Управление радиальным потоком газов при загрузке доменных печей конусными засыпными аппаратами

В первом разделе учебника показаны особенности ссыпания материалов с большого конуса (Рис.1.9). Показано изменение при этом по радиальным зонам порозности, коэффициента сопротивления, потерь напора при различных системах загрузки в зависимости от объёмной доли мелочи. Теоретически обоснованы преимущества неравномерного потока газов по радиусу печи и совместной загрузки агломерата и кокса по сравнению с их слоевым распределением. Показаны основные закономерности управления распределением печных газов по радиусу печи в реальных условиях доменной плавки.

Следует отметить, что радиальное распределение потока играет в доменной печи более важную роль по сравнению с окружным распределением газов. Выход из строя ВРШ, как было указано ранее, можно до некоторой степени компенсировать за счет сдвоенных подач, набора на малый конус по два скипа агломерата и кокса, увеличения веса подач. Например, на МК «Криворожсталь» долгое время работают без ВРШ, показатели плавки при этом мало изменились. Если нарушается радиальное распределение газов, то это приводит не только к тугому сходу шихты, но и к её подвисанию с последующими принудительными осадками.

До настоящего времени нет единого мнения о рациональном распределении шихты и газов по радиусу печи. Необходимость неравномерного распределения шихтовых материалов по их массе и гранулометричскому составу по радиусу печи не вызывает сомнений ни с теоретической точки зрения, ни тем более условиями управления ходом печей с целью максимальной их производительности и минимального расхода кокса. Но достижение таких результатов в теоретическом и практическом планах для многих исследователей и специалистов-эксплуатационников представляется по разному. В основном это определяется разными дутьевыми и сырьевыми условиями различных металлургических регионов, а также квалификацией научных сотрудников и специалистов доменных цехов.

В первом разделе указывалось на важную роль при определении газопроницаемости шихты симплекса (1-e)/e³. На Рис.2.10 показано его изменения при загрузке подач прямых (а) и коксом вперед (б) в зависимости от доли мелочи.

Поскольку всегда известен гранулометрический состав проплавляемых шихтовых материалов, можно определить объёмную долю мелочи, порозность и количество газов по радиусу печи. Такие расчеты приведены в Приложении 2. При этом можно пользоваться данными Рис.2.10, что значительно упростит определение потерь напора по радиусу колошника.

Таким образом, при работе на офлюсованном агломерате и коксе с постоянным химсоставом и прочностью при умеренно развитых периферийном и центральном потоках газов по данным рис.2.10 можно определить количество газов по радиусу печи. По радиальному распределению СО, Н₂ и CO₂ рассчитывается степень косвенного восстановления оксидов железа в периферийной, промежуточной и осевой зонах печи. Если в какой-то зоне соотношение восстановителей и их окисленных продуктов находится в равновесном состоянии, то соответствующим, изменением параметров загрузки шихты в данной зоне увеличивают здесь количество восстановителей и косвенное восстановление оксидов железа.

К сожалению, в доменной печи даже в устойчивых сырьевых и дутьевых условиях имеются факторы, которые постоянно направлены на снижение газового потока в центральной зоне печи. Во первых сюда относится перевеивание мелких частиц рудной части шихты из промежуточной и частично из периферийной зоны колошника в центр печи.

На рис.2.11,а,б показано изменение порозности в радиальных зонах при загрузке подач коксом вперед (а) и прямых (б). Видно, что при объёмной доле мелочи 0,2-0,4 (доменная шихта) порозность промежуточной и периферийной зон при прямых подачах и коксом вперед составляет 0,3-0,35м³/м³. Скорость газового потока в межкусковых извилистых пустотах достаточна для выноса из шихты мелких частиц размером 0-3мм.

Над поверхностью засыпи газ сильно расширяется (объём увеличивается в 2,5-3,0 раза), скорость газов резко падает и частички размером 2-3 мм не выносятся из печи, а в виде псевдоожиженного слоя находятся над поверхностью засыпи. Поверхность засыпи имеет форму воронки с углом наклона при повышенном и высоком давлении газа на колошнике от 25 до 30⁰, что создает условия для перемещения мелочи псевдоожиженного слоя в центральную зону. Кроме того, в верхней части колошника газовый поток встречает большее сопротивление в промежуточной зоне, где сосредоточена основная часть мелочи [102, 103].

Как схематично показано на рис.2.11 поток газов отклоняется к центру и частично к стенкам колошника. Это увеличивает перемещение мелочи из промежуточной в осевую зону. Если в центре печи существует достаточный поток газа, то мелкие частички будут отбрасываться снова в промежуточную зону, где традиционно меньший поток газов. Но, как правило в центре печи нет осевой "отдушины" и поэтому мелкие частички агломерата и окатышей ассимилируются здесь, снижая порозность шихты и поток газов [3, 102, 104].

Во-вторых существует переток мелочи из плотных слоев агломерата в толщу псевдоожиженного слоя кокса при вертикальной границе раздела [105, 106]. Надо полагать, что здесь аналогичная схема движения газов, как и представленная на pис.2.11,в. Перевеивание мелких частиц шихты в центральную зону печи значительно увеличилось с применением офлюсованных, хорошо восстановимых агломерата и окатышей. Переход Fe₂O₃ в Fe₃O₄ и Fe₃O₄ в FeO сопровождается перестройкой кристаллических решеток с изменением их объема, растрескиванием и разрушением кусков агломерата и окатышей. На расстоянии 5-8м от поверхности засыпи содержание фракции 0-3 мм составляет >50% от массы рудной составляющей подачи (рис.1.12). Наличие глубокой воронки засыпи и большого количества мелких частиц способствует их перетоку и перевеиванию в центр печи, резко снижая здесь газовый поток.

Третьим фактором, также уменьшающим осевой поток газов является накопление жидких продуктов плавки в горне печи. На рис.1.44 представлено изменение состава газа сразу после выпуска чугуна (1) через 13 мин (2) и через 35мин (3) в доменной печи полезным объемом 350м³ [3]. Видно, что содержание СО₂ в центре печи сразу после выпуска чугуна составило 2%, через 13 мин 7-8% и через 35мин 10-12%.

Четвертым, и очень важным, фактором является снижение порозности коксовой насадки в зоне когезии осевой зоны до 0,3м³ /м³ за счет полного перемещения пластических масс, находящихся здесь рудных материалов, в пустоты коксовой насадки [107, 108]. Исследования показали, что в зоне когезии порозность коксовой насадки e_к.н., зависит от соотношения объемов рудной части шихты и кокса:

, (2.12)

где e_К — порозность кокса (0,5-0,52),м³ /м3;

V_р.ч. - объем рудной составляющей шихты, м³;

e _р.ч. - порозность рудной части шихты, м³ /м³;

a_v - коэффициент объемного расширения рудных материалов;

Dt - изменение температуры при нагревании, К;

DV_Р.Ч.-объем рудной части, проникающей в коксовую насадку, м³;

V_К — объем кокса, м³;

e_min — минимальная порозность для условий полного размещения пластических масс в коксовой насадке, м³ /м³;

, (2.13)

В промежуточной зоне отношение массы рудной части к массе кокса максимально, e_к.н снижается незначительно (с 0,45 до 0,41 м³/м³), т.е. размягченный материал практически не проникает в коксовую насадку. По-видимому с увеличением толщины размягченного слоя растет сила взаимодействия его отдельных частей и уменьшается подвижность пластических масс. Следовательно, коксовые окна в зоне когезии имеются на всем её протяжении и несколько в меньшем количестве в центральной зоне (e_к.н.=0,3 м³/м³ против e_к.н=0,41м³ /м³ в промежуточной зоне).

Как правило в настоящее время на доменных печах Украины и России с КЗА типовой конструкции содержание СО₂ в центре выше, по сравнению с содержанием СО₂ на периферии печи (рис.2.12,а). Попытки разгрузить центр печи за счет загрузки малых колош и увеличения уровня засыпи, как правило, не дают положительных результатов. При малых колошах увеличивается рудная часть на периферии и снижается здесь газовый поток. В центре газовый поток может не только не увеличиваться, но и уменьшаться, из-за большей продуваемости газом меньшего количества ссыпаемых с конуса материалов и их перевеивания в центр печи. Такой же эффект может быть и при увеличении уровня засыпи, поскольку продуваемость шихты также увеличивается, из-за большего времени ее падения ближе к стенкам кокошника, где имеется более мощный поток газов. При подгруженном центре увеличением рудной нагрузки на периферии' редко удается увеличить центральный поток газов. Часто это приводит к потере ровного хода печи или к "подвисанию" шихты.

Увеличение угла наклона поверхности засыпи при повышенном и высоком давлении газа на колошнике приводит к распределению агломерата и кокса "наоборот". При загрузке прямых подач большая часть кокса остается на периферии, а при загрузке обратных подач периферия подгружается рудной составляющей шихты. Следовательно, если угол наклона поверхности засыпи >28⁰, то прямые подачи увеличивают периферийный поток газов, а подачи коксом вперед уменьшают. Поскольку угол наклона поверхности засыпи изменяется в различных условиях доменной плавки, то это создает дополнительные трудности в регулировании газового потока по окружности и радиусу печи.

Положение осложняется тем, что в настоящее время нет надежной информации об угле наклона поверхности засыпи, изменении радиального распределения потоков газа в период накопления и в процессе выпуска чугуна и шлака, степени перевеивания мелких частиц по радиусу и окружности колошника. Это затрудняет управление распределением материалов и газов по концентрическим сечениям печи. Наличие осевой "отдушины" в указанных условиях просто необходимо. Важно при этом иметь узко разгруженный центр, где на площади не более 4% от площади колошника должно проходить не менее 5-8% объема печных газов. Если такой осевой "отдушины" нет, то технологи для сохранения ровного хода печей увеличивают периферийный поток газов с большим перерасходом кокса. Загрузка периферии рудной составляющей при раскрытом центре зависит в основном от качества шихтовых материалов. Так, например, для хорошо подготовленной шихты содержание CO₂ у стен доменной печи №5 МК "Северсталь" 20% (рис.2.12, б, в), "Криворожсталь" 15-17% (Рис.2.12,б,8). На МК Карагандинском и "Запорожсталь" шихта менее качественна и соответственно 10-13% СО₂ в периферийной зоне (рис.2.12, б, 7, 9).

Все отмеченные сложности радиального управления распределением материалов и газов типовым ЗУ не нашли отражения ни в одной технологической инструкции, начиная с Минчермета СССР и кончая всеми металлургическими комбинатами и заводами.

В настоящем разделе наряду с общепринятыми условиями ведения доменной плавки, будут рассмотрены также и нестандартные приемы получения оптимального радиального распределения шихтовых материалов и печных газов.