Оптимизация проектирования доменной печи: ключ к производительности и долгой кампании

Роль проектирования в работе доменной печи

Проектирование доменной печи (ДП) фундаментально определяет надежную работу, металлургические показатели, устойчивую высокую производительность и долгую кампанию.

Современная ДП проектируется как фристейдинговая единица с окружающим зданием — доступ к печи и поддержка газовой системы. Проект должен оптимизировать движение загрузки и газа с учетом потенциальных сырьевых и операционных условий на протяжении кампании.

Проект интегрирует свойства оболочки, охлаждающих элементов и огнеупорной облицовки для сбалансированной работы комплекса ДП. Выбор правильных огнеупоров и систем охлаждения для каждой зоны — критичен для успешной, экономичной и, главное, безопасной работы.

Интеграция оборудования в проект

В проект закладывается всё оборудование для бесперебойной работы. Основное:

• Верхняя загрузочная система,
• Литейный дом: глиняные пистолеты, буровые станки для вытворов, манипуляторы жолобов, наклонные жолобы для железа и шлака, сменные балки, буровые станки для жаберных дамб,
• Туйерные запасы,
• Различные клапаны: горячего дутья, сброса, выравнивания/предохранительные, регулирующие, отсекающие,
• Зонды: температуры над загрузкой, газа под загрузкой,
• Механические регистраторы уровня загрузки,
• Подвижные и стационарные бронированные горловины,
• Поджигательные лансы уровня загрузки,
• Профиломеры и др.

Оборудование должно иметь доказанную надежность, долговечность и высокую производительность в суровых условиях ДП.

Работа современной ДП сложна — нужна автоматизация и контроль для мониторинга параметров. Необходимо для достижения высокой производительности.

Проект должен обеспечивать быструю и точную строительность.

Профиль доменной печи

Профиль ДП — сложная конфигурация: цилиндры, соединенные усеченными конусах. Зоны: nyt (hearth), bosh, belly, ствол (stack). Ствол делится на нижний и верхний. В nyt — мертвый слой жидкого металла (мертвая зона). В каждой зоне: оболочка, охлаждение, огнеупоры. Рабочий профиль устанавливается после износа определенного объема облицовки. В зонах текут разные физiko-химические процессы. Соотношения размеров зон варьируют с полезным объемом, но в допустимых пределах.

Ключевые геометрические соотношения (средние и крупные печи)

• Отношение высоты печи к диаметру belly: уменьшается с ~3 до 2,00 при росте полезного объема от 1000 до 5500 м³.
• Отношение диаметра belly к диаметру nyt: 1,09–1,13 (идеально 1,05–1,10).
• Отношение диаметра верха к диаметру belly: 0,62–0,71.

Высоты зон

• Мертвый слой: 600–1700 мм.
• Высота nyt: 3200–5700 мм (растет с объемом).
• Высота bosh: 3000–4000 мм.
• Высота belly: минимум, 2000–3000 мм.
• Высота ствала: максимум, 15–20,7 м.
• Высота верхнего цилиндрического участка ствала: 2,5–3 м.
• Общая высота: 26–36 м.
• Эффективная высота (без верхнего цилиндра): 23–33,5 м.

Углы наклона

• Угол наклона ствала к belly: 82,5–85,5°.
• Угол наклона bosh к belly: 79,2–80,5°.

Эффективная высота зависит от качества (прочности) кокса. 33,5 м — практически предел при нормальной прочности кокса. Рост полезного объема — через увеличение поперечных размеров при сохранении высоты → снижение отношения высота/диаметр belly, уменьшение угла наклона ствала. Угол можно снижать до предела, не препятствующего линейному расширению загрузки при нагреве.

Площадь поперечного сечения nyt зависит от интенсивности углеродного горения (кокс ДП + ореховый кокс + вспомогательное топливо) = углерод в суточной загрузке топлива / объем печи.

При увеличении диаметра печи нужно повышать давление горячего дутья для обеспечения центральной работы. Это требует более высокого давления на верху печи для поддержания разумного перепада давления для плавного движения загрузки.

Число туйер: обычно 2× диаметр nyt (нижний предел средних печей), при росте объема — более 2× диаметра.

Рис. 1. Проектные профили российских доменных печей

Характеристики зон ДП для проектирования огнеупоров

• Мертвая зона: высокие температуры и давления от жидких расплавов и газов.
• Зона nyt: высокие температуры, непрерывное движение жидких расплавов, химическая активность продуктов, давление и химическая активность газов, попадание влаги в nyt.
• Нижняя часть bosh: высокие температуры, непрерывное движение загрузки, газов, шлаков, жидкого железа, химическая активность шлаков, давление загрузки и газов.
• Верхняя часть bosh: непрерывное движение загрузки и газов, действие цинка (Zn) и щелочных соединений, высокие температуры.
• Нижняя половина ствала: непрерывное движение загрузки и газов, действие Zn, щелочей, высокие температуры.
• Верхняя половина ствала: непрерывное движение газов и загрузки, действие сажистого углерода и Zn.

Проект огнеупоров должен учитывать эти условия в каждой зоне.

Термические и газодинамические особенности

Горячее дутье входит у границы nyt/bosh, образуя зону горения кокса. Горение углерода кокса происходит в ограниченном объеме nyt. Пик тепловыделения в интенсивной стадии сконцентрирован у стенок печи. Температуры ниже зоны горения кокса: 1500–1650 °C на периферии, ниже в центре из-за охлаждения дном.

Газы, выходящие из туйерной зоны nyt: до 2000 °C. Снижающиеся материалы выше и ниже bosh: ~500 °C и ниже. Разница → интенсивный теплообмен, резкие перепады температур. В верхах bosh и ства такого нагрева нет — энергия уходит на прямое восстановление. Температура по высоте меняется мало в нижней части ства vs bosh. Верхняя зона интенсивного нагрева — нижняя часть цилиндрического верха печи и над ством. Заряжаемые материалы ~30 °C, восходящие газы — в разы горячее.

В nyt и других частях: температура газа падает на 100–250 °C от стенок к центру.

Увеличение горизонтальных размеров nyt и bosh смещает максимум скорости газа к центру → снижение скорости в периферии → снижение температуры периферии и воздействия газов на облицовку.

Периферийное оборудование и коммуникации

Для плавной работы ДП проектирование и производительность периферийного оборудования должны соответствовать требованиям ДП и интегрированы с ним. Основные периферийные системы:

• Подготовка, подача и зарядка загрузочных материалов,
• Надувные машины и горячедутовые печи для подачи горячего дутья заданной температуры и давления,
• Системы обработки и очистки доменного газа,
• Литейный дом для выработки горячего железа и жидкого шлака,
• Транспорт горячего железа,
• Грануляция и утилизация гранулированного шлака,
• Водоочистные сооружения.