Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РАБОТЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано при эксплуатации доменных печей.

Известен способ и устройство для автоматической коррекции массы кокса с компенсацией изменения его влажности [Применение непрерывного измерения влажности металлургического кокса с автоматической коррекцией подачи кокса (SU 1534057, C 21 B 7/24. Устройство для коррекции массы кокса /опубл. 07.01.90.)
Однако коррекция массы кокса от изменения его влажности поддерживает лишь необходимое для процесса доменной плавки количество углерода и не создает постоянных температурных условий в верхней части печи, необходимых для нормального протекания процессов восстановления.

Между тем, в условиях низкого расхода кокса для производства чугуна, в частности, при "богатой" по железу шихте, и применении комбинированного дутья с высокой концентрацией кислорода, - увеличение влажности загружаемого кокса (достигающей 10% и более) приводит к "вырождению" верхней зоны теплообмена и ухудшению температурных условий для восстановления.

Известны также способы регулирования температуры верхней части доменной печи. Так, на доменной печи завода Redcar (Великобритания) [Работа доменной печи N 1 завода Redcar //РЖ. Металлургия. 15В. Производство чугуна и стали. 1982, N 1, с. 33, реф. 1В145] температура колошникового газа снижалась ниже 80^oC, что затрудняло выпуск влажной пыли из пылеуловителя. Для повышения температуры колошникового газа уменьшали рудную нагружу и температуру фурменного газа, снижая температуру дутья. Оба воздействия при этом повышают расход кокса, поэтому стали снижать влажность кокса и повышать температуру агломерата. Применение кокса сухого тушения требует определенных мощностей УСТК (установка сухого тушения кокса). Снижение влажности кокса мокрого тушения и повышение температуры агломерата осложняют работу оборудования, особенно конвейеров, оснащенных резиновой лентой.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату и выбранным в качестве прототипа является способ работы доменной печи [Контроль за работой доменных печей Bethlehem и Spar доменной печи rows Point //РЖ. Металлургия. 15B. Производство чугуна и стали, 1986, с. 22, реф. 7B179], включающий: подачу в фурмы обогащенного кислородом нагретого дутья и загружу на колошник печи шихтовых материалов, контроль технологических диаметров дутья, шихты и колошникового газа, определение их отклонения от заданного уровня и регулирование при изменении влажности шихтовых материалов параметров дутья, а также рудной нагрузки путем коррекции расхода кокса.

Следует отметить, что использование данного способа работы печи зависит от поступления на колошник шихтовых материалов повышенной влажности, например кокса, с применением мокрого и сухого тушения. При этом корректируют расход кокса в пересчете на сухую остаточную массу и осуществляют регулирование путем изменения влажности и температуры горячего дутья.

Данный способ работы доменной печи имеет следующие недостатки. Регулирование влажности дутья требует постоянного использования водяного пара на увлажнение дутья, а при использовании дутья только естественной влажности регулирование не осуществимо. В то же время регулирование температуры горячего дутья предполагает иметь температурный резерв, т.е. в данном случае повышенную мощность воздухонагревателей, которая, как следствие, используется полностью. При этом оба регулирующих воздействия повышают расход кокса в процессе ведения доменной плавки.

Регулирование же изменением рудной нагрузки обусловлено низкой оперативностью воздействия - результаты можно ожидать только через 6-8 часов работы доменной печи.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение производительности печи и снижение расхода кокса за счет оперативного поддержания заданного температурного уровня верхней части доменной печи.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу, включающему использование обогащенного кислородом нагретого дутья и загрузку шихтовых материалов, осуществление контроля параметров дутья, шихты и колошникового газа с определением их отклонения от заданного уровня и при изменении влажности шихты регулирование параметров дутья и шихты путем изменения расхода кокса, согласно предлагаемому изобретению при достижении температуры колошникового газа значения ниже заданного уровня дополнительно с коррекцией расхода на каждый 1,0% отклонения от базовой величины влажности шихтовых материалов изменяют обратно пропорционально концентрацию кислорода в дутье на 0,5-0,8 абс. % от исходного уровня. Причем уменьшение концентрации кислорода в дутье ограничивают величиной 1,0-5,0 абс.%.

Сравнительный анализ заявляемого технического решения с признаками прототипа позволил установить, что дополнительный технический эффект заявляемого решения в сравнении с прототипом достигается за счет фиксации величины температуры колошникового газа ниже заданного уровня, после чего устанавливаются воздействия по изменению концентрации кислорода в дутье. Таким образом, можно прийти к заключению, что заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

При изучении и поиске известных технических решений по патентной и научно-технической литературе в данной области техники признаки, отличающие предлагаемое изобретение от прототипа не были установлены. Поэтому отличительные признаки, относящиеся к предлагаемому изобретению, обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

Одним из основных признаков нормальной эксплуатации доменной печи является характеристика теплообмена между шихтой и газом, в частности, для верхней части печи - достаточно высокая температура колошникового газа. Так, при ведении доменной плавки в условиях эксплуатации доменных печей ОАО"НЛМК" температура колошникового газа составляет порядка 140-150^oC. Причем, при снижении температуры колошникового газа, например, до уровня 100^oC работа доменной печи становится неустойчивой при резких колебаниях нагрева с перерасходом кокса и снижением производства чугуна. Фактором значительного снижения температуры колошника служат колебания в сторону увеличения влажности шихтовых материалов. Для компенсации снижения температуры колошникового газа за счет повышения влажности шихтовых материалов и оперативного исправления, т.е. обеспечения стабильных температурных условий верхней части печи, в заявляемом техническом решении предлагается:
- скорректировать массу кокса в пересчете на сухую остаточную массу при изменении влажности шихтовых материалов;
- сравнить температуру колошникового газа с ее заданным уровнем;
- при достижении температуры колошникового газа величины ниже заданного уровня:
- одновременно с коррекцией кокса уменьшить концентрацию кислорода в дутье из расчета: на каждый 1,0% влажности шихтовых материалов 0,5-0,8 абс.% кислорода в дутье.

- уменьшение концентрации кислорода в дутье ограничить величиной 1,0-5,0 абс.%.

При этом величины регулирующего воздействия получены, исходя из нижеследующих предпосылок.

Проведенные авторами предлагаемого изобретения промышленные испытания заявленного способа на доменных печах ОАО"НЛМК" позволили установить по результатам статистической обработки данных количественную зависимость между влажностью шихтовых материалов, W_Ш % и температурой колошникового газа, t_K, ^oC:
t_K=A-b•W_Ш. (1)
Так, для доменных печей полезным объемом 3200 м³ выражение (1) имеет вид:
t_R=148,1-7,1•W_Ш. (2)
Из выражения (2) имеем: изменение влажности шихтовых материалов, загружаемых на колошник печи, на 1,0% способствует изменению температуры колошника на 7,1^oC т.е.

Δt_к ←→ ΔW_ш ≈ 7,1^oC ←→ 1%. (3)
В соответствии с приближенной формулой А.Н. Рамма [Рамм А.Н. Современный доменный процесс. -М.: Металлургия, 1980. -304 с., с. 40] влияние концентрации кислорода в дутье на температуру колошникового газа оценивается следующим выражением:

где t^o _K, ^oC - температура колошникового газа в базовом периоде (w=0,21;
ϕ = 0,01; t_Д=1000^oC; s=0)
ω, м³/м³ - доля кислорода в дутье;
ϕ, % отн. - влажность дутья;
s, м³/т чугуна - расход вдуваемого топлива;
λ - характеристика вдуваемого топлива;

где (C) и (H), м³/м³ - содержание углерода и водорода в единице реагента λ = 2.0 м³/м³ - для природного газа.

В интервале расхода природного газа 80-110 м³/т чугуна и концентрации кислорода в дутье 21-30% по выражению (4) и (5) имеем: прирост концентрации кислорода в дутье на 1% изменяет температуру колошникового газа на 10^oC, т. е.

Δw% ←→ Δt_к ≈ 1% ←→ 10^oC. (6)
Исходя из выражений (1). (4) и (5) имеем при изменении влажности шихтовых материалов на каждый 1% пределы изменения содержания кислорода в дутье 0.5-0.8 абс.%.

Нижний предел 0.5 - для доменных печей малого полезного объема порядка 1000 м³ а верхний предел 0.8 - для мощных печей полезным объемом порядка 5500 м³.

Так, с учетом выражений 2, 3, 4, 5, 6 для печи полезным объемом 3200 м³ на каждый 1% изменения влажности шихтовых материалов требуется 0,71 абс.% изменения концентрации кислорода в дутье для поддержания прежних условий теплообмена в верхней части доменной печи.

Максимально допустимое уменьшение концентрации кислорода в дутье в пределах 1-5 абс. % определено с учетом допустимого отклонения текущей теоретической температуры горения на фурмах от рабочего диапазона ее изменения в пределах 1900^oC- 2300^oC.

Предлагаемый способ работы доменной печи может быть реализован с помощью известных средств контроля и управления:
- температуру колошникового газа измеряют с помощью термопары типа ТХА-0192 с диапазоном 0-1100^oC;
- концентрацию кислорода в дутье - газоанализатором кислорода в дутье типа АКОД-1 с диапазоном измерения 20-40%;
- влажность шихтовых материалов, например кокса - влагомером нейтронным стационарным типа ВНС-7206 с диапазоном измерения 0-15%;
- масса шихтовых материалов - датчиками силоизмерительными тензорезисторными номинальным усилием 25 тс, 10 тс. 5 тс.

Визуализация параметров обеспечивается с использованием логического микропроцессорного контроллера типа Ломиконт-Л110, персонального компьютера с монитором.

Весодозирование шихтовых материалов производится на базе приборов контроля и управления типа МП59.12.

Способ реализуется на доменной печи полезным объемом 3200 м³, которая выплавляет передельный чугун из шихты, состоящей из агломерата, окатышей флюсующих добавок и кокса.

В работе печи используется подача в воздушные фурмы обогащенного кислородом нагретого дутья и природного газа.

Заданный уровень и, соответственно, текущее значение технологических параметров доменной плавки характеризуется следующими величинами:
Рудная нагрузка, т/т - 3,73 -
Рудная подача, т - 59 -
В том числе:
Агломерат, т - 52 -
Окатыши, т - 6 -
Конвертерный шлак, т - 1 -
Коксовая подача, т - 15,8 -
В том числе скиповый кокс, т - 7,9 -
Базовая влажность кокса, % отн. - 3,0 -
Расход дутья, м³/мин - 5650 5676
Расход природного газа, тыс. м³/ч - 36,3 36,3
Температура дутья, ^oC - 1137 1137
Влажность дутья, г/м³ - - 8,0
Концентрация кислорода в дутье, % - 31,0 31,4
Теоретическая температура горения, ^oC - 2215 -
Удельный расход природного газа, м³/т чугуна - 110 -
Удельный расход кокса, кг/т чугуна - 435 -
Производство чугуна, т/сутки - 7925 -
Температура колошника, ^oC - 150 167
Примеры реализации способа:
1. Изменилась влажность шихтовых материалов, например, кокса, достигнув уровня 5 отн.%.

В соответствии с последовательностью действий, изложенных в предлагаемом техническом решении: производится коррекция массы скипового кокса, в пересчете на сухую остаточную массу с учетом базовой влажности кокса, равной 3 отн.%.

m_k ^w=0.01•(5-3)•7.9+7.9=8.05 т.

С учетом коррекции кокса масса коксовой подачи составит 16.1 т.

При этом рудная нагрузка изменится и составит 3.66 т/т, а температура колошникового газа достигла величины 152^oC, являющейся выше заданного уровня, равного 150^oC.

При этом воздействие по кислороду не производится.

2. Влажность кокса изменилась и составила 12% отн.

Коррекция массы скипового кокса в пересчете на сухую массу составит:
m_k ^w=0.01•(12-3)•7.9+7.9=8.6 т.

и масса кокса коксовой подачи составит: 8,6•2=17.2 т.

При этом рудная нагрузка составила 3.43 т/т. Температура колошникового газа достигла величины порядка 101^oC, что значительно ниже заданного уровня, равного 150^oC.

В соответствии с последовательностью действий предлагаемого изобретения одновременно с коррекцией кокса производят воздействие по кислороду дутья, т.е. обратно пропорционально изменяют концентрацию кислорода в дутье, Δω %
С учетом приведенного выше условия: на каждый 1.0% отклонения влажности шихтовых материалов от базовой величины уменьшают концентрацию кислорода в дутье на 0.71 абс.%;
Δω% = (12-3)•0,71 ≈ 6,4%.
Значит заданный уровень концентрации кислорода в дутье:
ω% = 31,4-6,4 = 25%.
При этом теоретическая температура горения составит - 1995^oC и с учетом ограничения при уменьшении концентрации кислорода в дутье ее заданный уровень устанавливается равным 26% с теоретической температурой горения, равной 2050^oC.

В результате воздействия кислородом дутья температура колошникового газа достигла заданного уровня, равного 155^oC.

Таким образом скомпенсировано влияние влаги не только расходом кокса для постоянства количества углерода на процесс доменной плавки, но и за счет воздействия кислородом дутья. Этим обеспечивается поддержание оптимального уровня интенсивности теплообмена в печи, необходимое для исключения "вырождения" верхней зоны теплообмена.

Это создает благоприятные условия для восстановления в шахте и приводит к снижению удельного расхода кокса и повышению производительности печи.