CC BY
86
УДК 669.162.262.4
Сибагатуллин С.К., Гущин Д.Н., Тимофеев В.Ю., Филиппов А.И., Сибагатуллииа М.И.
О ДЕЙСТВИИ СООТНОШЕНИЯ УГЛОВ ОТКОСА ЗАГРУЖАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В КОЛОШНИКОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Аннтотация. В действии соотношения углов откоса имеются вклады физико-механических свойств, траектории движения до уровня засыпи и степени уравновешивания материалов подъёмной силой газового потока. Участие газового потока в формировании откосов означает перераспределение их при изменении газопроницаемости шихты, а также параметров газа в колошниковой части печи: скорости, давления, плотности, температуры и, следовательно, интенсивности по дутью, несмотря на остающиеся при этом неизменными параметров режима загрузки.
Ключевые слова: доменная печь, загрузка, колошник, распределение материалов, железорудное сырьё, кокс, газопроницаемость, газовый поток.
Распределение загружаемых материалов по окружности и сечению колошника существенно влияет на показатели работы доменной печи [1-4] и является составляющим теории и технологии доменной плавки [5, 6]. Возможная величина снижения удельного расхода кокса дальнейшим совершенствованием распределения железорудного сырья и кокса в колошниковом пространстве получена равной 7% [2]. Обеспечивающим такое действие фактором является снижение затрат тепла на прямое восстановления железа из оксидов, приближение степеней прямого и косвенного восстановлений к оптимальным величинам [7, 8]. Но для достижения этого результата необходимо постоянно выявлять и обеспечивать оптимальное распределение, которое зависит от условий работы печи [9]. Приёмы воздействия на него зависят от действующих факторов, которыми являются:
- последовательность поступления материалов с загрузочного устройства в колошниковое пространство;
- траектория движения материалов с загрузочного устройства и место встречи потока их с поверхностью ранее загруженных материалов;
- соотношение углов откоса разных материалов, в том числе кокса и железорудного сырья;
- деформация ранее загруженного слоя вновь загружаемым материалом, то есть падающим с загрузочного устройства;
- соотношение скорости опускания поверхности шихты по кольцевым зонам от футеровки до оси, то есть по отдельным составляющим диаметра колошника; то же по секторам (по отдельным составляющим окружности колошника);
- самопроизвольное перераспределение материалов по крупности в процессе ссыпания материала с большого конуса и после загрузки очередной подачи: сегрегация, перевеивание;
- количественное соотношение ме^ду материалами в шихте (агломерат, окатыши, кокс, руда, добавки).
Проведенные исследования по последовательности поступления материалов изложены в ряде работ [8, 10 и др.]. Способы воздействия на траекторию их движения рассмотрены в работе [11]. Важность соотношение углов откоса загружаемых материалов отмечается издавна [4, 12]. Поэтому дополнительно рассмотрели факторы, действующие на угол откоса и соотношение между величинами их для кокса и железорудного сырья.
Схема расположения поверхностей кокса и железорудного материала при превышении угла откоса железорудного материала Ор над углом кокса ак и расположении гребней их у стен колошника представлена на рис. 1.
Нрц
Ок I
Рис. 1. Схемарасположения поверхностей железорудного материала (Р) и кокса (К) при ар > ак (штрихпунктирная линия соответствует оси доменной печи)
В этом случае толщина слоя рудного материала у периферии Нрп превышает толщину слоя кокса Ннп, то есть Нрп > Ннп. В осевой зоне, наоборот, толщина слоя кокса Ннц превышает толщину слоя рудного материала Нрц, Нщ > Нрц. Видно, таким образом, что превы-
шение угла откоса железорудного материала над углом кокса приводит к росту загруженности периферии (увеличению доли его у футеровки) и раскрытию центра (увеличению доли кокса там).
В условиях, когда угол откоса кокса больше по сравнению с рудными материалами, действие окажется обратным рассмотренному.
При загрузке с формированием гребня материалов на некотором расстоянии от стен колошника толщины слоев Нп будут относиться к зоне расположения гребня, аНц - к основанию откоса.
Подобное относится и к распределению по окружности, так как имеется секторная неравномерность поступления материалов по количеству, качественным показателям, видам, соотношению между ними.
В современных условиях на действующих печах с номинальным уровнем рабочих параметров обычно Ор > ак, но с различным соотношением. Улучшение качества железорудных материалов по крупности и прочности, в направлении которого развивается подготовка сырья, увеличивает это соотношение, то есть улучшение качества ведёт к повышению загруженности периферии при прежних параметрах режима загрузки. Это благоприятно для снижения удельного расхода кокса и повышения производительности печи. Но увеличение соотношения между Ор и«, затрудняет достижение равномерного распределения железорудного сырья и кокса по окружности.
Углы откоса материалов и соотношение между ними зависят от ряда факторов:
- физико-механических свойств (вид материала, крупность, форма и др.);
- траектории движения материалов с загрузочного устройства и высоты падения;
- действия подъёмной силы газового потока.
Физико-механические свойства проявляются через угол естественного откоса ао - наибольшего угла откоса при ссыпании материала в кучу без дополнительного внешнего воздействия. Между отдельными кусками сыпучего тела имеет место значительное трение, благодаря которому они могут сохранять рав-новесие в некоторых пределах. Такими пределами являются откосы, образующиеся при насыпании сыпучего тела в кучу. При образовании откоса частицы удерживаются благодаря трению и упорам одной в другую. Силы трения проявляются при сползании одной части сыпучего тела относительно другой, при котором в зоне сдвига частицы сыпучего тела вращаются и смещаются на глубину двух-трех диаметров. Для частиц неправильной формы ао всегда выше, чем для шарообразных или округленных. В ОАО «ММК» средние величины углов естественного откоса по измерениям составили:
- кокс - 42°;
- агломерат - 42°30';
- окатыши - 32°30';
- железнаяруда - 41°.
Угол естественного откоса агломерата одной из фабрик ОАО «ММК» по классам крупности составил, град: +25 мм - 34; 25 - 10 мм - 29; 10 - 5 - 38; 5 - 0 -32.
При падении материала с высоты угол откоса уменьшается. Для одного из видов кокса уменьшение соответствовалотабл. 1.
Таблица 1
Угол откоса кокса в зависимости от высоты падения, град
Высота падения,м 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Угол откоса, град 48,7 47,6 42,3 36,2 29,1 21,1
Падение сырьевых материалов крупностью 4025 мм в пространство колошника диметром 5 м при колошниковом зазоре 650 мм сопровождалось в отсутствии газового потока формированием поверхности с углами откоса, представленными в табл. 2.
Таблица 2
Углы откоса сырьевых материалов крупностью 40 - 25 мм в пространстве колошника при загрузке без воздействия газового потока (А - агломерат, Р - железная руда, И - известняк), град
Уровень засыпи, м Вид материала
А Р И
0 42 42,5 42
0,9 33,25 39,5
1,0 37
1,5 30 36,83 36
2,8 34,5
2,9 29
3,0 33
Загрузка на уровень 1,5 м наиболее сильно уменьшала угол откоса агломерата. Угол откоса испытываемого вида кокса в зависимости от уровня засыпи составлял:
уровень, м 0 1,0 1,6 3,0
угол, град 43 37,3 35,3 33
Крупные фракции образовывали больший угол по сравнению с мелкими составляющими.
Угол откоса компонентов шихты перед задувкой доменных печей ММК соответствовал табл. 3.
На угол откоса влияет однородность материала по крупности: при наличии мелких и крупных фракций мелкие частично задерживаются неровностями откоса, сглаживают их и тем самым облегчают движение крупных. Поэтому крупные куски откатываются к основанию откоса, хотя угол естественного откоса их больше угла откоса мелких.
При движении материала по наклонной поверхности получаются наружный а^ и внутренний авн углы откоса (рис. 2).
Таблица 3
Углы откоса материалов на колошнике при загрузке перед задувкой доменных печей с диаметром колошника 6400 - 6600 мм и зазором 800 - 850 мм
Таблица 5
Внутренний (ВН) и наружный (НР) угол откоса агломерата при падении с различной высоты после движения по наклонной поверхности
Материал Доменная печь Неполнота печи от нижнего положения большого конуса, м Угол откоса, град
Кокс В 3,4 28,5
Г 1,3 27,2
Г 1,8 26,2
А 2,5 26,3
Руда В 3,2 29,6
В 4,6 28,4
Г 1,0 32,8
Г 1,6 32,7
А 2,1 32,8
А 1,2 31,7
Агломерат В 2,3 33,3
Высота падения, м Вид угла Угол откоса по углам наклона поверхности, град
10 20 30 40 50
0,5 ВН 34 35 36 33 35
0,5 НР 32 25 32 30 32
1,0 ВН 29 32 31 29 33
1,0 НР 28 30 26 23 23
1,25 ВН 31 29 27 31 31
1,25 НР 26 22 24 22 24
Таблица 6
Внутренний (ВН) и наружный (НР) угол откоса окатышей ССГПО при падении с различной высоты после движения по наклонной поверхности
Рис. 2. Схема формирования наружного анр и внутреннего аен углов откоса
Высота падения,м Вид угла Угол откоса по углам наклона поверхности, град
10 20 30 40 50
0,5 ВН 27-28 25-26 29-30 28-29 27-28
0,5 НР 26-28 25-26 28-29 25-26 26
1,0 ВН 21-22 23-24 22-24 19-20 22-23
1,0 НР 18-19 17 16-17 17 17
1,25 ВН 20-22 24-25 23-25 20-22 22-24
1,25 НР 14 22-23 19-20 15 16
Действие подъёмной силы газового потока на угол откоса проявляется через степень уравновешивания им части веса загружаемых в печь материалов.
Степень уравновешивания материалов поверхностного слоя подъёмной силой газового потока V в доменной печи характеризуется выражением
Изменение их в зависимости от наклона направляющей поверхности и высоты её расположения представлены в табл. 4 - 6.
Таблица 4
Внутренний (ВН) и наружный (НР) угол откоса металлургического кокса при падении с различной высоты после движения по наклонной поверхности
^мТгкР VK]
Высота падения,м Вид угла Угол откоса по углам наклона поверхности, град
10 20 30 40 50
0,5 ВН 62 58 56 56 52
0,5 НР 44 42 42 40 44
1,0 ВН 59 56 55 50 54
1,0 НР 41 45 40 42 40
1,5 ВН 48 45 40 42 44
1,5 НР 35 33 28 25 26
2,0 ВН 32 30 28 30 36
2,0 НР 24 20 16 21 20
V = м —^--(1)
556 у Р
I нас кг
где - коэффициент сопротивления шихтового материала движению газового потока;
Ткг - температура колошникового газа у поверхности засыпи, К;
Укг - выход колошникового газа за единицу времени (м3/мин) на 1 м3 полезного объёма;
1 ,7-1,9 - показатель степени, учитывающий режим движения газа у поверхности шихты на полном дутье; при работе на тихом ходу он близок к 1,0;
Тнас - насыпная плотность шихтового материала;
Ркг - давление газа у поверхности засыпи;
рг - плотность газа на выходе из слоя шихты.
В действии степени уравновешивания имеется составляющая, проявляющаяся через коэффициент внутреннего трения, и составляющая, действующая через подъёмную силу газового потока на выходе из слоя материалов. Уменьшение коэффициента внутреннего трения и увеличение подъёмной силы газового потока уменьшают угол откоса.
Влияние степени уравновешивания на коэффициент внутреннего трения внутри слоя у поверхности соответствует выражению [5]
f = £, (1 - 0,18 V), (2)
где ^ - коэффициент внутреннего трения между частицами и кусками без воздействия на них газовым потоком.
Действию подъёмной силы газового потока (Б) на выходе из слоя соответствует рис. 3.
Рис. 3. Схема действия подъёмной силы газового потока, выходящего из слоя, на угол откоса: Я - радиус колошника; а - угол откоса; у0 - плотность шихтового материала;
Е - подъёмная сила газового потока на выходе из слоя шихты; Еги Е - горизонтальная и вертикальная составляющие подъёмной силы газового потока
Характеристикой подъёмной силы газового потока является динамический напор Ид, поэтому горизонтальная составляющая его соответствует выражению = Ид^а.
В обычных условиях работы доменных печей степень уравновешивания V находится в пределах 0,35 - 0,50. Она зависит от количества газов на колошнике (интенсивности работы печи по дутью), температуры, плотности и давления колошникового газа, гранулометрического состава и насыпной плотности компонентов шихты. Динамический напор зависит от этих же параметров газового потока. Действие его изменения оказывается сильнее, чем изменение коэффициента внутреннего трения. Поэтому все эти факторы оказывают существенное влияние на наклон откоса материалов после их загрузки в печь, которое различно как по сечению и окружности, так и во временном интервале.
По результатам измерений на печи с конусным загрузочным устройством угол откоса рудного материала у стен был равен 7°, в промежуточной зоне 12 -16° ив центре печи 1°12'. При одинаковых потерях напора по сечению печи степень уравновешивания материалов газовым потоком и его динамический напор в местах сосредоточения кокса получается выше, чем в местах сосредоточения железорудного сырья. Это создаёт условия для большего уменьшения угла откоса зон с пониженной рудной нагрузкой при увеличении V. Величина уменьшения может быть разной в зависимости от соотношения газопроницаемо-
стеи железорудного сырья и кокса.
Участие подъёмной силы газового потока в формировании откосов действует в современных условиях в направлении повышения загруженности периферии печи при снижении содержания мелочи в железорудном сырье и, наоборот, в направлении раскрытия периферии, развития периферийного потока газов при росте содержания мелкой фракции.
Увеличение крупности кокса действует в направлении большего сосредоточения его у стен, то есть в направлении развития периферийного потока газов.
Изменение скорости, плотности, давления и температуры газа сопровождается изменением динамического напора и степени уравновешивания рудного материала и кокса. Так как последние неодинаковы, а между степенью уравновешивания и динамическим напором, с одной стороны, и углом откоса, с другой, зависимость обратная, но не пропорциональная, то при этом может меняться соотношение углов откоса и количественное распределение кокса и руды по сечению печи. Например, при уменьшении количества дутья и повышении давления колошникового газа наблюдалось усиление периферийного потока газов и перемещение максимума С02 от стен.
Степень уравновешивания и динамический напор прямо пропорциональны температуре газа, поэтому снижение температуры газа в верхних горизонтах столба шихты может сопровождаться усилением периферийного потока газа. Повышение температуры приводит к обратному результату. Пример изменения температуры по сечению в течение последовательных четырёх часов представлен на рис. 4, а по секторам верха шахты в течение 8 ч - в табл. 7.
350 300 250 200 150 100 50 0
/ ^
// У .
„. - • ■
ч /У/ ^ ф *
0,5 1 1,5 2 2,5
Расстояние от стенки, м
3,5
Рис. 4. Примерраспределения температур порадиусу колошника печи в течение последовательных четырёх часов: 1-й час - сплошная линия; 2-й - пунктир; 3-й - штрихпунктир; 4-й - точечная
0
3
Таблица 7
Пример температуры по окружности верха шахты в течение 8 ч
Время, ч Температура по секторам
1 2 3 4 5 6
1 444 532 345 287 297 376
2 458 539 326 253 232 368
3 465 536 310 244 232 326
4 440 509 249 199 186 251
5 404 480 242 246 215 236
6 408 507 265 290 277 268
7 423 520 292 283 269 289
8 433 519 290 284 276 294
Изменение скорости, плотности, давления и температуры газа сопровождается изменением его динамического напора, степени уравновешивания рудного материала и кокса газовым потоком, что приводит к перераспределению их по окружности и сечению печи.
Список литературы
На печах с лотковым загрузочным устройством действие соотношения углов откоса загружаемых материалов на их распределение в колошниковом пространстве доменной печи может быть ослаблено или усилено выбором траектории движения материалов.
Влияющие на соотношение углов откоса факторы, в том числе температура газа в слое, относятся не только к распределению материалов по сечению, но и по окружности.
Таким образом, в действии соотношения углов откоса загружаемых материалов на их распределение в колошниковом пространстве доменной печи имеются вклады физико-механических свойств, траектории движения материалов с загрузочного устройства и высоты падения, степени уравновешивания материалов подъёмной силой газового потока, его динамического напора. Действие степени уравновешивания проявляется через коэффициент внутреннего трения, динамического напора - через горизонтальную составляющую его на выходе из слоя материалов. Уменьшение коэффициента внутреннего трения и увеличение динамического напора газового потока уменьшают угол откоса.
Участие подъёмной силы газового потока в формировании откосов действует в современных условиях в направлении повышения загруженности периферии печи при снижении содержания мелочи в железорудном сырье и, наоборот, в направлении раскрытия периферии, развития периферийного потока газов, при росте содержания мелкой фракции. Увеличение крупности кокса действует в направлении большего сосредоточения его у стен, то есть в направлении развития периферийного потока газов.
4
5
7
Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвис-нев, Ю.С. Юсфин и др.; под ред. Ю.С. Юсфина. М.: Академкнига, 2004. 774 с.
Товаровский И.Г. Прогнозная оценка влияния шихтовых материалов по радиусу колошника на процессы и показатели доменной плавки // Металлург. 2014. № 8. С. 46 - 52. Комплекс модельных систем поддержки принятия решений для управления технологией доменной плавки / H.A. Спирин,
B. В. Лавров, В.Ю. Рыболовлев и др. // Металлург. 2010. № 9.
C. 29 - 32.
Павлов М.А. Металлургия чугуна. М.: Металлургиздат, 1949. 628 с.
Бабарыкин H.H. Теория и технология доменного процесса. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. 257 с. Стефанович М.А., Сибагатуллин С.К., Гущин Д.Н. Закономерности движения шихты и газа в доменной печи. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. 161 с.
Сибагатуллин С.К. Оптимальная степень прямого восстановления железа из оксидов // Сталь. 1997. № 4. С. 1 - 5.
8. Сибагатуллин С.К., Харченко A.C., Бегинюк В.А. Технологические решения для оптимальной реализации доменного процесса // Металлург. 2014. № 4. С. 64 - 70.
9. Об оптимальности распределения материалов в колошниковом пространстве доменной печи / Сибагатуллин С.К., Махму-тов Р.Ф., Стародубов В.А. и др. //Теория и технология металлургического производства. 2014. № 2 (15). С. 31 - 34.
10. Сибагатуллин С.К., Харченко A.C. Выявление рациональной последовательности набора компонентов сырья в бункер БЗУ лоткового типа физическим моделированием // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. № 3(51). С. 28 - 34.
11. Распределение материалов по сечению шахтной печи воздействием на траекторию движения материалов с большого (нижнего) конуса / Сибагатуллин С.К., Рамазанов И.А., Каримулли-на Э.А. и др. // Литейные процессы: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Колокольцева. Вып. 13. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. С. 39 - 51. Гольдштейн Н.Л. Углы откоса шихтовых материалов доменных печей // Научные труды Днепропетровского металлургического института. Днепропетровск: Металлургиздат, 1940.
12.
Сведения об авторах
Сибагатуллин Салават Камилович - д-р техн. наук, проф. каф. металлургии чёрных металлов, ФГБОУ ВПО «Магниго-горскийгосударственныйтехнический университет им. Г.И. Носова». Теп. 8(3519) 29-84-30.
Гущин Дмитрий Николаевич - аспирант каф. металлургии чёрных металлов, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Тимофеев Вадим Юрьевич - студент магистратуры гр. ММЧМ-14, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Филиппов Алексей Иванович - студент магистратуры гр. ММЧМ-14, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Сибагатуллина Маргарита Ильдаровна - студентка гр. МБЖ-10, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
ABOUT INFLUENCE OF RATIO OF SLOPE ANGLES OF CHARGING MATERIALS ON THEIR DISTRIBUTION IN THE TOP OF THE BLAST FURNACE
Sibagatullin Salavat Kamilovich - D. Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Tecnical University. Phone: (3519)29-84-30.
Guschin Dmitriy Nikolaevich - Postgraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Timofeev Vadim Jurievich - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Fillippov Aleksey Ivanovich - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Sibagatullina Margarita Ildarovna - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University.
Abstract. Physical and mechanical properties of materials, trajectories of their moving to the stockline, counterpoising by lifting force of gas flow influences the ratio of slope corners at top of black furnace.
Notwithstanding constant charging regime, redistribution of slopes occurs as a result of gas permeability varying and change of gas parameters such as speed, pressure, density, temperature and hence the blowing intensity
Keywords: Black furnace, charging, top of the black furnace, distribution of materials, iron-ore raw materials, coke, gas permeability, the gas flow.
♦ ♦ ♦
УДК 669.162.16
Миникаев С.Р., Сидоров М.В., Сибагатуллина М.И., Харченко Е.О., Кузнецов Д.М.
ВЫЯВЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ЗАГРУЗКИ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В БУНКЕР БЗУ ЛОТКОВОГО ТИПА
Аннотация. Установлено влияние расположения добавочных материалов в слое агломерата и доли окатышей от железорудной части шихты на коэффициент равномерности их выхода из бункера БЗУ. Наиболее высокую его величину обеспечивала загрузка: на дно шихтового бункера 69 % агломерата, затем коксового орешка и марганцевой руды, далее загрузка оставшегося 29 % агломерата, после чего окатышей в количестве 30 % от железорудной части шихты.
Ключевые слова: БЗУ лоткового типа, последовательность расположения материалов в бункере БЗУ.
Равномерное распределение компонентов шихты по окружности колошника доменной печи и оптимальное по радиусу обеспечивает снижение градиента температур по периферии, повышение степени использования газового потока, вследствие чего уменьшение температур в газоотводах. Это может позволять вести плавку с повышенным перепадом давления газов [1]. Его рост на каждые 10 кПа в условиях ровного схода шихтовых материалов обеспечивает снижение удельного расхода кокса на 8 кг/т чугуна и повышение производительности печи более чем на 2% [2]. Однако на печах, оснащенных компактным бесконусным загрузочным устройством (БЗУ) лоткового типа, возникают сложности в обеспечении равномерного окружного распределения материалов [3,4]. Это связано с много-компонентностью используемой шихты.
На равномерность поступления материалов в колошниковое пространство печи в значительной степени влияет расположение компонентов шихты в бункере БЗУ относительно друг друга. Для выявления
рационального режима загрузки шихты в доменную печь провели серию опытов на физической модели однотрактового компактного загрузочного устройства лоткового типа, изготовленной в масштабе 1:5 по отношению к линейным размерам БЗУ доменных печей № 2, 4, 6 ОАО «ММК» [5, 6].
Исследовали влияние расположения добавочных материалов в слое агломерата и доли окатышей от железорудной части шихты на коэффициент равномерности поступления компонентов шихты из бункера БЗУ в колошниковое пространство печи. Его рассчитали по следующей формуле:
(1)
Ккш = 1
кш„
ср
где с; - среднеквадратическое отклонение по массе 1-х порций компонентов шихты, поступающих из бункера;
КШср - среднее значение поступающих из бункера порций шихты, по массе.
В исследовании применили полный двухфактор-
