Влияние параметров доменной плавки на результаты работы доменных печей в условиях ОАО «Уральская Сталь»

УДК 669.162.2

Морозова Д.А., Шаповалов А.Н., Потапов М.Г.

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ В УСЛОВИЯХ ОАО «УРАЛЬСКАЯ СТАЛЬ»

Аннтотация. На основе статистического анализа производственных данных за 2010-2013 годы рассмотрено влияние основных сырьевых и технологических факторов на расход кокса и производительность доменных печей № 2 и 3 ОАО «Уральская Сталь». Получены уравнения регрессии, позволяющие прогнозировать расход кокса и производительность доменных печей в текущих условиях их работы. Выявлено количественное влияние параметров доменной плавки на результаты работы доменных печей в условиях ОАО «Уральская Сталь». Установлено, что определяющее влияние на результаты работы доменных печей ОАО «Уральская Сталь» оказывает газодинамика процесса, поэтому для улучшения показателей их работы необходимо улучшать качество шихтовых материалов (особенно кокса), а также работать на более высоком давлении под колошником. Улучшение качества кокса можно добиться за счет повышения качества угольной шихты, увеличения периода коксования и применения сухого тушения. Увеличение же давления под колошником возможно за счет повышения герметичности конструкции печей и газопроводов, использования бесконусных загрузочных устройств и более мощных воздуходувных машин. Применение указанных мер не только позволит непосредственно улучшить показатели работы печей, но и будет способствовать повышению эффективности других технологических мероприятий.

Ключевые слова: доменная плавка, производительность доменной печи, расход кокса, доменная шихта, дутье.

Технико-экономические показатели (ТЭП) работы печи зависят от совокупности конструктивных, сырьевых, технологических и организационных условий. Стандартные коэффициенты влияния параметров доменной плавки на показатели работы печи [1-3 и др.], традиционно используемые на металлургических предприятиях, не учитывают конструктивных особенностей агрегатов, а также сырьевой и технологической специфики их работы. Поэтому получаемые на практике результаты от использования тех или иных технологических мероприятий существенно отличаются не только для различных металлургических предприятий, но и для отдельных печей, что осложняет прогнозирование ТЭП доменной плавки и планирование производства.

Для оценки фактического влияния параметров доменной плавки на показатели работы доменных печей ОАО «Уральская Сталь» в текущих условиях их эксплуатации выполнен анализ среднемесячных данных о работе доменных печей №2 (Уп = 1033 м3) и №3 (Уп = 1513 м3) за период 2010-2013 гг. С целью минимизации влияния периодов нестабильной работы (с ремонтами и продолжительными остановками) последние были исключены из анализируемой выборки. Показатели работы доменных печей (по данным технических отчетов) за исследуемый период приведены в табл. 1.

Из данных табл. 1 следует, что ТЭП работы доменных печей ОАО «Уральская Сталь» находятся на одном из самых низких для металлургической отрасли РФ уровне. Это во многом связано с невысоким качеством шихты и особенно кокса [4,5], что обуславливает значительные колебания параметров доменной плавки и ограничивает применение мероприятий по интенсификации процесса. Кроме того, ограничивающими факторами являются техническое состояние печей (всего комплекса), а также экономическая конъюнктура, определяющая сырьевую базу предпри-

ятия и план производства. В этих условиях еще большее значение приобретает правильное определение приоритетных направлений совершенствования технологии доменной плавки.

Таблица 1

Показатели работы доменных печей № 2 и 3 ОАО «Уральская Сталь» за 2010-2013 гг.

Показатели Значение показателя по доменным печам

№2 №3

Производство чугуна, т/сут 1478,6-2092,4 2219-2646

1669,5 2443,5

Расход кокса, кг/т чугуна 458,1-559,2 485,4 496,5-538,6 517,3

Содержание железа в металлошихте с известью,% 53,6-59,7 55,5 54-57,2 55,1

Механическая прочность кокса М25, % 81,7-84,3 83,3

Истираемость кокса М10, % 9,3-10,8 10,3

Содержание фракции 5-0 мм в агломерате, % 13,7-17,2 15,7

Доля агломерата в железорудной части, % 41,2-77,9 64,2 54,3-79,5 68,4

Температура дутья, °С 977-1066 1023,5 957-1136 1054,8

Расход, м3/т чугуна: природного газа 70-113,2 90,7 55,3-95,8 78,7

кислорода 11,7-179,4 95,8 4,3-117,9 67,8

Содержание кислорода в дутье, % 21,4-30,4 25,24 21-26,8 23,5

Избыточное давление газа на колошнике, ати 0,7-1,15 1,0 0,74-1,23 1,1

Простои, % 0-3,52 1,23 0-4,94 1,4

Содержание в чугуне, %: Б1 0,53-0,87 0,67 0,59-0,97 0,68

Б 0,012-0,019 0,015 0,010-0,022 0,014

ДП№2

ДП№3

Кх0 = 1213,19-0,235--8,84• М25 + 8,91 • 5_0( +1,7-Пр-- 0,59  Ре - 0,063  Т0 + 0,286 • 02 - 46,72  Рк +41,23  [Бг] - 222,76  [Б],

Пдп = -2436 + 22,65 • М25 - 20,03 • 45_0; - 8,61 • Пр +16,57 • Ре + +1,018  Та +16,96 • 02 + 208,95 • Рк -12,41 -[Б1] + 1379,2 -[Б],

Куд =1403,32-0,214-К^ -11,46• М25 +6А6-А(5_0) +\2-Пр-- 0,44 • Ре - 0,015• Рд + 2,04 02 - 36,4 • Рк + 26,9 5  [Б1] - 403,5 • ^],

ПДП = -3219,07 + 44,53 • М25 -18,51 • А/}_0/ - 9,64 -Пр + 15,94 - Ре + + 0,634-7, +8,53-О, +511,4-Рк -93,306 • [Б1] + 2711 • [Б],

Я = 0,72

Я = 0,75

Я = 0,66

Я = 0,79

где Куд - расхода кокса, кг/т; Пдп - производительность доменной печи, т/сут; Упрг - удельный расход природного газа, М3/т; М25 - механическая прочность кокса, %; А(5-0) - Содержание фракции 5-0 мм в агломерате, %; Пр -простои печи, %; Бе - содержание железа в металлошихте с известью, %; Тд - температура дутья, °С; о2 - содержание кислорода В дутье, %; Рк - давление газа на колошнике, ати; [81] - содержание кремния в чугуне, %; [8] - Содержание Серы В чугуне. %.

Предварительный корреляционный анализ производственных данных за исследуемый период позволил выявить наиболее значимые факторы, определяющие ТЭП работы доменных печей в условиях ОАО «Уральская Сталь»: расход природного газа, прочность кокса по показателю М25, содержание фракции 5-0 мм в агломерате, простои печи, содержание железа в железорудной части доменной шихты, температура дутья, содержание в нем кислорода, давление газа на колошнике, содержание в чугуне кремния и серы. Для выявления степени их влияния на произво-

дительность печей и удельный расход кокса был выполнен регрессионный анализ, в результате которого получили уравнения множественной регрессии, позволяющие прогнозировать ТЭП работы исследуемых печей:

Результаты оценки влияния технологических факторов на расход кокса и производительность для рассматриваемых печей приведены в табл. 2 в сравнении со стандартными величинами влияния.

Таблица 2

Относительное влияние факторов на расход кокса и производительность для доменных печей № 2 и 3 ОАО «Уральская Сталь»

Наименование фактора Относительное изменение (+ увеличение, - уменьшение), %

стандартные коэфф. влияния для ДП №2 для ДП №3

Расход кокса Произв. Расход кокса Произв. Расход кокса Произв.

Коэффициент замены кокса природным газом, кг/м3 -0,7 - -0,235 - -0,214 -

Повышение механической прочности кокса М25 на 1% -0,6 0,6 -1,81 1,36 -2,22 1,82

Уменьшение содержания фракции 5-0 мм в агломерате на 1 % -0,5 1 -1,84 1,2 -1,25 0,76

Уменьшение времени простоев на 1% -0,5 1 -0,35 0,52 -0,23 0,39

Увеличение содержания железа на 1% -1 1,7 -0,12 0,99 -0,09 0,65

Повышение температуры дутья на 10 °С -0,22 0,25 -0,13 0,61 -0,03 0,26

Обогащение дутья кислородом на 1% 0,3 2,1 0,06 1,02 0,39 0,35

Повышение давления газа на колошнике на 0,1 ат -0,2 1 -0,96 1,25 -0,70 2,09

Уменьшение содержания кремния в чугуне на 0,1% -1,2 1,2 -0,85 0,67 -0,52 0,38

Повышение содержания серы в чугуне на 0,01% -1 1 -0,46 0,83 -0,78 1,11

Анализируя полученные данные, можно сделать на расход кокса и производительность доменных пе-вывод, что знак влияния рассматриваемых факторов чей № 2 и 3 ОАО «Уральская Сталь» совпадает со

Раздел 2

стандартными данными и, следовательно, соответствует теории и практике работы доменных печей. Вместе с тем количественное влияние рассматриваемых факторов отличается от стандартных величин, что вызвано индивидуальными особенностями работы рассматриваемых печей.

Сопоставление полученных коэффициентов влияния со стандартными величинами позволяет сделать вывод о том, что достижение высоких ТЭП на доменных печах ОАО «Уральская Сталь» лимитируется газодинамическими условиями. Это подтверждается тем, что наиболее существенное влияние на показатели работы рассматриваемых печей оказывают мероприятия, направленные на повышение газопроницаемости столба шихты: механическая прочность кокса и содержание мелочи в агломерате. При этом механическая прочность кокса оказывает более значительное влияние на показатели работы печи №3, имеющей больший полезный объем (и высоту). Меньшее же влияние мелочи в агломерате на показатели работы третьей печи объясняется отсевом мелких фракций перед загрузкой, что не производится на доменной печи №2.

Вывод о том, что именно газодинамика процесса ограничивает ТЭП доменных печей ОАО «Уральская Сталь», подтверждается также влиянием на результаты их работы увеличения давления колошникового газа, что, как известно, является одним из действенных способов улучшения газодинамических условий доменной плавки [6-9]. Такое значительное влияние повышения давления в условиях ОАО «Уральская Сталь» во многом объясняется низким начальным уровнем давления (см. табл. 1), а также напряженными газодинамическими условиями доменной плавки.

Напряженные газодинамические условия работы доменных печей ОАО «Уральская Сталь» не позволяют в полной мере использовать потенциальные возможности от использования природного газа и кислорода, а также повышения температуры дутья и содержания железа в шихте. Так, коэффициент замены кокса природным газом для рассматриваемых печей (0,21-0,23 кг/м3) существенно меньше стандартных величин (0,7 кг/м3). Влияние обогащения дутья кислородом на производительность печей (0,351,02%) также не достигает ожидаемых значений (2,1%). При этом для доменной печи меньшего объема (№2), работающей в более благоприятных газодинамических условиях, влияние добавок природного газа и кислорода проявляется в большей степени.

Незначительное влияние температуры дутья и содержания железа в шихте на расход кокса также объясняется сложными газодинамическими условиями, обуславливающими нерациональное распределение газов и плохое их использование. Этим же можно объяснить и слабое влияние указанных факторов на

производительность рассматриваемых печей. Причем, как и для других рассмотренных выше факторов, влияние температуры дутья и содержания железа в шихте более заметно для доменной печи №2.

Слабое влияние параметров дутьевого режима на ТЭП работы доменных печей ОАО «Уральская Сталь» частично обусловлено также и нерациональным их сочетанием, не обеспечивающим достижение оптимального режима горения топлива у фурм [3, 6,10].

Количественное влияние величины простоев и химического состава чугуна в целом совпадает со стандартными величинами. Поэтому снижение уровня колебаний химического состава и свойств шихтовых материалов, способствующее стабилизации хода доменных печей, позволит уменьшить как тепловой уровень горна (содержание кремния в чугуне), так и основность шлака (сера в чугуне), что, в свою очередь, благоприятно отразится на ТЭП работы печей. Более ровный ход печей скажется также и на величине простоев.

Таким образом, определяющее влияние на результаты работы доменных печей ОАО «Уральская Сталь» оказывает газодинамика процесса, поэтому для улучшения ТЭП необходимо, в первую очередь, улучшать качество шихтовых материалов, особенно кокса, а также работать на более высоком давлении под колошником. Улучшение качества кокса можно добиться за счет повышения качества угольной шихты, увеличения периода коксования и применения сухого тушения. Увеличение же давления под колошником возможно за счет повышения герметичности конструкции печей и газопроводов, использования бесконусных загрузочных устройств и более мощных воздуходувных машин. Применение указанных мер не только позволит непосредственно улучшить ТЭП ра-боты печей, но и будет способствовать повышению эффективности других технологических мероприятий, поэтому полученные в работе уравнения регрессии следует использовать только для текущих условий работы.

Список литературы

1. Волков Ю.П., Шпарбер Л.Я., Гусаров А.К. Технолог-доменщик. М.: Металлургия, 1986. 263 с.

2. Металлургия чугуна / Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвис-нев А.Н. и др. ; под ред. Ю.С. Юсфина. М.: Академкнига, 2004. 774 с.

3. Товаровский И.Г. Доменная плавка. Днепропетровск: Пороги, 2009. 768 с.

4. Овчинникова Е.В., Шаповалов А.Н. Влияние качества кокса на технико-экономические показатели доменной плавки в условиях ОАО «Уральская Сталь» // Наука и производство Урала. 2013. №9. С.4-11.

5. Результаты совместного использования в доменной печи коксового орешка с одновременным улучшением качества скипо-

вого кокса / Сибагатуллин С.К., Харченко A.C., Полинов A.A., Семенюк М.А., Бегинюк В.А. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2010. № 2. С. 24-27.

6. Тарасов В.П. Газодинамика доменного процесса. М.: Металлургия, 1982. 224 с.

7. Сперкач И.Е., Курунов И.Ф. Резервы интенсификации доменного процесса // Металлург. 2005. №2. С.33-38.

8. Шаповалов А.Н., Карагулова Ю.Р. Влияние давления колошникового газа на показатели доменной плавки в условиях ОАО

«Уральская Сталь» // Наука и производство Урала. 2014. №10. С.11-14.

9. Сибагатуллин С.К., Майорова Т.В. Увеличение работы газового потока в доменной печи с повышением общего перепада давления по высоте // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. № 1. С. 14-16.

10. Овчинникова Е.В., Шаповалов А.Н. Влияние параметров дутьевого режима на эффективность доменной плавки в условиях ОАО «Уральская Сталь» // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2013. Т. 13, № 1. С.61-67.

Сведения об авторах

Морозова Дарья Анатольевна - магистрант, каф. «Физическое металловедение и физика твердого тела», ЮжноУральский государственный университет (национальный исследовательский университет), г. Челябинск, Российская Федерация. E-mail: darina_1992@inbox.ru

Шаповалов Алексей Николаевич - канд. техн. наук, доц., каф. металлургических технологий, Новотроицкий филиал ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Новотроицк, Российская Федерация, E-mail: alshapo@yandex.ru

Потапов Михаил Геннадьевич - канд. техн. наук, доц., каф. литейного производства и материаловедения ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск. Российская Федерация.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

THE INFLUENCE OF PARAMETERS OF BLAST SMELTING ON THE INDICATORS OF BLAST FURNACES AT JSC "URAL STEEL"

Morozova Daria Anatolevna - undergraduate student, department of «Physical metallurgy and solid-state physics», South Ural State University (National Research University), Chelyabinsk, Russian Federation. E-mail: darina_1992@inbox.ru

Shapovalov Aleksey Nikolaevich - Ph. D. (Eng.), Associate Professor of the Metallurgical Technology department, Novotroitsk branch of the National University of Science and Technology «MISIS», Novotroitsk, Russian Federation. E-mail: al-shapo@yandex.ru

Potapov Michail Gennadievich - Ph. D. (Eng.), Associate Professor of institute of metallurgy, mechanical engineering and material processing, Nosov Magnitogorsk State Technical University.

Abstracts. Based on the statistical analysis of production data for 2010-2013, considered the effect of the basic raw and technological factors on the coke consumption and productivity of blastfurnaces №№ 2 and 3 of JSC "Ural Steel". Regression equations that predict the coke consumption and productivity of blast furnaces in the current conditions of their work were obtained. The quantitative effect of the parameters of blast-furnace smelting on the indicators of blastfurnaces at JSC "Ural Steel" were detected. It was found that a decisive influence on the results of the blast furnaces of "Ural Steel" has a gas dynamics of the process, so to improve their indicators need to increase the quality charge materials (especially coke), as well as work at a higher pressure under the furnace throat. Improving the quality of coke can be achieved through higher quality of coal charge, increase of the period of coking and application of dry quenching. The increase ofpressure under the furnace throat possibly by raising the tightness of blast furnace and gas pipelines, the use of bell-less charging devices and more powerful blowers. The application of these measures will not only directly to improve the indicators offurnaces, but also will enhance the effectiveness of other technological measures.

Keywords: Blast-furnace smelting, pig iron output, coke consumption, blast-furnace burden, blast.

♦ ♦ ♦