ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕЗЕРВЫ СОВРЕМЕННОЙ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Совокупность известных и разрабатываемых мероприятий по совершенствованию доменного процесса в настоящее время позволяет ожидать улучшения показателей доменной плавки примерно в 1,5 раза при достижении производительности 3,5—4,0 тДм3 • сут) и расходе кокса 250—300 кг/т чугуна. На основании отечественного и мирового опыта резервы доменной плавки использованы далеко не полностью, и реализация их является задачей первостепенной важности, поскольку более половины топлива, используемого в черной металлургии, приходится именно на доменное производство. Решение этих вопросов невозможно без глубокого изучения закономерностей теплообмена.

При проведении экспериментальных исследований на промышленных печах использовали комплекс новых измерительных схем и методов, позволяющих контролировать степень завершенности процессов теплообмена, распределение материалов и газов, их температур, прогнозировать температурные поля в объеме печи по данным локальных измерений. Результаты этих исследований позволили уточнить схему теплообмена в современной доменной плавке, вскрыть пути повышения эффективности процессов выплавки чугуна.

На основании результатов исследования можно сделать вывод, что по мере совершенствования доменного процесса температурное поле по высоте печи сохраняет свои главные особенности: в пределах верхней зоны теплообмена наблюдается в целом выпуклость температурных кривых, а в нижней — вогнутость. Однако отмечается некоторая деформация этого поля, суть которой состоит в наличии на температурных кривых по высоте печи нескольких участков замедленного теплообмена.

Это является следствием улучшения подготовки железорудного сырья, повышения концентрации восстановителей в доменном газе. Следовательно, и в современных условиях доменной плавки двухступенчатая схема теплообмена сохраняет свои характерные черты и обеспечивает устойчивость процессов и экономичность плавки (рис. 1). Отмеченное является внутренним свойством доменного процесса, поэтому работа доменной печи даже при уменьшении расхода кокса до минимально возможного уровня с вырождением верхней ступени теплообмена невозможна. Этот вывод имеет принципиальное значение для разработки технологических приемов экономии топливно энергетических ресурсов. С этих позиций и следует рассматривать особенности схем теплообмена при использовании комбинированного дутья, металлизованного и частично восстановленного железорудного сырья, при подаче газавосстановителя в шахту, глубоком обогащении дутья кислородом.

Хорошо известно, что отличие конструкции, режимных параметров, характеристик проплавляемого сырья вносят те или иные особенности в распределение скоростей газа, шихтовых материалов, в формирование температурных полей. Характерно, что отношение теплоемкостей потоков шихты и газа на колошнике печи во всех вертикальных элементах меньше единицы. Следовательно, для всех вертикальных элементов характерна двухступенчатая схема теплообмена (рис. 2). В то же время степень завершенности процессов теплообмена, оцениваемая разностью температур газа и материалов, в отдельных вертикальных зонах различна. Так, она минимальна в районе рудного гребня, где отмечаются максимальные значения теплоемкостей. Для этих условий режим теплообмена близок к критическому. В связи с этим дальнейшее сокращение расхода кокса и повышение рудной нагрузки на кокс при улучшении качества железорудного сырья, инжекции топлива и других усовершенствованиях технологии, возможны только при одновременной оптимизации распределения материалов на колошнике.

Эта особенность теплообмена уже используется частично на некоторых отечественных и зарубежных металлургических заводах, где по мере совершенствования доменного процесса стремятся сократить до минимума зону замедленного теплообмена на большей части радиуса, для чего осуществляют достаточно продолжительную и устойчивую работу доменных печей с высокой рудной нагрузкой на кокс в периферийной зоне. При этом шихтовые материалы располагаются на колошнике доменной печи таким образом, что температура га

Распределение отношения теплоемкостей потоков шихты и газа по радиусу колошника доменной печи: 1 100 % агломерата; 2 30 % окатышей и 70% агломерата; 3 — 50 % окатышей и 50% агломерата; 4 — 80 % окатышей и 20% агломерата за вблизи поверхности засыпи на большей части радиуса печи снижается до 100 °С и только в небольшом по пло?цади осевом круге имеется всплеск температур до 500 °С. Именно такой характер температурного поля обеспечивает экономичный режим доменной пламси, поскольку сохраняет завершенность теплообмена в каждом из вертикальных элементов и повышает степень использования теплового и восстановительного потенциала газового потока не только вследствие увеличения отношения теплоемкостей потоков шихты и газа, но и благодаря некоторому снижению температуры зоны замедленного теплообмена.

В условиях перехода к рыночной экономике, обострения дефицита топливноэнергетических ресурсов, цены на которые неизменно растут, повысить эффективность доменной плавки можно также за счет оптимального распределения топливно энергетических ресурсов между печами доменного цеха (группы доменных печей), для чего целесообразно использовать математические модели. В основу построения оптимизационных моделей положены комплексные методы оценки эффективности применения инжектируемого топлива, технологического кислорода в каждой из печей в отдельности, основанные на закономерностях процессов теплообмена в доменных печах. Исходная информация базируется на фактических показателях работы печей в предшествующий прогнозу период, что позволяет повысить адекватность модели и надежность прогноза.

Внедрение таких систем на металлургических предприятиях России и стран СНГ позволяет выбирать оптимальные параметры комбинированного дутья на каждой из печей при изменении конъюнктуры рынка, объема имеющихся топливноэнергетических ресурсов, изменений режимных параметров отдельных печей (изменений температуры горячего дутья, остановки отдельных печей; качества проплавляемого сырья и используемого топлива). Первый опыт внедрения таких систем на металлургических предприятиях России показал, что оптимальное управление топливно энергетическими ресурсами позволяет в современных условиях сэкономить до 1,5% топлива, используемого в доменном производстве.

Современные условия работы доменных печей характеризуются сохранением двухступенчатой схемы теплообмена в любом вертикальном элементе столба шихтовых материалов. Любые изменения технологий доменного процесса не должны менять этой схемы; ее сохранение может быть обеспечено либо соответствующей организацией подачи теплоносителя, либо подбором систем загрузки шихтовых материалов. Рациональным распределением температур газа над уровнем засыпи, обеспечивающим экономичность доменной плавки, является равномерное распределение температур по радиусу колошника с некоторым всплеском в осевом круге. Дополнительные резервы повышения эффективности доменной плавки связаны с оптимальным распределением топливно энергетических ресурсов в группе доменных печей.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994