Введение к работе
Актуальность проблем». Важнейшей задачей современного промышленного производства яеляєтся повышение его экономической эффективности и, прежде всего, на основе сокращения расхода энергоносителей, стоимость которых на мировом рынке неуклонно возрастает. Для черной металлургии Украины это имеет особое значение еще и по причине намечающегося истощения природных эапа,-сов топлива. Применительно к доменному производству задача конкретизируется е направлении дальнейшего снижения расхода кокса при выплавке чугуна, а также повышения отдачи от используемых заменителей кокса и сокращения расхода энергии на интенсификацию плавки за счет повышения эффективности применяемых интенси-фикаторов. Решение обозначенной проблемы представляется весьма актуальным также в связи с необходимостью оздоровления экологической обстановки в промышленных районах республики.
Перечисленным задачам соответствует наращивание выплавки чугуна и улучшение экономических показателей работы современных печей на существующих мощностях за счет вскрытия и реализации резервов доменного производства. Достаточным свидетельством наличия таких резервов является весьма существенное различие показателей плавки по расходу топлива и производительности печей при их работе в одинаковых шихтовых и дутьевых условиях.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию возможностей сокращения расхода топлива и интенсификации плавки при выплавке чугуна повышениями нагрузки на кокс и расхода дутья на основе рационализации газо-дутьевог'о режима работы печей и совершенствования распределения материалов на колошнике. С учетом изложенного это является крупной народно-хозяйственной проблемой. Уровень развития теории доменной плавки позволяет провести квалификационный анализ состояния вопроса и, в наиболее общем виде, определяет возможность решения проблемы, однако требует уточнения представлений по ряду позиций, связанных с потребностями в углероде процессов восстановления и теплообмена, газораспределением в горне и механикой фурменных зон горения, закономерностями формирования профиля засыпи материалов и др.
В связи с многообразием факторов, определяющих технические
и экономические показатели домен'-'о;; плавки, в работе применен комплексный подход, включающий разработку методик расчета, решение на их основе задач анализа, позволяющих раскрыть основные закономерности влияния мер "снизу" и "сверху" во взаимосвязи на процессы газодинамики, тепло- и массообмена в доменных печах, проведение комплекса экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях, а также опытно-промышленные испытания предложенных решений. Натурные экспериментальные исследования проведены на доменных печах объемом 1033-5000 м3, работающих в различных шихтовых и газо-дутьеЕЫХ условиях.
Целью работы является поиск, теоретическое обоснование и разработка технологических приемов ведения плавки и средств воздействия на ход печей, обеспечивающих улучшение условий динамики газа и, на этой основе, повышение эффективности работы углерода в тепло- и массообменных процессах.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:
-
анализа путей развития и современного состояния технологии доменной плавки, включая определение уровня реализации традиционных мероприятий по совершенствованию технико-экономических показателей работы печей, а также возможностей практической реализации новых технологических разработок и резервов выплавки чугуна;
-
анализа перспектив, определения условий, теоретического обоснования и разработки наиболее актуальных направлений реализации технологических резервов доменного производства по снижению расхода кокса и повышению интенсивности плавки, применительно к печам Украины;
-
разработки, теоретического и экспериментального обоснования, а также опытно-промышленной проверки конкретных технологических мер по освоению указанных направлений на практике.
Научной новизной обладают и на защиту выносятся следующие разработки автора:
А. Методика и результаты анализа перспектив зниження расхода кокса в доменном процессе с позиции раздельного учета влияния потребностей плавки в углероде как восстановителе а как поставщике тепла, в том числе:
- обоснование показателей для оценки обозначенных потреб-
- b -
постой и вывод уравноїшй их связой с условиями плавки;
вывод уравнений связей и результаты исследований особенностей влияния потребностей в углероде-восстановителе и углероде-источнике тепла на степень прямого восстановления железа и расход кокса;
уточнение роли степени прямого восстановления железа в доменном процессе как координатора и синхронизатора расходов углерода в процессах восстановления и теплопотребления, с помощью которого при снижении потребности в углероде-источнике тепла сокращается его расход в процессах восстановления и наоборот;
методы и результаты оценки коэффициента полезного действия углерода в процессах восстановления и теплопотребления, раскрытие физической сущности еысокой эффективности мероприятий по снижению теплопотребности высокотемпературной зоны;
определение эффективных направлений сокращения расхода кокса и интенсификации доменной плавки в современных условиях и обоснование возможностей их реализации на основе совершенствования газораспределения в горне.
Б. Методика и результаты использования закона сохранения энергии для анализа влияния параметров воздушных фурм и газодинамического режима плавки на образование и размеры зон горения ( циркуляции ), а также газораспределение в горне доменных печей, в том числе:
анализ факторов, определяющих работу потока дутья и размеры зон горения в изотермических условиях, и обоснование влияния энергии давления сжатого газа на механические процессы у фурм;
уточнение влияния начального диаметра струи ( фурм ) о помощью методики Г.Н. Абрамовича;
вывод уравнений и результаты анализа влияния параметров фурм и дутья, а также процессов горения на работу потока по образованию зон циркуляции в неизотермических условиях действующих печей;
обоснование рационального показателя для оценки работоспособности струи дутья в механических процессах у фурм;
В. Результаты исследований путей совершенствования структуры столба шихты в доменной печи на основе повышения газопро-
- 6 - ', ,,
ницаемости слоя железорудных материалов и рационализации распределения шихты на колошнике, в том числе:
уточнение газодинамических характеристик агломерата и окатышей и заключение о возможности повышения газопроницаемости слоя полифракционного агломерата при добавлении к нему окатышей, а также детальное изучение поведения смесей агломерата с окатышами под действием статических, ударных и истирающих нагрузок в холодном состоянии и при восстановительно-тепловой обработке;
методика и результаты аналитических и экспериментальных-исследований по уточнению закономерностей формирования профиля засыпи при загрузке доменных печей типовыми засыпными аппаратами;
разработка и обоснование технологических преимуществ, применительно к бесконусным загрузочным устройствам, принципиально нового способа вращения распределительного желоба - планетарного.
Г. Результаты экспериментальных исследований влияния количества и диаметра воздушных фурм на потери давления при продувке столба сипучих материалов в шахтних печах.
Практическое значение работы состоит во всестороннем обосновании, опытно-промышленных испытаниях и частичном осуществлении .на доменных печах Украины метода снижения расхода кокса при одновременном повышении интенсивности плавки реализуемого за счет сокращения потребности в высокотемпературном тепле на основе совершенствования газораспределения в горне и, в частности, в:
разработке, обосновании и практическом осуществлении ра--ционального газодинамического режима плавки, включающего увеличение на современник печах количества и диаметра воздушных фурм;
обосновании влияния общего перепада статического давления газа в доменных печах на газораспределение в горне;
формулировке и обосновании принципа использования интен-сификаторов плавки, обеспечивающего сохранение неизменным газо- . распределения в горне; ,
разработке, теоретическом и экспериментальном обосновании комплекса мер по совершенствованию газораспределения одновременно по радиусу и окружности горна;
разработке и практическом осуществлении мер по повышению
газопроницаемости олол жплпзорудшгх матпришпн" игі гкшопо омоши-вания агломерата с окатышами в процессе загрузки, а также режимов загрузки, обеспечивающих совершенствование распределения материалов по радиусу и окружности колошника при работе на типовом оборудовании;
- разработке предложений по совершенствованию распредели
тельного узла на современных БЗУ типа "воронка-склиз" и по со
зданию отечественного бесконусного загрузочного устройства до
менных печей с распределителем шихты нового поколения.
Реализация результатов работы. На доменных печах комбината "Криворожсталь" внедрены или в различное время с положительным эффектом использовались следующие разработки и рекомендации настоящей диссертации:
увеличение против проектного количества воздушных фурм на доменных печах №№4 и 6-9;
увеличение до 0,19 м диаметра воздушных фурм на доменных печах №№1 и 4-8 ( в 1973-1978 годах ); на д.п. №8 испытаны с экономическим эффектом 71 тыс. рублей фурмы диаметром 0,21 м;
режим загрузки, включающий смешивание окатышей с агломератом перед подачей в печь на доменных печах №№1-4 и 9; экономическая эффективность по печам №№1-4 - 144,5 тыс. руб. в год;
режим загрузки, включающий набор двух скипов шихтовых материалов на малый конус на доменных печах №№1, 5, 7, 8; экономическая эффективность - 58,197 тыс. руб. в год;
режим загрузки, включающий уменьшение до 6 количества станций работы вращающегося распределителя шихты на доменных печах №№1-3, 5, 7, 8; экономическая эффективность - 51,295 тыс. руб. в год;
режим загрузки, включающий рациональный порядок циклования прямых и обратных подач на доменной печи №7; экономическая эффективность - 22,541 тыс. руб. в год;
питатели вибрационные для дозирования агломерата, окатышей и кокса на доменной печи №9 в количестве 14 шт.; экономическая эффективность - 46 тыс. руб. в год на I питатель;
грохоты агломерата с пространственными колебаниями на доменных печах №№5-8 в количестве 4 шт.; экономическая эффектив -ность - 33,6 тыс. руб. в год на I грохот;
проходят стадию опытно-промышленных испытаний модернизи-
- о -
рованішс загрузочные устройства на доменних печах №1 и 4.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Проблемы автоматизированного управления доменным производством" ( Киев, 1971 и 1983 гг. ); Республиканском совещании "Пути снижения расхода кокса" в г. Днепропетровске в 1982 г.; Всесоюзных научно-технических конференциях "Теория и практика современного доменного производства" и "Теория и технология подготовки сырья к доменной плавке" в г. Днепропетровске в 1983 и 1985 годах; научно-технической конференции "Работа фурменной зоны доменных печей" и Всесоюзной научно-технической конференции "Моделирование процессов в шахтных и доменных печах" в г. Свердловске в 1985 и 1988 годах; научно-технических конференциях "Создание и совершенствовакие энергосберегающих технологий в пирометаллургии" и "Пути улучшения газодинамики металлургических шихт" в г. Караганде в 1988 и 1990 годах, а также на научных семинарах кафедр металлургии чугуна ДМетИ и ДИИ, РТП МИСиС и отдела металлургии чугуна ИЧМ.
і Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 39 статьях и 10 авторских свидетельствах на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения, списка использованных источников из 353 наименований и приложения.. Работа изложена на 350 листах машинописного текста, включая 49 рисунков и 32 таблицы.