Эффективная подготовка и зарядка шихты доменной печи для стабильной работы

Доменная печь (ДП), за исключением вены, представляет собой канал, где газы и частицы шихты движутся в противоположных направления. Основное требование стабильной работы — поддержание движущегося слоя шихты без существенных флуктуаций: формирование стабильного газового потока и структуры слоя шихты без смешения. Они тесно связаны: стабильность газового потока зависит почти полностью от проницаемости шихты, определяемой упаковочной структурой (размер частиц, их распределение, доля мелкой фракции) и поведением спуска шихты (твердофазный поток).

Физика процессов в доменной печи

Процесс в ДП — сложная 4-фазная система (твердые, газы, жидкости, порошки) с противопоточными, сопутствующими и перекрестными течениями. Взаимодействие фаз локализовано в пяти зонах (рис. 1):

1. Кусковая зона
2. Срастающая (когезная) зона
3. Зона активного кокса
4. Зона горения (рассека)
5. Мертвая зона (центр вены)

Рис. 1 Зоны доменной печи

Выделяют четыре типа твердофазного потока:

• Поршневой — равномерный спуск от уровня загрузки до когезной зоны;
• Застойный (мертвая зона) — дисконтинуум частично реакционировавшего кокса в центре вены;
• Частично застойный — медленное движение кокса рядом с мертвой зоной;
• Сходящийся — вокруг рассеки с вариацией скоростей частиц.

Механизм спуска включает исчезновение руды/кокса реакциями/плавлением/сгоранием, движение частиц у верха и у стенки, инфильтрацию мелкой фракции в грубую. На спуск влияют: состояние сырья (размер, прочность, распределение — коэф. руда/кокс), состояние рассеки (впрыск топлива), профиль внутренней стенки.

Требования к шихте и оптимизация зарядки

Работа ДП чувствительна к профилированию, гранулометрическому составу и факторам производительности. Необходима оптимизация распределения твердой шихты (руда, кокс, флюсы) на уровне загрузки для контроля внутреннего состояния печи.

Шихта должна обеспечивать механическую прочность и проницаемость для прохождения восстановительного газа в шахте. Раннее дробление недопустимо — фракция мешает газовому потоку, снижая эффективность. Мелкая шихта в ДП недопустима.

Спуск шихты, химические реакции, тепловые профили и движение жидкостей в зонах оптимизируют для макс. производительности и стабильности. Достигается через оптимизацию внутрипечных процессов и периферийных операций: тщательный контроль физ.-хим. свойств и распределения частиц сырья. Внутрипечные процессы (физ. изменения, хим. реакции заряженных материалов) и периферийные операции (складирование, рекламация, транспортировка, хранение, разгрузка, конвейеризация, зарядка) — перекрывающиеся функции, неразрывно связанные в цепочке ДП.

Классификация зарядных материалов как сыпучих тел

Руда, кокс, флюсы — сыпучие твердые тела (дискретные частицы в контакте). Их внутренняя структура эволюционна. По классификации (табл. 1) заряд ДП — разломанное/дисконтинуальное твердое тело.

Табл. 1 Качественная классификация размера сыпучих тел
№	Диапазон, мм	Компонент	Объемный термин
1	< 0,1	Частица	Порошок
2	0,1 – 1	Гранула	Гранулярное твердое тело
3	1 – 3	Зерно	Разломанное твердое тело
4	≥ 3	Кусок	Разломанное твердое тело

Обработка сыпучих тел ставит задачу сохранения однородности. Смешивание (целевое или случайное) неизбежно ведет к естественному разделению компонентов — сегрегации (демикшированию). Сегрегация может быть полезной (физические разделения) или вредной (процессы смешивания) в зависимости от цели.

Теоретические аспекты обработки материалов шихты

Шихта: кокс, синтер, пеллеты, КРУ (калиброванная руда), известняк, доломит, марганцевая руда, кварцит. Процесс ДП крайне чувствителен к размеру, распределению и прочности материалов. Распределение влияет на газообмен, хим. кинетику, тепло-/массообмен. Прочность критична: нагрузка растет при спуске, реакции при высоких T и P вызывают атрицию и ломку.

Кокс — несущая структура, единственный материал, доходящий до вени с частичными реакциями. Составляет большую долю стоимости чугуна. Тенденция замены кокса дешевыми углеродными источниками: впрыск пылеуголь (PCI). Но есть теоретический предел: недостаток кокса → падение проницаемости → захлеб/подвес шихты → скольжение шихты.

Состав шихты определяет впечные параметры: температуры плавления, размягчения, параметры восстановления. Неоптимальное распределение ухудшает produkcю. Типичные размеры шихты — табл. 2.

Табл. 2 Типичные размеры материалов шихты ДП
№	Материал	Мин, мм	Макс, мм
1	Кокс ДП	25	50
2	КРУ	10	30
3	Синтер	5	30
4	Железорудные пеллеты	8	20
5	Известняк	10	40
6	Доломит	10	40
7	Марганцевая руда	10	40
8	Кварцит	10	40
9	Ореховый кокс	10	25

Поведение сыпучих материалов: течения и сегрегация

Физика гранулярных течений кажется простой, но демонстрирует сложное поведение. Сложность усугубляется отсутствием прямых данных о смешении/сегрегации. Из-за крупных размеров и широкого распределения сегрегация — серьезная проблема, которую нужно минимизировать.

Фундаментальное понимание поведения сыпучих материалов

Несмотря на историю порошковой механики (XIX в.), понимание остается неполным из-за уникальной физики течения. Сыпучие материалы проявляют способность макроскопической смеси к демикшированию за счет индивидуальных свойств частиц — склонность к саморганизации и формированию структур, напоминая жидкости.

В отличие от обычной материи, где динамика зависит от температуры, в сыпучих телах этот эффект пренебрежим. Хаотическая адвекция/смешивание (типичные для жидкостей) отвечают за саморганизацию, а потоковую сегрегацию не имеют в жидкостях.

Макроповедение управляется микроконтактами и трением частиц. Для заряда ДП (>5 мм) поверхностные силы (электростатические, Ван-дер-Ваальса, капиллярные) пренебрежимы. Течение соответствует некогезивным твердым телам (когезия типична для супермелких порошков <10 мкм).

Классификация течений сыпучих материалов

Поток классифицируют по компонентам (группы частиц с одинаковыми физ. свойствами: размер, плотность, форма). Структура потока сложна, зависит от взаимодействий частиц, внешних воздействий и граничных условий. Единого универсального метода описания нет. В зависимости от времени контакта частиц выделяют типы течений.

Гранулярное течение показывает переменное число метастабильных неустойчивых состояний, сохраняющихся бесконечно без внешних возмущений (вибраций). Устойчивость зависит от времени контакта частиц и границ, т.е. от объемной доли твердой фазы. Течения делят на:

• Разреженные (dilute)
• Плотные (dense, контактно-доминантные)

Плотные подразделяют на:

• Столкновительно-доминантные (collision-dominated)
• Контактно-доминантные (contact-dominated)

В разреженных доминантны газодинамические силы (подъем/сопротивление). В плотных — столкновения частиц или непрерывный контакт. Схема классификации — рис. 2. Разреженные: циклоны,-fluidized bed, бункерные течения ДП. Плотные — типичны для ДП при разгрузке, хранении, транспорте.

Рис. 2 Классификация течений сыпучих материалов

Два режима плотных течений

Общая черта — структурная прогрессия по длине и времени, ведущая к формированию образов за счет реориентации частиц. Ориентация движется промежуточными структурами. Микромасштаб (частица) отделен от макро/континуального промежуточным масштабом. Понимание сложных взаимодействий гранулярных сборок критично для квантификации сегрегации. Нужна связь макроповедения (объемного) с микродинамикой (дискретной).

Столкновительно-доминантные течения

Рассеянные, энергичные, частицы взаимодействуют мгновенными бинарными столкновениями. Инерционные эффекты пренебрежимы. Столкновения неупруги, энергия диссипируется. Нужен источник работы для поддержания «текучести». Из-за диссипации наблюдаются кластеризация и волны плотности (частицы текут в областях с отклоняющейся скоростью).

Контактно-доминантные течения

Столкновения сильно коррелированы, не бинарны/мгновенны, а длительные и множественные. Характеристики: критическое сдвиговое напряжение, ниже которого течения нет, и сложная зависимость от скорости сдвига при течении. Требуют вязко-пластиковых конstitutive уравнений. Параметр «число инерции» (скорость сдвига × √(масса частицы/давление)) — надежная формулировка для воспроизведения вязко-пластиковых характеристик.

Смешение и сегрегация гранулярных материалов

Обработка сложна, когда нужна однородность — естественная тенденция к сегрегации (демикшированию), особенно при большой разнице размеров. В отличие от жидкостей, где смешение → однородность, в гранулярных потоках длительное смешение → сегрегация (зеркальный эффект). Для шихты ДП, проходящей многократную обработку, смешение полезно рассматривать как «тихий признак».

Естественный порядок — сегрегация/отклонение от равномерности. В зависимости от состояния системы (зарядка, хранение, разгрузка, транспорт) действуют разные механизмы. Главные драйверы: разница размеров, плотностей, микросвойств (трение, коэф. реституции, угол естественного насыпания). Размер частиц — самый важный фактор.

Механизмы сегрегации гранулярных материалов

Для минимизации сегрегации предложено 13 механизмов, но большинство — частные/перекрывающиеся случаи. Упрощены до 5 основных. Флюидизация и аггломерация (мелкие/когезивные частицы) не применимы к заряду ДП. Остальные три — для зарядки, хранения, разгрузки, транспорта:

Перколяция (динамическое просеивание)

При взаимодействии частиц с распределением размеров (например, в бункере) происходит спонтанная консолидация: мелкие частицы просеивают вниз через межчастичные промежутки крупных. При течении гранулярный зазор расширяется, образуются промежутки. Мелкие частицы проникают под крупные, обратное маловероятно → чистый сегрегационный поток мелких вниз от свободной поверхности. На стационарном состоянии: нижний слой обогащен мелкой фракцией. Рис. 3.

Рис. 3 Схема перколяционного механизма сегрегации

В бинарной системе с диаметрами d1, d2 (d2 > d1) спонтанное просеивание при d1/d2 ≤ 0,1547. Критическое отношение использовалось для модели сегрегации в желобном потоке.

Перколяция усиливается сдвигом от вибрации (вибросита) — даже крупные/тяжелые частицы мигрируют вверх. Для перколяции нужны: (i) критические размерные отношения, (ii) мелкие частицы некогезивны, (iii) достаточно деформации/движения для ориентации мелких частиц к множественным промежуткам.

Траекторный механизм

Наблюдается в точках пересыпки: наполнение бункеров, разгрузка из бункеров, концы конвейеров (рис. 4). Разные размеры движутся с разными скоростями из-за разного трения → сегрегация. Математическое объяснение: частицы бросаются горизонтально в жидкость. Для малой частицы (диаметр d, плотность Dp, закон Стокса) макс. дальность X = Dp·Vi·(Dp)²/18·Vf. Для заряда ДП (сопротивление пренебрежимо) — безразмерное уравнение траектории: y/x = tan A – [g/2(cos A)²]·x/Vi. Траектория независима от размера/массы, зависит от случайной начальной скорости свободного падения.

Рис. 4 Схема траекторного механизма сегрегации

Механизм разницы микросвойств

Три эффекта: (i) трение, (ii) коэф. реституции, (iii) угол естественного насыпания.

Трение: два компонента с разным коэф. скольжения F сегрегируют. Сфера массой m на высоте h, коэф. скольжения Fs, качения Fr, радиус r, скатывается по наклону углом A. Из сохранения энергии: путь X = (h/Fs)·(cos A)²·(1–Fs/tan A) (скольжение) и X = (r·h/Fr)·(cos A)²·(1–Fr/r·tan A) (качение). При качении путь зависит от диаметра → сегрегация. При скольжении — независим от размера/массы.

Рис. 5 Схема движения частицы на наклонной границе

Коэф. реституции: динамический эффект. При ударе о границы частицы отскакивают с разными скоростями, финальная позиция определяется упругостью. Пример: засыпка в бункер/на кучу. Малоупругие частицы застревают в точке удара, упругие — отскакивают к периферии.

Угол естественного насыпания: при насыпке кучи угол склона зависит от материала, не от числа частиц. Осевая сегрегация в вращающихся барабанах зависит от статического/динамического угла насыпания. Механизм смешанный — зависит от размера, распределения, формы, трения.

Классификация сегрегации гранулярных материалов

По переменным процесса: (i) физ. свойства (размер, плотность, форма), (ii) энергоподача (вибрация, гравитация, сдвиг), (iii) ориентация движения (горизонтальная, вертикальная), (iv) оборудование (бункер, желоб, конвейер).

Наиболее распространен — по механизму возникновения. Сегрегация — поверхностный феномен: механизмы независимы от частиц ниже поверхностного слоя. Учитывают поведение движущейся поверхности. Общий механизм — комбинация взаимодействующих механизмов. Просеивание — частный случай перколяции и миграции/смещения (общий принцип: мелкие фильтруют вниз относительно крупных).

Квантификация сегрегации

Несмотря на понимание механизмов, нужно перейти от избегания к контролю. Требуются точные качественные/количественные методы измерения, особенно для шихты ДП с многократной обработкой. Полное описание распределения частиц — нетривиальная задача. Но для точной зарядки печи необходимы знания распределения и квантификация смешения/сегрегации.

Индексы измерения сегрегации

Сегрегация — фракция сложного потока. Непрозрачность гранулярного потока затрудняет извлечение данных. Теоретические формулировки в математическом моделировании облегчают характеристику. Квантификация важна — включение взаимосвязей факторов сегрегации и уравнений движения частиц. Предложено несколько индексов качества смешения (как меры сегрегации) — в статистических или безразмерных терминах. Общий — относительное стандартное отклонение (RSD), учитывает однокомпонентную систему. RSD — отражает промышленную макросостояние смешения.

Метрики смешения/сегрегации — основа индексов. Используют групповую выборку и меру дисперсии. Недостаток — усреднение по области измерения, упуская вариацию распределения частица-к-частице. В классических концепциях сегрегация определена как поверхностный феномен.

Разные формы оборудования, режимы, свойства материалов коррелируют со смешением/сегрегацией. Вызов — унифицированная методология, описывающая динамику смешения и решающая сегрегацию. Новый подход — характеристика эволюции частица-к-частице отношений в сырье зарядной системе для оценки смешения/сегрегации во времени и пространстве. Опорная идея: некоторые аспекты отношения частицы к ближайшим соседям дают инсайты в эволюцию частичной динамики.

Механистические модели сегрегации гранулярных течений

Кинетика сегрегации обычно в математической статистике и вероятности. Ограничение: исключается абсолютное отражение физической природы и направление сегрегации. Знания эмпиричны. Первая попытка механистических моделей с полной физикой демикширования в реальных гранулярных системах — применение кинетических теорий смесей гранулярных материалов для изучения сегрегации по перколяции. Комбинация статистики и размерностного анализа: формулировки верны для пренебрежимых длительных трения контактов при высоких скоростях сдвига (доминантные вклады в напряжения — столкновения частица-частица и частица-граница). В желобном потоке с высокой объемной долей твердой фазы — высокая вероятность малых пустот → мелкие частицы просеиваются и собираются у основания. Чистый сегрегационный поток мелких нормально к поверхности желоба.

Механистические модели дают физ. понимание, но коэффициенты дисперсии не малы и не устанавливаются этими моделями. Предложено смешанное статистическое/механическое взаимодействие на базе кинетической теории плотных газов — общее понимание причин сегрегации.

Кластеризация при демпфировании гранулярного течения (потеря энергии при столкновениях). Неравномерное изменение скорости/движения → кластеры. Предложены конститутивные уравнения на базе кинетической теории столкновительных быстрых течений. Применение кинетической теории к анализу гранулярной сегрегации возможно только для неупругих частиц разного размера при низких объемных долях. Ограничение: типичные системы — контактно-доминантные с высокими объемными долями. Теория полезнее при наличии конститутивных уравнений для неупругих, разногабаритных частиц при высоких объемных долях.

Гранулярное течение — зеркальное отражение смешения/сегрегации: длительное смешение → сегрегация. Концентрационные градиенты → смешение; градиенты давления и температуры → сегрегация в системах с распределением размеров и плотностей.

Теоретические аспекты дают компактный фон: гранулярное течение, поверхностная сегрегация, механизмы, теоретические подходы. Хранение, обработка, транспорт шихты ДП подвержены сегрегации. Например, синтер имеет больше в-бункерной сегрегации по размеру и больше вариации на выходе из бункера, чем кокс.

Зарядная система доменной печи

Зарядная система ДП — сеть оборудования и механизмов для зарядки материалов в определенной последовательности, количестве и скорости для поддержания заданной производительности и уровня загрузки. Состоит из трех подсистем:

1. Дозирование (батчинг) — в сырьевом дворе (сток-хаусе): прием сырья со складов, синтерного цеха, коксовых печей, хранение в отдельных бункерах (несколько часов запаса). Экраны, весовые бункеры, конвейеры, дозаторы, системы управления для подготовки партий.
2. Транспортировка — доставка к верху печи: ленточные конвейеры или ковшовые подъемники.
3. Зарядка и контроль — сеть оборудования для зарядки в печь.

Общая система взаимосвязана и управляется автоматизированной зарядной программой.

Производительность может быть ограничена мощностью дозирования (сток-хаус) из-за транзиентных изменений потока сырья, настроек оборудования, соотношений шихты. Источник транзиентов — смена материалов в бункерах («сток-транзишенс»): использование рекламированного сырья (складской кокс/синтер вместо свежего) меняет работу печи. Нужен учет и трекинг материалов для оптимального управления шихтой и дутьем.

Важная особенность — смешение и сегрегация заряда. Точное взвешивание нескольких материалов в одном бункере требует последовательной подачи. При разгрузке весового бункера материалы неизбежно перемешиваются, давая временно переменный состав потока. Критична точность временно переменного состава для оценки радиального распределения химии и физ. свойств заряда.

Многостадийная обработка требует большего контроля для высокой продуктивности и стабильности. Дозирование и транспортировка — ключевые фокусы оператора. Оператор должен точно отслеживать материалы до зарядной системы.

Автоматизированная зарядная программа координируется дискретными событиями. Раньше ДП были малы — теоретическое количество кокса определяло зарядку, оптимум — полные ковши кокса. Современные крупные ДП: контрольный фактор — общий вес ковша, можно работать полными ковшами желесносящей части. Огромные ковши → вызовы проектированию ковшовой зарядки. Современные печи оснащены ленточной зарядкой: сток-хаус с конвейерной транспортировкой к бесколокольниковой верхушке (BLT).

Система зарядки BLT (Bell-Less Top)

Материал конвейером к BLT, заряжается в верхние бункеры печи (наемно используются). Пока один наполняется, другой разгружается. Весовые бункеры и бункеры материала работают по одному принципу. Далее — поведение частиц при конвейеризации, промежуточном хранении (бункеры, весовые бункеры) и разгрузке (желоб/свободное падение).

Поведение частиц на ленточном конвейере

Гранулярный материал с вариацией размеров и плотностей сегрегирует. Детали транспортировки ограничены. Сегрегация на конвейере трудна для объяснения без упрощений. Система определяется массовым расходом и скоростью ленты (развитие слойчатого ложа). Оперативные механизмы сегрегации устанавливаются только при хорошем определении системы. Рис. 6 — схема сегрегации по размеру в точке пересыпки движущейся ленты.

Рис. 6 Схема сегрегации частиц в точке пересыпки движущейся ленточного конвейера

Четыре основных механизма сегрегации на конвейере: (i) перколяция, (ii) миграция частиц, (iii) траектория, (iv) свободная поверхность.

Поведение частиц в бункерах и весовых бункерах

Используются для хранения и разгрузки к следующему этапу. Имеют: (i) механизм наполнения, (ii) время удержания, (iii) зону разгрузки. Все три этапа влияют на поведение при разгрузке. Желателен пропорциональный отток. Но гравитационный отток трудно контролировать, внутренние сдвиг и динамика вызывают сегрегацию.

Основные механизмы в бункерах: свободная поверхность (при наполнении), перколяция (при удержании), траектория (при разгрузке). Важны размер частиц и геометрия границ при опорожнении.

Исследование влияния внутреннего угла бункера на гранулярное течение (цифровая PIV-велоциметрия) выявило существенные препятствия свободному течению для некогезивных тел. Эмпирическое правило: чтобы избежать механической арки (зацепки частиц), отношение Do/dp(max) = 5–10. Do — диаметр выходного отверстия, dp(max) — макс. диаметр частицы. Безразмерное число, зависящее от угла насыпания и распределения размеров.

Другое исследование: для точного захвата реологии течения нужно минимум 8 элементов по ширине любого устройства обработки сыпучих материалов. Т.е. макс. размер фракции ≤ 1/8 ширины выходного отверстия бункера/конвейера/устройства.

Поведение частиц в желобном потоке

Желобный поток — общая черта сток-хауса и BLT. При BLT (приемная система, бункеры, вращающийся желоб-дистрибутор) важность выросла. Принципы те же, что в сток-хаусе.

Желобной поток характеризуют тремя этапами (рис. 7): (i) движение до желоба, (ii) на желобе, (iii) после желоба. Три классификации течения, разные подходы к изучению. До желоба — разреженное течение, столкновения игнорируемы. На желобе — матем. описание с скоростной составляющей как начальной. На кончике желоба — траектория определяет точку удара, рассеяние и распределение в последующем оборудовании. Механизмы сегрегации конвейеров применимы и к желобу. Выделяют три потока: ядро между нижним и поверхностным. Главная сила — гравитация.

Рис. 7 Схема гранулярного потока в желобе

Знание сегрегации заряда полезно для понимания пропорционирования заряда (аспект интенсификации ДП). Но интенсификация требует оптимизации мощности зарядной системы, так как производительность может быть ограничена мощностью сток-хауса. Нужно адресовать и оптимизировать многостадийные операции в цепочке продукта.

Анализ мощности зарядной системы

Работа зарядной системы так же критична, как проектирование ДП. Схема типичной современной системы с ленточной доставкой — рис. 8. Последовательность потока материала сложна.

Рис. 8 Типичная зарядная система современной доменной печи с зарядным конвейером

Для высокой продуктивности проектирование требует: операционной гибкости, резерва зарядной способности, высокой эффективности грохочения, минимизации операций наполнения/разгрузки/пересыпки (вызывают сегрегацию). Важный путь к эффективности — полное использование возможностей зарядной системы. Если сток-хаус не оптимален и доставка шихты не достигнута — голодание ДП из-за отсутствия шихты → потеря продуктивности.

На рис. 8 множество единичных операций в сток-хаусе, каскадно влияющих на выход к BLT. Для понимания макроповедения и производительности системы нужна эффективная комплексна модель салиентных элементов и их связей. Технически — описание этапов обработки, требований к материалам, длительности и последовательности операций. Для сложных систем как сток-хаус — огромная задача. Используют: инженерное суждение, опыт аналогичных процессов, разумные допущения для входных данных модели и проектирования сток-хауса.

Моделирование оптимизации зарядной системы ДП

Зарядная система — многопересыпковое движение материалов. Главная проблема — своевременное выполнение требований и внезапные изменения процесса. Для оптимизации используют симуляцию. Компьютерные симуляторы (CAD-процессные) моделируют транзиентные и непрерывные процессы, но зарядка ДП — пакетный/полунепрерывный процесс. Два варианта: таблицы (Excel) и дискретно-событийная симуляция (DES).

Табличные модели (Excel): фокус на материальных балансах, размеровании оборудования, стоимости. Разработка — обширный VBA-код (макросы/подпрограммы). Простые для построения, подходят для простых систем, но неробастны и громоздки для больших/сложных.

DES (Discrete Event Simulation): математическая/логическая модель физ. системы, изображающая смены состояния в точных моментах смоделированного времени. Природа смены и время требуют точного описания. Главная черта успешного DES — априорное требование точных деталей системы и прерываний. DES статистически учитывает простоя и события. Модули создаются и повторно используются, множественные сорта/изменения входа легко обрабатываются. Поэтому DES обычно выбирают для зарядной системы ДП.

Цилограммный анализ: скромная техника DES, часто использовалась для оптимизации зарядных систем. Концепция — минимизация функции общего времени цикла зарядки (start-end). Время доставки определяется порядком активации механизмов, длительностью последовательностей и интервалами между операциями. Минимум длительности цикла — при отсутствии пауз между циклами отдельных механизмов и эффективной последовательности активации.

Цилограммы сложно адаптировать к реальным изменениям входных условий. Структура исключает детальную включенность микросистемных переменных (поведение разгрузки, сегрегационные тенденции). Из-за слабостей циклограмм, DES-модель доставки зарядных материалов на базе математической/логической репрезентации — лучший выбор для оптимизации сток-хауса ДП.