Повышение эффективности работы воздушных фурм доменных печей
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Инфра-Инженерия
Авторы:
Радюк Александр Германович, Титлянов Александр Евграфович, Левицкий Игорь Анисимович, Скрипаленко Михаил Михайлович, Сайфуллаев С. Д.
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 216
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-0581-2
Артикул: 766578.01.99
Изложено применение газотермических и шликерных покрытий, а также теплоизоляционных материалов для повышения стойкости воздушных фурм доменных печей и снижения тепловых потерь через их поверхность. Представлены результаты моделирования тепловых и газодинамических процессов, а также напряженного состояния в воздушных фурмах с использованием современного программного обеспечения. Рассмотрены мероприятия по улучшению смешивания природного газа, пылеугольного топлива и горячего дутья для более полного сгорания топлива. Для инженерно-технического персонала металлургических предприятий, а также студентов металлургических специальностей.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.04.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВОЗДУШНЫХ ФУРМ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ Монография Москва Вологда « Инфра-Инженерия» 2021
УДК 669.18 ББК 34.22 П42 Авторы: А. Г. Радюк, А. Е. Титлянов, И. А. Левицкий, М. М. Скрипаленко, С. Д. Сайфуллаев П42 Повышение эффективности работы воздушных фурм доменных печей : монография / [А. Г. Радюк и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 216 с. ISBN 978-5-9729-0581-2 Изложено применение газотермических и шликерных покрытий, а также теплоизоляционных материалов для повышения стойкости воздушных фурм доменных печей и снижения тепловых потерь через их поверхность. Представлены результаты моделирования тепловых и газодинамических процессов, а также напряженного состояния в воздушных фурмах с использованием современного программного обеспечения. Рассмотрены мероприятия по улучшению смешивания природного газа, пылеугольного топлива и горячего дутья для более полного сгорания топлива. Для инженерно-технического персонала металлургических предприятий, а также студентов металлургических специальностей. УДК 669.18 ББК 34.22 ISBN 978-5-9729-0581-2 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ....................................................8 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОТЫ ВОЗДУШНЫХ ФУРМ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ...............................9 1.1. Причины выхода из строя воздушных фурм...............9 1.2. Продление срока службы фурм.........................10 1.3. Уменьшение теплоотвода через поверхность дутьевого канала и рыльной части..........................................12 1.4. Возможность замены кокса природным газом............13 1.5. Замена кокса пылеугольным топливом..................14 1.6. Выводы..............................................15 2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................16 2.1. Газотермическое напыление...........................16 2.2. Подготовка образцов для исследования................21 2.3. Элементный и рентгеноструктурный фазовый анализ диффузионного слоя.......................................21 2.4. Теплопроводность диффузионного слоя.................22 2.5. Прочность сцепления покрытия с основой..............22 2.6. Измерение толщины диффузионного слоя и микротвердости.......24 2.7. Оценка износостойкости диффузионного слоя...........24 2.8. Оценка жаростойкости образцов.......................26 2.9. Контроль тепловых потерь и снижение расхода кокса...27 2.10. Расчет толщины диффузионного слоя в системе «основа-покрытие»........................................28 3. НАПЫЛЕНИЕ АЛЮМИНИЕВОГО ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ВОЗДУШНЫЕ ФУРМЫ................................31 3.1. Изучение структуры и элементного состава медно-алюминиевого диффузионного слоя......................................31 3.2. Исследование свойств медно-алюминиевого диффузионного слоя.32 3.3. Создание защитного слоя на воздушных фурмах с использованием алюминиевого покрытия для ДП-5 ПАО «Северсталь».........36 3.3.1. Напыление покрытия методом электродуговой металлизации на опытную партию фурм...................36 3
3.3.2. Исследование влияния покрытия на стойкость воздушных фурм 38 3.3.3. Исследование тепловых потерь через поверхность воздушных фурм............................................40 3.3.4. Нанесение алюминиевого покрытия на наружную поверхность и со стороны дутьевого канала.................42 3.4. Повышение стойкости и снижение тепловых потерь на воздушных фурмах ДП-4 ПАО «Северсталь»...................45 3.5. Выводы.................................................45 4. НАПЫЛЕНИЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА ВОЗДУШНЫЕ ФУРМЫ.............................................46 4.1. Исследование влияния оксида алюминия на состав и свойства медно-алюминиевого диффузионного слоя.......................46 4.1.1. Улучшение свойств медно-алюминиевого диффузионного слоя путем добавления к алюминию оксидов алюминия........46 4.1.2. Распределение элементов в диффузионном слое.......47 4.1.3. Рентгеноструктурный фазовый анализ поверхностного слоя.48 4.1.4. Толщина диффузионного слоя........................49 4.1.5. Теплопроводность и тепловое сопротивление.........49 4.1.6. Износостойкость...................................50 4.1.7. Жаростойкость.....................................51 4.2. Создание диффузионных слоев на меди в защитной среде...52 4.2.1. Микроструктура....................................52 4.2.2. Микрозондовое исследование........................54 4.2.3. Микротвердость....................................56 4.3. Создание защитного слоя на воздушных фурмах и их испытание на ДП-6 ПАО «НЛМК»..........................................57 4.4. Разработка технического решения по нанесению оксида алюминия на фурмы...........................................60 4.5. Выводы.................................................60 5. НАПЫЛЕНИЕ НИКЕЛЕСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ВОЗДУШНЫЕ ФУРМЫ.............................................61 5.1. Исследование диффузионных процессов в системе «Си основа - газотермическое покрытие, содержащее Al, Ni, Cr»....61 5.1.1. Методика проведения исследований..................61 5.1.2. Исследование структуры поверхности меди с газотермическими покрытиями............................62 5.1.3. Влияние алюминия на диффузию никеля и хрома в медь при нанесении и термообработке газотермических покрытий.......63 4
5.1.4. Расчет толщины диффузионного слоя в системе «Си основа - Al/Ni газотермическое покрытие»...........66 5.1.5. Оценка адгезии поверхностного слоя на меди.....70 5.2. Металлографические исследования поверхностного слоя на меди после напыления никельсодержащих покрытий на Cu-Al диффузионный слой........................................71 5.3. Оценка влияния АД1/НП2 покрытий на время проплавления деталей из меди при попадании на них жидкого чугуна......72 5.4. Практика эксплуатации фурм с никельсодержащими покрытиями в доменном цехе ПАО «Северсталь»...............74 5.5. Практика эксплуатации фурм с никельсодержащими покрытиями в доменном цехе ПАО «НЛМК»....................76 5.6. Выводы..............................................77 6. НАНЕСЕНИЕ ШЛИКЕРНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ АЛЮМОХРОМОФОСФАТНОЙ СВЯЗКИ..................................78 6.1. Влияние покрытия на основе алюмохромофосфатной связки на диффузионные процессы между алюминиевым покрытием и основой.................................................78 6.2. Улучшение свойств поверхностного слоя на меди с использованием АХФ покрытия.............................79 6.3. Нанесение АХФ покрытия на Си-Al диффузионный слой....82 6.4. Практика эксплуатации фурм с АХФ покрытием в доменном цехе ПАО «Северсталь».........................82 6.5. Выводы..............................................84 7. НАНЕСЕНИЕ ШЛИКЕРНЫХ БОРСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ................85 7.1. Свойства борсодержащих покрытий.....................85 7.2. Лабораторные исследования диффузионного слоя на меди.86 7.3. Варианты нанесения борсодержащих покрытий на фурмы...90 7.4. Промышленные испытания фурм с борсодержащими покрытиями .... 91 7.5. Выводы..............................................95 8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОЗДУШНОЙ ФУРМЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ.........................................96 8.1. Расчет коэффициентов теплоотдачи поверхностям фурмы.96 8.2. Методика расчета тепловых потерь и температуры внутреннего стакана воздушной фурмы..................................99 8.3. Использования программного комплекса DEFORM-2D для моделирования теплового и напряженного состояния воздушной фурмы доменной печи...........................100 5
8.4. Использования программного комплекса Ansys для моделирования теплового и напряженного состояния воздушной фурмы.......................................101 9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВСТАВКИ ИЗ УГЛЕРОДНОЙ ТКАНИ В ВОЗДУШНУЮ ФУРМУ........................................103 9.1. Расчет коэффициентов теплоотдачи поверхностям фурмы....103 9.2. Расчет тепловых потерь для фурмы с муллитокорундовой массой................................................103 9.3. Преимущества вставки из углеродной ткани с SiC-покрытием в дутьевой канал фурмы................................104 9.4. Испытание вставки из углеродной ткани в промышленных условиях..............................................105 9.5. Выводы...........................................107 10. РАЗРАБОТКА КЕРАМИЧЕСКОЙ ВСТАВКИ В ДУТЬЕВОЙ КАНАЛ ВОЗДУШНОЙ ФУРМЫ.........................108 10.1. Моделирование теплового состояния фурмы в среде Excel.108 10.2. Компьютерное моделирование динамики нагрева воздушной фурмы в среде DEFORM-2D.....................114 10.3. Учет реальных условий эксплуатации воздушных фурм с использованием среды Ansys..........................120 10.4. Результаты моделирования и их анализ............123 10.5. Изготовление керамической вставки для воздушной фурмы.128 10.6. Испытания воздушных фурм с керамической вставкой в промышленных условиях...............................130 10.7. Выводы..........................................136 11. ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ КЕРАМИЧЕСКОЙ ВСТАВКИ...................137 11.1. Изготовление вставки из двух частей, с бандажом и шликерным покрытием.................................137 11.2. Результаты моделирования и их анализ............141 11.3. Установка вставки в дутьевой канал после сборки фурмы.145 11.4. Приклеивание кремнеземистой ткани на наружную поверхность вставки...................................147 11.5. Технические решения для повышения стойкости вставки...148 11.6. Выводы..........................................150 12. УЛУЧШЕНИЕ СМЕШИВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ГОРЯЧЕГО ДУТЬЯ.........................................151 12.1. Вывод трубочки для подачи природного газа до середины дутьевого канала......................................151 6
12.2. Результаты моделирования и их анализ............153 12.3. Ступенька в дутьевом канале.....................157 12.4. Обсуждение результатов моделирования............159 12.5. Использование выступа под газовым патрубком, бандажа и завихрителя.................................162 12.6. Выводы..........................................168 13. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ФУРМЫ.............169 13.1. Теплоизоляция торца рыльной части с использованием керамического диска...................................169 13.1.1. Компьютерное моделирование теплообмена в DEFORM-2D.........................................169 13.1.2. Разработка технического решения по теплоизоляции торца рыльной части.................................173 13.1.3. Промышленные испытания фурм с теплоизоляцией торца рыльной части.................................174 13.2. Приклеивание огнеупорной ткани к рыльной части..175 13.3. Теплоизоляция наружного стакана и боковой поверхности рыльной части.........................................177 13.4. Выводы..........................................186 14. СОВМЕСТНАЯ ПОДАЧА ПРИРОДНОГО ГАЗА И ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА..................................187 14.1. Влияние параметров пылеугольного топлива на тепловой баланс в дутьевом канале..................187 14.2. Влияние параметров конструкции фурмы на тепловой баланс в дутьевом канале..................193 14.3. Выводы..........................................198 ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................199 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................201 7
ВВЕДЕНИЕ Воздушные фурмы являются одним из важнейших элементов конструкции доменной печи, определяющих эффективность ее работы; выход фурм из строя влечет за собой необходимость остановки печи для замены разрушенной фурмы. Простои печи по этой причине приводят к существенному снижению выплавки чугуна и увеличению расхода кокса. Известно, что на воздушные фурмы приходится 30% всех тепловых потерь в печи. При этом в обычных условиях работы доменной печи через рыльную часть, наружный и внутренний стаканы фурмы поступает соответственно 18, 36 и 46% [1], а по данным [2] - 60% суммарного теплового потока. Об этом свидетельствуют экспериментальные данные по работе доменных печей ПАО «Северсталь» и ПАО «НЛМК». Поэтому проблема повышения стойкости и снижение тепловых потерь через поверхность воздушных фурм является актуальной. В книге представлен опыт авторов по применению газотермических и шликерных покрытий, а также теплоизоляционных материалов в доменном производстве в условиях ПАО «Северсталь» и ПАО «НЛМК». Покрытия и теплоизоляцию использовали в доменном производстве для защиты от износа и прогара воздушных фурм, а также снижения тепловых потерь через их поверхность. Особое внимание уделено моделированию тепловых и газодинамических процессов, а также напряженного состояния в воздушных фурмах с использованием программных комплексов Excel, DEFORM—2D и Ansys. Предложены мероприятия по улучшению смешивания природного газа, пылеугольного топлива и горячего дутья для более полного сгорания топлива. Книга предназначена для инженерно-технического персонала металлургических предприятий, а также студентов вузов металлургических специальностей. 8
Глава 1 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОТЫ ВОЗДУШНЫХ ФУРМ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ 1.1. Причины выхода из строя воздушных фурм Известно, что передняя часть фурмы, находящаяся в рабочем пространстве доменной печи (рисунок 1.1), подвергается термическому, механическому и химическому воздействию газовой, жидкой и твердой фаз [3]. Рис. 1.1 - Условия работы воздушных фурм: 1 — холодильники печи; 2 — гарнисаж; 3 — воздушная фурма; 4 — фурменный холодильник; 5 — амбразура; 6 - сопло; 7 — кладка горна 9
Основными причинами выхода воздушных фурм из строя являются: прогар рыльной части, трещины по сварке и износ наружного стакана. Если первая причина выхода определяется преимущественно нарушением технологии плавки, вторая - качеством сварного соединения, то последняя - износостойкостью материала фурмы, а именно износостойкостью поверхностного слоя. Прогар рыльной части является самой непредсказуемой причиной замены воздушных фурм и может произойти в любой момент времени их эксплуатации при попадании на поверхность фурм жидкого чугуна. Доля фурм, выведенных из эксплуатации по прогару, составляет в среднем 70-75% от общего числа замененных фурм. Механизм прогара фурм состоит в следующем. Жидкий чугун, попадая на охлаждающую поверхность, вызывает резкое повышение температуры стенки, а также образование устойчивой паровой пленки, изолирующей поверхность фурмы в месте контакта от массы воды. В результате резкого ухудшения теплообмена температура стенки в зоне контакта повышается до температуры плавления меди, и фурма прогорает [4]. Трещины по сварным швам происходят преимущественно в начальный момент времени эксплуатации фурм при нарушении технологии сварки. Возможны трещины по внутреннему стакану, возникающие также в основном на начальной стадии работы фурм из-за использования некачественной меди. Износ наружного стакана является наиболее ожидаемой причиной замены фурм и возникает в зависимости от объема печи и условий ее работы через 3-6 месяцев их эксплуатации. Фурмы, находясь в зоне максимальных температур, подвергаются непрерывному истирающему действию шихтовых материалов, приводящему к их износу. При анализе посвященной воздушным фурмам литературы можно выделить два направления их модернизации: первое - увеличение срока службы, второе - снижение тепловых потерь. Кроме того, представляет интерес вопросы замены кокса природным газом и пылеугольным топливом. 1.2. Продление срока службы фурм Среди разработок, повышающих стойкость фурм, можно отметить следующее [5]. По износу: - создание диффузионного слоя толщиной 0,5-2,0 мм на основе алюминиевых соединений на поверхности медной фурмы [6] с высокой степенью адгезии. Однако диффузионный метод создания защитных покрытий из порошковых смесей отличается низкой производительностью; - нанесение газотермических покрытий на поверхность фурмы из жаростойких материалов, включая оксиды и их смеси [7]. Для увеличения толщины защитного покрытия газопламенным напылением наносят слой 10
толщиной 5 мм из оксидов или их смесей с примесью 4±0,2% диоксида титана. Затем газопламенным напылением наносят слой диоксида циркония толщиной 0,2 мм. Однако такое покрытие характеризуется недостаточной адгезией, что может привести к его отслоению. По прогару: - интенсификация охлаждения рыльной части фурмы: размещение сопла или сопел, из которых поступает вода в полость фурмы, как можно ближе к рыльной части, и завихрение водяного потока [8]; разделение полости фурмы на части таким образом, чтобы вода в первую очередь охлаждала наиболее теплонапряженные части фурмы [9, 10], включая разделительные винтовые ребра [11]; облицовка проволочной сеткой поверхности теплообмена для армирования огнеупора [12]; - создание защитного слоя на рыльной части фурмы. В этом случае важное значение приобретает решение проблемы прочности сцепления защитного слоя с основой. Предлагаются различные решения данной проблемы, например, изготовление пазов определенных размеров на поверхности фурмы, в которые укладывается защитное покрытие [13]; - установка внутри корпуса фурмы керамических вставок различной формы: выступающих за пределы водоохлаждаемого корпуса [14]; вместо рыльной части на наружной поверхности конического стакана меньшего диаметра выполнено огнеупорное покрытие в виде стакана, являющееся продолжением наружного конического стакана корпуса [15]; наклон дутьевого канала создают путем нанесения защитного покрытия эксцентрично оси корпуса с максимальным эксцентриситетом на срезе рыльной части фурмы, причем наибольшую толщину покрытия наносят со стороны подвода природного газа [16]; - утолщение рыльной части (толщина рыльной части достигает 30 мм). Для гашения тепловых концентрированных ударов жидких масс чугуна верх рыльной части может быть утолщен до 90 мм [17]. Исследованию прогара воздушных фурм, как одной из основных причин их замены, также посвящены работы [18-20]. В настоящее время данная проблема решается нанесением газотермических покрытий и теплоизолирующих материалов с низкой теплопроводностью на рабочую поверхность фурмы [21-24] и др. Трещины сварного шва: - защита сварного шва вокруг патрубка для подачи природного газа слоем теплоизоляционной футеровки [25]; - защита сварного шва между рыльной частью и внутренним стаканом со стороны дутьевого канала при помощи цилиндрической выборки с теплоизоляционной футеровкой [26]; 11
- для защиты сварного шва между рыльной частью и наружным стаканом наносят более толстое газотермическое покрытие, чем на остальную часть фурмы [27], или проводят плазменную наплавку защитного слоя определенных размеров [28]. 1.3. Уменьшение теплоотвода через поверхность дутьевого канала и рыльной части Предложены различные технические решения по созданию теплоизоляции, снижающей термические нагрузки на фурму со стороны горячего дутья и, соответственно, снижающие потери тепла с охлаждающей водой. По данным [29] уменьшение теплоотвода через поверхность дутьевого канала достигается путем повышения чистоты поверхности внутреннего стакана, обращенной в рабочий канал фурмы. Но в большинстве случаев эту задачу решают за счет использования материалов с низким коэффициентом теплопроводности в виде набивной массы, обмазки или установки вставки со стороны дутьевого канала. В работах [30, 31] предложено изготавливать облицовку внутреннего стакана и рыльной части из железохромоалюминиевого сплава толщиной 1-1,5 толщины стенки корпуса методом литья в песчаную форму. Уменьшение теплоотвода через поверхность дутьевого канала достигали также путем использования набивной муллитокорундовой массы с низкой теплопроводностью на стенках дутьевого канала [32]. В работе [33] внутренняя поверхность фурмы была снабжена жаростойким экраном. В работе [34] уменьшение теплоотвода через поверхность дутьевого канала и рыльной части достигается с помощью экранирующей вставки из жаропрочного металла, между которой и внутренним стаканом создан вакуум, а в [35] также с помощью вкладыша в рыльную часть дутьевого канала. Предлагается использование жаропрочной кольцевой вставки в рабочем канале фурмы, через которую для подогрева поступает природный газ прежде, чем смешаться с дутьем [36]. Для более значительного снижения тепловых потерь предлагается изготавливать внутреннюю часть вставки в воздушную фурму из материала, содержащего порядка 90% SiC и имеющего пористость 3-17%. Наружная часть вставки выполнена из монолитного огнеупора на основе Al2()₂ SiO2 с теплопроводностью < 5,82 Вт/(м-К) [37]. При этом суммарная толщина вставки и зазора между ней и стенкой канала соизмерима с толщиной стенки канала. Такие двухслойные вставки обладают относительно низкой теплопроводностью и высокими механическими свойствами. Карбид кремния химически инертен по отношению к большому количеству различных агентов, и, в частности, обладает хорошим 12
сопротивлением окислению до температур 1200 °C. При более высоких температурах слой на основе Al₂O₃-SiO₂ защищает слой из SiC от окисления [38]. Учитывая допустимую толщину и низкую теплопроводность керамических материалов, вставку можно принять в качестве перспективного решения проблемы снижения тепловых потерь на воздушных фурмах. В настоящее время данная проблема решается футеровкой огнеупорами со стороны дутьевого канала [39-41]. 1.4. Возможность замены кокса природным газом Воздушные фурмы относятся к важнейшим элементам конструкции доменной печи, определяющим эффективность ее работы. Через них в доменную печь поступает природный газ и горячее дутье, обогащенное кислородом. Применение природного газа позволяет снизить количество кокса, необходимое для получения чугуна. При этом коэффициент замены уменьшается с увеличением количества подаваемого природного газа. Выполненные аналитические исследования показали, что величина коэффициента замены кокса природным газом при расходе последнего 90-100 м³/т и теоретической температуре горения 2100-2200 °C составляет около 1,0 кг/м³, а при расходе природного газа 180-200 м³/т и теоретической температуре горения 1900-2000 °C - снижается на 0,3 кг/м³ [42, 43]. Значение коэффициента замены кокса природным газом зависит от эффективности его смешения с дутьем [44]. Лучшее, с энергетической точки зрения, использование природного газа в доменной печи может быть получено при неполном его сжигании до монооксида углерода и водорода в условиях предварительного перемешивания с кислородом, т. е. при организации диффузионнокинетического режима сжигания газа. При этом количество восстановительных компонентов в печи возрастает, а эффект охлаждения горна уменьшается до минимума. Для подготовленных метано-кислородных смесей продолжительность реакций окисления составляет около 3 • 10⁻³ с, что позволяет рассчитывать на окончание горения природного газа непосредственно у устья фурмы. По условиям взрывобезопасности возможна концентрация кислорода в газокислородной смеси до 40% при скоростях истечения 2,5-3 м/с и выше [45]. В обычной фурме природный газ прижимается к поверхности дутьевого канала потоком горячего дутья и плохо смешивается с ним, что приводит к неполному сжиганию природного газа и его пиролизу. Поэтому проблема полноты сжигания природного газа является актуальной [46]. Основным направлением решения данной проблемы является улучшение перемешивания природного газа и горячего дутья различными способами: - подача природного газа в нескольких местах, например, по двум трубочкам [47, 48]; 13
- установка завихрителя в дутьевом канале [49] или резкое изменение диаметра дутьевого канала [47, 50]; - воздействие акустических [51] или механических [52] колебаний на струю природного газа. Эффективным способом повышения роли применяемого природного газа оказался его предварительный подогрев [53, 54]. Одним из способов улучшения перемешивания природного газа и горячего дутья является вывод газового патрубка в дутьевой канал [55]. Однако для этого варианта недостаточно изучены газодинамика и изменение теплового состояния фурмы; необходимо также учитывать возможность воспламенения природного газа уже внутри фурмы. 1.5. Замена кокса пылеугольным топливом В условиях высоких цен на кокс вполне очевидна необходимость его частичной замены на иные источники теплоты. Одним из перспективных и эффективных технологических мероприятий при выплавке чугуна является применение пылеугольного топлива (далее ПУТ). В промышленных условиях доказана возможность вдувания до 250 кг ПУТ на одну тонну чугуна, а также замены им до 30-40% кокса без использования природного газа [56, 57]. По данным других источников, ПУТ позволяет снизить расход кокса на 150-200 кг/т чугуна [58]. Для достижения оптимальных показателей при вдувании ПУТ необходимо улучшать процесс горения частиц пыли с обеспечением максимальной степени ее сжигания в фурменной зоне [59]. Неполнота сгорания ПУТ, особенно при больших расходах, обусловливает снижение коэффициента замены им кокса и повышение содержания углерода в продуктах плавки. Кроме того, снижается интенсивность плавки в результате ухудшения газодинамических характеристик слоя шихты и, как следствие, снижения производительности печи [60-62]. Вдувание ПУТ в горн доменной печи сопровождается ростом производительности, если выполнены мероприятия, способствующие полноте сжигания пылеугольного топлива в фурменной зоне печи (увеличение температуры дутья и расхода кислорода, улучшение качества шихтовых материалов и др.). Процесс выгорания частиц угля характеризуется наличием четырех стадий: разогрева частицы до начала выделения летучих веществ, выхода и горения летучих веществ, дальнейшего разогрева и воспламенения углерода, выгорания углерода [63, 64]. Летучие вещества существенно облегчают процесс воспламенения топлива. Частицы пыли, попадая в канал фурмы, прогреваются, выделяют летучие вещества, которые, смешиваясь с окружающими газами, образуют горючую 14
смесь. Данная смесь воспламеняется и приводит к горению самих частиц. Температура воспламенения углей с высоким содержанием летучих веществ составляет порядка 500 К. Продолжительность процесса выделения и воспламенения летучих веществ зависит от их содержания в исходном угле для ПУТ, размера сжигаемых частиц и температуры окружающей газовой среды. Рост содержания летучих веществ и укрупнение частиц увеличивают продолжительность процесса дегазации; при повышении температуры окружающей газовой среды длительность выделения и сгорания летучих веществ уменьшается. С уменьшением содержания летучих веществ время воспламенения и выгорания углерода ПУТ увеличивается. Это вызвано тем, что, выделяясь, летучие вещества образуют микропоры, и углерод легче окисляется [65]. С вдуванием ПУТ качественно изменяется тепловая работа доменной печи, главным образом из-за появления в фурменной зоне светящегося факела, возникающего в результате горения мельчайших частиц ПУТ с образованием облака плавящихся и расплавленных частиц золы, которые становятся источником интенсивного теплового излучения, что сказывается на увеличении тепловых нагрузок на воздушные фурмы, на их сроке службы, устойчивости газодинамического режима плавки и ее технико-экономических показателях [66-69]. Для более полного сгорания ПУТ в фурменной зоне важно обеспечить более эффективный нагрев частиц, выделение и воспламенение летучих веществ уже в дутьевом канале фурмы. 1.6. Выводы Для совершенствования работы воздушных фурм доменных печей необходимо разработать мероприятия, направленные на: - увеличение их срока службы; - снижение тепловых потерь через их поверхность; - улучшение смешивания природного газа и горячего дутья; - определение параметров рациональной подачи пылеугольного топлива. 15