Исследование окружного распределения печных газов доменной плавки

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. № 14

УДК 669.162.263

Тарасов П.В.1, Семакова В.Б.2, Быков Л.В.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ОКРУЖНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕЧНЫХ ГАЗОВ

ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Приведены результаты исследований распределения материалов и газов по окружности доменной печи, которые могут быть использованы для успешного управления ее ходом в современных дутьевых и шихтовых условиях

Распределение шихтовых материалов на колошнике доменной печи во многом предопределяет соотношение между косвенным и прямым восстановлением оксидов железа. Косвенное восстановление протекает с выделением тепла, а на реакцию прямого восстановления затрачивается 159,33 МДж на одну килограмм-молекулу РсО. Следовательно, чем больше монооксида железа восстанавливается косвенным путем, тем ниже расход кокса в доменной плавке. В свою очередь степень косвенного восстановления зависит от распределения шихтовых материалов и газов по окружности и радиусу печи. Поэтому движение газов в межкусковых пустотах увеличивает косвенное восстановление оксидов железа. Значительный поток газов вдоль стен печи снижает использование восстановительной способности печных газов, увеличивает прямое восстановление и перерасход кокса.

Наиболее существенное влияние на ход печи, степень косвенного восстановления и расход кокса оказывает радиальное распределение шихты и печных газов [1-4 и др.]. Окружное распределение материалов и газов в меньшей степени влияет на технические и экономические параметры доменной плавки. Так, например, на МК «Криворожсталь» исключили из работы вращающийся распределитель шихты (ВРШ), а неравномерность распределения окружного потока газов компенсировали за счет загрузки материалов из двух скипов на верхний конус и сдвоенных подач с нижнего конуса на колошник (АААА^, ККЮф Ещё большая окружная неравномерность в распределении шихты наблюдается при загрузке печей бесконусными загрузочными устройствами (БЗУ). Так, при загрузке БЗУ доменной печи № 9 МК «Криворожсталь» окружная неравномерность составляла 8-11% [5]. Для улучшения распределения шихты по окружности печи ввели по времени регулировку её ссыпания из промежуточных бункеров. За счет этого неравномерность уменьшили до 3-5 %, но при этом незамкнутые кольца шихты размещались бессистемно, что не позволяло получать достаточно ровный поток газов по окружности печи. Неравномерность незамкнутого кольца шихты достигала 15-20 % [5] , что намного больше по сравнению с разностью рудных и коксовых масс между гребнем и откосом шихты в воронке верхнего конуса типового ВРШ.

Таким образом, за последние годы специалисты доменного производства явно недооценивают значение равномерного распределения шихты и газов по окружности печи. Применяли быстровращающуюся воронку с 4-мя лопастями, на которых при 12-16 об/мин задерживалась шихта за счет центростремительных сил, далее производили последующее замедление вращения и ссыпание шихты четырьмя потоками по окружности верхнего конуса. Это позволило снизить максимальную окружную неравномерность в распределении агломерата до 0,8-1,0 % по общей массе и 1,8-3,0 % для фракции 0-5 мм. Показатели работы печи в этом случае улучшились по расходу кокса на 6 % и по производительности печи на 3-4 % [1,6]. Следовательно, распределение материалов и газов по окружности печи имеет такое же значение, как и по радиусу, и им следует заниматься с таким же вниманием. Например, применение на доменной печи № 2 МК им. Ильича быстровращающейся четырехлопастной воронки снизило удельный расход кокса на 4,5 и 5,2 % по сравнению с доменными печами № 3 (Уп=1719 м3) и № 4

1 ПГТУ, старший преподаватель

2 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.

3 ПГТУ, ст. науч. сотр.

(Уп=2002 м3), соответственно, и на 7 % - по сравнению с доменной печью № 1, имеющей такой же полезный объём (Уп=1033 м3), как и доменная печь № 2. КИЛО на доменной печи № 2 составило 0,501 вместо 0,528; 0,566 и 0,580 м3 сут/т, соответственно, по другим печам того же комбината [1].

Целью настоящей статьи является рационализация окружного распределения шихты и газов и экономия дорогостоящего дефицитного кокса.

Поскольку в Украине большинство доменных печей оборудованы типовыми загрузочными устройствами, то на кафедре металлургии чугуна ПГТУ исследовали окружное распределение шихтовых материалов и газов для этих условий загрузки. Экспериментальная установка состояла из нижнего конуса, на который набиралась подач из агломерата крупностью 0,5-5,0 мм и кокса 5-12 мм, по массе и фракционному составу соответствующая реальным условиям. Распределение агломерата и кокса было определено на большой модели колошника печи с типовым ЗУ [1,6], результаты которой точно отражали подобные результаты, полученные позднее при аналогичных исследованиях на действующей доменной печи [1,7]. Затем подачу шихты опускали на колошник (модель), таким образом загружались 5 подач. За каждым опусканием очередной подачи шихту продували воздухом, скорость которого и перепад давления измеряли в секторах гребня, откоса и промежуточных зон.

Таблица 1 - Состав и распределение шихты по окружности модели колошника

Материал Агломерат Кокс Размеры частиц агломерата, мм

1 3 1 3 1 3

Фракции, мм Содержание, % 0,5-1 30 1-3 30 3-5 40 5-10 60 10-12 40

Распределение

по окружности %: - гребень 12 50

- средние зоны 28 33

- откос 60 17

Результаты по распределению газодинамических параметров по окружности колошника представлены ниже:

Секторы А

Эквивалентный диаметр

частиц в слое, м 0,0041 0,003 0,0023

Перепад давления, % 100 107 118,5

Скорость воздуха в выходных отверстиях

секторов, м/с 2,6 2,35 2,0

% 130 118 100

Расход воздуха по

секторам, м3/с 0,026 0,024 0,020

Шихтовые материалы загружают в доменную печь с разным гранулометрическим составом. Особенно важно знать количество мелочи в шихте, поскольку именно мелкие частицы располагаются между крупными и снижают газопроницаемость слоя. На рис. 1 представлены результаты исследований изменения скорости газового потока (а) и коэффициента сопротивления (б) от объёмной доли мелочи (ш). Кривая 1 при этом соответствует прямым подачам (АгКг^), а кривая 3 - подачам одним коксом вперед (КАгКч1<). Видно, что газопроницаемость при загрузке прямых подач с увеличением доли мелочи падает в большей мере, чем при загрузке подач одним коксом вперед. При объёмной доле мелочи 0,25 скорость газа в слое прямых подач в 1,5 раза выше по сравнению со слоем шихты, загруженной одним коксом вперед. На

рис. I приведены данные по изменению скорости воздуха в слое шихты, загруженной прямыми подачами (кривая 2) и подачами одним коксом вперед (кривая 4).

°

мелочи т ооъемная доля

мелочи т

1,2,5 - для прямых подач; 3,4,6 - для подач коксом вперед, 1,3 - для реальных условий доменной плавки: 2,4 - для опытных данных на модели Рис. 1 - Изменение скорости газового потока (а) и коэффициента

сопротивления (6) в слое шихтовых материалов в зависимости от о бъ емной доли мепоч и

На модели видна незначительная разница в газопроницаемости загрузки агломерата и кокса до m = 0,15. Только при m > 0,2 разница в скорости потока воздуха при различной очередности загрузки агломерата и кокса сказывается значительно (рис. 1, кривые 2 и 4).

На рис. 1, б представлено изменение коэффициента сопротивления для прямых подач (кривая 5) и одним коксом вперед (кривая 6). Видно резкое увеличение сопротивления слоя при т>0,2. Кривые 1 и 3 относятся к загрузке подач полного цикла, а кривые 2 и 4 к слою из пяти подач на модели

колошника. Если же рассматривать распределение шихты по окружности печи для одной подачи, то со стороны гребня скорость газового потока (приведенная) равнялась 2,34 м/с, в промежуточных зонах 2,06 м/с и со стороны откоса 1,85 м/с. Потери напора в реальных условиях плавки со стороны гребня составили 1509, для промежуточных зон 1853 и со стороны откоса 1975 Па. Общие потери давления газа в сухой части столба шихтовых материалов (высота 10 м) составили 0,28 кПа по условиям работы в верхней части печи. Разница в изменении АР между гребнем, откосом и промежуточными зонами составила соответственно 100; 123 и 118 %. Эта разница в ДР по окружности печи для реальных условий плавки несколько выше для измеренных АР на модели (100; 118,5 и 107 %), но совершенно точно соответствует изменению скорости воздуха со стороны гребня, откоса и промежуточных зон (130; 100 и 118 %). Это лишний раз подтверждает газодинамическую адекватность модели колошника реальным условиям доменной плавки.

Очень важно также рассмотреть АР по условиям середины шахты. На рис. 2 представлено изменение гранулометрического состава шихты на расстоянии 8,6 и 13,0 м от поверхности засыпи. Видно, что агломерат в середине шахты сильно измельчен. В середине шахты окружное распределение материалов усредняется за 2,5 - 3 цикла работы ВРШ на 6 станций. Объем газов здесь примерно одинаков, т.к. в реакциях косвенного восстановления количества СО и Н2 равны объемам продуктов реакций СОг и Н20. При угле наклона шахты 84° 21' 06" на высоте 10 м ее площадь в 1,62 раза больше площади колошника. Тогда скорость газового потока в середине шахты составит: Уз(2,34+1,85+2,08): 1,62 ~ 2,1м/с: 1,62 = 1,3 м/с.

Из рис.2 видно, что в середине шахты (10м от верха) находится 60 % фракции < 5мм, 35 % размером 5 - 10 мм и не более 5 % кусков >10 мм. Это подтверждается и исследованием фракционного состава агломерата в середине замороженных доменных печей. Эквивалентный диаметр частиц для этих условий составляет 0,0074 м, коэффициент сопротивления 2,35 11, рис.7], порозность, 0,37 [1, рис. 4, б]. Тогда потери напора в середине шахты составят [1, (1.18)]:

А Р = Ч>

Ни р

2d,„e3

0)

где Т - коэффициент сопротивления; Н - высота слоя шихты, м; р - плотность газа, кг/м3;

И; - приведенная скорость газового потока, м/с; 8 - порозность шихты, м3/ м3; с1э.ч - эквивалентный диаметр частиц, м. Потери напора для сухой части шихты в середине шахты (верхний перепад на печи) составят:

АР = 2,35

10-1,3-1,18^ -(1-0,37) 2 • 0,0074 • 0,373

= 3936577а,

с учетом разрыхления 39365-0,7=27555 Па или

0,27 кПа, что соответствует верхнему АР в „, , „ _

„ ' 0,5 1 2 3 4 б 10 20 40

реальных условиях доменной плавки. Размер частиц

Выводы 1, 2 - расстояние 13 и 3,6 м от

поверхности засыпи шихты;

1. Действующая на кафедре металлургии чугуна 3 " Фракционный состав загруженного ПГТУ газодинамическая модель колошника агломерата

доменной печи аналогична реальным условиям Рис. 2 - Измельчение офлюсованного плавки. Полученные на модели результаты ок- агломерата в шахте доменной

ружного распределения материалов и газов печи № 4 Муроран

аналогичны соответствующим параметрам доменного процесса.

2. Впервые расчетным путем определено распределение газовых потоков со стороны гребня, откоса и промежуточных между ними зон, а также потери напора по условиям верха печи и середины шахты, что позволит прогнозировать условия для оптимизации газового потока и снижения расхода кокса.

3. Для рационализации окружного газового потока не требуются капитальные затраты и при этом снижается удельный расход кокса, поэтому результаты настоящей работы будут широко востребованы в доменном производстве.

Перечень ссылок

1. Тарасов В.П. Газодинамика доменного процесса: 2£ изд. перераб. и доп./ В.П. Тарасов. -Металлургия,- 1990. - 216 с.

2. Васюра Г.Г. Методика расчета радиального газораспределения / Г.Г.Васюра. II Сталь,-1979,-№ 7.-С. 486-489.

3. Результаты эксплуатации загрузочного устройства с подачей части кокса в осевую зону колошника / В.А.Сацкгш, В.П.Тарасов, В.И.Набока и др. II Сталь.-2001.-№ 11.-С.486-489.

4. Исследование влияния осевой загрузки кокса на восстановительную работу доменной печи / В.П.Тарасов, В.Б.Семакова, В.И.Набока и др. // Сталь - 1995. - № 6. - С. 12-16.

5. Бочка В В. Исследование некоторых особенностей истечения материалов из бункеров БЗУ / В.В. Бочка, Н.Ш. Гришитейн, В.В. Тарстоеский II Сталь,- 1994.-№ 7 - С. 11-14.

6. Тарасов В.П. Исследование газодинамики по окружности модели колошника в зависимости от гранулометрического состава шихты /В.П.Тарасов /Изв. вузов. Черн.метал -1978 .-№6.- С. 12-16.

7. Шур А.Б. Исследование распределения материалов перед задувкой мощной доменной печи на Череповецком металлургическом заводе / А.Б.Шур, Л.А.Бялый//Сталь - 1963. -№ 6. С.486-490.

Статья поступила 01.03.2004

5) 3

1,18 - плотность печных газов в середине шахты (С02=4 %), кг/м