СПОСОБ ВЕДЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ Российский патент 1994 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано для регулирования хода доменной плавки.

Известен способ регулирования доменной плавки по частным перепадам статического давления газа, в котором отклонение перепадов давления от заданных значений устраняется регулированием параметров дутья и шихты. При этом регулирующие воздействия принимаются уже при наличии нарушений в распределении шихты и газов в печи. Кроме того, изменение параметров шихты и газов при регулировании приводит к неустойчивости газового потока в переходный период и нестационарности всего процесса и, вследствие этого, к перерасходу кокса и снижению производительности.

Известен также способ регулирования хода доменной плавки, включающий изменение режима загрузки и поддержания общего перепада давления газа в печи, поэтапным изменением расхода дутья и концентрации в нем кислорода. Недостатками его являются использование в качестве импульса для регулирования общего перепада давления газа, который не может всегда однозначно характеризовать состояние газодинамического режима в лимитирующих зонах, что существенно снижает эффективность регулирования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ ведения доменной плавки, заключающийся в том, что при варьировании расхода дутья и содержании в нем кислорода изменяют давление колошникового газа, исходя из условия обеспечения его количества на уровне 48-50 м³/мин.

Недостатками его являются, во-первых, использование в качестве импульса для регулирования среднестатического количества образующегося в единицу времени колошникового газа (при нормальных условиях); во-вторых, не учтены температура колошникового газа, количество газа (точнее его скорость) - главный фактор, определяющий значение перепада давления газа, но далеко не единственный. Изменения температуры газов в шихте, рудной нагрузки, газопроницаемости шихтовых материалов и их распределения существенно изменят величину перепада давления ( Δ Р), несмотря на постоянство выхода колошникового газа в единицу времени (с учетом его давления). Это может вызвать ухудшение газораспределения, причем как при увеличении Δ Р, а в последнем случае еще и нарушение ровности схода шихты со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. По этим причинам достижение цели изобретения - снижение расхода кокса и повышение производительности за счет стабилизации газораспределения представляется проблематичным.

Целью изобретения является уменьшение удельного расхода кокса и увеличение срока службы кладки печи за счет улучшения использования газа и стабилизации газораспределения.

Цель достигается тем, что в известном способе регулирования хода доменной плавки, включающем контроль и регулирование распределения рудной нагрузки по радиусу печи, параметров дутья и колошникового газа, снижение интенсивности осуществляют, сохраняя на постоянном заданном уровне степень уравновешивания шихты газовым потоком в верхней части печи, путем последовательного уменьшения неравномерности распределения рудной нагрузки по радиусу печи изменением режима загрузки, сокращения поступления в печь кислорода с дутьем уменьшением расхода дутья и концентрации в нем кислорода, снижения давления газа на колошнике, причем на каждый 1% требуемого снижения интенсивности плавки по дутью неравномерность распределения рудной нагрузки по радиусу уменьшают на 1,7-1,9% , концентрацию кислорода в дутье сокращают на 0,6% , а давление газа на колошнике снижают до уровня, определяемого по формуле:
1N)] ^1,89·(/γ_г)·(γ_ш/)×
где Q_д - расход дутья, м³/мин;
ω - доля кислорода в дутье;
N₂ - доля азота в колошниковом газе;
γ _г, γ _ш - плотность газа и насыпная масса, кг/т;
Р_к, t_к - давление (ата) и температура колошникового газа, (^оС).

Параметры без и со штрихом относятся соответственно к обычной и пониженной интенсивностям плавки.

Кроме того, с целью сохранения стабильности теплового состояния и качества чугуна, при снижении интенсивности плавки расход вдуваемого природного газа сокращают исходя из снижения теоретической температуры горения до уровня, определяемого по формуле t^l_т= t_т. (Р^l_д/P_д),
где Р_д - давление дутья, ата;
t_т - теоретическая температура горения, ^оС.

Требуемую величину снижения неравномерности распределения рудной нагрузки по радиусу печи получили математическим моделированием, исходя из условия сохранения удельных тепловых потерь через стенку на неизменном уровне (чертеж и табл. 1).

На чертеже изображен график распределения рудной нагрузки.

При пониженных расходах дутья в периодах 2 и 3 подбирали соответствующее распределение рудной нагрузки (кривые 2 и 3), которые бы компенсировало увеличение тепловых потерь от снижения производительности. Кривые характеризовали величиной среднеквадратичного отклонения. При переходе от 1 ко 2 периоду расход дутья сократили на 8,7% , а от 1 к 3 - на 24% . Благодаря уменьшению давления газа под конусом, перепад давления газа остался на неизменном уровне. Подобранные, исходя из постоянства тепловых потерь, кривые 2 и 3 показали, что неравномерность должна быть понижена соответственно на 16,2 и 41,1% (см. табл. 1). Тогда норма снижения неравномерности распределения рудной нагрузки должна быть в пределах 1,9-1,7% на 1% сокращения расхода дутья.

Известно, что с понижением концентрации кислорода в дутье кинематическая энергия и импульс струи дутья увеличивается благодаря повышению расхода дутья в единицу времени.

Не представляет сложности в этих условиях поддержание верхнего перепада давления в заданных пределах. Однако такой способ снижения интенсивности ограничивается теоретической температурой горения, что вынуждает существенно сократить расход природного газа, что ведет к перерасходу кокса.

При снижении давления газов в печи кинетическая энергия и импульс струи дутья наоборот уменьшаются, что ухудшает газораспределение в горне печи с последующим его загромождением и тяжелой аварией. Закрытие в этих условиях части фурм устраняет это отрицательное явление, но значительно ухудшает газораспределение по окружности печи, вызывает неравномерный разгаp кладки и перерасход кокса.

Одновременно снижение давления газов в печи и концентрации кислорода в дутье позволит при определенных соотношениях сохранить параметры истечения дутья и перепады давления газа в оптимальных пределах. Кроме того, требуемое сокращение производительности в этом случае достигается меньшими изменениями давления колошникового газа и концентрации кислорода, чем при раздельном их применении и, следовательно, меньше их отрицательные воздействия на ход плавки. По результатам математического моделирования (табл. 2) концентрацию кислорода необходимо сокращать на 0,6-0,8% на каждый процент уменьшения расхода дутья в единицу времени.

Давление колошникового газа необходимо снизить до уровня, при котором сохраняется степень уравновешивания шихты в верху печи (отношение перепада давления газа на единицу высоты к насыпной массе шихты) на заданном уровне:
ΔP/= ΔP_в/γ_ш, , (1)
где Δ Р_в - верхний перепад давления газа, ата;
γ _ш - насыпная масса шихты (к/м³), которая равна:
γ_ш= (m_А+m_о+m_р+m_к)/(m_А/γ_А+m_о/γ_о+m_р/γ_р+m_к/γ_к),
где m_а, m_о, m_р и m_к - соответственно массы агломерата, окатышей, руды и кокса в подаче, кг;
γ _а, γ_о, γ_р и γ _к - соответственно насыпные массы агломерата, окатышей, руды и кокса, кг/м³.

Здесь и далее по тексту параметры без и со штрихом относятся соответственно к обычной и пониженной интенсивностям плавки.

Подобная запись выражения [1] с использованием известной зависимости Дарси-Вейсбаха:
(λ′·(Q)²·γ_г·θ′)/(P)= (λ·Q2г

·γ_г·θ)/(P·γ_ш), (2)
где λ - коэффициент сопротивления, являющийся функцией критерия Рейнольдса, который по данным Стефановича М. М. , для турбулентного режима движения равен λ= 7,62/Re^Q11
Q_г - выход колошникового газа (м³/мин);
γ_г - плотность газа, кг/м³;
θ - средняя температура газа в верхней части печи (^оК), которая равна:
θ = + 273 = 1396 + tк. г.

Температуру на нижней границе верхней зоны печи приняли 850^оС. Это позволяет выразить количество газа через выход колошникового газа, поскольку при температуре ниже 850^оС невозможно протекание прямого восстановления и объем газа остается неизменным.

t_к.г. - температура колошникового газа, ^оС;
p - среднее давление газа вверху печи (ата), которое можно заменить без ущерба для точности расчета на давление колошникового газа, поскольку давление газа на участке замера верхнего перепада давления меняется незначительно.

Тогда P^l_к= Р_к(Q_г^l/Q_г)² ˙(γ_г^l/γ_г)˙(γ_ш/γ_ш^l)x
x (θ^l/θ)˙(λ^l/λ) ;
Выразим: λ^l/λ= (Q_г/Q_г^l)^0,11,
По балансу азота можно записать:
Q_г= Q_д(1- ω )/N₂,
где Q_д - расход дутья, м³/мин;
ω - доля кислорода в дутье;
N₂ - доля азота в колошниковом газе.

Окончательно получаем:

Расход природного газа сокращают с целью снижения теоретической температуры горения.

Снижение температуры компенсирует влияние давления газов в печи на концентрацию кремния в чугуне. Для сохранения последней на неизменном уровне теоретическая температура горения, согласно статистической обработки производственных данных, снижается на величину, определяемую по эмпирической зависимости
t^l_т= t _т. (Р^l_д/P_д) ^0,2,
где t_т - теоретическая температура горения;
Р_д - давление дутья, ата.

П р и м е р 1. Доменная печь работает с параметрами, указанными в табл. 2, в колонке с давлением под конусом 2,5 ати. По условиям работы цеха (дефицит кокса, ограничения в зоборе чугуна и др. ) требуется снизить производство на 15-20% . Для этого необходимо снизить расход дутья на 10% . Предварительно снижают неравномерность распределения рудной нагрузки на (1,7-1,9)х10 -19% изменением режима загрузки, подгружая, главным образом, периферийную зону и растягивая рудный гребень по сечению печи. Это позволяет уменьшить тепловые потери через стенку печи и сохранить их удельную величину неизменной при пониженной интенсивности. Затем снижают расход дутья на 10% и одновременно уменьшают давление колошникового газа до величины, определяемой по формуле (3):
, 52(, )3267·(1-0,357)·47,0)] ^1,89=
В результате этих воздействий кинетическая энергия дутья возросла на 11% , а импульс струи дутья остался неизменным, что позволило обеспечить нормальную работу горна без закрытия части фурм и не ухудшить газораспределения по окружности печи.

При уменьшении давления газов в печи облегчаются условия восстановления кремния. Чтобы не допустить увеличения его концентрации в чугуне, уменьшают теоретическую температуру горения (путем сокращения расхода природного газа) до уровня t_т^l= 2066. (2,75/3,80)^0,2= 1967^оС
При этом соотношение природный газ - технологический кислород увеличится. Однако увеличение разницы в давлении природного газа и дутья будет способствовать лучшему смешиванию его с дутьем и более полному сжиганию в канале фурмы, что улучшить его использование в печи и дополнительно повысит параметры истечения струи дутья и продуктов его сжигания на выходе из фурмы.

Благодаря увеличению равномерности распределения рудной нагрузки по сечению печи повысится использование тепловой и химической энергии газов, сократятся тепловые потери (за счет подгрузки периферийной зоны). Эти факторы наряду с лучшим использованием природного газа и увеличением времени пребывания шихты в печи обеспечивают экономию кокса на 4 кг/т чугуна (или ≈ 0,4 кг/т чугуна на каждый процент снижения интенсивности плавки по дутью). (56) Авторское свидетельство СССР N 827545, кл. C 21 B 5/00, 1981.

Сущность изобретения: при снижении интенсивности доменной плавки степень уравновешенности шихты газовым потоком в верхней части печи осуществляют при постоянном заданном уровне путем последовательного уменьшения неравномерности распределения рудной нагрузки по радиусу печи изменением режима загрузки, сокращения поступления в печь кислорода с дутьем, уменьшением расхода дутья и концентрации в нем кислорода, снижения давления газа на колошнике, причем на каждый 1% требуемого снижения интенсивности плавки по дутью неравномерность распределения рудной нагрузки по радиусу печи уменьшают на 1,7 - 1,9% , концентрацию кислорода в дутье уменьшают на 0,6% , а давление газа на колошнике снижают до уровня, определяемого по формуле: , ата; где - соответственно исходный расход дутья и в данный момент времени, м³/мин; ω, ω′ - соответственно исходная доля кислорода в дутье и в данный момент времени, % ; - соответственно исходная доля азота в колошниковом газе и в данный момент времени, % ; - соответственно исходные плотность газа и насыпная масса шихты и в данный момент времени, кг/м³; - исходные давление (ата) и температура колошникового газа и в данный момент времени, С. При этом расход вдуваемого природного газа сокращают, обеспечивая снижение теоретической температуры горения до уровня, определяемого по формуле: , С, где - исходное давление дутья и в данный момент времени, соответственно, ата; t_г - исходная теоретическая температура горения, С. 1 з. п. ф-лы, 1 ил. , 2 табл.

1. СПОСОБ ВЕДЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ, включающий загрузку шихты, подачу подогретого обогащенного кислородом дутья и природного газа, контроль и регулирование параметров дутья и колошникового газа, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют контроль и регулирование рудной нагрузки по радиусу печи, при этом при снижении расхода дутья неравномерность распределения рудной нагрузки по радиусу печи уменьшают на 1,7 - 1,9% на каждый 1% снижения расхода дутья, концентрацию кислорода в дутье уменьшают на 0,6% , а давление колошникового газа снижают до величины P_к¹, определяемой по формуле
P= P(/γ_г)·γ_ш/ , ата
где Q_д, Q - соответственно исходный расход дутья и в данный момент времени, м³/мин;
ω , ω′ - соответственно исходная доля кислорода в дутье и в данный момент времени, % ;
N₂, N - соответственно исходная доля азота в колошниковом газе и в данный момент времени, % ;
γ_г, - соответственно исходная плотность колошникового газа и в данный момент времени, кг/м³;
γ_ш, - соответственно исходная насыпная масса шихты и в данный момент времени, кг/м³;
P_к - исходное давление колошникового газа, ата;
t_к , t_к′ - соответственно исходная температура колошникового газа и в данный момент времени, ^oС. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на каждый 1% снижения расхода дутья снижают расход природного газа, обеспечивая снижение теоретической температуры горения до величины t_г′ определяемой по формуле
t_т′ = t_т˙(P_д′ / P_д)^0,2 , ^oC ,
где t_m - исходная теоретическая температура горения, ^oС;
P_д, P - соответственно исходное давление дутья и в данный момент времени, ^oС.