Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, постановка задач диссертационной работы 10
1.1. Анализ характеристик шлаковых систем 11
1.2. Современные представления о восстановлении оксидов железа в доменной печи 14
1.3. Математическая модель теплообмена 21
1.4. Основные закономерности газодинамики доменного процесса 23
1.5. Постановка задач исследования 25
ГЛАВА 2. Анализ факторов, определяющих потери тепла в доменной печи 27
2.1. Методика расчета потерь тепла 27
2.2 Поиск индикаторов, отражающих потери тепла 37
2.3 Разработка методов оценки показателей, характеризующих процессы теплообмена в периферийной области верхней зоны печи 51
2.4 Анализ производственных данных о взаимосвязи показателей, характеризующих тепловое состояние верха доменной печи, и тепловых потерь 63
ГЛАВА 3. Разработка рекомендаций по управлению тепловым состоянием периферийной области верхней зоны печи 71
3.1 Методика анализа влияния параметров загружаемой шихты на высоту верхней ступени теплообмена 71
3.2 Влияние рудной нагрузки на высоту верхней зоны теплообмена 78
3.3 Влияние диаметра кусков агломерата на высоту верхней зоны печи 84
3.4 Влияние рудной нагрузки на степень косвенного восстановления 88
3.5 Разработка рекомендаций по оценке работы периферийной зоны доменной печи 91
3.6 Анализ доли различных фракций агломерата на восстановительные процессы и газодинамику доменной печи 94
Заключение 100
Список литературы 103
- Современные представления о восстановлении оксидов железа в доменной печи
- Основные закономерности газодинамики доменного процесса
- Разработка методов оценки показателей, характеризующих процессы теплообмена в периферийной области верхней зоны печи
- Влияние диаметра кусков агломерата на высоту верхней зоны печи
Современные представления о восстановлении оксидов железа в доменной печи
Приведенные данные показывают, что при содержании FeO в первичных шлаках более 40 % температура их плавления не превышает 1250 оС. Содержание FeO в первичных шлаках зависит от содержания железа в железорудной части шихты и от доли FeO, восстанавливаемого из шихты по реакциям прямого восстановления. Содержание FeO можно рассчитать по уравнению. 72 Fe г 56 d FeO (СаО + Si02 + MgO + Al203 +Fe- — -rd ) (1.3) где rd – доля FeO, восстанавливаемого из расплава. Содержание FeO в первичном шлаке зависит от его доли, восстанавливаемой по реакциям прямого восстановления из жидкой фазы. Зависимость приводится на рисунке 1.2. Принимая, что изменение степени прямого восстановления оксида железа из жидкой фазы равно изменению степени прямого восстановления выполнена оценка изменения температуры начала размягчения железорудных материалов. Результаты расчета показали, что снижение степени прямого восстановления на 0,01 приводит к повышению теЗмапвиесриамтоусртыь сноадчеарлжаа нриаязмFeяOгч венпеирявишчинохмты шлнааке5 0о то Сдо. ли FeO, восстанавливаемого из расплава по реакциям косвенного восстановления 55 50 45 40 35 ЗО 25 т 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 Доля FeO 0,2 0,22 0, Fe =57% Fe=58% —— Fe=59%
Таким образом, задача формирования устойчивого гарниссажа может рассматриваться как задача снижения содержания FeO путем улучшения косвенного восстановления.
Современные представления о восстановлении оксидов железа в доменной печи сформировались на базе многочисленных экспериментальных и теоретических исследований. При этом в литературе рассматриваются вопросы микрокинетики восстановления оксидов железа монооксидом углерода и водородом, макрокинетики восстановления куса и восстановления слоя шихтовых материалов.
Микрокинетика восстановления оксидов железа рассмотрена в работах С. Т. Ростовцева, О. А. Есина, П. Л. Гельда, Г.И. Чуфарова, Л.Ф. Богданди [21-25] и ряда других исследователей. В качестве одного из основных факторов, определяющих кинетику восстановления рассматривается структура кристаллической решётки минерала. Л. Ф. Богданди на основе экспериментальных данных показал, что восстановимость рудных материалов определяется их минералогическим составом.
С. В. Шаврин и В. И. Горбачев рассмотрели совместно восстановление кусковых материалов при различных минеральных фазах. В качестве одного из факторов, определяющих скорость восстановления куска, рассматривается его размер. Наиболее простое решение задачи оценки влияния размеров кусков на скорость их восстановления рассмотрена в работе [26].
Для оценки влияния размеров куска на скорость восстановления предлагается использовать модель сжимающегося ядра. предполагается, что самой медленной стадией процесса восстановления является химическая, фронт которой распространяется от поверхности к центру. Принято, что кусок руды представляет собой шар с начальным радиусом г0, Плотностью ро и массой т0. Кроме этого, допускается, что по ходу восстановления изменялось лишь количество восстановленной руды, а шарообразная форма куска руды сохранялась, и в этом куске не образовывались трещины. Обозначив массу руды, восстановленной за время Ах, через m, скорость восстановления = m/A. Реакция восстановления происходит на поверхности раздела между оксидом и металлом, являющимся продуктом реакции, и ее скорость пропорциональна величине этой поверхности S, т.е. поверхности еще не восстановленной руды, т.е. = m/A = kS, (1.4) где к - константа скорости, зависящая от температуры, давления и состава газа.
Основные закономерности газодинамики доменного процесса
Анализ теплового состояния основан на использовании обобщенных параметров, характеризующих тепловое состояние нижней части доменной печи [13] построен на тепловом балансе этой зоны, который можно записать в следующем виде: Qnn =QZ+Qm -Qd-Q0 - Qn, (2.1) где Qs - суммарный (полезный приход тепла в нижнюю зону печи от сжигания кокса, инжектируемого топлива, рассчитанный с учетом влажности дутья, изменения теплосодержания газо-воздушного потока, а также затрат тепла на разложение углеводородов, и тепла, уносимого газом, покидающим нижнюю зону при температуре газа в зоне замедленного теплообмена (tго) ; Qш - количество тепла, поступающего в нижнюю зону печи с шихтой при температуре tш0; Qd - затраты тепла на прямое восстановление железа; С)ф - затраты тепла на разложение и восстановление флюсов; Qп - тепловые потери в окружающую среду через фурменный пояс, распар и заплечики; Qпп - удельная энтальпия продуктов плавки, включающая теплоту плавления чугуна, за вычетом теплоты образования шлака (затраты тепла на физический нагрев продуктов плавки и восстановление в чугун оксидов трудновосстановимых элементов по реакциям прямого восстановления).
Уравнение теплового баланса нижней зоны доменной печи, можно записать в следующей форме: — + Qm-3l750-[Fe]-rd-Qnor =Yjql-[X\+(c44+III-cIWI ), (2.2) где qг - полезная тепловая мощность газового потока, учитывающая: физическое тепло дутья, тепло горения углерода до СО, тепло затраченное на конверсию природного газа и диссоциацию водяных паров, потери тепла с газовым потоком, покидающим нижнюю зону печи, кДж/мин; Р -производительность печи (интенсивность плавки), т/мин; rd - степень прямого восстановления железа, доли ед.; 31750 - учитывает тепловой эффект реакции прямого восстановления железа, кДж/т.чуг; [Fe] -содержание железа в чугуне, %.
Правая часть уравнения (2.2) определяет оптимальные затраты тепла на выплавку 1 тонны чугуна данного состава при существующих конкретных условиях работы печи. Qnn = 265500[5Ї] + 52250[Ми] + 263000[і ] + 598000ZZ/(S) + W00(c4t4 + сш1шШ) (2.3) где [Si], [Mn], [P] - содержания кремния, марганца и фосфора в чугуне, %; (S) - содержание серы в шлаке, % c ч, c ш теплоемкость чугуна и шлака соответственно, кДж/кг.К; t ч температура чугуна, 0С; tш - температура шлака, 0С; Ш - выход шлака, т/т чуг.
Левая часть уравнения (2.2) представляет собой сумму основных статей теплового баланса доменной печи, отражает влияние всех контролируемых технологических факторов на ход плавки и может быть рассчитана с привлечением технологической информации о процессе. Значение левой части уравнения теплового баланса нижней зоны доменной печи принято считать обобщенным показателем теплового состояния низа доменной печи (Qн).
Потери тепла (Qпот) можно определить по разности между приходом тепла и теплосодержанием продуктов плавки. Методика расчета основных показателей описана в работах [27, 28].
Исходные данные для расчета параметров, приведенных в таблице 2.1 получены усреднением среднесуточных данных за 3 месяца. При этом исключались сутки, в течение которых, суточное производство было меньше планового на 5 и более %.
В отличии от принятого представления теплового баланса отдельной статьей вынесена статья теплосодержание газов, покидающих нижнюю зону. Результаты расчета статей теплового баланса для доменных печей НЛМК приводятся в таблице 2.1. Следует заметить, что доменные печи № 4 и № 5 работают с вдуванием пылеугольного топлива
Разработка методов оценки показателей, характеризующих процессы теплообмена в периферийной области верхней зоны печи
После подстановки получим сш ( ) . T kK Rtш{Х-Хравновесное) (2.14) хим 0 равновесное avS(tГ -гш) Анализ уравнения позволяет сделать вывод о том, что влияние тепловых эффектов химических реакций зависит не только от скорости этих реакций, но и от условий теплообмена между шихтой и газом, степенью отклонения состава газовой фазы от равновесной и разницей температур между шихтой и газом.
Влияние восстановительных процессов на теплообмен в доменной печи будет наиболее сильно проявляться в области высоких температур, при большой разнице между Х-Хравн, малой разницей между температурой шихты и газов и малом значении коэффициента теплопередачи.
В современных условиях при высокой интенсивности плавки, содержанием железа в офлюсованной части шихты более 58 % и качестве сырья, обеспечивающим высокую скорость развития реакций восстановления оксидов железа роль тепловых эффектов реакций восстановления железа существенно возрастает. Это проявляется, в частности, в изменении отношения теплоемкостей потоков шихты и газа.
Среднее для верхней зоны печи отношение теплоемкостей потоков шихты и газов можно рассчитать по уравнениям, приведенным в работе [13]. тшихта =0.5-(1 + WrK t0K (2.16) темп ер а тура д/0 — им где Wшк, Wгк - темплоемкости потоков шихты и газа на колошнике, кДж/(мин.-град); t0, tК - температура газа в верхней зоне печи и на колошнике; tШ0, 1ШК - температура шихтовых материалов в верхней зоне печи и на колошнике.
Значения т—рату1а отражают эффекты тепловых реакций, а при расчете мш принято допущение о линейном изменении по высоте печи теплоемкости потока шихты.
Из уравнения (2.14) видно, что чем выше скорость реакции восстановления Fe304 до FeO, которая идет с поглощением тепла, тем больше кажущаяся теплоемкость шихты и тем больше будет отношение mтемпература к mшихта . Повышение интенсивности реакции восстановления Fe3O4 приводит к более раннему началу реакции FeO+CO=Fe+CO2. Следовательно, можно ожидать, что отношение mтемпература к mшихта будет характеризовать степень использования СО.
По данным о работе доменных печей НЛМК оценена взаимосвязь между этим соотношением и степенью использования СО. Результаты обработки данных приводятся на рисунках 2.28-2.31.
Полученные данные подтвердили тот факт, что параметр mтемпература отражает восстановительную работу газового потока и может быть использован для оценки тепловых потерь в районе заплечиков и распара. Уравнение для расчета с использованием данных о параметрах загружаемой шихты и параметров комбинированного дутья можно записать Величина J,— отображает суммарный тепловой эффект реакций восстановления оксидов железа в верхней зоне доменной печи. 3Fe203 +C0 = 2Fe304 +C02+Q, (2.19) Fe304+mCO = 3FeO + (m-1)CO + C02-Q, (2.20) FeO + nCO = Fe + (n-1)CO + C02+Q, (2.21) 3Fe203 +H2= 2Fe304 + H20 + Q, (2.22) Fe304 + m H2 = 3FeO + H20 + (m -1)H2 -Q, (2.23) FeO + n H2 =Fe + H20 + (n -1)H2 -Q . (2.24)
Суммарный тепловой эффект реакций в верхней зоне доменной печи отражает соотношение реакций, протекающих с поглощением и выделением тепла. При этом, количество оксидов железа восстанавливаем оксидом углерода существенно больше, чем восстанавливаемое водородом. Для современных доменных печей суммарное количество СО и СОг составляет 700 -750 м3 на тонну чугуна, а количество водорода 200 - 250 м3 на тонну чугуна. На доменных печах НЛМК степень использования СО составляет 44-51 %, а степень использования Н2 - 40-42 %.
Влияние показателя реакций восстановления оксидов железа на степень использования СО на доменной печи № 7. Полученные зависимости подтвердили тот факт, что чем больше доля реакций, идущих с выделением тепла (меньше значение показателя —), тем выше степень использования СО. Таким образом, можно предположить, что снижение отношения теплоемкостей потоков шихты и газов, рассчитанное по температуре газа, будет сопровождаться повышением степени использования СО, и, следовательно, снижением степени прямого восстановления. Величина показателя —зависит от доли железорудных материалов в объеме печи, а, следовательно, и от рудной нагрузки. При увеличении рудной нагрузки влияние теплового эффекта реакции Fe304+3CO=3FeO+3C02-Q возрастает. Данные о работе доменных печей (рис 2.36 - 2.39) подтверждают правильность этого заключения.
Влияние диаметра кусков агломерата на высоту верхней зоны печи
Для определения влияния доли различных фракций агломерата на восстановительные процессы и газодинамику доменной печи выполнен расчет начальной скорости восстановления (m/t) и газопроницаемость слоя (Pш) для реальных рассевов агломерата НЛМК. Начальная скорость восстановления определялась по следующему уравнению Am/At = 4/ЗжгІро- 4/3(r0 fr0)V (3.42) В качестве показателя удельного газодинамического сопротивления слоя предлагается использовать ту часть уравнения Эргона [47], которая учитывает диаметр кусков и порозность слоя.
Максимальные, минимальные и средние значения составов фракций, а также рассчитываемых показателей, приводятся в таблице 3.6. Таблица 3.6 – Данные о гранулометрическом составе агломератов Фракционный состав, % Го,мм АРШ Am/At 5-Ю 10-25 25-40 40 -5 Минимальное значение 4,00 41,5 31,1 22 1,4 0,477 3,97 234 945 Максимальное значение 35,9 36,9 6,9 8,8 11,5 0,349 6,93 1811 5014 Среднее значение 22,04 45,00 14,87 12,77 5,32 0,411 5,49 842 2732 При дальнейших расчетах рассматривался вопрос об исключении из доменной шихты фракции + 40 мм и фракции +25 мм. Основные значения расчетов показаны в таблицах 3.7 –
Максимальное значение 14,47 83,91 0 0 1,63 0,376 7,27 1593,66 5783,09 Среднее значение 27,88 65,52 0 0 6,6 0,461 6,03 899,1 3572,89 Результаты расчета показали, что при исключении фракции +40 практически для агломератов всех партий удельное газодинамическое сопротивление слоя агломерата снижается. При этом начальная скорость восстановления растет. Наилучшие результаты достигаются для агломератов с наибольшим содержанием фракции 10-25 мм. Следует учитывать, что доменные печи НЛМК работают с долей окатышей в шихте около 40 %. Ввод в шихту окатышей увеличивает долю фракции 10-25 мм, что в смеси с агломератом повышает газопроницаемость слоя. Поэтому при работе доменных печей с вдуванием ПУТ целесообразно исключить из состава шихты фракцию +40 мм.
Улучшение косвенного восстановления может достигаться путем оптимизации гранулометрического состава ЖРМ. Влияние доли фракции -5 мм при существующем агломерате и при агломерате, в котором отсутствует фракция +40 мм, на скорость восстановления оксидов железа и количество газов приводится на рисунках 3.23 – 3.24. Влияние отсева мелочи при отсутствии фракции +40 мм более эффективно сказывается на скорости восстановления.
При наличии фракции +40 мм и при содержании фракции -5 мм больше 8 % степень косвенного восстановления снижается значительно. Влияние фракций +40 мм и -5 мм на параметры слоя показаны на рисунках 3.25 – 3.26.
Содержание фракциь А удельное газодинамическое сопротивление ж скорость восстановления Рисунок 3.25 - Влияние содержания фракции +40 мм на параметры слоя шихтовых материалов & удельное газодинамическое сопротивление скорость восстановления Рисунок 3.26 - Влияние содержания фракции -5 мм на параметры слоя шихтовых материалов
Полученные графики показывают, что увеличение содержания фракции +40 мм на 1% снижает скорость восстановления на 4% и удельное газодинамическое сопротивление на 3%. В свою очередь, увеличение количества фракции -5 мм на 1% увеличивается скорость восстановления и удельное газодинамическое сопротивление на 9%. Анализ результатов позволил сформулировать рекомендации по выбору гранулометрического состава, которые представлены в таблице 3.9.
В результате проведенного анализа установлено, что протяженность верхней зоны доменной печи во многом определяет степень использования СО и степень косвенного восстановления. Получено уравнение для расчета изменения протяженности верхней зоны печи, учитывающее изменение количества и скорости газов, изменение качества ЖРМ, а также теплоемкость потока шихтовых материалов. Из проведенных расчетов установлено, что изменение рудной нагрузки является одним из способов управления тепловым состоянием периферийной области доменной печи. Доказано что влияние рудной нагрузки при различном гранулометрическом составе ЖРМ проявляется по-разному. Получены уравнения для расчета изменения параметров температурного состояния верхней зоны доменной печи при разной рудной нагрузке (таблица 3.4).
Установлено, что изменение рудной нагрузки приводит к снижению коэффициента теплопередачи, как за счет изменения доли кусков ЖРМ с низким коэффициентом теплопроводности, так и за счет изменения количества газов.
В результате теоретического анализа установлено, что эффективное управление восстановительной работой газов в периферийной зоне печи может быть реализовано при высоком качестве ЖРМ (когда порозность слоя агломерата и порозность слоя кокса близки). При существенном различии в качестве кокса и агломерата увеличение рудной нагрузки приводит к снижению высоты верхней зоны печи и снижению степени косвенного восстановления.
Выполнены расчеты, позволяющие определить совместное изменение степени использования СО и температуры периферии при изменении гранулометрического состава и рудной нагрузки. В результате которых, можно сказать что, при изменении рудной нагрузки происходит однонаправленное изменение температуры периферии и степени использования СО, а при изменении гранулометрического состава наблюдается разнонаправленное изменение. При низких базовых значениях рудной нагрузки ( 4) диапазон изменения параметров больше. На доменных печах, где средняя рудная нагрузки достигает 5 и более, а температура периферии выше 200 оС, диапазон изменения температуры периферии незначительный.
Разработаны критерии для выбора гранулометрического состава, которые показывают, что наилучшие условия восстановления оксидов железа достигаются при содержании фракции 5-25 мм более 75%. При этом доля фракции -5 мм и +45 мм не должна превышать 6%.