Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОГО ПОТОКА ПО РАДИУСУ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано для определения оптимального распределения газового потока (ОРГ) по радиусу доменной печи, обеспечивающего максимальное использование тепловой и восстановительной энергии газового потока.

Известен способ определения оптимального распределения газового потока по радиусу доменной печи по данным о температуре и содержании двуокиси углерода в газе в различных точках радиуса колошника печи над уровнем засыпи, полученным с помощью горизонтальных зондов, вводимых в печь на момент измерения. Сопоставлением формы кривой радиального газораспределения с показателями плавки находится такая, при которой достигаются наилучшие ее показатели и которая является оптимальной для данных конкретных сырьевых и дутьевых условий работы доменной печи (А.Л.Брусов и др. Исследование параметров газа и распределения шихты на колошнике доменной печи с помощью зонда. «Сталь», 1992, №8, с.7-10).

Данный способ имеет следующие недостатки:

- найденные кривые ОРГ не универсальны и характерны только для тех сырьевых и дутьевых условий плавки, в которых они получены;

- вывод об оптимальности формы кривой радиального газораспределения, полученный в результате сопоставления ее с показателями доменной плавки, субъективен. Вид кривой позволяет только оценить распределение газового потока по радиусу печи, а для получения объективных данных об оптимальности кривой необходима ее количественная оценка и сопоставление найденного критерия с показателями работы доменной печи. Эта операция в данном способе не предусмотрена.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения оптимального распределения газового потока по радиусу печи, основанный на измерении температуры газа в верхней части доменной печи с помощью устанавливаемых над уровнем засыпи стационарных радиальных балок, в которых размещаются термопары для измерения температуры в различных точках радиуса колошника, и измерении состава вышедшего из печи общего колошникового газа, расчете по полученным данным количественных показателей распределения газового потока по радиусу печи и использования в доменной печи его восстановительной способности и сопоставлении их между собой для определения радиального газораспределения, при котором достигается наилучшее использование его восстановительной энергии (В.А.Заболотский и др. Непрерывный контроль газового потока в доменной печи №3 ЧМК. «Сталь», 1990, №6, с.14-16). Для количественной оценки распределения газового потока по радиусу печи расстояния между горячими спаями на радиальной балке рассчитаны так, чтобы они измеряли среднюю температуру газа в каждом из пяти равновеликих по площади колец (на оси печи - круга). В этом случае третья точка на радиальной балке делит площадь колошника печи на две равные части: «периферийную» и «центральную». Отсюда количественный показатель распределения газового потока по радиусу доменной печи (К_р) находили из следующего выражения:

К_р=t_п/t_ц, дол. ед.,

где t_п=0,4 t₁+0,4 t₂+0,2 t₃ - средняя температура «периферийной» части радиуса колошника, град. С,

t_ц= 0,2 t₃+0,4 t₄+0,2 t₅ - средняя температура «центральной» части радиуса колошника,

t₁, t₂, t₃, t₄, t₅ - средняя температура газа в каждом из пяти равновеликих по площади колец (на оси печи - круга) от периферии к центру печи, град. С.

Основными недостатками данного способа являются:

- нарушения в распределении шихтовых материалов при загрузке их в печь, т.к. поток их при ссыпании в печь с загрузочного устройства пересекает стационарно установленные радиальные балки;

- низкая стойкость (от полгода до года) радиальных неохлаждаемых балок из-за периодического (каждые 5-7 мин) изгибающего, истирающего и вибрирующего воздействия загружаемых в доменную печь шихтовых материалов. Использование иногда охлаждения радиальных балок водой или азотом для удлинения срока их службы приводит к искажению данных о температуре газа в различных точках радиуса колошника;

- возможность замены радиальных балок в случае выхода их из строя только во время длительной остановки печи для ее ремонта, что может оставить доменную печь без контроля радиального газораспределения на длительное (от пяти до десяти лет) время от момента выхода из строя радиальной балки до начала ремонта печи.

Сущность предлагаемого изобретения, направленного на определение оптимального радиального распределения газового потока в доменной печи, включающего отбор газа и измерение температуры над уровнем засыпи, разделение площади колошника на пять равновеликих по площади колец, определение количественного показателя распределения газового потока по радиусу печи, оценку распределения газового потока по виду температурной кривой, отличается тем, что разделение площади колошника на пять равновеликих по площади колец осуществляют от оси печи до цилиндрической части защитных плит колошника, или скошенной их части, или воображаемой линии, проведенной от скошенной части защитных плит колошника до основания газоотвода, устанавливают термопары и измеряют температуру над уровнем засыпи под осями газоотводов в середине площади периферийного кольца и в газоотводах печи по их вертикальным осям, определяют среднее значение измеренных температур над уровнем засыпи под осью газоотводов печи в середине площади периферийного кольца и в газоотводах печи по их вертикальной оси, то есть среднюю температуру периферийного газа - t_пс, °C и среднюю температуру колошникового газа - t_кг, °C соответственно, и определяют количественный показатель радиального распределения газового потока по формуле К_рс=t_пс/t_кг.

Внедрение предлагаемого изобретения устранит недостатки, свойственные прототипу:

- исключит нарушения в распределении ссыпающихся с загрузочного устройства шихтовых материалов вследствие отсутствия прямого контакта их с термопарами;

- исключит необходимость частой замены термопар из-за высокой стойкости периферийных термопар и термопар в газоотводах печи (стойкость их составляет обычно от ремонта до ремонта доменной печи);

- позволит вести непрерывный автоматический контроль радиального газораспределения в течение всей кампании печи.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена взаимосвязь показателей радиального газораспределения, полученных по показаниям радиальной балки, в которой размещены пять термопар, (К_р), и по показаниям периферийных термопар и термопар, установленных в газоотводах печи, (К_рс); на фиг.2 - зависимость степени использования окиси углерода в доменной печи (η_со) от показателя распределения температуры газа по радиусу печи (К_рс).

На фиг.1 представлены результаты сопоставления, проведенного на доменной печи №2 НТМК, показателей радиального газораспределения, полученных по показаниям радиальной пятиточечной термопары, установленной над уровнем засыпи (К_р), и по показаниям периферийных термопар и термопар, установленных в газоотводах печи (К_рс). Сопоставление величин обоих показателей радиального газораспределения показывает, что между ними существует линейная связь. Разброс экспериментальных точек объясняется тем, что К_р, характеризуя распределение газового потока только по одному диаметру печи, не может отражать его окружное газораспределение. К_рс, наоборот, полнее отражает распределение температуры газа по периферии печи, но не учитывает всех особенностей распределения температуры газа в радиальном направлении. Отсюда можно сделать вывод о том, что К_рс может характеризовать радиальное газораспределение не хуже, чем К_р, полученное более сложным способом.

На фиг.2 представлено сопоставление данных о распределении и использовании газового потока для получения оптимального радиального газораспределения, определяемого местоположением экстремума зависимости η_со=(К_рс).

Для осуществления предложенного способа доменная печь должна быть оборудована следующими техническими средствами.

Периферийные термопары, устанавливаемые над уровнем засыпи под осями газоотводов и измеряющие температуру газа в пятом (от оси печи) из пяти равновеликих по площади колец, на которые разделена площадь колошника. Размещение термопар непосредственно под осями газоотводов печи исключит влияние на их показания смещения газового потока в горизонтальном направлении при входе в них. Размещение термопар в центре по площади пятого (от оси печи) кольца позволит получать информацию о средней температуре периферийной части колошника, наиболее важной с точки зрения работы газового потока.

Термопары в газоотводах печи, устанавливаемые в их вертикальной части по их осям. Такая установка обеспечит получение информации о средней температуре колошникового газа или, что то же самое, о средней температуре газа по радиусу печи, т.к. численно они должны быть равны.

Газоанализатор, анализирующий состав колошникового газа, вышедшего из печи, на содержание в нем СО и СО₂. Полученные данные позволят определять полноту использования восстановительной способности газового потока, определяемую по величине η_со.

Расчет точки, в которой будет проводиться измерение температуры периферийных газов, проводится следующим образом.

В зависимости от величины радиуса колошника (R) определяется его площадь (S_к). Для доменной печи №4 ММК объемом 1380 м куб. радиус колошника равен 3,3 м. Отсюда:

S_к=πR²=3,14×3,3²=34,2 м².

Из принятого условия, что периферийные термопары должны измерять температуру в центре по площади одного из пяти равновеликих по площади колец, на которые делится площадь колошника, следует, что это кольцо делится, в свою очередь, на два равных по площади кольца. Следовательно, таких равновеликих по площади колец будет десять, а площадь каждого из них будет равна:

S_j=S_к:10=34,2:10=3,42 м².

Отсюда расстояние, на котором должны находиться спаи термопар от оси печи (R₁), определяется по следующему выражению:

После оборудования доменной печи перечисленными техническими средствами дальнейшее осуществление предлагаемого способа возможно как с использованием вычислительной техники, так и без нее.

В первом случае очередность операций должна быть следующей:

- непрерывный опрос показаний периферийных термопар, термопар в газоотводах печи и газоанализатора;

- нахождение средних значений искомых величин за выбранный период усреднения;

- расчет показателя распределения температуры газа по радиусу печи (К_рс) по выражению

К_рс=t_пс/t_кг, дол. ед.,

где t_пс - среднее значение измеренных температур над уровнем засыпи под осями газоотводов в середине площади пятого от оси печи кольца (периферийного кольца), °С,

t_кг - среднее значение измеренных температур в газоотводах печи по их вертикальным осям, °С;

- расчет показателя степени использования СО по следующему выражению:

η_co=СО₂/(СО+СО₂), дол. ед.,

где СО и СО₂ - содержание окиси и двуокиси углерода в колошниковом газе на выходе из печи, дол. ед.;

- накопление в памяти ЭВМ выбранного числа значений К_рс и η_со, полученных вышеописанным способом;

- определение экстремума зависимости η_co=f(К_рс) с помощью статистической модели вида

где α₀, α₁ и α₂ - коэффициенты регрессии модели, определяемые методом наименьших квадратов;

- вывод на экран дисплея графика видеокадра в координатах "Степень использования окиси углерода" и "Показатель распределения температуры газа по радиусу печи", аналогичного изображенному на фиг.2, исходных данных и линии регрессии. Из фиг.2 видно, что оптимальное радиальное газораспределение, при котором достигается максимальное использование окиси углерода, достигалось при значениях К_рс=0,95;

- продолжение опроса показаний термопар и газоанализатора; усреднение полученных данных; расчет К_рс и η_co; занесение последних результатов расчета в базу данных, исключив при этом первые значения (т.е. проводя непрерывное обновление базы данных); поиск линии регрессии; нанесение на видеограмму, подобную изображенной на фиг.2, последних результатов расчета (исключив первые) и линии регрессии.

Осуществление предлагаемого способа на доменных печах, не оборудованных вычислительной техникой, возможно за счет периодически проводимой обработки данных диаграмм контрольно-измерительных приборов с записью показаний периферийных термопар, установленных на периферии печи над уровнем засыпи и в газоотводах печи и газоанализаторов; усреднения полученных значений за установленные периоды работы печи; определения количественных показателей распределения и использования газового потока за выбранные периоды усреднения; сопоставления их между собой путем построения графика, подобного изображенному на фиг.2; проведения линии регрессии и определения по ней оптимального значения

К_рс, при котором достигается максимальное использование окиси углерода.

Осуществление способа было проведено на доменной печи №4 ОАО «ММК» с радиусом колошника 3,3 м. Наиболее просто установку периферийных термопар над уровнем засыпи можно осуществить над защитными плитами колошника. Разделение площади колошника на пять равновеликих по площади колец осуществили от оси печи до воображаемой линии, проведенной от скошенной части защитных плит колошника до основания газоотвода. В этом случае расстояние от оси печи до пересечения оси периферийной термопары с воображаемой линией, проведенной от скошенной части защитных плит колошника до основания газоотвода (скорректированный радиус колошника - R_к), составляло 3,62 м.

Отсюда площадь колошника в этой части печи

S_кк=πR_к ²=3,14×3,62²=41,1 м².

Расстояние, на котором должны находиться спаи термопар от оси печи (R_1к), определяли (как и в предыдущем случае при определении R₁) по следующему выражению:

Таким образом, для решения поставленной задачи устанавливаемые термопары должны быть выдвинуты во внутрь печи на 190 мм (3,62 м - 3,43 м=0,19 м) от воображаемой линии, проведенной от скошенной части защитных плит колошника до основания газоотвода. Именно таким образом были установлены на ремонте доменной печи №4 четыре периферийные термопары над уровнем засыпи под осями газоотводов.

Четыре термопары в газоотводах печи были установлены по их осям в их вертикальной части.

Эксплуатация этих термопар на доменной печи №4 показала, что наилучшие показатели работы печи были достигнуты при следующих данных:

- среднее значение измеренных температур над уровнем засыпи под осями газоотводов в середине площади периферийного кольца (t_пс) составляло 140°С;

- среднее значение измеренных температур в газоотводах печи по их вертикальным осям (t_кг) составляло 200°С;

- показатель распределения температуры газа по радиусу печи (К_рс) составлял

К_рс=t_пс/t_кг=140/200=0,7.