Совершенствование работы и конструкции горна доменной печи большой мощности с целью повышения эффективности плавки Дик Марк Иосифович

Содержание к диссертации

Введение

1. Оценка условии работы горна доменной печи большой мощности

1.1. Анализ современных представлений о теплооб- менных процессах в горне доменной печи большой мощности . 8

1.2. Анализ современных представлений о массооб- менных процессах в горне доменных печей большой мощности 14

1.3. Анализ современных представлений о формиро вании профиля нижней части доменной печи 18

2. Исследование температурного поля и теплового состояния торна в современных условиях доменной плавки

2.1. Методика исследования температур жидких фаз на выпусках чугуна из доменной печи полезным объемом 5034 м3 26

2.1.1. Результаты исследования температур жидких продуктов плавки 27

2.2. Исследование причин образования малопластичных масс в центре горна 30

2.3. Исследование температурного поля горна доменной печи методом ЭГДА 36

2.3.1. Методика исследовашя температурного поля горна 37

2.3.2. Описание установки и методика исследова ния температурных полей в нижней части доменной печи 39

2.3.3. Результаты исследования температурного поля горна доменной печи 42

2.4. Метод регулирования теплового стока в горне доменной печи большого объема 43

3. Исследование процесса истечения жидких фаз из горна доменной печи большой мощности

3.1. Оценка взаимосвязи числа и массы выпусков чугуна с высотой жидких фаз в горне . 52

3.2. Взаимосвязь потерь напора в канале чугунной летки с напором жидких фаз в горне перед выпуском чугуна 61

3.3. Взаимосвязь потерь напора в горне с закономерностями теории фильтрации 64

3.4. Оптимизация гидродинамических параметров нижней части доменной печи № 9 КМЗ с целью улучшения технико-экономических показателей плавки 69

4. О взаимосвязи поля давлений в объеме жидких фаз с тепло и массообменшми процессами и конструкцией нижней части доменной печи

4.1. Анализ взаимосвязи высоты горна с условиями накопления и истечения жидких фаз через канал чугунной летки 76

4.2. Взаимодействие жидких фаз во время выпуска с лещадью доменной печи 82

4.3. Исследование взаимосвязи теплосъема холодильников верхней лещади с горением воздушных фурм 94

4.4. Влияние отдельных компонентов промывочных шихт на состояние гарниссажа в горне 97

4.5. Использование плавикового шпата при задувке доменной печи в июне 1980 г 105

Выводы 109

Заключение 112

Литература 115

Приложение 125

• Анализ современных представлений о массооб- менных процессах в горне доменных печей большой мощности
• Исследование причин образования малопластичных масс в центре горна
• Взаимосвязь потерь напора в канале чугунной летки с напором жидких фаз в горне перед выпуском чугуна
• Взаимодействие жидких фаз во время выпуска с лещадью доменной печи

Введение к работе

В "Основных направлениях экономического и социального развития на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года" записано, что "повышение в оптимальных пределах единичной мощности машин и оборудования при одновременном уменьшении и снижении стоимости на единицу конечного полезного эффекта является одной из главных задач пятилетки".

Решение поставленных задач в черной металлургии осуществляется за счет наращивания производства металла путем реконструкции действующих и строительства новых мощностей.

За годы 9-Ю пятилеток введены в эксплуатацию доменные печи большой единичной мощности, среди них крупнейшая дсмен-ная печь полезным объемом 5000 м . В II пятилетке будет введе-на в эксплуатацию доменная печь полезным объемом 5500 м .

В условиях увеличения объема и поперечных размеров печай возросло значение совершенствования технологии доменной плавки. Наряду с улучшением использования комбинированного дутья высоких параметров, оптимизацией процессов в противоточной зоне печи, повышением эффективности использования тепловой и химической энергии продуктов горения кокса и углеводородных добавок, особое значение приобретают исследования полей температур и давлений в горне доменной печи, их взаимосвязи с процессом истечения продуктов плавки. Такие исследования позволяют усовершенствовать режим работы и конструкцию горна доменной печи.

Актуальность работы. Эффективное использование сверхмощных доменных печей, снижение их энергопотребления, уменьшение себестоимости чугуна, является одной из главных задач, стоящих перед доменщиками в пятилетке. Особенно актуальными и малоизученными являются вопросы, связанные с протеканием процессов в горне доменной печи.

Малоизученноеть процессов, происходящих в нижней части печи, объясняется сложностью организации экспериментальных исследований из-за труднодоступноети и высокой агрессивности среды. В то же время, как показывают советские и зарубежные исследования, при увеличении объема доменных печей, зоной, лимитирующей работу печи является "НИЗ".

При сохранении традиционного, преимущественно периферийного, газораспределения в центральных зонах столба шихты печей большого объема удельное соотношение масс ( газ-рудный материал ) может достигать критического уровня, что приводит к возникновению в центре горна объема малопластичных масс ( то-термана ). Возникновение в центре горна объема малопластичных масс изменяет температурное поле в горне, сокращает его рабочий объем и приводит к несоответствию между производительностью доменной печи по "верху" и "низу", выражающееся в горении воздушных фурм, перерасходе кокса.

Характер протекания тепло- и массообменных процессов в горне, заплечиках и распаре в конечном счете определяют производительность и экономичность работы агрегата. Кроме того, процессы в горне определяют длительность кампании печи, надежность работы основных элементов конструкции, безопасность обслуживающего персонала.

Цель работы. Повышение эффективности плавки в доменных печах большого объема, путем разработки технологии плавки, обеспечивающей эффективную работу "низа" печи, совершенствование элементов конструкции горна.

Достижение поставленной цели осуществлялось путем последовательного решения следующих задач :

- анализ формирования и разработка методов управления температурным полем горна доменной печи большой мощности;

- изучение массооогяена в горне и режиме отработки жидких продуктов плавки;

- выбор профиля лещади и высоты горна доменной печи большой единичной мощности на основе рассмотрения поля давлений в объеме жидких фаз;

- исследование взаимосвязи теплосъема холодильников верхней лещади с горением воздушных фурм в печах большого объема.

Научная новизна. Определено влияние температурно-тепло-вой работы горна доменной печи большой мощности на формирование температурного поля теплового стока в центральной зоне печи. Изучены условия возникновения объема малопластичных масс. Установлена взаимосвязь числа и массы выпусков чугуна с размерами горна, влияние поля давлений в объеме жидких фаз и хода тепло-и массообменных процессов на рабочий профиль лещади, зависимость чистоты и характера горения воздушных фурм от величины теплосъема с холодильников верхней части лещади.

Практическая значимость работы

Разработаны: мероприятия, исключающие образования в центре горна объема малопластичных масс; оптимальный режим отработки жидких продуктов плавки, обеспечивающих рациональное использование объема горна, технология доменной плавки с использованием плавикового шпата, улучшающая дренажную способность горна при его "загромождениях". Предложена конструкция лещади доменной печи.

Реализация работы. На доменной печи объемом 5000 м3 внедрена технология плавки с использованием плавикового шпата. По результатам исследований разработано дополнение к инструкции по производству чугуна в доменном цехе № 2 завода "Криворожсталь" им.В.И.Ленина. Годовой экономический эффект от внедрения 149,2 тыс.руолей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных коллоквиумах лаборатории № 3 института металлургии им.А.А.Байкова; на Всесоюзном совещании доменщиков в 1977 году / г.Днепропетровск /; научных семинарах кафедр чугуна Днепродзержинского индустриального и Днепропетровского металлургического институтов; на научно-технических конференциях Череповецкого и Криворожского металлургических заводов.

Публикация. Содержание диссертационной работы опубликовано в 5 статьях. Результаты исследований защищены авторским свидетельством.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, приложения и списка литературы, изложена на 130 страницах, включая 89 страниц машинописного текста, 23 рисунка, 18 таблиц, 2 приложения и список литературы из 104 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Работа проводилась в доменном цехе № 2 завода "Криворожсталь" им .В. И.Ленина.  

Анализ современных представлений о массооб- менных процессах в горне доменных печей большой мощности

Сущность массообменных процессов в горне определяется условиями накопления и истечения жидких фаз. Процесс накопления чугуна в шлака тесно связан температурно-тепловыми условиями в рабочем объеме горна, а истечение жидких фаз во время выпуска определяется гидродинамическими условиями, сложившимися в нижней части доменной печи.

Вопросами накопления жидких фаз в горне занимались многие исследователи / 3,1; 3.5; 3.19; 3.20; 3.24; 3.25; 3.29; 4.2 ; 4.8; 4.10; 4Д4; 4,21; 4.32; 4.33; 4.34 /. Эвристически принимая ту или иную модель заполнения горна, эти исследователи приходили к выводу, что в процессе накопления жидкие фазы размещаются в межкусковом объеме кокса. Определяя объем жидких фаз на выпуске чугуна и шлака, эти исследователи предполагали, что возможен подъем столба кокса в горне за счет выталкивающей силы, создаваемой чугуном на лещади. Увеличение рабочего объема горна, занимаемого жидкими фазами, по мнению И.Г.Половченко / 4.38 / происходит за счет вытеснения в зоны горения кокса, расположенного ниже воздушных фурм. Такой механизм накопления жидких фаз в горне между выпусками для доменных печей с одной чугунной леткой и выпуском "верхнего" шлака до некоторой степени объяснил цикличность работы доменных печей, замедление схода шихты перед вскрытием чугунной летки и некоторую форси-ровку в конце выпуска чугуна; в этом режиме горн доменных печей с одной чугунной леткой работал до 80 % календарного времени.

Современные доменные печи, оборудованные несколькими чугунными летками, имеют другой режим накопления жидких фаз в горне. Время выпуска жидких фаз через чугунные летки в печах большого объема составляет более 80 % календарного времени и может достигать 100 % ( непрерывный выпуск ). Накапливающиеся в горне огромные массы жидких продуктов плавки не могут не оказывать существенного влияния на работу доменных печей большого объема. Тем не менее формирование режима накопления и отработки жидких продуктов плавки часто происходит стихийно под давлением складывающихся обстоятельств или, в лучшем случае, на основе опыта, приобретенного при эксплуатации печей значительно меньшего объема. Влесте с тем практика работы доменных печей большого объема обнаружила вредность такой неопределенности в формировании режима отработки жидких продуктов плавки, приводящей к последствиям, резко ухудшающим рабочее состояние горна.

Вопросами массоосмена в горне занимался ряд исследователей / 4.2; 3.18; 3.20; 4.2 /. С помощью радиоактивных изотопов / 4.4 / определяли скорость перемещения чугуна из различных областей горна к чугунной летке. Н.Н.Бабарыкин / 3.1 / определил, что наибольшая скорость жидких фаз наблюдается у входа в канал чугунной летки. Некоторые исследователи / 4.45/ указывают на незавершенность массообменных _ , процессов , отмечая, что в печи после выпуска остается 10 - 16 % чугуна. Имеются отдельные исследования / 4.22; 4.20 /, согласно которым имеют место разные варианты течений чугуна во время выпуска, - "нижнего" ( ниже оси чугунной летки ) и "верхнего" ( выше оси чугунной летки ) /3.6 /.

Шесте с тем отмечено, что движение жидких фаз в горне доменной печи подчиняется определенным закономерностям. На плоских гидравлических моделях установлено / 3.5 /, что во время выпуска жидкие продукты плавки движутся по строго определенным траекториям из области как ниже, так и выше чугунной летки. На электроинтеграторе исследована / 3.25 / локальная область движения чугуна в горне практически ниже оси чугунной летки ( область "чистого" чугуна ). Органическим недостатком проведенных работ является локальность исследований, объясняемая трудностью прямого зондирования горна по высоте от оси воздушных фурм до оси чугунных леток.

Отсутствие общей теории массообмена в горне, учитывающей сопротивление кокса, канала чугунной летки и других физических параметров процесса, ограничивает возможности управления работой доменной печи большой мощности. На существующем уровне развития техники теория массообмена может быть создана на основе энергетического баланса системы с учетом потерь напора при работе горна в режиме выпуска жидких фаз. Расход энергии на преодоление сопротивлений течению жидких фаз в канале летки может быть определен законами Бернулли, а течение жидких фаз в объеме горна во время выпуска - методами и средствами теории фильтрации.

Процесс истечения жидких фаз из горна связан параметрами, учитывающими общую геометрию горна, содержание в нем жидких фаз, порозность кокса в горне, давление горячего дутья. Эти параметры определяют собой начальные условия и свойства, характеризующие горн как фильтрационную систему. Из теории фильтрации / 3.34 / известно, что течение, многокомпонентной жидкости является одним из трудных и относительно малоизученных вопросов механики сплошных сред. При движении чугуна в объеме гор dLP на в каждой фазе образуется градиент давления, - -т ,где х - направление движения каждой фазы. Каждый компонент жидкой фазы в горне находится под действием элементарной объемной силы й- dv . Так как вязкость и плотность чугуна и шлака различны, то их элементарные объемы движутся с неодинаковыми скоростями. Совместное течение чугуна и шлака к чугунной летке во многом определяется их распределением в объеме горна. При получении интегральных характеристик потока -расходов и скоростей - действительные скорости чугуна и шлака могут отличаться от их средних значений.

Согласно / 3.34 / действительный поток жидких фаз в горне можно заменить фиктивным, или движение двухфазной жидкости рассматривать как однофазной. Это положение подтверждается тем, что при малых ( позвуковых ) скоростях, скорости движения чугуна и шлака связаны соотношением вязкостей. Следовательно, при вязкости шлака /3.35 / равной вязкости чугуна можно рассматривать движение чугуна и шлака в горне как движение однокомпонентной жидкости. Решение гидродинамической задачи течения жидких фаз включает в себя понятие об источниках и стоках. Эта задача тесно связана с основной проблемой теории фильтрации - расчетом притока к одной или группе скважин / 3.34 /. В практической постановке рассматривается задача о притоке жидкости к одиночной скважине, т.к. к чугунной летке. Формализуя задачу о притоке жидких фаз к чугунной летке, принимаем, что на уровень воздушных фурм в процессе выпуска поступает "П" тонн чугуна и шлака ( минутная производительность

Исследование причин образования малопластичных масс в центре горна

Температура на поверхности объема малопластичных масс всегда равна температуре плавления і ПА окружающих его жидких фаз. При увеличений теплового потока на поверхность малопластичных масс ( в случае повышения температуры расплава Tnip ) и сохранении температурных условий на границе раздела фаз, толщина объема масс будет уменьшаться и при повышении температуры в центре горна Ти, до уровня Тпл малопластичные массы здесь должны исчезнуть.

В соответствии с законами сохранения энергии и конвективного теплообмена, при граничных условиях третьего рода, тепловой поток в горне Ц, , может быть описан уравнением: (Х - суммарный коэффициент теплоотдачи ( конвекцией илучеиспусканием ) от жидких фаз к объему мало-пластичных масс, вт/мл град Л - коэффициент теплопроводности в объеме малопластичных масс, вт/м.град 6 - толщина малопластичных масс, м. Первая часть равенства ( 2.3 ) выражает сложную теплопередачу от расплава к стенке объема малопластичных масс, вторая - теплопередачу от стенки к центру этого объема. Из условий существования малопластичных масс в центральной части горна их протяженность можно рассчитать по формуле :

В практических условиях трудно найти связь между 17м и Тмр и, следовательно, величиной перегрева (Тир - Тпл ). По опыту работы гарниссажных печей / 3.27 / и оценочным расчетам для условий горна догленной печи удельный тепловой поток на поверхность объема малопластичных масс может составлять I х Ю4 - 2 х ICr Дж/сек.м . Используя данные по температурам плавления жидких фаз в горне / 3.12 / можно принять Тпл равной 1400 С. Значения температур жидких продуктов плавки ( І п э ) в современных форсированно работающих печах составляет 1450 4- 1550 С.

По данным / 3.27 / коэффициенты теплопроводности Д для гарниссажей металлургических печей изменяются в интервале І -І- 10 Вт/м.град., а для расплавов, насыщенных твердым коксом, могут достигать 25 - 33 Вт/м.град., а коэффициента теплоотдачи s для жидких фаз от 200 - 250 Вт/м град и до 1000 Вт/м для газообразных продуктов.

Поэтому уменьшение теплового потока способствует "затопление" объема малопластичных масс жидкими фазами. Учитывая, что величина -Л на один - два порядка ниже #s. , размер образовавшихся малопластичных масс, согласно уравнению ( 2.4 ), зависит, главным образом, от соотношения температурР/тпл наиболее благоприятны условия, когдатемпература жидких продуктов плавки и плавления близки другдругу ( /Тпл 1 и /Тщ 4 I. При пос тоянном удельном тепловом потоке под влиянием гидродинамических процессов в горне только за счет изменения коэффициента теплопроводности Л величина о может изменяться на порядок от 0,3 до 3 м., а площадь горна, занятая малопластичны рми массами, может достигать 30 м . Практическими замерами,произведенными во время ремонта П разряда доменной печи № 9 КМЗ , загроможденная площадь горна по разным сечениям колеба-лась от 30 до 60 м .

Используя приближенные методы расчета затвердевания при наличии фазовых превращений без изменения химического состава фаз /3.9, гл.У /, произведены расчеты возможной длительности образования малопластичных масс в центре горна до-менной печи объемом 5034 ми по аналогии с затвердиванием цилиндрического стального слитка в изложнице. При нормальных условиях жидкие продукты плавки с температурой Тм свободно фильтруются в слое кокса, заполняющего горн. Допустим, что в интенсивно работающем периферийном кольце горна температура жидких продуктов плавки резко снижается до уровня ( lw\ - 50 ) или ( пр - 100 ) и остается на этом уровне ( ниже Th/i ) в течение всего периода затвердевания центральной части горна. Учитывая, в соответствии с практикой, что такое "тепловое расстройство хода" может длиться не свыше 2-4 суток ( 50 - 100 часов ), то за этот период в центре горна может образоваться уплотнительное кольцо наружным радиусом R , шириной S =1.1- 1,5 м при ( / RM ) = 0,3 - 0,4. Для последующего расплава этого кольца малопластичных масс при повышении температуры не менее чем до (Тпл + 50 ) или ( Тпл + ЮО ) потребуется 290 - 540 часов, т.е. 12 - 22 суток ( рис.2.2 ). Такая продолжительность "горячего хода" равнозначна переводу печи на выплавку низких марок литейных чугунов, что в реальных условиях не всегда возможно осуществить. Поэтому однажды возникшие в центральной зоне горна уплотненные массы могут весьма длительное время сохраняться, при этом необязательно осевая зона горна должна быть полностью отвердевшей, материалы и продукты плавки могут перемещаться с замедленными скоростями.

Согласно этим же ориентировочным расчетам в доменной печи объемом 1000 м3 центральная часть горна радиусом 1,5 м требует для своего полного затвердевания ( при сохранении в центре горна ( Ти, Ты ) примерно 200 часов (8-9 суток ) работы с пониженным нагревом горна; столько же времени требуется и для возвращения горну нормального состояния при разогреве о температурой жидких продуктов ( Тпл + 50 ).

Таким образом, в печах малого объема чередование кратковременных процессов похолодания и разогрева горна не приводят к созданию в нем долговременных образований малопластичных масс.

Принимая во внимание неизбежную неравномерность работы фурм и тепловыделения по периферии горна очевидно, что в горне большого диаметра возникшие малопластичные массы могут иметь форду кольца различной толщины по окружности или даже в виде разрозненных элементов ( сегментов ) кольца в центральной зоне горна, существенно влияя на сегрегацию и фильтрацию жидких продуктов в объеме горна и последующий выпуск их из печи.

Взаимосвязь потерь напора в канале чугунной летки с напором жидких фаз в горне перед выпуском чугуна

Высокоинтенсивная работа доменной печи должна обеспечиваться не только правильно организованной работой по режиму накопления жидких фаз в горне перед выпуском, но и достаточно развитыми массообменными процессами во время выпуска чугуна и шлака через канал чугунной летки.

Массообменные процессы в горне во время выпуска чугуна и шлака осуществляются под действием сил, приложенных к жидким фазам в нижней части доменной печи. Движение чугуна и шлака в горне во время выпуска происходит под действием давления " РобЧц " и является суммой давлений жидкой и газовой фаз.

Характер движения жидких фаз во время выпуска чугуна обусловлен потерями напора в горне " Иг " и в чугунной летке " hyi ", а сумма потерь напора определяется по форлуле :

Потери напора в чугунной летке " Ид »» определяются на основе следующих соображений. Поскольку коэффициент кинематической вязкости чугуна в условиях горна доменной печи меняется незначительно и близок по абсолютной величине коэффициенту кинематической вязкости воды / 3.36 /, а вязкость хорошо подвижных шлаков близка по величине вязкости чугунов, можно для определения потерь напора в канале чугунном летки " Ид « с достаточной степенью точности использовать соотношение :где Ы - потеря напора воды в керамическом трубопроводе, м; Гб - объемный вес воды, т/м3 ;

Используя данные о движении воды в напорном трубопроводе / 3.26 /, определим потери напора в чугунной летке " ftji " в соответствии с законами Бернуллигде Ь - длина летки, м;о(. - угол наклона чугунной летки, град; О - ускорение силы тяжести, м/сек .

Средняя линейная скорость истечения жидких фаз через канал чугунной летки W = r 2 , м3/мин; сумма сопротивлений на участке канала чугунной летки диаметром " d ", м определяется сопротивлением на выходе и по его длине L ,м.

На выпуске чугуна происходит свободное истечение струи жидких фаз из летки, для которого W)C = I; коэффициент гидравлического сопротивления можно вычислить по формуле J = i24,b h2b):3\fcP3

Из уравнения ( 3.8 ) следует, что наибольшее влияние на потери напора в канале летки " hn " оказывает диаметр канала и скорость истечения жидких фаз. На рис.3.2 показана зависимость потерь напора в чугунной летке от массы выпуска, времени истечения жидких фаз и диаметра летки, вычисленные по формуле ( 3.8 ). Из рисунка 3.2 следует, что величина потерь напора " Пл п является прежде всего, функцией усредненной скорости истечения жидких фаз через канал чугунной летки. В свою очередь величина скорости уменьшается при сокращении числа выпусков, так как при этом возрастает суммарное время истечения жидких фаз. В условиях роста производительности печи сохранить постоянство потерь напора в чугунной летке п кл " можно либо путем увеличения ее диаметра, либо сокращением числа выпусков, т.е. увеличением массы единичного выпуска.

Количественная оценка режима течения жидких фаз в объеме горна может быть произведена методами и средствами теории фильтрации. Применение закономерностей фильтрации к процессам, происходящим в горне доменной печи, возможно на основании критической скорости фильтрации / З.П / :

При порозности кокса в горне m = 0,35 - 0,40 и диаметре кусков кокса сік = 2 - 3 см; кинематической вязкостичугуна 2 = 0,0018 - - , эквивалентной вязкости воды иR p = 60 ( число, эквивалентное числу Рейнолдса ), критическая скорость фильтрации в горне составляетVKP = 3,5 Ю-4 -М-. Фактические скорости фильтрации ЕИДКИХфаз в горне, при скорости истечения чугуна W = 12 т/мин, периметре поверхности фильтрации и ее высоте hr = 3,9 м, для доменной печи № 9 KB составляет\/кр.ср= ( 2,2 4 2,8 ) 10 сік » т,е течение жидких фазподчиняется закономерностям фильтрации.

Согласно общим закономерностям теории фильтрации /3.31 ; 3.34 / площадь сечения потока ЕИДКИХ фаз к чугунной летке равно П-х-с , а ордината пьезометрической линии S-S ( линии изменения напора в горне в процессе выпуска жидких фаз ) равна 2 ( рис.3.3 ).

При У = -==- длина каждой дуги, оконтуривающей поверхностифильтрации, составляет I— 0,01745 - , гдеd = 90 - центральный угол / 3.4 / ( при 4-х чугунныхлетках ), а длина дуг примерно равна зО . f т#е#длине основания полуцилиндра, радиусом z . При градиен-те напора j - объемный поток ЕИДКИХ фаз к чугунной летке равен /3.31 /,V-KfW , м3/сек (3.10)где К - коэффициент фильтрации, учитывающий плотность и вязкость жидких фаз, а также порозность кокса в Интегрирование по оси " X " произведено в пределах от радиуса канала чугунной летки " 2 « до радиуса влияния " Rk ".За пределами этого радиуса влияния чугунной летки ( оконтуривающую часть объема горна, из которого осуществляется приток жидких фаз к чугунной летке ) движение жидких фаз не происходит. При интегрировании по оси " " учтено, что часть общего напора " И " реализуется в канале чугунной летки и 2 = Н- =Иг . Коэффициент фильтрации " К " по аналогии с водой, движущейся в пористой среде, определяется предельными условиями течения жидких фаз в горне

Взаимодействие жидких фаз во время выпуска с лещадью доменной печи

Влияние высоты "мертвого слоя" на стойкость лещади, а вследствие этого на длительность компании печи общеизвестно. Однако до настоящего времени не разработаны достаточно обоснованные рекомендации для выбора высоты мертвого слоя и профиля лещади доменной печи. Вопрос выбора оптимальной формы и конструкции лещади доменной печи рассматривался, например, в работах / 4.17, 4,7, 4.39 /. Доказано, что разрушение лещади происходит в результате термического расширения, химического воздействия и зависит от качества ее первоначального изготовления. При постоянной выплавке одной и той же марки чугуна температура в горне и состав шлаков практически постоянны и в этих условиях интенсивность разрушения лещади определяется не столько терлохимическими воздействиями, сколько механическими нагрузками, создаваемыми жидкими фазами и горновыми газами. Наиболее напряженными, с точки зрения изменения нагрузок в горне, являются переходные режимы, относящиеся ко времени выпусков жидких фаз через чугунную летку, когда происходит изменение не только абсолютных величин нагрузок, но меняется направление и место приложения их по отношению к оси печи. Доменные печи, оборудованные несколькими чугунными летками, работают в переходном режиме 60 - 70 % календарного времени, частота вскрытия чугунных леток составляет 17 и более раз в сутки и в этих условиях переходный режим становится основным режимом работы горна. Для определения нагрузок в переходном режиме также использовали метод ЭГдА / 3.II /. В соответствии с теорией моделирование выполняли при соблюдении следующих краевых условий : 1. Плоское гидродинамическое поле в горне исследовали по оси чугунной летки, то-есть в наиболее напряженном элементе ; 2. Электрическая модель была геометрически подобна гидродинамическому образцу ( выбранный масштаб моделирования I : 50 для горна доменной печи объемом 5034 м3 ); 3. Граничное распределение потенциалов в электрической модели было подобно краевому распределению нагрузок ( напоров) в гидродинамическом образце. В основу создания модели положены следующие допущения : а) вся нагрузка от веса жидких фаз и давления горячих газов в горне воспринимается стенками горна и лещадью ; вес столба шихтовых материалов выше оси воздушных фурл уравновеши вается восходящими газовыми потоками ; б) жидкие фазы в горне перед выпуском распределены слоя ми ; в центре горна отсутствуют объемы малопластичных масс ; в) проводимость сред в модели выбрана с учетом различия в объемных весах слоев чугуна и шлака. Принципиальная схема установки ЭГДА и расположение жидких фаз в горне, принятое при моделировании, показано на рисунке 4.3. В исследовании применили электрическую модель на плоской токопроводящей графитйзированной бумаге. Задание граничных условий производили с помощью сплава Вуда. Исследование полей нагрузок в горне провели в условиях горна, заполненного ЖИДКИМИ фазами, при работе одной и двух чугунных леток. Для составления эпюры нагрузок в переходном режиме ис D пользовали данные о работе печи полезным объемом 5034 м с суточной производительностью 8793 - 10280 т ( таблица 4.2 ). Моделирование производили с использованием понятия "напор", для вычисления которого суммировали давление жидких фаз и фурменных газов в объеме горна. Раосчетные гидродошаглические показатели работы горна приведены в таблице 3.4. Из данных таблицы 3.4 следует, что в горне перед выпуском возникает напор ЦР , достигающий 10,51 - 11,5 м. Общий напор в горне в процессе выпуска уменьшается на величину по терь hyj , затрачиваемых при движении жидких фаз через чугунную летку. Предельным состоянием горна по напорам является момент, в который горновые газы начинают продувать через чугунную летку в конце выпуска. В установившемся режиме движения жидких фаз во время выпуска потери напора в канале чугунной летки составляют 33,4 - 40,5 % от величины общего напора в горне. При моделировании принято, что 40 % потерь напора приходится на чугунную летку; максимальная нагрузка на I метр длины по диаметру горна составляет Нр Дг = 723 т, где Дп - диаметр горна, м; Xip = 43262 н/м3 -средний вес жидких фаз в горне при выходе шлака дш = 0,385 т/т.чугуна На рис.4.4 приведены эпюры нагрузок на лещадь после вскрытия одной ( а ) или одновременно двух ( б ) чугунных леток ( нагрузки на лещадь в переходном режиме определяли графически по площадям эпюр рис.4.4 ). При вскрытии одной чугунной летки ( рис.4.4 а ) нагрузка на лещадь перераспределяется, по отношению к статической, и равнодействующая этой нагрузки Р оказывается приложенной эксцентрично к оси доменной печи. Результирующая сила Р, определенная путем нахождения центра тяжести массы жидких фаз, движущихся к чугунной летке, нормально направлена к линии, соединяющей центры тяжести отдельных элементов эпюры. При выпуске жидких фаз одновременно через две чугунные летки на лещадь действуют две силы Р ( рис.4.4 б ). Если в первом ( а ) случае нагрузка на лещадь составляет 665 10 кг, то во втором ( б ) случае она не превыша