Методология расчета профиля доменной печи
Учебные материалы


Методология расчета профиля доменной печи



Карта сайта Переход по ссылке Переход по ссылке Переход по ссылке Переход по ссылке

Загрузка...
Загрузка...
Загрузка...

Рабочее пространство современной доменной печи (рис.1.8) состоит из трех цилиндрических частей (колошник, распар и горн) и двух частей, имеющих форму усеченного конуса (шахта и заплечики).

Рис. 1.8. Профиль доменной печи: Но — полезная высота; hмс — высота мертвого слоя; hг — высота горна; hз — высота заплечиков; hр - высота распара; hш — высота шахты; hк — высота колошника; dг — диаметр горна; Dр — диаметр распара; dк — диаметр колошника; aш — угол наклона шахты; aз — угол наклона заплечиков.

Колошник – верхняя цилиндрическая часть печи. Основное назначение цилиндрического колошника печи – осуществлять направленное распределение шихтовых материалов при загрузке их в печь. Он подвергается ударному воздействию ссыпающихся с большого конуса железорудных материалов, кокса и разнообразных добавок при его опускании. С целью сохранения диаметра и высоты колошника в процессе работы печи устанавливается броневая защита, конструкция которой будет описана позже. Диаметр колошника может достигать 11 м, высота – 3,0 м. Шахта имеет форму усеченного конуса. Это самая большая по объему часть печи. В ней сосредоточены физико-химические процессы взаимодействия между твердыми шихтовыми материалами и газами.

Основная задача, возлагаемая на шахту печи – восстановить железорудный материал. При движении материалов в этой зоне необходимо осуществить наибольшее развитие косвенного восстановления оксидов железа, что достигается большим временем пребывания материалов в шахте, а значит, большой ее высотой. При малой высоте шахты материалы приходят в нижнюю часть печи слабо восстановленными, что сопровождается увеличением степени прямого восстановления и возрастанием вследствие этого удельного расхода кокса. Для максимальной эффективности протекания физико-химических реакций столб шихты должен обладать высокой газопроницаемостью, которая ухудшается по мере продвижения материалов сверху в низ шахты из-за их частичного разрушения и термического расширения. Для сохранения высокой газопроницаемости столба шихтовых материалов шахта расширяется сверху вниз.

Распар – это наибольшая по диаметру цилиндрическая часть печи, предназначенная для плавного перехода шахты в заплечики. Размеры распара и расположение этого элемента профиля в печи должны соответствовать начальному этапу процесса шлакообразования. При переходе железорудных материалов в вязкие тестообразные массы на стадии их размягчения существенно уменьшается объем межкусковых пространств (порозность слоя шихты), что приводит к значительному возрастанию газодинамического сопротивления зоны шлакообразования. Для ликвидации подвисаний шихты необходимо снизить скорость движения газа в зоне шлакообразования. Это достигается установкой самой широкой части профиля доменной печи – распара. Высота распара 1,7-2,3 м, диаметр – до 16 м.



После процесса размягчения наступает следующий этап шлакообразования – появление первичного шлакового расплава, который характеризуется повышенным содержанием очень агрессивного монооксида железа (FeO). Первичный шлаковый расплав разъедает огнеупорную кладку печи, поскольку FeO образует с оксидом кремния, находящимся в огнеупорах, легкоплавкое соединение – файялит (2FeO·SiO2). Возможность разрушения шамотной кладки железистым шлаковым расплавом является одной из причин выполнения шахты печи в виде усеченного конуса. Расширение печи способствует уменьшению времени контакта железистого шлака с кладкой.

Заплечики доменной печи имеют форму обратного усеченного конуса. Сужение заплечиков связано с уменьшением объема движущихся в печи материалов в результате их расплавления. Кроме того, сужение печи ниже распара вызвано стремлением поместить фурменные очаги в направлении к оси печи в зону прохождения большей части рудных материалов, т.е. направить газовый поток из зоны горения в так называемый «рудный гребень». Высота заплечиков составляет 3,0-3,5 м.

Горн – это нижняя цилиндрическая часть печи. Высота горна 3,0-5,5 м, диаметр – до 15,5 м. Горн условно делится на 2 части. Верхняя часть, называемая фурменной зоной, равномерно по окружности имеет от 12 до 42 фурменных отверстий. В них вставляются фурменные приборы, через которые в печь по давлением 0,3 -0,5 мПа подается нагретое до 1100 -1250 0С воздушное дутье. Перед фурмами происходит горение кокса, загружаемого в печь через колошник, а также топлива (природный газ, мазут, угольная пыль (ПУТ), коксовый газ), подающегося в печь через воздушные фурмы. Образовавшийся горновой газ, поднимаясь вверх, производит нагрев и восстановление железа и примесей шихты. Высота фурменной зоны 1,0-1,2 м.

Нижняя часть горна называется металлоприемником. В металлоприемнике имеются специальные отверстия для выпуска шлака и чугуна. Эти отверстия называются летками. На печи имеются 1-2 летки для выпуска шлака и 1- 4 – для выпуска чугуна. Через шлаковую летку из печи выпускается так называемый «верхний шлак», находящийся выше ее уровня. Шлак, расположенный ниже этой летки («нижний шлак»), выпускается вместе с чугуном через чугунную летку. Для печей большого объема, оборудованных несколькими чугунными летками, а также при работе печей с малым удельным выходом шлака, необходимость в устройстве шлаковых леток отпадает, поскольку из-за малого времени между смежными выпусками чугуна уровень шлака не достигает уровня шлаковой летки. При плавке титаномагнетитов (например, качканарского железорудного сырья) из-за образования чрезвычайно тугоплавких соединений – карбидов и карбонитридов титана (TiC и TiCN) наблюдается возрастание вязкости шлака и увеличение количества чугуна, увлекаемого шлаком при его выпуске через шлаковую летку. Это приводит к прожиганию металлом элементов шлакового прибора. Вследствие этого при выплавке ванадиевого чугуна отработка верхнего шлака не производится.

Высота печи от подошвы чугунной летки до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата или лотка бесконусного засыпного устройства (БЗУ) в опущенном состоянии называется полезной высотой печи (Н0). Объем печи, ограниченный полезной высотой, называется полезным объемом печи (V0).

Ниже чугунных леток располагается зумпф (приямок). Его высота составляет 0,5-2,0 м. Назначением зумпфа, всегда заполненного жидким чугуном, является предохранение лещади печи (днища металлоприемника) от разрушающих воздействий потоков чугуна и шлака, а также абразивного износа коксом. Объем зумпфа не входит в полезный объем печи.

Надо отметить, что как в России, так и зарубежных странах нет четкой расчетной методики определения размеров основных элементов профиля доменной печи. Это связано, прежде всего, со сложностью протекающих в печи процессов и отсутствием вследствие этого обоснованной математической модели доменного процесса. Длительное время принципы расчета профиля печей считали секретом фирмы и материалы, касающиеся этого вопроса, не публиковали. Только немецкий металлург А. Ледебур в 1873 г. впервые рекомендовал рациональные, по его мнению, соотношения элементов профиля и установил методику определения их абсолютных размеров. Оценку работы доменной печи он характеризовал коэффициентом использования объема, выражая его количеством тонн чугуна, выплавляемого за сутки в одном кубическом метре объема печи (т·сутки/м3). Используя этот коэффициент, А. Ледебур определял объем печи Q, необходимый для выплавки заданного количества чугуна в сутки, а затем и высоту печи:

Н= 2,85Q1/3

,

где 2,85 — коэффициент, соответствующий определенным соотношениям высоты печи и других частей ее профиля при условии, что все размеры (высоты и диаметры отдельных элементов) прямо пропорциональны высоте печи. В частности, hг = 0,1 Н; Hз = 0,21 Н; hр = 0,04 Н; hш = 0,65 Н; dг = 0,17H; D = H/3,5 = 0,2857H; dк = 0,2H; dк = 0,2·3,5 = 0,7 D. При этом остаются неизменными для различных условий работы печи углы наклона заплечиков, т. е. 0,5 (0,2857 — 0,1700)/0,21 = ctg β (β = 74°37'), и шахты 0,5 (2857 - 0,2000)/0,65 = ctg α (α = 86°23').

Эти положения, как было установлено акад. М. А. Павловым, являлись ошибочными, так как размеры отдельных элементов профиля по мере увеличения высоты печи растут неодинаково, что подтверждается как изменением размеров их на протяжении всего развития профиля, так и практикой строительства печей более позднего времени.

Все существующие в настоящее время методы расчета профиля печи можно разделить на две группы - это статистические (метод А.Н. Рамма, Н.К. Леонидова) и метод расчета, предложенный в свое время акад. М.А. Павловым. Статистические методы связывают го­ризонтальные параметры профиля печи с ее полезным объемом, а также и полез­ную высоту эмпирическими уравнениями следующего вида:

d = k1·V0 N1 (1.1)

H0=k2·V0N2 (1.2)

где k1, k2, N1, N2 - эмпирические коэффициенты;

Н0, d - соответственно полезная высота печи и диаметр какого-либо

элемента профиля печи, м;

V0 - полезный объем печи, м3.

При выводе расчетных уравнений как А.Н. Рамм, так и Н.К. Леонидов анализировали профили печей, которые характеризовались сравнительно высокими техническими показателями и не принимали во внимание те доменные печи, которые в силу тех или иных причин имели низкую производительность и высокий удельный расход кокса.

В таблице 1.2 представлены расчетные уравнения, рекомендуемые А.Н. Раммом и В.К. Леонидовым для расчета профиля доменных печей необходимого объема.

Таблица 1.2.-Расчетные уравнения для расчета размеров профиля доменной печи статистическими методами

Элемент профиля печи Метод А.Н. Рама Метод В.К. Леонидова Диаметры, м Распара (D) Горна (dr) Колошника (dK) Высоты, м Полезная (H0) Горна (hг) Заплечиков (h3) Распара (hp) Шахты (hm) Колошника (hK) D = 0,53∙V00,40 dг =0,32∙V00,45 dK = 0,50∙V00,36 H0 = 6,14∙V00,2 hr = 0,115∙H0 h3 = 3,0 hp = 0,08∙H0 hш = 0,69∙H0−3,0 hK = 0,115∙H0 D = 0,384∙V00,44 dr = 0,342∙V00,44 dK = 0,593∙V00,33 H0 = 6,42∙V00,2 hr =0,125∙H0 h3 = 0,l1∙H0 hp = 0,07∙H0 hш = 0,60∙H0 hK = 0,095∙H0

В основу метода М.А. Павлова по определению размеров профиля печи заложено три отношения: H0/D, dK/D и D/dr, а также два угла - угол наклона стен шахты (αш) и заплечиков (α3).

По рекомендации Павлова М.А. отношение полезной высоты печи (Н0) к диаметру распара (D) для печей того времени (печи малого объема) нужно было задавать в пределах 3,3 - 4,25. На современных доменных печах среднего и большого объема значение этого отношения снизилось до 2,10 - 2,45.

Положения, заложенные М.А. Павловым в методику расчета профиля печи, предполагают учет некоторых положений, присущих доменному процессу. Поэтому доменные печи, профиль которых выполнен согласно методике М.А. Павлова, как правило, характеризуются лучшими показателями работы.

Выбор значения Н0/D необходимо делать обоснованно. На печах с низким значением отношения полезной высоты к диаметру распара (т.е. печи низкие, но широкие) при всех равных условиях возможно получение высокой производительности. Это связано с большим поперечным сечением печи и малой скоростью движения газа в ней. В такую печь можно подавать большое количество дутья и получать высокую производительность, не опасаясь подвисаний шихты. Однако, для таких печей характерно неравномерное распределение газового потока по сечению столба шихты и слабое использование восстановительной и тепловой работы газового потока. Из-за этого при хорошей производительности печи удельный расход кокса будет высоким. Напротив, в доменных печах с высоким значением Н0/D (высокие и узкие печи) будет наблюдаться более равномерное распределение газа по сечению шихты, что приведет к увеличению степени использования восстановительной и тепловой энергии газа и снижению удельного расхода кокса. Но в доменную печь такого профиля нельзя подать много дутья, поскольку из-за малого поперечного сечения печи увеличивается скорость движения газового потока и наступает подвисание шихты при сравнительно малом расходе дутья.

В таблице 1.3 в качестве примера приведены размеры профиля доменной печи № 2 Чусовского металлургического завода с полезным объемом 1033 м3.

Доменная печь № 2 Чусовского металлургического завода имеет отношение Н0/D = 3,17 , что соответствует рекомендуемым М.А. Павловым пределам для печей этого объема.

Таблица1.3.-Профиль доменной печи № 2 Чус.М.З.

Параметр Размерность Значение Диаметры: горн - dг мм распар - D мм колошник - dK мм Высоты: полезная - Н0 мм горн - hг мм заплечики - hз мм распар - hp мм шахта - hш мм колошник - hк мм «мертвый слой» - hм.с мм Углы: шахта - αш градусы 85 0 25' 34" заплечики - αз градусы 80 0 32' 17" Отношения: dK/D 0,71 D/dг 1,14 H0/D 3,17

Второе отношение, заложенное М.А. Павловым в метод расчета профиля печи - это отношение диаметра колошника к диаметру распара (dк/D). С этим отношением связан угол наклона стен шахты - αш. Для чего шахта выполняется в виде усеченного конуса, расширяющего вниз? Здесь имеется несколько соображений. Во-первых, при конусной шахте уменьшается вероятность длительного контакта первичных шлаков с огнеупорной кладкой, что способствует ее сохранности. Первичный шлаковый расплав характеризуется повышенным содержанием в нем монооксида железа (FeO), который обладает большой агрессивностью к шамотной кладке, разъедая ее из-за образования силиката железа (по другому - фаялита 2FeO*SiО2). Из-за повышенного содержания FeO первичный шлак имеет высокую плотность и при конусной шахте при движении шлака вниз исключается длительный контакт шлака с кладкой печи. Во-вторых, расширение шахты вниз и заплечиков вверх дает возможность направлять газовый поток, содержащий восстановители через рудный гребень, что дает возможность улучшить восстановительную работу газового потока в печи. Однако, чрезмерное расширение шахты, т.е. когда отношение dK/D необоснованно снижается, вызывает перераспределение шихтовых материалов в доменной печи. Это связано с оттеснением кокса более тяжелыми железорудными материалами к стенкам печи - появляется так называемая «коксовая запазуха». В этом случае рудная нагрузка (отношение массы рудных материалов к массе кокса) у стен печи снижается, что при периферийном подводе дутья и сосредоточения большого количества кокса у стен печи приводит к неуправляемому периферийному газовому потоку с резким снижением восстановительной и тепловой работы газа. Кроме того, при малом значении dK/D уменьшается диаметр колошника, что вызывает возрастание скорости движения газа в верхней части печи и колошник становится местом частых верхних подвисаний шихтовых материалов.

Рекомендация М.А. Павлова по численному значению отношения dK/D составляла в среднем 0,54. Для современных доменных печей это отношение находится в пределах 0,65-0,71, увеличиваясь с ростом полезного объема доменных печей. Угол наклона стен шахты находится обычно в пределах 83-85 градусов. С ростом полезного объема имеется тенденция к снижению угла наклона стен шахты.

Для доменной печи № 2 Чус.МЗ отношение dK/D составляет 0,71, а угол наклона стен шахты равен 85°25ʹ34ʹʹ. Это соответствует рекомендуемым значениям этих параметров для печей такого объема.

Третье отношение, определяющее профиль печи, рассчитываемый по методу М.А. Павлова - это отношение диаметра распара к диаметру горна (D/dг). С этой величиной связан угол наклона стен заплечиков (αш). Сужение печи ниже распара вызвано стремлением разместить фурменные очаги в зоны, в которых проходит основная масса рудных материалов. В этом случае газовый поток направляется в рудный гребень. Этому способствует также разрыхление шихтовых материалов над зонами горения. Нельзя, чтобы отношение D/dг приближалось к единице. В 50-е годы на основе проведенных лабораторных исследований было установлено, что наличие заплечиков существенно снижает вертикальное давление шихты на лещадь. Поскольку считалось, что вертикальная составляющая массы шихты в печи определяет степень форсировки доменной плавки дутьем, то был выдвинут лозунг: «Долой заплечики!» На одной из доменных печей Урала этот лозунг был реализован. Однако, показатели плавки доменной печи без заплечиков были крайне низкими. Вследствие сосредоточения кокса около стен печи и приближения фурменных очагов к огнеупорной кладке на печи наблюдался неуправляемый пе­риферийный газовый поток с низким использованием тепловой и восстановительной способности газового потока, высоким, значением степени прямого восстановления оксидов железа и высоким удельным расходом кокса.

Увеличение значения D/dг сопровождается сужением диаметра горна. Поскольку в фурменной зоне наблюдается максимальная температура газового потока и большой объем горновых газов, то сужение горна печи приводит к нижним подвисаниям шихты.

Вследствие указанного отношение D/dг принимается равным 1,1 - 1,3 (в мировой практике); для доменных печей России это отношение меняется в меньших пределах: от 1,10 до 1,15.

Угол наклона стен заплечиков составляет 79-83 градуса. С ростом полезного объема печей наблюдается четкая тенденция к уменьшению угла наклона стен заплечиков.

Доменная печь № 2 Чусовского металлургического завода имеет отношение D/dp = 1,14, а угол наклона стен заплечиков составляет 80°32Л 17". Эти значения соответствуют рекомендуемым величинам.

Расстояние от уровня чугунной летки до уровня воздушных фурм должно быть достаточным для вмещения накапливающихся между выпусками чугуна и шлака. При этом следует иметь в виду, что жидкие расплавы в горне печи заполняют не весь объем печи, а только объем межкусковых пространств коксовой насадки. Рядом исследований показано, что порозность (объем межкусковых пространств в единице объема) кокса в горне печи составляет 0,35-0,37 м3/м3.

К примеру, при суточной производительности доменной печи № 2 Чус.МЗ 1395 тонн, удельном выходе шлака 0,420 т/т чуг. и при 12 выпусках чугуна в сутки при отсутствии отработки верхнего шлака, за время между очередными выпусками в горне печи скапливается:

чугуна - 116,2 тонн

шлака - 48,8 тонн

Принимая плотность чугуна, равным 6,9 т/м3, а шлака - 2,6 т/м3 в объемном измерении это составит:

чугуна - 16,8 м3,

шлака - 18,8 м3

При диаметре горна печи, равном 7,2 м, площадь его поперечного сечения составляет 40,72 м2. Тогда высота чугуна и шлака, образующихся в печи между выпусками будет равна:

Поскольку горн печи заполнен кусками кокса и расплавы заполняют только межкусковые пространства коксовой насадки, то при порозности слоя кокса в горне печи, равной 0,35 м3/м3, высота слоя чугуна будет равна:

а шлака

Таким образом, высота расплавов чугуна и шлака в горне печи составляет:

hp = 1,17 +1,31 = 2,48 м

При выборе высоты горна доменной печи следует учитывать следующие обстоятельств. Уровень шлака не должен близко подходить к уровню воздушных фурм по двум причинам. Одна из них состоит в том, что при приближении шлака к воздушным, фурмам возрастает вероятность их заливки в период осадок и неровного схода шихты, % также при непредвиденном обрыве гарнисажа. Кроме того, при приближении уровня шлака к уровню воздушных фурм появляется возможность всплытия кусков кокса в фурменный очаг снизу. Это будет сопровождаться снижением скорости опускания шихты в печи (при том же расходе дутья), возрастанием температуры шихты и газа (из-за изменения теплообменных процессов), увеличением нижнего перепада давления газа. В последующем (при выпуске чугуна из печи) эти параметры начнут изменяться в противоположном направлении. Таким образом, периодичность выпуска расплавов из печи сопровождается в данном случае нестабильностью в сходе шихты, в теплообменных и газодинамических процессах. Для того, чтобы уменьшить нестационарность доменного процесса, связанную с периодичностью выпуска продуктов плавки, необходимо исключить близкий подход шлака к уровню воздушных фурм и не доводить расплав шлака до этого уровня ориентировочно на 0,4 - 0,5 м.

Наконец, из-за конструктивных особенностей фурменного прибора, верхняя кромка горна печи должна быть выше уровня воздушных фурм примерно на 0,5 м.

Таким образом, высота горна печи объемом 1033 м3 при осуществлении 12 выпусков чугуна в сутки должна составлять:

При выборе высоты горна печи следует принимать во внимание, что малое значение hг сопровождается неизбежным увеличением числа выпусков; это увеличивает также трудозатраты на горновые операции, приводит к сокращению высоты слоя шлака в горне печи и ухудшению вследствие этого процессов десульфурации чугуна.

Как видно из таблицы 1.1 высота горна доменной печи № 2 Чус.МЗ составляет 3,2 м, что достаточно хорошо согласуется с данными приведенного выше расчета.

Что касается высоты зумпфа («мертвого слоя» - hм.с), то раньше ее делали равной 0,3-0,5 м. Однако, практика показала, что уже в первые месяцы после задувки печи имеет место разгар огнеупорной кладки лещади на глубину до 2,0 метров и более. Поэтому в настоящее время высоту зумпфа для печей среднего и большого объема делают равной 1,10-1,75 м. Доменная печь № 2 Чус.МЗ построена с высотой hм.с. = 0,69 м.

Высоту распара и заплечиков следует делать такой, чтобы зона первичного шлакообразования, связанная с появлением в слое вязких, пластичных масс, затрудняющих движение газового потока, приходилась на самую широкую часть доменной печи - распар. Для обоснованного выбора высоты распара и заплечиков нужен сложный теплотехнический расчет по определению по определению температурного горизонта в печи, на котором из проплавляемых железорудных материалов происходит образование вначале первичных, а затем промежуточных и конечных шлаков. К сожалению таких инженерных методик в настоящее время нет.

Опыт показывает, что положение зоны шлакообразования как в больших, так и в малых печах отличается мало. Положение зоны первичного шлакообразования может изменяться в зависимости от хода печи, состава шихты, технологии ведения плавки; поэтому высоту распара рассчитать невозможно и он делается высотой от 1,2 до 2,0 м. Сказанное относится и к высоте заплечиков − в практике эта высота меняется от 2,5 (для печей малого объема) до 3,5 м для печей объемом 3200-5500 м3.

Высота распара доменной печи № 2 Чус.МЗ составляет 2,0 м, а заплечики имеют высоту 3,0 м.

Ранее говорилось о том, что основное назначение колошника доменной печи состоит в направленном распределении загружаемых шихтовых материалов. Установление требуемой высоты колошника представляет сложную задачу.

Для того, чтобы имелась возможность направленного распределения шихты на колошнике необходимо вместить сюда две - три подачи. Величина коксовой подачи определяется прежде всего полезным объемом доменной печи и может быть определена из следующего эмпирического уравнения:

, (1.3)

где Vк.п - объем кокса в подаче, м3;

V0 - полезный объем печи, м3.

Согласно этому уравнению для доменной печи № 2 Чус.МЗ полезным объемом 1033 м3 минимальное и максимальное значение объема коксовой подачи составляют 8,6 и 11,0 м3.

При диаметре колошника печи, равном 5,8 м его сечение составляет 26,42 м. Если на печи установлена рудная нагрузка 3,6 т/т, то объем железорудного материала (при значении Vк.п = 9 м3) в подаче равен:

(Здесь 0,5 и 1,7 - насыпные массы кокса и железорудного материала, т/м3) Тогда высота 3-х подач будет равна:

Чтобы получить высоту цилиндрической части колошника нужно учесть так называемый «уровень засыпи» (hзаc) - расстояние от кромки большого конуса в опущенном состоянии до уровня шихты на колошнике. Уровень засыпи на колошнике доменной печи № 2 Чус.МЗ поддерживается равным 1,0 - 1,2 м.

В этом случае расчетная высота цилиндрической части колошника должна составлять:

Значение высоты колошника доменной печи № 2 Чус.МЗ равно 2,8 м. В случае выполнения приведенных выше расчетов на вмещение в цилиндрической части колошника 2 подач расчетное значение высоты колошника будет соответствовать установленному.

Решая вопрос о выборе необходимых параметров колошника нужно иметь в виду, что этот размер связан с разностью диаметров колошника и большого конуса - с зазором, который равен:

Δ= (dK - dБ.К) / 2, (1.4)

где dK - диаметр колошника печи, м;

dБ.К - диаметр большого конуса, м.

Обычно этот зазор делается равным 0,7-1,2 м. Малым этот зазор делать нельзя, так как в этом случае из-за роста скорости движения газа в этом зазоре увеличивается вынос пыли. При большом зазоре высоту колошника приходится увеличивать для того, чтобы осуществлять встречу ссыпающихся материалов с цилиндрической частью колошника.

Некоторые вопросы рационального профилирования



edu 2018 год. Все права принадлежат их авторам! Главная