Содержание к диссертации
Введение
Глава I Анализ и обобщение мирового опыта новейших достижений технологии выплавки чугуна в мощных доменных печах 8
1.1 Основные требования к радиальному распределению газового потока в доменной печи 3.
1.2 Влияние радиального распределения газового потока на технико-экономические показатели доменной плавки 11
1.3 Методы контроля и управления радиальным распределением газового потока 22
1А Потери тепла с охлаждающей водой - комплексный показатель, характери зующий ход доменной печи 31
1.5 Обоснование постановки задачи по разработке способа оперативного контроля радиального распределения газового потока 39
Выводы 42
Глава 2 Исследование радиального распределения газового потока в доменной печи объемом 3200 м3 44
2.1 Характеристика доменной печи и технико-экономические показатели ее работы в исследовательский период 45
2.2 Статистический анализ и градация массива выборки по интенсивности доменной плавки
2.3 Разработка методики расчета количественных характеристик радиального распределения газового потока в доменной печи 52
2.4Исследование влияния радиального распределения газового потока на интенсивность теплообменных процессов на границе контакта с огнеупорной кладкой, 65
2.5Критерий оценки радиального распределения газового потока в доменной печи 75
В ыводы 78
Глава 3 Влияние радиального распределения газового потока на технико экономические показатели доменной плавки 80
3.1 Определение граничных значений критерия К 80
3.11 Связь коэффициента К с распределением температур по сечению печи 80
3.1.2 Связь коэффициента К с распределением рудных нагрузок по сечению печи 83
3.1.3 Связь коэффициента К с изменением состава газа по сечению колошника 85
3.2 Связь параметров комбинированного дутья со значением коэффициента К 89
3.3 Влияние газодинамического режима на расход тепла и коэффициент полезного использования тепла
3.4 Оценка тесноты связи между критерием К и
технико-экономическими показателями доменной плавки 97
3.4.1 Связь коэффициента К с расходом кокса 98
3.4.2 Связь коэффициента К с производительностью печи 100
В ы воды 105
Глава 4 Разработка способа управления радиальным распределением газового потока в доменной печи 107
4.1 Пример использования критерия К для управления распределением газового потока 108
Выводы 12Л
Общие выводы 122
Список литературы
- Влияние радиального распределения газового потока на технико-экономические показатели доменной плавки
- Разработка методики расчета количественных характеристик радиального распределения газового потока в доменной печи
- Связь коэффициента К с распределением температур по сечению печи
- Пример использования критерия К для управления распределением газового потока
Влияние радиального распределения газового потока на технико-экономические показатели доменной плавки
Авторами работы [54], для оценки газораспределения, был произведен отбор газа по радиусу доменной печи объемом 3000 м на горизонте, расположенном на 1,5-2,0 м ниже уровня засыпи, и определено содержание в нём С02, СО, Н2. Состав газа над поверхностью засыпи по радиусу колошника определяли по химанализу газа, отобранного на исследовательском горизонте, скорректированного из предположения, что изменение состава газа в точке і отбора на пути до поверхности засыпи пропорциональны содержанию каждого из компонентов на исследовательском горизонте. Коэффициент пропорциональности равен отношению объёмных долей каждого из компонентов в общем колошниковом газе к его среднеарифметическому значению в газе, отобранного по радиусу. По составу газа над поверхностью засыпи в каждой из семи точек отбора определяли степень развития реакций прямого и косвенного восстановления, количество кислорода шихты в единице газа, степень использования СО и Нг.. Результаты расчётов приведены в табл. 1.
По результатам расчетов авторы делают вывод, что газовый поток, отве чающий условиям высокопроизводительной и экономичной работы доменной печи объёмом 3000 м , характеризуется нагрузкой по кислороду шихты на единицу газа, проходящего через каждую из семи точек отбора следующим образом (относительно максимального значения), отн. ед: 0,696-0,76-0,888-1,0-0,829-0,649-0,265.
Относительно высокой загрузке периферии без нарушения ровного хода способствовало использование в шихте агломерата с содержанием фракции 0-5 мм (7-8 %), а также использование кокса с удовлетворительными механическими свойствами (М25=89,1 %; Мю=6,7 %).
На доменной печи №9 объемом 5000 м комбината «Криворожсталь» [55] (оборудованной загрузочным устройством лоткового типа) в качестве характеристики распределения шихты использовали средние значения рудной нагрузки на кокс в десяти кольцевых зонах, границы которых были выбраны так, что проходили через точки отбора проб газа по радиусу колошника. С целью оптимизации распределения рудных материалов и кокса по радиусу колошника и выбора рационального распределения шихты по радиусу колошника изучали влияние значения рудной нагрузки в отдельных кольцевых зонах на показатели работы доменной печи.
Распределение компонентов доменной шихты оценивали с использованием математической модели распределения материалов по сечению колошника в соответствии с их углами откоса.
Было установлено, что газодинамические условия плавки в наибольшей мере определяются степенью загруженности рудными материалами центральной зоны колошника. Увеличение до определённых пределов рудной нагрузки в центре печи обеспечивает выравнивание радиального газораспределения и увеличение степени использования газа. Так в период исследований рост рудной нагрузки в осевой зоне печи от 1,0 до 1,8 т/т кокса (при практически неизменной рудной нагрузке на периферии) способствовало увеличению степени использования СО в среднем от 44,8 до 48,3 %.
Однако увеличение рудной нагрузки в осевой зоне сверх определённых значений приводило к слишком значительному снижению температур в центре горна, ухудшению жидкотекучести шлака и расстройствами хода печи. При длительной работе с чрезмерно высокими рудными нагрузками в центре печи возникали признаки загромождения горна, ухудшались технико-экономические показатели доменной плавки.
Величина центральной зоны печи, где рудные нагрузки должны быть пониженными, зависит не только от газодинамических характеристик шихты, но и в значительной степени от состава шлака и параметров дутья. Для доменной печи объемом 5000 м3 эта зона имеет радиус 2,0-2,5 м и составляет 14-21 % площади колошника.
При увеличении рудных нагрузок в центральных зонах колошника в пределах их реальных изменений существенно снижался расход кокса; при этом производительность росла лишь до определённого предела, после которого проявлялись признаки расстройства хода печи. Это обусловливало необходимость значительно снижать интенсивность плавки. Оптимальные значения рудных нагрузок в центральных кольцевых зонах колошника находились, таким образом, в относительно узких пределах для случаев использования всех возможных целевых установок ведения доменной плавки.
За пределами центральных зон требовался максимально быстрый переход к растянутому рудному гребню с относительно постоянными рудными нагрузками. Такой характер распределения их на промежуточном участке радиуса колошника способствовал достижению минимального расхода кокса и максимальной производительности печи.
Степень загруженности рудными материалами периферийной зоны печи обычно ниже, чем в промежуточной. Отсутствие в отдельные периоды существенного снижения рудных нагрузок на периферии по сравнению с промежуточным участком радиуса колошника, с одной стороны, несколько повышало степень использования газа, а с другой, приводило к неустойчивому газодинамическому режиму плавки и более частому горению фурм. Это не позволяло работать производительно и экономично. Наилучшие результаты достигались при средних значениях рудной нагрузки 3,2-3,8 т/т кокса в периферийном кольце шириной 0,9 м. На основании исследований для доменной печи объемом 5000 м3 авторы рекомендуют распределение рудных нагрузок по радиусу колошника, таким как это представлено на рис. 2. Заштрихованная область - диапазон возможных значений рудной нагрузки при выборе оптимального распределения шихты в различных условиях работы печи. На рис. 3 показаны усреднённые кривые распределения температуры и содержания С02 в газе по радиусу верха шахты этой печи при рекомендованном авторами распределении рудных нагрузок.
Как видно из рис. 2-3 особенностью рекомендуемого распределения газового потока является организация двух потоков: интенсивного в центральной зоне и умеренного в периферийной.
На доменной печи полезным объёмом 3000 м3 Коммунарского металлургического комбината проведены исследования по распределению и использованию газового потока в печи [56]. Распределение газового потока определялось на основе совместного решения системы уравнений, составленных по балансам углерода, кислорода и водорода, содержащихся в колошниковом газе, проходящем через три равновеликие зоны колошника: периферийную, среднюю и центральную. Для балансов отбирали 7 проб радиального газа по границам и в центре зон на 1,5-3 м ниже уровня засыпи шихты и анализировали в них СО, С02 и Н2.
Разработка методики расчета количественных характеристик радиального распределения газового потока в доменной печи
Перед обработкой данных, была проведена проверка основных показателей, относительно нормальности распределения.
Статистические характеристики этих показателей приведены в табл. 7. Таблица 7. Статистические характеристики основных технико экономических показателей.
Для выборки из 13 наблюдений правая часть неравенства равняется 0,11094. Значения левой части неравенства для основных параметров представлены в табл. 7. Как видно из нее необходимое условие выполняется для всех показателей, что говорит о подтверждении гипотезы нормальности распределения.
Помимо этого проводилась проверка по показателям асимметрии и эксцесса (см. табл. 7). Гипотеза нормальности распределения может быть принята, если выполняются следующие
Как показывает анализ табл. 7, выполняются оба условия. Это говорит о том, что гипотеза нормальности распределения может быть принята.
Данные выборки по интенсивности плавки были разделены на два периода: период низкой интенсивности 1с = 840-890 кг/(м3 сут) (табл. 8) и период высокой 1с - 980-1050 кг/(м3 сут) (табл. 9), где 1с - количество сожженного углерода топлива, включая углерод природного газа, отнесенное на 1 м3 объема печи. Разная интенсивность обусловлена различным содержанием кислорода в дутье и соответственно разным количеством кислорода поступающего в печь с дутьем.
Разработка методики расчета количественных характеристик радиального распределения газового потока в доменной печи Несмотря на существования достаточного количества показателей, характеризующих радиальное распределение газов, надежных сведений о расходе газа в различных зонах нет. Попытки инструментального определения этой величины не привели к успеху. В связи с этим основным путем получения информацию о количественном распределении является расчет, на основе доступной информации о распределении состава, температуры и давления газа.
Для описания газодинамики доменного процесса обычно использут известное уравнение С. Эгана [126], определяющего потери давления в слое сыпучих материалов в зависимости от характеристики газового потока. Для турбулентного режима движения газов, характерного для доменной печи, уравнение Эгана имеет вид: где ЛР потери давления в слое, Па; Н - высота слоя, м; є - порозность слоя, м3/м3; G - поток газа, м3/с; ps - плотность газа, кг/м3; D3 - эквивалентный диаметр кусков слоя, м; Ф — коэффициент формы кусков, количественно характеризующий степень приближения формы кусков к форме сферы.
Однако в связи с отсутствием ряда данных данное уравнение не подходит для оценки количественного распределения газового потока по сечению печи.
В связи с этим, была разработана методика, позволяющая определить количества газов в отдельных кольцевых зонах по сечению печи. Расчет количеств газов проводился на основании основных положений теории теплообмена и массообмена в доменной печи. Методика определения количественного распределения газов по сечению печи.
В соответствии с закономерностями теплообмена в верхней ступени теплообмена [104], изменение температур материалов и газов происходит в соответствии со следующим уравнением:
Зная распределение температур газов по радиусу печи над уровнем засыпи, нам остается определить только значение расхода материалов в отдельной кольцевой зоне.
На основании [105], в которой показано, что скорость опускания материалов по сечению печи от колошника до распара отличается незначительно, принимаем скорость опускания материалов одинаковой по всему сечению печи. Исходя из этого, расход материалов в отдельной кольцевой зоне принимаем пропорционально поверхности зоны по отношению всей площади колошника:
Связь коэффициента К с распределением температур по сечению печи
В настоящее время, о характере распределения газов в нижней части судят по параметрам продуктов плавки, добавляя к ним расчетные показателям: скорость истечения дутья из фурм, кинетическая энергия дутья, длина фурменного очага (рассчитываемую по эмпирическим формулам). В отечественной и зарубежной практике приемы увеличения кинетической энергии дутья для лучшего прогрева центральной части горна печи [120]. Однако наблюдаются отдельные случаи, когда увеличение кинетической энергии дутья не вызывало усиления центрального потока газов [120].
В мировой практике для контроля газораспределения, в том числе и в нижней части печи, широко используется информация о тепловых потерях с охлаждающей водой.
Результаты наших исследований подтвердили наличие этой связи. Однако связь между количеством газов и тепловыми потерями имеет особенности, которые выражаются в следующем: - усиление периферийного потока газов и ослабление центрального приводит к увеличению тепловых потерь в заплечиках и снижению их в нижней части шахты (рис. 16). Усиление центрального потока и ослабление периферийного приводит к обратному эффекту (рис. 17).
Из этого следует, что между тепловыми потерями с охлаждающей водой в заплечиках и в низу шахты имеется обратная связь, обуславливаемая характером движения газов на периферии и в центре печи. Это послужило основанием предложить величину, отражающую соотношение потерь тепла в заплечиках и в низу шахты, в качестве критерия оценки распределения газов по сечению в нижней части печи.
Графическая интерпретация данных таблицы представлена на рис. 21 . Из рисунка видно, с увеличением критерия К снижается количества газов, проходящих через центральную зону и увеличивается количество периферийных газов. Это показывает, что предложенный критерий К адекватно реагирует на изменение в газораспределении по сечению нижней части доменной печиХарактер распределения газов по горизонтальному сечению столба шихты устанавливают путем сравнения количества газов, движущихся по 4-ем кольцевым площадям: 1 - периферийное кольцо (S = 18/12 м2), примыкающее к огнеупорной кладке, 2 - зона рудного гребня (S = 90/40 м2), 3 - промежуточная зона (S = 7/7 м ) и 4 - центральная зона (S = 4,3/4,3 м ). В зависимости от того, по какой зоне движется наибольшее количество газов, газодинамические режимы называют: «периферийным», «центральным» и «центрально-периферийным». В связи с тем, что характер движения газов во многом определяет результаты плавки, эти термины употребляют для характеристики хода печи.
3. Каждый из газодинамических режимов характеризуется вполне определенным интервалом скорости движения газов в заданной зоне столба шихты. Усиление движения газов в пределах данного газодинамического режима по - разному влияет на интенсивность теплообменных процессов между газовым потоком и огнеупорной кладкой в заплечиках и в шахте печи. Например, при периферийном газодинамическом режиме увеличение количества газов, движущихся в периферийной зоне, увеличивает тепловые нагрузки на кожух и холодильники в заплечиках и уменьшает — в низу шахты. И, наоборот, при центральном газодинамическом режиме увеличение количества газов, движущихся в центральной зоне столба шихты, уменьшает тепловые нагрузки на огнеупорную кладку, кожух и холодильники в заплечиках и увеличивает - в низу шахты. На основании исследований установлено, что каждому газодинамическому режиму соответствует вполне определенное соотношение тепловых нагрузок на огнеупорную кладку, кожух и холодильники в заплечиках и в низу шахты. Регрессионно-корреляционный анализ показал довольно тесную статистическую связь между характеристиками газового потока и показателем, выражающим количественное соотношение тепловых потерь с охлаждающей водой в заплечиках и в низу шахты. Численно он равен:
Результаты исследований, проведенных в главе 2, показали, что каждому газодинамическому режиму соответствует вполне определенное соотношение тепловых нагрузок на огнеупорную кладку и холодильники в заплечиках и в низу шахты. Регрессионно-корреляционный анализ показал довольно тесную статистическую связь между характеристиками газового потока и показателем, выражающим количественное соотношение тепловых потерь с охлаждающей водой в заплечиках и в низу шахты (критерий К).
Однако для того, что бы использовать критерий К для контроля и управления газораспределением необходимо определить: граничные значения критерия К, пересечение которых определяет качественное изменение газодинамического режима; количественные соотношения влияния технологических параметров ведения доменной плавки на величину изменения критерия К; значения оптимальных значений критерия К, с точки зрения достижения максимальной производительности и минимального расхода кокса.
Пример использования критерия К для управления распределением газового потока
Из таблицы видно, что в период с августа по октябрь (периоды № 1-5) радиальное газораспределение, оцениваемое по изменению критерия К, характеризовалось как центрально-периферийное (критерий К изменялся в пределах от 2,02 до 2,67). В начале ноября (период № 6) произошло перераспределение газораспределения в сторону усиления центрального потока газов, значение критерия К снизилось до 1,68.
17 ноября на печи произошел инцидент, выразившейся в порезе конвейера Д-1. было порезано около 500 м конвейера. В результате этого печь была аварийно остановлена. Печь простояла более суток (26 часов 20 минут). После этого печь стала работать на пониженных параметрах с остановками и работой на «тихом ходу» с опусканием уровня засыпи. Неустойчивая работа печи в конце ноября (период № 7) привела к перегрузке периферии железорудными материалами (коэффициент К снизился до уровня 1,27) и нарушению газодинамического режима доменной печи, В условиях существующего качества шихтовых материалов это повлекло за собой нестабильное гарнисажеобразование, нарастание излишнего гарнисажного слоя и потерю объема печи. Оценка тепловых потерь по окружности печи в районе заплечики-низ шахты, показало, что излишний гарнисаж образовался в районе распар-низ шахты (см. рис. 28). На рис. 28 представлено изменение тепловых потерь по окружности печи для четырех периодов: период устойчивой работы; период расстройства; период вывода печи из расстройства; период после расстройства. Видно, что тепловые потери в указанном районе характеризуются большой неравномерностью с существованием области с низкими значениями тепловых потерь и пиками с высокими значениями на отдельных холодильниках. Область с низкими тепловыми потерями занимает область в 8 холодильников. В период расстройства и вывода из него область низких тепловых потоков расширилась до 17 холодильников. После принятия мер по ликвидации расстройства область с низкими тепловыми потерями сократилась до прежних размеров.
Для поддержания нормального хода печи была снижена форсировка, что привело к снижению производительности (период № 8).
Для ликвидации этого расстройства были приняты действия по усилению периферийного газового потока путем изменения системы загрузки и параметров дутья. Графики, отображающие изменения основных параметров работы печи представлены на рис. 29-31. Значения этих параметров приведены в табл. 25. Анализ данных показывает, что параметры, характеризующие газораспределение, по разному, реагировали на нарушение газодинамического режима. Можно заметить, что в момент расстройства показатели, характеризующие газораспределение в верхней части печи, не среагировали на изменение газодинамического режима. Так, rjco на периферии не изменилось и осталось на прежнем уровне (48-52 %), то же самое можно сказать и о температуре газов на периферии, которая держалась на уровне 400 С. Указанные показатели начали сигнализировать об изменении радиального распределения газового потока, только тогда, когда газораспределение в печи стали изменять целенаправленно. В периоды выхода из расстройства температура газа на периферии выросли до 570-735 С, a rjco снизилось до 39-46 %.
Анализ изменения критерия К показывает, что он реагировал на изменение в газораспределении как в момент расстройства, так и в периоды выхода из него. Это говорит о том, что его использование совместно с другими показателями, характеризующими газораспределение, позволит на более ранних этапах выявлять нарушения в газодинамическом режиме и принимать меры по их устранению.
Для оценки достаточности принятия мер по устранению расстройства были определены расчетные значения критерия К, На рис. 32 показано изменение расчетных и фактических значений критерия К, Из него видно, что тенденция их изменения совпадает, а их значения близки и не превышают доверительного интервала. Исключение составляет сам момент выхода из расстройства, который характеризуется низкой интенсивностью работы.
Однако до момента развития инцидента расчетный критерий адекватно отражал изменение в газораспределении.
Проверка соответствия принятых мер показала, что меры по усилению периферийного газового потока были не достаточны. Так, в периоде 8 меры по усилению периферийного газового потока были не достаточны, что отразилось в увеличении критерия К лишь до 1,41. Согласно приведенному в этой главе уравнению для усиления периферийного потока газа и достижения значения критерия К = 2,0 необходимо было уменьшить расход дутья на 233 м3/мин. В периоде № 8 расход дутья был снижен лишь на 88 м3/мин. И лишь в следующем периоде (№ 9) принятые меры были достаточны. В результате принятых мер печь начала выходить на нормальный режим работы через неделю после принятия необходимых мер (период № 11). А на нормальный режим, характерный для условий работы на порезанном конвейере, печь вышла в конце декабря 2002 г.
Похожие диссертации на Исследование газового потока в доменной печи большого объема и разработка алгоритма управления его радиальным распределением
