Ключевые аспекты проектирования доменных печей и их вспомогательного оборудования

Важнейшие аспекты проектирования доменной печи и сопутствующего оборудования

Проектирование самой доменной печи (ДП) и связанного с ней вспомогательного оборудования (рис. 1), расположенного непосредственно перед печью и после неё, имеет решающее значение для эффективной работы агрегата. Помимо самой печи, к ближайшему сопутствующему оборудованию относятся: (i) складской дом (сток-хаус), (ii) загрузочное оборудование, (iii) вершина печи, (iv) система охлаждения и (v) оборудование литейного цеха.

Доменное производство чугуна представляет собой систему, состоящую из нескольких компонентов, функционирующих в гармонии. Правильное применение и эксплуатация этих компонентов необходимы для поддержания процесса получения чугуна. Выбор конкретных компонентов зависит от таких факторов, как существующие условия, физические ограничения, производственные требования, стоимость, сроки, надежность и ремонтопригодность. Взаимозависимость компонентов не менее важна для успешной работы системы, чем их индивидуальные возможности. Для каждой зоны или компонента существуют основные требования и «нормальные» практики. Также имеются альтернативные технологии, доступные коммерчески, которые имеют свои преимущества и недостатки.

ДП преобразует железорудную загрузку в жидкое железо (горячий металл). С ДП связаны коксовые батареи, перерабатывающие уголь в кокс, и агломерационные/пеллетные заводы, готовящие железную руду для печи. ДП преобразует эти подготовленные сырьевые материалы в продукт более высокой стоимости. Горячий металл с некоторых доменных печей используется в литейных цехах для производства чугунных литейных изделий. Другие печи производят низкокремнистый горячий металл, который конвертируется в сталь в сталеплавильном цехе. Часть горячего металла превращается в чугун на машинах для литья чугуна. Побочными продуктами ДП являются шлак, доменное газо, печная пыль и фильтровый кекс. Эти побочные продукты могут иметь как положительное, так и отрицательное экономическое воздействие в зависимости от локальных возможностей их использования.

К ряду аспектов, влияющих на любое рассмотрение проектирования или перепроектирования ДП, относятся: (i) прибыль, (ii) здоровье и безопасность сотрудников, (iii) охрана окружающей среды, (iv) нормативные требования, (v) потребности рынка и последующей переработки, (vi) доступные человеческие, строительные и ремонтные ресурсы, (vii) меняющиеся технологии и устаревание оборудования, (viii) доступные сырьевые материалы, коммунальные ресурсы и другие материалы, и (ix) прочие. Любое серьезное ограничение в любом из этих аспектов может поставить под угрозу жизнеспособность доменной печи (или даже всего металлургического комбината) или исключить/необходимо сделать строительство новой ДП.

Классификация доменных печей по размеру

ДП обычно группируют по размеру. Малые печи производят менее 1500 тонн горячего металла в сутки (т г.м./сут), небольшие — в диапазоне около 2500–5000 т г.м./сут, средние — 6000–8000 т г.м./сут, а крупные — около 9000–12000 т г.м./сут. В интегрированном металлургическом комбинате требуется определенное число и размеры печей для обеспечения горячим металлом сталеплавильного производства. Комбинаты с несколькими печами меньше страдают, когда одна печь проходит перекладку или возникают проблемы с управлением печью. Малые печи имеют более короткие сроки перекладки и считаются легче в управлении. Однако стоимость горячего металла с малых печей выше. Интегрированный комбинат обязан эксплуатировать минимальное число рентабельных печей. В некоторых случаях проводится модернизация для сокращения числа работающих печей.

Печи перекладывают периодически после окончания кампании (времени между перекладками). Раньше это подразумевало замену внутренней кирпичной облицовки основной печи. В последнее время во время перекладки выполняют обширную перестройку, замену компонентов и профилактику. При такой практике более эффективные комбинаты с меньшим числом крупных печей теряют больший процент производства во время перекладки, чем комбинаты с большим числом малых печей. Чтобы совместить низкие эксплуатационные расходы и минимальное вмешательство при перекладках, отрасль работает над максимальным увеличением кампании печей и сокращением длительности перекладки. Современная явная тенденция в интегрированных комбинатах — эксплуатировать меньше крупных печей и использовать технологии и конструкции, позволяющие продлевать кампанию ДП неограниченно.

Одновременно снижение вариативности продукции становится важнее, поэтому инвестируют в автоматизацию, улучшающую мониторинг и контроль процесса. Операторы, ремонтный персонал, проектировщики и исследователи применяют современные технологии и аналитические методы к процессу ДП для лучшего мониторинга и управления. В результате стандартное отклонение качества горячего металла снизилось. Улучшенные системы сбора данных также предоставляют больше информации поставщикам и производителям. Это улучшило выбор материалов и проектирование печей и сопутствующего оборудования. Длительность кампаний выросла до ~20 лет по сравнению с 5–10 годами ранее.

Доменное производство чугуна — технология возрастом 430+ лет. Тем не менее, использование доменного горячего металла остается самым распространенным методом в интегрированных комбинатах для производства стали. Современные процессы интегрированных комбинатов полагаются на ДП в обеспечении плановых, предсказуемых объемов горячего металла постоянного качества. Любые вариации в поставках горячего металла серьезно влияют на остальные сталеплавильные процессы. Следовательно, ДП остается ключевым процессом в современных интегрированных металлургических комбинатах.

Иногда заявляют, что технология доменного процесса исчерпала свой ресурс. Это неверно. Анализ эксплуатационных данных за 23 года (1970–1993) типовой пары средних печей показал средний ежегодный рост производительности на 3% (рис. 2а). Одновременно среднее снижение удельного расхода кокса составляло 1% в год (рис. 2б). Также продуктивное время между перекладками (кампания) было удлинено за счет улучшений оборудования, материалов и проектирования. В результате общая стоимость производства горячего металла, скорректированная на инфляцию, улучшилась даже больше, чем показывают эксплуатационные данные. Таким образом, технология доменного процесса не мертва, несмотря на 430-летнюю историю. Она продолжает прогрессировать во всех областях значительными темпами. ДП сегодня остается динамичной наукой, поддерживаемой постоянно улучшающимися технологиями.

Планировка доменной печи

Планировка ДП по сути представляет собой задачу интеграции оборудования, необходимого для обработки различных материалов, нужных для производства горячего металла, а также получившихся продукта и побочных продуктов. Наиболее эффективная конструкция должным образом размещает весь процесс, и ее эффективность оценивается с точки зрения как первоначальных капитальных вложений, так и текущих эксплуатационных расходов. Планировка цеха ДП зависит от нескольких факторов: (i) рельеф площадки, (ii) климатические условия, (iii) способ доставки сырья, (iv) внутризаводские системы переработки сырья и их расположение, (v) системы последующей переработки и их расположение, (vi) количественные/потребности в горячем металле, (vii) тип и размер автопарка для доставки горячего металла, (viii) прочее. Рис. 3 показывает упрощенную планировку цеха ДП.

Цех ДП обычно состоит из нескольких участков: (i) хранение, переработка и рекуперация сырья, (ii) складской дом, (iii) загрузочная система, (iv) сама печь, (v) литейный цех, (vi) переработка и транспортировка шлака, (vii) обработка горячего металла, (viii) прогревочные печи и система горячего надува, (ix) газоочистной цех, (x) коммунальные хозяйства, (xi) система автоматизации и управления, (xii) ремонтные цеха, (xiii) социально-бытовые объекты.

Хранение и транспортировка сырья

Сырьевые материалы — железная руда, агломерат, пеллеты, флюсы, уголь, кокс и др. — поступают либо из внешних источников, либо производятся внутри интегрированного комбината. Им требуется достаточное контролируемое хранение для обеспечения работы ДП. Запас необходим на случай планируемых сбоев поставок или непредвиденных прерываний. Дополнительная вместимость может понадобиться при возможной смене источников отдельных видов сырья. Раздельные склады нужны из-за разных физико-химических характеристик похожих материалов. Смешивание подобных материалов может вызывать технологические/металлургические проблемы. Склады должны быть разделены для предотвращения перемешивания непохожих материалов. Кучи укладывают на подготовленные основания, чтобы операторы рекуператоров могли отличать основной материал от примесей. Кучи планируют так, чтобы минимизировать деградацию материала и предотвратить снос пыли ветром. Водяные оросители и связующие вещества могут использоваться для минимизации сноса/выноса пыли ветром.

Существует несколько различных методов укладки и рекуперации сырья. К методам укладки относятся: вагоноперевертыши, рудовые мосты, нагрузочные конвейеры, скреппера и др. К методам рекуперации: ковшовые рекуператоры, бендер-рекуператоры, фронтальные погрузчики, скреппера, прямо из бункеров или дна куч и др. Очевидно, что системы укладки и рекуперации должны быть рассчитаны на обеспечение необходимой пропускной способности для цеха ДП.

Складской дом (сток-хаус)

Складской дом — это склад оператора ДП для прямой подачи загрузки в печь. Бухеры обеспечиваются для каждого вида загрузочных материалов. Отдельные бункеры предусмотрены для похожих материалов (агломерат, пеллеты) с разными металлургическими свойствами. Складской дом обеспечивает достаточную вместимость для различных материалов загрузки на случай кратковременного прерывания поставок со складских площадок. Типичные пропускные способности бункеров при потере сырьевой подачи: (i) кокс — 2–8 часов, (ii) железоносные материалы (руда, агломерат, пеллеты) — 4–16 часов, (iii) флюсы и прочие материалы — 8–24 часа. Эти величины основаны на номинальной производительности печи и варьируются в зависимости от надежности и времени доступа к замене из запасов или от поставщика.

Материалы загрузки деградируют под воздействием климатических условий и повторной переработки. Чем больше раз материал перерабатывается (складирование, рекуперация, сброс, желоба конвейеров, ковши рудовых мостов и т.д.), тем выше процент мелкой фракции в загрузке. Процесс ДП требует контролируемой проницаемости и, следовательно, контролируемой загрузки. Зарядка избыточного количества мелкой фракции, либо постоянно на протяжении всего заряда, либо концентрированно за короткие периоды, может нарушить процесс ДП и повредить оборудование печи. Складской дом предоставляет последнюю разумную возможность удаления мелкой фракции перед зарядкой в печь. По возможности после бункеров кокса, руды, агломерата и пеллет устанавливают вибрационные сита для удаления основной части мелкой фракции. Удаленная мелкая фракция собирается для повторного использования. Некоторые операторы заряжают мелкую фракцию в определенные зоны печи для регулировки локальной проницаемости и контроля тепловых нагрузок на стенки печи.

В складском доме часто устанавливают влагомеры для контроля фактического количества воды, заряжаемой в печь. Эта информация позволяет корректировать зарядки с учетом меняющихся окружающих условий (например, более высокая влажность кокса в дождь).

Поскольку для непрерывной работы ДП требуются разные типы и количества материалов загрузки в определенной последовательности (которая может часто меняться для поддержки изменяющихся параметров работы печи), складской дом должен быть оснащен надежным оборудованием для отбора и подачи точных доз конкретных материалов загрузки по заданному графику. Рис. 4 показывает упрощенную схему оборудования складского дома.

Ранее самым распространенным типом складского дома был высоколинейный (хайлайн). Он располагается непосредственно рядом с печью. Вагоны или мостовые краны загружают бункеры, а бункеры напрямую питают весовые вагонетки. Оператор весовой вагонетки вручную управляет затвором бункера для дозирования материала в весовой бункер вагонетки. После набора нужных типов и количеств материала оператор перемещает вагонетку над «колодцем киппера» и сбрасывает загрузку через желоб в ожидающий коксовый вагон (киппер). Затем киппер поднимается на вершину печи.

Высоколинейный складской дом в сочетании с весовой вагонеткой давал мало вариантов для ситования ферристой зарядки (руда, агломерат, пеллеты). По мере накопления знаний о процессе ДП выдвигались более строгие требования к загрузке. Концепция «инженерной загрузки» сегодня хорошо признана в отрасли. Обычно считается, что гибкость и адаптивность высоколинейного складского дома ограничены для поддержки этих требований. Поэтому высоколинейный тип сменяется автоматизированными конвейеризированными складскими домами для подачи зарядки в ДП.

Автоматизированный складской дом обычно бывает двух принципиально разных типов. Первый тип — замена весовой вагонетки под сырьевыми бункерами на систему дозаторов и ленточных конвейеров. Отдельные конвейеры предусматриваются для каждого вида сырья (кокс, железоносные материалы, флюсы и добавки и т.д.), над которыми размещены ряды бункеров с вибрационными дозаторами для выгрузки материалов на конвейеры. Для кокса и железоносных материалов на выходе каждого конвейера устанавливаются вибрационные сита для ситования и подачи отсированного материала в весовые бункеры. Этот тип системы продолжает питать весовые бункеры перед кипперами.

Второй тип — крупная надземная конструкция бункеров, построенная полностью над землей и довольно далеко от ДП. Это делается для печей, где ленточный конвейер везет загрузку на вершину печи вместо кипперов. Бункеры наполняются конвейерной системой. Сырье извлекается вибрационными дозаторами и ленточными конвейерами в весовые бункеры. Весовые бункеры сбрасывают материал на главный конвейер через сборный конвейер. Весовые бункеры запрограммированы дозировать сырье в правильном порядке на главный конвейер к вершине печи.

Автоматизированный складской дом обеспечивает более эффективную подачу сырья, более эффективный отбор, ситование, взвешивание и доставку загрузки в печь. Он может находиться непосредственно рядом с печью, питающей киппер, или удаленно для зарядки через конвейер.

Автоматизация складского дома значительно повысила производственные возможности, улучшила эксплуатационную эффективность и устранила эксплуатационные расхождения, вызванные операторами и оборудованием. Однако на практике современный автоматизированный складской дом может быть довольно сложным. Сам складской дом может питаться конвейерами, которые сбрасывают материалы на распределительные конвейеры для распределения по различным бункерам. Компоновка конвейеров и оборудования может быть выполнена множеством способов. Размещение складского дома рядом с печью часто приводит к загруженности планировки и ограничивает гибкость для будущих модификаций.

Подъемная система

Материалы загрузки обычно поднимаются на вершину ДП с помощью кипперов или ленточного конвейера.

Подъем кипперами

Использование кипперов для ДП восходит к горнодобывающей отрасли. Кипперы подбираются под пропускную способность печи. Очевидно, что такие факторы, как грузоподъемность подъемника, конструкция кипперного моста и др., оказывают свое влияние или накладывают ограничения на размер киппера.

Обычно два киппера работают в противофазе (для снижения потребляемой подъемной мощности) на общем подъемнике. Кипперы движутся по рельсам на кипперном мосту, обычно установленном под углом 60–80° к горизонту. Полный киппер медленно разгоняется при выходе из колодца, затем разгоняется максимально быстро, достигая и поддерживая максимальную скорость на большей части подъема. Подъемник замедляет киппер при приближении к вершине моста. Колеса киппера направляются сбросными и роговыми рельсами при опрокидывании загрузки в загрузочное оборудование вершины печи. Когда поднимающийся киппер достигает и останавливается в конечной позиции сброса, пустой киппер (спускающийся с той же скоростью) только достигает низа своего хода в колодце, ожидая заполнения. Система зарядки кипперами — надежный и эффективный метод доставки загрузки на вершину печи. Однако ей не хватает гибкости для оператора: кипперы могут вмещать только определенное количество материала (перегрузка приводит к переполнению или избыточной нагрузке на подъемник) или становится неэффективной, если нужны малые объемы конкретной загрузки. Рис. 5 показывает схему подъема кипперами.

Ленточный конвейер для зарядки печи

С конвейеризацией складского дома пришла конвейеризация подъемной системы. Сейчас часто складские дома располагают удаленно от печи, и один большой ленточный конвейор везет загрузку на вершину печи. Если вершина печи на высоте ~60 м, а конвейер установлен под углом 8° к горизонту, складской дом должен быть удален от печи минимум на 427 м. Более крутые углы наклона обычно избегают для минимизации обкатки материала. Обычно флюсы и прочие материалы заряжают непосредственно над и после конца ферристой зарядки на конвейере, чтобы удерживать ферристые материалы на месте до достижения вершины печи.

Зарядная система на вершине печи

Сама печь работает под избыточным высоким давлением на вершине. Доменное газ, содержащий CO, CO₂ и N₂, образуется в процессе вместе с большими количествами переносимой пыли. Оператор должен поддерживать давление на вершине из-за технологических преимуществ и для удержания газа и пыли (как для топливной ценности, так и для экологических целей). Однако оператор должен регулярно закладывать загрузочный материал внутрь вершины печи для пополнения внутреннего процесса без потери давления на вершине.

Колоколочный тип вершины

В течение многих лет самым распространенным типом вершины печи был двухколоколочный (рис. 6). По мере поступления загрузки на вершину (киппером или конвейером) она попадает в приемный бункер, затем в бункер малого колокола. Малый колокол (коническая стальная отливка ~2,6 м диаметром и 1,4 м высотой для печи 5000 т г.м./сут) опускается, пропуская загрузку в бункер большого колокола. Малый колокол поднимается и герметизируется против фиксированного седла бункера малого колокола. В зависимости от объема бункера большого колокола, дополнительные порции загрузки последовательно загружаются в бункер большого колокола малым колоколом. В течение этого процесса большой колокол остается закрытым, герметизируя печь. Когда накоплено нужное число загрузок, большой колокол (коническая стальная отливка ~5,5 м диаметром и ~3,5 м высотой для печи 5000 т г.м./сут) опускается, позволяя загрузке скользнуть по колоколу в вершину печи. После выгрузки большой колокол поднимается и герметизируется против нижней стороны бункера большого колокола. Рис. 6 показывает колоколочные загрузочные системы вершины ДП.

Очевидно, что контроль распределения загрузки в печи для этого типа вершины ограничен тем, насколько равномерно загрузка укладывается на большой колокол (сброс киппера дает неравномерное размещение) и кривыми падения конкретных материалов загрузки (кокс или железоносная загрузка) при скольжении и падении с большого колокола. Кроме того, двухколоколочная вершина подвержена потере герметичности больших и малых колоколов и уплотнений между стержнем большого колокола и трубой малого колокола. Утечки колоколов возникают из-за абразивного износа загрузкой скользящей по уплотняющим поверхностям. Утечка через уплотнение стержня — результат абразива от мелкой фракции либо изнутри печи, либо собравшейся на стержне большого колокола после сброса загрузки в приемный бункер.

Для минимизации износа уплотняющей поверхности большого колокола между колоколами вводят доменное газ изнутри печи для выравнивания давления (снижения перепада давления через уплотнение большого колокола). Этот газ сбрасывают в атмосферу перед открытием малого колокола для загрузки следующей порции. Некоторые варианты улучшения ограничений двухколоколочной системы приведены ниже.

Распределитель McKEE

Распределитель McKEE (рис. 6) в течение многих лет был основным улучшением распределения загрузки для двухколоколочной вершины. Однако его быстро заменяют другими технологиями. Его конструкция включает способность вращать малый колокол и бункер малого колокола вместе во время сброса киппера. Загрузка равномерно распределяется в бункере малого колокола, тем самым улучшая равномерность укладки на большой колокол. Этот тип вершины подвержен износу малых и больших колоколов и последующей потере герметичности.

Универсальный вращательный распределитель CRM

Универсальный вращательный распределитель CRM (Centre Recherches Metallurgiques — Бельгия) (рис. 6) разработан для устранения потери герметичности малого колокола. Вместо обычного малого колокола устанавливаются два колокола: уплотняющий и материальный. На материальном колоколе установлен вращающийся бункер загрузки. Уплотняющий колокол расположен под материальным и герметизируется против фиксированного седла. Во время сброса киппера бункер загрузки и закрытый материальный колокол вращаются для равномерного наполнения. Когда наполнение завершено, вращение бункера останавливается. Когда пора сбросить на большой колокол, вращающийся бункер, материальный и уплотняющий колоколы опускаются. Уплотняющий колокол опускается ниже фиксированного седла. На полпути опускания остановка бункера прекращается, а материальный и уплотняющий колоколы продолжают спуск до своей позиции. По мере открывания зазора между материальным колоколом и бункером загрузка равномерно высыпается в бункер большого колокола. По мере выхода загрузки из зазора она не контактирует с посадочной поверхностью уплотняющего клапана, сохраняя герметичность вершины. Этот тип вершины способен удерживать внутреннее давление 0,2 МПа.

Вершина CRM улучшает герметичность и долговечность двухколоколочной вершины. Однако она не дает драматического улучшения распределения загрузки в печи по сравнению с распределителем McKEE и не устраняет уязвимость уплотняющей поверхности большого колокола.

Вершина с шлюзовым бункером GHH

Вершина с шлюзовым бункером GHH (рис. 6) — модификация двухколоколочной вершины. Она снижает зависимость от большого колокола для поддержания газовой герметичности. Добавление шлюзовых бункеров с отдельными клапанами для каждой позиции сброса киппера обеспечивает дополнительную герметичность. Большой колокол может работать без перепада давления через свою уплотняющую поверхность (т.е. давление на вершине печи равно давлению в бункере большого колокола).

Работа следующая: киппер сбрасывает загрузку в шлюзовой бункер через приемный бункер и открытый клапан. Загрузка укладывается на вращающийся малый колокол и равномерно заполняет вращающийся распределительный бункер над малым колоколом. Прокладка между шлюзовым бункером и вращающимся бункером малого колокола открыта во время вращения. Когда сброс с киппера завершен, клапан и прокладка между шлюзовым бункером и бункером малого колокола закрываются. Вводится выравнивающий газ и шлюзовой бункер под давлением доводится до давления на вершине печи. Затем малый колокол опускается для ввода загрузки в бункер большого колокола. Малый колокол закрывается, и давление из шлюзового бункера сбрасывается в атмосферу. Клапан на противоположной стороне (в другой позиции сброса киппера) открывается. Прокладка между шлюзовым бункером и бункером малого колокола открывается. Вращение малого колокола и бункера начинается. Вершина готова принимать загрузку от другого киппера.

Этот тип улучшает герметичность и долговечность двухколоколочной вершины. Однако шлюзовой бункер не дает драматического улучшения распределения загрузки по сравнению с вершинами McKEE или CRM. Хотя большой колокол больше не нужен для герметизации, долговечность уплотнения малого колокола остается критичной.

Подвижная броня

Главным шагом к улучшению распределения загрузки колоколочной вершины стало развитие подвижной брони (рис. 7). Регулируемые дефлекторы устанавливаются в горловинной зоне печи для отклонения загрузки после скольжения с большого колокола. Подвижная броня регулируется в зависимости от конкретного материала загрузки и того, где оператор хочет разместить загрузку в печи.

Несколько производителей предлагают разные типы подвижной брони. Отдельные сегменты брони могут двигаться синхронно (одновременно и одинаково) внутрь печи для размещения загрузки в кольцевом рисунке. Другие типы обеспечивают индивидуальное управление пластинами брони для достижения некруговых схем распределения.

Недостатки подвижной брони: (i) большинство механических и изнашиваемых компонентов находятся в суровой среде конуса вершины печи, (ii) теряется часть внутреннего рабочего объема для обеспечения зазора между подвижной броней и расчетным уровнем загрузки (хотя эта зона не считается зоной грубого продуктивного объема печи), (iii) ограниченная способность отклонять загрузку в самый центр печи, особенно когда уровень загрузки уже высок. Катающиеся свойства пеллет часто нивелируют ограниченное смещение подвижной брони.

Бесколоколочная загрузочная система (Bell Less Top — BLT)

В начале 1970-х компания Paul Wurth S.A. (Люксембург) разработала бесколоколочную вершину (BLT) (рис. 7). Этот тип вершины — коренное отличие от колоколочного. Загрузку можно размещать в печи по любому рисунку, необходимому оператору: кольцевые кольца, спирали, секторы, точечная зарядка — достижимы синхронным или независимым наклоном и вращением распределительного желоба, расположенного в конусе вершины.

Герметичность вершины печи сохраняется на протяжении всей кампании. Обслуживание простое и короткое. Обычно BLT состоит из: приемного желоба/бункера (принимает загрузку от кипперов или конвейера), шлюзового бункера с верхним и нижним клапанами, заслонки управления потоком материала, главной передачи привода желоба (водяного или газоохлаждаемого блока для вращения и наклона желоба) и распределительного желоба загрузки. Существует три основных типа BLT: (i) параллельный бункер, (ii) центральная подача, (iii) компактный тип.

Обычно параллельный тип включает два шлюзовых бункера (устанавливаются на некоторых печах для пропускной способности и резервирования; тип с одним «эксцентриковым» бункером применялся при ограниченных габаритах). С начала 1980-х несколько ДП выбрали тип с «центральной подачей» и одним шлюзовым бункером за его улучшения в сегрегации загрузки и контроле распределения, приводящие к улучшению работы печи.

Разработан «компактный» тип BLT для малых и средних печей для внедрения преимуществ BLT там, где более крупные типы неприменимы из-за стоимости или габаритных ограничений. Этапы работы BLT типа с центральной подачей: (i) загрузка сбрасывается с киппера или конвейера через приемный желоб/бункер через открытый клапан в шлюзовой бункер, (ii) после приема загрузки верхний клапан закрывается и вводится выравнивающий газ для доводки давления в шлюзовом бункере до печного, (iii) нижний клапан открывается, (iv) загрузка высыпается из шлюзового бункера, так как материальная заслонка установлена на предварительно выбранное отверстие для конкретного материала, (v) загрузка падает вертикально через впиточный желоб с главной передачей и падает на распределительный желоб, (vi) распределительный желоб направляет загрузку в нужные точки печи, (vii) когда шлюзовой бункер полностью опорожнен (контролируется тензодатчиками и/или акустическим мониторингом), нижний клапан закрывается, (viii) предохранительный клапан открывается для сброса шлюзового бункера в атмосферу (или через блок восстановления энергии), (ix) верхний клапан открывается и цикл повторяется.

Преимущества BLT над другими системами: более высокое рабочее давление на вершине (0,25 МПа), экономия кокса, повышение производительности, более стабильная работа, снижение затрат и времени на обслуживание, увеличение кампании печи, улучшение оперативного контроля при высоких расходах угля в дюйерах.

Карданная система зарядки (Gimbal)

Цель карданной системы зарядки — обеспечить контролируемое распределение зарядки в ДП через карданный качающийся желоб через бункер накопления и переменное отверстие материальной заслонки так, чтобы прессуризованная зарядная система сверху могла работать независимо от системы распределения. Используется конический распределительный желоб, опорный на кольца в карданной компоновке, обеспечивающий независимые и комбинированные наклоны оси желоба. Карданный распределитель как часть общей загрузочной системы вершины ДП предлагает полностью интегрированное загрузочное решение, дающее значительное улучшение эксплуатации и затрат на обслуживание. Карданная система использует конический распределительный желоб, опорный на кольца в карданной компоновке, дающий независимые и комбинированные наклоны оси желоба.

Карданная вершина включает полный комплект оборудования распределения вершины печи: распределительные качания, верхние клапаны, бункеры, нижние клапаны, материальные заслонки и шейберные клапаны, все сбрасывающие через гидронапорно приводные распределительные желоба. Качающийся желоб приводят два гидроцилиндра, установленных под 90° друг к другу. Такая схема подвески и привода дает не вращение качающегося желоба, а круговую траекторию за счет суперпозиции обоих наклонных движений. Независимая или комбинированная работа цилиндров позволяет направлять ось желоба в любой угол или даже по любому пути. Движение обеспечивают два гидроцилиндра, каждый работающий через вал, шток и карданный шарнир для привода карданных колец. За счет движения гидроцилиндров распределительный желоб обеспечивает точное распределение материала с потенциалом бесконечного числа схем зарядки на переменных скоростях: кольцевая, спиральная, центральная, точечная, секторная — полный контроль зарядки материала в печь.

Вся сборка распределителя заключена в герметичный корпус, устанавливаемый прямо на верхний фланец конуса вершины ДП. Корпус содержит фиксированный впиточный желоб и качающийся распределительный желоб, опорный на кольца в карданной компоновке, позволяющий независимые и комбинированные наклоны оси желоба. Сборка изготовлена из комбинации нержавеющей и углеродистой стали, фиксированный впиточный желоб и корпус качающегося желоба облицованы керамическим материалом для превосходной износостойкости. Замкнутая система водяного охлаждения подает воду через главные валы, карданные подшипники и подшипники карданных шарниров для охлаждения движущихся элементов карданной системы распределения.

Ключевые особенности карданной конструкции: (i) простая, надежная конструкция с рычагами, приводящимися гидроцилиндрами, (ii) приводные цилиндры смонтированы снаружи прессуризованной оболочки, поэтому не подвергаются горячим и пыльным условиям, (iii) карданная компоновка дает простое качающее движение в двух плоскостях, которое при суперпозиции дает 360° распределения, (iv) износ качающегося желоба уравнивается по окружности, давая длинный срок службы.

Карданная вершина ДП — автоматизированная, компьютерно-управляемая прессуризованная загрузочная система, предназначенная для: (i) приема зарядов руды, кокса и прочих материалов в бункер накопления независимо от системы распределения снизу, (ii) выпуска этих зарядов по необходимости в динамический распределительный желоб под бункером накопления, (iii) распределения материала в заданных схемах на стоклайн печи согласно заранее заданной загрузочной матрице. Управление карданным распределительным желобом полностью интегрировано в общее ПО зарядки печи. Система обеспечивает высокий уровень точности и контроля движений карданной системы и, следовательно, позиционирования распределительного желоба. Карданный материальный распределитель показан на рис. 8.

Сама печь (печь простейшая)

Сама печь — главный реакторный аппарат процесса доменного получения чугуна. Ее внутренние облицовки спроектированы для поддержки внутреннего процесса. Внешние облицовки — для обеспечения систем сдерживания, поддержания, мониторинга, поддержки и регулирования внутреннего процесса.

Процесс ДП — контртоковый. Он включает: (i) загрузку в окружающих условиях размещают на вершине печи на колонну загрузки внутри печи, (ii) по мере спуска загрузки с колонной она нагревается, химически модифицируется и наконец плавится, (iii) дальнейшие химические модификации происходят с расплавленным материалом, (iv) расплавленные продукты извлекаются у основания, (v) плавление загрузки и извлечение приводят к спуску колонны загрузки и необходимости пополнения загрузки на вершине, (vi) горячий напрыв вводится через дюйеры у основания, (vii) доменное газ образуется перед дюйерами и поднимается через загрузку, химически модифицируя спускающуюся загрузку и самих себя охлаждаясь и модифицируясь, (viii) доменное газ (и пыль) удаляется у вершины печи, (ix) тепло извлекается из сосуда во все направления (преимущественно через систему охлаждения облицовки) и вместе с доменным газом, жидким железом и жидким шлаком. Рис. 9 показывает поперечное сечение и типы ДП.

Тип печи

Печи строят как опорные на мантелю или фристейдинг (самостоятельно стоящие). Мантелеопорные ДП имеют кольцевой прогон (мантель) у основания нижней трубы печи. Мантель опирается на колонны, стоящие на главном фундаменте печи. Горн, дюйерная рама и بوش также опираются на фундамент. Печи с мантелевыми колоннами имеют ограниченный доступ и сниженную гибкость для улучшений в зонах мантеля, буша и дюйерной рамы.

Поскольку тепловое расширение — важнейшее соображение в проектировании оболочки печи, мантелевый тип представляет интересную задачу. Мантелевые колонны относительно холодны. Мантель стремится сохранять постоянную высоту на протяжении кампании относительно фундамента печи. Тепловое расширение трубы из-за процессного тепла считается базирующимся на «фиксированном» мантеле (т.е. вершина печи поднимается относительно мантеля). Эффективная высота оболочек буша, дюйерной рамы и стенок горна (опорных на фундаменте) увеличивается из-за теплового расширения оболочки под действием процессного тепла. Нижняя часть печи поднимается вверх к фиксированному мантелю. Следовательно, необходим расширительный компенсатор какого-то типа на стыке буш/мантель или в соответствующем месте нижней части печи.

Фристейдинг-печи разработаны для устранения колонн и возможности установки крупного оборудования и улучшений охлаждения печи. У этого типа печи более толстая оболочка для несущей функции. Установка и обслуживание надежной системы охлаждения и облицовки необходимы для обеспечения структурной долговечности оболочки.

Использованы две вариации фристейдинг-печей. Один тип предусматривает отдельную несущую башню для несостояния системы отвода доменного газа и загрузочной/подъемной системы. Другой тип (хотя использует отдельную башню для замены оболочки при перекладках) использует саму печь для поддержки системы отвода газа и загрузочной/подъемной системы. Особое внимание к проектированию оболочки печи уделяется независимо от типа печи. Сосуд подвергается внутренним давлениям от надува и газа, загрузки, жидкого железа и шлака. Нагрузки мертвые и живые на всех этапах эксплуатации, обслуживания и перекладки должны быть учтены.

Зоны печи

Основные зоны печи простейшей: (i) конус вершины, (ii) горловина, (iii) труба (шахта), (iv) мантель/пузо, (v) буш, (vi) дюйерная рама, (vii) стенки горна, (viii) дно горна, (ix) фундамент.

Конус вершины

Конус вершины или купол — верхняя часть печи простейшей. Он несет загрузочное оборудование вершины и систему отбора доменного газа. Штоковые стержни (регистраторы/измерители уровня загрузки) обычно устанавливают здесь для контроля верхнего уровня загрузки в печи. Эти приборы дают разрешающие или сигнальные показания для зарядки следующей плановой порции загрузки. Обычно это грузики, опускаемые специальными лебедками, или микроволновые приборы. Некоторые печи используют радиоактивные излучатели и детекторы, смонтированные в горловине для контроля уровня загрузки. Инфракрасные камеры могут быть установлены в конусе вершины для мониторинга распределения температуры доменного газа при выходе из стоклайна загрузки.

Конус вершины — самая холодная зона печи простейшей, но может подвергаться экстремально высоким температурам при «проскальзывании» загрузки (резкое неконтролируемое спускание загрузки после периода необычного отсутствия спуска). Новозагруженная загрузка падает через эту зону, и доменное газ уводится от этой секции.

Горловина

В этой зоне устанавливают стальные износостойкие пластины или броню. Абразивный износ облицовки печи заряжаемой загрузкой — главная причина ухудшения. Операторы печей работают на поддержание верхнего уровня загрузки (стоклайна) в этом регионе. Подвижную броню могут устанавливать в этой зоне для отклонения загрузки, падающей с большого колокола. При установке BLT износ зоны стоклайна можно сильно снизить. Некоторые пользователи ДП предпочитают убрать бронепластины и использовать абразивностойкое огнеупорное облицование.

Труба (шахта)

Труба (иногда называют валом или «внутренней стенкой») — зона между мантелем/пузом на фристейдинг-печи и зоной стоклайна. Гладкие, равномерные линии (процессная «рабочая поверхность») трубы необходимы для равномерного и предсказуемого спуска загрузки, подъема доменного газа и стабильного процессного контроля на протяжении кампании печи. Процессные соображения диктуют больший диаметр у основания трубы, чем у вершины. Типичные углы трубы — около 85° от горизонта.

Мантель/пузо

Зона мантеля или пуза обеспечивает переход между расширенной трубой и зоной буша. Поддержание эффективности системы охлаждения/облицовки особенно важно для мантелевой печи для защиты мантелевой конструкции. Тепловая защита важна для фристейдинг-типа также. Однако фристейдинг-конструкция здесь менее сложна и более доступна.

Буш

Зона буша лежит между дюйерной рамой и мантелем/пузом печи. Диаметр буша увеличивается снизу вверх. Наклон буша обеспечивает эффективный подъем процессных газов и необходим для обеспечения требуемого ресурса зоны (процессные газы экстремально горячие и внутренние условия химической атаки суровые). Типичные углы буша — около 80° от горизонта. Буши бывают двух основных типов: (i) бандовые и (ii) герметичные. Их можно охлаждать разными методами.

Бандовые буши встречаются в старых мантелеопорных печах (их нельзя применить к фристейдинг-печам). Ряд стальных банд укладывают с пошагово возрастающими диаметрами (наименьший у основания буша, наибольший у верха) и связывают соединительными полосками. Промежутки между бандами позволяют вводить медные охлаждающие пластины. Керамическое кирпичное облицование обязательно, так как засасывание воздуха приводит к окислению углеродсодержащих облицовок. Газопроникание через бандовый буш может быть высоким. Этот тип не подходит для ДП с высоким давлением надува/высоким давлением на вершине. Бандовые буши обеспечивают адекватную гибкость для исключения необходимости расширительного компенсатора в нижней части печи.

Герметичные буши, использующие непрерывную стальную оболочку вместо отдельных банд, применяются для возможности использования улучшенных систем охлаждения/облицовки, более высоких рабочих давлений печи и фристейдинг-типа. Герметичные буши удерживают ценные газы в печи, улучшая металлургический процесс. Также, поскольку герметичный буш исключает засасывание воздуха в облицовку, он позволяет использовать углеродсодержащие огнеупоры.

Дюйерная рама

Горячий напрыв вводится в печь через дюйеры (водяноохлаждаемые медные приборы), расположенные в дюйерной раме. Количество дюьеров зависит от размера (производительной мощности) печи. Диаметр дюйерной рамы, расстояние между дюйерами и их число влияют на ожидаемый размер зоны раквея перед каждым дюйером.

Дюйерные стоки (рис. 10) выводят горячий напрыв от бустля к дюйерам. Дюйеры опираются на дюйерные охладители (водяноохлаждаемые медные приборы), которые в свою очередь опираются на стальные держатели дюйерных охладителей (варки или болтированные к оболочке печи). В проектировании оболочки дюйерной рамы и облицовки нужно особое внимание для поддержания эффективной герметизации различных компонентов во избежание утечек и потерь печного газа.

Горн

Горн (рис. 10) — тигель печи. Здесь собираются и держат горячий металл и жидкий шлак до раскола печи. Стенка горна пробита разливными отверстиями (часто называют железными пазами) для удаления собранного горячего металла и жидкого шлака. Число разливных отверстий зависит от размера печи, требований к обработке горячего металла и шлака, физических и капитальных ограничений и т.д.

Несколько печей оснащены шлаковым или зольным пазом (обычно один на печь, хотя некоторые могут иметь два). Отверстие шлакового паза обычно достаточно выше отверстия железного паза. В ранние времена, когда объемы шлака были высоки, шлак периодически сбрасывали через шлаковый паз. Это упрощало процесс разделения железа/шлака в литейном цехе. Сейчас чаще шлаковый паз сохраняют только для начальной настройки печи или для аварийного использования при проблемах с железным пазом или другими эксплуатационными проблемами.

Дно горна

Дно горна несет стенки горна и залито железом внутри печи. По мере продвижения кампании облицовка дна горна изнашивается до фиксированной точки равновесия. Оставшееся огнеупорное содержит процесс и при достаточном охлаждении или достаточной собственной теплоизоляционной ценности защищает подушку печи и фундамент.

Система охлаждения

Применение конкретных методов охлаждения к отдельным зонам печи зависит от нескольких факторов: ожидаемая длительность кампании, эксплуатационная философия печи, типы загрузки, огнеупоры, стоимостные ограничения, физические ограничения, доступные охлаждающие среды, предпочтения и т.д. Разные методы охлаждения могут применяться к разным зонам для помощи облицовке в сопротивлении специфическим факторам ухудшения зоны. Обычно обеспечение адекватной охлаждающей способности необходимо в каждой применимой зоне печи, если система облицовки там должна выжить. Там, где тепловые, химические и в какой степени абразивные условия процесса экстремальны, должно обеспечиваться достаточное охлаждение для поддержания необходимых равномерных внутренних линий печи и защиты оболочки печи.

Обычно конус вершины и горловина не охлаждаются. Дно горна может быть «активно» охлаждаемое подгорновым охлаждением (воздух, вода, масло) или «пассивно» — теплопроводностью через облицовку дна горна к стенкам горна. Основные варианты охлаждения для остальной печи: (i) без охлаждения (обычно верхняя часть трубы не охлаждается на нескольких печах), (ii) душевое или распылительное охлаждение, (iii) жакетное или канальное охлаждение, (iv) пластинчатое охлаждение, (v) ламельное (стейв) охлаждение.

Душевое или распылительное охлаждение

Вода подается распылителями или переливными желобами и стекает пленкой по оболочке. Эффективная конструкция форсунок, их количество и позиционирование важны для правильного покрытия и минимизации отскака. Необходима правильная конструкция дефлекторных пластин для обеспечения эффективного распределения охлаждающей воды и минимизации брызг. Душевое охлаждение часто применяют в зонах буша и стенок горна. Распылительное охлаждение обычно применяют для аварийного или резервного охлаждения, в основном в зоне трубы. Коррозия внешней оболочки и органическое загрязнение — частые проблемы, нарушающие водопоток или изолирующие оболочку от охлаждающего эффекта поверхностного охлаждения. Водоподготовка — важное соображение для сохранения эффективного охлаждения.

Жакетное или канальное охлаждение

Фабрикатированные охлаждающие камеры или структурные стальные каналы/уголки сварены прямо к внешней стороне оболочки. Вода течет с низкой скоростью через охлаждающие элементы для охлаждения оболочки и облицовки. Жакетное/канальное охлаждение часто применяют к стенкам горна, дюйерной раме и зоне буша. Накипь на оболочке печи и накопление мусора в низах внешних охлаждающих элементов могут поставить под угрозу эффективность охлаждения. Поэтому периодическая очистка охлаждающих элементов необходима.

Критическая зона обеспокоенности в упомянутых схемах охлаждения — необходимость для оболочки выступать в роли охлаждающего элемента. Если экстремальные тепловые нагрузки действуют на внутреннюю грань оболочки, возникает экстремально высокий термический градиент через оболочку. Этот эффект приводит к высоким термически индуцированным напряжениям в оболочке и в конечном счете к трещинам. Трещины начинаются изнутри печи и распространяются наружу. Трещины остаются невидимыми (кроме «горячих точек») пока не полностью проникнут оболочку. Скрижащие оболочку трещины приводят к утечке доменного газа, окислению оболочки и нарушению охлаждающего эффекта (особенно душевого или жакетного). Трещина в герметичном жакетном/канальном охлаждении трудно локализовать и может привести к длительному простою печи на ремонт. Попадание воды в печь (часто когда печь остановлена и внутреннее газое давление не может предотвратить проникновение охлаждающей воды через трещины) может иметь вредное воздействие на облицовку печи. Вода в печи потенциально опасна из-за риска взрыва (пар или водород). Поскольку душное и жакетное охлаждение полагаются на оболочку как проводник процессного тепла к охлаждающей среде, пластинчатое и ламельное охлаждение сконфигурированы для изоляции оболочки от процесса.

Пластинчатое и сигарное охлаждение

Установка охлаждающих элементов сквозь оболочку печи (рис. 11) стала крупным улучшением проектирования печи, давшим эффективное охлаждение облицовки и защиту оболочки. Охлаждение обеспечивается на длине проникновения охлаждающего элемента в облицовку. Вставные элементы дают положительную механическую поддержку огнеупорному облицованию. Типичное изготовление пластин — литая высокопроводная медь. Можно включать одно- или многопроходное водяное прохождение. Охлаждающие коробки с большим вертикальным сечением ливали из чугуна, железа или меди.

Сигарные (цилиндрические) охладители (рис. 11) из стали и/или меди также успешно применялись. Философия плотного пластинчатого охлаждения (вертикальный шаг 350–400 мм ось-в-ось, горизонтальный шаг 600 мм ось-в-ось) улучшила охлаждающий эффект и увеличила срок службы облицовки.

Медные пластины традиционно крепили в оболочке удерживающими полосками или болтовыми соединениями для легкой замены при утечке. Недавно пластины проектируют со стальными секциями на задней стороне для сварки прямо к стальной оболочке. Хотя замена иногда занимает больше времени, этот тип дает надежную герметизацию против утечек доменного газа. Пластинчатые охладители обычно устанавливают в зонах выше уровня сбора жидкого железа в печи. Следовательно, середина дюйерной рамы до нижней стороны брони горловины — диапазон применения.

Ламельное (стейв) охлаждение

Чугунные охлаждающие элементы (пластины Шеннона или стэйвы) используют уже много лет в зонах буша и стенок горна. Эти отливки имеютInternal корированные охлаждающие проходы большого сечения. Хотя их срок службы в буше не был замечательным, множественные кампании были нормой для стенок горна. Эти стэйвы часто страдали от низких расходов предельного качества охлаждающей воды (накипь и накопление осадка/нагноения) и иногда порностью отливки. Утечки воды в стенку горна могут быть серьезной проблемой.

В 1950-х бывший СССР разработал новый тип стэйв-охладителя (рис. 12) и «естественное испарительное охлаждение стэйвами». Для этой конструкции отливки были из серого чугуна со стальными трубами для водяных проходов. Трубы покрывали перед отливкой для предотвращения зацементации охлаждающей трубы и металлургического контакта с материалом стэйва. Стэйвы устанавливали в горизонтальных рядах с печью, а охлаждающие трубы выходили через оболочку. Вертикальные колонны стэйвов формировались взаимосоединением выходящих труб от одного стэйва до соответствующего стэйва в следующем ряду. Стэйвы можно применять ко всем стенкам в зонах ниже брони. Стэйвы в стенках горна и дюйерной раме снабжают гладкими гранями. Стэйвы в буше, мантеле/пузе и трубе обычно имеют ребра с впадинами для установки огнеупора. Эволюция конструкции стэйв-охладителей была драматичной. Стэйвы в зонах высоких тепловых нагрузок теперь обычно литуют из высокопрочного чугуна для улучшенной теплопроводности и трещиностойкости. Ранние стэйвы использовали литую огнеупорку (устанавливаемую после установки стэйва внутри печи), теперь ребра обычно включают огнеупорные кирпичи, либо отливаемые на месте (с телом стэйва на литейном заводе), либо укладываемые и замазываемые раствором перед установкой в печи. Рис. 12 показывает стэйв-охладитель и поколения развития стэйвов.

Обычно распознают четыре поколения стэйвов (рис. 12).

Первое поколение больше не применяют. У них четыре контура охлаждения тела (с большим радиусом изгибов, неэффективно охлаждающие углы стэйва). Из серого чугуна с литой ребристой огнеупоркой. Второе поколение: четыре контура с малым радиусом изгибов для улучшенного углового охлаждения. Из высокопрочного чугуна с отлитыми или вклеенными ребристыми кирпичами. Третье поколение: двухслойное тело с четырьмя или шестью контурами (горячая грань стэйва) и одним или двумя змеевидными контурами холодной грани для дополнительного/резервного охлаждения при потере горячих контуров. Имеют дополнительное реберное охлаждение (верх и низ). Чаще используются как охлаждаемые уступы для поддержки огнеупорного облицования. С отлитыми или замазанными ребристыми кирпичами. Четвертое поколение: двухслойное охлаждение (как третье). Имеют охлаждаемые уступы и отлитое настенное кирпичное облицование, исключающее необходимость ручной укладки внутреннего кирпичного облицования.

Стэйвы с горячими уступами эффективнее удерживают кирпичное облицование, чем гладкие ребристые грани. Однако после исчезновения кирпичного облицования уступы сильно экспонируются внутри печи. Уступы нарушают спуск загрузки и подъем газа. Экспонированные уступы быстро выходят из строя. Их часто обслуживают отдельной водой охлаждения от основных контуров стэйва. Так утечки контуров уступов легче локализовать или изолировать. Некоторые производители теперь предлагают отдельные отливки уступов, чтобы трещины и потеря уступов не повреждали родительские стэйвы. Также наблюдается смена философии к полному отказу от применения уступов.

Вариации базовых типов поколений стэйвов распространены. Например, стэйвы четвертого типа с огнеупорной литой массой для настенного облицовки успешно применялись. Альтернативно, кирпичные облицовки якоряли к телам стэйвов. Такие подходы могут заменять устопы для поддержки кирпичей.

Разработано «пятое» поколение стэйвов — медные стэйвы (рис. 13). Разработка медных стэйвов велась в Японии и Германии для зон буша, пуза и нижней трубы для справления с высокими тепловыми нагрузками и большими температурными колебаниями. Япония пошла по пути литых медных стэйвов, немецкие — прокатные медные пластины с точными внешними допусками и сверленными охлаждающими проходами. Сверленные и заглушенные медные стэйвы обычно проектируют с четырьмя водяными трубами в прямой линии сверху и четырьмя снизу. Материалы для внутренних катушек: монель, медь или сталь. В отличие от чугунных стэйвов, медные стэйвы предназначены для спайки с охлаждающей трубой.

Разработка отлитого медного стэйва учитывала следующие аспекты. Первый аспект: для предотвращения деформации важны соответствующая длина стэйва и точки крепления болтами. Использование отлитого медного стэйва со стальной трубой со своей конструкцией полезно для эффективного снижения риска деформации. Рис. 13 показывает точки ограничения прокатного медного стэйва и отлитого со стальной трубой. Прокатной стэйв ограничивают оболочкой крепежными болтами и шплинтами. Чтобы предотвратить повреждение сварки у основания подъемной трубы напряжениями, подъемная трубопроводка соединяется с оболочкой компенсатором. Из-за этой структуры верхние и нижние концы стэйвов свободно смещаются, что делает стэйвы легко деформируемыми. Большая тепловая нагрузка, повторно приложенная к медному стэйву в ходе колебаний эксплуатации ДП и т.д., вызывает постепенное накопление пластических деформаций и приводит к большой деформации. Бывают случаи, когда деформация у верхнего конца достигала 50 мм и более и сварка ломалась при чрезмерно длинном стэйве, несоответствующем положении болтов или тепловой нагрузке выше расчетной.

На данный момент самым популярным типом медного стэйва является прокатный, процесс изготовления которого включает сверление отверстий в медной пластине. Водяные каналы таких стэйвов заглушаются шплинтовой сваркой. Отлитый со стальной трубой медный стэйв, который был разработан, изготавливается отливкой изогнутых стальных труб в медь — принципиально иной процесс по сравнению с обычным прокатным медным стэйвом. Этот уникальный метод изготовления позволил достичь высокой энергоэффективности и долгой жизни ДП, недостижимых с прокатным медным стэйвом.

Естественное испарительное охлаждение стэйвами (NEVC) — метод, где паровой воды качества вводят в нижний ряд стэйвов и она течет естественными средствами вверх по вертикальным охлаждающим контурам. По мере прохождения процессного тепла через стэйв и охлаждающую трубу в воду, вода нагревается. При нагреве вода расширяется. Поскольку снизу поступает более холодная вода, теплая вода стремится двигаться вверх. В какой-то точке вертикального контура вода достигает точки кипения. При фазовом переходе в пар за счет скрытой теплоты парообразования поглощается дополнительное тепло (двигая фазовый переход). После начала кипения двухфазная поток (смесь воды и пара) поднимается по охлаждающим трубам к вершине печи. Обычно на платформе вершины печи устанавливают пародросепараторы для отбора и сброса пара в атмосферу. Дозаправляющую воду вводят в бак (для замены сброшенного пара). Вода трубопроводом по гравитации возвращается к дну печи и снова подается в стэйвы. Этот метод очень эффективен и имеет низкие эксплуатационные расходы. Нет насосного оборудования. Улучшения этой системы направлены на усиление циркуляции воды рециркуляционными насосами (принудительное испарительное охлаждение — FEVC) для обеспечения равномерного потока и охлаждения рециркулирующей воды (принудительное водяное охлаждение — FCWC). Оба подхода привели к улучшению срока службы стэйвов и облицовки.

Стэйвы обеспечивают отличную защиту оболочки на протяжении всего срока службы (который удлиняется пока сохраняется внутреннее кирпичное облицование). Применение стэйвов реализовано во всех зонах печи от стенок горна до верхней трубы включительно.

Один недостаток конвертации существующей пластинчатой печи в ламельное охлаждение может быть стоимостью новой оболочки. Однако если существующая оболочка уже в аварийном состоянии и подлежит замене в любом случае, стоимость конвертации не является главным фактором.

Литейный цех

Литейный цех (рис. 14) — зона или зоны у ДП, где оборудование размещено для безопасного извлечения горячего металла и жидкого шлака из печи, их разделения и направления к соответствующему оборудованию или объектам обработки. Горячий металл и жидкий шлак удаляются из печи через разливное отверстие. Только редко сегодня шлак сбрасывают через шлаковый паз. Оборудование для разливного отверстия должно быть надежным и требовать минимального обслуживания. Печи обычно раскалывают 8–11 раз в сутки.

Грун-пушка (Mud gun)

Грун-пушка используется для закупорки разливного отверстия после завершения разлива. Количество грунтовой массы выдавливается грун-пушкой для заполнения изношенного отверстия и поддержания количества грунтовой массы (гриба) внутри горна. Грун-пушка обычно удерживают на разливном отверстии до отвердевания грунтовой массы и надежной закупорки. Гидростатическая грун-пушка использует гидростатическую мощность для качания, удержания и выдавливания грунтовой массы. Типичное давление впрыска грунтовой массы — 20–25 МПа, позволяя вталкивать вязкую массу в печь, работающую под высоким давлением. Гидростатическая пушка прижимается к пече с усилием эквивалентным 15–35 тоннам. Этот тип грун-пушки может быть выкачнут на место за одно движение.

Электромеханическая пушка имеет три отдельных электропривода для качания блока, позиционирования ствола и таранки. Следовательно, требуется несколько отдельных движений для точного позиционирования грун-пушки у разливного отверстия. Давление впрыска грунтовой массы — лишь 5–8 МПа. Электромеханическая грун-пушка защелкивается к печи для удержания на месте при закупорке.

Бур для разливного отверстия

Бур используется для просверливания отверстия сквозь грунтовую массу в горн печи. Буровый блок качается в позицию гидравлически и удерживается гидравлически в рабочем положении. Пневматический мотор подает молотковый бур (с закрепленным стержнем и сверлом) в отверстие. Сжатый воздух подается по центру стержня и сверла для охлаждения сверла и продувки удаленной грунтовой массы. Когда стержень бура пробился в горн, стержень оттягивается ибур качается в сторону, уступая место потоку горячего металла.

Метод прокалывательной штыри (Soaking bar)

Применение практики прокалывательной штыри улучшило процесс разлива. Когда грунтовая масса еще пластична после закупорки, стальной стержень вбивают в разливное отверстие буром. Пока стержень находится на месте в интервале между разливами, он нагревается проводимостью от горна горячего металла. Это обеспечивает отвердевание грунтовой массы на всей длине (в отличие от отвердевания у печи и застывания снаружи у охлаждающих элементов). Отвердевшая грунтовая масса более устойчива к эрозии при разливе, улучшая контроль скорости течения. Меньше грунтовой массы нужно для повторной закупорки. Когда нужно открыть разливное отверстие, зажимное устройство и обратный молотковый механизм на буре извлекают стержень. Момент открытия разливного отверстия можно легче контролировать (прогнозировать), чем при обычном бурении. Эта особенность важна для плавной работы печи и планирования доставки горячего металла к последующим объектам.

Оборудование разливного отверстия с одной стороны

Грун-пушка и буры обычно устанавливали по разные стороны от разливного отверстия. Развитие конструкций позволило установить это оборудование с одной стороны. Бур качается над грун-пушкой или наоборот. Такая установка облегчает доступ для обслуживания разливного отверстия и желоба и улучшает применение отборов выделений в зоне желоба и разливного отверстия.

С появлением платформ доступа к дюйерам для облегчения осмотра и замены дюьеров и дюйерных стоков, доступная подъемная высота для оборудования разливного отверстия сократилась. Однако установка оборудования с одной стороны может быть выполнена при низкой подъемной высоте (например, 2,2 м).

Система желоба и ранера

Типичные скорости разлива горячего металла и шлака — 4–6 т/мин и 3–5 т/мин соответственно. Желоба и ранеры должны быть спроектированы для правильного разделения железа и шлака и их отвода от печи при нормальных скоростях и при аномальных пиковых скоростях.

Желоб горячего металла (рис. 15) — огнеупорно облицованная ванна в полу литейного цеха, собирающая железо и шлак после вытека из печи. Горячий металл течет по желобу, под скиммером и через перепад в ранер горячего металла. Уровень горячего металла в желобе диктуется перепадом. Правильная конструкция перепада погружает нижнюю часть скиммера в ванну горячего металла. Шлак, легче горячего металла, плывет по желобу поверх ванны. Поскольку он не может уйти в железо и через отверстие скиммера, он накапливается поверх ванны до объема, достаточного для перелива через шлаковый перепад в шлаковый ранер. В конце разлива высоту шлакового перепада снижают для слива большей части шлака. Остаточный горячий металл удерживают в желобе для предотвращения окисления и теплового шока огнеупорного облицования желоба.

Когда нужно обслуживание облицовки желоба, ванну горячего металла можно слить снятием железного перепада, открытием сливного клапана желоба или бурением в бок желоба (в его низшей точке) сливным буром. Дно желоба обычно проектируют с наклоном минимум 2% для эффективного слива. Поперечное сечение и длина желоба важны для эффективной схемы течения железа и шлака, удержания и разделения. Хорошая конструкция желоба дает улучшение выхода горячего металла. Эффективные облицовка и охлаждение желоба важны для срока службы облицовки, температуры горячего металла и защиты конструкционных сталей и бетона литейного цеха от тепла. Традиционно желобы содержали в стальных ящиках, «закапываемых в песок» в системе пола литейного цеха. Улучшенная конструкция желоба включает принудительную или естественную конвекцию воздуха или водяное охлаждение.

Практика литейного цеха требует ранеров максимально коротких. Это минимизирует потери температуры горячего металла и снижает обслуживание ранеров и выделения. Короткие ранеры также могут снизить капитальные затраты на строительство или перестройку здания литейного цеха. Поскольку ранеры должны иметь уклон от печи, пол литейного цеха обычно повторяет тот же уклон.

Шлаковые ранеры обычно проектируют с наклоном минимум 7%. Шлак могут направлять: (i) в шлаковые кувшины для ж/д или подвижной техники на удаленный сброс, (ii) в шлаковые ямы у печи для воздушного охлаждения и водяной закалки перед экскавацией подвижной техникой, (iii) в гранулирование у печи для превращения жидкого шлака в гранулированный. Гранулирующие установки снабжены системами устранения выделений, связанных с экологическими проблемами.

Железные ранеры обычно проектируют с наклоном минимум 3%. Горячий металл обычно направляют в разливные ковши (торпедные вагоны/ковши с открытым верхом) для перевозки в сталеплавильный цех или на машины для литья чугуна. Обычная практика — одна железная ранерная система с разветвительными затворами, направляющими металл в разные позиции разлива, каждая с ковшом. Применение наклонного ранера оказалось полезным. Наклонный ранер обычно с электрооприводным актуатором (с ручным volantом резервным), наклоняется на ~5° для отклонения горячего металла. Ванна горячего металла удерживается в наклонном ранере для минимизации брызг и износа облицовки. Когда один ковш наполнен, ранер наклоняют в противоположную сторону для наполнения другого. При необходимости локомотив уводит наполненный ковш и ставит пустой на его место. Эту операцию можно сделать без закупорки печи. Когда разлив завершен, наклонный ранер наклоняют еще на 5° для сброса своей ванны горячего металла в ковш.

Современная конструкция литейного цеха включает ровные пола, где ранер полностью закрыт и уложен во флюс с полом. Это позволяет безопаснее и легче использовать подвижную технику в зоне литейного цеха. Использование радиоуправляемого оборудования и других приборов помогло реформировать работу литейного цеха, и эти, вместе с эффективными системами контроля выделений, улучшили условия труда. По мере увеличения диаметра горна ДП возникает необходимость увеличить размер литейного цеха. Крупные ДП обычно проектируют с четырьмя разливными отверстиями (рис. 14). При конфигурации с четырьмя отверстиями планировка литейного цеха должна обеспечивать достаточное пространство для движения по полу. Проектных проблем нет, если в плану площадки предусмотрено необходимое пространство. Увеличение площади литейного цеха не представляет радикальной смены философии проектирования, которая могла бы вызвать трудности у проектировщика печи. Эффективный и строго контролируемый разлив необходим для обеспечения стабильной работы и высокой производительности ДП.

Контроль выделений

Требования и применение сбора выделений существенно варьируются по миру. ДП сейчас имеют полные, частичные или даже отсутствующие системы сбора выделений литейного цеха. Мощность вытяжных вентиляторов и мешковых фильтров порядка 9000–11500 м³/мин (в зависимости от эксплуатационной и проектной практики) типична для полного сбора выделений установки с двумя разливными отверстиями (для желобов и наклонных ранеров).

Правильная конструкция и применение накладок ранеров для сбора выделений могут облегчить доступ в литейный цех (конфигурация ровного пола со стальными плитами) для персонала и подвижной техники. Накладки ранеров также снижают потери температуры горячего металла и улучшают долговечность огнеупора ранеров.

Некоторые печи используют подавление пламени, устраняющее кислород в воздухе прямо над желобом и железными ранерами. Продукты горения предотвращают окисление поверхности горячего металла, снижая видимые частицы и выделения.

Другие аспекты проектирования ДП

Необходимо полное изучение каждого элемента процесса — от доставки сырья до потребления горячего металла — чтобы убедиться в отсутствии «узких мест», которые могли бы помешать печи достичь целей ее установки. При проектировании ДП мышление должно использоваться для разработки конструкции печи и рассмотрения альтернатив до утверждения проекта. При проектировании печи выбирают то оборудование, которое лучше всего соответствует потребностям эксплуатации печи.

Проект печи должен обеспечивать: (i) способность печи достигать эксплуатационных целей по производству, производительности (т/сут на м³ рабочего объема), удельным расходам (кг/т горячего металла) и качеству продукта рентабельно, (ii) гибкость печи для принятия и поглощения изменений качества сырья, (iii) способность печи достигать желаемой кампании как по времени, так и по общему производству.

Финансовое обоснование — перевешивающее соображение для проектирования. Экономическое обоснование должно быть очень обширным. Кроме того, проект печи должен включать новейшие технологические достижения, чтобы печа не устарела технологически на протяжении всей кампании.

Рабочий объем печи — внутренний объем, расчетный между дюйерами и стоклайном. Производительность горна оценивается в т/сут на м³ активного объема горна. Активный объем горна — внутренний объем между дюйерами и разливным отверстием. Активный объем горна — мера вместимости горна для жидкостей, образующихся в рабочем объеме (над дюйерами). Следовательно, т/сут на м³ активного объема горна — мера удельной пропускной способности (пропускная способность на единицу объема) горна ДП.

Проектирование горна очень важно, так как оно сильно влияет на работу печи. Эксплуатация печи затрагивается, так как уровни жидкостей в горне быстро меняются, вызывая вариации в схеме газового течения, использовании газа и давлении надува. Также из-за этих быстрых изменений уровня жидкостей могут возникать заклинивание/сгорание дюьеров, влияющие на надув печи.

Объем горна также определяет контроль, который оператор должен осуществлять во время работы печи. Для очень хорошего контроля уровня жидкостей в горне высокопроизводительная печь требует ~90% времени, затрачиваемого на разлив. Чтобы сделать это возможным, литейный пол должен быть правильно спроектирован.

Облицовка и система охлаждения печи требуют особого внимания, чтобы не создавать проблем на протяжении всей кампании ДП. Выбор огнеупоров, охлаждающих элементов и внутренней геометрии печи критически важен. Медные стэйвы в этом отношении дороги, но очень экономичны по сравнению с альтернативами. Углеродное облицование горна критически важно для долгой жизни горна. Толщина огнеупорного облицования трубы влияет на рабочий объем печи.

Необходимое производство обычно определяет размер ДП. Однако для определения размера важны сырье, химия продукта и даже эксплуатационная философия. Размер печи влияет на капитальные затраты, улучшение производительности — на эксплуатационные. Удельная производительность печи должна быть определена для расчета размера ДП, нужного для производства требуемого количества горячего металла. Из широкого диапазона возможных режимов работы вычисляют рабочий объем печи. Производительность и, следовательно, размер печи также должны базироваться на расходе кокса. Расход кокса зависит от качества сырья, параметров горячего надува, качества горячего металла и эксплуатационной философии.

Размер — самый важный фактор для определения производительности ДП. Однако есть другие факторы, влияющие на производительность. Наиболее важные: (i) температура и давление горячего надува, (ii) высокое давление на вершине, (iii) обогащение надува кислородом, (iv) впрыск вспомогательного топлива в дюйеры, (v) подготовленная загрузка (агломерат, пеллеты и т.д.), (vi) содержание Fe в ферристой загрузке, (vii) зольность кокса, (viii) качество кокса, (ix) влажность загрузки, (x) прямая зарядка флюсов (известняк, доломит и т.д.) в ДП, (xi) содержание мелкой фракции в загрузке, (xii) качество производимого горячего металла, (xiii) контроль распределения загрузки в печи, (xiv) уровень автоматизации и управления в печи.

Доступность печного оборудования, наличие резервного оборудования и философия обслуживания — важные факторы, сильно влияющие на годовое производство ДП. Кроме того, внедрение безопасных и здоровых практик труда при эксплуатации ДП в проектировании печи важно и сильно влияет на производство печи. В этом смысле предохранительные блокировки должны быть предусмотрены во всех местах, где существует вероятность небезопасных эксплуатационных практик.