Металургия черных металов

Технологические основы распределения  шихтовых материалов на колошнике доменной печи. 
Совершенствование технологии плавки и увеличение размеров доменных печей сопровождалось повышением технического уровня конструкций и оборудования. 
Важное место в работе доменной печи занимает загрузка ее шихтовыми материалами. Требования к загрузке шихты обусловлены закономерностями непрерывного технологического процесса, основанного на противотоке материалов и газов в печи шахтного типа. К ним относятся закономерности газодинамических и теплообменных процессов, физико-химических превращений, взаимодействия материалов и газов с элементами конструкций и оборудования печи. Управление формированием противотока материалов и газов в значительной мере определяет эффективность работы и продолжительность компании доменной печи. Рациональное распределение материалов и газов в печи достигается дозированием и формированием порций шихтовых материалов, выбором режимов загрузки шихты (метод управления сверху), выбором параметров дутья (метод управления снизу). 
Управление сверху является основным приемом достижения максимального использования тепловой и восстановительной энергии газового потока при интенсивном ведении плавки и ровном устойчивом сходе материалов; Компоненты шихты состоят из. кусков различной величины и формы. Поры между кусками образуют сообщающиеся между собой извилистые каналы, по которым движутся газы, совершая тепловую и восстановительную работу. Важными характеристиками шихтовых материалов являются сегрегация при ссыпании, в результате которой более крупные куски скатываются в периферийную зону, а мелкие в центральную, и склонность образовывать при ссыпании конус, форма которого характеризуется углом естественного откоса материала. Этими свойствами материалов пользуются для перераспределения газов в печи. 
На движение и распределение газов существенное влияние оказывает перераспределение материалов при их опускании — усадка, выклинивание кокса к стенкам печи, а рудной части к осевой зоне. Газопроницаемость печи определяется положением и формой зоны размягчения (пластичности) железорудных материалов, куда они поступают в процессе схода и нагрева шихты. Под зоной пластичности пространство печи заполнено жидкими фазами и коксовой насадкой. Опусканию материалов препятствует сопротивление подпоpa восходящего газового потока, сил внешнего трения о стенки печи, внутреннего трения между кусками, выталкивания из жидкой, фазы частично погруженного в него столба шихты. В свою очередь, восходящий газовый лоток оказывает большое влияние на распределение газов вследствие разрыхления и увеличения лорозкости в слоях материалов. В результате устойчивость схода материалов определяется активным, весом столба шихты. 
Многочисленные исследования, проведенные с помощью «зондирования» действующих доменных печей и изучения столба шихты после охлаждения печей, подтверждают тот факт, что ход доменной плавки в значительной степени определяется /динамической структурой сформированного столба шихтовых материалов в сухой и пластической зонах. Основными показателями структуры столба шихты являются удельные характеристики распределения материалов и газов, которые определяют температурно-тепловой и физико-химический режимы по высоте и сечению печи.. 
Нормальная работа печи характеризуется ровным ходом, основными признаками которого являются:  
1) плавный и устойчивый сход шихтовых материалов с установившимися скоростями по всему сечению печи;  
2) стабильное заданное распределение материалов по сечению печи, обеспечивающее максимальное использование физической и химической энергии газового потока и, следовательно, минимальный для данных условий плавки расход энергоресурсов; 
3) устойчивое тепловое состояние, обеспечивающее выплавку чугуна заданного состава; 4) постоянные параметры газодинамического режима — теоретическая температура горения, кинетическая энергия дутья и скорость газа в шахте; 5) ритмичная выдача продуктов плавки. 
Количество газов, проходящих через слой различных материалов при одинаковых потерях напора, значительно различается. В зонах с высокой газопроницаемостью количество газов на единицу шихты больше, чем это необходимо для тепловой и восстановительной работы. Газ покидает эти зоны с запасом энергии, для создания которой было израсходовано металлургическое топливо. В зонах с низкой газопроницаемостью количество газа недостаточно, материалы приходят в нижние горизонты печи неподготовленными и требуют для завершения процессов нагрева и восстановления дополнительного расхода кокса. 
Для быстрого опускания материалов и лучшего использования газа шихта должна быть рациональным образом распределена на колошнике. У стен и в центре печи необходимо в относительно большем количестве располагать кусковые материалы (кокс и крупные фракции агломерата), а в промежуточной зоне сосредоточивать более мелкую железосодержащую часть шихты.. При таком распределении шихты увеличивается поток газа в осевой и периферийной зонах печи, облегчается сход материалов и их обработка газом в промежуточной зоне. 
Чрезмерное разрыхление периферийной зоны на широком кольце приводит к снижению использования тепловой и восстановительной способностей газа, к загромождению осевой зоны, похолоданию горна и неровному сходу шихты, к преждевременному выходу из строя холодильников и кладки шахты из-за неустойчивости гарнисажа. Чрезмерное раскрытие центра печи также приводит к снижению использования газа и неустойчивому ходу печи. 
Возможность добиться наиболее оптимальных соотношений между периферийным и осевым потоками газа создает условия для плавного опускания равномерно обработанных шихтовых материалов, что позволяет снизить тепловые нагрузки на футеровку, исключить преждевременный выход из строя холодильников и прогар воздушных фурм. 
Переход на подготовленную шихту (агломерат, окатыши), повышение давления газов под колошником, увеличение диаметра колошника обусловили необходимость повышения эффективности. систем загрузки шихты. На современных доменных печах операции по дозированию и формированию порций шихтовых материалов, транспортировке их на колошник и загрузке в печь полностью автоматизированы. 
Основные требования к загрузочному устройству печи: 
— загрузка подготовленных порций шихты с необходимым резервом по производительности; 
— возможность эффективного управления распределением материалов по сечению колошника; 
— обеспечение герметичности рабочего пространства лечи; 
— обеспечение взрывопожаробезопасности и защиты атмосферы; 
— стойкость в условиях абразивных потоков шихтовых материалов и запыленных газов при больших динамических и термических нагрузках;. 
— ремонтопригодность. 
В мировой практике наиболее распространены модификации 
следующих поколений загрузочных устройств: 
— двухконусный засыпной аппарат с вращающимся распреде-7 лителем шихты, колошниковая защита — стационарная; 
— то же загрузочное устройство в комплекте с подвижными плитами колошника; 
— бесконусное загрузочное устройство с распределителем шихты в рабочем пространстве печи над поверхностью засыпи. 
При конусных загрузочных устройствах траектория падения-материалов в печь является стабильной, а профиль поверхности шихты на колошнике, как правило, имеет форму конической воронки. Для управления радиальным распределением шихты меняют порядок загрузки материалов, уровень засыпи, массу подачи. Постоянство траектории ссыпания шихтовых материалов с конуса приводит к тому, что вся масса шихтовых материалов попадает в сравнительно узкую кольцевую зону, из которой материалы при опускании перераспределяются по площади колошника. 
Для увеличения диапазона регулирования радиального распределения материалов при загрузке печи типовым двухконусным аппаратом применяют подвижные плиты колошника, принципиальная схема работы которых заключается в возможности перемещения фиксированных положений гребня рудных материалов с растягиванием рудной составляющей подачи по ширине промежуточной зоны. При этом увеличивается площадь контакта между газами и шихтой с улучшением использования физической и химической энергии газа. Кроме того, отдельные плиты можно раздвигать на разные расстояния от стенок печи с учетом изменений газового потока, Однако такие распределители уступают бесконусному загрузочному устройству по конструктивным и эксплуатационным показателям. 
Бесконусное загрузочное устройство с вращающимся с изменением угла наклона лотком позволяет селективно распределить загружаемые шихтовые материалы по всей площади колошника доменной печи, обеспечивая режимы загрузки: кольцевая, многокольцевая, ориентированная (в точку), секторная. Бесконусное загрузочное устройство расширяет возможности оператора печи в глубоком регулировании распределения шихты и в управлении шихтовым потоком.. 
Основным режимом загрузки на печах, оборудованных бесконусным загрузочным устройством, является многокольцевой цикл с подачей определенного количества кокса в осевую зону колошника. Это обеспечивает наиболее равномерное окружное распределение материалов и такую укладку их по радиусу колошника, при которой содержание СОг сохраняется почти постоянным по большей части радиуса, заметно понижаясь только у стенки колошника и в его осевой зоне, где создаются благоприятные условия для более интенсивного развития газового потока. Ширина этих зон устанавливается такой, чтобы при существующей шихте и заданной интенсивности плавки получить максимальную степень использования восста¬новительной способности газа. 
. При существенных изменениях шихтовых условий, в первую очередь гранулометрии и прочностных характеристик железоруд¬ных материалов и кокса, а также при обнаружении признаков уси¬ления периферийного или центрального хода печи необходимо соответствующим образом изменять режим загрузки. 
В. печи могут развиваться осевой или периферийный ходы, ход каналами, обрывами. Предупреждать или ликвидировать эти нару¬шения можно только согласованием режимов загрузки и газодина¬мики в нижней и в верхней частях печи. 
Излишне развитый периферийный ход печи возникает при длительном использовании режима загрузки с пониженной рудной нагрузкой на периферии, при недостаточном количестве дутья и со¬ответственно газа в шахте, при малопрочном коксе и мелких желе¬зорудных материалах, при нарушениях дутьевого режима. Продолжительная работа печи с излишне развитым периферийным ходом приводит к загромождению и похолоданию горна, снижению рудных нагрузок, разрушению кладки заплечиков и шахты, выходу из строя холодильников и воздушных фурм, ухудшению использо¬вания тепловой и восстановительной способности газов, повыше¬нию расхода кокса. Для ликвидации периферийного хода в зависимости от степени его развития применяют режимы загрузки, увеличивающие долю, железосодержащих материалов на перифе¬рии, системы загрузки, освобождающие осевую зону от рудной час¬ти, восстановление оптимальных параметров дутья. 
Излишне развитый центральный ход возникает при длитель¬ной работе печи с загруженной периферией и пониженным уровнем засыпи, низкими рудными нагрузками и нарушенным газодинами¬ческим режимом в шахте. Основной признак осевого хода печи — опускание шихты неравномерное и замедленное; длительная работа на таком режиме может привести к канальному ходу и к похолода¬нию печи. Для ликвидации чрезмерного осевого хода печи необхо¬димо улучшить газопроницаемость периферии, сохраняя проницаемость центра на достаточном уровне, и затем подгружать его. 
В случае канального хода по сечению печи имеются один или несколько участков с высокой газопроницаемостью, обусловленной разрыхляющим действием газового потока при несоответствии га¬зодинамического режима гранулометрическому составу шихты. Для ликвидации канального хода на печи с конусным засыпным ап¬паратом изменяется режим работы вращающегося распределителя шихты, с тем чтобы мелкие фракции железорудных материалов по падали в печь со стороны образовавшегося канала; при наличии бесконусного загрузочного устройства применяют секторную загрузку железосодержащих материалов в район поверхности засыпи, где установлено наличие канала. 
Длительная неравномерная работа печи по окружности вызывает односторонний разгар огнеупорной кладки, приводит к ухудшению использования тепловой и химической энергии газового потока, снижению производительности и увеличению расхода кокса. Неравномерная работа печи по окружности может быть вызвана причинами технологического характера, а также вращающимся распределителем шихты. 
Регулирование распределения газового потока по окружности печи производится изменениями программы работы вращающегося распределителя шихты, изменениями дутьевого режима, корректировкой состава шихты и величин рудной нагрузки. При этом большая часть мелких железорудных материалов грузится в сектор с повышенной температурой. На печах с бесконусным загрузочным устройством для такого регулирования применяется секторный режим. 
Различного рода нарушения в загрузке шихтовыми материалами, наряду с другими причинами, могут вызвать тяжелые расстройства в работе доменной печи — холодный ход, горячий ход, ход с обрывами и подвисаниями шихты, загромождение горна, образование на стенках настылей. 
Современные технологические требования к радиальному распределению шихтовых материалов, определяющие эффективность использования тепловой и восстановительной энергии газа, а также интенсивность процесса плавки могут быть сформулированы следующим образом:  
1. Распределение рудных нагрузок должно формироваться в рамках цикла загрузки и изменяться от величины, близкой к нулю в центре, до максимального значения 5—7 на расстоянии 0,8 радиуса от центра с уменьшением к периферии на 15—20 %. 
2. Распределение объемов шихтовых материалов за цикл должно обеспечивать формирование заданного профиля засыпи с учетом распределения скоростей схода и физико-механических свойств шихты. Изменение профиля в пределах цикла должно ограничивать течение шихтовых материалов по поверхности засыпи. 
3. Газопроницаемость столба шихтовых материалов должна быть максимальной в центре печи, уменьшаться в средней зоне и на периферии достигать умеренной величины, се значение следует определять с учетом зоны плавлений. 
Эффективное использование бесконусных загрузочных устройств с возможностью гибкого регулирования радиального распределения шихтовых материалов на колошнике потребовало разработки и. математического описания основных критериев управления загрузкой, методов расчета программ загрузки, исследования, и систематизации взаимосвязей между параметрами загрузки и показателями работы печи. Решающее значение приобрели объем и качество информации о точности реализации заданной.программы загрузки, профиле и распределении скорости схода шихты, температуре и интенсивности газового потока. 
Оптимальное распределение рудных нагрузок определяется для стабильного хода печи и соответствует условиям наивысшей эффективности доменной плавки. В случае отклонения по каким-либо причинам хода печи от нормального для получения Лучших технико-экономических, показателей должна изменяться зависимость распределения рудных нагрузок по радиусу. Важнейшим элементом наиболее совершенных режимов загрузки является создание в центральной зоне коксовой подушки, что обеспечивает формирование в средней и периферийной зонах колошника колец железосодержащих- материалов, которые не перекрывают осевую зону и обеспечивают необходимую степень ее раскрытия. 
Как показали исследования, температура поверхности, засыпи с достаточной достоверностью характеризует интенсивность газового потока на отдельных участках сечения колошника. Это может быть использовано для обнаружения образующихся каналов и своевременной их ликвидации изменением рудной нагрузки на отдельных участках поверхности колошника. 
Измерение температуры поверхности засыпи дает возможность осуществлять непрерывный контроль за рациональным распределением газового потока. Характер распределения температур поверхности засыпи согласуется с распределением температур под уровнем засыпи, а кривая распределения СОг по радиусу представляет зеркальное отражение кривых распределения температур. 
Автоматизированный контроль температуры поверхности засыпи осуществляется с помощью системы «Спиротерм» путем сканирования по двум спиралям — от периферии к центру и от центра к периферии. Устройство отображения информации устанавливается в помещении центрального пульта управления печью. 
Состояние поверхности шихтовых материалов, оказывающее влияние на характер газового потока, контролируется с помощью радиоизотопных либо механических профилемеров. 
Характер распределения материалов и газов в печи устанавливается на основании данных об изменении состава и температуры газов по диаметру и окружности печи на верхнем горизонте шихты. Современная установка для получения таких данных состоит из механического горизонтального зонда в комплекте с автоматическим газоанализатором. 
Большое значение для ведения доменной печи имеет информация о перепадах давления газового потока. Общий перепад характеризует суммарное сопротивление всего столба шихтовых материалов. Сохранение постоянства общего перепада является непременным условием ровного и устойчивого хода печи. Частные перепады характеризуют состояние и процессы, проходящие на различных горизонтах печи. 
Показания термопар, установленных на окружности шахты, характеризуют развитие газового потока и окружное распределение в периферийной зоне печи. 
Управление газовым потоком в доменной печи с помощью ЭВМ обеспечивает: 
— предоставление непрерывной и наглядной информации о параметрах работы печи; 
— выявление намечающихся нарушений в газовом потоке; 
— расширение возможности целенаправленного технологического вмешательства.