Ключевая роль горна, мертвеца и отливки в работе доменной печи

Важность горна, мертвеца и отливки в эксплуатации доменной печи

Наблюдается ухудшение качества руды при растущем спросе. Больше примесей → больше шлака → влияет на спуск зарядки и жидкостной поток в горне. Это катализатор механизмов износа облицовки: бош, ствол, горн под дополнительным стрессом. Отливка ухудшается, жолобы и жолобы разливного цеха перегружены большим объемом шлака. Общий الضغط на эксплуатацию ДП растет.

Влияние плохой руды

• Объем шлака — больше примесей = больше шлака.
• Тепловая нагрузка — больше тепла нужно на плавление и подвижность доп. шлака → выше тепловая нагрузка в печи.
• Кокс и продуктивность — больше шлака требует больше топлива. При уже оптимальном ПВУ (pulverized coal injection) → выше кокс. Больше кокса = больше золы = еще больше шлака. Ухудшение продуктивности.
• Стабильность процесса — ухудшение руды неблагоприятно влияет на стабильность и плавную работу.

Широкие вариации процесса → вариации состава шлака и качества чугуна. Дополнительные последствия:

• Большие объемы шлака влияют на газовой поток.
• Жидкостной поток в горне сложнее → колебания уровней жидкостей. В крайнем случае — нарушение спуска зарядки.
• Частые и тяжелые зависания/просадки (hanging/slips) из-за компрометированного газового потока → катализатор большего износа облицовки боша, ствола, горна.
• Высокие расходы шлака — узкое горлышко в разливном цехе: жолобы и runner-система не справляются с объемами.

Для контроля нужны меры: (1) управление горном для оптимального дренажа и мин. износа при высоком шлаке, (2) адаптация процесса и зарядки для стабильности и мин. тепловой нагрузки на стенки, (3) плотный мониторинг и ТО системы охлаждения для поглощения высших нагрузок, (4) оценка и дебутилирование планировки разливного цеха под повышенные жидкостные потоки.

Горн, мертвец и потоки чугуна/шлака к выпускному отверстию при отливке — на рис. 1.

Рис. 1 Горн, мертвец и потоки горячего чугуна и шлака при отливке

Горн и мертвец доменной печи

Состояние горна — решающее для стабильной работы и долгой кампании. Нижняя зона контактирует с жидким чугуном и шлаком, вызывая сильную эрозию, химическую и термическую атаку облицовки. Самая агрессивная среда — около выпускных отверстий: высокие термические напряжения и скорости потока. Управление отверстиями (интегрированное с другими операционными методиками) критично для работы горна и всей печи.

Горн — нижняя, но важнейшая часть ДП. Ресурс кампании в большой степени зависит от долговечности горна. Стенки и дно — углеродные блоки/кирпичи + высококачественная керамика.

Конструкции горна

Два базовых дизайна: (1) мелкоблочный/кирпичный, (2) крупноблочный. Разница — в размере огнеупоров. Мелкоблочный: простота укладки (кирпичи укладывают вручную, замазку на все стороны). Меньше склонность к трещинам — горн по сути уже «трещинистый». Но каждый шов — барьер теплопередачи, особенно при движении и зазорах. Крупные блоки лишены этого недостатка (мало швов), но термическое расширение вызывает трещины — похожие барьеры.

Внутри двух базовых дизайнов — вариации. Общие вопросы: тип огнеупора у стены, горячей грани, у отверстий. Главное — баланс теплопередачи отнутри к охлаждающей среде. Разные огнеупоры. Цена растет с теплопроводностью. Теоретически лучший горн — из максимально теплопроводных огнеупоров: вечный (замораживающий слой защищает), но забирает слишком много тепла → высокие операционные затраты. При остановке быстрый охлаждение → сложный разгон → еще выше затраты. На практике балансируют между факторами.

Горновая облицовка оснащена термопарами и охлаждающими элементами. Мертвец под активной коксовой зоной и (преимущественно) под расуэями. Верхняя часть — конус с округлым верхом между расуэями. Наклон от вершины мертвеца к расуэям ≈ угла естественного откоса заряжаемого кокса. Горн в основном занят коксовым слоем — частью мертвеца от уровня дюьер.

Жидкий чугун и шлак из зоны сцепления капают в пустоты мертвеца. Под действием гравитации разделяются: тяжелое железо внизу, легкий шлак сверху. Постоянно капая, капли железа должны пройти через шлаковый слой к дну. Верхний слой — смесь шлака и капель железа. Пористость мертвеца 0,3–0,5 → 30–50% объема доступно жидкостям, если мертвец заполняет горн. Мертвец может сидеть на дне, или плавать частично/полностью, если сила Архимеда достаточна. Частично плавающий мертвец сидит на центре дна, образуя кольцевую кокс-свободную зону у краев — малый сопротивление при дренаже. Образуется окружной поток — главная причина «слоновьей ноги» износа горна.

Разрезы застывших печей показали почти стагнационную коксовую зону в ядре между расуэями и в горне. Стагнационная зона (кокс спускается со сильно сниженной скоростью) назвали «мертвец», думая, что она пассивна. Позже доказали — ключевая роль в процессе. Изучение мертвеца — физические/математические модели, так как прямые замеры невозможны (высокая T, износ, враждебная среда).

Верхняя граница мертвеца — предмет многих теоретических/экспериментальных исследований. Показали: мертвец окружен квазистагнационной зоной, где заряженные частицы движутся к расуэю. Размер мертвеца чувствителен к ПВУ (pulverized coal injection). Мертвец обновляется из малой центральной зоны притока у вершины. Хорошая проницаемость мертвеца поддерживается зарядкой крупного качественного кокса в центр печи. Циклическое накопление и удаление жидкостей при отливке тесно связано с обновлением мертвеца. Частицы постепенно переходят в расуэй при повторных отливках. Обновление: «старые» частицы выталкиваются силой Архимеда (на погруженной части), «новые» заполняют через верху.

Состояние мертвеца и форма дна сильно влияют на износ облицовки и дренаж жидкостей. Мертвец в большой жидкой ванне, испытывает силы Архимеда. Когда сила достаточна для подъема — образуются кокс-свободные зоны под мертвецем → свободный проход для потоков. Мертвец динамичен, движется с меняющимся уровнем жидкости. Движение гистерезисно при подъеме/опускании.

Форма мертвеца определяется балансом сил, давящих вниз, и сил Архимеда чугуна/шлака. Сила Архимеда проста: функция уровня жидкости и пористости. Давящая сила (обычно давление) зависит от условий: вес зарядки, длина расуэя, жидкостной заполнение, газовое трение. Вес зарядки над дюйерами компенсируется подъемным давлением газа; давление под расуэями — только вес мертвеца. В центральной зоне давление — функция веса мертвеца, жидкостного заполнения, динамического давления конвергирующего потока частиц. Динамическое давление линейно убывает от центра к фронту расуэя. Обычно мертвец плавает выше под расуэями. Распределение давящего давления критично для формы дна мертвеца. Классифицируют 4 состояния плаванья: (1) сидящий, (2) частично плавающий у стенки, (3) полностью плавающий с плоским дном, (4) полностью плавающий, но выше у стенки.

Отливка доменной печи

Отливка нужна не только для выдачи продукции, но и для безопасности печи и операторов разливного цеха. Отливка (casting/drainage) удаляет горячий чугун и жидкий шлак из горна. Современная технология — full pool practice (полный залив). Жолоб держат заполненным чугуном и шлаком в перерывах между отливками. При следующей отливке жолоб уже жидкий — легче разделение железа и шлака, сохранение тепла → чистый, горячий чугун в СЦЧ через огнеупорно облицованые открытые или торпедные ковши.

Процесс отливки критически определяет внутреннее газовое давление и остаточные объемы жидкостей в горне. Плохой дренаж → нестабильная работа → потери продуктивности и ресурса кампании. Неэффективный дренаж → избыточное накопление жидкостей → высокие уровни в горне. Если шлак подходит к уровню дюьер — газовый поток в боше тяжело нарушается → неправильный спуск зарядки (hanging/slipping).

Цикл отливки: бурение отверстия → заглушка пробкой (taphole mass) при пробое газа. В конце отливки газ-шлак границу наклоняет к отверстию, значительное количество шлака остается выше уровня отверстия. Железная фаза может сливаться из уровней ниже отверстия за счет большого градиента давления в вязком шлаке. Средний интерфейс шлак-железо ниже уровня отверстия. В зависимости от скоростей образования жидкостей, объема горна, стратегий отливки, начальная стадия цикла варьируется:

• Сначала железо (Iron first) — если интерфейс шлак/железо выше отверстия при бурении. Начинается слив только железа, шлак позже, когда интерфейс опускается к отверстию. Затем одновременный слив до конца. Время от старта до появления шлака в жолобе — slag delay.
• Одновременный (Simultaneous) — интерфейс лежит в отверстии или немного ниже. Высокий градиент давления в шлаке способствует потоку железа или даже подтягивает его изнизу. Железо и шлак сливаются вместе весь период.
• Сначала шлак (Slag first) — противоположно iron first. Сначала шлак, железо после задержки. Интерфейс далеко ниже отверстия в начале. Градиент вязкого шлака изначально недостаточен для подъема железа. Наблюдается в крупных печах с множественными отверстиями.

Первичное требование — надежное обеспечение требуемой скорости продукции. Факторы, влияющие на скорость отливки: обычно на крупных ДП — 7 т/мин, скорость жидкости в отверстии 5 м/с, диаметр 70 мм, длина 3,5 м. Состояние и длина отверстия сильно влияют на скорость. В работе отверстие полностью заполнено огнеупорной массой (taphole mass).

Проблемы при отливке

Частые причины трудностей: (1) дефекты грязезакачек/буров или неверная их установка к отверстию, (2) плохое состояние отверстия, разливной гула, скимера, затворе, наклоняющихся/качающихся жолобов, (3) недостаточная вместимость ковшей для чугуна, (4) проблемы грануляции шлака или нехватка места в шламовой яме.

График и процедура отливки

График зависит от объемов чугуна/шлака, размера горна, скорости отливки, подготовительных операций между отливками. Перед отливкой проверяют отверстие, исправность, позицию и выравнивание грязезакачки и бура (корректируют при необходимости). Преимущество — финальная проверка на дефекты/регулировки, не замеченные ранее.

Открывают отверстие бурами определенного диаметра по условиям, иногда последнюю часть пробки забивают. Если буровой канал короток — доковывают кислородной ланцой с предосторожностями.

Отливка может быть нарушена, если струя чугуна попадает в мокрые жолобы — кипение с взрывами. Обязательны минутные проверки и тщательная сушка желобов, иначе кипение прерывает отливку. Причина держать эвакуационные выходы свободными.

Прерывание отливки в процессе требует макс. мощности грязезакачки (пробка против полного напора металла). Иногда снижают дутье и верхое давление для пробки. Быстрые импровизированные ремонты поврежденных жолобов сухим материалом.

Если грязезакачку отводят от отверстия слишком рано, пробочная масса может выброситься с взрывом (не успела застыть). Операторы должны быть за пределами «линии огня».

Шлаковый поток в начале отливки тоже вызывает сбои. Оператор корректирует зону отверстия и жолоба, направляя шлак в шлаковые жолобы. Причина иметь свободное пространство перед отверстием по обе стороны от железного жолоба — максимально возможное.

Главная задача оператора при нормальной отливке — плавный безинцидентный слив чугуна и шлака в транспортные ковши/соседние установки. Размеры и уклоны жолобов должны соответствовать другим техническим параметрам ДП. Возможен застой/перелив — требует немедленных действий. Инструменты должны быть сухими — вода мгновенно испаряется → взрыв.

Важно тщательно проверять состояние отверстий слива в ковши — твердые включения могут забить затворы с малым сечением.

Отверстие может забиться (коксом) при отливке. Обычно буром выбивают, если не выходит — длинными прутьями (rabbles). Опасно: внезапные выбросы чугуна/шлака. Операторы должны иметь немедленный доступ к свободному аварийному выходу.

Максимальная осторожность при строительстве шлаковых жолобов. Заслонки должны удерживать чугун и кокс, уносимый шлаком, минимизируя риск взрывов при грануляции.

Одна из важнейших задач операторов — контроль наполнения ковшей чугуном, чтобы не превысить уровень возможного пролива при транспорте или перелива при наполнении. Ковши наполняют последовательно, оператор направляет поток в нужные каналы. Наклоняющиеся и качающиеся жолоба/гулы минимизируют риск влаги в огнеупоре (выше при обычных затворах, так как облицовка обновляется после каждой отливки).

К концу отливки поток чугуна становится нерегулярным, сопровождается сильным пробоем воздуха, явления усиливаются при опустошении горна. Чугун и шлак брызгают, могут покрыть весь разливной цех. Чтобы избежать — заглушают отверстие максимально быстро. Оператор подводит грязезакачку и забивает правильным объемом пробочной глины.