автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Научные основы и практика решения проблем топлива и форсировки плавки рационализацией динамики газа в доменных печах

ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи ДОНСКОВ Евгений Гаврилович

НАУЧ1ШЕ ОСНОВЫ И ПРАКТИКА РИНЕНИЯ , ПРОБЛЕМ ТОПЛИВА И ФОРСИРОВКИ ПЛАВКИ РАЦИОНАЛИЗАЦИЕЙ ДННАМНКИ ГАЗА В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ

Специальность 05.16.02 "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ДН^ТРСШЛТЖК - 1993

Работа Ецполнона в Днепропетровском ордена Трудового Красного Знамени металлургическом институте

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Иванов А.И. Доктор технических наук, профессор Логянов В.И. доктор технических наук, профессор Тарасов В.П.

Бедующее предприятие-

Зэпорокский металлургический комбинат "Ззпорожсталь" им. С. Орджоникидзе .

Защита диссертации состоится " " ^ % 199 ^г. на заседании специализированного сойота Д 068.02.02 при Днепропетровском ордена Трудового Красного Знамени металлургическом ипституто ( 320С35, г. Днепропотронск, проспект Гагарина, 4 ).

С диссертацией можно ознакомиться и библиотеке института. /л _

Автореферат разослан " _£_ " /р ) <у 1дд<3 г>

Учений секретарь специализированного совета

профессор

доктор технических наук, / ■

В. К. ЦАЛКО

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем». Важнейшей задачей современного промышленного производства является повышение его экономической эффективности и, прежде всего, на основе сокращения расхода энергоносителей, стоимость которых на мировом рынке неуклонно возрастает. Для черной металлургии Украины это имеет особое значение еще и по причине намечающегося истощения природных запасов топлива. Применительно к доменному производству задача конкретизируется е направлении дальнейшего снижения расхода кокса при выплавке чугуна, а также повышения отдачи от используемых заменителей кокса и сокращения расхода энергии на интенсификацию плавки за счет повышения эффективности применяемых интенси-фикаторов. Решение обозначенной проблемы представляется весьма актуальным также в связи с необходимостью оздоровления экологической обстановки в промышленных районах республики.

Перечисленным задачам соответствует наращивание выплавки чугуна и улучшение экономических показателей работы современных печей на существующих мощностях за счет вскрытия и реализации резервов доменного производства. Достаточным свидетельством наличия таких резервов является весьма существенное различие показателей плавки по расходу топлива и производительности печей при их работе в одинаковых шихтовых и дутьевых условиях.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию возможностей сокращения расхода топлива и интенсификации плавки при выплавке чугуна повышениями нагрузки на кокс и расхода дутья на основе рационализации газо-дутьевог'о режима работы печей и совершенствования распределения материалов на колошнике. С учетом изложенного это является крупной народно-хозяйственной проблемой. Уровень развития теории доменной плавки позволяет провести квалификационный анализ состояния вопроса и, в наиболее общем виде, определяет возможность решения проблемы, однако требует уточнения представлений по ряду позиций, связанных с потребностями в углероде процессов восстановления и теплообмена, газораспределением в горне и механикой фурменных зон горения, закономерностями формирования профиля засыпи материалов и др.

В связи с многообразием факторов, определяющих технические

и экономические показатели домен'-'о« плавки, в работе применен комплексный подход, включающий разработку методик расчета, решение на их основе задач анализа, позволяющих раскрыть основные закономерности влияния мер "снизу" и "сверху" во взаимосвязи на процессы газодинамики, тепло- и массообмена в доменных печах, проведение комплекса экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях, а также опытно-промышленные испытания предложенных решений. Натурные экспериментальные исследования проведены на доменных печах объемом 1033-5000 м3, работающих в различных шихтовых и газо-дутьеЕЫХ условиях.

Целью работы является поиск, теоретическое обоснование и разработка технологических приемов ведения плавки и средств воздействия на ход печей, обеспечивающих улучшение условий динамики газа и, на этой основе, повышение эффективности работы углерода в тепло- и массообменных процессах.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

1) анализа путей развития и современного состояния технологии доменной плавки, включая определение уровня реализации традиционных мероприятий по совершенствованию технико-экономических показателей работы печей, а также возможностей практической реализации новых технологических разработок и резервов выплавки чугуна;

2) анализа перспектив, определения условий, теоретического обоснования и разработки наиболее актуальных направлений реализации технологических резервов доменного производства по снижению расхода кокса и повышению интенсивности плавки, применительно к печам Украины;

3) разработки, теоретического и экспериментального обоснования, а также опытно-промышленной проверки конкретных технологических мер по освоению указанных направлений на практике.

Научной новизной обладают и на защиту выносятся следующие разработки автора:

А. Методика и результаты анализа перспектив знижения расхода кокса в доменном процессе с позиции раздельного учета влияния потребностей плавки в углероде как восстановителе а как поставщике тепла, в том числе:

- обоснование показателей дош оценки обозначенных потреб-

- ь -

постой и вывод уравнений их связой с условиями плавки;

- вывод уравнений связей и результаты исследований особенностей влияния потребностей в углероде-восстановителе и углероде-источнике тепла на степень прямого восстановления железа и расход кокса;

- уточнение роли степени прямого восстановления железа в доменном процессе как координатора и синхронизатора расходов углерода в процессах восстановления и теплопотребления, с помощью которого при снижении потребности в углероде-источнике тепла сокращается его расход в процессах восстановления и наоборот;

- методы и результаты оценки коэффициента полезного действия углерода в процессах восстановления и теплопотребления, раскрытие физической сущности еысокой эффективности мероприятий по снижению теплопотребности высокотемпературной зоны;

- определение эффективных направлений сокращения расхода кокса и интенсификации доменной плавки в современных условиях и обоснование возможностей их реализации на основе совершенствования газораспределения в горне.

Б. Методика и результаты использования закона сохранения энергии душ анализа влияния параметров воздушных фурм и газодинамического режима плавки на образование и размеры зон горения ( циркуляции ), а также газораспределение в горне доменных печей, в том числе:

- анализ факторов, определяющих работу потока дутья и размеры зон горения в изотермических условиях, и обоснование влияния энергии давления сжатого газа на механические процессы у фурм;

- уточнение влияния начального диаметра струи ( фурм ) с помощью методики Г.Н. Абрамовича;

- вывод уравнений и результаты анализа влияния параметров фурм и дутья, а также процессов горения на работу потока по образованию зон циркуляции в неизотермических условиях действующих печей;

- обоснование рационального показателя для оценки работоспособности струи дутья в механических процессах у фурм;

В. Результаты исследований путей совершенствования структуры столба шихты в доменной печи на основе повышения газопро-

ницаемости слоя железорудных материалов и рационализации распределения шихты на колошнике, в том числе:

- уточнение газодинамических характеристик агломерата и окатышей и заключение о возможности повышения газопроницаемости слоя полифракционного агломерата при добавлении к нему окатышей, а также детальное изучение поведения смесей агломерата с окатышами под действием статических, ударных и истирающих нагрузок в холодном состоянии и при восстановительно-тепловой обработке;

- методика и результаты аналитических и экспериментальных-исследований по уточнению закономерностей формирования профиля засыпи при загрузке доменных печей типовыми засыпными аппаратами;

- разработка и обоснование технологических преимуществ, применительно к бесконусным загрузочным устройствам, принципиально нового способа вращения распределительного желоба - планетарного.

Г. Результаты экспериментальных исследований влияния количества и диаметра воздушных фурм на потери давления при продувке столба сыпучих материалов в шахтных печах.

Практическое значение работы состоит во всестороннем обосновании, опытно-промышленных испытаниях и частичном осуществлении .на доменных печах Украины метода снижения расхода кокса при одновременном повышении интенсивности плавки реализуемого за счет сокращения потребности в высокотемпературном тепле на основе совершенствования газораспределения в горнё и, в частности, в:

- разработке, обосновании и практическом осуществлении ра--ционального газодинамического режима плавки, включающего увеличение на современных печах количества и диаметра воздушных фурм;

- обосновании влияния общего перепада статического давления ■ газа в доменных печах на газораспределение в горне;

- формулировке и обосновании принципа использования интен-сификаторов плавки, обеспечивающего сохранение неизменным газо- . распределения в горне; ,

- разработке, теоретическом и экспериментальном обосновании комплекса мер по совершенствованию газораспределения одновременно по радиусу и окружности горна;

- разработке и практическом осуществлении мер по повышению

газопронидаомости олол жплпзорудшгх матпришпн" на оонопо омоши-вания агломерата с окатышами в процессе загрузки, а также режимов загрузки, обеспечивающих совершенствование распределения материалов по радиусу и окружности колошника при работе на типовом оборудовании;

- разработке предложений по совершенствованию распределительного узла на современных БЗУ типа "воронка-склиз" и по созданию отечественного бесконусного загрузочного устройства доменных печей с распределителем шихты нового поколения.

Реализация результатов работы. На доменных печах комбината "Криворожсталь" внедрены или в различное время с положительным эффектом использовались следующие разработки и рекомендации настоящей диссертации:

- увеличение против проектного количества воздушных фурм на доменных печах №№4 и 6-9;

- увеличение до 0,19 м диаметра воздушных фурм на доменных печах ЖЕ и 4-8 ( в 1973-1978 годах ); на д.п. №8 испытаны с экономическим эффектом 71 тыс. рублей фурмы диаметром 0,21 м;

- режим загрузки, включающий смешивание окатышей с агломератом перед подачей в печь на доменных печах М1-4 и 9; экономическая эффективность по печам М1-4 - 144,5 тыс. руб. в год;

- режим загрузки, включающий набор двух скипов шихтовых материалов на малый конус на доменных печах Ж, 5, 7, 8; экономическая эффективность - 58,197 тыс. руб. в год;

- режим загрузки, включающий уменьшение до 6 количества станций работы вращающегося распределителя шихты на доменных печах М1-3, 5, 7, 8; экономическая эффективность - 51,295 тыс. руб. в год;

- режим загрузки, включающий рациональный порядок циклования прямых и обратных подач на доменной печи экономическая эффективность - 22,541 тыс. руб. в год;

- питатели вибрационные для дозирования агломерата, окатышей и кокса на доменной печи ЖЭ в количестве 14 шт.; экономическая эффективность - 46 тыс. руб. в год на I питатель;

- грохоты агломерата с пространственными колебаниями на доменных печах Ш5-8 в количестве 4 шт.; экономическая эффектин -ность - 33,6 тыс. руб. в год на I грохот;

- проходят стадию опытно-промышленных испытаний модернизи-

_ о -

ровалные загрузочные устройства на домеинцх печах №1 и 4.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуздены на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Проблемы автоматизированного управления доменным производством" ( Киев, 1971 и 1983 гг. ); Республиканском совещании "Пути снижения расхода кокса" в г. Днепропетровске в 1982 г.; Всесоюзных научно-технических конференциях "Теория и практика современного доменного производства" и "Теория и технология подготовки сырья к доменной плавке" в г. Днепропетровске в 1983 и 1985 годах; научно-технической конференции "Работа фурменной зоны доменных печей" и Всесоюзной научно-технической конференции "Моделирование процессов в шахтных и доменных печах" в г. Свердловске в 1985 и 1988 годах; научно-технических конференциях "Создание и совершенствование энергосберегающих технологий в пирометаллургии" и "Пути улучшения газодинамики металлургических шихт" в г. Караганде в 1988 и 1990 годах, а также на научных семинарах кафедр металлургии чугуна ДМетИ и ДИИ, РТП МИСиС и отдела металлургии чугуна ИЧМ.

I Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 39 статьях и 10 авторских свидетельствах на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения, списка использованных источников из 353 наименований и приложения.. Работа изложена на 350 листах машинописного текста, включая 49 рисунков и 32 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Развитие доменного производства Украины, начиная с первых послевоенных пятилеток и до конца 70-х годов,характеризовалось еысокими темпами роста выплавки чугуна, который обеспечивался одновременным использованием экстенсивных и интенсивных мер.

В работе дана краткая характеристика особенностей развития металлургии и показано, что вместе со строительством новых печей и увеличением их объема, вводом в действие объектов по подготовке топлива и окускованного железорудного сырья ему споообствова-

ло также значительное улучшение удельных показателей плавки.

К концу 70-х годов увеличение объема печей, как фактор повышения их производительности, потеряло свое былое значение, а такие мероприятия по снижению расхода кокса, как повышение основности и содержания железа в окускованном сырье, давления на колошнике, температуры дутья и расхода природного газа в значительной степени исчерпали себя. Это послужило объективной основой снижения темпов развития подотрасли, которое в 80-х годах обернулось сокращением выплавки чугуна и повышением расхода топлива, чему в немалой степени способствовало ухудшение сырьевых и топливных условий работы печей.

Современная металлургическая наука предлагает производству ряд новых разработок, перспективных в долгосрочном плане е(го развития. С учетом целевых функций и средств достижения поставленной цели они условно могут быть разделены на мероприятия, имеющие целью совершенствование шихтовых условий работы печей ( металлизация и брикетирование сырья, производство автоклави-рованных окатышей и др. ) и меры по частичной замене кокса твердыми или газообразными менее дефицитными видами топлива, вдуваемыми в шахту или горн доменных печей. Применение этих мер в настоящее время не представляется возможным, предде всего, ввиду неотработанности технических средств их реализации. Подавляющее большинство процессов по получению новых видов доменного сырья, а также применения в промышленных масштабах в качестве дутьевых добавок продуктов конверсии и пиролиза газов и жидких топлив, водорода и колошникового газа, отмытого от двуокиси углерода, должны пройти стадии технической и технологической отработки. ■ Внедрение этих мероприятий на промышленных печах требует существенных капиталовложений в аглодоменное производство.

Реальным и не требующим капиталовложений является развитие отрасли за счет совершенствования технологических приемов воздействия на ход печей и повышения качества мер по управлению плавкой. Как показал обзор литературы, средняя производительность печей передоЕЦх доменных цехов на 15-25$ выше, а расход кокса на них на *15% ниже среднеотраслевых; еще выше эффективность плавки на отдельных печах.О наличии резервов, связанных с данными обстоятельствами, свидетельствует также работа отечественных доменных печей большого объема, которые в лучших ших-

товчх и газо-дутьевих условиях зачастую уступают меньшим печам в отношении расхода кокса и удельной производительности. Принципиальные возможности достижения печами различного объема равных показателей работы в равных условиях обусловливаются одинаковым характером течения в них газодинамических, восстановительных и теплообменных процессов. Практическим подтверждением справедливости данного соображения является опыт работы крупных доменных печей зарубежных заводов, прежде всего, Японии и стран Западной Европы.

Реализация обозначенных резервов предусматривает необходимость опережающего развития ряда теоретических представлений о доменной плавке и, в первую очередь, определения наиболее эффективных путей сокращения расхода кокса, детального анализа влияния на него потребностей в углероде процессов восстановления и теплопотребления во взаимосвязи. Для решения рада задач практического характера необходимо уточнение представлений об особенностях газораспределения в горне, законах развития очагов горения у воздушных фурм, а также о закономерностях формирования структуры столба материалов и профиля засипи при загрузке доменных печей. Перечисленные вопросы явились предметом исследований, положенных в основу настоящей диссертации.

2. ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ОРГАНИЗАЦИИ ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ ГАЗА В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ

2.1. Условия снижения расхода кокса

Производительность доменных печей может быть увеличена путем повышения интенсивности плавки или снижения удельного расхода кокса. Горение ( газификация ) кокса в доменной печи осуществляется у фурм кислородом дутья и в области прямого восстановления кислородом шихты, поэтому интенсивность процесса определяется скоростями поступления кислорода в нижнюю часть печи о дутьем и шихтой. Скорость газификации топлива в кислороде шихты возрастает при повышении степени прямого восстановления оксидов, которая, в свою очередь, должна увеличиваться при сокращении расхода кокса. Поэтому главной цели настоящей работы соответствует поиск средств снижения расхода кокса, обеспечивающих одно--'

временную интенсификацию его горения и повышение производительности печей.

С учетом известных особенностей восстановления оксидов железа и двоякой роли углерода в доменном процессе сделано предположение о том, что общая потребность гшавки в топливе складывается из необходимых количеств углерода как восстановителя и как источника тепла в высокотемпературной ступени теплообмена. В ходе анализа восстановления РгО газом СО и твердым углеродом реакции выразили слод.ующим образом:

Р&О Ре+(»7-0С0 + С02 (I)

Схема (I) отражает косвенное восстановление и является результатом суммирования реакций горения С до СО и последующего восстановления монооксида железа газом СО ; схема (2) также представляет собой сумму реакций восстановления монооксида Ре твердым С и газом СО , образовавшемся при прямом восстановлении. Коэффициент т в обоих случаях характеризуем фактическую потребность процесса непрямого восстановления железа из ?еО в избыточном СО и представляет собой величину обратную фактической степени использования СО в данной реакции. Показано, что для работающей печи эта потребность может быть рассчитана на основе расхода и состава шихты и колошникового газа.

Как видно из сопоставления реакций (I) и (2), необходимое для восстановления моля Ре из РеО количество углерода восстановителя при восстановлении по схеме (2) в т + I раз меньше, чем по схеме (I) и при изменении соотношения реакций изменяется от максимума, при стопроцентном развитии косвенного восстановления,

I

С0 ={2т , :г/моль (3)

до минимального количества, при стопроцентном прямом восстановлении

= 12пх/(т + 1) , г/моль: (4)

Киличоспю углерода-источника тслиш, необходимое только для удовлетворения тенлопотребности эндотермической реакции (2), изменяется от нуля до максимума

С^а = рЛ + Ь . г/моль

' »Г

(5)

Количество углерода-источника тепла, необходимое для удовлетворения потребностей в тепле прочих статей теплового баланса нижней ступени теплообмена, в рассматриваемом случае не меняется и может характеризоваться величиной с"' - потребностью в углероде-источнике тепла при стопроцентном развитии схемы восстановления (I).

Если анализируемые зависимости поместить в координатных осях С-г^, получим диаграмму, основное отличие которой от широко известной интерпретации взглядов М.Л. Павлова, А.Н. Рам-мом и М.М. Лейбовичем состоит в том, что здесь прямая отображает не равновесную, как обычно, а фактическую потребность

са

к

0

/ ( х! Сг

лее в работе выесдятся уравнения прямых с£ и ст , находятся их связи с с/ и £\т и вы-г^ водятся формулы, связывающие Рис. I. Схема к определению степень прямого восстановления' связей С и г и с С0 из ( ?</ ) и расход

и Со' газифицируемого углерода ( С0 )

с условиями плавки. Последние, при этом, характеризуются двумя показателями - потребностью в углероде-восстановителе ( с/ ) и в углероде-источнике тепла ( ) при фиксированной ( 2-^=0) степени прямого восстановления:

где

^ - отношение тепловых эффектов реакций восстановления

(6) (7)

Fe О твердим углеродом и горения С до CU ;

Z'c - доля жолеза, шсотинивлиииомого из Fei! углородом кокса прямым и косвенным путем.

Графическая иллюстрация уравнений выявила следующие особенности исследуемых связей:

1. При снижении потребности в углероде-восстановителе уменьшение расхода топлива сопровождается сокращением степени прямого восстановления и понижением интенсивности газификации углерода кислородом шихты. Сохранение интенсивности плавки на прежнем уровне требует повышения расхода кислорода ( дутья) через фурмы.

2. При сокращении потребности в углероде-источнике тепла снижение расхода топлива сопровождается повышением степени прямого восстановления оксидов железа, скорости газификации углерода кислородом шихты и интенсивности плавки, причем без увеличения количества дутья или содержания кислорода в нем.

Проведенные исследования позволили уточнить роль степени прямого восстановления железа в доменном процессе и раскрыть ее значение как своеобразного координатора расходов углерода по каналам восстановления и теплопотрейления. Показано, что при сокращении потребности плавки в углероде-источнике тепла с его помощью синхронно уменьшается расход углерода в процессах восстановления, а при снижении потребности в углероде-восстановителе, соответственно, уменьшается расход углерода в процессах тепло-потребления. При этом сама степень прямого восстановления не является независимой переменной, а определяется соотношением потребностей плавки в углероде-восстановителе и углероде-источнике тепла. При снижении потребности в углероде-восстановителе степень прямого восстановления снижается, обусловливая сокращение расхода кокса, а при уменьшении потребности в углероде-источнике тепла снижается расход кокса, обусловливая повышение степени прямого восстановления железа.

Анализ особенностей совершенствования работы углерода в граничных по с^ условиях показал, что при работе с z^ близким к нулю более актуальным является снижение потребности плавки в тепле, а при значениях близких к единице, соответственно, более актуально сокращение потребности плавки в углероде-восстановителе.

Одним ип 11()|1оятмих опооогкш оокращонил расхода кокоа яшш-ется повышенно коэффициента полезного действия углерода в процессах восстановления и теплопотребления. Предложена методика расчета значений указанных к.п.д. и с ее помощью показано, что, во-норшх, »Мнитишость риботн углороди и нроцоооох восстановления повышается, в частности, при снижении потребности плавки в тепле и, во-вторых, возможности повышения чрезвычайно низких ( ~ 10% ) значений к.п.д. углерода в процессах теплопотребления в условиях доменной плавки ограничены. Последнее связано с расходованием части загруженного через колошник углерода топлива на науглероживание чугуна и прямое восстановление, низким тепловым эффектом реакции горения углерода у фурм и высокой бросо-еой температурой нижней ступени теплообмена, которая определяет потребность в топливе.

Все вместе обусловливает высокую эффективность любых мероприятий, направленных на снижение потребности в тепле высокотемпературной зоны в доменной печи. Практическая реализация данного направления состоит е снижении расхода тепла на плавление чугуна и шлака, сокращении прямого восстановления и, в частности в( , повышении теплоотдачи углерода у фурм за счет увеличения теплосодержания дутья и добавок к дутью, а также снижения тешюпотерь на основе совершенствования газораспределения в горне и понижения температур в очагах горения.

На основе равенства (7) выведена формула для расчета расхода кокса в доменной плавке и даны рекомендации по использованию установленных закономерностей для расчетного анализа доменного процесса.

2.2. Рационализация газораспределения в горне

Очевидными методами повышения равномерности распределения газа по окружности горна доменных печей является увеличение числа и единичных размеров зон горения. Если реализация первого метода также очевидна, то осуществление второго требует уточнения представлений о механике фурменных зон, детального учета и ис-. пользования всех действующих здесь сил. Обобщение опубликован -ных материалов о процессах горения топлива у фурм доменных печей выявило противоречивость мнений и экспериментальных данных по

вопросу о влиянии на размеры зон кинетической энергии дутья, количества и диаметра фурм и т.д. Это дополнительно обусловливает необходимость углубления представлений об особенностях механической работы дутьевой струи при ее внедрении в слой сыпучего материала.

Выражение для определения работы ( ) потока дутья по образованию зоны циркуляции ( горения ) для изотермических условий выведено из закона сохранения энергии.

/ - + (8)

Как видно, в указанных условиях в работу по образованию зоны циркуляции наряду с кинетической энергией дутья реализуется также часть энергии давления сжатого газа ( энергии проталкивания ). Последнее уже на данном-этапе позволяет дать удовлетворительное объяснение экспериментально установленному факту роста размеров циркуляционных зон по мере увеличения диаметра фурм в условиях постоянства кинетической энергии дутья. При увеличении диаметра фурм и сохранении„величины кинетической энергии в потоке дутья, пропорционально снижению скорости, возрастает массовый расход и увеличивается запас энергии проталкивания. Исходя из этого, при одинаковой кинетической энергии, струя большего начального диаметра способна совершить больше механической работы; в данном случае образовать зону циркуляции большего объема.

Уточнение влияния начального диаметра струи с использованием уравнений Г.Н. Абрамовича показало, что последнему обстоятельству способствует также снижение торможения струи окружающей средой, в связи с уменьшением отношения периметра к площади поперечного сечения струи.

У фурм действующих доменных печей обстоятельством, усложняющим рассматриваемые закономерности, является высвобождение внутренней энергии сжигаемого топлива, которая сообщается газу и частично расходуется на совершение работы расширения. Показано, что величина работы пропорциональна массе потока и зависит от состава и температуры дутья, а ее влияние на размеры зоны горения осуществляется посредством изменения статического давления газа, т.е. первого слагаемого в уравнении (8). С учетом этого, а также приняв во внимание изменение массы ( Мъ ), состава

и плотности ( ) дутья в результате его взаимодействия с топливом и выразив массу и скорость дутья через его расход ( 0.1 ), число ( /г. ) и диаметр ( с/ ) фурм, уравнение (8) приведено к виду, удобному для анализа особенностей влияния ра!зличных параметров плавки на размеры зоны горения

/ -а,Г*гй (р>-рк), ^ о,зА а>/п^4]л ы

Здесь кг = (мг/мл)/(рг ~ коэффициент, учитывающий

изменение массы и связанной с составом ( нормальной ) плотности дутья; К - коэффициент, выражающий долю потерь давле-

ния в зоне циркуляции в общем перепаде статического давления газа

Из уравнения высвечивается и в диссертационной работе дополнительно обоснована важная роль перепада статического давления газа в доменной печи, как ф,актора, влияющего на размеры зон горения и газораспределение в горне. Известное усиление периферийного газового потока при использовании интенсификаторов, способствующих снижению перепада статического давления газа ( кислород, повышенное давление и др. ), объясняется данным обстоятельством и подтверждает его.

Отсюда формулируется принцип использования интенсификаторов доменной плавки, позволяющий сохранить неизменным газораспределение в горне и состоящий в соответствующей корректировке газо-дутьевого режима, обеспечивающей постоянство перепада статического давления газа в печи. В качестве корректирующих воздействий могут использоваться изменения расхода дутья, распределения материалов и.давления на ксдошнике, количества и диаметра воздушных фурм. В связи с этим изменения перечисленных параметров, в рамках их влияния на процесс, должны расцениваться, в одних случаях, как меры инициативные, направленные на совершенствование плавки, в других - как меры ответные, целью применения которых является сохранение газораспределения при колебаниях иных параметров плавки. В первом случае максимальное их значение, по всей очевидности, определяется техническими возможностями оборудования, объемом и конструктивными особенностями печей, во втором, соответственно, необходимостью сохранения газораспределения в горне и, в частности, рабочего значения общего перепада статического давления газа. В соответствии о этим, в

одних условиях, полезным является увеличение количества или диаметра фурм, давления на колошнике и т.д., в других - их уменьшение. В общем случае этим обусловливается отсутствие однозначного оптимума значений перечисленных параметров и, в частности, данное обстоятельство затрудняет определение, для печей различного объема, количества и диаметра фурм, которые являлись бы оптимальными для любых условий их работы.

Проведенные исследования позволили выявить рациональные комплексы мер, обеспечивающие улучшение распределения газа одновременно по радиусу и окружности горна. В первую очередь к ним относятся увеличение количества или ( и ) диаметра воздушных фурм при одновременном увеличении расхода дутья, а в случае отсутствия на печи резервов по дутью, при одновременном снижении давления колошникового газа в пределах, обеспечивающих сохранение неизменным рабочего значения общего перепада статического давления. Принимая во внимание, что в данном случае создаются условий для экономии расхода углерода в процессах восстановления и теплопотребления, а также для повышения интенсивности его горения в кислороде дутья и шихты, указанные комплексы мер могут расцениваться как направление совершенствования доменного процесса, обеспечивающее сокращение расхода кокса при одновременном форсировании плавки.

2.3. Совершенствование структуры столба материалов

В связи с высокой степенью взаимообусловленности явлений доменной плавки эффект от рационализации режима дутья возрастает при одновременном улучшении структуры столба материалов в печах. В работе изучены возможности такого улучшения, при существующем качестве сырья, за счет повышения газопроницаемости слоя железорудных материалов и совершенствования распределения материалов на колошнике.

Основываясь на исследованиях К. Фернеса, М.А. Шаповалова, М.А. Стефановича, В.П. Тарасова и др. сделано предположение о возможности повышения порозности слоя агломерата, на ~ 60$ состоящего из частиц крупностью 5-25 мм, при дальнейшем увеличении содержания этих фракций, в -частности, за счет добавления к нему железорудных окатышей. Газопроницаемость всего столба ших-

товых материалов в печи в данном случае должна возрастать еще и по причине вывода отдельного слоя окатшей, имеющего, в сравнении со слоями кокса и агломерата, наиболее высокое газодинамическое сопротивление. Произведенное, с аналитических позиций, а также экспериментально, уточнении газодинамических характеристик агломерата и окатышей подтвердило возможность получения такого эффекта при смешивании агломерата с окатышами в процессе загрузки.

Большинство доменных печей Украины оборудованы двухконус-ными засыпными аппаратами и в настоящее гремя трудно назвать загрузочное устройство, которым они могли бы быть заменены в ближайшей перспективе. В сеязи с этим продолжают быть актуальными исследования, относящиеся к закономерностям формирования профиля засыпи и распределения материалов при загрузке с конуса и использовании типового вращающегося распределителя шихты. Произведенные аналитические и экспериментальные исследования позволили уточнить обозначенные закономерности и на этой основе определить возможности и пути совершенствования распределения материалов при работо на типовом оборудоиинии. В розультато разработано, защищено авторскими свидетельствами и испытано несколько новых способов загрузки, применительно к наиболее широко распространенным конструкциям засыпного аппарата и распределителя шихты. Разработанные режимы включают в себя уменьшение количества станций, сдвиг их положения и изменение последовательности чередования станций по завершении цикла работы распределителя или полного цикла загрузки. Приведены результаты исследований и показан высокий уровень качества окружного распределения материалов, достигаемого при использовании разработанных режимов загрузки.

Наиболее радикальным методом, обеспечивающим улучшение и оптимизацию распределения материалов на колошнике является совершенствование оборудования-загрузки, в первую очередь, засыпных аппаратов. В связи с этим в последние 20-30 лет во воем мире ведется активная работа по модернизации извоотных и разработке принципиально иошлс конотрукциИ погрузочных уотройотп. Дроив-подошшй алшши литиритури и нроишюдотпшшого опыта не выявил абсолютных преимуществ какой-либо из многочисленных их конструкций. Поэтому на Криворожском факультете ДМетИ с участием автора

разработана конструкция бесконусного загрузочного устройства, включающая принципиально новый способ,работы распределительного элемента - вращающегося лотка. Последний имеет возможность вращаться одновременно вокруг ДЕух осей: собственного центра вращения, расположенного на некотором расстоянии от оси лечи, и, вместе с этим центром, вокруг оси печи. Это обеспечивает разгрузочному концу желоба возможность совершать плоско-параллельное планетарное движение и подавать струю материала в любую точку колошника печи. В работе приведены материалы, свидетельствующие о более широких технологических возможностях предлагаемого аппарата по сравнению с существующими, в том числе по сравнению с аппаратом фирмы "Пауль Вюрт".

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ОПЫТ ПО РАЦИОНАЛИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ДУТЬЯ И ЗАГРУЗКИ

3.1. Влияние режима дутья, количества и сечения фурм

Оцопка ооотолтольности оопоииых выводов аналитического раздела работы во всех случаях производилась вначале в лабораторных условиях, а затем - на действующих доменных почах комбината "Криворожсталь".

Приведена характеристика использованного лабораторного оборудования, методик исследования и соблюдения условий однозначности с натурными образцами. Важными отличительными особенностями лабораторных установок являлись применение в качестве дутья сжатого компрессорного воздуха и возможность варьирования количества и диаметра фурм в условиях постоянства их суммарного сечения. Это позволяло в ходе эксперимента раздельно наблюдать и сопоставлять влияние числа фурм при сохранении, уменьшении или увеличении их диаметра и суммарного сечения, а также количественно оценивать роли кинетической энергии дутья и энергии давления ожатого газа в образовании зон циркуляции. ' -

Результаты лабораторных исследований экспериментально подтвердили апраледоивооть обосшошших аналитически штодои о реализации п работу по обрааонанию зоны циркуллции у фурм, наряду с кинетической энергией дутья, также части энергии давления сжатого газа. Показано, что при изменениях количества и диамет-

ра фурм меняется структура ( соотношение расходов указанных энергий ) и величина работы потока дутья, затраченной на образование зоны. При этом увеличение как числа, так и диаметра фурм повышает значимость энергии давления, соответственно, снижая роль кинетической энергии и, при тех же энергетических затратах, вызывает рост суммарной площади горизонтальных проекций очагов горения и повышает равномерность распределения газа по поперечному сечению горна.

В ходе экспериментов выявлено, что при продувке стационарного сыпучего слоя в цилиндрическом сосуде с периферийным подводом дутья через фурмы, пропускная по газу способность и устойчивость слоя возрастают при увеличении как количества, так и диаметра фурм. При этом, в частности, увеличиваются расходы дутья, при которых у фурм образуется свободная от материалов полость, начинается циркуляция частиц материала в ней, а также расходы, при которых слой переходит в псевдоожиженное состояние.

Проведенными исследованиями установлено, что потери давления при продувке слоя постоянным количеством дутья зависят от суммарной площади выходного сечения фурм и с увеличением ее относительной величины ( уменьшение а ) снижаются; при постоянном суммарном сечении фурм потери давления снижаются по мере увеличения числа фурм, а при постоянном числе - с увеличением их диаметра ( Рис. 2 ). Установлено, что количество фурм оказывает на перепад давления влияние более значительное, чем их диаметр, поэтому при одновременном увеличении числа и уменьшении диаметра в условиях постоянства суммарного сечения фурм потери давления снижаются также. Вместе с тем, уменьшение диаметра фурм снижает эффект, полученный от увеличения их количества, в некоторых случаях, до нуля. Эффект сокращения потерь давления в связи с увеличением суммарного сечения фурм в проведенных исследованиях увеличивался от верхней части слоя к нижней и имел максимальное значение на фурменной зоне. Отсюда вытекает, что эффективность влияния увеличения сечения фурм на форсирование плавки дутьем должна возрастать при одновременном улучшении газодинамических услогий в верхней части доменных печей. С другой стороны, рассматриваемое мероприятие, в свою очередь, может расцениваться как метод повышения эффективности таких мер совершенствования газодинамики "сухой" зоны доменных печей, как улуч-

Рис. 2. Влияние количества ( числитель) и диаметра ( знаменатель ) фурм на потери давления при продувке стационарного слоя

шение грансостава и прочностных свойств шихтовых материалов, повышения давления колошникового газа и т.п.

На основании проведенных аналитических и лабораторных исследований сделаны выводы о целесообразности увеличения количества и ( или ) диаметра воздушных фурм на современных отечественных доменных печах и выданы соответствующие рекомендации промышленности.

Промышленные испытания и производственный опыт подтвердили целесообразность этого.

В работе приведены и подвергнуты всестороннему анализу результаты увеличения количества фурм при одновременном уменьшении, сохранении или увеличении их диаметра на печах объемом 1719, 2000, 2700 и 5000 м3 "Криворожстали", а также на печах объемом 1310 м3 КМК и 1007 м3 ЧерМК. Промышленный опыт и испытания подтвердили справедливость концепции о целесообразности сохранения диаметра или, по крайней мере, суммарного сечения фурм при увеличении их числа. Соблюдение этого условия при увеличении количества фурм на доменных печах объемом 1719, 2000 и 2700 м3 комбината "Криворожсталь", а также на упомянутых печах КМК и ЧерМК, позволило увеличить их производительность на 2-28%

при снижении расхода кокса на 1-15$. В то же время уменьшение на 10,5$ суммарного сечонил ( за счет диаметра ) воздушных фурм при увеличении их числа на печи объемом 5000 м3 привело к снижению на 7$ производительности печи при незначительном сокращении расхода кокса.

Убедительные материалы получены на печи объемом 2000 м3 при одновременном увеличении на ней числа ( с 20 до 24 ) и диаметра ( с 0,16 до 0,175 м ) фурм. В результате расход дутья возрос с 1,65-1,7 до ~ 2,0 м3/м3 мин при снижении давления колошникового газа со «-V 150 до 80-90 кПа и дутья с 270-290 до

220-230 кПа; производительность печи увеличилась на 500-800 т/сутки при снижении расхода кокса на ~ 50 кг/т чугуна.

Опытно-промышленными исследованиями, проведенными на печах различного объема, подтверзден вывод о возможности существенного улучшения показателей плавки на основе увеличения диаметра фурм.

Прямые и обратные эксперименты по изменению диаметра фурм в пределах 0,165-0,207 м, при соответствующей корректировке га-зо-дутьевого режима, проведенные на печах объемом 1719, 2000 и 2700 м3 при их работе в различных условиях по качеству шихты и составу дутья, показали, что увеличение диаметра фурм создает предпосылки к достижению высоких результатов при любых условиях плавки, в том числе и в случае работы печей с относительно высоким ( до 160 м3/т чугуна ) расходом кислорода. В проведенных на печах объемом 1719 и 2000 м3 экспериментах, увеличение диаметра фурм сопровождалось повышением интенсивности плавки ( на 1,8*6,2$ ) и производительности ( на 1,6+10,3$ ) при снижении ( на 0,6+6,3$ ) расхода кокса; уменьшение диаметра фурм привело к снижению интенсивности плавки ( на 2,3-8,2$ ), суточной выплавке чугуна ( на 7,8+8,9$ ) и повышению расхода кокса ( на 1,9+8,7$ ).

При увеличении количества или диаметра фурм в проведенных исследованиях повышалась также эффективность обогащения дутья киалородом и применения природного газа.

Испытание фурм различного диаметра на печи объемом 2700 м3 произведено в условиях ее работы на рядовом агломерате ЮГОКа ( 16-17$ мелочи класса 5-0 мм ) и высокоосновном, охлавденном и освобожденном от мелочи агломерате НКГОКа II ( 7-11$ мелочи

- ?.з -

класса 5-0 мм ). При протшдоиии опытных плппок иолучопн слодую-'щие результаты:

а) при увеличении диаметра фурм показатели работы улучшались в любых шихтовых условиях, однако при плавке сырья лучшего качостпа достигался билоо нисокиИ эффокт, как и отношении повышения производительности, так и в отношении снижения расхода кокса;

б) улучшение качества сырья приводило к увеличению суточной выплавки чугуна при работе на фурмах различного диаметра, однако при работе печи на фурмах диаметром 0,207/0,19 м это сопровождалось снижением удельного расхода кокса ( на 7,4$ фактически и на 0,61$ по приведенным данным ), а на фурмах диаметром 0,165 м - его повышением ( на 3,9$ фактически и на 2,1$ по приведенным данным ).

Выгодной отличительной особенностью первого способа, в сравнении со вторым, наряду с.более значительным снижением расхода кокса, является то обстоятельство, что для своего осуществления он не требует капиталовложений в аглодоменное производство.

В процессе исследований подвергнуты анализу около 50 случаев изменения количества и диаметра фурм при соответствующей корректировке газо-дутьевого режима плавки. По исследуемый периодам были рассчитаны основные технические показатели с использованием формул комплексного метода А.Н. Рамма дополненных уравнениями автора. На рис. 3 показано изменение некоторых из рассчитанных показателей в зависимости от относительной величины-суммарной площади фурм. Индексы корреляции ( 0,41+0,62 ), полненных связей свидетельствуют о наличии между исследуемыми параметрами достаточно надежной корреляционной зависимости.

Как видно, в проведенных промышленных экспериментах, н среднем, при увеличении суммарного сеченяя воздушных фурм:

а) снижение расхода кокса обусловлено сокращением потрэб-ности плавки в углероде-источнике тепла при повышении коэффициента полезного действия углерода в восстановительных процессах; одновременное увеличение степени прямого восстановления свидетельствует об уменьшении расхода тепла именно на нагрев шихты

и плавление чугуна и шлака;

б) рост суммарной интенсивности горения утлерода обеспечивается повышением расхода дутья и увеличением поступления кис-

Шпшпио суммарного оочоиин фурм на нокоторно иоказатоли доменной плавки

1,8

'Ç

■J

? и

i» If 8

s

ч

14

Ï

Т iß

4,5

"в

го

о,s

0,2

Ч Ч ч \ ч s\ Хч

____^ < X-J* п* \ ч \ ч,

X

\ . \

•

N ^ч^ Ч ^ __^ -

Ч N N( -

< ---— — с

\ ^ N \ Ч ч т >

ч ^— ч ft i___ —<

¿d

0,54

tf i з>

CJ

7\ U

0,52 к».

' V f-s

0,50

0,19 5 *

tr ?

0,91 а

v¡ >i

0¿7 $

0,83

0,17 ч-

1AQ Í60 180 Рис. 3

0,15 ÍZ S k

о

M

»4

.je

£

0.57 %

fv

л и

0,35 ч

0,¿5

довода I) зону прямого восстановления с шихтовыми материалами;

в) производительность печей возрастает из-за снижения удельного расхода кокса и одновременного повышения интенсивности плавки.

Таким образом, опытно-промышленные плавки, проведенные в доменных печах различного объема, работающих в различных шихтовых и дутьевых условиях, в полной мере подтвердили состоятельность осноеной гипотезы настоящей диссертационной работы о наличии у современных доменных печей резервов, относящихся к дальнейшему снижению расхода кокса при одновременном повышении интенсивности плавки, и о возможности их освоения на основе рационализации параметров фурм и газо-дутьевого режима плавки.

Проведенными исследованиями установлено, что гарантированное улучшение показателей плавки при увеличении количества или диаметра фурм достигается только в том случав, если при этом не ухудшается распределение газа по радиусу горна. Показано, что, в первом приближении, граничным условием, обеспечивающим данное положение, можно считать сохранение рабочего значения общего перепада статического давления газа.

Промышленными экспериментами подтверждена роль общего перепада статического давления газа в доменных печах, как параметра, не только зависящего от газораспределения, но и воздействующего на него. I

Определены пределы возможного увеличения количества и диаметра воздушных фурм для отечественных доменных печей различного объема. Предложено уравнение для определения необходимого количества фурм. Показано, что возможности к увеличению числа фурм, при существующих конструкциях фурменных приборов, имеются у доменных печей объемом до 3000 м3; число фурм, установленное после реконструкции на печи объемом 5000 м3 (42), при их расположении в один ряд является предельным.

Проведенные аналитические, лабораторные и промышленные исследования и испытания позволяют полагать целесообразным увеличение на доменных печах Украины также диаметра воздушных фурм ( до 0,19-0,21 м ) при одновременном повышении расхода дутья или использовании других мер, обеспечивающих сохранение, а на ряде печей и повышение ( на 10-30 кПа ) величины общего перепада статического давления газа.

3.2. Совершенствование структуры столба материалов

Наиболее радикальным способом повышения газопроницаемости верхней части доменных печей является улучшение ситового состава и прочности шихтоеых материалов и, в первую очередь, агломерата, однако это требует капиталовложений в аглодоменное производство. Частичное решение проблемы качества загружаемого в печи железорудного сырья может быть осуществлено за счет модернизации оборудования шихтоподач и улучшения работы механизмов, предназначенных для выделения мелких и пылевидных фракций из агломерата и окатышей. Последнее увеличивает расход железорудных материалов на выплавку чугуна и, в связи с этим, может применяться только в условиях наличия некоторого их избытка, что в ряде случаев также оборачивается необходимостью вложения средств в производство окускованног'о железорудного сырья.

Проведенные экспериментальные исследования и испытания в лабораторных и промышленных условиях подтвердили возможность решения проблемы совершенствования структуры столба шихтовых материалов в условиях существующего их качества на основе рационализации режимов загрузки и распределения материалов на колошнике.

В диссертационной работе даны характеристики оборудования, использованных методик и представлены результаты детального изучения поведения смесей агломерата с окатышами под воздействием статических, ударных и истирающих нагрузок в холодном состоянии и при Еосстановительно-тепловой обработке, а также продувок в аэродинамической трубе, которые подтвердили ожидаемые более высокие газодинамические характеристики смесей. Исследования показали, в частности, что, наряду с повышением порозности, одной из причин более высокой газопроницаемости данных смесей является меньшее их разрушение под воздействием различных нагрузок, как в холодном состоянии, так и при нагревании и восстановительной обработке. Установленные закономерности подкреплены результатами опытно-промышленных испытаний режимов загрузки, включающих смешивание агломерата с окатышами, на доменных печах различного объема. Результаты проведенных исследований позволили рекомендовать такие режимы загрузки для промышленного внедрения, что и было осуществлено на доменных печах Ж1-4 и 9 комбината "Криворожсталь", оборудование участка загрузки которых позволя-

ет организовать эффективное смешивание железорудных материалов. В настоящее время такие режимы загрузки распространяются на ш других заводах.

Произведено уточнение влияния радиального распределения материалов на колошнике на показатели работы доменных печей в условиях комбината "Криворожсталь", в результате чего подтверждена целесообразность организации V -образного распределения шихты по радиусу печей. Исследованиями и опытными плавками, проведенными на *рех доменных печах большого объема, показано, что подгрузка периферии, обеспечивающая повышение содержания Сй2 в периферийных точках с 8-10 до 14-16$ и снижение в центре с 10-12 до 2-4$, улучшает использование тепловой и восстановительной энергии газа и сопровождается снижением перепада статического давления газа при том же расходе дутья. Рациональное распределение материалов по радиусу колошника на указанных печах, оборудованных типовыми засыпными аппаратами, было достигнуто путем уменьшения массы подачи, понижения уровня засыпи и увеличения доли прямых подач в цикле загрузки и привело к снижению расхода кокса на 1-3,5$ и повышению производительности печей на

2-5$.

Приведены результаты опытных плавок, проведенных на доменных печах различного объема, которые подтверждают выводы аналитического раздела работы в части возможности повышения качества горизонтального распределения материалов при работе на двухко-нусных аппаратах УЗТМ о использованием вращающегося распределителя шихты. За счет рационализации режимов загрузки, состоящей в уменьшении количества станций работы распределителя шихты до

3-х - 6-ти и циклования прямых и обратных подач числами, кратными количеству станций ВРШ, производительность печей увеличивалась на I,5+6,0$ при снижении расхода кокса на 1,5-2,0$.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе осуществлено обобщение оостояния рада вопросов теории и практики доменной плавки и, на базе использования научно-обоснованных методов расчета и анализа явлений доменного процесса, а также экспериментов и опытных планок, проведенных в лабораторных условиях и на промышленных доменаых

печах, предпринята попытка решения крупной научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение и заключающейся* в дальнейшем снижении расхода кокса при одновременной интенсификации хода плавки. Разработаны, испытаны и освоены на отечественных доменных печах элементы технологии плавки, обеспечивающей повышение расхода дутья, эффективное использование интенси-фикаторов процесса и заменителей кокса, экономное расходование углерода в процессах восстановления и тешюпотребления.

Приведенные в работе результаты исследований и испытаний позволяют сделать следующие основные выеоды:

1. Увеличение объема доменных печей, повышение давления колошникового газа, основности и содержания железа в агломерате, расширение применения высоконагретого комбинированного дутья и другие мероприятия, обеспечивающие высокие темпы развития доменного производства на протяжении 1950-1975 годов, по экстенсивности своего использования в настоящее время близятся к завершению. Новые разработки, направленные на дальнейшее снижение расхода кокса и интенсификацию плавки, для своего осуществления должны пройти стадии технической и технологической доработки и, кроме того, требуют капиталовложений в аглодоменное производство. Бее вместе определяет актуальность поиска мероприятий по совершенствованию приемов воздействия на ход печей, обеспечивающих реализацию технологических резервов доменной плавки.

2. Разработана методика анализа перспектив снижения расхода топлива при выплавке чугуна на основе раздельного учета и последующего сопоставления эффективности сокращения потребностей

в углероде процессов восстановления и тешюпотребления. В ходе' анализа уточнена роль степени прямого восстановления железа как координатора и синхронизатора расходования углерода топлива в тепло- и массообменных процессах, определен коэффициент полезного действия углерода в каждом из них и раскрыта физическая сущность высокой эффективности мероприятий, направленных на уменьшение потребности плавки в высокотемпературном тепле. Показано, что современное доменное производство обладает существенными резервами по расходу кокса и интенсивности плавки, которые могут быть освоены в существующих условиях работы почей на основе сокращения потребности в углероде как источнике тепла. При этом

уменьшается расход кокса, обусловливающий повышение степени прямого восстановления железа, из-за чего возрастают коэффициент полезного действия углерода в процессах восстановления и скорость газификации кокса кислородом шихты. Производительность печей повышается из-за снижения расхода топлива и одновременного увеличения интенсивности его горения. Одним из возможных путей решения проблемы является сокращение уноса физического и химического тепла с продуктами плавки и теплопотерь. Последнее достигается путем совершенствования газораспределения в горне.

3. С использованием закона сохранения энергии разработан метод анализа влияния параметров фурм и показателей газодинамического режима плавки на газораспределение в горне. На основе баланса энергии в зоне горения выведены уравнения связи работы потока дутья по образованию очага горения с определяющими ее параметрами для изотермических условий лабораторных экспериментов и неизотермических условий действующих печей. В условиях постоянства физических свойств и распределения шихтовых материалов на колошнике печи газораспределение в горне определяется количеством и единичными размерами очагов горения у воздушных фурм и может быть улучшено за счет увеличения числа фурм и реализации мероприятий, обеспечивающих рост единичных объемов зон горения. Проведенными исследованиями установлено, что такими мерами являются увеличение диаметра фурм при одновременном повышении расхода дутья или снижении давления колошникового газа в пределах, обусловливающих постоянство кинетической энергии дутья или рабочего значения общего перепада статического давления газа. Размеры циркуляционных зон при этом 'возрастают из-за:

- увеличения в вытекающей из фурм струе дутья запаса, а также участия в образовании зон, энергии давления сжатого газа ( проталкивания );

- сокращения потерь ( диссипации ) механической энергии потока дутья в тепловую в процессах трения, в связи с уменьшением удельной боковой поверхности торможения потока;

- более значительного роста в зонах горения на действующих печах энергии проталкивания за счет внутренней энергии топлива при увеличении скорости его газификации.

4. Испытания и опыт применения рекомендуемого совершенст-

ионаиин парамотрон Фурм и г.ч:1(1ли",чмичоо,ко1'о режима планки на промышленных доменных ночах, комбината "Криворожсталь" и других заводов в полной море подтвердили состоятельность выводов работы в части наличия и путей освоения на современных доменных печах резервов по расходу кокса и производительности. При этом увеличение как количества, так и диаметра воздушных фурм в условиях одновременного повышения расхода дутья привело к:

- увеличению ( на 2-28$ ) производительности печей из-за снижения ( на 1-15$ ) расхода кокса и повышения интенсивности его горения;

- снижению расхода кокса из-за сокращения теплопотребнос-ти плавки при повышении степени прямого восстановления и коэффициента полезного действия углерода в восстановительных процессах;

- повышению интенсивности плавки из-за увеличения расхода дутья и скорости газификации кокса кислородом шихты;

- при увеличении количества И' уменьшении диаметра фурм положительный эффект в проведенных испытаниях имел место в том случае, если суммарное сечение фурм не уменьшалось;

- эффективность мер "снизу" в проведенных экспериментах

и опытных плавках возрастала при одновременном совершенствовании структуры столба шихтовых материалов.

5. Разработаны, испытаны в лабораторных и промышленных условиях и осуществлены на практике меры по улучшению структуры столба материалов при существующем их качестве на основе модернизации оборудования загрузки, а также повышения газопроницаемости слоя железорудных компонентов шихты. Детально изучено поведение смесей агломерата с окатышами под воздействием статических, ударных и истирающих нагрузок в холодном состоянии

и при восстановительно-тепловой обработке. Показано, что, в сравнении с послойной загрузкой, смесь обладает более высокой газопроницаемостью из-за вывода из состава столба шихты отдельного слоя окатышей, сокращения разрушения материалов, а также снижения содержания мелочи класса 0-5 мм и повышения доли средних фракций 5-25 мм в слое агломерата.

6. Разработана методика, с помощью которой изучены и уточнены закономерности формирования профиля засыпи материалов на колошнике при загрузке с конуса и работе вращающегося распреде-

лителя шихты по станциям. Разработаны, испытаны и внедрены на печах "Криворожстали" ряд новых режимов загрузки, обеспечивающих повышение качества распределения материалов при использовании наиболее широко распространенных типовых двухконусных загрузочных устройств.

7. Применительно к бесконусным загрузочным устройствам ■ разработана конструкция распределителя шихты нового поколения, обладающего более широкими технологическими возможностями, по сравнению с существующими.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Влияние режимов загрузки и дутья на распределение потока газа по радиальному сечению доменных печей / Г.А. Воловик, Е.Г. Донсков, В.И. Бовдаренко и др. // Известия вузов. 41.1.1972.- №12.- С. 81-83.

2. Влияние распределения газа по радиусу низа доменных печлй большого объема на их работу / Т.к. Воловик., Е.Г. Донсков,

B.И. Бондаренко и др. // Известия вузов. ЧМ,- 1973.- Ш,-

C. 33—36.

3. Влияние кинетической энергии дутья на радиальное распределение газа в шахте доменной печи / Г.А. Воловик, Е.Г. Донсков, Б.В. Боклан и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 1973.- КЗ.- С. 3-5.

4. Работа доменных печей на фурмах различного диаметра / Г.А. Воловик, Е.Г. Донсков, Б.В. Боклан и др. // Металлург.-

1973.- к3.- С. 5-6.

5. Радиальное распределение газового потока в доменных печах большого объема / Е.Г. Донсков, Б.В. Боклан, В.А. Шатлов., В.И. Бондаренко // Металлург.- 1973.- №7.- С. 10-12.

6. Определение количественного распределения газового потока по радиальному сечению доменной печи /Б.В. Боклан, Е.Г. Донсков, В.И. Бовдаренко, В.А. Шатлов // Металлургия и коксохимия: Респ. межвед. научно-техн. сб.- Киев: Техника.-

1974.- Вып. 38.- С. 34-39.

7. Уширение колошника мощных доменных печей / Е.Г. Донсков,

B.А. Шатлов, Р.Д. Каменев и др. // Металлург,- 1974.- ю.-

C. 6-8.

8. Исследование работы доменной печи полезным объемом 2000 м после капитального ремонта / В.А. Шатлов, Р.Д. Каменев, Е.Г. Донсков и др. // Сталь.- 1974,- №3.- С. 197-201.

9. О числе и элементах сечения воздушных фурм доменных печей / Е.Г. Донсков, Б.В. Боклан, В.А. Шатлов и др. // Металлургия и коксохимия: Респ. межвед. научно-техн. сб.- Киев: Техника.- 1975.- Вып. №43.- С. 65-71.

10. Анализ влияния начальной температуры газов у фурм и параметров комбинированного дутья на газодинамику доменного процесса / И.Г. Товаровский, В.И. Бондаренко, Е.Г. Донсков и др. // Сталь.- 1975.- №12.- С. 1069-1073.

11. Сравнение показателей работы доменных печей различного объе-

ми / I'M'. Донской, Г.Д. Лолопик, H.A. Шатров и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 1976.- 162. — С. 3-5.

12. Оценка причин снижения форсировки хода доменных печей большого объема / Г~.А. Воловик, К.Г. Донсков, Н.С. Снаговская

и др. // Металлургия и коксохимия: Респ. межвед. научно-техн. сб..- Киев: Техника.- Вып. №48.- 1976.- С. 62-65.

13. Кинетическая энергия дутья доменных печей разного объема / Г.Л. Всхловик, Е.Г. Донсков, Н.С. Снаговская и др. // Металлургия и коксохимия: Респ. межвед. научно-техн. сб.- Киев: Техника.- 1976.- Вып. №48.- С. 66-68.

14. Влияние суммарного сечения воздушных Фурм на потери напора газа в доменной печи / Е.Г. Донсков, В.Т. Оськин, Б.В. Бок-лан и др. // Сталь,- 1978.- JE9.- С. 787-792.

15. К вопросу о влиянии количества и диаметра воздушных фурм на показатели работы доменной печи / Г.А. Воловик, Е.Г. Донсков, Б.В. Боклан и др. // Извести вузов. 4M.- 1979.--№12.- С. 24-29.

16. Улучшение работы доменной печи при изменении загрузки шихты. содержащей окатыши / И.Т. Хомич, А.Я. Зусмановский,

Г.А. Воловик, Е.Г. Донсков и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 1979.- №4.- С. 60-61.

17. Оптимизация радиального распределения шихтовых материалов, содержащих железорудные окатыши / Е.Г. Донсков, И.Г. Риз-ницкий, Б.В. Боклан и др. // Металлург.- 1979,- №4.- С. 10—13.

18. Управление распределением газового потока по окружности печи / Е.Г. Донсков, И.Г. Ризницкий, И.А. Прокофьев и др. / Металлург,- 1979.- МО.- С. 12-15.

19. Работа доменной печи с использованием освобожденного от мелочи высокоосновного агломерата / И.А. Прокофьев, И.Г. То-варовский, В.И. Боццаренко, Е.Г. Донсков и др. //Сталь.-1979.— №5.— С. 332—333.

20. К вопросу об оптимальном распределении шихты по радиусу колошника 7 Е.Г. Донсков. В.П. Лялюк, Г.А. Воловик и др. // Известия вузов. 414.- 1980.- №8.- С. 23-25.

21. Исследование циркуляции материалов в фурменной зоне в лабораторных условиях / Е.Г. Донсков, В.ГГ. Лялюк, Б.В. Боклан и др. // Металлургия и коксохимия: Респ. межвед. научно-техн. сб.- Киев: Техника.- 1980.- Вып. №70.- С. 57-bI.

22. Об улучшении газодинамических характеристик шихтовых материалов в процессе загрузки доменных печей / Е.Г. Донсков, А.Д. Учитель, И.Г. Ризницкий и др. // Сталь.- 1980.- Ш.-С. 552-559.

23. Влияние параметров струи дутья и слоя кокса на длину фурменной зоны циркуляции / Е.Г. Донсков, Г.а. Воловик, H.a. Гладков //^Металлургическая и горнорудная промыпшен-

24. Работа доменных печей при смешивании агломерата с окатышами в процессе их загрузки / Е.Г. Донсков, И.Г. Ризницкий, Р. Д. Каменев и др. //Интенсификация процессов доменной плавки и освоение печей большого объема,- М: Металлургия.-1981,- С. 35-39.

25. 0 работе доменных печей на фурмах разной формы и площади выходного сечения. Сообщения I и 2 / Б.В. Боклан, Е.Г. Донсков, В.М. Гладуш и др. // Известия вузов. 4M.- 1981.--.

№3.- С. 31-33; т.- С. 30-32.

26. Донское Е.Г., Лялюк В.П. О кинетической энергии дутья и ее елиянии на размеры зон горения у фурм доменной печи // Сталь.- 1981,- Ш. С. 9-12.

27. Работа доменной печи на фурмах различного диаметра с использованием освобожденного от мелочи высокоосновного агломерата / Е.Г. Донское, В.П. Лялюк, Р.Д. Каменев и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 1982,-

№3.— С. 7—9.

28. Донское Е.Г. Анализ связей потребностей доменной плавки в углероде-восстановителе и в углероде-источнике тепла с общим расходом углерода и степенью прямого восстановления окислов железа // Металлургия и коксохимия: Респ. межвед. научно-техн. сб.- Киев: Техника.- 1982,- Вып. №75.- С.60-76.

29. Донсков Е.Г., Каменев Р.Д. Определение расхода кокса без учета степени прямого восстановления окислов железа // Металлургия и коксохимия: Респ. межвед. научно-техн. сб.- Киев: Техника.- 1982,- Вып. Ш5.- С. 77-80.

30. Реализация набора двух скипов шихты в распределитель типового загрузочного устройства доменной печи / Д.А. Сторожик. В.Д. Сергиенко, О.И. Демин, Е.Г. Донсков и др. // Сталь.-1982.- №2.- С. 29-32.

31. Донсков Е.Г., Боклан Б.В., Фомин Л.Д. Исследование взаимосвязей .распределения газа по радиусу и окружности доменных печей// Проблемы автоматизированного управления доменным производством.- ЦНИИ ТЭИ приборостроения.- 1983,- С. 10-П.

32. Исследование окружного распределения материалов при разлг ч-ных режимах работы ВРШ / Е.Г. Донсков, Л.Д. Фомин, В.П. Гл-люк^и д||£ //^Металлургическая и горнорудная промышленность.--

33. Донсков Е.Г. Исследование влияния количества станций типового вращающегося распределителя шихты на равномерность

аспределения материалов по окружности печи. Сообщения I и //Известия вузов. 4M.- 1984.- т.-С.20-25; №8.-C.3I-3b\

34. Влияние количества и диаметра воздушных фурм на газопроницаемость стационарного слоя / Е.Г. Донсков, В.П. Лялюк, H.A. Гладков и др. // Известия вузов. ЧМ.-1985.- Ш.- С. 21-25.

35. Эффективность использования повышенного давления в современных условиях доменной плавки / Е.Г. Донсков, Р.Д. Каменев, В.П. Лялюк и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 1987.- №1,- С. 12-14.

36. Донсков Е.Г. Совершенствование газораспределения в горне доменных печей. Сообщения I и 2 // Известия вузов. ЧМ.-1987.- НО.- С. 17-20; JH2.- С. 24-29.

37. Донсков Е.Г. Эффективность использования доменной печи как нагревательного аппарата // Металлургия и коксохимия: Респ. межвед.научно-техн.сб.-Ки ев:Техника.-1988.-Вып. Ж38.-С.55-60.

38. Совершенствование технологии плавки на доменной печи объемом 2000 м° после капитального ремонта / Е.Г. Донсков, В.П. Лялюк, И.И.Дышлевич и др.//Бюллетень ЦНИИЧМ.-1990.-Я9.-С.45-46.

39. Донсков Е.Г. Анализ перспектив снижения расхода кокса в доменном процессе // Известия вузов.ЧМ.- 1990.-М.- С.10-13.

По теме диссертации получены авторские свидетельства СССР

№№ 663641, 7I39I9, 922153, 926016, 1068484, II74094, 1206311,

1527268, 1669988, 1678844! » 4f •