Исследование закономерности газодинамики зернистого слоя с целью улучшения технико-экономических показателей доменной плавки Томаш, Александр Анатольевич

Введение к работе

Актуальность работы. Важнейшей задачей, стоящей в настоящее время перед доменным производством, является снижение удельного расхода кокса. Затраты на топливо доменной плавки составляют около 50 % себестоимости чугуна. Дефицитность коксующихся углей и тяжелые условия их добычи определяют тенденцию к постоянному возрастанию стоимости кокса. В таких условиях уменьшение расхода топлива на выплавку чугуна является основным средством снижения себестоимости черных металлов.

Снижению расхода кокса способствует рациональное газораспре- деление в шахте доменной печи. При этом достигается более полное использование восстановительной энергии доменного газа и снижается расход тепла на процессы восстановления оксидов железа углеродом кокса.

Задача рационального газораспределения в шахте доменной печи в свою очередь требует исследований закономерностей движения газа через слой доменной шихты. Использование закономерностей газодинамики зернистого слоя позволяет эффективно управлять распределением газовых потоков по сечению доменной печи.

В связи с этим актуальными являются работы, направленные на изучение процессов фильтрации газов через зернистый материал применительно к условиям доменной плавки и разработку новых способов распределения шихты и газов в доменной печи.

Цель работы: исследование закономерностей движения газа через слой доменной шихты и разработка рациональных способов загрузки доменной печи, обеспечивающих снижение расхода кокса за счет улучшения использования восстановительной и тепловой энергии газа. .

Шучная новизна. Предложены аналитические зависимости пороз-ности доменной шихты от содержания мелкой фракгчи при отношении . диаметров мелких и крупных частиц , менее 0,07. Впервые установлено, что причиной экстремального изменения коэффициента сопротивления при различном содержании мелочи является неравномерное ей распределение по высоте зернистого слоя. Предложены аналитические зависимости коэффициента газодинамического сопротивления от доли мелочи при неравномерном ее распределении по высоте слоя для лабораторных условий и условий ,,оменной плавки. Показано, что предельные значения скорости фильтрации, при которых допустит, расчет перепада

давления газа в слое по уравнению Дарси-Вейсбаха, соответствуют переходу мелких частиц в пустотах между крупными кусками во взвешенное состояние. Впервые исследован процесс противотока двух зернистых слоев,различающихся крупностью частиц, в восходящем потоке газов применительно к условиям доменной печи.

Проанализировано распределение статического давления по высоте зернистого слоя с учетом влияния давления на свойства газа и установлено, что распределение статического давления по высоте шахты доменной печи носит нелинейный характер. Разработана методика расчета верхнего перепада давления газа в доменной печи. Исследовано влияние режима работы большого конуса на время ссыпания шихты в - печь, величину динамического удара шихты и на радиальное распределение рудных нагрузок на колошнике. Показано, что приостановка большого конуса в промежуточном положении в большей степени снижает динамический удар, чем его опускание с уменьшенной скоростью. Впервые установлено, что режим работы малого конуса оказывает существенное влияние на радиальное распределение шихты.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработаны новые способы загрузки, позволяющие ликвидировать канальный ход в доменной печи, изменять радиальное распределение рудных нагрузок на колошнике, частично удалять мелочь из агломерата, загружаемого в печь, и снижать динамический удар шихты за счет различного хода большого конуса при различных системах загрузки, регулировать количество кокса, загружаемого непосредственно в центр колошника, и смешивать компоненты доменной шихты без усложнения процесса загрузки за счет изменения режима работы малого конуса. Новые способы загрузки внедрены ни металлургических комбинатах "А.зовстэлъ" и "Запорожсталь". При этом расход кокса снизился на 3 кг/т чугуна. Экономическ"й эффект от использования нового способа загрузки на металлургическом комбинате "Азовсталь" составил 60 тыс.руб.

^ма защиту выносятся: установленные зависимости порозности доменной пихты от содержания мелкой фракции при отношении диаметров мелких и крупных частиц менее 0,07 установленные зависимости коэффициента газодинамического сопротивления от доли мелочи при неравномерном ее распределении по высоте слоя для лабораторных условий и условий доменной плавки ; комплекс теоретических зависимостей для расчета перепада давления газа в слое доменной шихты; установленные закономерности процесса противотока двух зернистых слоев, различающихся крупностью частиц, в восходящем потоке газов ; закономерности

заспределения статического давления газа по высоте зернистого слоя і шахты доменной печи ; методика расчета величины верхнего перепада давления газа в доменной печи; способ загрузки доменной печи, предусматривающий различный ход большого конуса при различных системах загрузки ; способ регулирования количества кокса, подаваемого непосредственно в центр колошника, за счет изменения хода малого конуса; способ загрузки доменной печи, обеспечивающий частичное перемешивание компонентов шихты за счет изменения хода малого .конуса.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на международной научной конференции "Моделирование восстановительных процессов и их применение в металлургии" (г.Устронь, ПНР, 1991 г.), всесоюзной научно-технической конференции "Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии" (г.Екатеринобург, 1990 г.) и республиканской научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного управления доменным процессом" (г.Киев, І9ЕУ7 г.).

Публикации. .Материалы диссертации опубликоваш в 5 научных статьях и тезисах докладов, получено 2 авторских свидетельства СССР на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов и предложения; изложена на 167 страницах машинописного текста и включает 53 рисунка, 4 таблицы, список литературы из 112 наименований.

Необходимым условием высокопроизводительной и экономичной ра- ' боты доменной печи является рациональное распр деление газовых потоков в шахте. Этим обусловлено большое внимание исследователей к вопросам движения газа через зернистый слой и к разработке способов загрузки, открывающих новые возможности в управлении газораспределением в доменной печи. Работы С.С.Фурнаса, Т.Л.Джозефа, С.Эргу-на, М.А.Стефановича, А.Н.Рамма и др. авторов положили основу математического описания закономерностей движения газа через слой.доменной шихты и управления газодинамическим режимом доменной плавки.

Однако несмотря на многочисленные исследования, касающиеся

- б -

отих вопросов, че все проблеми газодинамики зернистого слоя решены. Возникают сложности при расчетном определении газодинамических характеристик полифракционного слоя доменной шихты. Попытки расчета давления на различных горизонтах доменной печи не имеют успеха. Ирг расчетах не учитывается лослойность укладки шихты в шахте доменной печи. Недостаточное внимание уделяется процессам, протекающим в рабочем пространстве печи, связанным с потерей стабильности зернистого слоя.

Среди способов подачи шихты в доменную печь недостаточное внимание уделяется порядку загрузки, предусматривающему изменение режима работы большого конуса. Исследования отечественных и зарубежных специалистов доказывают целесообразность уменьшения скорости .опускания и хода большого конуса с целью уменьшения динамического удара шихты и перераспределения материалов по радиусу печи. Вместе с тем,влияние хода большого конуса на радиальное распределение шихты не выявлено окончательно. Отсутствует удобное для расчета уравнение зависимости времени ссыпания шихты в печь от хода и скорости опускания большого конуса. Не известны величины его хода, обеспечивающие минимальный динамический удар шихты при различных системах загрузки, что снижает эффективность способа.

В соответствии с современными представлениями рациональное радиальное распределение шихты достигается при подаче части кокса непосредственно в центр колошника. При использовании для этой цели загрузочного устройства с осевым технологическим отверстием в большом конусе возникает проблема регулирования количества кокса, загружаемого в центр печи. Благоприятно сказывается на работе доменной печи смешивание компонентов шихты при загрузге. Однако сложности, возникающие при подаче кокса и агломерата в один скип, препятствуют распгістранению способов загрузки, предусматривающих смешивание материалов. Решению этих проблем может способствовать изменение режима работы малого конуса. Однако исследований влияния его работы на расположение шихты на колошнике не проводилось.

Исходя из изложенного, с учетом поставленной цели, основными задачами настоящей работы являются: исследование и, анализ зависимости газопроницаемости бинарного слоя и его газодинамических характеристик от доли мелкой фракции ; анализ влияния неравномерности распределения мелочи по высоте на газопроницаемость доменной шихты ; исследование процессов, протекающих в доменной печи, связанных с потерей стационарности зернистого слоя ; анализ распреде-

ления статического давления по высоте шахты доменной печи ; разработка способа загрузки доменной печи, обеспечивающего снижение динамического удара шихты за счет различного хода большого конуса при различных системах загрузки ; разработка способов регулирования массы кокса, подаваемого в осевую зону доменных печей, оборудованных конусным загрузочным устройством с осевым технологическим отверстием в большом конусе, и смешивания компонентов доменной шихты за счет изменения режима работы малого конуса.

Расчет перепада давления газа в слое предполагает предварительное определение газодинамических характеристик шихты: порозности, среднегармонического диаметра частиц и коэффициента сопротивления.

Важнейшей характеристикой зернистого слоя, в значительной степени определяющей его газопроницаемость, является порозность. Исследования ряда авторов показали, что порозность-доменной шихты зависит главным образом от количества мелочи в слое и мало меняется при изменении соотношения содержания крупных и средних фракций. В соответствии с этим предложена модель зернистого слоя, содержащего частицы только двух размеров. Причем отношение диаметров мелких и крупных частиц стремится к О. Анализ разработанной модели позволил получить систему уравнений, описывающих зависимость порозности от доли мелочи

{ e_K-m(l-5_H) _Пр_{И m}^g

⁶ = \ _г (I)

I «^m при m > Є к

где „ и Є_м - порозность крупной и мелкой фракций.

Полученные уравнения применимы при отноше.^іи диаметров мелких и крупных частиц менее 0,07 и дополняют известные формулы, что позволяет определять порозность доменной шихты при любых соотношениях размеров мелочи и крупных кусков.

Исследования влияния промежуточных фракций на среднегармони-ческий диаметр частич шихты показали, что при расчете можно представлять слой содержащиг только две фракции. Решающее влияние на рассчитываемую величину оказывает содержание мелочи. В качестве второй фракции для расчета следует выбирать крупные частицы, если

их больше, чем »астиц среднего размера, и среднюю фракцию, если ее содержание превышает содержание крупных частиц.

Экспериментальные исследования показали, что зависимость коэф фициента сопротивления от доли мелочи в зернистом материале имеет экстремальный характер (см.рис.). Такое изменение коэффициента сопротивления может быть обусловлено неравномерным распределением мелкой фракции по высоте слоя. Участки с повышенным содержанием мелочи оказывают наибольшее сопротивление газовому потоку, что приводит к снижению газопроницаемости всего слоя в целом и соответственно к повышению значения коэффициента сопротивления. Для анализа влияния неравномерности распределения мелочи по высоте на коэффициент сопротивления предложена следующая модель зернистого слоя. Сло делится на две зоны. В нижней зоне мелочь заполняет все пространство между крупными кусками, не раздвигая их, в верхней - содержание мелких частиц меньше, чем в среднем в объеме слоя. Количество мелочи в верхней зоне и соотношение высот обоих зон определяется коэффициентом неравномерности распределения мелочи по высоте слоя k .

"*" а <

*

I г

',1а >= *

О 0.1 o.t о.» с* o,f Є.І ft Доля ме/ікои фракции

70О0

esoo бооо ssoo soao

>iSOO

booo *,

3OO0 **

7A7 %

isoo J-

«XXI

Зависимости от доли мелочи: 1,2- порозности ; 3, 4 - коэффициента сопротивления ; 5, б - перепада давления.

I, 3, 5 - опытные зависимости, 2, 4, б - расчетные зависимости

В соответствии с такой моделью зернистого слоя коэффициент сопротивления при содержании мелочи m ^ 0,4 можно рассчитать по уравнению

1/_ ^1б кт(1-0*/с1.*о* + (rt\o-UmXl-*)*/&* ₊

+ -М_ кт(1-в.)^|ДЛ1,^мб,Г + (т₀-Нт)д-,)/^%^{5 ( }}
Re^l m.d-ej'-yd^e⁵

где Re - критерий Рейнольдса, рассчитываемый по усредненным газодинамическим характеристикам слоя ; t,d₃ - порозность и среднегармонический диаметр'частиц слоя; m^.Ej.dj- содержание мелочи, порозность и среднегармонический диаметр частиц в зоне с меньшим содержанием мелочи

(l-k)mm„
^m* m„-Km (3)

..m.A,- минимальная порозность материала, доля мелочи и среднегармонический диаметр частиц, соответствующие ей. При содержании мелкой фракции m з> 0,4 коэффициент сопро-^ тивления может быть рассчитан по известной формуле У= 160/Re + 5,l/l?e

Из-за послойности укладки компонентов шихты в доменной печи также имеется неравномерность распределения мелочи по высоте.Большее количество мелочи концентрируется в слое агломерата, меньшее -в слое кокса. Анализ движения газа через участок столба шихты, содержащий слой кокса и слой агломерата,- приводит к уравнению для расчета коэффициента соггрогивлвіия, материалов в шахте доменной печи

її Ш. U-EOVdfeS + ft-eO'/d'e;? ,1.55 (l-e_a)>'^J>(l-j'/d.^U&_K^3
V"Re" U-)7d*⁵ Re¹' V-t)»/dye (4)

В этом уравнении переменные с индексом "а" характеризуют аг
ломерат, с индексом "к" - кокс, без индекса -'всю шихту в целом. .
Содержание мелочи в слоях кокса т« и агломерата т_а опреде
ляется общим содержание]- мелочи в шихте и коэффициентом неравно
мерности . /. , \ -
m_K = m(l-k) т_а = т(Ьк)

В соответствии с уравнением (4) неравномерность распределения мелочи по высоте слоя шихты в доменной печи приводит к снижению ее газопроницаемости, что подтверждает целесообразность смешивания агломерата и кокса при загрузке,так как при смешивании компонентов доменной шихты мелочь по высоте распределяется более равномерно. Полученные уравнения вместе с формулой определения перепада давления газа в слое составляют комплекс зависимостей для расчета газопроницаемости зернистого материала. При этом следует учитывать, что применение уравнения Дарси-Вейсбаха для расчета перепада давления в зернистом слое возможно, если фактическая скорость газа в . пустотах между крупными кусками не превышает критического значения, при котором мелкие частицы начинают кипеть. При этом весь слой в целом, за исключением мелочи, остается стабильным. Потери напора газа в слое после перехода во взвешенное состояние мелких частиц в пустотах между крупным кусками значительно ниже значения, определенного по формуле Дарси-Вейсбаха. На рисунке сравниваются расчетные и экспериментальные зависимости порозности, коэффициента сопротивления и потерь напора газа в слое от доли мелочи. В целом предложенные уравнения верно отражают характер изменения исследуемых величин. При содержании мелочи менее 0,4, характерном для доменной шихты .расчетные копытные значения перепада давления в слое достаточно близки. Значительные расхождения наблюдаются только при содержании мелочи от 0,4 до 0,5 соответствующем заполнению мелкими частицами пустот между крупными кусками. По-видимому, расхождение данных обусловлено принятыми при выводе формул допущениями.

Поведение граничащих зернистых слоев, различающихся крупностью ' частиц, в восходящем потоке газов исследовалось с помощью шаров диаметром I мм и 20 мм в газодинамическом цилиндре. При превышении скорости газового потока значения, обеспечивающего кипение мелоч: в пз тотах между крупными шарами, наблюдалось встречное движение шаров разного диаметра. Мелкие шары, составляющие нижний слой, проникали f пустоты между крупными и поднимались вверх. Шары диаметром ЕО мм опускались под действием силы тяжести, вытесняя вверх мелкие частицы. Процесс заканчивался, когда слои менялись местами, мелкие

- II -

частицы располагались вверху, а крупные формировали нижний слой. Противоток протекал как при переходе слоя мелких шаров во взвешенное состояние, так и при сохранении стабильности обоих слоев. В последнем случае кипение мелочи наблюдалось только в пустотах между крупными шарами. После выхода мелких шаров из каналов слоя крупной фракции их кипение прекращалось. В этом случае механизм процесса противотока следующий. На границе слоев у входа в каналы между большими шарами возникают условия для кипения небольшого количества мелких шаров. При этом скорости газа в сосуде недостаточны для кипения мелочи, но в пустотах между крупными кусками фактическая скорость превосходит критическое значение. Крупные шары вытесняют кипящую мелочь и опускаются на небольшую высоту. Опускание больших шаров приводит к переходу во взвешенное состояние нового объема мелочи и к дальнейшему опусканию слоя крупной фракции.

В ходе процесса наблюдалось увеличение сопротивления столба зернистых материалов движению газового потока из-за снижения пороз-ности за счет проникновения мелочи в пустоты между крупными частицами. Явление, подобное описанному, может быть одним из факторов, обуславливающих ликвидацию канального хода окатышами. Способ устранения расстройства хода доменной печи предусматривает временный переход к загрузке 100 % окатышей в составе железорудных материалов и подачу их гребней в район канала. В ходе нагрева и восстановления окатыши разрушаются. В результате в районе канала формируется столб шихты, в верхней части которого расположены крупные, не-разрушившиеся окатыши, а в нижней-мелочь - продукт разрушения. При интенсивном газовом потоке возникают условия для их противотока. Сопротивление движению газов увеличивается, что приводит к перераспределению и выравниванию газовых потоков по окружности доменной печи. При опускании окатышей в зону размягчения происходит окончательное выравнивание окружного газораспределения. Опробование этого способа регулирования газового потока в условиях металлургического комбината "Азовсталь" показало его эффективность.

Расчетное определение газодинамических характеристик зернистого- слоя позволяет анализировать распределение статического давления по высоте шахты доменной печи. Однако при этом неприменимо

в неизменной форме уравнение Дарси-Вейсбаха, поскольку оно не учитывает влияния давления на свойства газа. При значительном перепаде давления объем, плотность и кинематическая вязкость газа меняются, что приводит к нелинейному распределению статического давления газа по высоте слоя И .На кавдом участке слоя бесконечно малой высоты dH с потерями напора dp физические свойства газа можно считать неизменными. Интегрирование дифференциального уравнения, описывающего движение газа через участок высотой dH , приводит к уравнению распределения статического давления по высоте слоя

^{Р =} V ^ fc'f'-'T» V d-' Ф-^{9 ?}" ^Uh / С⁵)

где р„ - давление газа на верхней границе слоя, Па; Ч - динамическая вязкость газа, Па-с ; U_H и _p_rt - скорость и плотность газа при нормальных условиях,

м/с и кг/м³ ; Р_н и Т_н - нормальные давление и температура, р_н к 10 Па, Т_н = = 273 К; Т - температура газа, К; Ф - фактор формы частиц. В доменной печи наряду со свойствами газа с высотой меняются все величины, влияющие на потери напора. Аналогичный подход с учетом изменения с высотой площади горизонтального сечения рабочего пространства, химического состава и температуры газа приводит к уравнению распределения статического давления газа по высоте шахты доменной печи

V (і-OQh РЛд d {бос_тсс_я tyV [(R_K+W/i^oifnl--CRk ⁺ hA9c)³Rk]⁺ ьіссірмЦа-оі^ца +

+ 2оС_тоС.р RKt^'bcjtR^R^+H/tcjcx)⁵- R»*(R_K+ H/tyoc)]+ + 2[ТкРик-(о(_тр„«-(Ж_?Т_к)Я_к1дос-сХ_тоС^Р^^оС]- . (б) [(R«+H/t^cx)³-R_K⁵]}

- ІЗ -

где Рк - давление на колошнике, Па;

0„ - выход колошникового газа при нормальних условиях, м³/с ; сх - угол наклона стен шахта, град; R_K - радиус колошника, м ; Т_ц - температура колошникового газа, К; fW - плотность колошникового газа при нормальных условиях, кг/м³. Предполагалось, что нормальная плотность и температура доменного газа меняются с высотой линейно

Т=Т_к+ос_тН р_н=/_ик-с*_РН

В условиях доменной плавки распределение температуры газа по высоте описывается S -образной кривой. С небольшой погрешностью для шахты доменной печи ее можно заменить двумя прямыми, каждая из которых описывает распределение температур по высоте одной из зон теплообмена.

Сравнение значений давления газа на различных горизонтах печи, рассчитанных по формуле (6), с данными вертикального зондирования доменной печи показало, что предложенное уравнение качественно и количественно верно описывает распределение давления по высоте шахты доменной печи.

На основе уравнения распределения статического давления газа по высоте рабочего пространства была разработана методика расчета верхнего перепада давления газа в доменной печи. Она предусматривает определение газодинамических характеристик доменной шихты, исходя из содержания в ней мелкой фракции, коэффициента сопротивления с учетом послойности укладки кокса и агломерата и неравномерности распределения мелочи по высоте, расчет высоты верхней-зоны теплообмена и определение перепада давления середина шахты - колошник. Разработанная методика успешно применялась при анализе влияния осевой загрузки кокса на распределение статического давления по высоте доменной печи для условий металлургического комбината "Запорожсталь".

Исследования распределения статического давления по высоте показали, что наибольшее сопротивление проходу газов в сухой части рабочего пространства доменной печи столб шихта оказывает в верхних

горизонтах шахты. Поэтому целесообразно повышение газопроницаемости прежд всего верхних слоев шихты. Достичь этой цели позволяет изменение режима работы большого конуса. Уменьшение скорости его опускания и остановка в промежуточном положении способствуют увеличению времени ссыпания шихты в печь и уменьшению динамического удара. Анализ влияния режима работы большого конуса на изменение динамических усилий на поверхности шихты во время ссыпания материалов на колошник показал, что приостановка большого конуса в промежуточном положении более эффективно уменьшает динамический удар шихты, чем его замедленное опускание.

Зависимость времени ссыпания шихты «с от хода большого конуса И при условии, что не все материалы покидают его поверхность до остановки, описывается уравнением

_r.Al/ vS^2cx_K ~ '/„„ч.Н + Н.

Ъ \ jc'ajq* (sinot_K-f со&оСк)¹соз"_Лк/^^{н п}'' ⁺ 2.1/_к ⁽ '

где V - объем материалов на большом конусе, м ;

сх_у - угол наклона поверхности большого конуса, град;

Р_к - диаметр большого конуса, и;

а - ускорение свободного падения, м/с ;

4 - коэффициент трения материалов о поверхность большого конуса ;

V_K - скорость опускания большого конуса, м/с ;

Н₀- высота вертикально стоящей стенки материалов, м. Результаты расчетов и опытные исследования показали, что наиболее сильное влияние на время ссыпания шихты положение остановки большого конуса оказывает, если его ход лишь немного превышает высоту вертикально стоящей стенки материалов. В связи с этим для эффективного использования приостановки большого конуса с-о ход должен быть различным при различных системах загрузки. В соответствии с исследованиями на секторной модели колошника и на реальной доленной печи агломерат беспрепятственно ссыпается при ходе большого конуса 200-250 мм, кокс - при опускании большого конуса на 300-350 мм. Смешанньв подачи можно загружать в печь, избегая сводообразования в щели между контактными поверхностями, при ходе конуса 300-350 мм. Исследования на секторной модели распределения на колошнике шихты, ссыпающейся через приоткрытый большой конус, позволили уточнить влияние его хода на радиальное распределение рудных нагрузок. При загрузке прямых подач уменьшение хода большого конуса приводит к сниженим'рудшх нагрузок у стен колошника, при подачах коксом впе-

ред его приостановка приводит к подгрузив периферии. Такое влияние хода конуса на радиальное распределение шихты обусловлено тем, что первые порции материала, преодолевая большое сопротивление щели между контактными поверхностями, покидают большой конус с малой скоростью, падают по почти вертикальним траекториям и размещаются в промежуточной зоне. Ссыпающийся вторым материал успевает набрать запас кинетической энергии и легче преодолевает сопротивление щели. Он падает по более пологим траекториям к стенкам колошника, а гребень шихты в промежуточной зоне препятствует его распространению к центру.

Способ загрузки, предусматривающий промежуточную остановку большого конуса в разных положениям для различных подач, был внедрен на доменной печи № 2 металлургического комбината "Азовсталь" полезным объемом 1233 м³. Применялись системы загрузки: KAt At КЕЙ, Кк\ AKt.KAAKj , Ж\ At Ш\ . Реализация способа показала его большие возможности в регулировании радиального распределения рудных нагрузок. Система загрузки КА 4 A t КК і способствовала разгрузке периферии, подачи KAf АК4 и KAAKt подгружали периферийную зону, подача KAV А* КК t способствовала разгрузке центра печи. Проведенный статистический анализ свидетельствует о том, что при применении приостановки большого конуса увеличивается вынос колошниковой пыли из доменной печи. Дополнительное удаление мелочи из шихтовых материалов во время загрузки наряду с уменьшением динамического удара шихты способствует повышению ее газопроницаемости. Применение способа загрузки позволило снизить расход кокса на 3 кг/т чугуна.

Закономерности ссыпания шихты при различном ходе конусного распределителя были использованы для регулирования количества кокса, подаваемого в центр колошника через осевое технологическое отверстие в большом конусе. Уменьшение хода малого конуса способствует падению шихты на большой конус по более крутым траекториям и приближению ее гребня к обичайке, ограничивающей осевое технологическое отверстие. При этом количество кокса, ссыпающегося в центр, увеличивается. Опытные исследования на доменной печи («^? 3 металлургического комбината "Запорожсталь" показали, что за счет уменьшения хода малого конуса возможно изменение количества кокса, подаваемого в центр, с 35 % до 75 Н объема скипа. Способ увеличения количества кокса, загружаемого непосредственно в осевую зону, за счет остановки малого конуса в промежуточном положении применялся в промышленных условиях в случаях перегрузки центра для увеличения осевого газового потока.

Анализ влияния неравномерности распределения мелочи по высоте и послойности укладки шихты на ее газопроницаемость подтвердил целесообразность смешивания шихты при загрузке в доменную печь. Изменение режима работы малого конуса позволяет частично смешивать компоненты доменной шихты без применения дополнительных устройств в оборудовании загрузки. Известно, что при ссыпании на колошник рудного материала вслед за коксом более тяжелый и мелкий агломерат в восходящем потоке газа обгоняет кокс, а в момент падения на поверхность засыпи куски агломерата внедряются в толщу кокса. В результате происходит частичное перемешивание шихты. Первоочередное ссыпание рудных материалов наоборот способствует разделению агломерата и кокса. При подаче на большой конус агломерата через приоткрытый малый конус, а кокса при открывании малого конуса на полный ход, железорудный материал размещается на поверхности большого конуса и ссыпается вслед за коксом, располагающимся у стен чаши. Это приводит к снижению рудной нагрузки на периферии и частичному смешиванию шихты в промежуточной зоне. При ссыпании на большой конус кокса с приоткрытого малого конуса, а агломерата с малого конуса, опущенного на полный ход, у стен чаши располагается агломерат. В этом случае первым ссыпается агломерат, а затем кокс с поверхности большого конуса, что способствует подгрузке периферии и разделению компонентов доменной шихты. Опытные исследования, проведенные на секторной модели колошника, подтвердили влияние режима работы малого конуса на радиальное распределение шихты и на степень смешивания шихтовых материалов на колошнике.

1. Получены уравнения зависимости порозности зернистого слоя от содержания мелкой фракции при отношении диаметров мелких и крупных частиц менее 0,07, дополняющие известные формулы для расчета порозности доменной шихты при других значениях отношения диаметров частиц.

2. С небольшой погрешностью среднегармонический диаметр частиц доменной шихты можно определить, исходя из содержания мелочи. В качестве второй фракции следует выбирать крупные частицы, если их в смеси больше, чем средних, и частицы среднего размера, если их количество превышает содержание крупной фракции.

- I? -

3. Опытными исследованиями подтвержден экстремальный характер зависимости коэффициента газодинамического сопротивления зернистого материала от доли мелкой фракции, обусловленный неравномерностью распределения мелочи по высоте слоя. Послойная укладка шихтовых материалов в шахте доменной печи при содеркании мелочи в агломерате менее 0,Ь приводит к увеличению газодинамического сопротивления доменной шихты из-за неравномерного распределения мелких частиц по высоте. Повышению газопроницаемости доменной шихты должно способствовать смешивание ее компонентов при загрузке, устраняющее послой-ность укладки и неравномерность распределения мелочи по высоте. Предложены уравнения для расчета коэффициента газодинамического сопротивления доменной шихты, учитывающее неравномерность распределения мелочи для шахты доменной печи и лабораторных условий.

4. Предложенные уравнения для расчета порозности и коэффициента сопротивлешш доменной шихты вместе с уравнением для расчета перепада давления газа в слое позволяют с достаточной точностью определять потери напора в слое шихтовых материалов при скорости фильтрации газа меньше критической, при которой мелкие частицы в пустотах между крупными кусками переходят во взвешенное состояние.

5. Опытным путем установлена возможность протекания процесса противотока зернистых материалов, различающихся крупностью частиц, в восходящем потоке газов. Мелкие частицы поднимаются вверх, проникая в пустоты между опускающимися крупными кусками. Перепад давления газа при противотоке зернистых материалов увеличивается. Для ликвидации канального хода в доменной печи целесообразно загружать в район канала гребни окатышей. Вследствие их разрушения возникают условия для противотока мелких частиц и неразрушившихся окатышей и увеличения сопротивления проходу газов.

6. Изменение давления газа по высоте зернистого слоя при больших потерях напора носит нелинейный характер, как при ламинарном, так и при турбулентном режиме движения газа. Это обусловлено влиянием давления на плотность, скоросп фильтрации и кинематическую вязкость газа. Получено уравнение, описывающее распределение статического давления по высоте шахты доменной печи. Предложена методика расчета верхнего перепада давления в доменной печи, позволяющая анализировать распределение статического давления по высоте шахты доменной печи при различных условиях загрузки.

7. Разработан, исследован и внедрен способ загрузки доменной печи, обеспечивающий снижение динамического удара шихты за счет

приостановки большого конуса в промежуточном положении на (лзлич-ной высоте при различных системах загрузки. Внедрение разработанного способа загрузки на доменной печи № 2 металлургического комбината "Азовсталь" позволило снизить расход кокса на 3 кг/т чугуна. Экономический эффект от применения разработанного способа составил 60 тыс.руб.

8. Предложен, исследован и внедрен на доменной печи № 3 металлургического комбината "Запорожсгаль" способ загрузки, предусматривающий регулирование массы кокса, подаваемого в осевую зону, за счет изменения хода малого конуса. Реализация способа загрузки в промышленных условиях показала его достаточную эффективность при корректировке радиального распределения шихты и газов.

9. Разработан способ загрузки доменной печи, предусматривающий целенаправленное смешивание, или разделение железорудных материалов и кокса за счет различного хода малого конуса при ссыпании на большой конус разных компонентов доменной шихты.