Введение к работе
Актуальность работы. Анализ современного состояния и перспектив развития производства чугуна показывает, что в ближайшие десятилетия доменные печи будут оставаться основными агрегатами для получения жидкого металла. Главными задачами доменного производства в современных условиях является коренное техническое перевооружение, а также снижение материале— и энергоемкости процесса с целью уменьшения удельного расхода кокса и других материалов.
3 условиях роста полезного объема печей и увеличения количества окатышей в шихте ужесточились условия службы огнеупорной футеровки шахт доменных пєчей.
Существенное изменение режима доменной плавки, и прежде всего параметров комбинированного дутья, вызванное снижением расхода природного газа, вплоть до полного его вывода из дутья, обусловило необходимость проведения дополнительных исследований влияния объективно сложившихся технологических факторов ка характер протекания физико-химических процессов, определяющих условия службы футеровки шахт доменных печей и формирования гарнисажа и настылей.
Отсутствие надежных средств и методов контроля износа кладки и динамики изменения толщины образующегося на ее поверхности гарнисажа /настыли/ не позволяет своевременно принимать технологические меры воздействия на процессы формирования рабочего профиля, а также прогнозировать возможные похолодания пэчи а результате обрывов настылей.
В связи с изложенным, разработка способов контроля рабочего профиля доменных печей, а также технологических приемов его формирования, является своевременной и актуальной.
Оптимизация распределения компонентов шихты по радиусу печи и рациональное формирование окислительных зсн в горне будут спо-
собствовать стабилизации температурного и шлакового режима периферийной области и, следовательно, образованию устойчивого гарни-сажа, снижению скорости износа футеровки, сокращению простоев агрегатов, непроизводительных тепловых потерь и увеличению продолжительности межремонтных периодов, обеспечивая в целом снижение энергоемкости доменного процесса.
Цель работы. Разработка технологических приемов управления процессами формирования гарнисажа. Создание и внедрение в производство системы контроля состояния футеровки, гарнисажа и настылей шахт доменных-печей. Разработка перспективных принципов использования в доменной плавке отходов металлургических производств как гарнисажеобразующих компонентов шихты.
Научная новизна работы.
Исследованы физико-химические свойства периферийного шлака по высоте печи и их связь с механизмом формирования и химсоставої/ гарнисажа и настылей.
Впервые, на основании экспериментальных исследований, выполнена оценка характера изменения температуры газового потока в околофутеровочной области по высоте доменной печи.
Выполнены отборы проб материалов и газов из межфурменных зон действующей доменной печи и установлен характер формирования периферийного шлака при изменении шихтовых условий.
Разработана и испытана в опытно-промышленных условиях система термоэлектродной диагностики состояния огнеупорной футеровки доменных печей. Построены математические модели для расчета износа кладки и толщины образующегося на ее поверхности гарнисажа /настыли/.
Разработана технология совместной утилизации мелкодисперсные отходов металлургии и жидких сталеплавильных шлаков.
Практическая ценность работы:
на основании проведенных исследований разработаны технологические рекомендации по управлению формированием рабочего профиля шахт доменных печей;
в промышленных условиях испытана система диагностики профиля шахты с помощью термоэлектродных блок-датчиков, установленных в футеровке на различных горизонтах по ее высоте. Разработана инструкция по установке и эксплуатации системы на промышленных доменных печах. Выполнен рабочий проект монтажа систе?лы на действующей печи;
разработаны перспективные принципы использования отходов металлургических производств в качестве железофлюса доменной плавки.
На зашиту выносятся-следующие положения:
теплотехнические принципы контроля состояния рабочего профиля доменных печей с помощью термоэлектродных датчиков;
принципы формирования шлакоз околостенной области и гарни-сажа по высоте шахты печи при различных шихтовых условиях;
технологические приемы формирования рационального рабочего профиля шахт доменных печей.
Личный вклад автора диссертации в разработку научных положений и достижение практических результатов заключается з том, что он участвовал в проведении экспериментов на промышленных доменных печах и самостоятельно обобщил их результаты; математически описал характер изменения температуры периферийного газового потока по высоте доменной печи; построил математическую модель для расчета суммарной толщины футеровки и гарнисажа на основании показаний термодатчиков.
Методы исследований. 3 диссертационной работе использованы эксперименты на действующих доменных печах и лабораторных уста-
новках. При исследовании свойств шлаков и гарнисажа использовался химический метод анализа.
Реализация результатов работы в промышленности. Результаты исследований внедрены на доменных печах Днепропетровского металлургического завода им.Петровского.
В результате получена экономия кокса 6,4 кг/т чугуна.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры металлургии чугуна Государственной металлургической академии Украины; на Украинско-Немецком симпозиуме "Замена кокса путем вдувания угольной пыли и использования других энергоносителей в доменном процессе с учетом экологических требований", Донецк, декабрь, 1992 г.; Всеукраин-ской научно-практической конференции "Теория и практика решений экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности", Днепропетровск, апрель, 1993 г.; УШ-й Международной конференции "Теория и практика кислородно-конвертерных процессов", Днепропетровск, октябрь, 1994 г.; Международной научно-технической конференции "Теория и технология аглодсменного производства", Днепропетровск, май, 1995 г.; Ш-м Международном конгрессе доменщиков "Современный опыт и перспективы развития доменного производства", Новокузнецк, июнь, 1995 г.
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 14 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и четырех глав, изложена на 158 страницах, включая 89 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 13 таблиц, 3 приложения, список литературы на 16 страницах из 132 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Степень износа огнеупорной футеровки и состояние рабочего профиля доменных печей оказывают значительное влияние на производственные показатели процесса. В современных условиях значительно возросли нагрузка и степень агрессивного воздействия печкой среды на кладку и гарнисаж. Резкие колебания теплового режима плавки, вызванные низким качеством железорудных материалов и кокса, а также нестабильностью дутьевого режима, усугубляют это воздействие, создавая, к тому же, опасность оползания гарнисажа или настылей и прихода в горн значительных масс неподготовленных слабо-прогретых материалов, что резко ухудшает ход процесса и снижает его технико-экономические показатели.
Технологические, методы воздействия на условия формирования рационального рабочего профиля доменных печей не требуют капитальных и иных значительных затрат и реализуются за счет изменений системы загрузки либо параметров дутьевого режима.
I. ОЦЕНКА ВЗАИМОСВЯЗИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ С УСЛОВИЯМИ СЛУЖБЫ ФУТЕРОВКИ И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ РАБОЧЕГО ПРОШИЛИ ШАХТ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ
Решением проблем обеспечения долговечности работы доменных печей исследователи и производственники занимались на протяжении всего периода развития доменного передела. Особого внимания вопросы стойкости футеровки и охлаждающей арматуры потребовали в последние десятилетия, после перевода агрегатов на работу с повышенным давлением под колошником, в условиях применения зысокона-гретого комбинированного дутья и низкоофлюсованных железорудных
окатышей.
Аналитическая оценка результатов ранее выполненных исследований показала, что износ футеровки, значительно ускорившийся в последние года, является следствием совместного воздействия всех агрессивных факторов печной среды: высоких температур, химического воздействия щелочных соединений и других компонентов шлака, опускающейся шихты и запыленного потока газа.
Критический анализ опубликованных результатов исследований выявил противоречивость мнений и недостаток данных о:
влиянии шихтовых условий на состав и свойства периферийных шлаков и гарнисажа по высоте шахт доменных печей;
причинах ускоренного износа футеровки в условиях роста доли окатышей в шихте;
влиянии изменений дутьевого режима на условия службы футеровки доменных печей.
В ходе анализа средств и методов контроля состояния рабочего профиля печей установлено, что их практическое применение незначительно и ориентировано на получение информации только об износе кладки. Для оценки динамики образования отложений на ее поверхности в темпе с процессом плавки рассмотренные устройства не пригодны.
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ПЕРИФЕРИЙНОЙ , ЗОНЕ ШАХТ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ, И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ИЗНОС ФУТЕРОВКИ И УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГАРНИСАЖА
Были изучены выдувочные профили двух доменных печей - полезным объемом 1033.и 675 м3 завода им.Петровского, что позволило наиболее полно выяснить состояние огнеупорной футеровки, гарнисажа и холодильников к концу межремонтного периода. 3 шихте обеих печей использовались агломерат основностью—1,2 и окатыши ос-новностьго 0,5-0,6 / здесь и далее основность: CaC/SiOg /
Анализ состояния профилей доменных печей после выдувки выполнен на основании визуального осмотра, результатов поучастковои фотосъемки и прямых замеров остаточной толщины футеровки и гарни-сажа. Установлено, что по истечении 4-5 лет эксплуатации печей с использованием в шихте низкоофлгосованных окатышей состояние огнеупорной футеровки оказалось крайне неудовлетворительным. Отсутствие контроля состояния рабочего профиля'в процессе работы печей не позволяло оценить скорость износа футеровки и динамику изменения толщины гарнисажа.
Выполнена сравнительная оценка химического состава проб гарнисажа различной прочности. Установлено, что з формировании прочного гарнисажа активную роль играют соединения Са, Si, AI, Мп. С ростом основности гарнисаяа его прочность увеличивается.
В период капитального ремонта доменная печь была оснащена оборудованием, позволяющим во время кратковременных остановок измерять суммарную толщину футеровки и гарнисаяа в течение всей кампании, а также отбирать пробы гарнисаяа и материалов из околостенной области шахты.
Сравнительные исследования состава и свойств периферийных шлаков и гарнисажа, отобранных в двух периодах работы печи, при содержании окатышей в шихте 55 и 25 %, показали, что при уменьшении доли окатышей произошло увеличение основности шлака и гарнисаяа, а также содержания в них CaO, MgO, AlgOg и МпО. Концентрация щелочных соединений понизилась. Шлаки в околостенком пространстве по всей высоте шахты имели более высокую температуру плавления. Во втором периоде произошло увеличение толщины гарни-сажа на 0,05-0,15 м, вследствие улучшения условий для его образования.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЩИХ В ПЕРИФЕРИЙНОЙ ОБЛАСТИ ГОРНА, С ИЗМЕНЕНИЕМ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ПРОФИЛЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Исследования процессов в горне проводились на доменкой печи полезным объемом 1033 м3, оборудованной исследовательской амбразурой, ось которой расположена в одной горизонтальной плоскости с осью воздушной фурмы, под углом 30 к этой оси. Отбор проб и замер температур выполняли водоохлаждаемым зондом, оснащенным мате-риалоприемниками объемом ~30 см3.
Пробы вязкопластичной составляющей отбирали из горна на расстоянии 0-0,4 м от его стенки, при содержании окатышей в,шихте О, 33 и 56 %.
На основании результатов исследований установлено, что при увеличен!::: в шихте доли низкоосновных окатышей, особенно свыше 50 %, происходит ряд явлений физико-химического характера, отрицательно сказывающихся на стойкости огнеупорной футеровки и процессах формирования гарнисажа:
возрастает доля окатышей в столбе материалов около стен печи;
увеличивается количество жидких продуктов плавки в непосредственной близости от стен нижней части печи;
уменьшается основность и содержание СаО и AL^ в шлаках околофутеровочной области горна доменной пзчи.
В ходе исследований влияния параметров дутьевого режима на условия службы футеровки, включавших отбор проб газа и замер температур по оси воздушной фурмы и исследовательской амбразуры, установлено, что наиболее сильное влияние на температуру газовой фазы периферийной области оказывают изменения температуры и количества дутья. Эти факторы могут быть решающими условиями тем-
пературного режима формирования гарнисажа по всей высоте печи выше горизонта фурм, а также роста настылей в совокупности с изменением качества шихты и количественного соотношения между ее компонентами.
По результатам исследований химсостава настыли выполнен расчет необходимого количества тепла /расхода кокса/ на возмещение энергозатрат в случае ее обрыва и прихода в нижнюю часть печи неподготовленных слабопрогретых масс для предотвращения аварийных ситуаций.
На основании анализа динамики изменения основных технико-экономических показателей доменной плавки на металлургических предприятиях Украины выявлены общие тенденции, характерные для всех отечественных доменных цехов в современных условиях:
- сокращение расхода природного газа, содержания в дутье
кислорода, снижение температуры горячего дутья и удельной произ
водительности агрегатов;
- увеличение удельных расхода кокса и выхода печных газов.
Благоприятной для условий службы футеровки и образования
гарнисажа является подгрузка околостенной области доменной печи агломератом и известняком, при исключении попадания окатышей на периферию. Кроме того, необходимо формирование в горне радиально направленных очагов горения, с удалением области максимальных температур от стен печи. При существующих в настоящее время параметрах дутьевого режима этому может способствовать увеличение кинетической энергии дутья за счет применения воздушных фурм меньшего диаметра.
Любое технологическое воздействие на условия формирования рабочего профиля доменной печи должно осуществляться при наличии сведений о величине износа футеровки и толщине образующихся на ее поверхности гарнисажа либо настылей. Точная информация должна поступать в темпе с процессом плавки, с тем чтобы возможно более точно оценить динамику изменения состояния профиля.
Для контроля износа кладки или величины отложений на ее поверхности наиболее подходящим является использование значений температуры по толщине футеровки, измеряемой с помощью термопар.
Разработана математическая модель, позволяющая рассчитать суммарную толщину кладки и гарнисажа и их соотношение при наличие сведений о:
температуре околостенного газового потока по высоте шахты;
величине коэффициентов теплопроводности материала футеровки и гарнисажа.
Экспериментально определены коеффициенты теплопроводности образцов гарнисажа, отобранных по высоте охлаждаемой части шахты, и их значения заложены в модели.
Эмпирическая формула для определения температуры околостенного газового потока / на каком-либо горизонте печи базируется на экспериментально установленной детерменированной взаимосвязи с температурой периферийных газов / 1п / под защитными плитами колошника в соответствующем секторе и уровнем /п / расположения данного горизонта: > =//І^,/?).
Разработаны алгоритм и программа для расчета на ЭВМ суммарной толщины футеровки по показаниям блока термодатчиков.
Для контроля состояния рабочего профиля печей разработан
термоэлектродный блок-датчик, конструкция которого предусматривает возможность его монтажа в футеровке после задувки печи и завершения термического расширения огнеупоров.
На основе блок-датчиков создана система термоэлектродной диагностики / ТЗД / состояния рабочего профиля шахт доменных печей, предусматривающая монтаж датчиков на нескольких горизонтах по высоте и в нескольких точках по окружности печи на каждом горизонте. Опытно-промышленные испытания выявили высокую эксплуатационную надежность конструкций и узлов системы, а также адекватность положенных в-ее основу математических моделей.
С целью активизации управления процессами формирования рабочего профиля доменной печи выполнены исследования возможности использования отходов металлургических производств, содержащих необходимые шлако-гарнисажеобразующие компоненты. Предложены принципы производства высокоосновного железофласового материала доменной шихты на основе отходов металлургических предприятий с использованием тепловой и химической энергии жидких сталеплавильных шлаков, способствующего образованию прочного защитного гарнисажа. Разработана и испытана технология окускования колошниковой пыли за счет энергии жидкого конвертерного шлака. В результате получен высокоосновный материал с прочной аглсмерато-видной структурой.
овода вывода и рекомендации
І. В условиях беспрецедентного изменения параметров комбинированного дутья и шихтовых условий необходимы качественно иные подходы при рассмотрении технологических возможностей доменных печей и пересмотр критериев оценки этих возможностей как одной из составляющих общей тенденции развития металлургической промышленности Украины.
2. Исследование выдувочных профилей двух доменных печей по
казало, что износ кладки охлаждаемой части шахты к концу межре-
монтного периода достигает крайней степени.
3. Экспериментальные исследования процессов шлакообразова
ния по высоте шахты и в горне свидетельствуют, что увеличение в
шихте доли окатышей основность^ 0,5-0,6 приводит к активизации
негативного воздействия шлака на футеровку вследствие изменения
химического состава и свойств шлаков по высоте печи:
уменьшается основность и содержание в составе шлака СаО и А1203;
увеличивается содержание щелочных соединений;
снижается температура начала плавления шлаков.
4. Выполнены исследования химсостава и свойств рабочей пове
рхности гарнисажа действующей доменной печи при изменении доли
окатышей в шихте. Сопоставительный анализ состава гарнисажа и пе
риферийного шлака выявил их тесную взаимосвязь.
Установлено, что при увеличении в шихте доли низкоосновных окатышей происходит ухудшение устойчивости гарнисажа против агрессивных факторов печной среды и уменьшение его толщины вследствие:
понижения основности и содержания в гарнисаже СаО и А^Од
роста концентрации щелочных соединений;
снижения температуры начала плавления.
5. Экспериментальными исследованиями процессов в горне печи
установлено, что при увеличении содержания в шихте окатыщей от С
до 55 %:
возрастает количество железорудной части шихты в столбе материалов около стен печи, вследствие сглаживания рудного гребня;
увеличивается количество жидких продуктов плавки в пери-
ферийной зоне нижней части печи, что осложняет условия службы огнеупоров.
6. При увеличении в шихте доли низкоосновных окатышей улуч
шению условий формирования защитного гарнисажа будут способство
вать :
подгрузка околостенного пространства агломератом и известняком;
периодические промывки печи для предотвращения чрезмерного наращивания гарнисажа и снижения концентрации щелочей в печном пространстве путем загрузки железной руды и прокатной окалины в околостенное пространство первым рудным скипом, а известняка - вторым рудным скипом в промежуточную и центральную зоны колошника;
ровный сход шихты -без подвисаний и осадок;
поддержание концентрации GOg на периферии колошника при нормальной работе печи не менее 13-15 % и снижение температуры у стен до 500-600 С;
формирование в горне очагов горения радиального типа за счет уменьшения диаметра воздушных фурм;
введение в шихту не более 50 % окатышей основностью 0,5--0,6 в случае проявления тенденций к ускоренному износу футеровки;
применение в шихте окатышей основностью 1,0-1,2.
-
Разработано устройство и на его основе - комплексная система тертлоэлектродной диагностики состояния футеровки, гарниса-жа и настылей шахт доменных печей.
-
Впервые выполнена оценка характера изменения температуры газов около стен по высоте доменной печи на основе разработанной эмпирической формулы.
-
Разработаны принципы и проведены испытания технологии
утилизации мелкодисперсных отходов металлургических производств с использованием физического тепла жидких сталеплавильных шлаков с целью получения кускового железофлюса для доменной плавки.