1.1.4. Методы управления газовым потоком по окружности и радиусу доменной печи

Управление газовым потоком по сечению доменной печи сводится к соответствующему программному управлению распределением шихтовых материалов на колошнике и дутьевым режимом в горне. Поскольку распределение материалов зависит в основном от ЗУ, то рассмотрим сначала типовую его конструкцию, представленную на рис. 1.6. Наклонный мост в верхней части имеет опрокидывающее устройство 1. Шихтовые материалы ссыпаются из скипа 2 через приемную воронку 3 во вращающуюся воронку 4. Последняя имеет электропривод для вращения и опорноупорные ролики (на рисунке не показаны). Воронка 4 закрыта малым конусом 5 со штангой 6 и подпятником для вращения конуса вместе с вращающейся воронкой и находящейся в ней шихтой.

Приемная и вращающаяся воронки вместе с малым конусом и приводом для вращения составляют вращающийся распределитель шихты (ВРШ), который обеспечивает окружное распределение материалов. Большой конус 7 со штангой 8, чашей 9 и газовым затвором 10 называют засыпным аппаратом (ЗА), который обеспечивает распределение материалов по радиусу печи. Кроме того большой конус с чашей выполняют роль нижнего газового затвора. Верхний газовый затвор обеспечивает малый конус с его воронкой.

Работа ЗУ осуществляется следующим образом. Внизу наклонного моста в скип загружают кокс или рудную часть шихты. Скиповой лебедкой загруженный скип поднимается по наклонному мосту ввepx, а пустой опускается вниз под собственным весом. С помощью привода воронка вместе с конусом и шихтой поворачивается на определенный угол (станцию). Современные ВРШ имеют 24 станции, т.е. могут вращаться на каждые 15⁰. Обычно ВРШ работают на 6 (через 60⁰) или 8 (через 45⁰) станций. Материалы из всех скипов одной подачи, как правило, поворачиваются на одну станцию. Подачей называют порцию высыпаемой в печь шихты. После поворота ВРШ на очередную станцию малый конус опускается и шихта попадает на большой конус, где между ним и чашей накапливается вся подача. На рис. 1.6 видно, что гребень материалов из правого скипа находится в районе, расположенном на 130⁰ от оси наклонного моста, а откос с противоположной стороны (300-315⁰ от оси н.м). Гребень материалов из левого скипа расположен в районе 225⁰ от оси н.м, а откос - в районе 45-60⁰. В гребень, сектор окружности от 45⁰ до 180⁰, попадают крупные фракции, а основная масса мелочи ссыпается в районы откосов шихты (сектор также 135⁰ окружности от 225 до 360⁰). Это происходит потому, что во время движения скипа по наклонному мосту и особенно при опрокидывании скипа происходит сегрегация материалов по крупности. Частички <5 мм просыпаются между более крупными кусками, которые и находятся в большем количестве в первых порциях высыпаемой из скипа шихты. Поэтому крупные куски скатываются с большей скоростью по наклонным стенкам приемной воронки, имеют более пологие параболы падения и достигают противоположной стенки. Поток материалов движется по спирали, форма которой зависит от геометрии приемной воронки и физического состояния загружаемых материалов. Нисходящая спираль струи сыпучих из левого скипа направлена по часовой, а из правого скипа – против часовой стрелки.

Мелкие частицы шихты просыпаются между крупными, имеют больший коэффициент трения, поэтому в потоке материалов они раньше теряют скорость и не переходят на спиральную траекторию. Поэтому мелкие частицы в основной своей массе попадают на образующую малого конуса со стороны откоса материалов. В гребне (сектор 135⁰ по окружности) находится 40-50 % крупных кусков (>40 мм) и 12-20% мелочи (<3мм) от общего их количества в агломерате. Установлено, что со стороны откоса (сектор также 135⁰), наоборот, крупных кусков было 25 %, а масса мелочи (<3 мм) составила 50-60 % от общего их количества в рудной части. В средних между гребнем и откосом секторах (по 45⁰ каждый) крупные и мелкие частицы находились в пропорции соответствующей их среднему значению.

Насыпная плотность мелких частиц агломерата в 1,5-1,7 раза больше, чем крупных кусков, поэтому масса агломерата со стороны откоса больше (39-40 %), а со стороны гребня меньше (34-36 %), хотя по объему наоборот больший со стороны гребня и меньший со стороны откоса (рис. 1.7); Масса мелочи в гребне и откосе меняется в зависимости от общего ее количества в загружаемых материалах [3, 8]

(1.21)

где С – масса мелочи в гребне (С_гр) или откосе (С_отк), доли от общего количества шихты соответственно в гребне или откосе; n – содержание мелочи в гребне (n_гр) или откосе (n_отк), доли от общей ее массы в загружаемой шихте; f – вынос колошниковой пыли, доли от массы шихты; m – общее содержание мелочи в загружаемой шихте, доли от общей массы шихты; τ – количество шихты в гребне (τ_гр) или откосе (τ_отк), доли от общей массы шихты. Установили, что количество мелочи и общей массы агломерата в гребне (n_гр, τ_гр) или откосе (n_отк, τ_отк), в свою очередь, также зависят от общей массы фракции 0-5 мм. Эта зависимость выражена эмпирическими уравнениями.

Для гребня:

n_гр = 0,066+ 0,71m; (1.22)

τ_гр = 0,264m+ 0,278. (1.23)

Для откоса:

n_отк = 0,71 – 0,86m; (1.24)

τ_отк = 0,471 – 0,358m. (1.25)

Значительная разница в распределении крупных и мелких частиц между гребнем и откосом предопределяет и значительное различие эквивалентных диаметров и коэффициентов сопротивления, которые можно определить из формулы [3, 8]:

d_{э.ч., гр} = 2,4/(m - 0,01); (1.26)

d_{э.ч., отк} = 1,05/m; (1.27)

Ψ_гр. = (2,4 - 0,5Ф)(0,6 + 0,73m); (1.28)

(1.29)

где Ф – фактор формы.

Следовательно, можно определить ∆Р_гр и ∆Р_отк результаты такого определения представлены на рис. 1.8, а. Видно, что при содержании мелочи (05 мм) до 10% распределение газового потока по окружности печи достаточно равномерно. Однако в процессе загрузки (ссыпание материалов в скип, из скипа во вращающуюся воронку, с малого конуса на большой и наконец с большого конуса в печь) шихта измельчается и разница между ∆Р_гр и ΔР_отк резко возрастает.

На рис. 1.8,б показано изменение в гребне и откосе симплекса (1-ε_с)/ в зависимости от объемной доли мелочи. Характер указанного изменения симплекса от m аналогичен соответствующим изменениям ∆Р_гр и ∆Р_отк. Достаточно определить порозность слоя в гребне и откосе шихты, чтобы судить о потерях здесь давления газа. При значительных отклонениях в распределении потока газов по окружности печи от средних величин принимают меры для получения более равномерного газораспределения по концентрическим окружностям печи.

Об окружном распределении газа судят по показаниям термопар, установленных под защитными плитами колошника. Количество термопар зависит от диаметра колошника и составляет от 16 до 36 шт. соответственно для печей полезным объемом 1033 и 5500 м³. При достаточно ровном окружном газораспределении разброс температур периферии (Δt_п=t_max-t_min) составляет 60-80 ⁰С. Если этот разброс больше, то в район минимальных температур загружают более газопроницаемые материалы, например, гребни рудной или коксовой составляющих подачи. Уменьшить разброс температур по окружности печи можно также загрузкой в секторы колошника с высокой температурой откосов агломерата или кокса в воронке малого конуса.

Можно также в программу работы ВРШ включить добавочные станции, которые обеспечивают попадание более газопроницаемых материалов в секторы колошника с низкой температурой, а менее газопроницаемой шихты в районы более высоких температур. Например, Δt_п = 120 ⁰С, т.е. на 20 ⁰С выше допустимого разброса, при этом при средней температуре окружности колошника (t_п) 500 ⁰С температура в секторе 100-160⁰ от оси н.м (см. рис. 1.6) составляет 580 ⁰С, а в секторе 280-340⁰ от оси н.м 460 ⁰С. Для снижения ∆t_п при 6 станциях работы ВРШ (0, 60, 120, 180, 240 и 300⁰) следует добавить для загрузки кокса добавочные станции: для кокса из левого скипа 75⁰ и из правого скипа 180⁰. Гребни кокса добавочных станций попадут в район 280-340⁰, а откосы в район 100-160⁰ от оси н.м. Добавочные станции для кокса достаточно ввести в 4-5 подач, чтобы ∆t_п начал снижаться. Как правило, нужно учитывать изменения температуры периферии не только ее изменением в верхней части печи, но прогнозировать также изменения газового потока в зоне когезии, когда туда опустится шихта. Это в значительной мере затрудняет управление окружным газораспределением особенно в случае изменения режима ВРШ при загрузке рудной части подачи, когда в значительной мере изменяется количество и степень размягчения рудной составляющей шихты. Еще труднее определить степень "канальности" в газовом потоке, т.к. при значительном развитии "канала", загрузка в этот район откоса агломерата в воронке малого конуса приведет к передуву мелких частиц из зоны "канала" (высокие температуры) в секторы с низкой температурой. Следовательно, загрузкой в район высокой температуры («канал») откосов агломерата не только не снизит ∆t, а наоборот, увеличит неравномерность окружного потока газов, что часто встречается в практике доменного производства [3, 8, 14-17].

На основании изложенного регулировать распределение газового потока по окружности печи целесообразно коксом. При этом рудная составляющая подачи распределяется более равномерно по окружности печи, что способствует стабильности зоны шлакообразования и фильтрации жидких продуктов плавки через коксовую насадку. С учетом теории и практики регулировки распределения газов по концентрическим окружностям печи следует придерживаться определенных правил.

1. Если температура в каком-то секторе колошника ниже допустимого предела, следует загрузить сюда гребни кокса при условии нагрева противоположного сектора на уровне не ниже среднего. В случае нагрева противоположного участка ниже среднего, следует добавить еще одну станцию с загрузкой гребней кокса в воронке ВРШ в сектор с низким нагревом. Рудную часть подачи загружают в порядке принятой очередности.

2. В случае высокой температуры в каком-либо участке периферии следует загрузить сюда откосы кокса в воронке ВРШ, если на противоположном участке температура не выше средней. В противном случае следует из программы ВРШ исключить те станции, которые соответствуют загрузке гребней кокса в район периферии с высокой температурой.

3. Для определения окружного распределения газового потока в дополнение к изменению температуры периферии (t_п) нужно замерять температуру в газоотводах (t_г). Если при этом сектору с низкой t_п соответствует газоотвод также с t_г ниже средней (при нормальном общем ∆t_п), то указанный район перегружен мелкими материалами. Следует сюда загрузить гребни кокса или гребни агломерата.

4. Если участку с пониженной t_п соответствует газоотвод с высокой t_г и нормальным ∆t_п, то регулировки потока газов по окружности, не требуется.

5. Если в том же случае ∆t_п по газоотводам ниже или выше оптимального, то отклонение газового потока от установленного уровня, в основном, обусловлено распределением материалов по радиусу печи и необходимо соответственно изменить порядок загрузки агломерата и кокса.

6. В случае высокой температуры на каком-то участке периферии, а ∆t_п для остальных участков остается нормальной или ниже среднего значения (случай узко разгруженной периферии), в данный сектор нужно грузить гребни кокса. Рудная часть подачи распределяется по обычной программе.

7. При высоких t_п и t_г (случай чрезмерно разгруженной периферии) сюда загружают откосы кокса в воронке ВРШ, если на противоположной стороне температура ниже средней. В случае одинаковых t_п и t_г в остальной части окружности печи из работы исключают те станции ВРШ, которые грузят гребни кокса в сектор с высокой температурой.

Количество скипов кокса с ориентированной загрузкой гребней и откосов, а также количество дополнительных или исключенных из программы станций для. кокса зависит от степени неравномерности газового потока и определяется отклонением t_п и t_г от соответствующих средних значений этих величин.

8. В результате исследований авторов настоящего учебника стало возможным достаточно точно рассчитывать распределение шихтовых материалов и печных газов по окружности печи при загрузке ее загрузочным устройством типовой конструкции (см. Приложение 1).