Профилактика нерегулярностей в работе доменной печи: проверенные стратегии

Нерегулярности в работе доменной печи

Плавное и равномерное движение загрузочных материалов вниз и движение печных газов вверх очень важно для стабильной и эффективной работы доменной печи (ДП). Для обеспечения этого в недавнем прошлом выполнено много работы. Это включает: (i) улучшение характеристик загрузочных материалов, (ii) улучшение системы зарядки печи, (iii) улучшение системы охлаждения ДП, (iv) адекватная автоматизация и контроль работы ДП для устранения человеческих ошибок, и (v) улучшение процедур эксплуатации печи. Несмотря на эти улучшения, ДП не всегда работает так плавно, как может показаться случайному наблюдателю, и нерегулярности в работе случаются. Однако нерегулярности печи не так часты, как в прошлые годы, но все еще есть сбои в работе ДП, которые вызывают серьезную озабоченность и часто требуют быстрого мышления, использования хорошего суждения и мастерства, а также своевременных корректирующих действий со стороны оператора для предотвращения серьезных неприятностей.

Основные причины эксплуатационных нерегулярностей ДП: (i) неисправные механические устройства, такие как текучие охладители, дефектные клапаны и т.д., (ii) неисправные операции, такие как неисправная зарядка, задержки в разгонке и т.д., и (iii) аномальные физико-химические изменения, происходящие внутри ДП. Основные эксплуатационные нерегулярности ДП описаны ниже.

Зависание и сход печи

Зависание — явление в ДП, происходящее, когда загрузочные материалы, заряженные наверху ДП, не движутся непрерывно к подпечи печи. Зависание возникает, когда загрузка, по пути вниз, встречает очень высокое сопротивление, результатом чего становится остановка движения загрузки. Зависание происходит из-за сводования загрузочных материалов в шахте печи. Когда это происходит, материал ниже зависания продолжает двигаться вниз, образуя пространство, свободное от твердого материала, но заполненное горячим газом при очень высоком давлении. Это пространство продолжает расти, пока зависание наконец не рухнет.

Когда зависание рушится, материал падает вниз из-за зазора, созданного под зависанием. Рухнование зависания — явление, называемое «сходом», которое приводит к нерегулярной работе ДП с неравномерным распределением газа и его последствиями для параметров ДП. Во время схода печи заряженные материалы падают неконтролируемо к подпечи в термически неподготовленном состоянии, что приводит к охлаждению печи. Это также заставляет горячие газы двигаться вверх с очень большой силой. В тяжелых случаях внезапный нисходящий толчок зависшего материала заставляет горячий газ двигаться вверх с силой взрыва. Это внезапное подталкивание газа открывает верхние газовые сливы и иногда настолько велико, что вызывает серьезные повреждения верхнего оборудования печи.

Зависание, предшествующее сходу, вызвано любым из ряда различных условий, при которых проницаемость зарядки снижается, так как часть материала закрывает пустоты между заряженными частицами и слабо связывает их вместе. Когда в загрузке высокий процент мелочи и скорость печного газа относительно высока, мелочь закрывает отверстия между другими частицами и вызывает зависание. В некоторых случаях расплавленный шлак выдувается вверх каплями, и когда он впоследствии контактирует с более холодным загрузочным материалом, он снова затвердевает и закрывает отверстия между частицами и склонен цементировать их вместе.

В некоторых случаях реакция декомпозиции угарного газа (CO) 2CO = CO₂ + C катализируется, и углерод (C) осаждается в виде сажи. Это закрывает отверстия между частицами и удерживает их вместе. В других случаях, где щелочное содержание загрузки высоко, щелочные соединения восстанавливаются до щелочных паров, которые поднимаются с печным газом и конденсируются в более холодной части загрузки, вызывая тот же тип зависания.

Другой тип зависания иногда происходит в ДП, которые работают очень эффективно и доводятся до своей лучшей производительности. При этих условиях, если происходит неблагоприятное изменение в распределении газа, прочности кокса или размере частиц загрузки, то оксид железа ферристой загрузки не восстанавливается до металлического железа достаточно быстро, в результате чего оксид железа плавится и течет вниз жидкостью на частицы кокса. Когда это происходит, жидкий оксид железа восстанавливается до твердого железа и значительное количество тепла потребляется восстановлением. Следовательно, частицы кокса цементируются вместе, и проницаемость движущейся массы в ДП значительно снижается, результатом чего становится зависание печи.

Подобный тип зависания может также произойти, если ДП эксплуатируется при слишком высокой температуре пламени для качества (в частности, восстановительности) загрузочного материала. Когда высокотемпературные изотермы достаточно высоко расширяются вверх по печи, они могут начать плавить невосстановленный материал, и когда этот материал спускается в более восстанавливающую среду, он восстанавливается и, в зависимости от температуры, может затвердеть (температура плавления FeO около 1370 °C, чистого железа — около 1535 °C), и закрыть загрузку.

Когда загрузка не движется правильно через печь и есть вязкое движение материала через печь, оператору необходимо немедленно принять корректирующие меры, чтобы избежать крупного схода, который может быть очень катастрофическим событием. При очень экстремальных условиях сход может привести к охлажденной печи. Каждое зависание и сход должны быть должным образом проанализированы для определения причин зависания, чтобы изменения могли быть внесены в эксплуатационные процедуры для предотвращения повторного зависания.

Обычно в ДП происходят два типа зависаний: (i) верхнее зависание, происходящее в вершине шахты и в основном случающееся из-за реакции осаждения углерода и конденсации щелочных паров, и (ii) нижнее зависание, происходящее в нижней шахте, животе и растрепе и случающееся из-за образования пустот в шахте.

Восстановительные действия для устранения зависания в ДП: (i) использование крупного кусковатого известняка, отжиг которого в ДП производит CO₂, что заставляет реакцию растворения-потери происходить и улучшает проницаемость заложа, и (ii) снижение температуры и давления продувки для улучшения распределения и потока газов в печи. В случае длительного сильного зависания давление горячей продувки резко снижают на несколько моментов. Шок, созданный этим внезапным снижением давления горячей продувки, заставляет печь соскочить. Этот сход обычно сильный, поэтому это восстановительное действие должно выполняться только после разгонки печи, когда в подпечи минимум жидкого металла и шлака. В экстремальном случае устойчивое зависание можно вылечить сдувом печи до уровня растрепа и заполнением коксовым подподом.

Нагар (скаффолдинг)

Термин «нагар» (скаффолдинг) используется, когда наросты или корки накапливаются на стенках печи и вызывают уменьшение поперечного сечения шахты ДП. Нагары обычно состоят из твердой оболочки на внутренней стороне ДП и слоя рыхлого загрузочного материала между этой оболочкой и стенкой ДП. Нагар может образовываться относительно высоко в шахте доменной печи или относительно низко в шахте, недалеко от верха растрепа. Трудно обобщить типы нагаров, так как очень мало общего между структурой и расположением нагаров разных ДП. Однако нагары можно в общем разделить на две группы: (i) слоистые нагары, и (ii) неслаистые нагары. Нагары со слоистой структурой состоят из чередующихся слоев металлического железа (Fe) и загрузки, богатой щелочами. Нагары могут вызывать зависание в ДП. Типичное формирование крупного нагара в ДП показано на рис. 1.

Рис. 1 Типичное формирование крупного нагара в ДП

Формирование нагара недалеко от верха растрепа часто происходит из-за чрезмерной мелочи в загрузочном материале и более высокого, чем нормально, химического состава шлака по извести (отраженного в более высокой основности шлака). Растворение извести в шлаках, образующихся в шахте печи, повышает температуру плавления шлака. Поскольку шлак часто несет некоторые частицы мелочи из загрузки в подвешенном состоянии, повышение температуры плавления может заставить эту смесь мелочи и шлака прилипнуть к верхним стенкам растрепа. Это накопление на верхней стенке растрепа отводит горячие печные газы дальше к центру печи. С меньшим объемом горячих газов вдоль стенок наросты склонны остывать и полностью затвердевать. Эти корки могут расти, пока не заблокируют большой процент поперечного сечения ДП.

Предпосылки для стабильного и вредного формирования нагара: (i) наличие подходящего материала в загрузке ДП для построения нагара (например, мелочь, плохо просеянная загрузка, агломерат с плохими низкотемпературными характеристиками деградации восстановления, использование длительно хранящегося, мокрого и холодного агломерата, или мелкокускового кокса и т.д.), (ii) наличие агломерирующего (цементирующего) материала для агломерации загрузочного материала, (iii) наличие фиксирующего (якорного) механизма для построения нагара на стенке шахты ДП, который может быть химической связью с облицовочным материалом, физическим закреплением вокруг охлаждающих плит, аркообразным построением к стенкам растрепа, или просто конденсацией агломерирующего материала на стене, (iv) непрерывное поступление прилипающих компонентов, и (v) сформированный нагар достаточно прочен, чтобы выдерживать изнашивающие силы спускающихся материалов.

Место расположения нагара зависит от агломерирующего материала, прилипающего материала, загрузочных материалов, работы печи и конструктивных особенностей печи, таких как охлаждающие элементы и облицовочный материал. Он может находиться на разных уровнях в ДП, таких как шахта, растреп или живот.

Щелочные или цинковые соединения восстанавливаются до металлических паров недалеко от дна ДП. Эти пары поднимаются с печными газами в более холодную верхнюю часть, где они реоксидируются до очень мелких твердых частиц. Эти мелкие частицы прилипают к стенке печи вместе с другими мелкими материалами, застрявшими в них. Это также другая причина начала формирования нагара.

Блокировка из-за нагара уменьшает площадь, доступную для плавления железоносных материалов. Нагары искажают газовый поток внутри печи и увеличивают расход топлива, способствуя зависанию и сходу печи. Это также снижает производительность печи. Из-за более высокого расхода топлива снижается топливная эффективность печи. Когда нагары сходят со стенок, они спускаются в подпечь. Это вызывает серьезные сбои печи и снижает качество горячего металла. В случае, если размер корки слишком велик, это может вызвать охлаждение ДП.

Канализация (чанелинг)

Явление канализации происходит, когда восходящие газы в печи не распределяются должным образом равномерно по радиалу и окружности в печи и находят проход наименьшего сопротивления. Различные причины для возникновения канализации в доменной печи: зарядка чрезмерной мелочи, неправильное распределение загрузочного материала внутри печи и высокий уровень жидкого железа и жидкого шлака в подпечи. Канализация нарушает процессы нагрева и восстановления, что в свою очередь влияет на качество горячего металла.

Признаки канализации: (i) ДП принимает продувку без увеличения перепада давления, (ii) Температура верхового газа, выходящего из ДП, высока, (iii) Соотношение CO/CO₂ высоко, (iv) верховой газ имеет высокое содержание дымной пыли, и (v) наблюдается увеличение коксовой нормы.

В случае зарядки мелочи канализация приводит к увеличению тепловой нагрузки на стенки ДП, что ведет к нестабильной работе ДП и снижению производства. Из-за мелочи восходящие газы отвлекаются от области и канализируются вокруг мелочи. Это отвлечение восходящих газов нарушает предварительный нагрев материалов и процесс восстановления. Это вызывает нерегламентированное открытие сливов, несоответствие химии горячего металла, нестабильное производство ДП и снижение производительности печи. Если канализацию можно эффективно предсказать, то тепловая нагрузка ДП может быть снижена улучшением качества сырья или корректировкой работы ДП.

Важные аспекты в случае канализации в ДП: (i) зарядка ДП имеет неравномерность как по размеру, так и по распределению зарядки, (ii) критическая газовая скорость может быть превышена локально, (iii) легкие частицы (кокс) выдуваются из этих областей и оседают в областях низкой скорости, а более тяжелые руды оседают предпочтительно (смещение руды), (iv) явления в (iii) способствуют уплотнению менее проницаемой области и делают радиальный перепад давления более неравномерным, (v) газ в печи тогда течет через систему отдельных каналов, известную как канализация, и (vi) восстановление продувочной скорости до предыдущего значения не является решением из-за «эффекта гистерезиса».

Меры предосторожности для контроля канализации: (i) использование загрузочных материалов с более высокой прочностью, узким распределением размеров и оптимальным размером, и (ii) поддержание верхнего давления на высоком уровне.

Прорыв (брейкаут)

«Прорыв» — термин, обозначающий условия и результаты побега газа и кокса, или шлака, или железа из растрепа, дьюерной груди или подпечи ДП. Прорывы могут произойти в любой точке ниже зоны плавления в печи, но большинство серьезных прорывов — жидкого шлака и жидкого железа. Прорыв жидкого железа происходит на уровне ниже поверхности железа, лежащего в подпечи, и идет либо через стенки подпечи и охлаждающие ставы, либо в дно подпечи и наружу под охлаждающими ставами подпечи. Прорыв ДП — редкий и коварный риск в эксплуатации ДП. Прорыв может произойти на уровне растрепа, на дьюерном стоке (грудной охладитель, дьюерная труба, или глазок), или на подпечи.

Прорывы шлака обычно не такие серьезные, как прорывы железа, потому что нет такой опасности от взрывов, как в случае контакта жидкого железа и воды. При любом типе прорыва необходимо, если возможно, открыть дьюерную втулу и слить как можно больше жидкого материала, и снять печь с продувки.

В случае прорыва шлака, прорыв можно охладить струей воды, и отверстие, где произошел прорыв, можно закрыть заменой огнеупорных кирпичей, или закачкой огнеупорной шламовины в отверстие, или забивкой пластичного цемента или укладкой асбестовой веревки в него.

В случае прорыва железа практически нет контроля. Горячий металл должен вытечь из отверстия, пока печь не станет сухой. После того как накопленное железо устранено, подходящий огнеупор можно использовать для закрытия отверстия. Если прорыв железа серьезен, то обычно требуется полный ремонт подпечи. В случае несерьезного прорыва часто необходимо заменить поврежденные охлаждающие ставы подпечи.

Прорывы вызваны отказами стенок подпечи, в результате чего жидкое железо или жидкий шлак или оба могут течь неконтролируемо из печи и окружающих auxiliar. Опасность прорывов подпечи значительно снизилась в недавнее время, так как подпечь получила много внимания, и разработана более тяжелая, более прочная и более дорогая конструкция подпечи.

Прорывы шлака происходят от верха охлаждающей ставы подпечи и до уровня дьюеров. Они редко опасны, но могут вызвать некоторый ущерб кирпичной облицовке и являются существенным неудобством из-за задержки на ремонт и времени, необходимого для уборки грязи, вызванной ими.

Прорывы продувки, газа и кокса, обычно известные как растрепные прорывы, почти стали делом прошлого. Их устранение можно приписать улучшению оперативной практики, более плавной работе на все более низкокачественных рудах, менее жестким «сходам» и общему укреплению растрепа. При нынешнем контроле за работой печи растреп не выходит из строя, кроме редких интервалов.

Причины растрепных прорывов: (i) условиями внутри печи, такими как высокое давление продувки, очень тяжелые сходы, или серьезная работа на стенках подпечи, все это может привести к прорыву, (ii) разрыв подпечных обручей, выброс охлаждающих плит, или части кирпичной кладки между обручем и плитой, или (iii) трещины и раскрытие растрепных охлаждающих ставов.

Безопасные методы практики мало помогают в предотвращении дьюерной груди или растрепных прорывов, если плохой конструкцией или строительством, слабо построенными, недостаточно усиленными или неправильно охлаждаемыми сегментами кирпичной кладки были включены в эту часть ДП. Модификация методов практики мало помогает из-за внезапности, с которой такие прорывы происходят. Возможно, 95% предотвращения кроется в конструкции и 5% в опыте, находчивости и компоновке литейного цеха для доступности сигналов и возможностей эвакуации.

В последние годы серьезные прорывы происходили чаще на подпечи, чем на растрепе и дьюерной груди. Фактически это всегда было так, но с небольшим количеством горячего металла в подпечи прорывы не обязательно были серьезными, особенно так как давление продувки не было высоким. С увеличением тоннажа и быстрой эксплуатацией прорывы приняли серьезные пропорции, иногда разрушая печь, иногда унося жизни, и почти всегда вызывая плохие грязи, задержки и неудобства.

Разрушительные факторы внутри стенок подпечи, ответственные за прорывы подпечи: (i) эрозия стенок подпечи горячей продувкой, особенно над дьюерной втулой, (ii) распад кирпичной кладки химическим действием жидкого железа и жидкого шлака, и (iii) механическое действие жидкого железа в проникновении в швы кирпичной кладки. Рис. 2 показывает типичный механизм износа подпечи ДП.

Рис. 2 Типичный механизм износа подпечи ДП

Охлажденная подпечь

Это очень серьезное расстройство, так как оно неблагоприятно влияет на разгонку. Оно может возникнуть из-за низкого топливного ввода, чрезмерной влажности в продувке и утечки воды из дьюеров и т.д. Если это из-за этих причин, охлаждение постепенное и может быть исправлено до того, как станет серьезным. Тяжелый сход также может вызвать охлаждение ДП. Охлаждение из-за схода внезапное.

Общие причины охлаждения ДП — обычно длительные неподготовленные остановки. Даже подготовленные остановки также могут привести к условиям охлажденной подпечи при перезапуске. Охлаждение ДП может произойти по нескольким причинам, включая эксплуатационные нерегулярности, неправильную зарядку загрузки, крупные поломки оборудования, серьезные утечки воды и многие другие.

ДП может остыть, когда недостаточно кокса или другого топлива на дьюерах для поддержания нормального процесса восстановления и плавления. Если ДП показывает симптомы охлаждения, оператор ДП сталкивается с трудным выбором. Если он продолжает дуть ветер, жидкости продолжают производиться, которые не могут быть слиты. Высокий уровень жидкостей в подпечи может привести к сжиганию дьюеров и дьюерных труб. С другой стороны, если продувка остановлена, шлаг входит в дьюеры и дьюерные трубы и затвердевает, приводя к значительному ущербо этим частям. Кроме того, время нужно для ремонта этого ущерба, что заставляет печь остыть дальше и делает восстановление еще более трудным.

Во время регулярной работы ДП обычно дает предупреждающие сигналы перед тем, как печь покажет симптомы охлаждения. Предупреждающие сигналы обычно состоят из: (i) снижения объема продувки и замедления движения загрузки из-за работы печи на холоде, (ii) частых зависаний и сходов в печи, (iii) температуры разгоняемого горячего металла и жидкого шлака ниже нормальной температуры, (iv) разгоняемого жидкого шлака вязкого и не свободно движущегося в шлаковом желобе, (v) воды, выходящей из дьюерной втулы, (vi) забивания дьюеров и дьюерных труб шлаком или шлак-металлической смесью, (vii) чрезмерного накопления горячего металла и шлака в печи из-за либо недостаточного слива горячего металла и шлака при разгонке, и/или задержки в открытии дьюерной втулы, и (viii) очень мало кокса в зоне мертвой зоны. Когда печь начинает давать предупреждающие сигналы, необходимо принять корректирующие действия для предотвращения приближения ДП к охлаждению. Корректирующие действия несколько, но рекомендуется работать печью на более горячей стороне, увеличивая кокс в зарядке.

Кратко, причины охлаждения ДП могут быть: (i) чрезмерная утечка воды, (ii) загрузочные материалы печи не по спецификации (сырье), (iii) огромные флуктуации в качестве загрузочных материалов, (iv) приборы и измерительные устройства либо не откалиброваны должным образом, либо неисправны, (v) оператор ДП не может правильно прочитать происходящее внутри печи из доступных ему данных, (vi) оператор ДП либо не реагирует, либо реагирует поздно на проблемы, замечаемые во время работы, (vii) ранние предупреждающие сигналы игнорируются и не сообщаются вышестоящим, (viii) нарушения технологической дисциплины по инспекции утечки воды, практике литейного цеха и заглушению дьюеров и т.д., (ix) нехватка опыта операционного персонала, (x) неподготовленные остановки печи из-за внезапных поломок ключевого оборудования, такого как система зарядки, система горячей продувки, и система сбора и очистки газа, требующие крупного ремонта и длительного времени на ремонт, и (xi) прорыв дьюерной втулы или подпечи, требующий длительного времени для восстановления.

Пилларинг (образование центральной колонны)

Если продувка не может проникнуть до центра печи, это может привести к формированию холодной центральной колонны загрузки с кольцевой горячей зоной вокруг нее. Это называется пилларингом. Стержень, вставленный прямо через отверстие дьюерной втулы, показывает краснокалую часть на обоих концах и холодную среднюю часть, если в печи существует пилларинг. Объем холодной средней части этого стержня указывает на объем столба, существующего в печи. Пилларинг можно устранить увеличением давления продувки, которое может проникнуть глубже и нагреть столб.

Забивание газовых уходов

Работа ДП должна быть приостановлена, если пыль накапливается в уходах и ниспадающих трубах, и может быть возобновлена только после очистки. Это происходит из-за неисправного дизайна газовых уходов, в частности неадекватного поперечного сечения и неправильных стыков.

Затопление и выбрасывание кокса через дьюерные втулы

В растрепе жидкое металло и шлаг капают через проницаемую коксовую подушку против восходящего давления поднимающихся газов. Увеличение газового или жидкого потока может препятствовать движению вниз жидкого металла и шлака, вызывая его накопление в междоhabiлях кокса до тех пор, пока вес жидкости не преодолеет восходящую тягу газов и не спустится внезапно в подпечь. Это явление известно как затопление, которое можно минимизировать, имея высокую пористость, т.е. используя более крупный средний размер кокса. Качественный кокс также полезен, так как деградация внутри печи снижается, и следовательно проницаемость в растрепной области улучшается.

Все, что накладывает ограничение на объем дьюерной зоны дьюера, вызывает задержку и последующую склонность к затоплению. Прерывание равномерной продувочной скорости вызывает коллапс зоны дьюера, и когда она возобновляется снова, мелкие частицы кокса не могут вернуться в зону дьюера и следственно спускаются в подпечь вместо горения в дьюерной области, результатом чего становится забитая подпечь, вызывая известное явление выбрасывания кокса из шлаковых и железных нотчей при разгонке. Это часто приводит к неоправданной критике качества кокса. Равномерное дутье печи — лучшее средство для избежания этого.

Текучие дьюеры, дьюерные втулы и охладители

Несмотря на правильные конструкции, водохлаждаемые части печи могут дать сбой и их нужно немедленно заменять или устранять, насколько возможно. Обезьянка — проблемная часть и часто требует частых замен. Если невозможно устранить или заменить неисправный охладитель, его нужно отключить от водопровода и вывести из эксплуатации.

Текучие дьюеры или охладители в нижней части печи могут иметь катастрофические последствия, если не устранены вовремя. Текучие дьюерные охладители приводят к генерации пара, который при контакте с углеродистой подпечью эродирует подпечную облицовку, и кампанию приходится останавливать для капитального ремонта. Инструкции по обслуживанию дьюерных втул должны быть скрупулезно соблюдены для минимизации этих неприятностей.