СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ, СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ЖИДКОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ РАБОТЫ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЕЧИ Российский патент 2024 года по МПК G01F23/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения уровня жидкости, к способу определения уровня жидкости для жидкого материала и устройству для определения жидкости для жидкого материала в вертикальной печи и к способу работы вертикальной печи.

Уровень техники

Например, в вертикальной печи, такой как доменная печь, железная руда и кокс, которые являются сырьевыми материалами, загружаются в доменную печь через колошник, и горячее дутье вдувается в печь через фурму в нижней части печи. Кокс сжигается посредством горячего дутья, вдуваемого в печь через фурму и, таким образом, производится высокотемпературный восстановительный газ. Этот высокотемпературный восстановительный газ плавит и восстанавливает железную руду и таким образом производится жидкий чугун. Жидкий чугун и жидкий шлак (здесь далее иногда упоминаемый как «шлак»), получаемый в качестве побочного продукта при производстве жидкого чугуна, накапливаются в нижней части печи и периодически выгружаются через выпускное отверстие.

При работе такой доменной печи получение данных об остаточном количестве и уровне жидкости для жидкого материала, такого как жидкий чугун и шлак, накапливающегося в нижней части доменной печи, важно для принятия решения о цикле выпуска из печи и осуществления устойчивой и экономичной работы. Когда остаточное количество жидкого материала увеличивается и уровень жидкости для жидкого материала становится слишком высоким, иногда невозможно поддерживать стабильную работу вследствие большой флюктуации давления горячего дутья. Дополнительно, когда уровень жидкости для жидкого материала повышается до уровня, близкого к фурме, фурма забивается шлаком и, в худшем случае, печь становится неработоспособной. Для стабилизации доменной печи, которая стала нестабильной вследствие слишком высокого уровня жидкого материала, необходимо принять такие меры, как увеличение объема кокса, загружаемого через колошник печи, и изменение количества горячего дутья, вдуваемого в печь через фурму. Это ведет к увеличению затрат на работу доменной печи.

В качестве технологии получения остаточного количества жидкого материала, патентная литература 1 раскрывает способ измерения напряжения при пропускании электрического тока через электрод, установленный на боковой поверхности доменной печи, и измерения уровня жидкого материала на основе измеренного напряжения. Патентная литература 2 раскрывает способ отображения потока жидкого чугуна и шлака, выгружаемого через выпускное отверстие, используя камеру, вычисление скорости выгрузки жидкого чугуна и шлака, исходя из полученного таким образом изображения, и оценку остаточного количества жидкого материала в доменной печи на основе скорости выгрузки.

Список литературы

Патентная литература

PTL 1: публикация № 2006-176805 японской нерассмотренной патентной заявки

PTL 2: публикация № 2017-160498 японской нерассмотренной патентной заявки

Непатентная литература

NPL 1: Такаши Сугияма и трое других «Analysis on Liquid Flow in the Dripping Zone of Blast Furnace», Tetsu-to-Hagane, том 73 (1987), № 15, стр. 2044-2051

NPL 2: Справочник «Physical and chemical data book for iron-and steelmaking», Ironmaking (2006), Институт чугуна и стали, Япония, стр. 437

NPL 3: Юсуке Кашихара и четверо других «Effect of Unconsumed Mixed Small Coke on Permeability in Lower Part of Blast Furnace», Tetsu-to-Hagane, том 102 (2016), № 12, стр. 661-668

NPL 4: Тейхэи Ноучи и два других «Effects of Operation Condition and Casting Strategy on Drainage Efficiency of the Blast Furnace Hearth», Tetsu-to-Hagane, том. 92 (2006), № 12, стр. 269-274

Сущность изобретения

Техническая проблема

Однако в соответствии со способами, раскрытыми в патентной литературе 1 и в патентной литературе 2, специальный датчик или камера для измерения электрического сопротивления или потенциала, получаемого для жидкого материала в доменной печи, или скорости потока, выгружаемого через выпускное отверстие жидкого чугуна и шлака, должен быть расположен в среде, в которой образуется пыль и т.п. Поэтому эти способы, к сожалению, требуют не только начальных затрат на установку оборудования, такого как специальный датчик или камера, но также эксплуатационных затрат на обслуживание оборудования. С другой стороны, уровень жидкого материала может быть определен на основе баланса материалов между количеством произведенного жидкого чугуна и шлака и количеством жидкого чугуна и шлака, выгружаемом через выпускное отверстие, и деления остаточного количества на долю пустот в нижней части печи. Однако в соответствии с этим способом уровень жидкого материала определяется, предполагая, что доля пустот в нижнем участке печи постоянна, хотя состояние кокса, заполняющего нижний участок печи, неоднородно, и поэтому уровень жидкого материала не может быть определен с высокой точностью. Настоящее изобретение было выполнено с учетом этой проблемы традиционных технологий, и задача настоящего изобретения состоит в представлении способа определения уровня жидкости для жидкого материала и устройства, способного с высокой точностью определять уровень жидкого материала, исходя из остаточного количества жидкого материала, и способа работы вертикальной печи, используя этот способ определения. Другая задача настоящего изобретения состоит в представлении способа определения уровня жидкости и устройства, способного определять уровень жидкости с высокой точностью не только в вертикальной печи, а также в контейнере, заполненном твердым веществом так, что образуется твердофазная структура.

Решение проблемы

Ниже представлено решение описанной выше проблемы.

[1] Способ определения уровня жидкости для определения уровня жидкости, остающейся в нижней части контейнера после того, как жидкость выгружена через выпускное отверстие в нижней части контейнера, причем контейнер заполнен твердым веществом так, что образуется твердофазная структура, и жидкость содержится в контейнере в таком виде, чтобы она просачивалась в пустоты по меньшей мере в части твердофазной структуры, способ определения уровня жидкости включает в себя: вычисление доли пустот в твердофазной структуре; и определение уровня жидкости для жидкости после окончания выгрузки, используя вычисленную долю пустот и остаточное количество жидкости после окончания выгрузки.

[2] Способ определения уровня жидкости по п. [1], в котором долю пустот в твердофазной структуре вычисляют с использованием угла наклона поверхности жидкости в конце выгрузки жидкости через выпускное отверстие.

[3] Способ определения уровня жидкости для жидкого материала, остающегося в нижней части вертикальной печи после окончания выгрузки жидкого материала, причем в вертикальной печи производится высокотемпературный восстановительный газ путем сжигания угля с помощью кислородосодержащего газа, продуваемого через нижнюю часть вертикальной печи, производится жидкий материал в результате того, что высокотемпературный восстановительный газ расплавляет и восстанавливает исходное железное сырье, которое загружается через колошник вертикальной печи и образует в вертикальной печи твердофазную структуру, и жидкий материал выгружается через выпускное отверстие вертикальной печи, при этом способ определения уровня жидкости для жидкого материала включает в себя вычисление доли пустот в твердофазной структуре и определение уровня жидкости для жидкого материала после окончания выгрузки, используя вычисленную долю пустот и остаточное количество жидкого материала после окончания выгрузки.

[4] Способ определения уровня жидкости для жидкого материала по п. [3], в котором долю пустот в твердофазной структуре вычисляют с использованием угла наклона поверхности жидкого материала в конце выгрузки через выпускное отверстие.

[5] Способ определения уровня жидкости для жидкого материала по п. [3] или [4], в котором долю пустот вычисляют с использованием вязкости жидкого материала, вычисленной, исходя из концентрации компонент выгружаемого жидкого материала и температуры жидкого материала.

[6] Способ определения уровня жидкости для жидкого материала по любому из пп. [3]-[5], в котором долю пустот вычисляют с использованием скорости выгрузки при окончании выгрузки жидкого материала, вычисленной, исходя из количества выгрузки, периода выгрузки и начальной скорости выгрузки жидкого материала.

[7] Способ работы вертикальной печи, характеризующийся тем, что в случае, когда уровень жидкости, определенный способом определения уровня жидкости для жидкого материала по любому из пп. [3]-[6], превышает заданное пороговое значение, выполняют по меньшей мере одно из: управляющего действия для понижения скорости производства жидкого материала и управляющего действия для выгрузки жидкого материала.

[8] Устройство для определения уровня жидкости для определения уровня жидкости, остающейся в нижней части контейнера после того, как жидкость выгружается через выпускное отверстие в нижней части контейнера, причем контейнер заполняется твердым веществом так, что образуется твердофазная структура, и жидкость содержится в контейнере в таком виде, чтобы она просачивалась в пустоты по меньшей мере в части твердофазной структуры, при этом устройство определения уровня жидкости содержит блок определения уровня жидкости, который вычисляет долю пустот в твердофазной структуре и определяет уровень жидкости для жидкости после окончания выгрузки, используя рассчитанную долю пустот и остаточное количество жидкости после окончания выгрузки.

[9] Устройство для определения уровня жидкости по п. [8], в котором блок определения уровня жидкости вычисляет долю пустот в твердофазной структуре с использованием угла наклона поверхности жидкости в конце выгрузки жидкости через выпускное отверстие.

[10] Устройство для определения уровня жидкости для жидкого материала, остающегося в нижней части вертикальной печи после окончания выгрузки жидкого материала, причем в вертикальной печи производится высокотемпературный восстановительный газ путем сжигания угля с использованием кислородосодержащего газа, продуваемого через нижнюю часть вертикальной печи, производится жидкий материал в результате того, что высокотемпературный восстановительный газ расплавляет и восстанавливает исходное железное сырье, которое загружается через колошник вертикальной печи и образует в вертикальной печи твердофазную структуру, и жидкий материал выгружается через выпускное отверстие вертикальной печи, при этом устройство для определения уровня жидкости содержит блок определения уровня жидкости, который вычисляет долю пустот в твердофазной структуре и определяет уровень жидкости для жидкого материала после окончания выгрузки, используя рассчитанную долю пустот и остаточный количество жидкого материала после окончания выгрузки.

[11] Устройство для определения уровня жидкости для жидкого материала по п. [10], в котором блок определения уровня жидкости вычисляет долю пустот в твердофазной структуре с использованием угла наклона поверхности жидкого материала в конце выгрузки жидкого материала через выпускное отверстие.

[12] Устройство для определения уровня жидкости для жидкого материала по п. [10] или [11], в котором блок определения уровня жидкости вычисляет долю пустот, используя вязкость жидкого материала, вычисленную, исходя из концентрации компонент выгруженного жидкого материала и температуры жидкого материала.

[13] Устройство для определения уровня жидкости по любому из пп. [10]-[12], в котором блок определения уровня жидкости вычисляет долю пустот, используя скорость выгрузки в конце выгрузки жидкого материала, вычисленную, исходя из количества выгрузки, периода выгрузки и начальной скорости выгрузки при выгрузке жидкого материала.

Предпочтительные результаты изобретения

Способ и устройство для определения уровня жидкого материала, соответствующие настоящему изобретению, вычисляют долю пустот в заполненном твердым веществом слое в конце выгрузки жидкого материала и определяют уровень жидкого материала, используя долю пустот, и, следовательно, могут с высокой точностью определить уровень жидкого материала, исходя из остаточного количества жидкого материала. В результате, с высокой точностью может быть выполнено управляющее действие, основанное на уровне жидкого материала, и поэтому возможно избежать проблем вертикальной печи в большей степени, чем при обычном способе, и реализовать стабильную работу вертикальной печи.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - вид в поперечном разрезе нижней части доменной печи.

Фиг. 2 - вид в поперечном разрезе нижней части доменной печи в конце выгрузки.

Фиг. 3 - блок-схема устройства для определения уровня жидкости.

Фиг. 4 - график, иллюстрирующий результат, полученный при выполнении Примера.

Описание вариантов осуществления

Настоящее изобретение ниже будет описано на основе варианта осуществления. В настоящем варианте осуществления доменная печь используется в качестве вертикальной печи и описываются способ и устройство определения уровня жидкости для жидкого материала в доменной печи. Однако способ и устройство определения уровня жидкости для жидкого материала, соответствующие настоящему изобретению, применимы не только к доменной печи, но также и к любой вертикальной печи, в которую исходное железное сырье и кокс загружаются через колошник печи и кислородосодержащий газ продувается через нижнюю часть печи для производства жидкого материала, и которая выгружает жидкий материал через выпускное отверстие.

На фиг. 1 представлен вид в поперечном разрезе, схематично изображающий нижнюю часть доменной печи 20. Железная руда и кокс, которые являются сырьем, поочередно загружаются в корпус 10 печи через колошник 20 доменной печи, чтобы сформировать слои, и горячее дутье, которое является кислородосодержащим газом, и восстановитель, такой как пылеобразный уголь, вдуваются в корпус 10 печи через фурму 12, обеспечиваемую в нижней части корпуса 10 печи. Углерод, содержавшийся в коксе и пылеобразном угле, сжигается в кислородосодержащем газе, продуваемом через фурму 12. Это создает высокотемпературный восстановительный газ. Высокотемпературный восстановительный газ расплавляет и восстанавливает железную руду и, таким образом, производится жидкий чугун. Высокотемпературный восстановительный газ, используемый для плавления и восстановления железной руды, затем удаляется в качестве колошникового газа через колошник. Произведенный жидкий чугун и шлак, произведенный в качестве побочного продукта, когда производится жидкий чугун, накапливаются в нижней части печи и выгружаются через выпускное отверстие 18 через каждый заданный период. В настоящем варианте осуществления жидкий чугун и шлак совместно упоминаются как жидкий материал 16. Железная руда является примером исходного железного сырья.

В нижней части корпуса 10 печи образуется твердофазная структура 14 с коксом, загруженным через колошник. Жидкий материал 16, накопленный в нижней части корпуса 10 печи, заполняет пустоты в твердофазной структуре 14. В случае, когда скорость, с которой жидкий материал 16 выгружается через выпускное отверстие 18, выше, чем скорость, с которой производится жидкий материал 16, остаточное количество жидкого материала 16 в нижней части постепенно уменьшается. Когда остаточное количество жидкого материала 16 уменьшается до такой степени, что уровень жидкого материала 16 становится таким же, как высота выпускного отверстия 18, высокотемпературный восстановительный газ начинает удаляться из печи. Когда высокотемпературный восстановительный газ начинает удаляться через выпускное отверстие 18, становится труднее выгружать жидкий материал 16 через выпускное отверстие 18. Поэтому открывается другое выпускное отверстие, а выпускное отверстие 18, через которое удаляется высокотемпературный восстановительный газ, закрывается и, таким образом, жидкий материал 16 постоянно выгружается из корпуса 10 печи.

На фиг. 2 схематично представлен вид в поперечном разрезе нижней части доменной печи 20 в конце выгрузки. Как показано на фиг. 2, поверхность жидкого материала 16 наклонена в направлении выпускного отверстия 18 за счет разности давлений между входной стороной и выходной стороной потока жидкого материала, что связано с сопротивлением потоку жидкости, имеющим место из-за вязкости и т.п. твердофазной структуры 14 и жидкого материала 16. Способ и устройство для определения уровня жидкости для жидкого материала, соответствующие настоящему варианту осуществления, вычисляют долю пустот в твердофазной структуре в нижней части, исходя из угла наклона поверхности жидкого материала 16 в конце выгрузки жидкого материала 16, и определяют уровень жидкого материала 16 после окончания выгрузки, используя эту долю пустот. Таким образом, вычисляя долю пустот в твердофазной структуре в конце выгрузки жидкого материала 16, уровень жидкости для жидкого материала может быть определен с высокой точностью.

На фиг. 3 представлена конфигурация устройства 30 для определения уровня жидкого материала, соответствующего настоящему варианту осуществления. Как показано на фиг. 3, устройство 30 для определения уровня жидкого материала содержит блок 31 определения уровня жидкости, который вычисляет долю пустот в твердофазной структуре 14 и определяет уровень жидкого материала 16 после окончания выгрузки. Блок 31 определения уровня жидкости реализуется как универсальный компьютер и т.п., содержащий центральный процессор (central processing unit, CPU), который обрабатывает информацию, и запоминающее устройство, и выполняет вычисление, которое будет описано позже. Устройство 30 для определения уровня жидкости дополнительно содержит базу 32 данных, в которой заранее запоминаются различные величины, используемые для вычисления, которое будет описано позже.

Ниже описывается способ определения уровня жидкого материала 16 после окончания выгрузки блоком 31 определения уровня жидкости устройства 30 определения уровня жидкости для жидкого материала.

Z_F - разница высот между высотой выпускного отверстия 18 и уровнем Z жидкого материала 16 в конце выгрузки, D_h - диаметр горна, и θ - угол наклона поверхности жидкого материала 16 удовлетворяют следующей формуле (1).

В приведенной выше формуле (1) Z_F - разность высот (м) между высотой выпускного отверстия 18 и уровнем Z жидкого материала 16 в конце выгрузки. k - безразмерная произвольная постоянная (-), найденная экспериментально. Безразмерная произвольная постоянная k найдена способом, описанным в непатентной литературе 4. Например, в случае типичной доменной печи, k = 7,0. D_h - диаметр (м) горна. μ - вязкость (Па·с) жидкого материала 16. ρ - плотность (кг/м³) жидкого материала 16. g - гравитационное ускорение (9,8 м/с²). d_p - диаметр частиц (м) в твердофазной структуре 14. ε - доля пустот (-) в твердофазной структуре 14. v_f - скорость выгрузки (м³/с) жидкого материала 16 в конце выгрузки. S - площадь поперечного сечения горна (м²). Заметим, что (-) означает безразмерную величину.

Уровень Z жидкого материала 16 определяется по следующей формуле (2).

В приведенной выше формуле (2), Z - уровень жидкости (м) для жидкого материала 16. V - количество (кг) жидкого материала 16. ρ - плотность (г/м³) жидкого материала 16. S - площадь поперечного сечения горна (м²). ε_ave - средняя доля пустот (-) в заполненной твердой породой структуре 14.

Хотя вязкость μ и плотность ρ жидкого материала 16 являются вязкостью и плотностью жидкого чугуна и шлака, в настоящем варианте осуществления используются плотность и вязкость шлака, который является более вязким и оказывает большое влияние на падение давления. Хотя в качестве вязкости μ жидкого материала 16 может использоваться постоянное значение (от 0,25 Па·с до 0,35 Па·с), вязкость μ жидкого материала 16 может быть вычислена при помощи способа, описанного в непатентной литературе 1, который является способом вычисления вязкости, исходя из концентрации и температуры компонентов, таких как CaO, MgO, Al₂O₃, SiO₂ и FeO. В случае, когда вязкость жидкого материала оценивается способом, описанным в непатентной литературе 1, температура выгружаемого жидкого материала, измеренная термометром 41, таким как термопара, может использоваться в качестве температуры жидкого материала. Хотя в качестве плотности ρ жидкого материала 16, может использоваться постоянное значение (значение прошлой записи), плотность ρ жидкого материала 16 может быть вычислена при помощи весового соотношения FeO в расплавленном шлаке, используя способ, описанный в непатентной литературе 2.

В случае, где кокс загружается через колошник вертикальной печи, диаметр d_p частиц в твердофазной структуре 14 может быть средним диаметром частиц кокса, загруженного через колошник. Как описано в непатентной литературе 3, может использоваться диаметр частиц кокса, учитывающий начальное распределение диаметра частиц кокса, загружаемого через колошник печи, и влияние изменения распределения диаметра частиц, вызванного химической реакцией, физическим ударом и т.п. во время падения кокса на нижнюю часть печи. Площадь S поперечного сечения горна находят, исходя из диаметра нижней части вертикальной печи. В качестве среднего значения ε_ave доли пустот, используется начальное значение 0,4 доли пустот ε, когда уровень жидкости вычисляется впервые, а после этого используется доля пустот, вычисленная по приведенной выше формуле (1).

Далее описывается способ вычисления скорости v_f выгрузки жидкого материала 16 в конце выгрузки. Скорость v_f выгрузки жидкого материала 16 в конце выгрузки находят по следующей формуле (3).

В приведенной выше формуле (3), v - скорость выгрузки (м³/с) жидкого материала 16. v₀ - начальная скорость выгрузки (м³/с) жидкого материала 16. t - период выгрузки (секунды). а - ускорение выгрузки (м³/с²). То есть в представленном варианте осуществления v_f - скорость выгрузки жидкого материала 16 вычисляется при помощи ускорения а выгрузки, периода t выгрузки и начальной скорости v₀ выгрузки жидкого материала 16.

Количество M (кг) жидкого материала, выгружаемого в период Т выгрузки, вычисляется по следующей формуле (4).

В приведенной выше формуле (4), M - количество (кг) загруженного жидкого материала 16. T - период выгрузки (секунды). а - ускорение выгрузки (м³/с²). v₀ - начальная скорость выгрузки (м³/с). ρ - плотность (кг/м³) жидкого материала 16.

Далее описывается способ вычисления начальной скорости v₀ выгрузки по вышеупомянутой формуле (4). Падение давления, вычисленное, исходя из разности между энергией жидкого материала 16, находящегося вблизи выпускного отверстия, и энергией загруженного жидкого материала 16, и падение давления в выпускном отверстии, вычисленное согласно уравнению Дарси-Вейсбаха, находят согласно теореме Бернулли. Полагая, что эти падения давления равны, получают следующую формулу (5).

В приведенной выше формуле (5), P_i-O - перепад давлений (атм.) между внутренним давлением в вертикальной печи и атмосферным давлением. ρ - плотность (кг/м³) жидкого материала 16. g - гравитационное ускорение (9,8 м/с²). Z_S - разность (м) между высотой жидкого материала 16 и высотой выпускного отверстия 18 на выходе в начале выгрузки. d_th - диаметр (м) выпускного отверстия 18. λ - коэффициент трения (-) внутренней стенки выпускного отверстия 18. L_th - глубина выпускного отверстия (м). Глубиной выпускного отверстия является длина (м) огнеупорной стенки, через которую жидкий материал 16 проходит, когда выгружается через выпускное отверстие 18. v₀ - начальная скорость выгрузки (м³/с).

Коэффициент трения λ внутренней стенки выпускного отверстия 18 находят по следующей формуле (6), используя уравнение Свами-Джейна.

В приведенной выше формуле (6), λ - коэффициент трения (-) внутренней стенки выпускного отверстия 18. e - шероховатость поверхности (м) внутренней стенки выпускного отверстия. d_th - диаметр (м) выпускного отверстия 18. ρ - плотность (кг/м³) жидкого материала 16. v₀ - начальная скорость выгрузки (м³/с). S_dh - площадь поперечного сечения выпускного отверстия 18. μ - вязкость (Па·s) жидкого материала 16.

Данные о внутреннем давлении в вертикальной печи получают с помощью манометра 42, предусмотренного в фурме 12. В качестве типичного давления может использоваться атмосферное давление. Высоту жидкого материала 16 в начале выгрузки определяют путем подстановки остаточного количества V жидкого материала 16 в начале выгрузки в приведенную выше формулу (2). Заметим, что высота жидкого материала 16 в начале выгрузки вычисляется путем подстановки начального остаточного количества V₀ в приведенной выше формуле (2). Так как высота жидкого материала 16 в доменной печи, как правило, остается на уровне выше на 1-2 м, чем выпускное отверстие, начальное остаточное количество V₀ вычисляется в соответствии с емкостью рабочего пространства в корпусе 10 печи, так чтобы высота жидкого материала 16 стала на уровне от 1 м до 2 м выше выпускного отверстия. Высота выпускного отверстия 18 на стороне выпуска определяется, измеряя положение выпускного отверстия 18. Поскольку выпускное отверстие 18 просверливается при помощи бура, диаметр d_th выпускного отверстия 18 определяется, измеряя диаметр бура. Глубина L_th выпускного отверстия определяется, измеряя длину проникновения бура во время сверления выпускного отверстия 18.

Хотя шероховатость е поверхности внутренней стенки выпускного отверстия варьируется в зависимости от способа сверления, запорной массы, периода времени, прошедшего с начала выгрузки, и т.п., посредством анализа операций было подтверждено, что целесообразно использовать значение в диапазоне от 0,0001 м до 0,01 м. Площадь S_dh поперечного сечения выпускного отверстия 18 определяется по нижеследующей формуле (7), используя диаметр d_th выпускного отверстия 18.

S_dh = (d_th/2) 2 × π … (7)

Начальная скорость v₀ выгрузки может быть найдена по приведенным выше формулам (5) и (6). Ускорение а выгрузки может быть найдено, используя v₀, фактическое значение M результата измерения выгруженного жидкого материала 16, измеренное измерителем 43 объема выгрузки, фактическое значение Т результата измерения периода выгрузки жидкого материала 16, измеренное измерителем 44 периода выгрузки, и приведенную выше формулу (4). В случае, когда начальная скорость v₀ выгрузки и ускорение а выгрузки могут быть найдены, скорость v_f выгрузки жидкого материала 16 может быть вычислена с помощью приведенной выше формулы (3).

Остаточное количество жидкого материала 16 может быть вычислено путем вычисления разности между количеством произведенного жидкого материала 16 и количеством выгруженного жидкого материала. Количество произведенного жидкого материала 16 может быть вычислено, используя скорость производства (production speed, PV) жидкого материала 16, вычисленную, используя следующую формулу (8).

В формуле (8) PV - скорость производства (кг/с) жидкого материала. TV - интенсивность потока (нм³/с) колошникового газа. Fo - объемная концентрация (моль/нм³) атомов кислорода O в колошниковом газе. BV - расход (нм³/с) горячего дутья, продуваемого через фурму 12. E_O - объемная доля (-) кислорода в горячем дутье. OM (-) - отношение количества атомов кислорода к количеству атомов металла в 1 моле материала, который должен быть восстановлен из сырья. M_M - атомный вес (г/моль) атомов металла.

Интенсивность TV потока колошникового газа вычисляется по следующей формуле (9).

TV = BV × E_N/F_N … (9)

В формуле (9), TV - интенсивность потока (нм³/с) колошникового газа. BV - расход (нм³/с) горячего дутья, продуваемого через фурму 12. E_N - объемная доля (-) азота в горячем дутье. F_N - объемная доля (-) азота в колошниковом газе.

Объемную концентрацию F_O атомов кислорода и объемную долю F_N азота в колошниковом газе получают путем анализа колошникового газа, используя газоанализатор 45 колошникового газа 45 посредством газовой хроматографии или инфракрасной спектроскопии. Скорость потока BV горячего дутья, продуваемого через все фурмы 12, получают с помощью расходомеров 46, предусмотренных в фурмах 12.

Объемная доля E_O кислорода в горячем дутье может быть вычислена по следующей формуле (10). Объемная доля E_N азота в горячем дутье может быть вычислена по следующей формуле (11).

E_O = (X × 0,21 + Y) / (X + Y) … (10)

E_N = (X × 0,79) / (X + Y) … (11)

В формулах (10) и (11), X - расход (нм³/с) продуваемого воздуха. Y - расход (нм³/с) продуваемого кислорода.

Объемная доля E_O кислорода в горячем дутье и объемная доля E_N азота в горячем дутье могут быть вычислены по следующим формулами (12) и (13) с учетом влажности воздуха.

E_O = (X × 0.21 + Y) / [X + Y + X × (Z/18) × 22.4] … (12)

E_N = (X × 0.79) / [X + Y + X × (Z/18) × 22.4] … (13)

В приведенных выше формулах (12) и (13), X - расход (нм³/с) вдуваемого воздуха. Y - расход (нм³/с) вдуваемого кислорода. Z - влажность (кг/м³) воздуха. Влажность Z воздуха получают, измеряя воздух гигрометром 47.

Отношение OM количества атомов кислорода к количеству атомов металла в 1 моле материала, который должен быть восстановлен из сырья, определяют, исходя из концентрации компонент в сырье, измеренной посредством химического анализа. Жидкий материал 16 является смесью расплавленного металла и прочего шлака. Поэтому предпочтительно добавить скорость производства шлака к скорости PV производства жидкого материала 16, вычисленной по приведенной выше формуле (8). В данном случае скорость производства шлака определяют путем вычисления отношения масс жидкого оксида к жидкому металлу, получаемому исходя из концентрации компонентов сырья, и умножения скорости производства расплавленного металла на отношение масс.

Скорость v выгрузки жидкого материала 16 вычисляется, используя приведенную выше формулу (3). Остаточное количество жидкого материала 16, накопленного в нижней части корпуса 10 печи, может быть определено по разности между скоростью PV производства жидкого материала 16 и скоростью v выгрузки жидкого материала 16, полученных таким образом. Конкретно, остаточное количество жидкого материала 16 в любое время t (секунды) определяется по формуле (14).

В приведенной выше формуле (14), V - остаточное количество (кг) жидкого материала 16. V₀ - начальное остаточное количество (кг) жидкого материала 16. PV - скорость производства (кг/с) жидкого материала 16. v - скорость выгрузки (м³/с) жидкого материала 16. ρ - плотность (кг/м³) жидкого материала 16. Начальное остаточное количество V₀ является постоянным значением, установленным в соответствии с емкостью корпуса 10. Поскольку высота жидкого материала 16 в доменной печи, как правило, остается на уровне на 1-2 м выше, чем выпускное отверстие, начальное остаточное количество V₀ устанавливается в соответствии с емкостью корпуса 10 печи, так чтобы высота жидкого материала 16 была на 1- 2 м выше, чем выпускное отверстие, как описано выше. Остаточное количество V жидкого материала 16 в любое время t (секунды) может быть определено, используя приведенную выше формулу (12).

Как описано выше, способ и устройство определения уровня жидкого материала, соответствующие настоящему варианту осуществления, вычисляют долю пустот в слое из твердых частиц в конце выгрузки жидкого материала и определяют уровень жидкого материала, используя долю пустот, и, следовательно, могут определять уровень жидкого материала с высокой точностью, исходя из остаточного количества жидкого материала. Это позволяет с высокой точностью выполнять управляющее действие, основываясь на уровне жидкого материала, позволяя, таким образом, избежать проблем вертикальной печи в большей степени, чем при обычном способе, и реализовать стабильную работу вертикальной печи.

Предпочтительно выполнять управляющее действие по снижению скорости производства жидкого материала 16 в случае, когда уровень жидкого материала, определенный с помощью приведенной выше формулы (2), превышает заданное пороговое значение. Это дает возможность предотвратить появление слишком высокого уровня жидкого материала 16, избегая, таким образом, возникновения таких проблем, как ухудшение газопроницаемости и засорение фурм шлаком. Действие по снижению скорости производства жидкого материала 16 должно, например, уменьшить количество горячего дутья, продуваемого через фурму 12. Управляющее действие для увеличения скорости выгрузки жидкого материала 16 может быть выполнено вместо или вместе с управляющим действием для снижения скорости производства жидкого материала 16.

Хотя в представленном выше примере был описан способ определения остаточного количества жидкого материала 16, используя скорость производства PV жидкого материала, скорость v выгрузки жидкого материала и вышеупомянутую формулу (14), это не является ограничением. Количество произведенного жидкого материала 16 может быть вычислено, исходя из количества сырья, загружаемого через колошник, и концентрации компонентов сырья. Кроме того, количество выгружаемого жидкого материала 16 может быть вычислено, измеряя изменение веса чугуновоза для хранения жидкого чугуна и количества гранулированного шлака, произведенного из шлака. Остаточное количество жидкого материала 16 может быть вычислено путем нахождения разности между количеством произведенного жидкого материала 16 и количеством выгруженного жидкого материала 16.

Дополнительно, частично изменяя способ и устройство определения уровня жидкости для жидкого материала, содержащегося не только в доменной печи или в вертикальной печи, может также быть определен уровень жидкости в любом контейнере, имеющем твердофазную структуру. То есть может быть определен уровень жидкости для жидкости, остающейся в нижней части контейнера, после того, как жидкость, содержащаяся в контейнере и способная просачиваться в пустоты по меньшей мере в части твердофазной структуры, выгружается через выпускное отверстие, расположенное в нижней части контейнера.

Конкретно, устройство 30 для определения уровня жидкости, соответствующее настоящему варианту осуществления, вычисляет долю пустот в твердофазной структуре аналогичным образом, как устройство 30 для определения уровня жидкости для жидкого материала. Затем уровень жидкости после окончания конца выгрузки определяется при помощи рассчитанной доли пустот и остаточного количества жидкости после окончания выгрузки.

Способ и устройство для определения уровня жидкости, соответствующие настоящему варианту осуществления, применимы не только к процессу в доменной печи, но также и к любому процессу в любом контейнере, имеющем твердофазную структуру, и в котором содержащаяся жидкость просачивается в пустоты по меньшей мере в части твердофазной структуры.

Пример

Далее описывается пример. В представленном здесь примере изобретения угол наклона жидкого материала вычислялся каждый раз, исходя из остаточного количества жидкого материала, когда заканчивалась выгрузка жидкого материала, и средняя доля пустот ε_ave в твердофазной структуре вычислялась, исходя из угла наклона жидкого материала. Остаточное количество жидкого материала вычислялось в конце выгрузки жидкого материала, используя рабочие условия и измеренные значения при работе доменной печи и вышеупомянутую формулу (14). Затем уровень жидкости для жидкого материала был определен, используя остаточное количество жидкого материала и вычисленную среднюю долю пустот ε_ave. С другой стороны, в сравнительном примере, доля пустот была зафиксирована как 0,42 и уровень жидкости для жидкого материала был определен, используя долю пустот и остаточное количество жидкого материала.

Было определено не только остаточное количество жидкого материала, но также вычислен показатель K сопротивления газовому потоку во время работы доменной печи. Показатель K сопротивления газовому потоку является типичным показателем для оценки газопроницаемости вертикальной печи и вычисляется по следующей формуле (15).

В приведенной выше формуле (15) P_b - давление горячего дутья (атм.) для горячего дутья, продуваемого через фурму. P_t - давление выгрузки (атм.) колошникового газа. BV - расход (нм³/с) горячего дутья, продуваемого через все фурмы.

Отношение Kr показателей сопротивления газовому потоку является значением, вычисленным по следующей формуле (16), где K_ave - средний показатель сопротивления газовому потоку рассматриваемой вертикальной печи.

На фиг. 4 представлен график, иллюстрирующий результат, полученный в Примере. На фиг. 4(a) показана флюктуация средней доли пустот ε_ave (-). Средняя доля пустот ε_ave (-) является скользящим средним значением ε за один день. На фиг. 4(b) показана флюктуация остаточного количества (м³) жидкого материала. На фиг. 4(c) показана флюктуация уровня жидкости (м) для жидкого материала и белые прямоугольники показывают уровень жидкости, определенный, используя долю пустот, показанную на фиг. 4(a), и соответствуют примеру осуществления изобретения. Черные прямоугольники показывают уровень жидкости, определенный, используя долю пустот, равную 0,42, и показывают сравнительный пример. Дополнительно, пунктирная линия на фиг. 4(c) указывает контрольное значение уровня жидкости для жидкого материала, а пунктир указывает высоту фурмы. То есть положение ниже высоты фурмы устанавливается в качестве контрольного значения уровня жидкости для жидкого материала, так чтобы уровень жидкости для жидкого материала не достигал положения фурмы. На фиг. 4(d) показана флюктуация отношения показателей сопротивления газовому потоку (-).

Как показано на фиг. 4(a), доля пустот в твердофазной структуре продолжала уменьшаться до тех пор, пока не истекли 30 часов, а затем увеличивалась. На фиг. 4(c), показывающем уровень жидкости для жидкого материала, благодаря уменьшению доли пустот, белые прямоугольники, соответствующие примеру осуществления изобретения, в котором используется доля пустот, показанная на фиг. 4(a), стали выше, чем черные прямоугольники сравнительного примера, в котором доля пустот была установлена как постоянное значение (0,42). В результате, уровень жидкости для жидкого материала, обозначенный белыми прямоугольниками, превысил контрольное значение после истечения 18 часов и поэтому было выполнено управляющее действие для понижения скорости производства расплавленного чугуна. В результате, по истечении 20 часов остаточное количество жидкого материала начало уменьшаться и уровень жидкости для жидкого материала, соответственно, уменьшился.

Как показано на фиг. 4(d), отношение показателей сопротивления газовому потоку росло в соответствии с увеличением количества жидкого материала и повышением уровня жидкого материала. Повышение отношения показателей сопротивления газовому потоку означает уменьшение проницаемости для топочного газа печи и, следовательно, когда отношение показателей сопротивления газовому потоку повышается, работа доменной печи становится неустойчивой. Однако, поскольку количество жидкого материала было уменьшено путем выполнения управляющего действия для понижения скорости производства жидкого чугуна после того, как истекло 18 часов, отношение показателей сопротивления газовому потоку также уменьшилось и была получена устойчивая работа доменной печи.

С другой стороны, в случае, когда доля пустот была установлена как постоянное значение (0,42), остаточное количество жидкого материала заметно увеличилось по истечении 18 часов и до истечения 21 часа, и был риск, что уровень жидкого материала достигнет местоположения фурмы. Даже когда уровень жидкого материала не достигает уровня положения фурмы, отношение показателей сопротивления газовому потоку заметно повышается и работа доменной печи становится нестабильной, и поэтому доменная печь не может работать устойчиво.

Как описано выше в отношении способа и устройства для определения уровня жидкого материала, соответствующих настоящему варианту осуществления, доля пустот в твердофазной структуре вычисляется в конце выгрузки жидкого материала и уровень жидкого материала определяется с использованием этой доли пустот. Это дает возможность с высокой точностью определять уровень жидкого материала, исходя из остаточного количества жидкого материала. Как результат, управляющее действие, основанное на уровне жидкого материала, может быть выполнено с высокой точностью и поэтому можно избежать проблем вертикальной печи в большей степени, чем при обычном способе, и реализовать стабильную работу вертикальной печи.

Перечень ссылочных позиций

10 Корпус печи 12 Фурма 14 Твердофазная структура 16 Жидкий материал (жидкость) 18 Отверстие выгрузки (выпускное отверстие) 20 Доменная печь (контейнер) 30 Устройство для определения уровня жидкости 31 Блок определения уровня жидкости 32 База данных 41 Термометр для жидкого материала 42 Измеритель давления в фурме 43 Измеритель количества выгрузки 44 Измеритель периода выгрузки 45 Анализатор колошникового газа 46 Расходомер фурмы 47 Гигрометр

Группа изобретений относится к средствам определения уровня жидкости (16), оставшейся в нижней части контейнера, заполненного твердым веществом (14), после выгрузки ее через выпускное отверстие (18) контейнера. Сущность: вычисляют долю пустот в твердофазном веществе (14). Определяют уровень жидкости (16) после окончания выгрузки, используя вычисленную долю пустот в твердофазном веществе (14) и остаточное количество жидкости (16) после окончания выгрузки. Технический результат: повышение точности определения уровня жидкости. 5 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения уровня жидкости для жидкости, остающейся в нижней части контейнера после того, как жидкость выгружается через выпускное отверстие в нижней части контейнера, причем контейнер заполнен твердым веществом, так что образуется твердофазная структура, и жидкость содержится в контейнере в таком виде, что она просачивается в пустоты по меньшей мере в части твердофазной структуры, характеризующийся тем, что

вычисляют долю пустот в указанной твердофазной структуре; и

определяют уровень жидкости после окончания выгрузки, используя вычисленную долю пустот и остаточное количество жидкости после окончания выгрузки.

2. Способ определения уровня жидкости по п. 1, в котором

долю пустот в твердофазной структуре вычисляют с использованием угла наклона поверхности жидкости в конце выгрузки жидкости через указанное выпускное отверстие.

3. Способ определения уровня жидкости для жидкого материала, остающегося в нижней части вертикальной печи после окончания выгрузки жидкого материала, причем в вертикальной печи производится высокотемпературный восстановительный газ посредством сжигания угля с использованием кислородосодержащего газа, продуваемого через нижнюю часть вертикальной печи, производится жидкий материал в результате того, что высокотемпературный восстановительный газ расплавляет и восстанавливает исходное железное сырье, которое загружается через колошник вертикальной печи и образует твердофазную структуру в вертикальной печи, и жидкий материал выгружается через выпускное отверстие вертикальной печи, характеризующийся тем, что

вычисляют долю пустот в указанной твердофазной структуре; и

определяют уровень жидкости для жидкого материала после окончания выгрузки, используя вычисленную долю пустот и остаточное количество жидкого материала после окончания выгрузки.

4. Способ определения уровня жидкости для жидкого материала по п. 3, в котором долю пустот в твердофазной структуре вычисляют с использованием угла наклона поверхности жидкости для жидкого материала в конце выгрузки жидкого материала через выпускное отверстие.

5. Способ определения уровня жидкости для жидкого материала по п. 3 или 4, в котором долю пустот вычисляют с использованием вязкости жидкого материала, вычисленной исходя из концентрации компонентов выгружаемого жидкого материала и температуры жидкого материала.

6. Способ определения уровня жидкости для жидкого материала по любому из пп. 3-5, в котором долю пустот вычисляют с использованием скорости выгрузки в конце выгрузки жидкого материала, вычисленной исходя из количества выгрузки, периода выгрузки и начальной скорости выгрузки для указанной выгрузки жидкого материала.

7. Способ работы вертикальной печи, характеризующийся тем, что в случае, когда уровень жидкости, определяемый способом определения уровня жидкости для жидкого материала по любому из пп. 3-6, превышает заданное пороговое значение, выполняют по меньшей мере одно из: управляющего действия для понижения скорости производства жидкого материала и управляющего действия для выгрузки жидкого материала.

8. Устройство для определения уровня жидкости для жидкости, остающейся в нижней части контейнера после того, как жидкость выгружается через выпускное отверстие в нижней части контейнера, причем контейнер заполнен твердым веществом, так что образуется твердофазная структура, и жидкость содержится в контейнере в таком виде, что она просачивается в пустоты по меньшей мере в части твердофазной структуры, содержащее блок определения уровня жидкости, выполненный с возможностью вычисления доли пустот в твердофазной структуре и определения уровня жидкости для жидкости после окончания выгрузки, с использованием вычисленной доли пустот и остаточного количества жидкости после окончания выгрузки.

9. Устройство для определения уровня жидкости по п. 8, в котором блок определения уровня жидкости выполнен с возможностью вычисления доли пустот в твердофазной структуре с использованием угла наклона поверхности жидкости для жидкости в конце выгрузки жидкости через выпускное отверстие.

10. Устройство для определения уровня жидкости для жидкого материала, остающегося в нижней части вертикальной печи после окончания выгрузки жидкого материала, причем в вертикальной печи производится высокотемпературный восстановительный газ путем сжигания угля с использованием кислородосодержащего газа, продуваемого через нижнюю часть вертикальной печи, производится жидкий материал в результате того, что высокотемпературный восстановительный газ расплавляет и восстанавливает исходное железное сырье, которое загружается через колошник вертикальной печи и образует твердофазную структуру в вертикальной печи, и жидкий материал выгружается через выпускное отверстие вертикальной печи, содержащее блок определения уровня жидкости, выполненный с возможностью вычисления доли пустот в твердофазной структуре и определения уровня жидкости для жидкого материала после окончания выгрузки, используя вычисленную долю пустот и остаточное количество жидкого материала после окончания выгрузки.

11. Устройство для определения уровня жидкости для жидкого материала по п. 10, в котором блок определения уровня жидкости выполнен с возможностью вычисления доли пустот в твердофазной структуре с использованием угла наклона поверхности жидкости для жидкого материала в конце выгрузки жидкого материала через выпускное отверстие.

12. Устройство для определения уровня жидкости для жидкого материала по п. 10 или 11, в котором блок определения уровня жидкости выполнен с возможностью вычисления доли пустот с использованием вязкости жидкого материала, вычисленной исходя из концентрации компонент выпускаемого жидкого материала и температуры жидкого материала.

13. Устройство для определения уровня жидкости для жидкого материала по любому из пп. 10-12, в котором блок определения уровня жидкости выполнен с возможностью вычисления доли пустот с использованием скорости выгрузки в конце выгрузки жидкого материала, вычисленной исходя из количества выгрузки, периода выгрузки и начальной скорости выгрузки для выгрузки жидкого материала.