Ведение доменной печи

Протекание доменного процесса характеризуется рядом признаков, имеющих внешнее проявление, по которому судят о ходе доменной печи. Такими признаками являются:

1) химический состав и температура чугуна и шлака;

2)внешний вид чугуна и шлака в жидком и твердом состоянии;

3)яркость свечения фурм;

4)скорость схода подач шихтовых ма­териалов;

5) вынос колошниковой пыли;

6) показания контрольно-измерительных приборов.

Содержание кремния и серы в чугуне и FeO в шлаке, а иногда и основность шлака, как правило, зависят от теплового состоя­ния печи. Чем выше нагрев печи, тем благоприятнее условия для перехода кремния в чугун, а серы в шлак. Поэтому увеличение содержания кремния и уменьшение содержания серы в чугуне свидетельствуют о повышении нагрева доменной печи и, наоборот, уменьшение содержания кремния и возрастание содержания серы в чугуне указывают на похолодание доменной печи.

Показателем теплового, состояния печи является содержание FeO в шлаке. Чем выше нагрев печи, тем меньше железа пере­ходит в шлак в виде FeO. При нормальном нагреве печи содержа­ние FeO в шлаке передельного чугуна не превышает 0,5—0,7%. Увеличение этого значения указывает на снижение нагрева печи.

Основность шлака также зависит от нагрева печи. Чем выше нагрев печи, тем больше кремнезема расходуется на восстановле­ние кремния и тем выше должна быть основность шлака. Похоло­дание печи сопровождается снижением основности шлака, так как при уменьшении содержания кремния в чугуне уменьшается и расход кремнезема на его восстановление. Однако в современ­ных условиях работы доменных печей основность шлака в значи­тельно большей мере зависит от колебаний химического состава и соотношения загружаемых в доменную печь шихтовых материа­лов, чем от нагрева печи.

Физический нагрев жидких чугуна и шлака также характери­зует тепловое состояние печи. Чем выше температура чугуна и шлака, тем выше нагрев печи. Измеряют температуру жидких продуктов плавки во время выпуска их из печи специальными термо­парами погружения.

О нагреве печи можно судить по внешнему виду выпускаемых из печи чугуна и шлака, а также по их виду в холодном состоянии. Показателем содержания кремния в чугуне служат количество и вид искр над желобом во время выпуска чугуна.

При содержании кремния в чугуне менее 0,5% над поверх­ностью чугуна возникает сноп мелких искр, поднимающихся на высоту 0,2—0,3 м, а ход чугуна сопровождается выделением большого количества бурого дыма. Излом холодной пробы такого чугуна имеет белый цвет с отчетливо выраженными крупными лучеобразными кристаллами. По мере увеличения содержания кремния в чугуне сверх 0,5% количество искр над поверхностью чугуна в желобе уменьшается, а сами искры становятся крупнее и поднимаются на большую вы­соту. При содержании кремния в чугуне более 1,0% выделяются отдельные только крупные искры на большую (1,0—1,5 м) вы­соту. Ход такого чугуна сопровождается выделением графита, который в виде мелких блестящих чешуек распространяется по всему литейному двору и вокруг доменной печи. Химически горя­чий чугун с содержанием кремния более 1,5% не искрит и выде­ляет большое количество графита. Излом холодной пробы чугуна с высоким содержанием кремния характеризуется мелкозернистой структурой темно-серого цвета с явно выраженными включениями графита.

По внешнему виду жидкого чугуна в желобе определяют и содержание серы. Появление на поверхности чугуна характерных жирных пятен указывает на высокое содержание серы.

По виду шлака определяют тепловое состояние печи и основ­ность шлака, что особенно важно в условиях постоянного коле­бания качества шихтовых материалов. Ярко светящийся шлак, свободно вытекающий из летки, свидетельствует об удовлетвори­тельном нагреве печи. Такой шлак выделяет большое количество газа с сильным запахом горящей серы. Излом пробы остывшего шлака при нормальном и повышенном нагреве всегда имеет чистый тон, а цвет зависит от основности. Сильно основный шлак быстро застывает в белую с голубоватым оттенком плотную камневидную массу. При полном остывании иногда рассыпается и превращается в тонкую пудру белого цвета.

Кислый шлак застывает медленно и может вытягиваться в длинные нити. Излом кислого шлака блестящий стекловидный темноватого цвета.

Нормальный по основности и нагреву шлак передельного чу­гуна в изломе примерно наполовину стекловидный с полупрозрач­ной и блестящей поверхностью, а наполовину камневидный с ма­товой поверхностью белого цвета. Такой шлак называют половин­чатым.

При понижении нагрева печи яркость свечения и подвижность вытекающего из летки шлака уменьшаются. Выделение газа почти полностью прекращается. Цвет застывшего шлака всегда грязных тонов

Яркость свечения фурм позволяет судить о нагреве печи и о равномерности работы печи по окружности. Яркое свечение всех фурм и отсутствие темных кусков перед ними являются признаком ровного хода и нормального или повышенного нагрева печи. По тускнение фурм или появление перед ними темных кусков агло­мерата свидетельствует о нарушении ровного хода и снижении нагрева печи. Иногда перед фурмами появляется жидкий шлак. Это уже признак серьезного расстройства хода доменной печи. При значительном уменьшении скорости схода материалов куски кокса перед фурмами движутся медленнее, чем при нор­мальной работе, а при подвисании шихты кокс лежит перед фур­мами почти неподвижно.

Скорость схода шихтовых материалов определяется числом подач, загружаемых в печь в течение 1 ч, а равномерность движе­ния шихты — интервалами времени между загрузкой смежных подач. Для каждой доменной печи число загружаемых в печь за 1 ч подач устанавливается опытом, исходя из условий режима ра­боты печи, и должно быть постоянным, а промежутки времени между опусканием подач — равномерными. Увеличение скорости схода подач является, как правило, признаком начинающегося похолодания печи и, наоборот, уменьшение скорости схода подач свидетельствует об увеличении нагрева печи, что часто сопрово­ждается тугим ходом. Нарушение равномерности интервалов между опусканиями подачи — признак неровного хода печи.

Вынос колошниковой пыли из печи газовым потоком зависит от качества шихтовых материалов и ровности хода печи. Обычно с увеличением количества мелких фракций в шихте нарушается распределение газового потока в печи, ход печи становится не­ровным и большое количество пыли выносится в пылеуловители. Поэтому вынос пыли за определенный промежуток времени харак­теризует качество шихты и ровность хода печи. Большой вынос материалов может привести к горячему ходу, сопровождающе­муся понижением производительности и увеличением расхода кокса. Определяют вынос путем взвешивания выпущенной из пылеуловителей колошниковой пыли.

В связи с тем, что пыль из пылеуловителей на многих заводах выпускают обычно один раз в сутки, этот признак хода доменной печи не может быть использован должным образом. Поэтому сей­час разрабатываются и испытываются автоматические устройства для непрерывного контроля выноса колошниковой пыли.

Вынос колошниковой пыли из печи газовым потоком зависит от качества шихтовых материалов и ровности хода печи. Обычно с увеличением количества мелких фракций в шихте нарушается распределение газового потока в печи, ход печи становится не­ровным и большое количество пыли выносится в пылеуловители. Поэтому вынос пыли за определенный промежуток времени харак­теризует качество шихты и ровность хода печи. Большой вынос материалов может привести к горячему ходу, сопровождающе­муся понижением производительности и увеличением расхода кокса. Определяют вынос путем взвешивания выпущенной из пылеуловителей колошниковой пыли.

В связи с тем, что пыль из пылеуловителей на многих заводах выпускают обычно один раз в сутки, этот признак хода доменной печи не может быть использован должным образом. Поэтому сей­час разрабатываются и испытываются автоматические устройства для непрерывного контроля выноса колошниковой пыли.

Рассмотренные выше признаки являются большей частью чисто внешними. Они свидетельствуют об уже происшедших измене­ниях в протекании доменного процесса и поэтому недостаточны для управления ходом доменной печи. Чтобы своевременно пред­отвратить отклонения от нормального хода печи, необходимо по­лучать сигналы о самом начале нежелательных изменений. Эти сигналы на современных доменных печах получают при помощи контрольно-измерительных приборов. Анализ показаний прибо­ров позволяет установить самое зарождение изменений задолго до их появления в рассмотренных выше внешних признаках и своевременно применять соответствующее воздействие на ход печи.

Движение шихтовых материалов

Опускание шихтовых материалов в доменной печи с колошни­ка в горн происходит под действием силы тяжести в противотоке с поднимающимися из горна газами - продуктами горения топлива в фурменных зонах и газообразных продуктов реакций прямого восста­новления железа и трудновосстановимых элементов, протекающих за пределами фурменных зон. Опускание загружаемых на колошник шихтовых материалов происходит в связи с освобождением простран­ства в нижней части печи вследствие следующих основных процессов:

1. Окисление углерода кокса кислородом дутья и содержавшихся в нем паров воды, а также кислородом оксидов железа, кремния, мар­ганца и некоторых других элементов, которые восстанавливаются уг­леродом кокса.

2. Окисление углерода в реакции газификации С + С0₂ — 2СО.

3. Расход углерода на науглероживание железа и образование чугу­на.

4. Расплавление железорудных материалов, флюсов и золы кокса с образованием чугуна и шлака, объем которых почти в 3,5 раза меньше объема материалов, из которых они образуются.

5. Механическая уминка сыпучих материалов в шахте доменной печи в результате перколяции* мелких фракций агломерата и окаты­шей в свободные межкусковые промежутки в нижележащих слоях крупнокусковых материалов, преимущественно кокса. (Перколяция — просачивание, проникновение шихтового материала в низлежащие слои.)

Роль каждого их этих процессов в освобождении пространства в нижней части печи и в обеспечении за счет этого опускания материа­лов различна и непосредственно связана с условиями работы печи и характеристикой шихтовых материалов. Так, влияние процесса окис­ления кокса в реакциях горения и восстановления железа на скорость опускания материалов уменьшается пропорционально расходу вдуваемого

в фурмы топлива и коэффициенту замены этим топливом кок­са. Особенно сильно влияет на уменьшение скорости опускания мате­риалов вдувание пылеугольного топлива с низким содержанием золы и летучих веществ, а также мазута. В минимальной степени влияет на скорость опускания материалов вдувание коксового газа, имеющего минимальный коэффициент замены кокса.

Уменьшение реакционной способности кокса и повышение его горячей прочности уменьшают роль второго фактора.

Уменьшение удельного расхода кокса и повышение содержания углерода в чугуне вследствие различных причин повышают значи­мость третьего фактора. Одновременное уменьшение удельного рас­хода кокса приводит к увеличению объемной доли железорудных ма­териалов в шихте и повышает роль их плавления в опускании шихты. Однако повышение содержания железа в офлюсованной шихте и уменьшение выхода шлака вследствие этого действуют в противопо­ложном направлении на скорость опускания шихты в печи.

Уменьшение объема шихтовых материалов в печи в результате ме­ханической уминки может достигать 12—16% в зависимости от соста­ва доменной шихты и гранулометрического состава ее компонентов. Например, при работе печи на 100% окатышей, диаметр которых со­ставляет 9—16 мм, а средний размер кусков кокса — 50—55 мм, состав шихты можно считать двухкомпонентным по размеру. Порозность* двухфракционных смесей сыпучих материалов сферической формы экстремально уменьшается при приближении доли мелкого компо­нента к 30-35% (Порозность слоя — отношение объема пустот в слое к объему слоя; являет­ся аналогом понятия «пористость куска».)

В зависимости от расхода вдуваемого топлива рудная нагрузка (Рудная нагрузка на кокс (или рудная нагрузка) — отношение массы загру­жаемых в печь рудных материалов к массе загружаемого кокса) на такой печи может составлять 3,5—5,2, а объемная доля окатышей (мелкого компонента) - 45-60%. В результате перколяции окатышей в нижележащие слои кокса порозность таких смесей может умень­шиться на 20—25%.

Агломерат — основной компонент в шихте большинства доменных печей — сам является многофракционньм материалом, но средняя крупность кусков агломерата меньше крупности кусков кокса, и агло­мерат также может, просачиваясь в нижележащие слои кокса, образо­вывать промежуточные слои с пониженной порозностью.

Рассмотрим основные факторы, влияющие на сход шихтовых мате­риалов в доменной печи, с использованием схематичного изображения структуры столба шихты в печи от уровня засыпи до лещади (рис. 1). Силе тяжести, под действием которой происходит опускание ших­товых материалов в доменной печи, противодействуют по меньшей мере три силы, противоположно направленные: сила трения шихто­вых материалов о стенки печи; подъемная сила газового потока, про­низывающего столб шихты и теряющего свою потенциальную энер­гию на противодействие опусканию шихты; подъемная сила жидких продуктов плавки (Архимедова сила). Схема баланса сил, действующих на ко­ксовый тотерман в нижней части печи, приведена па рис. 2.

На положение коксового тотермана относительно днища лещади значительное влияние оказывает отношение диаметров горна и внеш­ней границы торообразной зоны циркуляции в горне. При примерно одинаковой протяженности зоны циркуляции в глубь горна относи­тельная площадь поперечного сечения кольцевой зоны циркуляции (по отношению к площади горна) увеличивается с уменьшением диа­метра горна. Уменьшение давления газа от фурм к центру печи умень­шает подъемную силу газов в направлении от границ зоны циркуля­ции к центру печи. В результате на печах с меньшим диаметром горна действие этой силы в большей мере противодействует опусканию ко­ксового тотермана в центре печи на днище лещади. На печах с боль­шим диаметром горна подъемная сила газов в центральной зоне печи

существенно меньше, чем на периферии, и это позволяет ко­ксовому тотерману опускаться на днище лещади, особенно при недостаточной глубине зумпфа

Рисунок 1- Схематичная структура столба и основные зоны в домен­ной печи при двух различных кон­фигурациях зоны когезии 1 – W-образная зона когезии; 2- V-образная зона когезии; 3 — чугун; 4 — шлак; 5 — зона неподвижного слоя кок­са (коксовый тотерман); 6 - зона под­вижного слоя кокса (подвижная коксо­вая насадка); 7- зона когезии; 8- зона кусковых материалов («сухая» часть шахты); 9 — слои железорудных матери­алов в пластичном состоянии в зоне ко­гезии; 10— слои кусковых железорудных материалов в сухой части шахты; 11 -слои кокса в сухой части шахты; 12 -слои кокса в зоне когезии («коксовые окна»); 13 — зона циркуляции

По мере накопления проду­ктов плавки в горне после окончания очередного выпуска на печах с «плавающим» тотерманом величина подъемной силы жидких продуктов плав­ки, действующая на коксовый тотерман, возрастает, что при­водит к его подъему. В резуль­тате скорость опускания мате­риалов в печи заметно умень­шается не только за счет этой ротиводействующей силы, но и за счет того, что в фурменных очагах при этом начинает сгорать часть кокса, поступающего в них из коксо­вого тотермана снизу. Это приводит к уменьшению сгорания в фур­менных очагах кокса, поступающего в них сверху.

На печах с малой глубиной зумпфа и большим диаметром горна (с «сидящем на лещади» тотерманом при любом.уровне жидких продук­тов в горне) или на печах с большой глубиной зумпфа (с «плавающим» тотерманом), но работающих с незначительными временными интер­валами между выпусками (практически с непрерывным выпуском), данная сила почти отсутствует.

В результате взаимодействия указанных сил опускание или сход шихты происходит только тогда, когда сила тяжести столба шихты превышает сумму всех трех перечисленных выше сил. Разность меж­ду силой тяжести столба шихты Р и суммой указанных трех сил полу­чила название «активный вес шихты»:

Рисунок 2-Схема баланса сил, дей­ствующих на «плавающий» коксо­вый тотерман в нижней части печи

/ — сила тяжести столба шихты; 2 -подъемная сила газового потока; 3 — подъемная сила жидких продуктов плав­ки; 4 - шлак; 5 — металл; 6 - граница проникновения коксового тотермана в жидкие продукты плавки; 7 - чугунная летка

p_a =p-(F₁ + F₂ + F₃ )

где Р — активный вес шихты; F₁ - сила трения шихтовых материалов о стенки печи; F₂ — подъемная сила газового потока; F₃ — подъемная сила жидких продуктов плавки (Архимедова сила).

Сила тяжести столба шихты в доменной печи (Р) ориентировочно может быть вычислена как произведение интегральной насыпной плотности шихтовых материалов (р_м) по всей высоте печи - от уров­ня засыпи до верхней границы коксового тотермана на объем столба шихтовых материалов (V_м) в указанных пределах:

Р= р_м V_м

В свою очередь, сила трения материалов о стенки оказывает реша­ющее влияние на величину и распределение бокового давления ших­ты на стенки печи. В условиях работающей печи подъемная сила газового потока равна произведению потери да­вления газа от фурм до колош­ника на эквивалентную площадь поперечного сечения печи:

F₂ =( Рд - Рк)Sэ

Sэ- частное от деления объема доменной печи на ее высоту в пределах уровня воздушных фурм до уровня засыпи шихты

Рд- давление дутья

Рк -давление колошникового газа

При относительном постоянстве сил F₁ и F₃ активный вес шихты зависит исключительно от подъемной силы газового потока. При постоянных параметрах дутья и вдуваемого топлива подъемная сила газового потока определяется интегральной порозностъю или газопроницаемостью столба шихтовых материалов в пе­чи, т.е. она зависит от двух комплексных факторов — распределения шихтовых материалов по радиусу и окружности печи и качества ших­товых материалов, т.е от их исходного гранулометрического состава, холодной и горячей прочности. Последние характеристики шихтовых материалов и кокса влияют на изменения гранулометрического соста­ва и средней крупности кусков материалов при их движении в печи от колошника до зоны плавления и горна.

Таким образом, перепад давлений (Р_д — Р_к), определяющий подъ­емную силу газового потока, при постоянстве параметров газового

потока в печи зависит от распределения шихтовых материалов по се­чению печи и их гранулометрического состава, изменяющихся по вы­соте печи.