УДК 669.162.16
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО РАДИУСУ КОЛОШНИКА НА ПРОЦЕССЫ И ПОКАЗАТЕЛИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
© Товаровский Иосиф Григорьевич, д-р техн. наук, проф., e-mail: office.isi@nas.gov.ua
Институт черной металлургии им. З.И.Некрасова НАН Украины. Украина, г. Днепропетровск Статья поступила 21.01.2014 г.
На основе аналитического исследования с помощью разработанной в ИЧМ математической модели доменной плавки при различном распределении шихтовых материалов на колошнике впервые дана прогнозная оценка влияния характера распределения шихтовых материалов на колошнике на процессы и показатели плавки в количественной форме. Механизм установленного влияния заключается в том, что по мере уменьшения неравномерности рудной нагрузки по радиусу происходит ослабление лимитирующей роли наиболее нагруженных зон на общий результат с перенесением части термохимической работы в менее нагруженные зоны.
Ключевые слова: доменная плавка; математическая модель; рудная нагрузка; тепломассообмен.
Высокая значимость влияния распределения
шихтовых материалов по радиусу колошника на процессы и показатели доменной плавки осмыслена уже на ранних стадиях развития доменной плавки, а в первых учебниках по доменному производству Ж.Ассенфратца (1812 г.) и К.Карстена (1841 г.) приводятся рекомендации по рациональной загрузке в печь шихтовых материалов [1].
Последующее развитие методов управления загрузкой материалов в доменную печь (ДП) связано с использованием конусных загрузочных устройств (КЗУ) и позволило достичь значительных технологических результатов, однако имело серьезные ограничения, обусловленные конструкцией устройства и сугубо эмпирическим подходом к оценке хода процессов и результатов. Совершенствование конструкции завершилось созданием бесконусного (лоткового) загрузочного устройства (БЗУ), обладающего широкими возможностями дозирования материалов по площади колошника при загрузке, а развитие методов оценки хода процессов и результатов пошло по пути аналитических исследований [2-8].
Так, решая применительно к ДП-9 комбината «Криворожсталь» задачу автоматизированного выбора режима работы лоткового БЗУ, обеспечивающего заданное распределение компонентов шихты на колошнике, А.К.Тараканов, Н.Ш.Гринштейн, В.И.Большаков и др. [5] использовали разработанную ими математическую модель, которая позволяет получать количествен-
ные характеристики распределения компонентов шихты по диаметру колошника.
Дальнейшее развитие этого подхода на основе исследований, выполненных в ИЧМ, с использованием дополнительной информации, в частности, показаний стационарной системы измерения профиля поверхности засыпи материалов, позволило выявить некоторые новые закономерности процессов плавки и разработать современную высокоинформативную систему управления загрузкой шихты [9, с. 87-109].
До определенного времени аналитическая часть указанной системы ограничивалась параметрами загрузки шихты при эмпирической оценке технологических параметров. По мере совершенствования моделей загрузки шихты и процессов доменной плавки они вводятся в контакт и образуют комплексную модель более высокого уровня, с помощью которой решаются в количественной форме прогнозно-аналитические задачи стратегического, тактического и познавательного характера [7, 8].
Впервые прогнозная количественная оценка влияния характера распределения материалов на колошнике на процессы и показатели плавки дана при сравнении работы ДП с КЗУ и БЗУ с подтверждением результатов на основе анализа уникальных данных двух ДП НЛМК [7, с. 90-94].
В настоящей работе предпринята попытка прогнозной оценки влияния распределения шихтовых материалов по радиусу колошника на процессы и показатели доменной плавки в количественной форме. В качестве базы для расчетов
приняты показатели работы ДП-9 ПАО «АМКР» в одном из лучших периодов ее работы - октябре 2006 г., а в качестве расчетной методики - разработанная в ИЧМ математическая модель процессов доменной плавки [7].
Распределение материалов по радиусу колошника ДП характеризуется относительной рудной нагрузкой (РН) в каждой из 10 равновеликих радиальных кольцевых зон - РКЗ (относительно средней РН). Рассмотрено два режима распределения РН: Кон - конусный, Лот - лотковый. Каждому из них присущи характерные кривые распределения РН по радиусу колошника: Кр -крутая, Пл - пологая, Рн - равномерная в РКЗ № 2-10, От - с формированием отдушины у периферии, Ст - ступенчатая, Ба - базового периода.
Полное обозначение состоит из двух частей -первая отражает режим распределения РН, вторая - характер полученной кривой распределения РН по радиусу колошника: ЛотБа - лотковый базового периода; ЛотРн - лотковый равномерная; КонКр - конусный крутая; КонПл - конусный пологая; ЛотПл - лотковый пологая; ЛотОт - лотковый с отдушиной у периферии; ЛотСт -лотковый ступенчатая.
В табл. 1 приведены указанные распределения РН, а в табл. 2 даются численные результаты расчета с помощью модели процессов доменной плавки.
Идеализированный вариант с равномерным распределением РН в РКЗ 2-10 (ЛотРн) дает сокращение расхода кокса на 5% в сравнении с базовым (ЛотБа).
В двух вариантах с конусным режимом загрузки при крутом профиле распределения РН (КонКр) расход кокса на 2,3% выше, чем в базо-
вом, а формирование пологого профиля (КонПл) позволяет сократить расход кокса на 2,0-2,2%. Работа в лотковом режиме обеспечивает расход кокса, близкий к его значению в базовом периоде, а оптимизация этого режима с организацией отдушины у периферии (ЛотОт) способствует сокращению расхода кокса на 1,7%.
На экономичность плавки существенно влияет плавность профиля распределения РН по радиусу колошника. В варианте ступенчатого профиля (ЛотСт) расход кокса на 1,7% выше, чем в соответствующем варианте без ступеней (ЛотОт).
Вычисленные значения отражают балансово-кинетическую часть влияния режима загрузки шихты на процессы и показатели плавки. Полное влияние включает также изменение устойчивости процессов схода шихты в противотоке с увеличением общего эффекта от рационализации параметров загрузки.
Полученные результаты позволяют дать ориентировочную количественную оценку экономии кокса от улучшения структуры столба шихты при загрузке материалов. Ниже приводятся расчетные величины экономии кокса (в скобках - пределы с учетом возможного влияния на устойчивость процесса):
- совершенствование параметров загрузки КЗУ 2,0-2,3% (2,3-2,5%);
- переход от режима КЗУ к режиму БЗУ (Лот) 4% (4-5%);
- совершенствование параметров загрузки БЗУ (Лот), включая переход от ступенчатого к плавному распределению 1,7-2,0% (2,0-2,3%);
- переход в режиме БЗУ (Лот) к равномерному в РКЗ 2-10 распределению РН 5% (5-6%);
Таблица 1. Распределение относительных рудных нагрузок в РКЗ № 1-10 для различных режимов загрузки шихты
РН РКЗ-1 РКЗ-2 ркз-з РКЗ-4 РКЗ-5 РКЗ-6 РКЗ-7 РКЗ-8 РКЗ-9 РКЗ-10
ЛотБа 0,414 1,541 1,475 1,125 1,008 0,995 1,049 0,995 0,961 0,926
ЛотРн 0,4 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,1
КонКр 0,358 0,866 1,082 1,212 1,345 1,385 1,385 1,298 1,039 0,692
КонКр 0,408 0,79 1,086 1,283 1,431 1,530 1,579 1,332 0,987 0,493
КонПл 0,386 0,867 1,04 1,157 1,214 1,214 1,196 1,17 1,127 1,04
КонПл 0,527 0,83 1,057 1,26 1,341 1,341 1,293 1,165 0,958 0,67
ЛотПл 0,411 0,795 0,944 1,043 1,093 1,142 1,197 1,242 1,282 1,292
ЛотОт 0,411 0,794 0,943 1,042 1,092 1,149 1,196 1,269 1,299 1,246
ЛотСт 0,422 0,816 0,969 0,826 1,122 1,224 1,177 1,304 1,335 1,280
Таблица 2. Расчетные показатели работы доменной печи при различных режимах и программах загрузки шихты
ПОКАЗАТЕЛИ Режимы и программы загрузки
ЛотБа ЛотРн КонКр КонКр КонПл КонПл ЛотПл ЛотОт ЛотСт
Производство чугуна, т/сут. 9604 9954 9330 9331 9474 9483 9529 9642 9511
Производительность, т/(м3 х сут.) 1,91 1,98 1,85 1,85 1,88 1,88 1,89 1,92 1,89
Расход топлива, кг/т 483 459 494 494 485 484 482 475 483
Дутье*: расход, м3/мин 6674 6645 6758 6755 6732 6735 6725 6707 6728
Колошниковый газ:
температура, °С 81 48 163 161 135 140 128 109 131
содержание, %:
СО 29,0 27,4 28,8 28,8 28,5 28,3 28,3 28,0 28,3
СО2 19,8 21,2 19,8 19,7 20,2 20,2 20,2 20,5 20,2
Н2 7,74 7,63 7,53 7,53 7,55 7,54 7,55 7,56 7,55
Всего Агл+Окат+Руд, кг/т 1629 1629 1628 1628 1628 1628 1628 1629 1628
Рудная нагрузка, т/т 3,68 3,87 3,60 3,60 3,66 3,67 3,69 3,73 3,68
В шлаке, %: 37,0 37,0 37,2 37,2 37,1 37,1 37,1 37,0 37,1
кремнезем
глинозем 8,71 8,70 8,81 8,81 8,77 8,77 8,76 8,73 8,76
известь 45,0 45,0 45,2 45,2 45,1 45,1 45,1 45,0 45,1
магнезия 4,75 4,75 4,75 4,75 4,75 4,75 4,75 4,75 4,75
сера 1,00 1,00 1,04 1,04 1,03 1,02 1,02 1,01 1,02
Количество шлака, кг/т 416 416 418 418 417 417 417 417 417
Расход дутья, м3/т 1001 961 1043 1042 1023 1023 1016 1002 1019
Объем влажного газа 1715 1648 1765 1765 1737 1735 1726 1704 1729
Теоретическая температура горения, °С 2219 2201 2237 2236 2228 2228 2225 2219 2226
Количество фурменного газа, м3/т 1502 1449 1558 1557 1532 1531 1522 1503 1526
Количество сухого колошникового газа, м3/т 1607 1533 1654 1654 1625 1623 1614 1592 1617
Прямое восстановление Бе, % 35,9 32,3 33,4 33,5 33,1 32,8 32,8 32,5 32,9
Использование газов, % 40,5 43,6 40,6 40,6 41,3 41,5 41,7 42,2 41,6
Приход теплоты, кДж/кг 4425 4238 4626 4624 4533 4530 4499 4430 4511
Потребность теплоты, кДж/кг 3899 3808 3850 3853 3838 3826 3830 3819 3831
Потери теплоты, кДж/кг 302 303 306 305 311 306 307 307 308
Доля полезного тепла, % 88,1 89,8 83,2 83,3 84,7 84,5 85,1 86,2 84,9
Отношение водяных чисел 0,86 0,88 0,84 0,84 0,85 0,85 0,85 0,86 0,85
Теплотворность колошникового газа, кДж/м3 4513 4297 4455 4459 4418 4402 4397 4364 4401
Интенсивность по газу, м3/(м3-мин) 2,27 2,26 2,27 2,27 2,27 2,27 2,27 2,27 2,27
* Г=1090 °С, ПГ=87 м3/т, О2=30,5 %. Чугун: [Б1] = 0,84; [Мп] = 0,34; [Б] = 0,019.
Эконо- Уменьшение Сокраще-
ние степени
мия кок- температуры прямого
са, кг/т колошнико-
вого газа, °С восстанов-
чугуна ления, %
10 28 0,3
9 31 0,2
12 33 0,6
8 22 0,3
23 80 0,6
- полный диапазон изменения режи
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.