянии, в этом случае будут лучше обрабатываться газом, а сопротивление зоны будет меньшим.

Рис. 13. Структура и очертания зон при слоевой загрузке шихтовых материалов (а) и в смеси (б): 1 – кусковая (сухая) зона шихты;

2 – пластическая зона; 3 – зона  разрыхления; 4 – зона капельного  течения; 5 – зона горения

 

При отсеве мелочи фракции 0-5 мм газопроницаемость смеси несколько ниже, чем слоя при раздельной укладке материалов (см. рис. 1). Тем не менее, загрузка смесью грохоченных материалов в условиях действующей доменной печи может оказаться еще эффективнее, чем при наличии в агломерате мелочи, что объясняется резким улучшением газодинамических условий в определяющей зоне – зоне пластического состояния железорудных материалов. Отрицательное влияние нижней зоны на ход печи при загрузке грохоченных рудных материалов в смеси с коксом ослабляется.

Смешивание железорудных материалов с коксом в существующих потоках шихтоподачи достигается совместной загрузкой их в один скип или соответствующей укладкой на транспортерной ленте, в промежуточном бункере с последующей разгрузкой их на колошник.

При загрузке в скип кокс и агломерат подаются одновременно или поочередно: на дно скипа агломерат, сверху – кокс и наоборот. Степень смешения в этих случаях различна. Изменение порядка загрузки используется для регулирования распределения материалов и газа в печи.

Для обеспечения соответствующей скорости загрузки агломерата и кокса в один скип рудные течки переоборудуются в бункер, объем которого равен объему скипа. Бункер делится перегородкой на две равные части, перекрытые снизу затворами с механизмами, работающими в автоматическом режиме по заданной программе. Новая система загрузки была внедрена и применяется с 1979 г. на доменной печи № 2 завода им. Г. И. Петровского. Среднегодовой расход кокса на этой печи снизился на 2%, настолько же возросла производительность. В отдельные месяцы расход кокса снижался до 5%, а производительность возрастала на 3,5%.

Кратковременные опытные плавки (до 6 сут.), которые проводились на доменных печах № 11 и 12 комбината им. Ф. Э. Дзержинского, показали возможность загрузки шихты в смеси при работе на горячем агломерате. При подаче в один скип горячего агломерата и кокса последний не возгорался, дымообразование не наблюдалось. Производительность печей возрастала на 2, расход кокса снижался на 4%. В настоящее время одна из печей комбината оборудована устройством с гидравлическим приводом для загрузки в один скип агломерата и кокса по трем программам.

Опытные плавки, проведенные на комбинате «Криворожсталь» на печах большого объема с транспортерной подачей материалов к скипам, показали, что на этих печах можно получить наибольший эффект [2], но система загрузки смесью материалов требует дальнейшей доработки и исследований, особенно в переходный период и в режиме регулирования. Кроме этого, требуется дальнейшее исследование работы механизмов, особенно затворов бункеров и транспортеров, для обеспечения их долговечности и надежности.

 

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.

Днепродзержинским 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 [4].

Материалы продували компрессорным воздухом (5 ат) в цилиндре диаметром 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 рис. 14 приведены результаты исследования газопроницаемости слоя при загрузке фракций разного размера в комбинации с фракцией 5-0 мм.

Рис. 14. Изменение перепада давлений (∆Р) и насыпной массы (γ) агломерата при послойной укладке (1) и при загрузке в смеси (2) фракция 5-0 мм с более крупными фракциями а-в (цифры в скобках – 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. 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.