Сборник научных трудов ДонНТУ - 2012. Серия: металлургия
  Публикация №23

Исследование теплового режима горна доменной печи с учетом влияния степени черноты фурменной зоны

И.В. МИШИН(аспирант), Ю.Л. КУРБАТОВ(канд.техн.наук, проф.), С.Л. ЯРОШЕВСКИЙ(д-ртехн.наук, проф.)
Донецкий национальный технический университет, Донецк

УДК 669.162.263

Исследованы процессы нагрева чугуна и шлака в фурменной зоне доменной печи, разработана методика определения степени черноты применительно к условиям работы доменной технологии.

Ключевые слова: температура чугуна, теоретическая температура горения, степень черноты, пылеугольное топливо

Введение

Конечными продуктами доменной технологии являются жидкие чугун и шлак. Температура продуктов плавки характеризует один из важнейших показателей теплового состояния доменной печи – физический нагрев горна [1].

Анализ последних исследований и публикаций

Известно, что для печей с разным уровнем технологии, разными расходами кокса, дутьевыми параметрами и видом применяемого сырья температура чугуна на выпуске колеблется в пределах 1450-1500oС, а шлака – на 50oС выше. Температура чугуна тесно коррелирует с такими показателями доменного процесса как содержание кремния в чугуне [Si], основность шлака b, степень прямого восстановления железа rd. На практике, обычно, используют эмпирические формулы, основанные на статистических исследованиях при длительных кампаниях печи.

Примером может служить предложенная в начале ХХ века исследователями Ройстером и Джозефом формула определения температуры чугунаt на выпуске [2]:

где (S) – содержание серы в шлаке, % масс.; B – основность шлака, рассчитанная как отношение суммы %CaO и %MgOк сумме %Al2O3 и %SiO2,содержащихся в шлаке; [S] – содержание серы в чугуне, %масс.

Формула (1) даёт погрешность в результатах 5-20oС при работе печей на коксе без дополнительных видов топлива. В работе [3] приведено усовершенствованное выражение, включающее ряд дополнительных параметров:

1

где [Mn], [Si], [C] – содержание марганца, кремния и углерода в чугуне, % масс.; – содержание кислорода в дутье, доли ед.; LTi – отношение содержаниятитана в чугуне к содержанию TiO2 в шлаке; Tд – температура дутья, oС.

В таблице 1 представлены эмпирические формулы расчёта температуры чугуна на выпуске из печи.

Таблица 1 – Зависимость температуры чугуна от различных технологических факторов

Зависимость температуры чугуна от различных технологических факторов

На рисунке 1 графически представлена зависимость (3) из таблицы 1 при постоянной степени прямого восстановления rd.

Зависимость температуры чугуна на выпуске от содержания кремния в чугуне и основности шлака

Рисунок 1 – Зависимость температуры чугуна на выпуске от содержания кремния в чугуне и основности шлака.

Температура чугуна, рассчитанная по эмпирическим формулам, может быть использована только для сравнения с измеренной температурой чугуна на выпуске с помощью пирометра или термопары погружения и не учитывает полностью всю технологию доменной плавки и возможность долгосрочного прогнозирования изменения температуры.

Первым теоретическую взаимосвязь температуры чугуна с технологическими параметрами работы печи обосновал Б.И. Китаев, основываясь на уравнении теплообмена нижней зоны доменной печи [6]:

1

где Wг и Wм – водяные эквиваленты потока газа и материалов, Дж/(oС*кг); tг – теоретическая температура горения, oС; to – температура газа на границе раздела верней и нижней ступеней теплообмена; t – разница температуры газа и материала на границе раздела зон, oС; Qc и Qu– теплота плавления чугуна и шлака, Дж/кг ; Gшл – выход шлака, кг/кг чугуна; а – произведениетеплового эффекта реакции прямого восстановления железа на процентное содержание железа в чугуне за вычетом металлодобавок, Дж/кг чугуна; rd – степень прямого восстановления железа, доли ед.; bi – тепловые эффекты реакций восстановления кремния, марганца и других элементов, Дж/кг элемента; Xi – содержание в чугуне элементов, восстанавливаемых прямым путём, % масс.

В приведённом выше уравнении задействовано большинство технологических параметров доменной плавки, что способствует получению достаточно достоверных результатов, но так как доменный процесс является высокотемпературным, при нагреве продуктов плавки не учтён теплообмен излучением в фурменной зоне при горении кокса, пылеугольного топлива (ПУТ) и природного газа (ПГ). Несмотря на то, что фурменная зона занимает только 1 % объёма доменной печи, в ней достигается наивысший уровень температур, через неё проходит до 40-50 % жидких чугуна и шлака, а оставшиеся 50-60 % фильтруются через коксовую насадку [7]. Исходя из вышесказанного, следует, что на нагрев чугуна может значительно оказывать излучение в фурменной зоне.

Постановка задачи исследования

Задачей исследования является разработка методики расчёта степени черноты в фурменной зоне и уровня перегрева продуктов плавки при прохождении через зону фурм, расчёт конечной температуры продуктов плавки на выпуске. В работе применены методы абстрагирования, анализа и синтеза, моделирования.

Основная часть

Температура чугуна и шлака на выпуске tвыпуска состоит из доли продуктов плавки , поступающих из фурменной зоны с температурой t2 и доли продуктов плавки 1-, стекающих по коксовой насадке с температурой tкн. Температура коксовой насадки на уровне фурм в центре печи находится на постоянном уровне и равна температуре жидких чугуна и шлака на входе в фурменную зону t1. Таким образом

В производственных условиях, когда производится измерение температуры чугуна и шлака, усреднённая температура чугуна и шлака на выпуске может быть определена по следующей формуле:

где tчуг – температура чугуна на выпуске, oС, tшл – температура шлака на выпуске, оС, U – выход шлака, кг/т чугуна, Е – выход чугуна (годный чугун и скрап) кг/т чугуна.

В свою очередь температура продуктов плавки t2 состоит из температуры чугуна и шлака Т1 и температуры перегрева излучением t при прохождении зоны фурм:

Температура Т1 определяется из теплового баланса нижней зоны, границами которой являются начало резервной зоны и t1. Температуры шихты и газа в резервной зоне по теории Б.И. Китаева в первом приближении равны и составляют 900°С. Для нахождения температуры t1 необходимо определить температуру газов на выходе из фурменной зоны tг и количество тепла, передаваемого излучением.

Температура tгопределяется из теплового баланса фурменной зоны [8]:

где Со – теплоёмкость горновых газов при теоретической температуре горения t, кДж/м3xоС, Z1 – тепловые потери в фурменной зоне, доли ед., Vгг – выход горновых газов, м3/т чугуна, Qизлучение – затраты тепла на излучение, кДж/т чугуна, С1 – теплоёмкость газов при температуре tг, кДж/м3xоС.

Излучение в фурменной определяется по закону Стефана-Больцмана [8]:

где, E – степень черноты фурменной зоны, доли ед.; - постоянная Стефана-Больцмана, 5,67•10-8 Дж/(с•м2•К4), F – площадь поверхности фурменной зоны, м2; n – количество фурм, шт; tф – температура поверхности фурменной зоны, °С (принимается как температура кокса, дошедшего до фурм).

Количество фурм определяется в зависимости от диаметра горна и объёма печи. Площадь фурменного пространства в первом приближении рассчитывается как площадь шара:

где D – диаметр фурменной зоны, м.

Наиболее сложным для определения является степень черноты, так как через фурменную зону проходят жидкие чугун и шлак, происходит горение пылеугольного топлива, кокса, природного газа, циркуляция кокса.

Степень черноты системы состоит из степени черноты запылённого потока - в нашем случае потока горения кокса, ПУТ, ПГ, мазута и степени черноты поверхности фурменной зоны, в свою очередь состоящей из степени черноты кокса, жидких чугуна и шлака.

Степень черноты запылённого потока E рассчитывается по следующей методике [9]:

Выбирается вид топлива, участвующего в горении - уголь (тощий, газовый, антрацит). Выбирается коэффициент А, соответствующий виду топлива (табл. 2).

Таблица 2 - Значения коэффициента А для разных видов углей.

Значения коэффициента А для разных видов углей

Степень черноты фурменной зоны рассчитывается по следующей формуле [11, 12]:

Данное уравнение позволяет с достаточной точностью определить уровень температуры жидких чугуна, шлака на входе в фурменную зону, так как через водяной эквиваленты шихты и газа учтены потери тепла через кладку печи, прямое восстановление железа, затраты тепла на плавление чугуна и шлака.

Расплавленные чугун и шлак, проходя через фурменную зону, подвергаются излучению и перегреваются на температуру t. Так как теплообмен конвекцией незначителен, то перегрев продуктов плавки можно определить по формуле:

Для проверки правильности созданной методики был проведён расчёт для доменной печи объёмом 1033 м3 с применением окатышей ЛебГОК с содержанием железа 64 % и основностью 0,5 с разными периодами работы: на коксе без дополнительных видов топлива (К), с вдуванием ПГ (К+ПГ), ПГ и ПУТ (К+ПГ+ПУТ) и ПУТ (К+ПУТ) (таблица 3).

При расчёте приняты следующие допущения: при вдувании различных видов топлива размер фурменной зоны не меняется и составляет 0,9 м, степень черноты жидкого чугуна – 0,4, шлака – 0,55, кокса при температуре 1450°С – 0,9, температура на границе резервной и нижней зоны – 850°С.

Из таблицы 3 видно, что степень черноты фурменной зоны значительно изменяется при вдувании различных видов топлива. Так при работе печи на коксе и ПГ фурменная зона является оптически прозрачной (E=0,04-0,05), при вдувании ПУТ степень черноты увеличивается до 0,35 и более (при расходе ПУТ выше 200 кг/т чугуна). Температура продуктов плавки при работе печи на ПУТ возрастает на 20-50°С, это связано с повышением уровня перегрева продуктов плавки в фурменной зоне, но следует отметить, что при вдувании ПГ конвективный теплообмен более развит – температура чугуна и шлака на входе в фурменную зону больше, чем при использовании ПУТ.

Выводы

Разработана методика определения степени черноты фурменной зоны. Показано, что наибольшая степень черноты, а, следовательно, и наибольшее количество тепла, передаваемого в виде излучения, достигается при вдувании ПУТ, наименьшее – при вдувании природного газа и работе доменной печи на коксе без дополнительных видов топлива.

Наибольший перегрев продуктов плавки при прохождении через фурменную зону происходит при вдувании ПУТ – 250-300oС, наименьший – при использовании ПГ – 50-100oС.

Температура жидких чугуна и шлака на выпуске при вдувании ПУТ в сравнении с режимом вдувания ПГ увеличивается незначительно – на 30-40oС, несмотря на развитый теплообмен излучением. Это связано с разной температурой продуктов плавки на входе в фурменную зону – при вдувании ПУТ, температура ниже на 100-150oС, чем при вдувании ПГ.

Дальнейшим направлением исследования следует считать нахождение связи между производительностью доменной печи и уровнем излучения в фурменной зоне [14].

Таблица 3 – Расчётная температура продуктов плавки при работе доменной печи с использованием различных дополнительных видов топлива.

Расчётная температура продуктов плавки при работе доменной печи с использованием различных дополнительных видов топлива Расчётная температура продуктов плавки при работе доменной печи с использованием различных дополнительных видов топлива

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  • 1. Бабич А.И. Интенсификация использования пылеугольного топлива в доменной плавке / А.И. Бабич, С.Л. Ярошевский, В.П. Терещенко. – К.: Техника, 1993. – 200с.
  • 2. Павлов М.А. Металлургия чугуна. Доменный процесс / М.А. Павлов. – М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1949. – 628с.
  • 3. Температурные критерии оценки и прогнозирования работы доменной печи/ А.Е. Пареньков, С.Н.Падерин, Ю.С.Юсфин и др. // Дни науки МИСИС. – М.: МИСИС, 2008 – С.45-51.
  • 4. Дукарский С.М. Термометрия продуктов доменной плавки / С.М. Дукарский. – М.: Металлургия, 1976. – 120с.
  • 5. Туркенич Д.И. Управление плавкой стали в конверторе / Д.И. Туркенич. – М.: Металлургия, 1971. – 360с.
  • 6. Heat exchangein the hearth combinedblast parameters / A. Formosa, O. Babich, H.W. Gudenau et all.// ISIJ International. – 1999. – № 11. – P. 1134-1139.
  • 7. Бабарыкин Н.Н. Теория и технология доменного процесса / Н.Н.Бабарыкин. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – 257с.
  • 8. Кривандин В.А. Теплотехника металлургического производства / В.А. Кривандин. – М.: МИСИС, 2002. – Т 1. – 608с.
  • 9. Кутателадзе С.С. Справочник по теплопередаче/С.С. Кутателадзе, В.М. Боришан-ский. – М.: Государственное энергетическое издательство, 1958. – 414с.
  • 10. Бабий В.И. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела / В.И. Бабий, Ю.Ф. Куваев. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 208 с.
  • 11. Теплотехника металлургического производства / Ю.Л.Курбатов, В.В.Кравцов, Н.С. Масс, Ю.В.Василенко. – Донецк: Ноулидж, 2011. – 218с.
  • 12. Гідрогазодинаміка у теплотехниці / Ю.Л. Курбатов, М.С. Масс, В.В. Кравцов, О.В. Новікова. – Донецьк: Норд-Пресс, 2009. – 234с.
  • 13. Контроль теплового состояния горна доменной печи / С.Л. Ярошевский, Я.С. Гайворонский, Н.Н. Попов. – К.: Техніка, 1968. – 184 с.
  • 14. Мишин И.В. Анализ теплового режима горна на основе математической модели нижней зоны теплообмена доменной печи / И.В.Мишин, Ю.Л.Курбатов, З.К.Афанасьева // Металлургические процессы и оборудование. – 2012. – № 2. – С. 29-35.
  Публикация №23
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ