УДК 669.162.16
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ КАК СПОСОБА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПЛАВКИ
© Коршиков Геннадий Васильевич1, д-р техн. наук, проф.; Филатов Сергей Васильевич2, управляющий директор; Курунов Иван Филиппович2, д-р техн. наук; Титов Владимир Николаевич2; Михайлов Валентин Геннадьевич1,2, канд. техн. наук
1 ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет». Россия, г. Липецк
2 ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Россия, г. Липецк Статья поступила 06.05.2015 г.
Доказывается несостоятельность теоретических обоснований отрицательной оценки эффективности повышения давления газа в доменной печи как способа интенсификации доменной плавки.
Интенсифицирующее влияние повышения давления газа на производительность доменных печей подтверждается практическими результатами работы трех доменных печей ОАО «НЛМК». В интервале повышения давления газа на 38-40% производительность доменных печей возрастает на 0,7-1,2% на каждый 1% повышения давления газа на колошнике.
Установлено, что рост производительности доменных печей сопровождается увеличением потерь напора как в общем измерении, так и по зонам в долевом соотношении 0,8:0,2 соответственно внизу и вверху столба шихты.
Ключевые слова: доменная печь; давление газа; интенсивность плавки; производительность; потери напора; повышение давления.
В ряде статей, опубликованных в металлургических журналах
в 2014-2015 гг. [1-3] Е.Г.Донсков, В.П.Лялюк и А.Д.Донсков теоретически обосновывают заключение о том, что применение повышенного давления газов оказалось технически ошибочным мероприятием, не оправдавшим надежды на увеличение производительности доменных печей: «...в настоящее время повышенное давление газа в рабочем пространстве печей является скорее привычным, а не необходимым фактором. Поэтому без ущерба для производства оно может быть снижено и использоваться лишь как метод стабилизации перепада давления между горном и колошником» [1].
На основе ретроспективного анализа технико-экономических показателей работы доменных печей крупных металлургических заводов Украины и России авторы резюмируют: «В настоящее время в единицу времени на 1 м3 полезного объема печи через воздушные фурмы кислорода с дутьем поступает не больше, а меньше, чем в предшествующие годы, когда печи работали на атмосферном дутье с нормальным давлением на колошнике, и меньше, чем следует из расчетов». И как заключение: «...расценивать повы-
В ПОРЯДКЕ ОБСУЖДЕНИЯ
шение давления газа ДП как метод интенсификации плавки путем увеличения расхода дутья неверно, поскольку это противоречит элементарным законам физики» [2].
Еще категоричнее по этому вопросу они высказываются в статье [3]: «Многолетняя практика применения повышенного давления в качестве метода интенсификации доменной плавки по дутью и сожженному углероду показала, что он таковым не является» и поэтому «. одним из способов сокращения расходования энергоресурсов при выплавке чугуна в ДП в современных условиях является снижение давления колошникового газа».
Свои суждения авторы подкрепляют ссылками на публикации по обсуждаемой проблеме, отражающие статистические показатели работы ДП без и с применением повышенного давления газа и обогащения дутья кислородом. Однако вместо анализа комплекса показателей, отражающих условия работы доменных печей и особенно их газодинамические режимы, авторы представляют изменение только расхода дутья и интенсивности горения кокса. По меньшей мере странно рассматривать влияние повышенного давления как способа повышения интенсивности плавки, не упоминая об изменении удельной производительности доменных печей! Во всем объеме информационных материалов, имеющих целью выявить влияние повышенного давления газа на интенсивность доменной плавки, не приводится ни одной величины этого показателя.
В таком подходе к оценке эффективности технологии до-
менной плавки на повышенном давлении газов авторы исходят из посыла, что производительность ДП находится в прямой зависимости от интенсивности горения кокса
Р = ЦК, (1)
уд у к к' 4 '
где /к - интенсивность горения кокса, т/(м3-сут.), Кк - удельный расход кокса, т/т чугуна.
Однако эта формула корректна для узкого интервала изменения удельного расхода кокса при неизменном удельном расходе вдуваемого топлива по отношению к расходу дутья. Она неприемлема для анализа динамики изменения технико-экономических показателей за длительный период, когда существенно изменяются основные условия доменной плавки. При высоком расходе кокса в периоды работы ДП без повышенного давления и на необогащенном дутье (840-870 кг/т чугуна на восточных заводах и 940-1020 кг на крупных заводах Украины) действительно имела место высокая интенсивность горения кокса (до 1051 кг/(м3-сут.)), но удельная производительность редко превышала 1,2 т/(м3-сут.) [4]. По этому поводу очень метко высказались авторы работы [5]: «Вообще печь может работать интенсивно (по дутью), но не производительно. Это возможно при большом удельном расходе кокса» и, по мнению авторов настоящей статьи, при высокой температуре колошникового газа (до 370 °С и выше).
Из-за недостаточного объема информации фактический материал, привлекаемый для подтверждения заключений о неэффективности повышения давления газа в печи, не выполняет своей функции. Например, на основе данных, представленных в [3, см. табл. 1], авторы заключают: «Видно, что интенсификация плавки с использованием кислорода и повышенного давления не компенсировала сокращения расхода дутья против норм, приведенных на конференции доменщиков в 1946 г.». В то время, как пределы изменения давления незначительные (ДП-1 - 104 кПа; ДП-5 - 116 кПа ; ДП-6 - 1104 кПа; ДП-7 -11 кПа 8 ; ДП-8 - 126 кПа ; ДП-9 - 130 кПа), нет сведений по расходу кокса, нет показателей, характеризующих распределение газов по сечению печи. И снова за показатель интенсивности плавки принимается расход дутья (почему за норму приняты величины, рекомендованные Магнитогорской конференцией доменщиков в 1946 г., а не удельная производительность доменных печей?).
Теория и практика освоения технологии работы ДП на повышенном давлении показывают, что эффективность этой технологии определяет-
ся технологическими условиями ведения плавки и, прежде всего, зоной, которая оказывает наибольшее сопротивление движению газов [6-9]. Эта зона может размещаться и вверху шахты (верхнее «подвисание» шихты), и в нижней части печи, в районе распара или горна (нижнее «подвисание»). Как показали М.А.Стефанович и М.Я.Остроухов, повышенное давление газов оказывается более эффективным средством интенсификации доменной плавки для условий, когда производительность печи ограничивается возросшими потерями напора в нижней зоне печи [7]. Это явление расчетами (с использованием уравнения Дарси-Вейсбаха!) убедительно подтвердил В.Н.Андронов [9].
Такие же замечания вызывают данные [1, см. табл. 3]. Кроме того, приведенные примеры относятся к работе доменных печей с очень низкой интенсивностью горения кокса - 450600 кг/(м3-сут.) и низким удельным расходом кислорода - 0,36 м3/(м3-мин). Это явно свидетельствует о значительном отклонении хода плавки от нормального режима.
Таким образом, используемая оппонентами форма представления фактических данных о работе ДП с различными параметрами давления газа на колошнике не может служить подтверждением отрицательной оценки повышения давления газа в ДП как способа повышения интенсивности плавки.
По мнению авторов [2], одна из главных причин неоправдавшихся надежд, связанных с освоением технологии доменной плавки на повышенном давлении, заключается в том, что: «В основу способа и методов расчета положены ошибочные представления о том, что изменения перепада статического давления газа при его движении в столбе доменной шихты адекватно отображаются уравнением Дарси-Вейсбаха».
Другая причина заключается в том, что: «При повышении сопротивления сети, куда нагнетается жидкость или газ (воздух), производительность машины, в данном случае компрессора воздуходувки, снижается» [1].
Поскольку уравнение Дарси-Вейсбаха положено в основу теоретического обоснования несостоятельности повышения давления газа как способа интенсификации доменной плавки, наш анализ изложенных воззрений начнем с рассмотрения этого уравнения. Это оправдано как целью защиты этого уравнения, так и стремлением глубже вскрыть причины ошибочных суждений по довольно важной проблеме доменного произ-
водства. Итак, ошибочность использования уравнения Дарси-Вейсбаха для оценки газодинамических процессов доменной плавки заключается в том, что:
- оно не раскрывает причин изменения скорости движения газа;
- причина (перепад статического давления) поменялась со следствием - зависимой переменной (скоростью газового потока);
- игнорируется неизотермичность и сжимаемость доменного газа;
- в классической физике такого уравнения нет.
Начнем с последнего: в частности, в разделе физики «гидроаэромеханика» его и не может быть, так как предмет ее изучения - движение сжимаемых сплошных сред и их взаимодействие с телами на базе установившегося течения, когда скорость и и масса потока (струи) т не зависят от времени. Наоборот, в ДП на участке потока от оси воздушных фурм до верха столба шихты все параметры газового потока значительно изменяются [10].
Уравнение Дарси-Вейсбаха экспериментальное, заимствованное у Н.М.Жаворонкова, изучавшего кинематику скрубберных процессов с различными типами насадок. В основе этого уравнения лежит формула расчета потерь напора при движении жидкости по шероховатым трубам [11]
(2)
где Дрт - потери напора на трение; / - коэффициент трения; I и d - длина и диаметр трубопровода, рж - плотность жидкости, ы - скорость движения жидкости.
В принципе это уравнение не противоречит фундаментальным закономерностям кинематики движения сплошных сред: уравнениям непрерывности струи (закон сохранения массы) и сохранения энергии [12]. Первое из них имеет вид:
РЛ51 = Р2У252, (3)
где р1 и р2, и и и2 - соответственно плотности и скорости газовой струи в поперечных сечениях 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.