Загрузочные устройства, параметры режима загрузки. Их влияние на технико-экономические показатели доменной печи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МИСиС»

НОВОТРОИЦКИЙ ФИЛИАЛ ФАКУЛЬТЕТ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ КАФЕДРА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ НАПРАВЛЕНИЕ 150 100 «МЕТАЛЛУРГИЯ»

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 150 101 «МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ»

КУРСОВАЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА на тему: Загрузочные устройства, параметры режима загрузки. Их влияние на технико-экономические показатели доменной печи Новотроицк, 2012

• Реферат
• Введение
• 1. Типы загрузочных устройств
• 1.1 Конусные загрузочные устройства
• 1.2 Бесконусные загрузочные устройства
• 2. Параметры и режимы загрузки засыпных аппаратов
• 2.1 Двухконусное загрузочное устройство
• 2.1.1 Конструкция и принцип работы
• 2.1.2 Распределение материалов при загрузке в печь
• 2.2 Загрузочное устройство с лотковым распределителем
• 2.2.1 Конструкция и принцип работы
• 2.2.2 Распределение материалов при загрузке в печь
• 2.3 Загрузочное устройство с дисковым распределителем шихты
• 2.4 Роторное загрузочное устройство
• 2.5 Загрузочное устройство Gimbal Top для доменной печи
• Заключение
• Список использованных источников

Реферат

Данная курсовая научно-исследовательская работа содержит описания конструкций загрузочных устройств (конусных и бесконусных), принципа их действия, возможных режимов загрузки, влияния параметров режима загрузки на технико-экономические показатели доменной печи.

Работа содержит 48 стр., 11 иллюстраций.

Ключевые слова: доменная печь, колошник, газовый поток, загрузочное устройство, распределитель шихты, распределение материалов, периферийная зона, осевая зона, уровень засыпи, угол откоса, режим загрузки, расход кокса, производительность печи.

Сокращения и обозначения:

ТЭП — технико-экономические показатели;

ЗУ — загрузочное устройство;

КЗУ — конусное загрузочное устройство;

БЗУ — бесконусное загрузочное устройство;

ВРШ — вращающийся распределитель шихты;

б — угол наклона образующей конуса;

h — высота гребня;

х — расстояние от гребня до стенки колошника;

у — расстояние от гребня до конуса;

КИП — контрольно-измерительные приборы;

ЛЗУ — лотковое загрузочное устройство;

РЗУ — роторное загрузочное устройство;

ЗСМК — Западно-Сибирский металлургический комбинат;

АСУ — автоматизированная система управления;

Повышение требований к качеству чугуна, вызванные экономическими и экологическими условиями, требуют увеличения эффективности доменной плавки. Одной из главных задач совершенствования процессов доменной плавки является уменьшение расхода кокса — основного энергоносителя, что может быть достигнуто совершенствованием технологии плавки.

Одним из основных способов достижения минимального расхода топлива на выплавку чугуна при заданном уровне производства в сложившихся шихтовых условиях является управление распределением шихты на колошнике, обеспечивающее заданное формирование структуры столба шихтовых материалов и газораспределение по сечению печи.

Параметры поверхности засыпи шихты на колошнике доменной печи (уровень засыпи, углы откоса, конфигурация слоев материалов, глубина и объем осевой воронки поверхности засыпи и ее смещение относительно оси печи, скорость опускания шихты) тесно связаны и значительно влияют на распределение шихтовых материалов, степень использования восстановительной и тепловой энергии печных газов, расход топлива и производительность доменной печи.

Управление окружным распределением шихты является одним из способов, обеспечивающих рациональное распределение газового потока по окружности печи и особо актуально для устранения нарушений работы печи по окружности, сопровождающихся перекосом профиля поверхности засыпи.

Эксплуатация доменных печей показала, что от распределения материалов в основном зависит вся газодинамика процесса и в конечном итоге технико-экономические показатели (ТЭП) печей. Важную роль в улучшении ТЭП шахтных печей играет рациональное распределение шихтовых материалов и газов по окружности и радиусу печи, а также герметизация ее рабочего объема в процессе загрузки и работы. Обе эти функции выполняют загрузочные устройства.

История развития загрузочных устройств доменных печей выделяет два направления совершенствования их конструкций — конусное загрузочное устройство, сочетающее одновременно функции герметичного газового затвора и конусного распределителя шихты на колошнике, и бесконусное загрузочное устройство с лотковым распределителем шихты. В последние десятилетия БЗУ начало вытеснять на доменных печах конусный вариант загрузочного устройства по причине существенно лучших функциональных возможностей управляемого распределения шихтовых материалов на колошнике. Прежде всего это связано с тем, что БЗУ в максимальной степени удовлетворяет стратегии рационального, распределения шихты и газов по радиусу печи, обеспечивает наиболее устойчивый и высокопроизводительный ход плавки.

загрузочный устройство доменный печь

1. Типы загрузочных устройств

В мировой практике наиболее распространены модификации таких загрузочных устройств (ЗУ), как конусное загрузочное устройство, сочетающее одновременно функции герметичного газового затвора и конусного распределителя шихты на колошнике и бесконусное загрузочное устройство (БЗУ) с лотковым распределителем шихты.

Все конструкции загрузочных устройств можно расположить в следующей технологической и хронологической очередности: двухконусные; трехконусные; загрузочные устройства с газовыми клапанами; подвижные плиты колошника; раздельный конус; вращающийся лоток.

В последние время БЗУ вытесняет на доменных печах конусный вариант загрузочного устройства по причине существенно лучших функциональных возможностей управляемого распределения шихтовых материалов на колошнике.

Необходимо иметь в виду, что к разряду БЗУ относится и ряд других конструкций, созданных в России и эксплуатируемых в настоящее время. Это, прежде всего, загрузочные устройства с распределителем шихты в виде «склиза» и с вращающимся многолотковым ротором.

Поэтому очень важно для перспективы совершенствования загрузочных устройств разобраться в их достоинствах и недостатках.

1.1 Конусные загрузочные устройства

Двухконусные ЗУ имеют одну промежуточную камеру (шлюзовой бункер), отделяющую рабочее пространство печи от окружающей среды.

а б в г

д е ж

а — двухконусное; б — двухконусное с быстровращающимся распределителем шихты; в — конструкции В. П. Тарасова; гтрехконусное; д — двухконусное с газовыми клапанами; е — двухконусное с приемной воронкойраспределителем шихты; ж — с раздельным конусом.

Рисунок 1 — Cхемы конусных загрузочных устройств доменных печей На рисунке 1, а приведена схема однокамерного двухконусного ЗУ. Оно состоит из приемной воронки 3, распределителя шихты 4 и засыпного аппарата 6. Приемная воронка направляет шихту, разгружающуюся из скипов (либо с ленточного конвейера) в распределитель. Засыпной аппарат и распределитель шихты закрываются снизу соответственно большим и малым конусами.

Полезный объем межконусного пространства составляет 3−3,5% от полезного объема доменной печи. Полезный объем распределителя шихты обычно равен объему скипа, но может разместить и два скипа материалов.

Малый конус опускается каждый раз после разгрузки скипа, а большой-один или два раза за подачу. Перед опусканием конуса (как большого, так и малого) давления с двух его сторон выравнивается путем заполнения межконусного пространства получистым доменным газом (из скруббера высокого давления) — открывается уравнительный клапан 1 большого конуса, или выпуска газа в атмосферу (через уравнительный клапан 2 малого конуса).

Одновременное опускание большого и малого конусов при работе доменной печи не допускается. Распределитель шихты вращается вокруг вертикальной оси. Повороты распределителя шихты осуществляются по заданной программе (по станциям) после заполнения воронки распределителя перед опусканием малого конуса. Между вращающимися конусом воронки распределителя и неподвижным корпусом межконусного пространства устанавливается уплотнение 5.

На рисунке 1, б показано двухконусное ЗУ с быстровращающимся распределителем конструкции проф. Н. С. Щиренко. Приемная воронка 1 направляет порцию шихты в распределитель 2, имеющий двухили односкатное днище с боковыми отверстиями, через которые шихта загружается на малый конус 3. При разгрузке скипа частота вращения распределителя составляет 20—25 мин^-1 и материал равномерно распределяется по окружности малого конуса. Размер отверстия и объем воронки распределителя выбираются так, чтобы при разгрузке скипа обеспечивалось некоторое накопление материала. Воронка малого конуса неподвижна, а сам он перемещается только по вертикали, тогда как в обычном двухконусном аппарате малый конус и его воронка вращаются.

На рисунке 1, в изображена схема ЗУ с двумя большими конусами конструкции В. П. Тарасова. На верхнем 3 накапливается половина или вся подача, т. е. число опусканий верхнего и нижнего 4 конусов за подачу одинаково. Здесь применена новая конструкция распределителя шихты 2, который выполнен в виде конической воронки с лопастями на внутренней поверхности. Частота вращения распределителя 17—18 мин^-1 Материал, разгружающийся из скипа, прижимается к воронке и удерживается силами инерции и трения. При снижении частоты вращения шихта по лопастям ссыпается на верхний конус. Загрузка по станциям производится при неподвижном распределителе. Четыре возможных гребня на верхнем конусе могут быть получены с помощью двух выпускных отверстий передвижной воронки 1.

Трехконусное загрузочное устройство (рисунок 1, г) имеет две последовательно расположенное камеры. Приемная воронка 1, распределитель шихты 2 и засыпной аппарат 4 не отличаются от соответствующих элементов двухконусного загрузочного устройства, показанного на рисунке 1, а. Между малым конусом распределителя шихты и большим конусом засыпного аппарата помещен промежуточный (средний) конус 3, позволяющий набирать два скипа шихты.

На рисунке 1, д изображено загрузочное устройство, эксплуатируемое на Донецком металлургическом заводе. Распределитель шихты 4 и засыпной аппарат 5 выполнены по схеме двухконусного устройства. Над вращающимся распределителем установлен неподвижный цилиндрический кожух 3 с двумя газоуплотнительными клапанами 2, выше которых расположены приемные воронки 1. Между кожухом 3 и корпусом распределителя находится уплотнение.

За рубежом создан ряд двухкамерных загрузочных устройств для крупных доменных печей. Схема одного их таких устройств показана на рисунке 1, е. Вращающийся распределитель шихты (ВРШ) 1 одновременно выполняет функции приемной воронки; ниже расположено по окружности четыре или шесть газоуплотнительных клапанов 3 с приемными воронками 2. Малый 4 и большой 5 конусы примыкают к неподвижным чашам. Распределитель шихты может вращаться непрерывно при разгрузке материала с конвейера или работать по станциям.

Засыпной аппарат с раздельным конусом, представленный на рисунке 1, е создает однокольцевой гребень, положение которого можно периодически менять.

Такое загрузочное устройство было разработано во ВНИИМЕТМАШ для доменной печи объемом 5000 м³ Криворожского металлургического комбината. С конвейера 1 шихтовые материалы разгружаются в приемную воронку 2 и затем направляются в правый или левый шлюзовой бункер 4. В верхней и нижней частях бункера находятся газоуплотнительные 3, 6 и грузовой 5 клапаны. Над большим конусом 8 расположен распределитель 7, который может или непрерывно вращаться во время разгрузки шихты из бункера, или работать по станциям. Коническое распределительное кольцо 9 дает возможность увеличивать диаметр большого конуса. Перемещением кольца по высоте относительно большого конуса регулируется распределение материалов по радиусу печи.

1.2 Бесконусные загрузочные устройства

Конструкция БЗУ с расположением распределительного устройства в рабочем пространстве печи была предложена в 1958 г. Е. Ф. Вегманом и А. А. Вагиным. В этой конструкции, модернизированной в 1963 г., были предусмотрены две направляющие воронки с загрузочными клапанами, работающими как герметизирующие клапаны. Малый конус и распределительный желоб опираются на три опорных ролика, расположенных через 120 градусов. Поворот желоба осуществляется с помощью этих роликов, имеющих индивидуальный привод.

В 1972 г. фирма «Поль Вюрт» (Люксембург) разработала ЗУ, использующее тот же принцип распределительного желоба внутри печи.

1 — приемная воронка; 2, 4 — газоуплотнительные клапаны; 3 — газовый затвор; 5 — центральный неподвижный ствол; 6 — вращающийся наклонный желоб.

Рисунок 2 — Бесконусное загрузочное устройство Устройство состоит из подвижной приемной воронки 1, направляющей шихты в правый или левый шлюзовой бункер, имеющий верхний и нижний газоуплотнительные клапаны 2; 4 и грузовой затвор 3. В доменную печь шихта загружается через центральный неподвижный ствол 5 и вращающийся наклонный желоб б. Изменением угла наклона желоба (лотка) можно регулировать распределение материалов по радиусу печи. При разгрузке шихты с конвейера газоуплотнительный клапан 2 открывается и материал в бункере удерживается грузовым затвором 3. После заполнения шлюзового бункера клапан 2 закрывается и в бункер подается получистый доменный газ из скруббера под большим давлением, несколько ниже давления газа на колошнике. Перед разгрузкой шлюзового бункера открывается клапан 4, а затем грузовой затвор. Газоуплотнительные клапаны выполняют только функцию уплотнения и не соприкасаются с шихтой. Это увеличивает срок их службы.

Принципиальные решения бесконусной распределительной части отличаются многообразием (рисунок 3). Они обеспечивают более широкий диапазон активного регулирования радиального распределения и менее металлоемки по сравнению с конусными аппаратами.

1 — стационарная воронка; 2 — труба с круговым качанием; 3 — вращающаяся воронка; 4 — наклонно-поворотный лоток; 5 — подвижная воронка; 6 — вращающаяся односкатная воронка с тарельчатым дозатором; 7 -вращающаяся труба; 8 — вращающаяся воронка с боковым выгрузочным отверстием; 9 — вращающиеся лотки разной длины: 10 — вращающийся конический склиз; 11 — вращающаяся тарель.

Рисунок 3 — Принципиальные схемы распределителей шихты бесконуского загрузочного устройства.

2. Параметры и режимы загрузки засыпных аппаратов

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).

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. Опусканию материалов препятствует сопротивление подпора 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 поток оказывает большое влияние на распределение газов вследствие разрыхления и увеличения порозности 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:

1) загрузка подготовленных порций шихты с необходимым резервом по производительности;

2) возможность эффективного управления распределением материалов по сечению колошника;

3) обеспечение герметичности рабочего пространства печи;

4) обеспечение взрывопожаробезопасности и защиты атмосферы;

5) стойкость в условиях абразивных потоков шихтовых материалов и запыленных газов при больших динамических и термических нагрузках;

6) ремонтопригодность.

2.1 Двухконусное загрузочное устройство

2.1.1 Конструкция и принцип работы

Наиболее распространенным в настоящее время является двухконусное загрузочное устройство (рисунок 4). Оно состоит из следующих основных частей: приемной воронки, воронки ВРШ, малого конуса, газового затвора (межконусного пространства), большого конуса и его чаши (воронки). Уплотняющими узлами служат малый и большой конусы, плотно прилегающие к соответствующим воронкам, распределителем шихты является большой конус. Оба конуса подвешены на штангах (штанга малого конуса полая) и посредством балансиров с контргрузами и стальных тросов соединены с электролебедкой. Конструкция лебедки позволяет опускать и поднимать отдельно каждый конус.

1 — скип; 2 — рельсовый путь; 3 — приемная воронка; 4 — воронка распределителя шихты; 5 — малый конус; 6 — межконусное пространство; 7 — чаша большого конуса; 8 — большой конус.

Рисунок 4 — Двухконусное загрузочное устройство Основная часть высыпающихся из скипа материалов поступает в приемную воронку, а затем на закрытый малый конус. Воронка этого конуса обычно вмещает содержимое одного скипа, причем вследствие односторонней разгрузки высота слоя материалов по ее окружности неодинакова. Чтобы избежать перекоса поверхности шихты в доменной печи, малый конус совместно с воронкой делают вращающимся. Поворот их на определенный угол сразу после опорожнения очередного скипа позволяет заполнить печь сырьем и топливом равномерно по окружности. Загрузку на большой конус содержимого нескольких первых скипов, входящих в состав подачи (колоши), осуществляют без вращения ВРШ, а всех последующих подач — с поворотом 60, 120, 180, 240 и 300°. Иногда применяют режим работы ВРШ с большим количеством станций, но он не всегда эффективен.

Подача представляет отдельную порцию шихты, содержащую железорудные материалы (железную руду, агломерат, окатыши) и кокс в соотношении, необходимом для выплавки заданной марки чугуна. В зависимости от объемов печи и межконусного пространства масса всей подачи составляет 20−60 т, для ее набора обычно требуется 4 скипа. В каждый скип принято загружать только один вид материалов (смешивание не рекомендуется во избежание снижения порозности шихты). Очередность загрузки сырья и топлива на большой конус и в печь не регламентирована, но чаще других первым опускают железосодержащие компоненты, а потом кокс.

Ввиду небольшой вместимости воронки ВРШ малый конус обычно опускают после разгрузки каждого скипа, большой — после набора всей подачи. Загрузку материалов в печь осуществляют автоматически по импульсу от двух уровнемеров (зондов), следящих за положением поверхности шихты и поднимаемых выше кромки чаши большого конуса только на время ссыпания очередной подачи.

Подавляющее большинство отечественных доменных печей работает с повышенным давлением колошниковых газов. Чтобы избежать повреждений загрузочного устройства, давление над конусом перед опусканием подачи уравнивают с давлением в печи посредством наполнения межконусного пространства получистым доменным газом, а перед первым опусканием малого конуса после закрытия большого — выравнивают с атмосферным. С целью повышения срока службы конуса и печи наклон контактной поверхности увеличивают до 60−63°, а саму поверхность наплавляют твердым сплавом и шлифуют.

Производительность ЗУ составляет 11−12 подач в час.

Благодаря простоте конструкции двухконусное ЗУ успешно применялся на протяжении XX в. и применяется сегодня. Основными его недостатками являются: абразивный износ мест контакта обоих конусов с воронками; увеличение массы большого конуса и чаши пропорционально квадрату диаметра колошника. Первый недостаток проявился после перехода на работу с повышенным давлением колошникового газа, второй при сооружении печей объемом более 2000 м³. Быстрый рост массы конуса и чаши в условиях их совместного подъема и опускания в период ремонта потребовал существенного увеличения грузоподъемности монтажной тележки и прочности металлоконструкций копра.

На некоторых печах среднего объема в кольцевой зазор между кромкой конуса и колошниковой защитой вводят подвижные плиты (рисунок 5) в количестве до 20 штук или вертикально перемещаемое металлическое кольцо (радиальный распределитель).

Благодаря этому можно повысить гибкость регулирования распределения загружаемых материалов.

1 — подвижная плита; 2 — поток шихты; 3 — подвижное кольцо Рисунок 5 — Схема действия подвижных плит и радиального распределителя.

При наличии этих устройств удар ссыпающихся материалов о препятствие происходит ближе к кромке конуса с образованием удаленного от стенки колошника гребня. Загрузку компонентов шихты ведут раздельно, сочетая с различным положением плит или кольца. Когда упомянутые устройства занимают рабочую позицию, часть газового потока в момент ссыпания шихты проходит через зазоры между колошниковой защитой и кромкой устройств, благодаря чему начальная часть траектории падения материалов не претерпевает существенного изменения в сравнении с загрузкой без участия плит или кольца.

2.1.2 Распределение материалов при загрузке в печь

Рациональное распределение материалов, а следовательно, и газового потока по радиусу печи во многом зависит от выбора уровня засыпи и величины подачи.

При ссыпании с нижнего конуса шихта движется по параболам, конфигурация которых зависит от угла наклона конуса, коэффициента внутреннего и внешнего трения и гранулометрического состава материалов, а также от количества и скорости движения газа на периферии.

Рисунок 6 — Зависимость расположения гребня шихты от уровня засыпи

Из рисунка 6 видно, что расстояние гребня шихты от стенок колошника меняется в зависимости от уровня засыпи. Чем ниже уровень засыпи, при прочих равных условиях, тем большее количество мелочи попадает к стенам. С уменьшением высоты падения материалов их гребень отходит от стен, а значит, и все меньшее количество мелких частичек попадает непосредственно к стенам колошника. В точке К ссыпающиеся с конуса материалы достигают колошника. Имеющие более крутые параболы падения мелкие частицы достигают стены колошника ниже, например, в точке n.

Ниже точек К и n поток сыпучих материалов будет двигаться вдоль стен. При ударе о стену куски не отражаются и не попадают ближе к оси печи (как это иногда утверждается [6]), так как энергия отражения отдельных кусков на участке К — n гасится потоком движущейся шихты.

Следовательно, регулировать газовый поток по радиусу печи уровнем засыпи можно только на участке от кромки опущенного конуса до места встречи потока материалов со стенами колошника (точка К).

Изменяя уровень засыпи, в большинстве случаев можно получить желаемое распределение газового потока по радиусу печи. Уменьшение высоты падения шихты всегда способствует увеличению потока газов в периферийной зоне. Это связано со снижением количества мелких материалов у стен колошника, что способствует увеличению здесь газового потока. Обычно это объясняют смещением рудной составляющей шихты к центру, вследствие чего в центре печи уменьшается газопроницаемость столба материалов. Однако это противоречит действительности, так как при уменьшении уровня засыпи величина смещения гребня к центру незначительна, а газовый поток при этом изменяется существенно.

Большое влияние на радиальное распределение шихты в доменной печи оказывает характер поверхности столба плавильных материалов на колошнике. Скорость опускания материалов на периферии несколько выше скорости их опускания в центре печи. Поэтому глубина воронки перед загрузкой имеет меньшую величину, чем после ссыпания в печь очередной подачи. В этом случае сначала первые порции шихты заполняют все неровности поверхности засыпи в районе их падения, а затем уже образуется гребень. Угол откоса гребня шихты зависит от радиуса колошника, рода материала и степени его кусковатости, а также от скорости и величины газового потока у стен печи.

С увеличением поперечных размеров доменных печей значительно увеличились диаметры колошников и влияние стен печи на углы откоса плавильных материалов уменьшилось.

На действующей печи глубина воронки шихтовых материалов меньше, чем в печи перед задувкой. Но и в этом случае для колошников больших диаметров глубина воронки увеличивается. Значительное влияние на угол откоса шихты в печи оказывают скорости газовых потоков в осевой и периферийной областях. Чем ниже общая скорость движения газового потока в печи, тем глубже воронка загружаемых материалов. Поэтому с увеличением давления газа на колошнике возрастает глубина воронки шихты.

Глубина воронки на колошнике во многом зависит также и от скорости опускания шихты. Если сход материалов в центре больше, чем у стен, то глубина воронки перед загрузкой очередной подачи увеличивается. Если же скорость опускания шихты больше на периферии, то глубина воронки перед опусканием очередной порции уменьшается. Чем больше разница указанных скоростей, тем больше изменяется глубина воронки.

При всех случаях уменьшения воронки периферийную область печи следует догрузить рудой. Загрузка шихты в глубокую воронку способствует большему смещению рудной части в промежуточную и даже осевую зоны печи. Перераспределение более плотной рудной составляющей шихты по радиусу печи вызывает соответствующее изменение в распределении газового потока по радиусу.

По радиусу печи может осуществляться саморегулирование газораспределение самим газовым потоком. Если, например, по каким-либо причинам в печи увеличился газовый поток на периферии, то в результате этого здесь увеличится и скорость опускания шихты. Это приведет к уменьшению глубины воронки засыпи материалов и к большему попаданию на периферию железной руды или агломерата. В результате газопроницаемость столба шихты в этой зоне уменьшится, а следовательно, станет уменьшаться и количество проходящего газа. Такое саморегулирование существует до определенных пределов. В случае развития чрезмерного потока газов на периферии начнется частичное перебрасывание им мелких частичек руды и агломерата с периферии в промежуточную и осевую зоны печи. Это будет способствовать развитию еще большего потока газов на периферии. В таких случаях для ликвидации периферийного хода газов необходимо соответственно изменить параметры программной загрузки шихты.

На распределение материалов по радиусу печи оказывает влияние и степень их разрыхленности газовым потоком. Каждая новая порция ссыпаемых материалов «сминает» поверхность шихты в печи, т. е. частично внедряется в разрыхленный слой ранее загруженных материалов. Коэффициент уплотнения составляет обычно 10—15%. Степень уплотнения возрастает с увеличением расстояния от кромки конуса до поверхности шихты, так как при падении с большей высоты возрастает кинетическая энергия потока падающей шихты.

Если разрыхленность столба материалов больше у стен печи, то и деформация поверхности здесь будет большей. В результате газовый поток здесь будет слабее, вследствие чего уменьшится и разрыхленность материалов. Таким образом, происходит частичное саморегулирование хода печи, как и в случае изменения глубины воронки на поверхности засыпи.

Большое влияние на распределение материалов по радиусу печи оказывает также расстояние между кромкой конуса и стеной колошника.

1,3 — размещение крупных фракций; 2,4 — размещение мелочи.

а) без ограничения; б) ограничение стенкой на большом расстоянии; в) ограничение стенкой на малом расстоянии;

Рисунок 7 — распределение материалов при ссыпании их с наклонной плоскости.

Как видно из рисунка 7, а, при образовании естественной пирамиды самый мелкий материал располагается наверху. Крупные куски скатываются по откосам — больше по откосу, параллельному наклонной поверхности, и меньше по противоположному (на рисунке 7 откосы условно показаны прямыми линиями; в действительности при неоднородной кусковатости шихты эти откосы будут вогнутыми).

В случае образования пирамиды, ограниченной с одной стороны стеной (например, на колошнике доменной печи), распределение материала в ней меняется. Если стена расположена сравнительно далеко от поверхности скатывания, то сегрегация материалов происходит по схеме, изображённой на рисунке 7, б. Мелочь по-прежнему располагается на гребне, но он образуется сравнительно далеко от стены и поэтому часть крупных кусков попадает непосредственно к ней, а остальная часть размещается на противоположном откосе.

В случае, когда гребень пирамиды образуется у самой стены (рисунок 7, в), вся мелочь будет располагаться непосредственно у нее, а в центральной зоне (под конусом) окажутся наиболее крупные куски.

Таким образом, как большое, так и малое расстояние между конусом и стенкой колошника нежелательно. В первом случае образуется чрезмерно развитый периферийный, а во втором — осевой поток газов.

Для современных доменных печей полезным объемом 1000— 4000 м³ расстояние между конусом и стенами колошника должно быть равным 800—1000 мм (меньшее расстояние для печей меньшего объема и наоборот). При этом следует учитывать степень подготовки шихтовых материалов и угол наклона поверхности конуса к горизонтали.

Следует отметить, что отклонение расстояния между конусом и стенами колошника от оптимального значения даже на 50—70 мм приводит к нежелательному нарушению радиального потока газа. Это нарушение нельзя устранить не только изменением уровня засыпи, но и соответствующими изменениями порядка загрузки и величины коксовой колоши.

Регулирование газового потока по радиусу печи изменением уровня засыпи возможно только в том случае, когда расстояние от стен колошника до конуса имеет оптимальные размеры.

На радиальный газовый поток оказывают также некоторое влияние скорость опускания и высов конуса в печь (за чашу). При увеличении скорости опускания конуса или уменьшении его высова в печь гребень материалов перемещается от стен к центру. Если же уменьшить скорость опускания конуса или увеличить его высов, то параболы падения материалов станут более пологими и гребень шихты расположится ближе к стенам колошника. Однако влияние этих факторов на распределение шихты в современных условиях незначительно.

Принципиально загрузка двухконусным аппаратом осуществляется сплошными кольцами, образующимися при ссыпании шихтовых материалов с большого конуса, и ее можно отнести к технологии кольцевых загрузок.

2.2 Загрузочное устройство с лотковым распределителем

Ограниченные возможности двухконусных аппаратов явились предпосылкой к созданию БЗУ лоткового типа. Их широкое распространение ознаменовало новый этап в развитии техники загрузки доменных печей.

Наибольших успехов в создании лотковых аппаратов (рисунок 8) добилась фирма «Поль Вюрт». Ее аппараты установлены более чем на 160 доменных печах в различных странах мира.

2.2.1 Конструкция и принцип работы

Эти аппараты не имеют запорных конусов и в качестве распределителя шихты в них используют вращающийся лоток, способный изменять угол наклона к горизонту и загружать печь одной направленной струей. При этом осуществляется технология струйной или однопоточной загрузки. Функции газоуплотнения и распределения шихты выполняют разные легко сменяемые узлы и детали небольшой массы (в сравнении с двухконусным ЗУ) при одновременном существенном улучшении распределения материалов и газов в печи.

1 — разгружающий скип; 2 — приемная воронка; 3 — шихтовая задвижка; 4 — верхний газоуплотнительный клапан; 5 — бункер; 6 — месдоза; 7 — шихтовый дозирующий затвор; 8 — нижний газоуплотнительный клапан; 9 — сборная воронка; 10 — центральная труба; 11 — редуктор распределителя; 12 — лоток.

Рисунок 8 — Засыпное устройство с вращающимся лотком.

Кроме перечисленных узлов и деталей лотковые загрузочные устройства (ЛЗУ) имеют стационарную или подвижную приемную воронку с двумя или одной задвижкой для поочередного наполнения бункеров рудными материалами и коксом, течки, дозирующие шихтовые затворы в нижней части бункеров, сборную воронку (центральный бункер) и центральную трубу для направления компонентов шихты на лоток, электроприводы вращения и наклона лотка, гидросистему маневрирования положением приемной воронки, задвижек, газоотделительных клапанов и дозирующих шихтовых затворов. Бункера опираются на весоизмерительные устройства (месдозы), позволяющие контролировать не только массу накопленных материалов, но и скорость их истечения на каждой емкости. ЗУ имеет листовую задвижку для отделения верхней части от нижней на период кратковременного ремонта оборудования.

Производительность ЗУ составляет 11−12 подач в час при условии работы обоих накопительных бункеров. В случае необходимости используют один бункер, но при этом объем порций сырья и топлива увеличивают до максимума, чтобы уменьшать отрицательные последствия снижения пропускной способности тракта шихтоподачи.

Лоток приводят в движение редуктором, расположенным в купольной части печи, в зоне действия горячего газа. Чтобы не выгорела смазка, редуктор охлаждают до температуры менее 60 °C.

Распределитель наклоняется благодаря расположенному на его хвостовике ролику, который катится по торцевой поверхности копира — вращающейся детали конической формы с косым срезом. Когда скорости вращения лотка и копира одинаковы, ролик упирается в одну точку копира и поэтому наклон распределителя не меняется. В случае различия скоростей лоток наряду с вращением увеличивает или уменьшает отклонение от вертикали.

Лотковый распределитель имеет рабочий и дополнительный режимы вращения.

Для наиболее гибкого управления газовым потоком каждый бункер необходимо опорожнять за 12 оборотов лотка. При упомянутой скорости его вращения время разгрузки бункера равно 84−95 с. На дополнительном (секторном) режиме с пониженной скоростью вращения распределителя ручным управлением из помещения КИП и возвратно-поступательным движением порцию рудных материалов для ликвидации газового канала в слое шихты можно выгрузить в любой сектор колошника, кратный 60°.

Загрузку печи шихтой в режиме непрерывного вращения лотка осуществляют следующим образом. Сначала одним из компонентов через приемную воронку и открытую задвижку заполняют пустой бункер с открытым верхним газоотделительным клапаном, закрытым нижним клапаном и дозирующим шихтовым затвором. Затем закрывают задвижку и верхний газоотделительный клапан, после чего в бункер подают сначала получистый доменный газ, а потом азот до небольшого превышения давления в сравнении с печью и открывают нижний газоотделительный клапан. После этого содержимое бункера отделено от печи лишь шихтовым затвором. Все операции по загрузке бункера и подготовке его опорожнения занимают не более 65 с.

Как только уровень засыпи достигнет заданной отметки и будут подняты все 4 зонда, поступает команда «грузить». Шихтовый затвор открывается, когда лоток проходит одно из шести фиксированных положений, смещенных между собой на 60°. Постоянство скорости и времени разгрузки бункера обеспечивает система автоматически по показаниям месдоз, меняя угол раскрытия дозирующего затвора в зависимости от объема и гранулометрического состава порций материалов. После окончания схода шихты и очистки бункера от пыли током азота закрывают газонаполнительный клапан, дозирующий затвор и нижний газоотделительный клапан, давление газа в бункере снижают до атмосферного. Далее следует открытие верхнего газоотделительного клапана и шихтовой задвижки. После чего бункер готов к заполнению новой порцией шихты.

Зонды опускают после ссыпания в печь двух порций материалов, составляющих подачу. Длительность их нахождения на поверхности засыпи в 3 раза меньше, чем при использовании двухконусного ЗУ.

Благодаря сравнительно малой продолжительности заполнения бункера шихтой и его подготовки к разгрузке эти операции не лимитируют работу ЗУ. Нормальная загруженность устройства составляет 75−80% от максимальной, остающийся резерв предназначен для ускоренной догрузки печи шихтой, когда она неполна.

2.2.2 Распределение материалов при загрузке в печь

Движение частиц шихты по вращающемуся лотку имеет много общего с движением по конусу ниже кромки чаши, но есть и существенные отличия. Общим является равномерно ускоренное перемещение под действием земного тяготения с той разницей, что длина пути относительно свободного движения по лотку много больше в сравнении с конусом. Много выше и начальная скорость поступательного движения из-за значительной разницы уровней дозирующего шихтового затвора и шарнира лотка. Помимо этого наклон распределителя в процессе ссыпания шихты меняется, тогда как наклон образующей конуса остается постоянным.

Во время движения по лотку частицы шихты сдвигаются к борту, противоположному вращению распределителя, вследствие чего поперечное сечение потока становится трапециевидным или даже треугольным. Из одновременно поступающих материалов первыми покидают лоток наиболее крупные, за ними следует шлейф мелких частиц. Вследствие пологой траектории и удлиненного пути движения сегрегация материалов по крупности во время загрузки в печь развита в ЛЗУ значительно больше, чем в двухконусном.

Для управления газовым потоком площадь колошника делят на 10 равновеликих колец, к которым часто добавляют ось печи. В результате получают 11 угловых положений лотка, счет которым ведут от оси печи. Каждое положение (станцию) вычисляют из условия, чтобы траектория падения шихты пересекалась с серединой соответствующего кольца. Благодаря вращательному движению лотка частицы рудных материалов с высокой кажущейся плотностью отбрасываются от оси печи дальше частиц кокса, особенно для угловых положений 11−7. В зависимости от уровня засыпи первые 2 станции могут обеспечить удар потока шихты о стенку печи, тогда как другие формируют гребень слоя дальше от колошниковой защиты.

Конструкция ЗУ дает возможность содержимое любого бункера укладывать по одному кольцу или 2−4. Последний режим является наиболее распространенным, так как позволяет гибко менять значение рудной нагрузки на кокс по радиусу печи. Для получения равномерного окружного распределения каждую порцию материалов ссыпают за 12, 6, 4 или 3 оборота лотка с обеспечением минимальной разницы радиальных положений распределителя в начале и конце опорожнения бункера. С этой же целью точки начала ссыпания шихты меняют по определенной программе, а также контролируют постоянство массы материалов, укладываемых в каждом кольце.

В условиях раздельного опускания компонентов шихты термин «система загрузки» теряет смысл, а термин «подача» становится условным, означающим только массу двух соседних порций топлива и сырья. Более важное значение приобретает цикл загрузки — систематически повторяющаяся совокупность порций материалов, ссыпаемых в печь по заданным траекториям для обеспечения желаемого распределения газов.

Цикл обычно состоит из 6−13 порций шихты. Движение лотка в сторону оси часто чередуют с его перемещением в обратном направлении с целью образования в слое шихты сложных каналов для прохода газов. При угловых положениях лотка 10−11 обеспечивается периферийная загрузка шихты с наличием осевой воронки, при 1−2 — осевая с образованием откоса конической формы. Обычно цикл загрузки выбирают таким, чтобы поверхность материалов на большей части площади колошника мало отличалась от горизонтальной.

Главным преимуществом рассматриваемого устройства является существенное улучшение распределение газов, позволяющее снизить расход кокса на 5−10 кг/т чугуна. Помимо этого ЛЗУ обеспечивает:

— повышение производительности доменной печи на 5−7%;

— экономию общих затрат на обслуживание и ремонт загрузочного устройства.

К недостаткам лотковых аппаратов относятся достаточно большая продолжительность выгрузки одной порции материала по лотку и связанная с этим ограниченная производительность загрузки. Низкие темпы выгрузки лотковым устройством приводят к тому, что материал фактически укладывается на изменяющийся уровень засыпи, что затрудняет эффективное управление загрузкой. Кроме того, рост высоты и наличие вращающегося лотка повышают разрушение частиц шихты.

2.3 Загрузочное устройство с дисковым распределителем шихты

В 1964 году А. А. Зильберман предложил конструкцию ЗУ с дисковым распределителем шихты, вращающимся непосредственно на колошнике печи (рисунок 9).

1 — скип; 2 — приемные воронки; 3, 5 — клапаны; 4 — промежуточные бункера; 6 — дополнительный бункер для набора полной подачи; 7 — уплотнение; 8 — сужающаяся книзу стационарная воронка; 9 — вращающийся диск; 10 — вал; 11 — защитная труба; 12 — промежуточная роликовая опора; 13 — редуктор; 14 — роликовый подшипник.

Рисунок 9 — Распределитель шихты конструкции А.А. Зильбермана

При попадании на вращающийся диск шихта под действием центробежных сил ссыпается с него (с определенной скоростью) и ложится кольцом по всей окружности колошника. При этом, чем выше скорость вращения диска, тем дальше к стенкам ложатся материалы. Минимальные скорости вращения ограничены степенью равномерности распределения шихты по окружности печи. Поэтому гребень материалов можно смещать только на ограниченной площади промежуточной зоны, что, очевидно, достаточно для поддержания рационального потока газов по радиусу печи.

Обе воронки данного устройства и два промежуточных бункера имеют полезный объем, равный объему скипов, и в нижней части перекрыты тарельчатыми клапанами, которые уплотняются. Промежуточные бункера также выполняют роль межконусного пространства с переменным давлением— атмосферным или равным давлению газа на колошнике печи. Давление газа в бункерах меняют с помощью типовых перепускных клапанов.

Сырые материалы из промежуточных бункеров попадают в конусообразную воронку, закрытую быстровращающимся диском. После набора всей подачи диск опускается на 400—500 мм и начинает быстро вращаться (от электропривода). При нормальной работе печи диск вращается сначала равномерно-ускоренно, а затем равномерно-замедленно. При нарушении хода печи, скорость его вращения подбирается соответствующей и шихта будет ложиться концентрическим кольцом на заданном расстоянии от защитных плит колошника.

К основным недостаткам этого распределителя следует отнести значительное и не контролируемое перераспределение материалов газовым потоком во время их ссыпания тонким слоем с вращающегося диска, значительное нарушение в распределении материалов и газов даже при малейшем децентрировании диска, а также сложность конструкции и эксплуатации механизмов опускания и его вращения.

2.4 Роторное загрузочное устройство

Установка этого устройства на доменной печи существенно улучшает ТЭП доменного производства.

С помощью роторного загрузочного устройства (РЗУ) обеспечивается высокая окружная равномерность шихты, гибкое и эффективное регулирование распределения материалов по радиусу печи.

Опыт эксплуатации (РЗУ было установлено на ЗСМК и на Бхилайском металлургическом заводе, Индия) показал, что в результате использования данного устройства происходит прирост производства чугуна на 4,3−6,7% и экономия кокса — 4,1−4,4%.

РЗУ представляет собой современное загрузочное устройство нового поколения. Главным отличительным признаком этого устройства является наличие в нем роторного распределителя шихты, основной рабочий орган которого располагается внутри печи и выполнен в виде пятилопастного винта — ротора. Общий вид РЗУ показан на рисунке 10.

1 — скип; 2 — направляющие воронки; 3 — приемная воронка; 4 — малый конус; 5 — промежуточный бункер; 6 — большой конус; 7 — корректирующее кольцо; 8 — камера редуктора; 9 — колошниковый фланец; 10 — роторный распределитель.

Рисунок 10 — Общий вид роторного загрузочного устройства.

В состав РЗУ входят верхний и нижний конуса, пятилопастной ротор и его привод, приемная и направляющая воронки, промежуточный бункер с корректирующим кольцом, система охлаждения и смазки и автоматизированная система управления (АСУ) «РОТОР».

РЗУ устанавливается непосредственно на колошниковый фланец доменной печи. По своим высотным габаритам РЗУ не превышает габаритов обычного двухконусного аппарата. Поэтому при его установке на действующих печах не требуется реконструкция купольной части печи, копра и верха наклонного моста, а также не теряется полезный объем печи.

Для обеспечения работы РЗУ используются существующие механизмы: балансиры и лебедка конусов, зонды, уравнительные клапаны, скиповый подъемник.

Порядок работы РЗУ в части приема и шлюзования шихты аналогичны двухконусному аппарату. При открывании нижнего конуса шихта поступает в полость корпуса привода ротора и через кольцевую щель, образованную горловиной воронки и нижней цилиндрической частью камеры углового редуктора, поступает на пять лопастей вращающегося ротора. На поверхности лопастей происходит формирование пяти потоков шихтовых материалов, которые, равномерно распределяясь по окружности, образуют на колошнике кольцевой гребень с пологими откосами.

Управление работой ротора и корректирующего кольца осуществляется по заданной программе при помощи АСУ «РОТОР» .

Суть новой концепции загрузки, реализуемой роторным распределителем шихты, заключается в «мягкой» веерной и многослойной укладке шихтовых материалов на колошнике доменной печи.

В известных ЗУ (двухконусных или лоткового типа) материал движется по наклонной поверхности рабочего органа распределителя прямолинейно в радиальном направлении и далее сбрасывается в печь, приобретая к моменту падения на поверхность засыпи достаточно высокую кинетическую энергию. В результате при выгрузке материалов в печь происходит деформация нижележащих слоев и трудно контролируемое изменение распределения материалов.