Міністерство освіти і науки України

Національна металургійна академія України

УДК 669.162.28

ПЕТРЕНКО Віталій Олександрович

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСІВ ГАЗОДИНАМІКИ
Й МАССООБМІНУ В ДОМЕННІЙ ПЛАВЦІ

05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ - 2008

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Національній металургійній академії України (м.Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: Ковшов Володимир Миколайович, доктор технічних наук, Національна металургійна академія України, професор, професор кафедри металургії чавуну, м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти: Довгалюк Борис Петрович, доктор технічних наук, Дніпродзержинський державний технічний університет, професор, професор кафедри електроніки та автоматики, м. Дніпродзержинськ.

Донсков Євгеній Гаврилович, доктор технічних наук, Криворізький металургійний факультет Національної металургійної академії України, професор, професор кафедри металургійних технологій, м. Кривий Ріг.

Томаш Олександр Анатолійович, доктор технічних наук, Приазовський державний технічний університет, професор, професор кафедри металургії чавуну, м. Маріуполь.

Захист відбудеться "29" квітня 2008 р. о 12-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна,4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий "23" березня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 08.084.03

доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми: Галузева інноваційна Програма енергозбереження по підприємствах гірнично-металургійного комплексу України на 2006 - 2012 р. р. передбачає корінну реконструкцію основних агрегатів доменних цехів і аглофабрик, що дозволить робити залізорудну сировину з вмістом дрібних фракцій не більше 10%, знизити питому витрату коксу до 360 - 410 кг/т за рахунок використання пиловугільного палива й інших добавок. Доменне виробництво, як найбільше матеріаломістке, є ведучим у загальному економічному ланцюжку одержання готової металопродукції. Підвищення ефективності й інтенсифікація процесу доменної плавки є однією з важливих ланок в удосконалюванні технічного рівня, поліпшенні техніко-економічних показників металургійного підприємства.

У цьому зв'язку особливу актуальність набувають питання реалізації резервів здешевлення чавуну за рахунок зниження питомої витрати коксу. Велике значення при цьому має інтенсифікація газодинамічного режиму плавки, а також процесів масообміну, що досягається, в основному, раціональним взаємним розподіленням шихти й газу по перетині доменної печі, а також оптимальними параметрами газового потоку.

Ця обставина висуває в число актуальних проблем вивчення процесів газодинаміки й масообміну в доменній плавці, які значною мірою визначаються складом доменної шихти, закономірностями руху шихти, радіальним розподілом газових навантажень, раціональними параметрами газодинамічного режиму нижньої зони доменної печі, результатами ходу відновлювальних процесів.

Перспективи вдосконалювання сучасної доменної плавки пов'язані з кардинальним зниженням витрати коксу при повному виводі сирого флюсу із шихти й скороченням виходу шлаків до 300 кг/т і нижче, забезпеченням вмісту кремнію в передільному чавуні на рівні 0,1-0,2%, що істотно підвищить техніко-економічні показники киснево-конвертерного виробництва сталі.

Цей напрямок є актуальним і пов'язаний зі створенням енергозберігаючих технологій доменної плавки, що забезпечують зниження витрати коксу й вугіль, що спікаються, за рахунок використання високоефективних технологій ведення плавки й часткової заміни коксу додатковими видами енергії: електричної, ультразвуку й радіаційного опромінення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами: Виконання роботи було пов'язане з Постановами Колегії Міністерства чорної металургії УРСР № 242 від 21.08.1986 р., Ради Міністрів УРСР №420 від 22.11.1985 р., № 227 від 23.06.1986 р., № 400 від 21.II.1986 р., з виконанням комплексної цільової науково-технічної програми “Метал” Міністерства вищої і середньої спеціальної освіти СРСР згідно завдання 02.01.02 на 1981 - 1986 роки, а також із планами науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України.

Основу дисертації становлять результати таких науково-дослідних робіт, виконаних під керівництвом або при особистій участі автора з 1980 по 1999 р.: № держ. рег. 0182.5021818 " Розробити й освоїти технологію доменної плавки, що забезпечує оптимальний газодинамічний режим при використанні безконусного завантажувального пристрою, інтенсифікацію відновлювальних процесів і впровадити заходи щодо скорочення витрат заліза" (керівник роботи), № держ. рег. 01860059702 " Розробити й впровадити технологію доменної плавки із застосуванням розпушувачів шихти в шахті печі" (керівник роботи), № держ. рег. 01880022999 "Розробити, випробувати й освоїти технологію доменної плавки із застосуванням енергії ультразвуку для інтенсифікації газифікації вуглецю у фурменій зоні печі" (керівник роботи).

Мета й завдання дослідження: Метою дисертаційної роботи є експериментальне вивчення закономірностей розвитку процесів газодинаміки й масообміну в доменній печі, на базі створення й використання теорії й методів фізичного й математичного моделювання, раціональних методів інтенсифікації, а також застосування нетрадиційних видів енергії в доменній плавці. Відповідно до мети були визначені наступні задачі дослідження:

- виявлення фізичних і газодинамічних характеристик нового виду залізорудної сировини - локальних спіків обкотишів;

- визначення впливу факторів завантаження й параметрів опускання стовпа шихти на порозність, реологію шарів і газорозподіл;

- визначення раціональних параметрів осьової зони стовпа шихти з підвищеною газопроникністю;

- визначення впливу структури стовпа шихти, зон когезії, нагромадження продуктів плавки на параметри газодинамічного режиму в нижній зоні доменної печі;

- визначення впливу факторів завантаження на взаємний розподіл залізорудного матеріалу, коксу й газу по висоті подачі, що утворює шар;

- створення математичної моделі впливу розміру кусків залізорудної сировини, газового навантаження, температурного режиму на показники процесу непрямого відновлення залізорудного матеріалу в шарі;

- експериментальне дослідження впливу структури стовпа шихти, газового навантаження й вмісту водню в газовій фазі на показники змішаного відновлення оксидів заліза в залізорудній частині шихти;

- оптимізація процесу змішаного відновлення;

- визначення технологічних можливостей активації паливних добавок до дуття доменної печі електричним розрядом;

- визначення технологічних умов часткової заміни коксу в доменній плавці електроенергією; визначення впливу перемінного електричного струму через стовп залізорудних матеріалів на показники процесу відновлення оксидів заліза;

- визначити технологічні можливості застосування енергії ультразвуку в доменній плавці;

- оцінити попередню радіаційну обробку залізорудних матеріалів на хід процесу відновлення оксидів заліза при відновдювальн-тепловій обробці.

Об'єкт дослідження: процеси відновлення залізорудних матеріалів у доменній печі та процес формування раціональної структури стовпа шихти.

Предмет дослідження: вплив методів інтенсифікації на відновлення, факторів завантаження, застосування нетрадиційних видів енергії на розвиток процесів газодинаміки й масообміну в доменній печі.

Методи досліджень: При виконанні дисертаційної роботи використовувалися методи фізичного й математичного моделювання, експериментальні й теоретичні методи оптимізації. Математичне моделювання проводилося на основі закономірностей, відомих з теорії й технології доменного процесу.

Визначення основних технологічних параметрів процесів газодинаміки й масобміну здійснено на доменних печах ВАТ "Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського" і ВАТ "Митал стил Кривій Ріг".

Дослідження фізичних і газодинамічних характеристик стовпа шихти, закономірностей процесів відновлення залізорудних матеріалів виконані на експериментальних установках Національної металургійної академії України.

Наукова новизна отриманих результатів:

На основі наукових узагальнень, теоретичних розробок і експериментальних досліджень у лабораторних умовах і на промислових агрегатах вирішена важлива науково-прикладна проблема підвищення ефективності виробництва чавуну в доменних печах за рахунок розробки та застосування раціональних методів інтенсифікації та використання нетрадиційних видів енергії в доменній плавці.

Нові наукові результати, отримані автором, полягають у наступному:

- створена концепція вибору складу сучасної доменної шихти, що включає визначення фізичних й газодинамічних властивостей: кут природного укосу, порізність, питому поверхню, питомий перепад тиску газу в шарі в системах, що складаються з агломерату, обкотишів і спіків обкотишів;

- вперше на основі експериментальних досліджень руху стовпа матеріалів, розподілу шихти й газу розроблений новий метод визначення параметрів осьової "віддушини", що відрізняється від відомих урахуванням параметрів зони когезії, режиму нагромадження продуктів плавки та особливостями формування структури стовпа шихти, що дозволяє стабілізувати його газопроникність і газорозподіл при змінах параметрів дуття, та обумовлює резерви інтенсифікації газодинамічного режиму доменної плавки;

- уперше на базі оригінальних досліджень доведена й визначена залежність розвитку непрямого й змішаного відновлення від параметрів структури стовпа шихти в доменній печі, при цьому показане, що найкращими з погляду оптимального сполучення ступеня використання відновлювальної енергії газового потоку й ступеня прямого відновлення є такі умови, при яких стовп містить 5-30% суміші залізорудного матеріалу з коксом;

- досліджений і встановлений новий ефект прискорення процесу відновлення залізорудного матеріалу при протіканні через нього електричного струму, пов'язаний з ростом кількості активних центрів реакції, тому що вони перебувають на межі двох твердих фаз і являють собою сполучення найменш міцно зв'язаних атомів кожної із кристалічних ґраток;

- досліджений і встановлений новий ефект підвищення хімічної активності природного газу в доменній печі шляхом застосування високовольтного електричного розряду й інших нетрадиційних видів енергії, що приводить до порушення молекул, утворенню молекулярних іонів, або до дисоціації молекули на нейтральні або іонізовані осколки (атоми, радикали, іони);

- уперше формалізований вплив попередньої радіаційної обробки доменної шихти й каталітичних добавок на ріст інтенсивності ходу відновлювальних процесів, що пов'язано з утворенням радіаційних дефектів - структурних ушкоджень, які змінюють об'ємні й поверхневі властивості матеріалів.

Достовірність результатів досліджень:

Сформульовані наукові положення дисертації, виводи й рекомендації є достовірними й відповідають об'єктивної дійсності. Достовірність отриманих результатів і висновків при рішенні проблеми базуються на правомірності застосованих методів моделювання, планування й постановки експериментів, оптимізації; використання сертифікованих лабораторних стендів, серійного технологічного устаткування й перевірених приладів; задовільної збіжності результатів моделювання, оптимізації, технологічних розрахунків, стендових випробувань і результатів впровадження на доменних печах.

Практичне значення отриманих результатів:

Проведені дослідження дозволили створити ефективні технології формування структури стовпа шихти, нові конструкції шахти доменної печі, а так само сформулювати тенденції перспективних технологій доменної плавки на базі розроблених автором фізико-хімічних і математичних моделей.

На підставі концепції вибору сучасної доменної шихти розроблена технологія завантаження доменних печей ВАТ "ДМЗ ім. Петровського", що реалізована при використанні в шихті нової гібридної сировини - локальних спіків обкотишів;

Розроблена технологія завантаження доменної печі з урахуванням радіальної нерівномірності опускання шихти реалізована на доменних печах ВАТ "ДМЗ ім. Петровського", що дозволяє стабілізувати хід відновлювальних процесів у перехідний період циклу випуск-нагромадження рідких продуктів плавки;

Запропонована конструкція шахти з розпушувачами шихти й технологія завантаження реалізовані на доменних печах ВАТ "ДМЗ ім. Петровського", що забезпечує збільшення газопроникності стовпа шихти й продуктивності агрегату;

Технологія завантаження доменної печі з раціональними розмірами осьової віддушини реалізована на доменних печах доменних цехів № 1 і 2 ВАТ "Митал стил Кривій Ріг" і дозволяє інтенсифікувати газодинамічний режим плавки за рахунок стабілізації газопроникності стовпа шихти й газорозподіли;

Методи інтенсифікації й стабілізації газодинамічного режиму нижньої зони доменної печі реалізовані в доменному цеху №1 ВАТ "Митал стил Кривій Ріг" і доменних печах ВАТ "ДМЗ ім. Петровського" шляхом оптимізації маси випуску рідких продуктів плавки;

Технологія завантаження з масою подачі, що змінюється, в циклі подач, що забезпечує інтенсифікацію відновлювальних процесів реалізована на доменних печах доменного цеху № 1 ВАТ "Митал стил Кривій Ріг" і доменних печах ВАТ "ДМЗ ім. Петровського";

Результати експериментальних досліджень застосування електроенергії в доменній плавці використані Укрдіпромезом при проектуванні дослідно-промислової доменної печі ВАТ "ДМЗ ім. Петровського";

Розроблені в дисертації методи й методики моделювання й оптимізації процесів газодинаміки й масообміну в доменній плавці використовуються в навчальному процесі при читанні відповідних дисциплін, виконанні курсових і випускних робіт для спеціальності "Металургія чорних металів".

Фактично досягнуто економічний ефект від впровадження наукових розробок дорівнює 6974000 грн. у рік. Очікуваний розрахунковий економічний ефект по перспективних розробках становить 5317000 тис. грн. у рік. Частка автора в цих економічних ефектах становить відповідно 3120000 грн. у рік і 3190000 грн. у рік.

Особистий внесок здобувача: У дисертації узагальнені результати науково-дослідних робіт, виконаних у Національній металургійній академії України з 1980 по 2000 рік під керівництвом автора або при його особистій участі. Узагальнення результатів робіт виконано автором самостійно. Основні ідеї роботи й методики дослідження належать авторові.

У роботах, наведених в авторефераті й опублікованих зі співавторами, авторові дисертації належать: [2] - розділи 5; 6; 7; [3] - розділ 5; [4] - розділи 3; 4; [5] - розділ 4; [6] - розділ 6; [7] - наукове обґрунтування інтенсивності плавки в умовах застосування обкотишів у шихті; [ 9-11, 26, 28, 33, 39] - наукове обґрунтування, розробка методики й експериментальне вивчення факторів газодинамічного режиму доменної плавки; [13, 14, 16, 18, 22, 29] - наукове обґрунтування факторів, що визначають хід процесів газодинаміки в нижній зоні доменної печі; [15] - експериментальне вивчення процесів газодинаміки на промисловій доменній печі; [17, 20, 23, 25, 30-32, 34] - експериментальні дослідження й визначення технологічних умов взаємовпливу факторів які визначають інтенсивність процесів газодинаміки; [19] - проведення експериментальних досліджень активації паливних добавок до дуття й узагальнення їхніх результатів; [21, 24] - наукове обґрунтування застосування електричної й енергії ультразвуку в технології доменної плавки для інтенсифікації процесу; дослідження й наукове обґрунтування інтенсифікації відновлювальних процесів шляхом гамма-опромінення доменної шихти, а також каталітичного впливу добавок на процеси непрямого відновлення; [27] - наукове обґрунтування впливу газових навантажень на хід процесів відновлення в шарі доменної шихти; [35] - експериментальні дослідження питомого електричного опору огрудкованної залізорудної сировини.

Апробація результатів дисертації: Результати досліджень, включених у дисертацію, доповідалися на: Всесоюзной конференции «Теория и практика современного доменного производства» (г. Днепропетровск, 1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Теория и технология подготовки металлургического сырья к доменной плавке» (г. Днепропетровск, 1985 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Работа фурменной зоны доменной печи: газодинамика, теплообмен, массообмен» (г. Свердловск, 1985 г.); Республиканской научно-технической конференции «Интенсификация электроферросплавных процессов и повышение качества продукции» (г. Днепропетровск, 1985 г.), Симпозиуме Академии наук СССР «Кинетика и механизм восстановления» (г. Москва, 1986 г.); Республиканской научно-технической конференции «Союз науки и практики к 100-летию Петровки» (г. Днепропетровск, 1987 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Направления улучшения газомеханики металлургических шихт» (г. Караганда, 1987 г.); Международном конгрессе доменщиков «Производство чугуна на рубеже столетий» (г. Днепропетровск – г. Кривой Рог, 1999 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы получения конкурентоспособной продукции в горно-металлургическом комплексе Украины» (г. Днепропетровск, 2000 г.); Международной конференции "Теплотехника и энергетика в металлургии" (г. Днепропетровск, 2002 г.).

Публікації: Результати роботи викладені в трьох монографіях, трьох навчальних посібниках, 33 статтях у наукових журналах і збірниках, 5 авторських посвідченнях на винаходи.

Структура й обсяг дисертації: Дисертація складається із вступу, розділів, виводів, списку використаних джерел і додатків, викладена на 349 сторінках і містить 109 малюнків на 101 сторінці, 58 таблиць (з них 10 на окремих сторінках), список використаних джерел з 191 найменувань на 17 сторінках і 4 додатків на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ГАЗОДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
У ДОМЕННІЙ ПЕЧІ

У зв'язку з нерегламентованим вмістом обкотишів у залізорудній частині шихти проведені дослідження з визначення оптимального вмісту обкотишів у залізорудній частині шихти. Встановлено наступні недоліки обкотишів у порівнянні з агломератом: різке зниження газопроникності обкотишів при наявності в них дрібних фракцій розміром 0-5 мм більше 3% і відмінність кутів укосу обкотишів від інших складових доменної шихти (у середньому на 7-9°), що приводить до аномального взаємного розподілення шихти й газу на колошнику доменної печі. З метою раціоналізації газорозподілу провели дослідження розподілу шихти з різною часткою обкотишів на експериментальному стенді колошника при зміні параметрів системи завантаження: маси подачі, порядку скіпів і рівня засипки.

Результати досліджень показали тенденцію до "підвантаження" центра печі залізорудними матеріалами зі збільшенням частки обкотишів. Така закономірність спостерігається при прямій і проміжної системах завантаження. З погляду нормального розподілу шихти по радіусу рекомендується використовувати 30-50% обкотишів, застосовуючи в основному пряму систему завантаження. Проведеними дослідними плавками на шихті з різною часткою обкотишів на доменних печах металургійного заводу ім. Петровського підтверджена оптимальна частка обкотишів у шихті 30-50%, причому мінімальна витрата коксу отримана при 30% обкотишів у шихті, а максимальна продуктивність - при 50%.

Незважаючи на наявні недоліки, частка обкотишів у загальному обсязі виробництва залізорудних матеріалів безупинно росте. У цьому зв'язку був апробований новий вид залізорудної сировини - локальні спікі обкотишів. Зазначений вид сировини піддався випробуванням у ході яких були вивчені кути природного укосу для сипучих систем агломерат-спікі-обкотиші.

Дослідження показали, що при додаванні до спіків до 20% агломерату кут природного укосу матеріалів збільшується з 42 до 45 град., а при подальшому додаванні агломерату зменшується з 45 до 39 град.

Поліпшення розподілу залізорудних матеріалів на колошнику доменної печі шляхом заміни частини обкотишів на локальні спікі дозволить позитивно впливати на газодинамічний режим доменної плавки при використанні в шихті все зростаючих кількостей продукції огрудкувальних фабрик.

Для оцінки можливостей інтенсифікації процесу підбором раціонального складу шихти вивчали наступні газодинамічні характеристики стовпа шихти: порізність, питомий перепад тиску в шарі, питома поверхня кусків шихти. Отримано поліноміальні моделі, інтерпретація яких для двохкомпонентних систем показала, що мінімальне значення порізності сумішей агломерат-обкотиші й агломерат-спікі спостерігаються при вмісті останніх 25 і 75% відповідно.

Рис. 1 Зміна кута природного укосу шихти, що складається з

агломерату (Х1), обкотишів (Х2) і локальних спіків обкотишів (Х3)

у трикомпонентних системах

Для визначення металургійної цінності локальних спіків були проведені дослідницькі плавки гібридної сировини - спіків обкотишів на доменній печі корисним обсягом 700 м3 ОАО "ДМЗ ім. Петровського". Випробування на доменній печі підтвердили результати стендових досліджень. При використанні 25-50% спіків замість обкотишів робота доменної печі була стабільною, осьова зона не перевантажувалася залізорудними матеріалами.

Дослідні плавки підтвердили високі металургійні властивості гібридної сировини - спіків обкотишів (виробництва ЦГОК) і дозволили визначити його ефективність: витрата коксу знизилася на 4, 0-4,4 кг на тонну переробного чавуну, а продуктивність підвищилася на 1,1%.

Як відомо з аналізу публікацій, вплив різної швидкості опускання шихти по радіусу печі на газорозподіл вивчено недостатньо. Дослідження проводили на холодному газодинамічному стенді доменної печі, з дотриманням критеріїв моделювання, складених з параметрів, що визначають процес.

Досліди показали, що найбільша газопроникність має місце при периферійно-осьовому сході шихти. При такому режимі сходу утворюються дві зони розпушення: на периферії й у центрі, які займають значну площу, а це сприяє зниженню перепаду тиску. При осьовому або периферійному сході шихти є тільки одна зона розпушення, або на периферії, або на осі печі. Показано, що при русі газу від рівня фурм до рівня колошника в шарі шихти нерівномірність розподілу поля швидкостей по радіусу зберігається. Ця закономірність має місце для всіх режимів опускання шихти. Однією із причин, що обумовлює збереження нерівномірності, є конусність шахти. В експериментах на циліндричній шахті нерівномірність газорозподілу в шахті знизу нагору зменшується.

Аналіз розподілу швидкостей руху газу по радіусу шахти вказує на взаємозв'язок між швидкістю опускання шихти й швидкістю газу. Так, при периферійно-осьовому режимі опускання шихти в стовпі матеріалу максимальні швидкості руху газу спостерігаються на периферії й на осі.

При підйомі газу нагору нерівномірність газорозподілу зменшується, тому що еліпсоїди розпушення вироджуються. Надалі, при наближення до рівня засипки, нерівномірність знову зростає, тому що дається взнаки вплив нахилу поверхні засипки й конусності шахти на розподіл статичного тиску й швидкості газового потоку. Чим більше кут нахилу поверхні засипки, тим сильніше газовий потік відхиляється до центра печі, що сприяє росту швидкостей газу в осьовій зоні. Найменші втрати напору спостерігаються при периферійно-осьовому сході шихти, а найбільші - при осьовому сході шихти. У результаті отримані рівняння регресії, що описують зміну кута нахилу шару від кількості дуття й режиму сходу шихти. З розглянутих рівнянь регресії випливає наступний висновок: у шарі першої подачі найбільш сильним фактором, що впливає на профіль поверхні засипки, є кількість дуття, а в шарі десятої подачі - розподіл швидкостей опускання шихти по радіусу печі.

Як показали результати експерименту, режим опускання шихти впливає на поверхню засипки матеріалів на колошнику й реологію шаруючи в шахті. Кут укосу матеріалів на колошнику при осьовому режимі опускання шихти на 3° перевищує кут укосу для периферійного режиму опускання шихти. При периферійному опусканні шихти, та її частина рухається швидше, що приводить до утворення більше пологого профілю засипки. Кут укосу шихти на колошнику при периферійно-осьовому режимі опускання має проміжні значення між осьовим і периферійним опусканням шихти.

Для стабілізації розподілу матеріалів по радіусу, необхідно вживати заходи, які забезпечили б рівність перепадів тиску в печі до випуску й після нього. Найбільше технологічним і ефективним заходом може служити збільшення витрат дуття й природного газу в кількості, необхідній для стабілізації перепаду тиску газу в печі.

Газопроникність стовпа шихтових матеріалів у доменній печі багато в чому визначається газопроникністю периферійної зони. Отже, додаткове розпушення периферійної зони при незмінній системі завантаження дозволить додатково форсувати доменну плавку. Газопроникність периферійної зони можна збільшити за допомогою встановлення спеціальних пристроїв - розпушувачів. Розпушувач являє собою радіально спрямований стрижень із металу, що представляє собою у перетині рівносторонній трикутник, розташований одним ребром нагору. Дослідження газопроникності шихтових матеріалів з використанням розпушувачів показують, що втрати напору в стовпі шихти при цьому знижуються.

Наявність розпушувачів у шахті дозволяє розпушувати ущільнені при завантаженні шихтові матеріали й збільшувати форсирування печі за рахунок поліпшення газопроникності розпушеного шару.

У дослідженні використовувалися розпушувачі, розташовані на двох горизонтах у шаховому порядку. Довжина розпушувачів 0,25 радіуса колошника. Верхній ряд розпушувачів розташований угорі шахти, відразу під колошником. Саме тут ефект від розпушення найбільший. Нижній горизонт розпушувачів знаходиться від верхнього на відстані, яку визначають по формулі:

h = 5,43 (1)

де h - відстань між обріями установки розпушувачів, м;

dm - діаметр шахти на рівні верхнього обрію розпушувачів, м;

n - число повітряних фурм.

Дослідження показали, що найкращий ефект розпушення досягається при роботі доменної печі на шихті, що містить не більше 35% фракцій 0-10,0 мм. Застосування розпушувачів на доменній печі дасть можливість збільшити газопроникність верхньої зони на 10-20%, а загальної - на 1,5-2,0%, що дозволить збільшити продуктивність приблизно на 1,0-1,5% за рахунок збільшення форсирування доменної плавки. Встановлення розпушувачів у шахті доменної печі привело до додаткового розпушення шихти, що дозволило збільшити витрату дуття. Таким чином, застосування розпушувачів у шахті дозволяє знизити перепад статичного тиску газу на 4-8%. Додаткове розпушення периферії приводить до росту швидкостей газового потоку на периферії, незалежно від режиму сходу шихти.

Від розподілу шихти й газу в доменній печі в значній мірі залежить газопроникність стовпа шихти й продуктивність. Витрата коксу збільшується зі збільшенням витрати дуття і є одним з показників газового навантаження печі, продуктивність якої може збільшуватися не тільки при зменшенні питомої витрати коксу, але й при збільшенні газового навантаження. Щоб збільшити газове навантаження (підвищити продуктивність), необхідно мати в стовпі шихти доменної печі віддушину - канал зі зниженим опором проходу газу. У роботах наших і закордонних авторів, на підставі аналізу даних про зміну розподілу шихти й газу й показників роботи печі рекомендується завантаження в осьову зону тільки коксу. Однак розміри такої зони, що дозволяють збільшити газопроникність стовпа шихти й стабілізувати газодинамічний режим плавки, як у вітчизняній, так і в закордонній літературі відсутні.

Для визначення параметрів віддушини й технологічних можливостей для її створення були проведені дослідження на лабораторних стендах із застосуванням методів моделювання й оптимізації. Дослідження показали, що стабілізація газодинамічного режиму доменної печі наступає при відношенні площі осьової зони з підвищеною газопроникністю шихти до іншої площі перетину зі зниженою газопроникністю шихти (S) 0,066-0,136. Аналіз роботи вітчизняних і закордонних доменних печей показав, що при таких значеннях величини S відношення мінімального значення концентрації СО2 в осьовій зоні до максимального значення в іншій площі перетину колошника повинне бути встановлене в межах 0-0,273 для умов стабілізації газодинамічного режиму печей. Створення такої зони підвищеної газопроникності шихти можливо досягти подачею в початковий період завантаження частки коксової подачі (ук) у центр печі залежно від кута нахилу поверхні засипки ():

ук = 0,133 –3,449 S - 0,312 S tg + 5,795 tg +29,548 S 2 +0,222 tg2 (2)

Дослідження й впровадження проводилися на доменній печі № 6 металургійного комбінату «Криворіжсталь», обладнаної безконусним завантажувальним пристроєм "скліз". У центр, печі (кут неузгодженості між течкою й "склізом" 105°) подавали 22-35% коксу. У зв'язку з довантаженням периферійної зони залізорудними матеріалами верхній перепад статичного тиску спочатку трохи зріс, а потім зменшився й стабілізувався на рівні 15 кПа. При цьому піч прийняла дуття близько 60 м3/год. (3600 м3/с): кількість подач у годину зросло на 1,2 - 10,3 %, ступінь використання відбудовної енергії газу зросло на 0,5-4,4%.

Структура стовпа доменної шихти визначає також конфігурацію пластичної зони (зона когезії) у робочому просторі печі. Вивчення проведене на гарячому газодинамічному стенді зі стовпом шихти, що рухається. У модель подавали нагріте до 160°С повітря й завантажували шихту, що складається з коксика (паливна частина) і парафіну (моделювання рудних матеріалів). Результати експериментів показали значний вплив режиму завантаження на конфігурацію пластичної зони й показник газопроникності нижньої зони стовпа шихти, розрахованої по нижньому перепаду тиску.

Положення рівномірно розподіленого по перетину залізорудного матеріалу впливає на показник газопроникності, що має максимальне значення у випадку нахилу профілю залізорудних матеріалів від осі до периферії, а мінімальне значення - при зворотному укладанні залізорудного шару. При рівномірному радіальному розподілу рудного шару пластична зона має стовщену область у середині радіуса, що пояснюється посиленим розпушенням у цій області.

Рівність ходу й економічність доменної плавки визначаються значною мірою положенням рівня рідких продуктів плавки (їх масою). Заповнення горна, зміна рівня рідких продуктів викликають періодичні зміни газодинамічного й теплового режимів плавки. Положення рівня розплавів викликає неконтрольовані зміни нижнього перепаду тиску. Перед випуском ця величина звичайно зростає, а потім, з подальшим випуском рідких продуктів плавки, знижується.

При нормальних умовах нагромадження продуктів плавки рівень розплаву не вносить істотних змін у величину перепаду тисків. Але як тільки горно заповниться на 90%, починає різко рости перепад тисків, подальше підвищення рівня рідини приводить до значного росту перепаду й погіршенню рівності ходу доменної плавки. Спостерігається (на стенді) здув рідини від фурм у центр і перекручування «дзеркала» рідини. Для перевірки стендових випробувань на доменній печі корисним обсягом 2700 м3 комбінату «Криворіжсталь» провели дослідження з метою встановлення залежності нижнього перепаду тиску від рівня продуктів плавки в горні.

При вивченні впливу нагромадження продуктів плавки в горні доменної печі на коливання газодинамічного режиму була отримана залежність показника відносного коливання газопроникності нижньої зони від маси накопиченого для випуску розплаву. Результати апроксимували поліномом другого порядку з даних якого треба, що оптимальна маса нагромадження чавуну в горні доменної печі корисним обсягом 2700 м3 становить 240-280 т. Цей оптимум відповідає мінімальному коливанню газодинамічного режиму нижньої зони доменної печі (у межах 4,5-5,5%).

Рис. 2 Вплив маси накопиченого розплаву в горні на показник коливання газопроникності нижньої зони доменної печі

Вибір і освоєння раціонального режиму нагромадження продуктів плавки дозволяє інтенсифікувати плавку в середньому на 3-4% і знизити питому витрату коксу в результаті зменшення дії факторів перерозподілу газових потоків по перетину доменної печі. Дослідження й аналіз нестаціонарності процесів розподілу шихти й газу нами проведені на доменній печі № 5 ВАТ "ДМЗ ім. Г.И. Петровського", корисним обсягом 1033 м3.

Аналіз дослідних плавок показав, що застосування систем завантаження, довантажуючих периферію під час випуску, дозволило стабілізувати розподіл газового потоку, а, отже, і шихти по радіусі колошника доменної печі. За рахунок стабілізації розподілу шихти й газу по радіусі печі в період випуску рідких продуктів плавки в досвідченому періоді була збільшена витрата дуття без погіршення ходу, що сприяло росту продуктивності печі. Кількість СО2 на периферії печі збільшилася, а в центрі зменшилося. Використання газового потоку в печі також збільшилося, що послужило причиною зниження питомої витрати коксу. Після приведення до однакових умов роботи продуктивність зросла на 1,02%, а питома витрата коксу знизилася на 0,58%.

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ВІДНОВЛЮВАЛЬНИХ ПРОЦЕСІВ ШЛЯХОМ
РАЦІОНАЛЬНОЇ СТРУКТУРИЗАЦІЇ СТОВПА ДОМЕННОЇ ШИХТИ

Для поліпшення ходу відновних процесів у доменній печі необхідно розподіляти шихту й газ таким чином, щоб на одиниці об'єму газу доводилася рівна кількість залізорудного матеріалу у всіх радіальних зонах доменної печі, тобто прагнути до рівномірного розподілу газових навантажень (співвідношення між кількістю газу й кількістю залізорудного матеріалу)

Аналіз літературних даних показує, що в цей час немає єдиної думки дослідників про раціональну структуру стовпа шихтових матеріалів у доменній печі. Недостатня кількість даних про вплив ступеня змішування залізорудного матеріалу з коксом на показники процесу змішаного відновлення викликає необхідність дослідження даного питання. Дослідження показали, що для шихти зі вмістом дріб'язку 20%, змішування залізорудного матеріалу з коксом практично не робить впливу на загальний перепад тиску в шарі.

Перемішування залізорудних матеріалів з коксом при зсипанні з великого конуса відбувається за рахунок випередження коксу залізорудними складовими як найбільш важкими, а також за рахунок присипання залізорудного матеріалу в кокс. При переході від системи завантаження з одним змішаним шаром (ККАА) до системи завантаження із двома змішаними шарами (КАКА) питомий перепад тиску в шарі подачі зменшується.

Переважаючими факторами, що вплинули на питомий перепад тиску в шарі, з'явилися ступінь змішування залізорудних матеріалів з коксом у різних радіальних зонах і зміна системи завантаження, що привела до перерозподілу газового потоку. Змішування залізорудних матеріалів з коксом по висоті подачі пропонується оцінювати показником дисперсії рудних навантажень по висоті шару подачі. Чим менше дисперсія рудних навантажень по висоті шару, тим рівномірніше розподіляється залізорудний матеріал і кокс, тим більше змішування.

Показано, що збільшення рівномірності розподілу залізорудного матеріалу й коксу по висоті периферійної зони подачі відбувається при збільшенні рівня засипки й при переході до системи завантаження із двома змішаними шарами (КАКА).

Збільшення маси подачі й кута нахилу поверхні засипки приводить до збільшення нерівномірності розподілу рудних навантажень по висоті периферійної зони. У серединній зоні впливу системи завантаження й маси подачі на рівномірність розподілу рудних навантажень по висоті аналогічно їх впливу в периферійній зоні, тобто перехід до системи завантаження із двома змішаними шарами зменшує дисперсію розподілу рудних навантажень, а збільшення маси подачі - збільшує. Інші досліджувані фактори незначно позначаються на рівномірності розподілу рудних навантажень у серединній зоні.

На рівномірність розподілу рудних навантажень по висоті центральної зони найбільш сильний вплив мають два фактори - маса подачі й кут нахилу поверхні засипки. Причому збільшення маси подачі зменшує дисперсію рудних навантажень, а збільшення кута нахилу поверхні засипки збільшує її. Дослідження ходу відновлювальних процесів залізорудного матеріалу при різних газових навантаженнях і різних розмірах кусків матеріалу здійснювалося на лабораторній установці проточного типу, що дозволяє автоматично підтримувати температуру в реакційному просторі на заданому рівні, контролювати витрата й состав газу-відновника, здійснювати хроматографічний аналіз газу, що прореагував.

Як параметр оптимізації ходу відновлювального процесу обраний степінь відновлення залізорудного матеріалу й степінь використання газового потоку. Для визначення степені відновлення залізорудного матеріалу склад відновленого продукту визначали хімічним аналізом. Дослідження показали, що найбільша степінь відновлення залізорудного матеріалу досягається при газовому навантаженні Гн=10х10-3 м3/кгмін, найменший при Гн=2х10-3 м3/кгмін. Підвищення температури сприяло збільшенню степіні відновлення оксидів заліза у всьому діапазоні досліджених газових навантажень, а співвідношення між степінями відновлення при різних газових навантаженнях зменшувалося.

В основу методики дослідження змішаного відновлення залізорудної сировини покладений балансовий метод розрахунку віднятого від оксидів заліза кисню й газифікованого вуглецю. Обробка експериментальних даних на ПЕОМ методами множинної регресії дозволила одержати математичні моделі впливу досліджуваних факторів на показники процесу відновлення залізорудного матеріалу.

Вплив ступеня змішування залізорудного матеріалу з коксом на загальний ступінь використання газового потоку носить екстремальний характер (рис.3). Експериментально встановлено, що найкраще використання газового потоку спостерігається при ступені змішування залізорудного матеріалу з коксом рівним 50%. Збільшення ступеня змішування залізорудного матеріалу з коксом від 0% до 50% приводить до збільшення загального ступеня використання газового потоку з 20,52% до 23,98%. Подальше збільшення ступеня змішування до 100% приводить до зниження загального ступеня використання газового потоку до 14,7%.

Рис. 3. Вплив газового навантаження (Гн), ступені змішування залізорудного матеріалу з коксом (о ) і вмісту водню в відновлювальному газі (Н2,) на показники змішаного відновлення оксидів заліза (щоп, ЮУ)

Дослідження дозволило встановити, що збільшення ступеня змішування залізорудного матеріалу з коксом від 0% до 50% приводить до збільшення ступеня використання оксиду вуглецю на 3,5% (абс.) і водню на 4,49% (абс.). Подальше змішування залізорудного матеріалу з коксом до 100% приводить до зниження ступеня використання оксиду вуглецю на 10,01% (абс.). У той же час зниження ступеня використання водню становить лише 3,7% (абс.). Отже, збільшення ступеня змішування залізорудного матеріалу з коксом (>50%), має найбільший вплив на погіршення ступеня використання оксиду вуглецю.

Експериментальні дослідження впливу вмісту водню у відновлювальному газі показують, що збільшення змісту водню у відновлювальному газі з 0% до 20% приводить до росту ступеня відновлення залізорудного матеріалу з 54,69% до 68,64% причому, найбільший вплив на степінь відновлення залізорудного матеріалу має добавки водню в межах від 10% до 20%.

Загальний ступінь використання газового потоку при збільшенні частки водню у відновлювальному газі також збільшується. Зміна вмісту водню у відновлювальному газі в досліджених межах приводить до росту ступеня використання газового потоку на 14, 81% (абс.). Оптимізацію відновлювального процесу проводили за допомогою функції бажаності Харрінгтона.

Аналіз отриманих результатів показує, що найкращими з погляду оптимального співвідношення ступеня використання газового потоку й ступеня прямого відновлення є такі умови, при яких шар містить 5-30% суміші залізорудного матеріалу з коксом, а відновлювальний газ містить 18-20% водню. Причому при зміні ступеня змішування залізорудного матеріалу з коксом змінюється й вміст водню у відновлювальному газі.

Аналізуючи представлені в даній роботі експериментальні дані прийшли до висновку, що подальше підвищення маси подачі можливо здійснити шляхом збільшення маси зворотної подачі при завантаженні печі циклом, що складається із прямих і зворотних подач. Дослідження впливу маси подачі на розподіл газових навантажень по радіусу доменної печі показали, що збільшення маси зворотної подачі незначно позначається на перерозподілі газових навантажень по радіусу. Найбільш стабільний розподіл газових навантажень при збільшенні маси подачі спостерігається при системі завантаження КАКА.

Експериментально показано, що зміна кута нахилу поверхні засипки при даній системі завантаження незначно позначається на перерозподілі шихтових матеріалів. Важливо також, що при системі завантаження КАКА центр печі не перевантажується агломератом, а його дрібні фракції залишаються в основному в проміжній зоні радіуса. Дослідження впливу факторів завантаження на питомий перепад тиску в шарі показали, що зміна маси подачі й кута нахилу поверхні засипки незначно позначаються на зміни питомого перепаду тиску в шарі подачі при застосуванні зворотних подач типу ККАА і КАКА. Крім того, дослідження розподілу залізорудного матеріалу й коксу по висоті подачі показали, що при застосуванні системи завантаження типу КАКА нерівномірність розподілу рудних навантажень по висоті шару зменшується, а, отже, збільшується ступінь змішування залізорудного матеріалу з коксом. Тобто, створюються передумови для сприятливого протікання відновлювальних процесів за рахунок поліпшення структури шару. Отже, збільшення маси зворотної подачі в циклі дозволяє поліпшити техніко-економічні показники доменної плавки за рахунок підвищення ступеня використання газового потоку.

З метою перевірки ефективності технології завантаження з масою подачі, що змінюється в циклі, проведені промислові випробування її на доменній печі корисним обсягом 2000 м3 ВАТ "Митал стил Кривій Ріг" і доменної печі 700 м3 ВАТ "ДМЗ ім. Петровського". Застосування технології завантаження з масою подачі, що змінюється в циклі, дозволило інтенсифікувати процес теплообміну в печі. Дані випробувань дозволяють зробити висновок про те, що застосування технології завантаження зі змінною масою подачі в циклі на доменних печах різного корисного обсягу залежно від технологічних умов