СПОСОБ ВЕДЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ Российский патент 2000 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к металлургии черных металлов, в частности к способам управления ходом доменной плавки.

Известен способ ведения доменной плавки с автоматическим поддержанием заданного общего перепада давления газа /1/, что позволило снизить колебания параметров дутья при стабильной работе печи. Однако при расстройстве хода плавки, работе печи на тихом ходу с неполной загрузкой шахты и с осадками систему управления дутьевым режимом отключают.

Из известных наиболее близким к предлагаемому является способ управления доменной плавкой с непрерывным контролем и поддержанием установленных пределов изменения частных перепадов давления газа /2, с. 208-277/. Регулируют перепады давления газа изменением давления газа и распределения материала на колошнике, расхода, температуры и влажности дутья.

Однако известный способ применим только при устойчивой работе печи с хорошим состоянием профиля и с постоянным качеством шихтовых материалов /2, с. 216-218/. Причиной этого является отсутствие непрерывной информации о силе трения шихты о стенку шахты и об активном весе шихты, определяющем ход печи.

Техническим результатом предложенного способа является возможность управления ходом доменной печи во всем диапазоне работы от задувки до предотвращения подвисания шихты при любых условиях плавки.

Технический результат достигается тем, что способ включает загрузку шихтовых материалов порциями, контроль засыпи шихтовых материалов, подачу горячего комбинированного дутья, определение перепада давления газа по высоте печи ΔP, воздействие на ход плавки изменением технологических параметров загрузки и дутья, при этом согласно изобретению на контролируемом участке печи в шихтовые материалы погружают измерительный стержень, определяют вес загружаемых шихтовых материалов на этом участке печи, вычисляют давление материалов по сечению печи G и силу трения шихтовых материалов о стенку печи F на контролируемом участке, определяют коэффициент активного веса K_a=Q_a/G по следующему соотношению:
Q_a/G = 1-ΔP/G-F/G,
где Q_a - активный вес шихтовых материалов, МПа, и поддерживают K_а в пределах 0,30-0,60. При этом согласно изобретению коэффициент активного веса K_а определяют после каждой загружаемой порции шихтовых материалов, при K_а свыше 0,60 увеличивают, а при K_a меньше 0,30 снижают расход дутья, а при K_a = 0,175-0,30 подгружают коксом, и при K_а = 0,60-0,70 подгружают рудными материалами периферийную часть колошника и увеличивают расход дутья.

На фиг. 1 представлен график в виде части прямоугольного треугольника с равными катетами. Для каждой точки этой схемы справедливо равенство баланса сил:
K_а + K_у + K_т = 1,
где K_y = ΔP/G - коэффициент аэродинамической устойчивости столба шихты;
K_т = F/G - коэффициент относительной затраты энергии на преодоление сил трения.

Остановленной печи соответствуют K_т = 0,175 - 0,40; K_а=0,60-0,85 и K_у=0. При подаче дутья K_т уменьшается за счет снижения K_а и коэффициентов внутреннего и внешнего трений столба шихты. При этом фактический коэффициент бокового давления n= Q_б/Q_в (Q_б - боковое давление шихты на стенку печи) существенно не изменяется, так как величина K_у, возросшая до 0,4 и 0,5 соответственно для полей "Б" и "А", повышает упругость слоя шихты.

Дальнейшее увеличение K_у свыше 0,4 и 0,5 изменяет характер опускания шихты вследствие повышения F, вызванного возрастанием дополнительного бокового давления q_б при продолжающемся снижении вертикальной нагрузки Q_в:
F = 4Q_тf_ш/πdlf_cD = (n₀Q_в+q_б)f_ш,
где Q_т - сила трения между стальным стержнем и шихтой на контролируемом участке;
d и l - диаметр стержня и глубина его погружения в шихту;
f_с - коэффициент трения между стальным стержнем и шихтой;
f_ш - коэффициент трения между стенкой печи и шихтой;
D - средний диаметр печи на контролируемом участке;
n₀=0,28 - средний по сечению коэффициент бокового давления для предельно напряженного состояния при условии очертания эпюры Q_в по параболоиду вращения.

В результате взаимосвязь между K_т и K_у получается экстремальной. Неодинаковое воздействие ΔP на F вызвано способностью газового потока разрыхлять слой шихты и уменьшать коэффициент ее внутреннего трения. Положительное действие возрастающего значения K_у проявляется лишь до 0,4 и 0,5, когда межкусковые пустоты увеличиваются по объему столба шихты достаточно равномерно, облегчая поворот и взаимное перемещение всех частиц. Порозность слоя материалов в этих условиях отвечает критической, при которой взаимное смещение частиц не изменяет относительный объем межкусковых пустот.

При K_у свыше 0,4 и 0,5 средняя порозность слоя шихты продолжает возрастать, но распределение межкусковых пустот становится неравномерным из-за появления мелких каналов, объем которых увеличивается с повышением K_у. В связи с этим любое смещение даже небольшого числа кусков подобно лавине быстро вовлекает в ускоренное движение значительную их массу, резкая остановка которой увеличивает K_т и на некоторое время уменьшает порозность слоя шихты. В результате опускание столба шихты происходит со слабыми толчками, перерастающими с повышением K_у в более сильные с одновременным увеличением K_т.

Диапазон изменения K_а делится на три режима управления:
I - управление снизу (расход, температура и влажность дутья, расход углерод-водородных добавок и кислорода);
II - управление сверху (изменение режима загрузки материалов, доли агломерата и окатышей, уровня засыпи, давления газа под колошником);
III - оптимальный режим.

В диапазоне K_а = 0,30 - 0,60, 0,30 - 0,50 соответственно для полей "А" и "Б" доменная печь работает с наивысшей производительностью и минимальным расходом кокса. Оптимальный режим III достигается благодаря равномерному распределению газового потока на большей части сечения шахты с - образным температурным полем, подгруженной рудными материалами периферийной части колошника и развитым центральным газовым потоком. Для поля "А" режим III на 30% шире, чем для "Б", т.е. более стабильная работа на дутье повышенных параметров, обеспечивающая более высокую производительность и низкий расход кокса. Пунктирными линиями на фиг. 1 показаны поля "В" и "Г" предполагаемой работы печи на худшем качестве сырья и кокса, чем для условий в периоде 3 (таблица).

При K_а более 0,70 и 0, 50 распределение газового потока по сечению шахты еще недостаточно равномерно. Плавка ведется с развитым периферийным газовым потоком и W-образным температурным полем. Поэтому степень использования химической энергии газового потока недостаточно высока и удельный расход кокса повышен. При K_а менее 0,30 в движении шихты появляются мелкие, а затем более крупные обрывы в результате образования незначительных, а позднее и более развитых каналов, приводящих к ухудшению использования химической энергии газового потока и снижению интенсивности плавки по проплавленной рудной сыпи. В итоге снижается производительность печи и увеличивается удельный расход кокса.

В режиме I при K_а = 0,70 - 0,85 и 0,55 - 0,75 ведется раздувка доменной печи. Значения K_а = 0,75 - 0,85 и 0,60 - 0,75 соответствуют остановленной печи. Длительная работа печи в режиме I при высоких значениях K_а приводит к разрушению защитного слоя гарнисажа, огнеупорной кладки и холодильников нижней части шахты и заплечиков. При K_а менее 0,70 (IIA) и 0,55 (IIБ) мер по управлению плавкой снизу (увеличение расхода и температуры дутья, снижение влажности дутья, увеличение расходов природного газа, мазута и угольного топлива, а также кислорода) недостаточно для высокопроизводительной работы печи, повышения степени использования химической энергии газового потока и снижения расхода кокса, поэтому необходимо подгружать рудными материалами периферийную часть колошника, изменяя режим работы загрузочного устройства и уровень засыпи, повышая долю окатышей и перепад давления газа.

Режим I при K_а = 0-0,175 (IА) и 0-0,200 (IБ) соответствует неустойчивому ходу плавки. При K_а=0 шихта подвисает с образованием свода, опирающегося на стенки шахты. Для возобновления опускания материалов сокращают расход дутья и переводят плавку в режим II при K_а = 0,50-0,55 (IIБ) и 0,60-0,70 (IIА), благодаря чему свод разрушается и движение шихты возобновляется, тогда управлением "снизу" и "сверху" плавку переводят в режим III. При K_а менее 0,175 (IА) и 0,200 (IБ) снижают температуру и увеличивают влажность дутья, уменьшают расходы природного газа и кислорода, а когда этих мер становится недостаточно, тогда снижают расход дутья и переводят плавку в режим II при K_а= 0,175-0,30 (IIА) и 0,20-0,30 (IIБ), а затем управлением "снизу" и "сверху" возвращают в режим III.

Работой печи в режиме II при K_а более 0,175 (IIА) и 0,200 (IIБ) обеспечивают максимальную производительность с перерасходом кокса, поэтому режимы IIА и IIБ применяются лишь для выполнения повышенных плановых заданий по производству чугуна.

Нижним пределом режима II при K_а = 0,175 (IIА) и 0,20 (IIБ) является начало подвисания шихты (на фиг. 1 - внутренние границы полей "А" и "Б").

Меры, принимаемые в режиме II при K_а = 0,175 - 0,30 (IIА) и 0,20 - 0,30 (IIБ) при управлении ходом плавки "снизу" и "сверху", являются активными. Снижение расхода дутья в режиме I является пассивной мерой и применяется при расстройстве хода плавки.

Предлагаемый способ ведения доменной плавки реализован на доменной печи N 3 Западно-Сибирского металлургического комбината (полезный объем 3000 м³), в состав АСУ ТП которой входят три уровня автоматизации.

В доменную печь загружали порции кокса, агломерата, окатышей, кусковой руды и металлодобавок, подавали комбинированное дутье с температурой 1050-1100^oC, непрерывно контролировали уровень засыпи шихтовых материалов и перепады давления газа ΔP по высоте печи. Для определения давления шихтовых материалов G по сечению на контролируемом участке печи и силы трения материалов о стенку печи на этом же участке в шихтовые материалы погружали измерительный стальной стержень диаметром d, длиной l и вычисляли коэффициент активного веса K_а = Q_a/G.

1. Исходные данные (измеряемые величины):
1.1. Сила трения шихты Q_т о стальной стержень, кгс (0-1000);
1.2. Уровень засыпи шихты средний:
L_л + L_п)2 = L_ср,
где L_л - левый уровнемер;
L_п - правый уровнемер;
1.3. Высота контролируемой части шихты в печи:
l=l_const = L_cp,
где I_const - расстояние от конуса в опущенном состоянии до отметки амбразуры давления газа;
1.4. Верхний перепад давления газа ΔP_в , кг/см²;
1.5. Вес компонентов шихты в подаче, кг;
G_к - вес кокса;
G_а - вес агломерата;
G_о - вес окатышей;
G_i - вес других компонентов шихты;
1.6. Коэффициенты (которые задаются и могут изменяться):
- коэффициент трения шихты по стали f_c = 0,460;
- коэффициент трения шихты по шамотной кладке f_ш = 0,840;
1.7. Параметры постоянные, см:
- диаметр прутка d=4;
- средний радиус печи в контролируемой зоне печи r = (r₁ + r₂)/2;
- радиус колошника r₁=430;
- радиус на горизонте амбразуры для замера ΔP_в (верхнего перепада давления), r₂=500;
1.8. Насыпная масса γ_i т/м³;
- кокса γ_к =0,5
- окатышей качканарских γ₀ =2,15;
- агломерата ЗСМК γ_a =2,04;
- агломерата мундыбашского γ_a =1,98;
- кварцита γ_кв =1,5;
- шлака конвертерного γ_ш =2,1.

2. Формулы
2.1. Боковое давление шихты на стальной стержень, кгс:
Qσ = Q_т/πdlfe;
2.2. Сила трения шихты на стержень, выполненный из шамота кгс;
F_o=Q_б • f_ш
2.3. Боковая поверхность части печи в контролируемой зоне, см²
S_пов= πl(r₁+r₂)
2.4. Контролируемое сечение печи, см²
S_сеч= πr²
2.5. Сила трения шихты о стенку печи в контролируемой зоне, кг/см²
F = F_о•(S_пов/S_сеч);
2.6. Средний насыпной вес шихтовых материалов, т/м³
γ₀= ΣG_i/Σ(C_i/γ_oi);
2.7. Давление загружаемых материалов, кг/см²;
G = γ₀•1
2.8. Вертикальное давление шихты, кг/см²;
Q_в= G-(ΔP_в+F);
2.9. Коэффициент активного веса шихты K_а:
Q_a/G = 1-(ΔP_в/G-F/G);
2.10. Коэффициент относительной затраты энергии на преодоление сил трения:
K_т = F/G;
2.11. Коэффициент аэродинамической устойчивости столба шихты:
K_у= ΔP_в/G;
2.12. Уравнение баланса сил:
K_а + K_у + K_т = 1.

На фиг. 2 представлены три фрагмента диаграммы изменения K_а на экране монитора. В условиях экономичного и форсированного хода доменной плавки для поля "Б" показатель K_а равен 0,370 - 0,420 с небольшим отклонением от среднего значения. Из девяти загруженных в печь подач (на фиг. 2 они показаны стрелками) в восьми случаях был зарегистрирован ровный сход материалов. В течение 1 часа наблюдался всего один случай значительного уплотнения материалов и снижение K_а (фиг. 2,а).

При менее устойчивом ходе печи в режиме IIБ было загружено только восемь подач (фиг. 2,б). Опускание каждой подачи стало сопровождаться резким повышением K_т и снижением K_а, продолжительность разрыхления уплотненных материалов возросла до 6-8 мин. Для улучшения хода печи на 52-ой минуте подвижные плиты колошника переместили в положение 3 (400 мм от стенки) для разгрузки периферийной части шихты. В итоге величина K_а возросла и ход плавки переместился в режим IIIБ.

Следующий период работы печи (фиг. 2, в) характеризовался еще большим увеличением K_т и снижением K_а. Верхний частный перепад возрос, а величина K_у стала непостоянной, уровнемеры зафиксировали неравномерный сход шихты. Количество загруженных в печь подач за 1 час уменьшилось до пяти. Чтобы предотвратить дальнейшее ухудшение хода и подвисание шихты, на 53-ей минуте сократили расход дутья на 8%, после чего величина K_а возросла с 0,10 до 0,27 и ход печи стал более ровным. Позднее, когда уменьшили число прямых подач РРКК с 7 до 5 (5РРКК + 2КРРК, Р - рудная сыпь, К - кокс), ход плавки перевели из режима IIБ в режим IIIБ.

Изменение производительности доменной печи N 3 ЗСМК и удельного расхода кокса в марте-апреле 1995 г., а также показателей K_а, K_т и K_у от интенсивности плавки по сожженному коксу (I_к) в режиме IIIА представлено на фиг. 3. Минимальному значению K_т соответствует низкий расход кокса и высокая производительность печи.

Работу этой печи на пониженных дутьевых параметрах (K_у=0,10-0,30 и K_а = 0,50-0,70) без управления ходом плавки "сверху" и "снизу" проследили в периодах 1-3 в ноябре 1995 - феврале 1996 гг. (см. таблицу) при различном качестве железорудного сырья. В периоде 1 недостающее количество высококачественного местного агломерата компенсировали малоразрушающимися окатышами Качканарского ГОКа с низким коэффициентом внешнего трения f_ш=0,396 (против f_ш= 0,509-0,565 у агломерата), поэтому плавку вели в режимах IА - IIА на внешней ветви (А) полей K_а и K_т. Особенностью работы печи в этих режимах является существенное расширение зоны потока материалов и увеличение боковых нагрузок на стенки нижней части шахты и заплечиков. Во избежание разрушения холодильников этих зон в периоде 2 ввели 6,7% слабопрочного агломерата Мундыбашской фабрики взамен агломерата 3СМК, увеличили расход дутья и степень уравновешивания шихты газовым потоком K_у с 0,178 до 0,240. В итоге режим плавки переместился с внешней на внутреннюю часть полей K_а и K_т (на границу полей А и Б), зона потока материалов сузилась, создавая условия для образования защитного слоя гарнисажа в нижней части шахты и заплечиках. Ход доменной плавки стал менее устойчивым, появились подстои и обрывы шихты, характерные для периферийного газового потока. Степень использования окиси углерода η_CO снизилась с 0,422 до 0,415, однако из-за интенсификации плавки дутьем производительность печи увеличили на 25,8%. В периоде 3 из-за отсутствия привозных окатышей и агломерата ввели 12,2% негрохоченой атасуйской руды, что привело к снижению содержания железа в шихте с 52,1-53,2 до 50,2%. Для сокращения расхода кокса использовали природный газ и тощий уголь в количестве соответственно 41 м³/т чугуна и 18 кг/т чугуна, а также повысили температуру горячего дутья. Режим плавки IIБ в периоде 3 держали в средней части общего поля K_а и K_т, но, несмотря на это, он оказался более затратным по суммарному углероду из-за периферийного хода и низкой η_CO =0,397.

В целом работа доменной печи в режимах I - II при высоких значениях K_а неэффективна из-за низкой производительности и высокого удельного расхода кокса в сравнении с оптимальным режимом III (фиг. 3); кроме того, длительная работа печи в этих режимах ведет к сокращению кампании.

Работа мощной доменной печи на высоких дутьевых параметрах (K_а=0,10-0,30 и K_у= 0,50-0,70) в неустойчивом режиме II разрешается не более 1 часа, а в режиме I при K_а менее 0,10 вообще не допускается во избежание серьезных расстройств и длительных простоев. Поэтому использование предлагаемого способа управления ходом доменной плавки позволяет эффективно обеспечивать высокопроизводительную работу печи, предотвращать расстройства и подвисания шихты, а также ускорять раздувку после длительных стоянок.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемого способа управления ходом доменной плавки составляет 130600000 руб.

Предлагаемый способ может быть реализован на любой доменной печи.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания.

1. Буклан И.З., Бачинин А.А., Третяк А.А. и др./ Работа доменной печи с автоматической стабилизацией дутьевого режима. // Сталь, 1991, N 11. С. 18-21).

2. Гиммельфарб А. А., Ефименко Г.Г. Автоматическое управление доменным процессом. М., Металлургия, 1969. - 309 с.

Изобретение относится к металлургии черных металлов и может быть использовано для ведения доменной плавки. Сущность способа: осуществляют контроль силы трения шихты о стенку шахты и вычисляют коэффициент активного веса шихтовых материалов по балансу сил, поддерживая его в пределах 0,30 - 0,60. Максимальная производительность печи и низкий удельный расход кокса достигаются при минимальном значении коэффициента относительной затраты энергии на преодоление сил трения. Использование изобретения обеспечивает возможность управления ходом доменной печи во всем диапазоне работы от задувки до предотвращения подвисаний шихты при любых условиях плавки. 3 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ ведения доменной плавки, включающий загрузку шихтовых материалов порциями, контроль засыпи шихтовых материалов, подачу горячего комбинированного дутья, определение перепада давления газа по высоте печи ΔP, воздействие на ход плавки изменением технологических параметров загрузки и дутья, отличающийся тем, что на контролируемом участке печи в шихтовые материалы погружают измерительный стержень, определяют вес загружаемых шихтовых материалов на этом участке печи, вычисляют давлением материалов по сечению печи G и силу трения шихтовых материалов о стенку печи F на контролируемом участке, определяют коэффициент активного веса K_a = G_a/G по следующему соотношению:
Q_a/G = 1-ΔP/G-F/G,
где Q_a - активный вес шихтовых материалов, Мпа,
и поддерживают K_a в пределах 0,30 - 0,60. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент активного веса K_a определяют после каждой загружаемой в печь порции шихтовых материалов. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при K_a свыше 0,60 увеличивают, а при K_a меньше 0,30 снижают расход дутья. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при K_a = 0,175 - 0,30 подгружают коксом, а при K_a = 0,60 - 0,70 подгружают рудными материалами периферийную часть колошника и увеличивают расход дутья.