Содержание к диссертации
Введение
1. Взаимодействие потоков шихты и газа в доменной печи 16
1.1. Силовое взаимодействие потоков шихты и газа 16
1.2. Определяющее значение верха печи 24
1.3. Определяющее значение низа печи 30
1.4. Роль теплообмена по высоте и сечению 32
1.5. Зональные тепловые балансы 38
1.6. Особенности процесса восстановления в доменной печи 48
1.7. Особенности неустановившегося хода процессов ...53
Выводы 60
2. Предельная степень использования газа-восстановителя в доменной печи 64
2.1. Восстановление монооксидом углерода и водородом 64
2.2. Восстановление железа из оксидов углеродом и его монооксидом в процессе, обеспеченном теплом 72
2.3. Восстановление продуктами конверсии природного газа в процессе, обеспеченном теплом 82
2.4. Восстановление углеродом, его моноокеидом и продуктами конверсии природного газа в процессе, обеспеченном теплом 84
2.5. Снижение окисленности железа углеродом и его монооксидом с обеспечением процесса теплом 89
2.6. Восстановление углеродом, его монооксидом и продуктами конверсии природного газа с обеспечением процесса теплом 102
2.7. Восстановление в условиях доменной плавки, 105
Выводы 114
3. Оценка состояния шихты в доменной печи 117
3.1. Коэффициент сопротивления шихты движению газа и характер зависимости потерь напора от скорости газа 117
3.2. Ровность схода шихты в сопоставлении с динамическим напором газа 124
3.3. Продолжительность схода подач в период выпуска продуктов плавки через чугунную лётку 128
Выводы 134
4. Воздействие на доменный процесс режимом загрузки 136
4.1 Самопроизвольное перераспределение материалов и газов в доменной печи 136
4.2. Повышение загруженности периферийной и центральной зон 142
4.3. Создание неравномерного распределения материалов по сечению 144
4.4. Повышение загруженности периферии с изменением уровня засыпи 147
4.5. Работа доменной печи с циклическим изменением уровня засьши .149
4.6. Смешивание железорудного сырья с коксом 152
4.7. Исследование четырёхпрограммного режима загрузки 160
4.8. Чередование работы ВРШ последовательно по станциям с режимом "зеркальной" загрузки 166
4.9. Реверсивный режим работы ВРЩ 172
4.10. Испытание обратного вращения распределителя шихты 176
Выводы 178
5. Воздействие на доменный процесс параметрами дутья 181
5.1. Особенности методики исследований 181
5.2. Расход природного газа 183
5.3. Обогащение дутья кислородом 188
5.4. Повышение температуры дутья 191
5.5. Повышение расхода природного газа совместно с увеличением нагрева дутья 198
5.6. Повышение расхода природного газа с дополнительным обогащением дутья кислородом 201
5.7. Управление окружным распределением дутья 206
5.8. Использование средств организации доменного процесса 209
Выводы 217
6. Энерго- и ресурсосбережение при использовании офлюсованных и неофлюсованных окатышей 219
6.1. Коэффициент сопротивления шихты и динамически напор газа по высоте доменной печи 219
6.2. Материальные и тепловые балансы плавок агломерата и окатышей 224
6.3. Работа доменных печей 227
6.4. Действие технологических мероприятий на результаты доменной плавки 230
6.5. Выплавка малосернистого чугуна 234
6.6. Механизм формирования гарнисажа в противоточной зоне доменной печи 237
6.7. Технологические мероприятия по повышению стойкости футеровки в противоточной зоне печи при работе с использованием неофлюсованных окатышей 241
Выводы 243
7. Улучшение работы доменной печи перераспределением в ней силового взаимодействия потока шихты с газом 247
7.1. Возможности организации работы доменной печи с повышенным перепадом давления газа 247
7.2. Работа доменных печей с повышенным общим перепадом давления газа 252
7.3. Особенности доменной плавки на коксе, произведенном с использованием нефтекоксовой мелочи в угольной шихте 256
7.4. Особенности технологии доменной плавки на коксе, полученном с использованием углей Нерюнгринского месторождения 260
7.5. Расчёт ожидаемых показателей доменной плавки при изменении условий работы 265
7.5.1. Определение удельного расхода кокса и производительности...266
7.5.2. Расчёт расхода и давления дутья 267
7.5.3. Расчёт степени прямого восстановления 271
7.5.4. Показатели доменной плавки 273
Выводы 276
Заключение 279
Список использованных источников 283
Приложения 305
- Особенности процесса восстановления в доменной печи
- Восстановление железа из оксидов углеродом и его монооксидом в процессе, обеспеченном теплом
- Работа доменной печи с циклическим изменением уровня засьши
- Повышение расхода природного газа с дополнительным обогащением дутья кислородом
Введение к работе
Чёрные металлы составляют более 90 % от объёма потребления конструкционных материалов в машиностроении. Выплавка чугуна в доменных печах остаётся главной стадией в технологии их получения [1 - 9]. Энерго- и ресурсоёмкость производства чёрных металлов в России существенно выше, чем в развитых странах [3]. Такая технология становится всё обременительней и заставляет вести поиск резервов снижения удельного расхода кокса, повышения производительности и срока доменных печей при улучшении качества производимого металла. Реализация резервов и совершенствование технологии доменной плавки с использованием теоретических разработок [9 - 24] позволит приблизить удельный расход кокса к минимально возможной величине 230 [7] и 180 -200 [23] кг/т чугуна по условию дренажа продуктов плавки, что примерно в 2-2,5 раза ниже существующего уровня в ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат".
Поиск резервов может быть осуществлён на основе углубленного изучения теории и практики, их развития. Рассмотрение хода процессов в доменных печах по результатам исследований свидетельствует о наличии зон, работающих с различной напряжённостью. Имеются зоны, которые сдерживают интенсивность доменного процесса в целом, приводят к излишнему расходу топлива, ускоренному износу огнеупорной футеровки. Другие зоны недоиспользуются, образуя резерв. Наличие этих резервов в явном виде на практике не обнаруживается, что обуславливает скрытый характер их.
Рассмотрение силового взаимодействия потоков шихты и газа по высоте и сечению печи при противоточном движении указывает на неравномерное распределение его. Зоны с повышенным газодинамическим сопротивлением шихты и с повышенной подъёмной силой газового потока затрудняют движение друг друга. В них величина критерия аэродинамической устойчивости шихты приближается к предельно допустимой величине, что на практике проявляется в виде нарушения схода шихты (провалы шомполов, подстои, обрывы, продувы и подвисания шихты). Эти зоны, таким образом, становятся определяющими (лимитирующими). Уменьшение величины критерия аэродинамической устойчивости шихты в определяющей зоне одним мероприятием, улучшающим одновременно результаты доменной плавки, и увеличение другим до допустимого уровня, также с одновременным улучшением результатов доменной плавки, обеспечивает реализацию скрытых резервов энерго- и ресурсосбережения.
В доменной печи формируются верхняя и нижняя определяющие по силовому взаимодействию потоков шихты и газа зоны. В конкретных условиях работы большее значение имеет одна из них. Средства воздействия на них различны. Поэтому от места расположения определяющей зоны с превалирующим значением зависят технические и технологические решения по дальнейшему совершенствованию доменной плавки.
Улучшение условий движения шихты и газов в наиболее значимой зоне каким-либо одним технологическим параметром, как правило, ухудшает их в другой зоне. Это приводит к исчерпанию его положительного действия после достижения определённого уровня. Для получения эффекта в дальнейшем необходимо компенсировать такое отрицательное воздействие иным средством. Становится целесообразным комплексное использование технологических параметров, в том числе режимов загрузки и дутья, как наиболее доступных. Например, с началом использования природного газа в доменных печах улучшались условия движения шихты и газов в нижней определяющей зоне, но одновременно ухудшались в верхней. После достижения определённого уровня стало целесообразным увеличение его расхода с одновременным использованием мероприятия, уменьшающего величину критерия аэродинамической устойчивости шихты в верхней зоне (обогащение дутья кислородом, повышение температуры дутья и др.).
В практике имеет место внедрение мероприятий, направленных на улучшение показателей работы печей, без предварительного рассмотрения определяющих зон или в связи с создающейся ситуацией (например, появление доступного дешёвого энергоносителя). От использования тех из них, которые снижают величину критерия аэродинамической устойчивости шихты в наиболее значимой зоне, улучшение результатов доменной плавки происходит спонтанно. Достоинства других, которые увеличивают величину этого критерия в наиболее значимой зоне, приходится реализовывать специально выявленными дополнительными мероприятиями или изменением уровня имеющихся технологических параметров. Они направлены на компенсацию роста критерия аэродинамической устойчивости шихты от изначально внедряемого мероприятия. Например, изменения потребовались при разработке технологии доменной плавки на коксе, произведенном с использованием нефтекоксовой мелочи в угольной шихте (п. 7.3).
Для компенсации неблагоприятных изменений всегда доступны режимы загрузки и дутья. Параметры загрузки и дутья являются с одной стороны, средствами стратегического совершенствования процесса, с другой -средствами оперативного управления. Это придаёт им особо высокую значимость и актуальность для дальнейшего исследования.
Таким образом, разработка технологических решений, направленных на выявление скрытых резервов энерго- и ресурсосбережения, позволяет снизить удельный расход кокса, повысить производительность доменных печей и срок их службы, что является необходимым условием развития металлургических предприятий России.
Для формулирования цели и задач работы, подготовки теоретических основ решения их в главе 1 рассмотрены определяющие процессы и зоны в доменной печи. Для этого изучены и обработаны материалы опубликованных работ, использованы результаты собственных исследований и с коллегами в Магнитогорском государственном техническом университете (ранее Магнитогорский горно-металлургический институт и Магнитогорская горно- металлургическая академия), в ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" и ООО "Уральская сталь" (Орско-Халиловский металлургический комбинат). Закономерности движения шихты и газов, теплообмена между ними, восстановления железа из оксидов свидетельствуют о перспективности поиска скрытых резервов энерго- и ресурсосбережения.
Одним из ключевых показателей работы доменных печей, влияющих как на существование скрытых резервов энерго- и ресурсосбережения, так и на реализацию их является степень использования газа-восстановителя. Стремление увеличить его приводит к приближению к предельно возможной величине, что затрудняет протекание восстановительного процесса при относительно низких температурах. С некоторого момента такое действие начинает отрицательно влиять на работу печи, и появляется необходимость применения мероприятия, компенсирующего это отрицательное влияние. В связи с этим в главе 2 получили зависимости, характеризующие предельную степень использования газа-восстановителя как параметра, влияющего на место расположения определяющей по силовому взаимодействию потоков шихты и газа зоны. Отличительной особенностью этих зависимостей, по сравнению с известными [9 - 25], является детерминированное рассмотрение процесса восстановления железа из оксидов.
Движение шихты в доменной печи на грани перехода в неровный сход с ухудшением показателей работы, возможность изменения значимости определяющих зон по силовому взаимодействию потоков шихты и газа, обуславливает целесообразность оценки физического состояния шихты в печи. Предложено использовать для этого различные способы, которые применены при решении конкретных задач. Они изложены в главе 3. Статистические данные оценены по критериям Пирсона, Кохрана, Стьюдента, значимости коэффициентов корреляции.
В качестве одной из групп технологических параметров для воздействия на определяющие процессы и зоны рассмотрены характеристики режима загрузки. Изучены как известные режимы применительно к сложившимся на момент исследований условиям ОАО "ММК" и ООО "Уральская сталь" (ОХМК), так и новые. Исследования проводили лабораторным моделированием в МГТУ и на промышленных печах ОАО "ММК" и ООО "Уральская сталь". При лабораторном моделировании исходили из критериев геометрического подобия, аэродинамической устойчивости шихты, Ньютона, Струхаля, Фруда, Рейнольдса, Эйлера. Результаты этих исследований изложены в главе 4, На печах получено снижение удельного расхода кокса и повышение производительности.
В качестве другой группы технологических средств воздействия рассмотрены параметры дутья. Их влияние на определяющие процессы и зоны изучены выполнением расчётов, проведением опытных плавок на доменных печах ОАО "ММК" и ООО "Уральская сталь". Для расчётов привлечены зональные тепловые балансы после предварительного уточнения и обоснования их элементов. Для анализа результатов предложены и применены графики с совмещенными координатными сетками (бинарные диаграммы), каждый из которых позволяет рассматривать влияние двух совместно используемых в заданном соотношении средств организации доменного процесса на два его показателя. Результаты этих исследований изложены в главе 5. На печах получено снижение удельного расхода кокса и повышение производительности.
Регламентированное проведение доменного процесса по высоте и сечению названо его организацией (термин введён профессором Стефановичем М.А.). Средствами организации доменного процесса считаются мероприятия, изменяющие ход его на время, превышающее длительность переходного периода работы печи, А переходным принято называть, как известно, период работы печи от начала использования какого-либо средства до стабилизации процессов на новом уровне.
Скрытые резервы энерго- и ресурсосбережения реализованы в ОАО "ММК" при переходе от железорудной части шихты, состоящей преимущественно из агломерата, к работе с использованием окатышей.
Первоначально, до реализации резервов, результаты опытных плавок оказались хуже ожидаемых. Оценка состояния шихты, внедрение необходимых технологических решений улучшили показатели работы печей. Обострение проблемы стойкости низа шахты, распара, заплечиков при использовании неофлюсованных окатышей заставило разработать соответствующие технологические мероприятия, которые были реализованы в ООО "Уральская сталь". Исследования в ОАО "ММК" показали целесообразность перевода Соколовско-Сарбайского горнопромышленного объединения (ССГПО) на офлюсованные окатыши, что и было реализовано. Изучением периодов, когда существенно изменялись свойства сырья доменных печей ОАО "ММК" в связи с переходом от сырья ССГПО на сырьё Курской магнитной аномалии (КМА) и обратно, экспериментальных данных по результатам отбора материалов из доменных печей, обработкой производственных данных ООО "Уральская сталь" выявлены решения, обеспечивающие выплавку малосернистого чугуна. Эти исследования представлены в главе 6.
Возможности улучшения результатов доменной плавки увеличением величины критерия аэродинамической устойчивости шихты реализованы в ОАО "ММК" воздействием на режим загрузки и параметры дутья в обычных условиях и при работе на коксе следующих видов: -произведенном с использованием нефтекоксовой мелочи в угольной шихте; -произведенном с использованием углей Нерюнгринского месторождения. Существенная роль критерия аэродинамической устойчивости шихты для работы доменной печи предопределила целесообразность расчёта ожидаемых показателей плавки при изменении условий, исходя из этого критерия. Разработана соответствующая методика расчёта для использования в учебном процессе. Она используется более 10 лет в МГТУ и при проведении исследований на предприятиях. Эти исследования представлены в главе 7.
Результаты исследований явились основой для технологических решений, позволивших получить в ОАО "ММК" и ООО "Уральская сталь" (ОХМК) снижение расхода кокса более 40 тыс.т. Экономический эффект составил более 40 млн. руб. Они были оформлены актами внедрения и расчётами экономического эффекта в соответствии с приложениями 1-19.
Данная работа в основном является обобщением содержания 26 исследований по хоздоговорной тематике, выполненных с участием автора за период с 1961 по 2003 годы в качестве ответственного исполнителя и научного руководителя в составе творческих коллективов, включающих за этот период Стефановича М.А., Бабарыкина Н.Н., Сысоева Н.П., Терентьева В.Л., Новикова B.C., Дружкова В.Г., Ваганова А.И., Кропотова В.К., Неясова А.Г., Прохорова И.Е., Федулова Ю.В., Монетова Г.В., Панишева Н.В., Ведешкина М.В., Баертуева А.А., Суворова М.Н., Яковлева Ю.В., Крюкова Н.М., Гибадулина М.Ф., Маврова А.Л., Гостенина В.А., Тагилинцева В.П., Пишнограева С.Н., Нефёдова С.Н., Трофимова С.Н., Кутищева В. А., Гуляева Г.М., Карелина Ю.П., Бондаря А.А., Рогова М.В. и др. Перечень отчётов по хоздоговорным научно-исследовательским работам представлен в приложении 20. В отчётах соответствующие вопросы изложены более детально.
Работа развивает научное направление профессора Стефановича М.А., опирается в основном на материалы исследований, проведенных в России, Украине, Казахстане, особенно на труды следующих организаций:
Московского государственного института стали и сплавов (Технологического Университет): Похвиснев А.Н., Карабасов Ю.С., Юсфин Ю.С., Валавин B.C., Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Чижикова В.М., Курунов И.Ф., Клемперт В.М., Доброскок В.А., Пашков Н.Ф., Пареньков А.Е., Истеев А.И., Чургель В.О., Черноусов П.И., Травянов А.Я., Пыриков А.Н., Спектор А.Н., Малышева Т.Я., Альтер М.А., Вайнштейн P.M., Чижиков А.Г. и др. - Уральского государственного технического университета — УПИ: Китаев Б.И., Есин О.А., Гельд П.В., Ярошенко Ю.Г., Овчинников Ю.Н., Спирин Н.А., Суханов Е.Л., Швыдккй B.C., Кукаркин А.С., Гордон Я.М., Шумаков Н.С., Маханек Н.Г., Онорин О.П., Загайнов С.А. и др. - Института металлургии Уральского отделения Российской Академии Наук: Леонтьев Л.И., Шаврин СВ., Дмитриев А.Н., Захаров И.Н., Ченцов А.В., Истомин С.А., Ипатов Б. В., Чесноков ЮЛ. и др.
Санкт-Петербургского государственного политехнического университета: Павлов М.А., Рамм А.Н., Манчинский В.Г., Любан А.П., Шкодин К.К., Андронов В.Н., Бялый Л.А., Райх Е.И., Карпиловскии Я.Б. и - ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат", ООО "Уральская сталь" (ОХМК) и ОАО "Нижне-Тагильский металлургический комбинат ".
Существенное значение для разработки технологических решений по выявлению резервов энерго- и ресурсосбережения при выплавке чугуна в доменных печах имеют и разработки других организаций: ИМетРАН, ГНЦ ЦННИИЧерМет, ГНЦ УИМ, ВНИИМТ, НПВП "ТОРЕКС", НИИМ, СГИУ, ЮуРГУ, Ассоциация доменщиков России, ООО "Аглококсо доменное производство", "Интерметинжиниринг", ВИНИТИ, ФИПС, ЗАО "ТОТЕМ", "Интермет-2001", ВНИИТБ, ВУХИН, ИЧМ НАЛУ, НМетАУ, НЛП "Киевский институт автоматики", ДонНТУ, ДГМИ, ДонНИИЧерМет, ДГТУ, ПГТУ, КГМИ, ОАО "НЛМК", "ЧМК", "Северсталь", "ЗСМК", "КМК", "ЧусМЗ", Украинская Ассоциация производителей чугуна, КГМК "Криворожсталь", ХМИ (г. Караганда), завод-втуз (г. Караганда) и др.
Личный вклад автора состоит в следующем: постановка теоретических, экспериментальных и промышленных исследований, личное участие в них, обработка и обобщение результатов; идея выявления и реализации скрытых резервов энерго- и ресурсосбережения при выплавке чугуна в доменных печах повышением критерия аэродинамической устойчивости шихты путём комплексного использования технологических параметров; установление характера изменения по высоте печи коэффициента сопротивления шихты; создание детерминированной математической модели предельного использования энергии газов-восстановителей; разработка способа оценки физического состояния шихты в доменной печи сопоставлением динамического напора газа на колошнике с ровностью схода шихты и испытание в производственных условиях; обоснование и уточнение элементов зональных тепловых балансов и разработка диаграмм с совмещенными координатными сетками (бинарных диаграмм) для интерпретации результатов расчётов; разработка технологических решений по повышению срока службы огнеупорной футеровки в местах интенсивного износа противоточной зоны доменных печей при работе с использованием неофлюсованных окатышей; разработка методики расчёта ожидаемых показателей плавки при изменении условий работы доменной печи по критерию аэродинамической устойчивости шихты для использования в учебном процессе.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: снижением удельного расхода кокса, улучшением качества чугуна, повышением производительности доменных печей и длительности службы наиболее быстро изнашиваемых элементов огнеупорной футеровки после внедрения разработок в ОАО "ММК" и ООО "Уральская сталь" (ОХМК); согласованностью полученных результатов по оценке физического состояния шихты, характеру изменения динамического напора газа и коэффициента сопротивления шихты от уровня засыпи до горизонта фурм с общей теорией доменного процесса; - проведением измерений в ходе исследований и реализации технологических разработок с использованием методик, предусмотренных государственными стандартами, и современной измерительной аппаратуры, прошедшей госповерку; обработкой результатов измерений общепринятыми методами математической статистики с использованием современной вычислительной техники и лицензионного программного обеспечения; соответствием результатов экспериментов, решённых задач с использованием зональных тепловых балансов и бинарных диаграмм, расчётов показателей доменной плавки по критерию аэродинамической устойчивости шихты данным текущего производства; приближением предельной степени использования газов-восстановителей, рассчитанной по детерминированной модели для ОАО "ММК", к результатам экспериментального определения её в загруженной зоне доменной печи.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты: - теоретическое и экспериментальное обоснование наличия скрытых резервов энерго- и ресурсосбережения и возможности их реализации при выплавке чугуна в доменных печах комплексным использованием технологических параметров; детерминированная математическая модель предельного использования энергии газов-восстановителей; технологические решения по режимам загрузки и параметрам дутья, обеспечивающие реализацию скрытых резервов энерго- и ресурсосбережения; способы достижения эффективной работы печей с использованием окатышей при длительной службе футеровки; технологические решения, позволяющие вести доменную плавку с повышенным общим перепадом давления газов, для увеличения производительности и снижения удельного расхода кокса.
Особенности процесса восстановления в доменной печи
Поскольку в вышеупомянутых упрощениях состояния шихты предполагается соблюдение правила аддитивности для теплоемкости (теплоемкость сложного вещества равна сумме теплоємкостей составляющих его простых веществ), а при составлении балансов приходится вводить поправки, величина которых составляет 2 - 16 % от итога [27], то рассмотрены допустимость такого предположения, возможные погрешности от этого и пути учета отклонения теплоемкости от аддитивности [91, 92]. Этот вопрос ставился П. Рейхардтом [93].
В используемых методиках температурная граница, отделяющая верхнюю часть печи от нижней, принимается различной, в особенности в историческом масштабе. Она считается равной 700 [85] или 1000С [75, 85], принимается равной 850С [27 и др.], 900С [94, 95 и др.], 950С [96 и др.], 1200К [15]. В связи с этим, а также в связи с признаваемой значимостью этого вопроса [97 - 99], он рассмотрен дополнительно. С выбором температурной границы связано распределение процессов по зонам. Экспериментальные данные по температуре, составу материалов и газа, отобранных из действующих [25, 58, 67, 100, 101 - 106] и "замороженной" [107, 108] печей позволяют уточнить представления о роли водорода в доменном процессе [12, 13, 25, 58, 103, 105, 109, ПО]. Без этих исследований считалось, например [85], что водород участвует в восстановлении Fe203 и Fe304 при температурах ниже 700С, что не согласуется с современными представлениями.
В большинстве расчетов используются значения тепловых эффектов реакции при стандартных условиях. В некоторых работах [78] при составлении теплового баланса нижней части печи тепловые эффекты берутся при 900С. В других работах [85] предполагается учет изменения тепловых эффектов в соответствии с законом Кирхгофа. Поэтому выявлен порядок использования данных по тепловым эффектам и законом Кирхгофа при составлении зональных балансов различными методами.
Для установления значения учета отклонения теплоемкости от аддитивности были сравнены фактическое теплосодержание сложных веществ с его величиной, найденной суммированием теплосодержания более простых составляющих (по правилу аддитивного сложения) и оценено изменение тепловых эффектов реакций в зависимости от температуры. Теплосодержание элементов, оксидов, карбонатов, минералов, агломерата, окатышей, шлака и чугуна для этой цели найдены, пользуясь соответствующей информацией, основанной на экспериментальном материале [75, 111 - 117].
Полученные данные свидетельствуют о том, что теплосодержание чугуна и шлака мало отличается от значения, найденного по химическому составу. Следовательно, в упрощенных балансах примерно одинаково допустимо представлять чугун и шлак в натуральном виде и в виде соответствующих элементов и оксидов. Изменение теплосодержания агломерата, Fe203, СаСОэ, С02 и Н20 составляет более 10 % от его значения при 850 С. Это значит, что различие в итоге затрат тепла может составить 15-20 % от итога баланса. Расчет показывает, что погрешность в учете теплоотдачи газа может равняться 5-6%.
По полученным данным с повышением температуры существенно изменяется тепловой эффект реакции разложения известняка, восстановления FeO водородом, Fe203 оксидом углерода до FeO, Fe304 оксидом углерода и углеродом, Si02 и Р2О5 углеродом. Особенно большая величина изменения теплового эффекта восстановления ъ20з в процентах (примерно в 10 раз) объясняется малой абсолютной величиной его (около 9,6 кДж/кг Fe203). Согласно этим данным в случае восстановления 1100 - 1300 кг Fe203 на 1т чугуна использование данных по тепловым эффектам для стандартной температуры и 850С дает различие в (1100 - 1300) х 23,15 = 100 - 130 Мдж или до 10 % от итога баланса верхней зоны.
Рассмотрение действия закона Кирхгофа применительно к изменению тепловых эффектов реакций показало взаимосвязанность представления состояния потоков шихты и газа с использованием данных по тепловым эффектам. При расчете затрат тепла по количеству и теплоемкости, вступающих в реакцию веществ, нужно пользоваться тепловыми эффектами при температуре протекания ее, при расчете затрат тепла по количеству и теплоемкости продуктов реакции нужно пользоваться тепловыми эффектами при стандартной температуре [91, 92].
Согласно упомянутой взаимосвязи составление теплового баланса верхней зоны печи, отделенной от нижней температурой 850 С, по количеству и теплоемкости загружаемых в печь материалов (агломерата, окатышей, кокса, известняка, руды [35] предопределяет необходимость пользования тепловыми эффектами всех превращений этой зоны (в том числе эффектами выделения Fe203) СаСОэ, С и т.д. из этих материалов) при 850С (при верхней температурной границе этой зоны).
Представление шихты в виде набора оксидов, солей, элементов (Fe203, FeO, СаСОз, С и т.д. [81]) предполагает учет выделения их из загружаемых материалов по тепловым эффектам при стандартной температуре, а превращений с ними самими - при 850С. В обоих случаях приходная часть баланса рассчитывается по количеству и составу колошникового газа. Для того, чтобы по всем превращениям пользоваться тепловыми эффектами при стандартной температуре нужно рассчитывать затраты тепла на нагрев представляя, что с самого верха нагреваются материалы, являющиеся конечными для этой зоны - для зоны ниже 850С: FeO, СаСОз , С, пустая порода, Н2 и N2 кокса. Тогда приходная часть рассчитывается по количеству и составу газа при 850С.
Учитываемая часть шихты при составлении теплового баланса верхней зоны упрощенным методом (чугун, шлак или их составляющие и углерод; доходящий до фурм) представляет собой продукты превращений, конечные по отношению к этой зоне. Поэтому при составлении баланса по этому методу, согласно закону Кирхгофа, тепловые эффекты реакций, протекающих вверху печи, берутся при стандартной температуре. Теплоотдача газа при охлаждении рассчитывается по количеству и составу фурменного газа [91, 92].
Восстановление железа из оксидов углеродом и его монооксидом в процессе, обеспеченном теплом
Взаимодействие потоков шихты и газа в противоточном режиме приводит к формированию определяющих зон. В современных условиях особенности хода процессов в доменных печах проявляются на их работе через силовое взаимодействие потоков. От него зависит возможность опускания шихты от колошника до горна и характер движения её. Определяющая зона в верхней части печи получается в условиях повышенного сопротивления шихты движению газа ввиду быстрого роста динамического напора газа от колошника к верху шахты. Его величина на расстоянии 1 - 3 м от уровня засыпи на 20 - 40 % выше, чем на колошнике. Коэффициент сопротивления шихты в нижней части шахты и распаре увеличивается в 2,5 - 3,5 раза по сравнению с исходной величиной. 4. Средства воздействия на определяющие зоны различны. От места расположения определяющей зоны с превалирующим значением зависят технические и технологические решения по дальнейшему совершенствованию доменной плавки. В конкретных условиях работы печи определяющее значение верхней или нижней зоны печи целесообразно устанавливать специально разработанными методами оценки состояния шихты по степени разрыхления её газовым потоком. С началом применения природного газа динамический напор газа на колошнике возрос в среднем по стране примерно на 20 %, что повысило роль верхней части печи. 5. Наиболее доступными технологическими средствами воздействия на определяющие зоны являются параметры загрузки и комбинированного дутья. Проявляется целесообразность комплексного использования их для реализации скрытых резервов энерго- и ресурсосбережения. Параметры загрузки и дутья являются, с одной стороны, средствами стратегического совершенствования процесса, с другой, - средствами оперативного управления. На доменной печи № 6 ОАО "ММК" опусканием зоны с максимальным значением динамического напора газа в более широкую часть шахты (работа с пониженным уровнем засыпи) получено повышение производительности до 2,3 % и снижение удельного расхода кокса до 3,7 %. 6. При определяющей роли верхней части печи устранение экстремума динамического напора под колошником технологическими решениями позволит улучшить производительность и удельный расход кокса на 10 15 %. При определяющей роли нижней части уменьшение экстремума коэффициента сопротивления шихты в распаре-заплечиках до уровня, соответствующего жидкому состоянию продуктов плавки может дать 15 20 % улучшения этих показателей. 7. На силовое взаимодействие потоков шихты и газа существенное влияние оказывают процессы теплообмена, восстановления, плавления и шлакообразования. Теплообмен имеет теплотехнические стороны действия, а также проявляемые через другие процессы. Повышение интенсивности теплообмена в верхней ступени приводит к снижению вертикального давления шихты и, как следствие, вероятными становятся верхние подвисания. Повышение интенсивности теплообмена в нижней ступени создаёт возможность нижних подвисаний. Характер теплообмена в доменной печи является теплотехническим обоснованием для решения теоретических и практических задач составлением зональных тепловых балансов и обуславливает целесообразность развития их. Увеличение времени пребывания материалов в интервале температур 800 - 1000С действует в направлении снижения удельного расхода кокса. 8. Совершенствование технологии доменной плавки сопровождается приближением степени использования энергии газа на выходе из печи к предельно возможной величине и действует в направлении определяющей роли силового взаимодействия шихты и газов в нижней части зоны потока материалов, что создаёт целесообразность разработки детерминированной математической модели предельного использования энергии газов восстановителей дополнительно к имеющимся моделям. Почти по всей высоте доменной печи оксиды железа восстанавливаются смешанным путём - доля прямого восстановления увеличивается от 5 - 12 % в шахте до 40 - 70 % в распаре и заплечиках. 9. Технологические решения, улучшающие условия движения шихты и газов в наиболее значимой зоне, одновременно являются решениями, обеспечивающими работу доменных печей с повышенным общим перепадом давления газов. Целесообразна разработка технологии доменной плавки с повышенным общим перепадом давления газов и методики расчёта показателей доменной плавки при изменении условий работы, исходящей из критерия аэродинамической устойчивости шихты. 10. Зональные тепловые балансы являются одним из инструментов для выявления скрытых резервов энерго- и ресурсосбережения при выплавке чугуна в доменных печах и их реализации. Обоснованы элементы таких балансов. Балансы, в которых состояние потоков шихты и газа учитывается с максимальным приближением к фактическому, названы развернутыми. Балансы, в которых приходные и расходные статьи не учитывают составляющие, переходящие в газ выше горизонта фурм, названы упрощенными. 11. Установлена взаимосвязанность представления состояния потоков шихты и газа с использованием данных по тепловым эффектам в зональных балансах. При расчете затрат тепла по количеству и теплоемкости, вступающих в реакцию веществ, нужно пользоваться тепловыми эффектами при температуре протекания ее; при расчете затрат тепла по количеству и теплоемкости продуктов реакции нужно пользоваться тепловыми эффектами при стандартной температуре.
Работа доменной печи с циклическим изменением уровня засьши
Приближение степени использования газов в зоне восстановления Fe до FeO к предельной величине на 1 % в интервале 80 - 90 % увеличивает величину её на выходе из слоя шихты на 0,41 - 0,44 %, производительность печи на 0,8 - 1,0 % при снижении удельного расхода кокса на 2,6 - 2,8 кг/т чугуна, оптимальной величины степени прямого восстановления на 0,46 -0,5 % (таблица 2.4).
Повышение расхода природного газа на 10 м /т чугуна в пределах 100 -150 м /т чугуна снижает предельную степень использования газов на выходе из слоя шихты на 0,6 - 0,8 % при снижении удельного расхода кокса на 7,2 -7,6 кг/т чугуна, величины оптимальной степени прямого восстановления - на 1,3 - 1,6 % (таблица 2.5).
Увеличение температуры дутья на 100 приводит к росту предельной степени использования газов на 0,4 - 0,5 % (абс), позволяет снизить удельного расхода кокса на 6 - 8 кг/т чугуна при сохранении на прежнем уровне приближения фактической степени использования газа к предельной величине. Наилучшей становится более высокая на 0,8 - 1,0 % (абс) степень прямого восстановления (таблица 2.6) [143].
Предельно высокой степени использования газов соответствует на 100 — 150 кг/т чугуна меньший удельный расход кокса по сравнению с существующим уровнем в ОАО "ММК". 1. Получены зависимости, позволяющие определить предельную степень использования газов-восстановителей СО и Н2 в различных условиях получения железа из оксидов, включая доменную печь, оценить необходимый расход энергоносителей (углерода, кокса, природного газа), особенности температурного режима процесса и степень развития при этом прямого восстановления. 2. В процессе, обеспеченном теплом, расходовании углерода и образующегося из него СО на ступенчатое превращение оксида железа в Fe, предельно высокой является степень использования монооксида углерода, равная 77 %, при поступлении железа в виде Fe304 и 100 % - в виде Fe203. Условиями проведения противоточного восстановления при этом являются: температура, отделяющая зону превращения FeO в Fe от Fe304 в FeO, равна 870 С, степень прямого восстановления — 75 %. Минимальная потребность в углероде составляет около 160 кг/т восстановленного железа. 3. Предельная степень использования СО в газовом противоточном, обеспеченном теплом процессе со ступенчатым восстановлением железа из оксидов составляет 58,6 %, при поступлении железа в виде Fe304 и 66 % — в виде РегОз- Обеспечивающая это температура между зонами перехода FeO в Fe и Fe304 в FeO, равна 635 С. Минимальная потребность в СО составляет 911 MVrFe, для получения которого необходимо 488 кг углерода. 4. Предельная степень использования водорода в противоточном газовом обеспеченном теплом процессе со ступенчатым восстановлением железа из оксидов в температурном интервале завершения 850 - 950 С составляет 46 — 47 %, при поступлении железа в виде Fe304 и 52,5 -54,5 % - в виде Fe203. Чем выше температура завершения процесса восстановления Fe из FeO водородом, тем больше предельная степень его использования. Максимальное количество железа, которое можно восстановить продуктами конверсии 100 м3 природного газа составляет 240 - 270 кг. Смещение процесса восстановления железа из оксидов в высокотемпературную зону доменной печи способствует увеличению эквивалента замены кокса природным газом. 5. Предельная степень использования смеси СО и Н2 в противоточном обеспеченном теплом процессе со ступенчатым восстановлением железа из оксидов с участием углерода, расходующем природного газа 100 м /т чугуна, равна 61 % при восстановлении из Fe304 и 73 % - из Fe203. Увеличение расхода природного газа снижает предельную степень использования смеси. 6. Восстановление углеродом и его монооксидом с обеспечением процесса теплом, источниками которого служат реакции неполного горения углерода и косвенного восстановления Fe из FeO, а источниками СО -реакции прямого восстановления и горения углерода характеризуется предельной степенью использования СО, равной 68,4 % при поступлении Fe в виде Fe304 и около 83 % - в виде Fe203. 7. Восстановление углеродом, его монооксидом и продуктами конверсии природного газа с обеспечением процесса теплом, поступающим за счет горения кокса и природного газа в количестве 100 м /т чугуна, расходуемым полностью на эндотермические реакции и нагрев продуктов плавки до конечной температуры 1500 С, при содержании углерода в чугуне 4,6 % характеризуется предельной степенью использования смеси СО и Нг, равной 61,6 %. 8. Расчет для фактических условий ОАО "ММК" дал предельную степень использования газа-восстановителя 56 - 59 %. Этому соответствовал минимальный расход сухого кокса 308 - 341 кг/т чугуна. Степень приближения фактического использования газов к предельной величине составила 72 -19%. Предельная степень использования газа зависит от условий и режима работы печей. Увеличение температуры дутья на 100 обеспечивает рост её на 0,4 - 0,5 % (абс.). Снижение предельной степени использования газов-восстановителей от увеличения расхода природного газа на 10 м /т чугуна составляет 0,6 0,8 %, от повышения температуры газа на выходе из зоны превращения FeO в Fe на 100 С - 1,3 -ь 2,1 % (абс), от роста потерь тепла во внешнее пространство на 500 МДж/т чугуна - 0,5 - - 0,7 %, от уменьшения степени приближения состава газа к равновесному значению на выходе из зоны восстановления FeO до Fe на 10%- 4,1-4,4%.
Повышение расхода природного газа с дополнительным обогащением дутья кислородом
Повышение нагрева может затруднять движение шихты и газа внизу печи (прямая связь [Si] и Хи), что встречается чаще и улавливается при статистической обработке данных, и облегчать его (обратная связь [Si] и н). Проявлению прямой связи нагрева печи и коэффициента сопротивления, как известно, способствует повышение температур, а обратной — изменение [Si] и Хя в связи с изменением крупности кокса и недостаточный нагрев в исходных условиях вязких шлаков. Уменьшение крупности кокса, например, в связи с ухудшением его прочности может привести к увеличению затрат тепла на газификацию углерода в шахте, что вызывает уменьшение прихода тепла (меньше углерода доходит до фурм), и, следовательно, снижение нагрева. Одновременно появляются причины для увеличения сопротивления шихты движению газов. Связь нагрева печи с коэффициентом сопротивления вверху оказалась слабее, чем внизу, но она более часто была прямой.
Анализ 12 случаев последовательного повышения и 6 случаев понижения интенсивности по коксу в течение четырех суток показал, что это было связано с изменением крупности кокса. Загрузка более крупного кокса, обусловленного большей прочностью, снизила сопротивление шихты движению газа вверху и внизу печи, позволяя тем самым использовать другое средство - увеличить расход дутья.
Метод оценки состояния шихты по коэффициенту X удобен тем, что позволяет анализировать прошлый опыт работы доменных печей и исследования других авторов. Поэтому применение его было шире, чем других методов.
Известный способ оценки состояния шихты по отношению выхода колошникового газа к перепаду давления газа [183] предполагает большую степень упрощения зависимостей, чем на основе формул, приведенных выше, - закладывается линейная зависимость изменения перепада от изменения выхода газа и независимость его от уровня давления газа.
При оценке состояния шихты по коэффициенту сопротивления показатель т принимается за постоянную величину, хотя по лабораторным исследованиям он зависит от вида и крупности продуваемых материалов, от скорости газового потока, от распределения материалов. Стремление устранить такой недостаток привело к методу оценки состояния шихты по показателю степени т.
Определение т из второго уравнения и подстановкой его в первое дает формулу для оценки состояния шихты по коэффициенту сопротивления Х„ при неизвестном т:
Вычисленный показатель т учитывает не только режим движения газа, но и все факторы, изменяющие коэффициент сопротивления Хи в момент перехода от расхода дутья Qi к Q\\. Поэтому канальному ходу печи, ходу с продувами, выносом мелочи из шихты, переходу части ее во взвешенное состояние может соответствовать получение низких т - ниже двух, единицы и нуля в зависимости от степени развития этих явлений.
Отрицательная величина т означает уменьшение перепада давления с увеличением расхода газа (дутья), что имеет место при переходе материалов в псевдоожиженное состояние. Уплотненное состояние шихты приводит к получению т, большего двух, что особенно заметно перед подвисанием. Используя показатель т, была проведена оценка состояния шихты на доменных печах ОАО "ММК", "ЧМК" и "НТМК". На печах с малой величиной т получался повышенный расход кокса, в особенности при значениях т ниже единицы, и в ряде случае пониженная производительность. Такая связь соответствует результатам других исследований, хотя и не является обязательной. Согласно этим данным состояние шихты на печах одного и того же завода может существенно отличаться, отражаясь соответственно на показателях плавки. Поэтому оценка состояния шихты является необходимым элементом работы по выявлению определяющего процесса и зоны, поиску скрытых резервов энерго- и ресурсосбережения. Средства организации доменного процесса на печах с разным состоянием шихты оказываются различными.
Величина т показывает степень влияния расхода дутья на перепад давления (потери напора). Зависимость перепада от других факторов (кроме давления газа) остается скрытой - об этом можно судить лишь косвенно по величине т. Количественные данные по влиянию на перепад давления таких факторов, как газодинамические параметры шихты, распределение процессов в печи, учитываемых коэффициентом сопротивления Ап, можно получить без потери информации по т, решая уравнения совместно и определяя тем самым 1гит одновременно. Так оценено состояние шихты в ОАО "ММК" при проведении исследований по установлению взаимосвязи между режимом загрузки (распределением материалов) и минутным расходом дутья [184].
На системе РРКК (нормальная) была повышенная равномерность распределения С02 по сечению в сравнении с КРРК и 4РРККЗККРР и более высокое сопротивление шихты движению газа. На "нормальной" системе исследуемые печи были склонны к канальному ходу, на что, кроме обычных признаков, указывало пониженное значение т, в особенности на печи № 4. При этом температура по сечению вверху шахты оказалась выше, чем на КРРК, а рассчитанный на основе формул теплообмена объемный коэффициент теплопередачи - ниже примерно в 1,5 раза.
С переходом на систему КРКР происходило раскрытие центра, а показатели состояния шихты изменялись в том же направлении, что и при переходе на РРКК. На ней не удавалось обеспечить нормальную величину общего перепада — он был ниже, расход кокса оказывался существенно выше, чем на других режимах загрузки. Согласно полученным данным, переход шихты в неустойчивое состояние возможен при различном распределении материалов по сечению - неравномерном, хотя это улучшает ее газопроницаемость, и повышенной равномерности. Соответственно, при равномерном и неравномерном распределении для реализации скрытых резервов энерго- и ресурсосбережения может потребоваться средство, обеспечивающее улучшение газодинамического режима плавки.
