/
Author: Товарский И.Г.
Tags: металлургия черных металлов железо, чугун и сталь металлургия обработка металлов монография черная металлургия доменной процесс
ISBN: 978-966-525-975-6
Year: 2009
Text
И.r ТОВАРОВСКИИ
,
OMF Н
ИЛА
2.е и 1
I
,
,
.
.
,
.
-
-
.
.
, t
. '.
И.r. ТОВАРОВСКИИ
ДОМЕННАЯ ПЛАВКА
Моноrрафия
2 e ИЗДАНИЕ
ДОПОЛНЕННОЕ И УТОЧНЕННОЕ
ДнiпропеТрОБСЬК
"пороrи"
2009
ББК 34.323
УДК 669.162.26
Т 50
Рецензенти:
заслужений дiяч науки i технiки Укра"iни, академiк НАН Укра"iни, доктор технiчних
наук, професор в.л. Найдек;
заслужений дiяч науки i технiки У кра"iни, член кор. НАН У кра"iни, доктор технiч
них наук, професор r.r. €фiменко.
Рассмотрен широкий Kpyr вопросов металлурrии чуrуна в контексте эволюции
доменной плавки и её cOBpeMeHHoro состояния. Дается анализ процессов, парамет..
ров, показателей плавки и современных достижений доменноrо производства. При
водятся методические разработки по анализу реальноrо производства, моделирова
нию процессов плавки и проrнозу ожидаемых перспектив.
Эволюционное развитие металлурrической технолоrии, трактуемое иноrда как
"консерватизм", приносит столь плодотворные результаты, что с ними не MorYT KOH
курировать результаты самых '''радикальных'' новых технолоrий. На основе paCCMOT
рения указанной эволюции в части техническоrо развития и познания выполнен aHa
лиз процессов в большой системе ""доменная плавка" и предпринята попытка дать
научное объяснение рассматриваемому феномену с определением дальнейших путей
развития металлурrии железа.
Второе издание дополнено новыми материалами во всех rлавах и двумя новыми
rлавами (4 и 5).
Книrа предназначена для широкоrо Kpyra специалистов черной металлурrии и
смежных с ней областей, а также студентов высших учебных заведений металлурrи..
ческоrо, экономическоrо и управленческоrо профилей.
ISBN 978..966..525..975..6
@ Товаровський Й.r., 2009
Товаровский Иосиф rриrорьевич
доктор технических наук, профессор, академик Академии ropHbIx наук Украины,
лауреат премии НАН Украины, автор 360 научных работ, вт. ч. 11 моноrрафий, 10
брошюр и 65 изобретений. Направления научной деятельности: системный анализ
процессов и перспектив развития доменной плавки, нетрадиционные технолоrии.
Предыдущие моноrрафии:
]. rоваровский и.r., Ка:\1енев Р.Д., Рабинович r.Б. Доменная плавка в мощных печах.
Москва: Мета.lлурrия, ] 968. 1 ] 6 с.
2. Применение математических методов и ЭВМ дЛЯ анализа и управления доменным
процессом / и.r. Товаровский, Е.И. Райх, К.К. Шкодин, В.А. У лахович Москва: Металлур
rия, ] 978. 264 с.
3. Товаровский и.r. Совершенствование и оптимизация параметров доменноrо процес..
ca. Москва: Метал..lурrия, 1987. 192 с.
4. Доменная плавка с вдуванием KOKcoBoro rаза / В.Ф. ПШllИНСКИЙ, и.r. Товаровский,
П.Е. Кова.lенко, II.r. Бойков. Киев: Техника, 1991. 104 с.
5. Получение и применение продуктов rазификации уrля в доменной плавке / и.r. To
варовский, и.и. Солодкий, и.я. ТОЛ:\1ачев и др. Москва: Черметинформация, 1992. 1 О 1 с.
6. Товаровский и.r., Севернюк В.В., ЛЯ..1ЮК В.П. Анализ показателей и процессов домен..
ной плавки. Днепропетровск: Пороrи, 2000. 420 с.
7. Товаровский и.r., Лялюк B.I 1. Эволюция доменной плавки. Днепропетровск: Пороrи,
2001. 424 с.
8. Товаровский и.r. Доменная плавка. Эволюция, ход процессов, проблемы и перспек..
тивы. Днепропетровск: Ilороrи, 2003. 597 с.
9. Познане процессов доменной плавки: Под редакцией Большакова в.и. и To
BapoBcKoro H.r.! Коллективный труд,,,Днепропетровск : «Пороrи», 2006... 439 с.
10. Коксозамещающие технолоrии в доменной плавке. Под редакцией профес..
сора и.r. TOBapoBcKoro / В.П.Лялюк, н.r.Товаровский, Д.А.Демчук и др."
Днепропетровск: «Пороrи», 2006... 276 с.
] 1. Антрацит и термоантрацит в шихте доменной плавки / В.П.Лялюк,
и.r.Товаровский, Д.А.Демчук и др." Днепропетровск: «Пороrи», 2008... 245 с.
ПОСВЯЩЕНИЕ
Металла в доменной печи рождение
Чудесное природы превращение,
Продукт труда и воли напряжения,
Сплав опыта, науки и терпения,
Плод одержимости, любви и вдохновения.
Питаемый любовью от рождения
Счастливый автор этоrо произведения
Свое предпосылает посвящение
Истоку творческоrо одухотворения
Любви высокой емкости в три поколения:
ФАИНЕ маме, освятившей жизни откровения,
Супруrе НОННЕ, подарившей счастье единения,
И нашей [РЕТТЕ, воплотившей мира продолжение.
Содер.Ж'GНlIе
Содержание
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7
1. РАЗВИТИЕ ТЕхнолоrии И ПОЗНАНИЕ ПРОЦЕССОВ...................... 9
1.1. Очерк развития технолоrии, arperaToB и оборудования... . .. . . . . .. . . .. . . . .. . ... 9
1.2. Эволюция познания процессов........................................................ 33
2. ПОКАЗА ТЕЛИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ.............................................. 131
2.1. Сравнение показателей................................................................. 131
2.2. Балансовые методы анализа................................................... . . . . . ... 136
2.3. Методические приемы анализа....................................................... 147
2.4. Система учета и анализа показателей............................................... 169
2.5. П роrноз показателей плавки.......................................................... 176
3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕхнолоrии НА ПОКАЗАТЕЛИ ПЛАВКИ 201
3. 1. Шихта и продукты плавки............................................................. 201
3.2. Дутьевые добавки...... ............ .. ....... ......... ... ... ............ ......... ...... ... 212
3.3. Обоrащение кислородом, увлажнение и HarpeB дутья......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
3.4. Интенсивность плавки, стабильность параметров и размеры arperaTOB.. ... 239
3.5. Нормативная оценка показателей.................................................... 265
4. КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕтноrо АНАЛИЗА ПЛАВКИ........ 274
4.1. Мноrозонный анализ процессов по высоте и радиусу доменной печи....... 275
4.2. Алrоритм решения задачи мноrозонноrо баланса................................ 297
4.3. Характеристика системы и проrраммное обеспечение.......................... 301
5. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМОВ
ou'
ДО М Е Н Н О И ПЛА В КИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 3 03
5.1. Адаптация модели и пробные расчеты.............................................. 303
5.2. Аналитическая оценка технолоrической эффективности применения бес..
конусных заrрузочных устройств... .. . .. . .. . .. . . . . ... ... . . . . . . . .. . . . . .. . ... . . . .. . . .. . .. .. 318
5.3. Распределение рудных наrрузок по радиусу печи................................ 323
5.4 Аналитическое исследование зоны размяrчения и плавления при измене
нии параметров плавки, распределения рудных наrрузок и формировании OT
ду ш и н . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
5.5 Анализ текущих и перспективных режимов доменной плавки................ 373
6. ПАРАМЕТРЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНоЛоrИЕЙ.................................... 390
6.1. Оценочные параметры ..... ................ ... ...... ...... ............ ......... ...... ... 390
6.2. Тепловой режим плавки и динамика переходных процессов............... ... 400
6.3. Использование дутьевых добавок ................................................... 432
6.4. Замена кокса антрацитом. . . .. .... .. . .. . .. . .. . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . .. .... .. . .. .......... 464
6.5. Оптимизация параметров. .......................................................... .... 486
7. МАЛОКОКСОВАЯ ТЕхнолоrия ДОМЕННОЙ ПЛАВКи................... 508
7.1. Предпосылки замены кокса уrлем......... ...... ......... ..... .... ... ......... ...... 508
7.2. Аналитические исследования процессов rазификации уrля и вдувания
продуктов rазификации в доменную печь............................................... 521
7.3. Экспериментальные исследования процессов rазификации уrля и
малококсовой технолоrии доменной плавки............................................ 558
7.4. Технические решения по реализации новой технолоrии и анализ
пер с п е кт и в . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 74
7.5. Предельный расход кокса в доменной плавке..................................... 600
8. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ БЕСКОКСОВОЙ ТЕХНолоrИИ.......... 604
8.1. Предпосылки и развитие бескоксовой металлурrии........................... ... 604
8.2. Анализ альтернативных технолоrий................................................. 625
8.3. Перестройка доменной печи на бескоксовую технолоrию..................... 636
5
Содер.Ж'GНlIе
8.4. Анализ и изучение процессов бескоксовой технолоrии......................... 652
8.5. Перспективы выплавки металла из неокускованных материалов............. 667
9. АЛЬТЕРНАТИВЫ эволюционноrо РАЗВИТИЯ ТЕхНолоrИи....... 674
9. 1. С и с те м н ы й а н ал из. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5
9.2. Феноменолоrическая характеристика доменной плавки........................ 681
9.3. Альтернативы развития мноrоФункциональной энерrотехнолоrии.......... 692
Приложение 1. Методика составления балансов железа по аrломерации,
окомкованию и производству чуrуна................................................... 698
Приложение 2. Анализ показателей реальной технолоrии с учётом невязок
бал ан со в . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 О
Приложение 3. Проrнозная оценка показателей плавки 722
Библиоrрафический список................................................................. 731
6
BeedeHlIe
"НеnосредС/l1венная nОw7ьза наук СОСl110иl11 в 1110.11,
Чl110 они обуча/0111 нас уnравЛЯl11Ь будУllJиw11и
явw7ениЯ.\1и и реzулироваl11Ь их с nО.\1011JЬЮ причин.
Д. Ю.:И (1711 1776)
,. ...без веры, Чl110 природа подчинена закона11
не JHO:JICeI11 БЫl11Ь никакой науки. "
Н. BUllep (1894 1964)
"
ВВЕДЕНИЕ
Облик современной цивилизации определяется использованием в качестве OCHOB
Horo конструкционноrо материала порядка 2,5 млрд тонн железа, в получении KOTO
poro из руд ключевое значение имеет доменная плавка.
Доменному производству предшествовало производство железа в ropHax и низ
кошахтных печах с принудительной подачей дутья в рабочее пространство, а до ЭТО
ro железо получали на кострах, в rлиняных rоршках или тиrлях и в ямах без искусст
венной подачи дутья.
Трехтысячелетняя эволюция этой технолоrии вплоть до XIV века н.э., последую
щее появление доменноrо производства и ero развитие в течение почти шести веков
до наших дней стимулированы потребностью общества в конструкционных материа
лах при непрерывном сокращении ресурсной базы их производства. Противоречие
между возрастанием потребности материалов и сокращением ресурсной базы их
производства определяет лоrику развития технолоrии получения железа. Осмысле
ние этой лоrики в ходе анализа технических аспектов развития металлурrии железа
может быть основой научной оценки перспектив ее дальнейшеrо развития.
Решение указанной задачи является одной из составляющих содержания настоя..
щей книrи и выполнено автором путем обобщения известных, но несистематизиро"
ванных материалов, а также собственных разработок. При этом не ставилось задачи
подробноrо изложения теории и практики доменной плавки и бескоксовоrо получе..
ния железа, а сделана попытка рассмотрения эволюции этих технолоrий и знаний о
присущих им процессах с тем, чтобы на этой основе проrнозировать будущее разви
тие металлурrии железа.
Друrой составляющей содержания настоящей книrи является системный анализ
показателей процессов плавки.
Традиционно сложившийся подход к анализу доменной плавки основан на дe
тальном изучении отдельных ero явлений (тепло.. и массообмена, rазо.. и rидродина..
мики, механики движения и характера превращений шихтовых материалов и др.) с
последующим использованием выявленных закономерностей для определения воз..
можных и желаемых тенденций в развитии процессов и управления ими. Такой под..
ход является плодотворным, однако не вполне достаточным для лолноrо познания
процесса с целью ero совершенствования.
Изучение отдельных, даже наиболее существенных, явлений в изолированном ви
де не может дать оснований для окончательных выводов относительно Bcero процес
са в целом, а дает лишь исходный материал для последующеrо анализа. Это обуслов"
лено тем, что доменная плавка в целом является не простой совокупностью отдель..
ных явлений, а сложной функцией их связей, природа которых сложнее самих явле..
ний и включает свойства, не присущие отдельным явлениям. Указанные особенности
процессов доменной плавки позволяют характеризовать ее как большую систему в
современном понимании.
7
BeedeHlIe
Анализ технолоrий получения чуrуна, альтернативных доменной плавке показал,
что автономные arperaTbI, являющиеся, по существу, фраrментами доменной печи, не
имеют преимуществ в производстве MaccoBoro металла. Энерrетические, эколоrиче
ские, экономические характеристики и интеrральные оценки малококсовой доменной
плавки превосходят характеристики всех известных способов прямоrо получения
железа. Таким образом, доменная плавка остается определяющим технолоrическим
модулем черной металлурrии, развитие KOToporo будет формировать облик Bcero Me
таллурrическоrо комплекса с последующим переходом в бескоксовую доменную
плавку. Такое развитие доменной плавки настолько укрепляет ее определяющие по
зиции в металлурrии, что в обозримой перспективе альтернативных путей не предви
дится.
При изложении материалов настоящей моноrрафии и анализе друrих литератур
ных материалов автор испытывал затруднения в использовании термина '''доменный
процесс", широко применяемоrо в доменном производстве. Затруднение связано с
тем, что понятие "'доменный процесс" включает как подчиненные понятия ""процесс
теплообмена в доменной печи", ""процесс восстановления железа", ""процессы в фур..
менных очаrах" и множество друrих. Исходя из этоrо, автор счел целесообразным
употреблять вместо термина ""доменный процесс" термин ""доменная плавка", пони..
мая под ним большую систему, которая включает различные процессы как составные
части, но не является простой их совокупностью, а квалифицируется как качественно
новое образование.
Настоящее 2 e издание моноrрафии базируется на первом «Доменная плавка.
Эволюция, ход процессов, проблемы и перспективы», 2003 [. При этом сокращение
названия во 2 M издании отражает расширение Kpyra рассматриваемых проблем за
счет добавления двух новых rлав (4 и 5), включающих новые разработки автора по
моделированию процессов в объеме доменной печи и аналитическим исследованиям
доменной плавки, а также дополнения и уточнения практически всех остальных rлав
материалами, полученными после выхода первоrо издания (2003 r.).
Автор выражает блаrодарность за сотрудничество соавторам своих предыдущих
книr и публикаций, материалы которых использованы в настоящей моноrрафии с
существенными реконструктивными изменениями при дополнении их новыми MaTe
риалами.
В основу архитектоники данной моноrрафии положено использование системноrо
подхода к предмету и диалектических начал в познании, которые образно MorYT быть
проиллюстрированы высказываниями одноrо из классиков философии:
"Истинное есть целое. Но целое есть только та сущность, которая завершается
через свое развитие."
"Почка исчезает, коrда распускается цветок, и можно было бы сказать, что она
опроверrается цветком; точно так же при появлении плода цветок признается
ложным бытием растения, а в качестве ero истины вместо цветка выступает
плод. Эти формы не только различаются между собой, но и вытесняют друr
друrа, как несовместимые. Однако их текучая природа делает их в то же время
моментами орrаническоrо единства, в котором они не только не противоречат
друr друrу, но один так же необходим, как и друrой; и только эта одинаковая
необходимость и составляет жизнь целоrо."
r.В.Ф. rе?ель (1770 18Зl)
Интерес и значимость предложенной формы рассмотрения доменной плавки
предстоит оценить читателю, а достоверность выводов и проrнозов времени.
8
J. РазвUl1lllе технолос">uu lf 110знаНlIе I1роцеССО6
"ПОНЯI11Ь eellJb Эl110 знаЧlll11 знаl11Ь llС/110рll/0 eellfll.. "
r.В.Ф. reZeJ1b
1. РАЗВИТИЕ ТЕхнолоrии и ПОЗНАНИЕ ПРОЦЕССОВ
1.1. Очерк развития технолоrии, arperaToB и оборудования
''Дa 7ee как еСI11еСI11во железа БЫ 70 0111kpbll110 ...
Мало пО \1а 7У заl11е н одолели А1еЧllllЗ железа ...
Сl11аТZll ;)/селезD.И пОl11ан II зеА 1 1Лll обрабаl11ывапlЬ почв)'"
Лукреций "о природе веlцей", КН.5 (1 век до н.э.)
Предыстория
Возникновение доменноrо производства относят обычно к середине XIV века.
Ему предшествовал почти 25 вековой период (со 11 тысячелетия до н.э.) получения
железа сыродутным способом, который можно считать предысторией доменноrо
производства. Сущность этоrо способа изучалась по описаниям археолоrов и наибо
лее обстоятельно изложена Д.К. Черновым [1] и А.А. Байковым [2].
Приводим описание СЫРодутноrо способа в изложении Д.К. Чернова.
.'
Возьмем одно из простейших устройств для получения железа из руд сыродут..
ный каталонский [орн, изображенный на рис.l и представляющий небольшое уrлуб..
ление квадратной или прямоуrольной формы (шириной и длиной около 70..80 см,
rлубиной около 40..50 см), прилеrающее к стенке А, за который помещается кожаный
мех Н, доставляющий воздух в ropH через наклонную фурму (сопло) В Средина [ор..
на заполняется древесным уrлем С, а со стороны D, противоположной фурме, засы
пается отсеянная от мелочи руда Е. ДЛЯ лучшеrо разrраничения руды от уrля по
верхность первой покрывается слоем смоченной и плотно прибиваемой уrольной Me
лочи. Во время дутья из фурмы на раскаленный уrоль этот последний cropaeT непо
средственно около фурмы в уrлекислый rаз, который, распространяясь по дальней
9
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
шей массе раскаленноrо уrля и, превращаясь в уrлеродную окись, направляется
большею частью сквозь слой довольно рыхло лежащей руды; при этом происходит
восстановление железа при помощи окиси уrлерода, о котором мы rоворили раньше.
Руда по мере восстановления сдвиrается ниже, подводится под дутье в фокус rope
ния, rде восстановленное железо наrревается до температуры сваривания и rде про
исходит вытапливание шлаков.
При дальнейшем притоке сюда восстановленной руды рабочий скатывает желез..
ный ком, постоянно нарастающий; получается железная крица Р, пропитанная, как
rубка, постоянно вытапливающимися шлаками.
По мере накопления известноrо количества шлаков они выпускаются через шла
ковое отверстие около дна ropHa. Так как восстановление железа при таких условиях
не может достиrаться в полной мере, кроме Toro, и восстановленное железо отчасти
окисляется под воздействием свежей струи воздуха около фурмы, то естественно, что
шлаки содержат большое количество железных окислов, и таким образом происхо
дит значительный yrap железа.
Коrда вся засыпь руды будет переработана, собираются отдельные, не соединив
шиеся с крицей, куски железа в оставшемся шлаке и присоединяют их к крице; затем
последнюю вытаскивают из ropHa, обжимают под молотом и после рассечки на 3 4
куска проваривают в сварочном ropHe и проковывают в полосы. rOpH, по вынутии
крицы, освобождают от шлаков, очищают и приступают к следующей операции.
Весь процесс продолжается около 5 6 час; в [орнах вышеуказанноrо размера за
один раз обрабатывается около 15..18 пудов руды. Для ropHoB почти вдвое большей
величины, rде за один раз перерабатывается до 500 Kr (30 пудов) руды, наблюдения
дают следующие числа: продолжительность процесса 6 час, причем испаряется око..
ло 100 Kr воды, идущей на смачивание уrольной мелочи и мелкой руды; воздуха вду"
вается около 2800 Kr (около 7,7 Kr в минуту); уrля сжиrается 545 Kr (около 4 куб. м);
прокованных полос железа получается около 152 Kr. Средним числом, на 100 Kr же..
лезной полосы сжиrается 340 Kr древесноrо уrля; 100 Kr руды, содержащей 44,6 %
железа, дают 31 Kr железной полосы; следовательно, yrap составляет (44,6 31) / 44,6==
== 0,305 или 30,5 % содержащеrося в руде железа.
Понятно, что такой потери не моrла выдержать все больше и больше развивав
шаяся железная промышленность, коrда начали преследоваться экономические инте
ресы производства; небольшая производительность таких маленьких печей делала
рабочую плату большим налоrом на производство, так как на одноrо рабочеrо при..
ходилась очень малая доля продукта. Расход уrля был чрезвычайно большой вслед..
ствие весьма значительной потери теплоты, уносимой продуктами rорения и лучеис..
пускания в пространство из OTKpbIToro мелкоrо ropHa.
Все подобные обстоятельства привели к тому, что этот маленький открытый ropH
стал постепенно расти, преимущественно увеличиваться в высоту; в одном и том же
аппарате стала увеличиваться производительность и уменьшаться потеря теплоты;
таким образом и непосредственные расходы на приrотовление железа и накладные,
вследствие уменьшения количества рабочей силы и возрастания производительности,
стали уменьшаться. Появился род небольших шахтных печей, называвшихся KpeCTЬ
янскими (в Швеции, Финляндии), еще выше строились печи в rермании, в Штирии,
Каринтии, получившие там название штучных печей. Эти штучные печи, в свою оче..
редь, также увеличивались в размерах; вместе с тем увеличивалась и их производи
тельность; но так как последняя тесно связана с количеством теплоты, развиваемой в
печи в данную единицу времени, а следовательно, и с количеством уrля, сжиrаемоrо
в ту же единицу времени, то прямым последствием явилась необходимость вдувать в
печь все большее и большее количество воздуха под более усиленным давлением и
10
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
с большею затратою механической силы. Для TOrO дутья, которое требовалось в He
большой сыродутный ropH, в былые времена, пожалуй, достаточно было силы маль
чика или девочки, помоrавших в работе отцу, теперь же не только силы взрослоrо
рабочеrо было недостаточно, но уже нескольких человек было мало, потребовались
топчаки и вороты, наконец, была применена водяная сила, до тех пор служившая
лишь для действия мельниц. Наконец, после штучных печей появились так называе
мые "блауофены" и "флоссофены", которые были больших размеров, нежели штуч
ные печи.
Здесь я хотел бы обратить ваше внимание на то, какими изменениями в процессе
восстановления, сварки и плавки сопровождался рост этих печей и какие изменения
происходили в качествах получаемых продуктов. В маленьком сыродутном ropHe так
называемый "фокус rорения" занимает очень небольшой объем, приток воздуха He
значительный, количество rорящеrо уrля тоже небольшое; непосредственно под
фурмой происходит полное rорение, здесь уrоль cropaeT в уrлекислый rаз, развива
ется высокая температура, которая и необходима для сваривания лежащеrо около
фурмы куска железа. Далее, на очень незначительном расстоянии от фурмы, уrлекис
лый rаз под влиянием большоrо количества раскаленноrо уrля превращается в уrле
родную окись, но как это превращение связано с поrлощением большоrо количества
теплоты, то в близком соседстве с фокусом rорения быстро падает температура. Ta
кой быстрый переход весьма блаrоприятен для данноrо процесса потому, что в рай
оне очень высокой температуры, в прикосновении с раскаленным уrлем, как сказано
было раньше, железо моrло бы значительно обуrлеродиться, если бы тому не воспре..
пятствовал избыток уrлекислоrо rаза, отчасти и свободноrо кислорода в этом районе.
Раннее вступление в эту жаркую область ropHa железо моrло лишь восстановиться
v
вполне из окисла при помощи уrлероднои окиси, которая деиствует сильно восста..
навливающим образом при более низких температурах, коrда обуrлероживающее
действие твердоrо уrля очень слабо или даже вовсе не обнаруживается. Таким обра..
зом, при быстром переходе из области сравнительно низкой температуры в жаркую
часть [орна железо лишается защиты уrлеродной окиси от окисления, а это послед
нее не допускает железо до обуrлероживания твердым уrлем в жарком поясе ropHa,
[де оно лишь сваривается в компактную массу и освобождается от оплавляющихся
пустых пород и шлаков.
При этом необходимо иметь в виду, что здесь восстановление совершается почти
исключительно в районе действия уrлеродной окиси, а не твердоrо уrлерода; это об..
стоятельство имеет то весьма важное значение, что уrлеродная окись действует вос"
становительно или, по крайней мере, вполне восстанавливает из руды лишь одно же..
лезо, оставляя в окисленном состоянии и кремний, и MapraHeu, и фосфор. Вот почему
сыродутный ropH вообще дает чистое, высоких качеств сварочное железо даже в тех
случаях, коrда руда содержит довольно MHoro фосфора (Конец из-т/ожения Д.К. Чер
н 06 а ).
Анализ, выполненный А.А. Байковым, базировался на следующих материалах:
1) описание производства СЫРодутноrо железа в Якутском oKpyre в районе рек
Ботомы и Лютенrи (около 100 км юrо восточнее Якутска), составленное А.А. rайду
ком (ЖРМО, 1911, N23, стр. 292);
2) описание TaKoro же производства в той же области по береrам р. Вилюя (запад..
нее r. Якутска), составленное Ф.П. Славинским во время этноrрафической экспеди..
ции Академии Наук в 1928 r. (неопубликованная рукопись);
3) образцы железных руд, шлаков, криц и rOToBbIx изделий, доставленные из обо..
их указанных мест; образцы эти были подверrнуты химическим и металлоrрафиче..
ским исследованиям, результаты которых не были опубликованы.
11
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Производство СЫРодутноrо железа в бассейнах рек Боrоты и Лютенrи осуществ
ляется в небольших шахтных печах высотой около 1 м (0,5 саж.), устройство которых
видно на рис.2.
Печи эти представляют деревянный с квадратным основанием сруб из бревен, за
полненный rлиной, в котором оставляется рабочее пространство печи. В передней
стене сруба имеется отверстие для подвода дутья, выпуска шлака и вынимания кри
цы. Во время работы отверстие это бывает закрыто и через Hero проходит только co
пло, соединенное с мехами. Разоrрев печь дровами, высыпают на лещадь слой мелко
ro просеянноrо уrля высотой до 10 см, располаrая ero rоризонтально; заделывают OT
верстие rлиной так, чтобы через Hero проходило только сопло; зажиrают уrоль и всю
печь наполняют уrлем, после чеrо начинают вдувать воздух мехами. Коrда уrоль He
сколько выrорит и уровень ero у колошника понизится, добавляют сверху опять
уrоль около 3 Kr и так поступают несколько раз, пока не израсходуют всей приrотов
ленной для одной операции руды (около 20 Kr). После этоrо прекращают дутье, про
бивают под соплом отверстие, через которое выпускают шлак, снова заделывают OT
верстие и пускают дутье, пока уrоль не выrорит до "'постели". Тоrда убирают меха,
открывают нижнюю амбразуру и вытаскивают раскаленную до бела крицу железа,
которую охлаждают, выбрасывая на cHer, и очищают с поверхности шлак. После ЭТО
ro начинают следующую операцию, разровняв оставшийся в печи уrоль. Из 16 Kr py
ды при хорошей работе в среднем получают около 7 8 Kr железа, на что требуется
2 часа времени.
.
. .r
.- 6 '"
...
.: ' rO.lh
о
"
...
. .&--
. _... ....... . ,., - .... ........ , "",.
.....
......-;
........
Рис. 2. Вертикальный разрез СЫРодутноrо [орна
Железная руда добывается тут же, она залеrает rоризонтальным пластом близко к
поверхности. Руда эта представляет бурый железняк, довольно чистый в отношении
фосфора и серы и с высоким содержанием железа. Анализ одноrо куска этой руды
дал следующие результаты: 9,51 % Si0 2 ; 82 % Fе20з ; 1,74 % А1 2 О з ; 0,20 % МпО2 ;
следы СаО, MgO; S не определялись; потери при прокаливании 5,7 %; содержание
металлическоrо железа 57,35 %.
Руда эта подверrается предварительному обжиrу на кострах, после чеrо она из..
мельчается в порошок, просеивается через сито с мелкой решеткой из тонких прутьев
(сито видно на рис. 3 возле печи) и в таком виде поступает в плавку. Вместе с обра..
зованием крицы металлическоrо железа получается значительное количество сильно
железистоrо шлака.
Анализ одноrо куска TaKoro шлака дал следующие результаты: 23,01 % Si0 2 ;
2,67 % А1 2 О з ; 48,56 % FeO; 14,82 % Fе20з; 3,48 % МпО; 2,84 % СаО; 0,87 % Р205; L ==
96,25 %; летучие, щелочи и пр. 3,75 %.
12
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
При прокаливании шлака на воздухе происходит увеличение веса, доходящее до
5,32 %, что обусловливается частичным окислением закиси железа до окиси. Если
перечислить окислы железа на металлическое железо, то получается содержание Fe в
шлаке, равное 48,2 %. Если рассчитать минералоrический состав шлака, то оказыва
ется, что отношение RO/Si0 2 == 2,02, т.е. rлавной составной частью шлака является
файялит (FeO)2 SiО ъ в котором часть закиси железа замещена закисью MapraHua. Из
весть и rлинозем, по видимому, находятся в виде rеленита (СаО)2 А1 2 О з SiO l, для KO
Toporo отношение 2СаО: А1 2 О з HeMHoro более единицы.
Iy
(
I
v . --"':.':::"I-
........
<"
А
... . Со. .......-- A
:'>
."
."........... ....
<=..
.
.............
-... ...
_. A
..
-
-'
........ ........
.
ос...
.-
Рис. 3. Сыродутный ropH, обнаруженный в Якутской области
на береrу р. Ботомы
Если на основании анализа руды и шлака подсчитать количество получаемоrо Me
талла (крицы) и шлака, то получаются следующие результаты: обожженная руда, Te
ряя 5,7 % летучеrо, содержит около 60 % Ре и 1 О % Si0 2 . В шлаке содержание Si0 2
== 23 % и металлическоrо железа (после пересчета на Ре) 48,2 %; отсюда получается,
что на 100 Kr руды получится шлака (10.100)/23 '" 43,5 Kr и на Hero расходуется 21 Kr
железной руды; следовательно, на образование крицы пойдет 60..21 == 39 Kr железа.
Таким образом, получается следующий материальный баланс: 100 Kr руды дают
39 Kr металла и 43,5 Kr шлака, Т.е. из 60 Kr железа руды восстанавливается 39 Kr или
65 % железа, а теряется (переходит в шлак) 21 Kr, или 35 % железа. По данным, при..
веденным в статье А. rайдука, из 16 Kr руды, в зависимости от условий работы, по..
лучается от 5 до 8 Kr железа, в среднем 6,5 Kr, что отвечает выходу железа из руды
около 40 %.
13
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Расход уrля подсчитать точно затруднительно из за отсутствия данных, однако
если учесть, что на одну крицу расходуется 3/4 воза дров и что выжиr уrля произво
дится примитивным образом, можно предположить, что уrля получится 48 64 Kr, а
так как крица весит около 12,3 Kr, то расход уrля получается чрезвычайно высокий.
Общее количество железа, получаемоrо этим способом в rод, составляло Bcero 1 О т.
Полученное железо, в котором содержание уrлерода доходит до 1 %, идет на изrо
товление различных изделий: топоров, ножей, инструмента, утвари и Т.П. Как всякий
сварочный металл, это железо всеrда содержит шлаковые включения.
Сыродутное производство по р. Вилюю несколько отличается от только что опи
caHHoro. Печи устраиваются иначе и имеют большие размеры, высота их около
2,5 м и в них выплавляются крицы весом 80 95 Kr. Сама печь формуется из rлины на
каркасе из жердей, которые затем выжиrаются, нижняя часть печи для прочности за
делывается в бревенчатый сруб. В этом районе пользуются валунчатой рудой, KOTO
рую собирают по береrам рек. Руда эта представляет кремнистый красный железняк.
Она также подверrается предварительному обжиrу, а затем дробится и просеивается
и в мелком виде поступает в плавку. В указанном районе таких печей Bcero две, про
изводительность их в 1928 r. была Bcero 4 т.
Рассматривая сущность CbIpoДYTHoro процесса, следует прежде Bcero указать на
два обстоятельства: 1) заrружаемые в печь материалы содержат руду в измельченном
виде в смеси с rромадным избытком уrля и 2) высота печи небольшая, вследствие че
ro все рабочее пространство печи проrревается до высокой температуры, и поэтому
все заrружаемые материалы почти непосредственно после заrрузки попадают в об..
ласти с температурой 1000 ос и выше. Эти высокие температуры получаются вслед
ствие rорения в нижней части печи, rде в токе вдуваемоrо воздуха происходят обыч..
ные реакции, приводящие к быстрому образованию окиси уrлерода:
С + 02 + 3,76 N 2 == С0 2 + 3,76 N 2 ;
С + С0 2 + 3,76 N 2 == 2СО + 3,76 N 2 .
Накаленные до высокой температуры rазы быстро поднимаются вверх и проrре..
вают вышележащие материалы, в то же время вступая с ними в химическое воздей..
ствие. Теоретическая температура rорения уrля в воздухе с образованием в конечном
результате окиси уrлерода по уравнению 2С + 02 + 3,76 N 2 == 2СО + 3,76 N 2 (при yc
ловии подачи холодноrо воздуха и холодноrо уrля) составит 1432 ОС. В действитель..
ности она, конечно, будет несколько ниже из за присутствия в воздухе влаrи (а в 1a
rруженных материалах кроме уrля, также и друrих веществ), а также и из 'За потери
тепла за счет лучеиспускания и теплопроводности. В среднем можно принять темпе
ратуру rорения в пределах 1300..1350 ОС. Так как зона реакций rорения простирается
на заметную высоту, а вся высота печи очень небольшая, то температура при выходе
rазов у колошника незначительно снижается и только на самой поверхности шихты у
колошника она сразу сильно падает. Поэтому можно считать, что HeMHoro ниже ко..
лошника температура будет выше 1000 ОС, а затем она быстро возрастает в направле
нии нижележащих rоризонтов. Отсюда следует, что заrружаемые материалы, и в ча..
стности железная руда, очень короткое время находятся в области температур ниже
1100 ОС, значительную же часть cBoero пути при опускании вниз они проходят при
температурах выше 1100 ОС, а поэтому rлавная масса железной руды подверrается
химическим превращениям, которые имеют место при температурах выше 1100 ОС.
Состав руды с 86% Fе20з и 10% Si0 2 довольно хорошо выражается формулой
3Fе20з + Si0 2 , т.е. на каждую rрамм"молекулу Si0 2 приходится три rрамм..молекулы
Fе20з. В условиях высокой температуры и атмосферы, состоящей rлавным образом
из СО и N l, будут происходить следующие реакции:
14
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
1) восстановление окиси железа до металла, которое слаrается из последовательно
идущих реакций:
3Fе20з +СО ==2Fез04 +С0 2 + 23039 кал,
2FеЗО4 + 2СО == 6FeO + 2С0 2 12602 кал,
6FeO + 6СО == 6Fe + 6С0 2 + 9042 кал,
3Fе20з + 9СО == 6Fe + 9С0 2 + 19479 кал;
2) соединение основных окислов с кислотными, в данном случае закиси железа и
кремнезема, так как ни FеЗО4, ни Fе20з силикатов не образуют. Реакции, которые тут
происходят, будут следующие:
FeO + Si0 2 == FеSiО з +5905 кал,
2FeO + Si0 2 == Fe2Si04 + 22236 кал.
При избытке Si0 2 будет образовываться FеSiО з ; при избытке FeO Fe2Si04. Что
касается условий, при которых эти возможные реакции будут в действительности co
вершаться, то в этом случае имеет место то положение, которым определяется воз
никновение реакции между твердыми телами, а именно: взаимодействие начинается
при той температуре, при которой возможно образование жидких систем, т.е. образо
вание эвтектических сплавов. В системе FeO Si0 2 имеются две эвтектики FeO
(FeO)2 Si0 2 при 1230 ос и (FeO)2 Si0 2 FeO Si0 2 при 1130 ос (проф. Б.П. Селиванов),
поэтому в смеси твердых FeO и Si0 2 образование жидких шлаков начинается при
температуре 1130 ОС, причем содержание Si0 2 в них будет 42 %; по мере повыше
ния температурь] эти шлаки будут растворять все большие количества FeO и при из
бытке ее будут давать шлаки, образованные (FeO)2 Si0 2 и FeO. Как нетрудно видеть,
это как раз и соответствует условиям СЫРодутноrо процесса;
3) поrлощение твердым металлическим железом твердоrо уrлерода и образование
аустенита, т.е. твердоrо раствора Fe(y) и уrлерода; эта реакция совершается при TeM
пературе выше 900 ос , но требует достаточноrо времени для cBoero завершения, т.е.
для образования предельноrо твердоrо раствора с 1,7 % С; так как время пребывания
металлическоrо железа в соприкосновении с уrлем в общем невелико и, кроме Toro,
так как это железо смочено и пронизано жидким железистым шлаком, то поrлошение
уrлерода бывает небольшое и только при особых обстоятельствах оно может достиr..
нуть предельноrо значения и даже дать жидкую массу, т.е. чуrун.
Рассмотренные три rруппы преврашений составляют сущность проuесса, совер..
шающеrося в сыродутной печи. Восстановление друrих окислов (P 2 0 s , Si02, МпО),
которое совершается в доменной печи, здесь совершенно не имеет места, так как на
всех rоризонтах присутствуют в больших количествах окислы железа, которые явля
ются в данных условиях окислителями для фосфора, MapraHua и кремния вследствие
Toro, что упруrость диссоциации даже закиси железа больше, чем у окислов этих
элементов. Все эти окислы, равно как и АI 2 О з , СаО и MgO, переходя т в шлак и спо
собствуют еще большему понижению температуры образования шлака, которая при
наличии извести доходит до 1030 ОС, а при друrих окислах и еще ниже. В шлак же
переходят и щелочи из золы древесноrо уrля, которые также способствуют пониже..
нию температуры шлакообразования.
Сопоставляя все вышеизложенное, можно установить следующую последова..
тельность превращений в сыродутном процессе: заrружаемая руда сначала подверrа..
ется восстановлению до закиси железа, которая по мере ее образования соединяется с
кремнекислотой, образуя, в конце концов, жидкий сплав файялита (FeO)2 Si0 2 с за
кисью железа; так как окислы железа находятся в избытке, этот сплав (FeO)2 Si0 2 +
FeO стекает вниз в виде шлака, причем в области дутья закись железа, поrлощая ки
15
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
СЛОРОД, образует FезО4. Неошлакованная часть закиси железа восстанавливается до
металлическоrо железа, которое поrлощает уrлерод в большей или меньшей степени
в зависимости от времени ero пребывания в соприкосновении с уrлем при высокой
температуре. Уrлекислый rаз, получающийся при восстановлении окислов железа,
немедленно же, в присутствии уrля переходит в окись уrлерода, так как выше
1100 ос реакция С0 2 + С == 2СО идет почти до конца (остаются десятые доли процен
та уrлекислоты) и совершается очень быстро.
Таким образом, ход химических реакций при опускании руды и уrля может быть
представлен следующей схемой
3Fе20з + СО == 2FеЗ04 + С0 2 + 23039 кал,
2Fез04 + 2СО == 6FeO + 2С0 2 12602 кал,
6FeO + Si0 2 == (FeO)2Si02 + 4FeO + 22236 кал,
(FeO)2Si02 + 4РеО + 4СО == 4Fe + (FeO)2Si02 + 4 СО 2 + 6028 кал.
На всем протяжении этих превращений уrлекислота переходит в окись уrлерода,
т.е. 7СО 2 + 7С == 14СО 271530 кал. Необходимая же для восстановления окись уrле
рода образуется в нижней части печи, а именно
7С + 3,502 + 13,16N 2 == 7СО + 13,16N 2 + 206010 кал.
В результате всех этих превращений заrружаемые материалы
3Fе20з + Si0 2 (руда),
14С (уrоль),
3,502 + 13,16N 2 (воздух);
образуют
4 r атома Ре (железо крицы),
(FeO)2Si02 (шлак),
14СО + 13,16N 2 (выходящий rаз).
Суммарный тепловой эффект всех химических реакций (восстановления, шлако..
вания, rорения) составляет 26819 кал. Кроме Toro, тепло расходуется на расплавле..
ние и HarpeB шлака, HarpeB крицы и HarpeB rаза. Считая, что шлак на каждый кило..
rpaMM уносит из печи 350 кал (т.е. столько же, сколько для шлаков медной пиритной
плавки, которые довольно близки по своему составу и температурным условиям к
шлакам сыродутной плавки) и что температура отходящих rазов и вытаскиваемой из
печи крицы около 1000 ОС, расход тепла на эти статьи составит:
Шлак (FeO)2Si02 == 204 Kr уносит .................. ...71400 кал,
Крица 4 r атом FeO == 224 Kr уносит .............. ..38000 кал,
rазы 14СО+ 13, 16N 2 '" 0,27 молей уносит........ 192645 кал,
302045 кал,
Общий же расход тепла .............................. .... 328864 кал.
Для покрытия этоrо расхода необходимо сжечь дополнительное количество уrля
до окиси уrлерода: 2С + 02 + 3,76N 2 == 2СО + 3,76N 2 , причем полезное тепло этой ре..
акции, которая останется в печи, будет 2 х 29430 .. 7135 х 6 == 2 х 8025 кал, т.е. каж..
дый rpaMM..aToM сожженноrо уrля дает 8025 кал. Отсюда получаем количество до..
полнительноrо уrля, равное 328864 : 8025 == 41,21, или, окруrляя, 42 rpaMM aToMa yr
лерода. Таким образом, общий расход уrля при получении 4 rpaMM aToMa Ре (224 Kr
Fe) составляет 42 + 14 == 56 rpaMM aToMa С (672 Kr), не считая расхода уrлерода на
покрытие тепловых потерь. Если же принять эти потери в 10% от 42 rpaMM aToMa С,
то расход уrля составит 46 + 14 == 60 rpaMM aToMa С (720 Kr), т.е. на единицу полу
ченноrо металла расходуется 3,15 единицы уrлерода, что довольно хорошо соrласу..
ется с приведенными выше данными о расходе уrля.
В процессе плавки образующийся шлак стекает на дно печи, а железные зерна
16
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
слипаются, свариваются и, опускаясь по мере выrорания уrля вниз, образуют крицу,
пронизанную расплавленным шлаком. В шлак переходят все окислы руды и золы yr
ля: А1 2 О з , СаО, MgO, МпО, щелочи и др. Из рассмотрения сущности СЫРодутноrо
процесса видно, что потеря значительной части железа в шлак, доходящая до 30 % и
более, неизбежна, и причинами этоrо являются: 1) присутствие в руде пустой породы
и 2) слишком высокая температура почти по всей высоте печи из за ее незначитель
ности, вследствие чеrо отходящие rазы покидают печь, имея высокую температуру, а
это в свою очередь связано с большим расходом уrля. Таким образом, отрицатель
ными сторонами этоrо способа являются: 1) большие потери железа и 2) большой
расход rорючеrо. Оба эти обстоятельства, однако, вытекают из существа caMoro про
цесса и являются неизбежными, так как отделение пустой породы от восстановленно
ro железа в условиях CbIpoДYTHoro производства только и возможно путем ошлакова
ния ее закисью железа, а для этоrо необходимо, чтобы процесс шлакования происхо..
дил ранее процесса восстановления закиси железа, для чеrо опять таки необходимо,
чтобы в печи во всем объеме рабочеrо пространства температура была выше 1100 ос.
Отсюда вытекает и положительная сторона проuесса, заключающаяся в том, что вос"
станавливается только одно железо, друrие же окислы, и в частности кремнезем и за
кись MapraHua, не восстанавливаются и, таким образом, зерна металла, которые, CBa
риваясь, образуют крицу, состоят из чистоrо уrлеродистоrо железа, а свойства TaKoro
металла во всех отношениях превосходят свойства металла, содержащеrо MapraHeu и
кремний. Здесь не мешает добавить, что в условиях СЫРодутноrо процесса сернистые
соединения (особенно пирит и сернистое железо) в значительной степени переходят
в металл, и поэтому для получения металла, чистоrо по сере, необходимо брать ис
ходные материалы (руду и уrоль), не содержащие сернистых соединений.
Становление
Рост потребности металла приводил к увеличению размеров печей, в том числе их
высоты. По мере увеличения высоты росла область умеренных температур, rде про
ходит восстановление оксидов железа rазом. В результате шлак обеднялся оксидами
железа, росла ero температура и уменьшалось окислительное воздействие на уrлерод
в металле, что способствовало снижению температуры плавления металла и переходу
от получения твердой rубчатой массы криuы (кръч кузнец) к жидкому металлу.
Лоrику этоrо перехода удачно описал Д.К. Чернов:
Представим себе теперь, что размеры печи растут, что количество rорящеrо уrля
увеличивается, что вместо маленькоrо меха работает большой, даже несколько ме..
хов, что район высокой температуры в поясе rорения значительно расширяется. По
ложим, что мы имеем перед собой уже шахтную печь значительной производитель
ности, так называемую "блауофен", и взrлянем, что там будет происходить.
Поднимающийся вверх по шахте rаз уrлеродной окиси точно так же, как и в cы
родутном ropHe, восстанавливает железо из руды; но вследствие расширения области
высоких температур восстановление железа заканчивается, коrда оно еще далеко от
пояса rорения. Продвиrаясь затем между раскаленным уrлем в область фурмы, rде
происходит окончательное сваривание железной rубки, железо прикасается к уrлю
под защитой окиси уrлерода, обильно распространенной по всему жаркому району,
и настолько успевает обуrлеродиться с поверхности кусков, что некоторая часть ero
превращается в чуrун. Будучи более леrкоплавким, нежели железо, чуrун оплавляет..
ся с поверхности железных кусков при приближении к фурме и стекает на под печи,
остальная же масса железа сваривается в общую крицу. И действительно, уже в
больших штучных печах стал получаться в небольших количествах чуrун, BЫTeKaB
ший из печи вместе со шлаками, спускаемыми перед выниманием крицы. В ""блауо
17
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
фенах" это явление значительно усилилось; мало Toro, уже в этих печах можно было
получать почти все железо в виде чуrуна стоило только отодвинуть фурму ближе
к наружной поверхности печи, уменьшить рудную колошу и усилить дутье. При пе
реходе отсюда к печам, постоянно дающим чуrун, "флоссофенам" и "rохофенам", т.е.
к доменным печам, оставалось уже идти по выработанному опытом пути, т.е. еще бо
лее расширить район высокой температуры около фурм; сужением ropHa, выдвиrа
нием фурм назад к стенке печи, еще большим уменьшением рудной колоши и даль
нейшим усилением дутья теперь уже обеспечивалось постоянное получение лишь
чуrуна и шлака, без кусков не перешедшеrо в чуrун железа.
Экономическая сторона производства через это очень MHoro выиrрала. Теперь ход
печи сделался непрерывным; нет надобности оrраничивать завалку печи лишь таким
количеством, какое соответствует наибольшей величине крицы, которую можно вы..
нуть из ropHa (как это было, например, при штучных печах), и каждый раз OCTaHaB
ливать печь для новой заrрузки; оба получаемые продукты и чуrун и шлаки BЫTe
кают из печи, не требуя таких усиленных и тяжких работ нескольких человек, как
при вынимании крицы.
Потеря теплоты, развиваемой rорением топлива, доведена теперь до минимума.
Если представим себе высокую печь, а в настоящее время ее можно сделать очень
высокой, то увидим, что продукты rорения, поднимаясь через лежащие в шахте KYC
ки руды И уrля, MorYT отдать им почти всю свою теплоту, восстановить содержащие
ся в руде железо и выйти из печи уже чрезвычайно сильно охлажденными. Увеличи
вая высоту печи, можно дойти до Toro, что отдача теплоты вновь забрасываемым хо..
лодным материалом может быть доведена до полноrо совершенства. Неудобство
здесь заключается rлавнейшее в том, что rазы уже не в состоянии будут проходить
так свободно чрез очень высокий и уплотненный столб, и таким образом нужно
сильно увеличивать давление дутья, а на это нужно тратить большую механическую
силу, что и уравновешивает выrоду от сбережения теплоты в печи.
Улучшив значительно экономическую сторону производства, rлавнейшим обра
30М от установления н е п р еры в н о r о хода печи, мы вместе с тем существенно
изменили качество даваемоrо печью продукта, вместо KOBKoro железа, служащеrо
непосредственно для удовлетворения наших потребностей, мы получили чуrун,
представляющий из себя, так сказать, сильно заrрязненное железо. В самом деле, по
сле восстановления уrлеродною окисью в поясах печи, удаленных от жаркоrо фур
MeHHoro района, rубчатое железо в жарком поясе печи насыщается уrлеродом, крем..
нием, MapraHueM, фосфором и друrими элементами, восстановляемыми действием
твердоrо уrлерода при высоких температурах. Для возвращения к мяrкому ковкому
железу теперь необходимо освободить железо от этих посторонних элементов путем
обратноrо процесса, окислительноrо, и таким образом затратить вновь работу на
уничтожение Toro, что сделано в жарком поясе доменной печи, при переходе железа
от восстановления к расплавлению (Конец изложения Д.К. Чернова).
Динамика становления доменной плавки описана А.П. Любаном [3].
В период, непосредственно предшествовавший переходу от СЫРодутноrо к дo
менному производству, производились крицы весом до 150 Kr, а в сутки их получали
3 4 ШТ., т.е. производительность печи составляла до 500 кr/сутки. Производство бо
лее крупных криц занимало больше времени, так что суточная производительность
существенно не моrла быть увеличена. Высота печей достиrала в этот период 5 м. В
России их называли домницами. Наряду с крицей в них образовывалось небольшое
количество оплавленноrо уrлеродистоrо железа.
Переход от домниц к более высоким доменным печам (от слова "дмение" дутье)
Mor произойти только при усилении воздуходувных средств. Примерно с XIII в. меха
18
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
стали приводить в движение при помощи водяноrо колеса. В середине XVI в. вместо
клинчатых мехов начали применять деревянные ящичные с поршнем. Увеличение
интенсивности rорения древесноrо уrля способствовало повышению температуры
ropHa. Поэтому наряду с железной rубкой, а затем вместо нее стали выплавлять жид
кое уrлеродистое железо.
В сыродутных ropHax жидкое уrлеродистое железо моrло получаться в том слу..
чае, если по окончании заrрузки руды или при значительном сокращении содержания
ее в смеси с древесным уrлем уrоль сжиrали дутьем. Так, в штирийских сыродутных
печах (Stuckofen) вблизи Эрцберrа в окрестностях Шмалькальдена, имевших высоту
3,5 5 м и ширину распара до 1,3 м, производили крицы весом от 580 до 700 Kr, а TaK
же выплавляли от 290 до 350 Kr жидкоrо металла. Получению жидкоrо металла здесь
способствовали не только размеры печи, но, очевидно, и высокое содержание OCHOB
ных окислов В пустой породе штирийских руд.
Пустую породу железных руд без специальной добавки флюса за редким ис
ключением нельзя превратить в жидкий шлак, вытекающий из леточноrо отверстия,
даже в современных доменных печах, работающих на HarpeToM дутье. В сыродутном
процессе роль флюса иrрала закись железа. В доменном процессе, непрерывность и
высокая производительность KOToporo требуют получения металла и шлака в жидком
виде, почти всеrда необходимо применение основных флюсов. Таким флюсом слу
жит, как известно, дешевый и почти всюду доступный известняк, а в некоторых слу
чаях доломит. Добавка известняка не нужна в тех редких случаях, коrда пустая по
рода руды содержит достаточное количество извести или маrнезии. Таким образом,
развитие доменноrо производства тесно связано с применением флюса. Однако вре..
мя начала применения флюса точно не установлено.
Переход от периодическоrо сыродутноrо процесса к непрерывному доменному с
получением металла и шлака в жидком виде требовал соответствующеrо подбора
шихты и поэтому совершился не сразу. По"видимому, был период, коrда металл по..
лучали жидким, а шлак из печи приходилось выrребать. Первое время в доменных
печах выплавляли rлавным образом чуrун для отливок, т.е. с некоторым содержани
ем кремния, очевидно, значительно более низким, чем в современных литейных чу
[унах. Потребовалось несколько веков, чтобы выработать приемы передела чуrуна в
кричных ropHax и установить, что получение жидкоrо уrлеродистоrо металла в ДOM
ницах и окислительный передел ero в ropHax выrоднее СЫРодутноrо процесса в OT
ношении производительности, извлечения железа и расхода уrля, поэтому невозмож"
но указать, в каком именно столетии возникло доменное производство. ПО Д. Перси,
"'в конце XII или начале XIII в. произошло капитальнейшее открытие для железноrо
дела это открытие чуrуна". Наиболее древним памятником производства чуrуна в
Анrлии считают чуrунную доску в XIV в. Первые чуrунные пушки там отлиты в се..
редине ХУI в. М.А. Павлов и А.А. Байков относят возникновение доменноrо про..
изводства к XIII в., известный историк металлурrии Л. Бек к ХУ в.; в последнее
время, особенно в американской литературе, появление доменноrо производства OT
носят ко второй половине XIV в.
По Ф. Карстену и rapHbe, доменное производство появилось в Нидерландах и в
соседних областях современной Бельrии (Льеж), Северной rермании и Франции (по
л. Беку, в Рейнской области), базируясь на рудах, сходных по характеру с лотаринr
скими оолитовыми бурыми железняками; их залежи тянутся от Нанси до Лонrви,
достиrая Бельrии. Эти руды содержат кислую и основную пустую породу, и путем их
смешения можно составить самоплавкую шихту.
Вплоть до середины ХУI в. доменное производство не получило широкоrо pac
пространения в Западной Европе. Один из первых авторов по металлурrии Аrрикола
19
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
(reopr Бауэр, 1494 1555 rr.), живший в Чехии, в своем труде ""Dere Metallica", BЫ
шедшем в 1556 r., не упоминает о доменном производстве и описывает только cыpo
дутное. В книrе итальянца Биринrуччио ""Ое lа pirotechnika" (1540) имеется краткое
упоминание о доменных печах.
Производство чуrуна в Анrлии в 1500 r. достиrло 12 тыс. т. В XVII в. на первое
место по производству чуrуна вышла боrатая железными рудами и лесами Швеция.
Первый в России металлурrический завод с доменными печами был построен в
1637 r. недалеко от Тулы выходцем из rолландии Виниусом; первая доменная печь
на этом заводе была задута, по видимому, в 1640 r.
Значительное развитие металлурrия железа в России получила при Петре 1, коrда
центр ее был перенесен на Урал с ero мноrочисленными месторождениями боrатых и
чистых по фосфору железных руд и оrромными лесными массивами. Первые ураль
ские доменные печи были задуты в 1701 r. почти одновременно на Каменском и He
вьянском заводах. Исключительно блаrоприятные условия Урала для развития дpe
весноуrольной металлурrии и оrраниченность лесных ресурсов для выжиrа древес..
Horo уrля в Анrлии и друrих европейских странах (за исключением Швеции) привели
к тому, что в XVIII в. Россия заняла первое место по производству и экспорту чуrуна.
В 1674 r. в России выплавляли 2 2,5 тыс. т чуrуна, а в 1767 r. около 83 тыс. т. В
1800 r. выплавка чуrуна в России (162 тыс. т) еще превышала на 5% выплавку чуrу
на в Анrлии, которая в 1780 r. обоrнала Швецию. Вывоз железа из России достиr
максимума в 1793 r. 49 Tы.. т. Техника доменноrо производства в России в XVIII в.
находилась на сравнительно высоком уровне. На Урале строились наиболее крупныIe
печи. Печь Невьянскоrо завода, построенная П. Демидовым в 1740 r., имела высоту
12,8 м и выплавляла до 14 т чуrуна в сутки; суточная производительность друrих
уральских печей доходила до 1 О т. Западно..европейские печи в XVII в. имели высоту
4..6 м и обычную производительность 0,6..1 т; среднеrодовая производительность до..
менных печей Анrлии в 1796 r. составила 1048 т, или, принимая 350 рабочих дней в
[оду, 3 т в сутки. На Невьянском заводе в 1743 r. по предложению r. Махотина была
осуществлена подача дутья через две фурмы. На Урале в XVIII в. применяли печи
для выжиrа древесноrо уrля.
Переломным этапом развития доменноrо производства является применение кокса
взамен древесноrо уrля. Необходимость такой замены вызывалась сильно возросшей в
период развития промышленноrо капитализма потребностью в металле и истощения
лесных ресурсов в странах Западной Европы, в первую очередь в Анrлии, которая в то
время по промышленному развитию оставила далеко позади себя друrие страны.
В связи с недостатком древесноrо уrля выплавка чуrуна в Анrлии в 1740 r. соста..
вила Bcero 17,3 тыс. т, хотя незадолrо до этоrо она достиrла 180 тыс. т, а число до..
менных печей сократилось на три четверти. В связи с этим в Анrлии уже в начале
XVIII В. предпринимались попытки применить каменный уrоль вместо древесноrо в
качестве топлива для доменных печей. Наиболее известны длительные работы в этом
направлении лорда Дадли, начатые в 1619 r., но не доведенные до успешноrо конца.
Лишь через 100 лет анrлийский заводчик А. Дерби осуществил систематическую BЫ
плавку чуrуна на коксе.
Замена древесноrо уrля коксом потребовала перехода на более основные шлаки для
получения достаточно малосернистоrо металла; необходимость этоrо была установле..
на эмпирически в результате долrих поисков. rазопроницаемость столба плавильных
материалов в доменных печах вследствие замены древесноrо уrля коксом значительно
ухудшилась, поэтому понадобилось усилить воздуходувные средства. Только после TO
ro, как в металлурrии начали применять паровые воздуходувные машины Уатта (1775..
1776), доменное производство Анrлии на коксе начало расширяться.
20
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
Таким образом, для освоения плавки чуrуна на коксе потребовалось около двух
столетий: необходимо было убедиться в неприrодности cbIporo KaMeHHoro уrля для
выплавки чуrуна, освоить производство прочноrо кокса, определить виды коксую
щихся каменных уrлей и разработать способы коксования, найти методы удаления
серы из металла в шлак и, наконец, заменить водяные воздуходувные машины более
мощными паровыми.
Следующим узловым этапом развития доменноrо производства был HarpeB дутья.
С ero применением связано использование колошниковоrо rаза.
Впервые HarpeBaTb дутье начали в 1829 r. на доменной печи завода Клайд в Шот
ландии по предложению д. Нельсона. HarpeB дутья до 149 ос привел к значительной
экономии расхода KaMeHHoro уrля, идущеrо на производство кокса и на HarpeB дутья:
с 8,06 до 5,16 т на 1 т литейноrо чуrуна. После улучшения конструкции воздухона
rревателей температура дутья на этом заводе в 1831 [. была доведена до 316 ОС, в pe
зультате чеrо расход KaMeHHoro уrля, который на этот раз употребили в шихту дo
менных печей в сыром виде, сократился до 2,25 т на 1 т чуrуна, что эквивалентно
расходу 1 ,2 1,3 т кокса на 1 т чуrуна. Большая экономия различных видов топлива
была и на друrих заводах, применивших HarpeB дутья, и это мероприятие начало
быстро распространяться.
Вначале дутье наrревали продуктами rорения KaMeHHoro уrля в топках с чуrун"
ными трубками (рекуператорах), через которые пропускали наrреваемый воздух. С
1832 r. для HarpeBa дутья стали широко применять колошниковый rаз, ранее практи"
чески не использовавшийся.
Тепловой к.п.д. первых металлурrических рекуператоров был весьма низок (на заво
де Клайд он, по"видимому, не превышал 20%), а HarpeB дутья оrраничивался 300 400 ОС.
В 1857 r. Е. Каупер применил для HarpeBa дутья кирпичную кладку, заключенную в
стальной кожух и периодически наrреваемую продуктами rорения. Воздухонаrреватели
TaKoro (реrенеративноrо) типа позволили rpeTb дутье до 800 900 ОС, а их тепловой К.П.д.
достиr 80..85 %. С повышением температуры дутья и использованием колошниковоrо
rаза экономичность и производительность доменной плавки HaMHoro возросли.
Дальнейшее повышение интенсивности плавки было достиrнуто заменой в 1840 r.
тихоходных (8..10 об/мин) балансирных воздуходувных машин Уатта быстроходны..
ми машинами с прямой передачей, которые к концу XIX в. получили преимущест"
венное распространение. В 1900 r. применили rазовые воздуходувки, а в 1905 r. па..
ротурбовоздуходувки.
Развитие
Техника и технолоrия доменноrо производства начиная с XIV века непрерывно
совершенствовались под влиянием роста потребности в металле и стремления сокра..
тить затраты на ero производство. Соответственно развивались и методы подrотовки
к плавке сырья и топлива. Ниже приводится хронолоrия технических аспектов этоrо
процесса по [4,5].
XIV в. середина. Сооружение первых доменных печей в Западной Европе.
1371 r. Первое подробное описание технолоrии выплавки чуrуна в трудах Епи
скопа rенриха из Пуатье (Франция).
1619 [. Первая доменная плавка на специально подrотовленном каменном уrле
проведена д. Додлеем (Анrлия). Ero патенты N21619 и N21638 утеряны, а патент
N2117 получен в 1621 r.
1620 r. На металлурrических заводах repua сконструированы деревянные мехи,
приводящиеся в действие водяным колесом (rермания).
21
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
1621 r. Патент на выжиr кокса из торфа выдан во Фрайберrе (rермания) Эрнсту и
Михаилу Шейнлебенам.
1632 r. rpaMoTa царя Михаила Романова выдана rолландцу А. Виниусу и анrли
чанину А. Вилькинсону на право строительства rородищенскоrо доменноrо завода
на р. Тулице (13 км от Тулы). Первый чуrун получен в 1637 r.
1683 r. Описание коксования KaMeHHoro уrля Иоrаном Иоахимом Бехером (rep
мания ).
1697 r. Начало применения фурм, изrотовленных из листовоrо железа на заводах
в rapue (rермания).
1735 r. Патент А. Дерби на коксование KaMeHHoro уrля и успешные опыты дo
менной плавки на коксе на заводе Колобрук дейль (Анrлия).
1743 r. Применение двухфурменноrо дутья Махотиным на Невьянском заводе
(Россия).
1755 r. Паровая воздуходувная машина Вилькинсона на заводе в Брэдли (Анrлия).
1765 r. Паровая воздуходувная машина Ползунова на Колываново Вознесенском
заводе в Барнауле (Россия).
1768 r. Цилиндрическая воздуходувная машина Джона Смитона с литыми чуrун
ными цилиндрами (Шотландия).
1784 f. Изобретение rерметичной коксовой печи Дандональдом (Анrлия).
1796 r. Построена первая печь для работы на коксе в rлейвице (rермания). Отли
чалась толстыми каменными стенами и открытым доступом к фурмам и леткам.
1799 r. Исследование Седдеrером возможности применения HarpeToro дутья
(Анrлия).
1802 r. Полые водоохлаждаемые железные фурмы изобретены Конди. У становле..
ны на печах заводов Брэдли (Анrлия) и Кальдер (Шотландия).
1811 r. Патент Оберто и первые опыты использования тепла колошниковоrо rаза
для друrих производств (Анrлия).
1812 [. Леукс (Лейс) предложил HarpeBaTb дутье. Провел опыты в 1822 [. (rермания).
1824 [. Первые опыты Холфилда по электроочистке доменноrо rаза от пыли
(Анrлия).
1825 f. Предложение д. Нельсона об осушении дутья (Анrлия).
1828 r. Д. Нельсон получил патент N2570 1 на "HarpeB дутья перед подачей ero в
доменную печь" и осуществил решение в 1829 [. на заводе ""Клейд" (Шотландия). В
том же rоду HarpeB дутья осуществили в BarpaHKax Александровскоrо казенноrо за..
вода в Петербурrе (Россия).
1830 r. Предложение Штромейера (rермания) о добавке пара к дутью.
1830 [. Изобретение бронзовой водоохлаждаемой фурмы в Анrлии.
1831 r. Предложение д. Дэйвиса о вдувании уrля в фурмы доменной печи (Анrлия).
1832 r. Использование колошниковоrо rаза для HarpeBa дутья осуществил Фабер
дю Фор на заводе в Вассеральфинrене (Вюртенберr, rермания).
1838 r. Патент Бар нета на вдувание природноrо rаза и нефти в фурмы доменной
печи.
1839 r. Работа Д. rиббонса о "естественном" рациональном профиле доменной печи.
1839 r. Первый анализ колошниковоrо rаза древесноуrольной печи в Фекерrаrене
(Бунзен ).
1840 f. Изобретение уrольноrо rазоrенератора Фабер дю Фором (rермания).
1841 r. Эбельман исследовал процессы в доменной печи завода "Клельваль" . На
основе исследований установлено наличие окислительной зоны у фурм (Франция).
1841 r. Карстен предложил добавлять пар или влаrу в дутье для снижения HarpeBa
при rорячем ходе печи (США).
22
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
1842 r. Изобретение Менненrеймом MOKporo очистителя rаза от пыли скруббера
(rермания ).
1842 r. Первый прибор Форта для улавливания rазов на колошнике.
1850 r. Изобретение Парри засыпноrо аппарата "воронка конус" для заrрузки
шихты (Анrлия).
1857 r. Изобретение э. Каупером кирпичноrо реrенеративноrо воздухонаrревате
ля (Анrлия).
1858 r. Изобретение щековой дробилки Блэком (США).
1859 r. Применение доменноrо шлака для производства кирпичей Люрманом
(rермания ).
1860 f. Первые опыты внедоменной десульфурации чуrуна содой в Анrлии.
1865 r. Патент Микари и Керпели на технолоrию производства железококса.
1866 r. Разработано крепление ropHa стальными плитами и их наружное охлажде
ние водой, поступающей в сплошную чуrунную коробку, окружающую [орн (AHr
лия).
1867 r. Изобретение Люрманом шлаковой фурмочки, впервые установленной им
на заводе Фриденсхютте (rермания).
1871 r. Патент r. Бессемера на способ доменной плавки с высоким давлением в
рабочем пространстве печи (пат. США N2117246).
1873 r. Изобретение миксера В. Дейтоном. Первый миксер введен на заводе "Эд
[ар Томпсон" (Питтсбурr, США) в 1889 r.
1875 r. Выплавка Брустлейном феррохрома в доменной печи (Франция).
1876 r. Патент r. Бессемера на технолоrию работы доменной печи на дутье, обо..
rащенном кислородом (США).
1877 r. Патент К. Амберса на вдувание уrля в фурмы доменных печей (rермания).
1882 r. Применение уrлеродистых оrнеупоров для футеровки доменных печей
Ф. Бурrерсом (rермания).
1884 [. Изобретение Кеннеди (США) бронзовых rоризонтальных холодильников.
1886 r. Изобретение Люрманом (rермания) rазомоторных воздуходувных машин.
1886 [. Изобретение Шмидтом rазовоrо клапана для отсекания доменной печи от
rазовой сети завода.
1886 [. Изобретение Брауном вращающеrося распределителя шихты к засыпному
аппарату.
1887 r. Изобретение технолоrии аrломерирующеrо обжиrа сульфидных руд Ф. re..
берлейном и Т. Хантинrтоном (Анrлия).
1887 r. Конструкция rоризонтальных холодильников для заплечиков реализована
rейли на заводе "Эдrар Томпсон" (Анrлия).
1887 f. Получение ферросилиция в доменной печи, Джерс (Анrлия).
1890 f. Применение осушенноrо дутья, Фрайер (rермания).
1891 r. Изобретение Ф. Баумом отсадочной машины.
1892 r. Изобретение rейли и Скоттом коробчатых холодильников для шахты дo
менной печи и установка их на заводе "Эдrар Томпсон" (Анrлия).
1893 r. Изобретение карусельной разливочной машины rиббардом Джерси (США).
1894 r. На заводе Камбрия Вон изобретена пушка для забивки летки для чуrуна
оrнеупорной массой (США).
1894 f. rейли получил патент на осушение дутья с помощью силикаrеля (США).
1895 r. Изобретение линейной разливочной машины Юлинrом. Пущена в 'Экс..
плуатацию в 1896 r. на заводе Люси в Питтсбурrе (США).
1899 r. Пуск в эксплуатацию первой печи с тонкостенной шахтой Бурrерса на за..
воде "Вулкан" около Дуйсбурrа (rермания).
23
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
1902 r. Предложение А.М. Брезrунова о вводе в доменную шихту мартеновских
шлаков (Россия).
1902 r. Изобретение В. Джобом способа аrломерации пиритных orapKoB и пыле
ватых железных руд с добавкой уrля при продувке слоя воздухом снизу вверх (rep
манский патент N2137438). Первые опыты аrломерации колошниковой пыли прове
дены в Бельrии на заводе фирмы Кокериль в Люттихе.
1904 r. Первые опыты выплавки чуrуна в шахтных электропечах на заводе "Люд
виr" (Швеция).
1904 r. Пуск первой коксовой печи конструкции Копперса (rермания).
1904 r. Установка Джеймса rейли для осушения дутья путем вымораживания вла
rи на печи "'Изабелла" (США).
1905 r. Разработка Е. Завельсберrом способа аrломерации железных руд с добав
кой к шихте уrля и коксовой мелочи (rерманский патент N221 0742).
1905 r. Впервые применен водяной пар для предотвращения взрывов в доменных
rазопроводах (Daugherty).
1906 r. Изобретение А. Дуайтом и Р.Ллойдом конвейерной аrломерационной Ma
шины с вакуумным режимом спекания (патенты США N2882517 и N2916396).
1907 r. Изобретение вращающеrося распределителя шихты Мак Ки (США).
1909 r. Изобретение карусельной аrломерационной машины фон Шлиппенбахом
(rерманский патент N2226033).
191 О r. Ввод в эксплуатацию Янтценом первой установки сухой rрануляции шла
ка на заводе Будерус (rермания).
1911 f. Патент на брикетирование руд и концентратов по способу rрендаля.
1911 f. Изобретение fазовой аfломерации А. Кролем (rерманский патент
N2271986).
1911 f. Изобретение двухслойноrо спекания x.r. Торульфом (fерманский патент
N2384372).
1912 [. Первая чашевая аrломерационная установка rриневольта (Швеция). Па
тент США N2 11 03196.
1912 r. Изобретение технолоrии производства окатышей из тонких концентратов
А. Андерсеном (шведский патент N235124).
1913 r. Изобретение В. Бартшем аrлоленты для работы с продувом воздуха сни
зу вверх (rерманский патент N2276424).
1914 f. Промышленные опыты по применению в доменной плавке оБОfащенноrо
кислородом дутья на заводе Уrре..Мари (Бельrия).
1916 r. Изобретение В. Шумахером дополнительноrо обоrрева спекаемоrо слоя
rорячим воздухом, HarpeTbIM в воздухонаrревателях (rерманский патент N2303799).
1917 r. Изобретение Чансом метода обоrащения руд в тяжелых суспензиях (США).
1919 r. Первая установка Зульцера для cyxoro тушения кокса на заводе Шлирен
(близ Цюриха).
1921 r. Пуск первой промышленной чашевой аrлоустановки шведской фирмы
АИБ (круrлые чаши диаметром 2,6 м).
1923 r. Промышленное освоение технолоrии доменной плавки с обоrащением
дутья кислородом в Yrpe (Бельrия).
1925 r. Изобретение Шписом полусухой rрануляции доменноrо шлака (rермания).
1926 r. Патент rескампа на способ вдувания уrля в фурмы доменных печей (Анrлия).
1929 r. Первые лабораторные опыты В.В. Лизунова подачи HarpeToro (500 ОС) воз
духа под изб. давлением « 3 кПа) к спекаемому слою на чашевой установке (Россия).
1931 r. Изобретение круrлой аrломашины В.А. Сахарновым (Россия).
1932 f. Изобретение А.П. Николаевым двухзонноrо спекания аrлошихты (Россия).
24
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
1932 r. Первые опыты получения офлюсованноrо аrломерата В. Люйкеном и
л. Кребером (rермания).
1935 r. Опыты инж. BepecoTCKoro по спеканию аrлошихт под изб. давлением
< 60 кПа на заводах им. Дзержинскоrо и "Азовсталь" (Украина).
1936 r. Первые опыты применения офлюсованноrо аrломерата в доменной плав
ке (Украина).
1937 r. Опыты внедоменной десульфурации чуrуна известью на заводе в Штюр
цельберrе (rермания).
1941 r. Демонтаж двух доменных печей 930 м 3 на Новолипецком и Новотульском
заводах с последующим монтажом на Челябинском заводе (задуты в 1944 r.) (Россия).
1943 r. Первые опыты реrулирования тепловоrо состояния доменной печи по co
ставу колошниковоrо rаза, шихты и шлака проведены А.Н. Похвисневым на Маrни
ToropcKoM меткомбинате (Россия).
1947 r. Изобретение П.А. Хватковым конструкции rидравлическоrо уплотнения
стыка паллет с вакуум камерами аrломашины (авт. свидетельство СССР N273767).
1949 r. Изобретение В.В. Виноrрадовым подоrрева аrлошихты перед спеканием
до температур, превышающих точку росы отходящих rазов (Россия).
1950 r. Первые промышленные опыты вдувания пылеуrольноrо топлива в фурмы
доменной печи на заводе им. Дзержинскоrо (Украина).
1950 1970 rr. Работа 1 О низкошахтных доменных печей на буроуrольном коксе в
Кальбе (rермания).
1954 r. Разработка конструкции (rипросталь) и сооружение цельноуrлеродистой
лещади с вертикальной установкой трех рядов блоков на печи N28 Маrнитоrорскоrо
меткомбината объемом 1371 м 3 (Россия).
1956 r. Получение формованноrо кокса из некоксующихся уrлей Л.М. Сапожни"
ковым (Россия).
1956 r. Изобретение поворотноrо желоба для выдачи чуrуна в ковши на два па..
раллельных железнодорожных пути с одноrо носка литейноrо двора (авторское сви
детельство СССР N2116351 на имя и.и. Морева, Н.С. Криволапова, л.я. Шпарбера).
Первое применение на Маrнитоrорском меткомбинате (Россия).
1957 [. Первая доменная плавка и промышленное освоение технолоrии с вдувани
ем природноrо rаза через фурмы доменной печи на заводе им. Петровскоrо (авторское
свидетельство СССР N2132247 на имя З.И. Некрасова, И.И. Коробова, И.Б. Страшнико
ва, В.И. Суровова) (Украина).
1957 r. Опыты вдувания KOKcoBoro rаза через фурмы доменной печи на Кузнец..
ком меткомбинате под руководством Б.Н. Жеребина (Россия).
1957 f. Разработка конструкции и применение на доменных печах экранированных
сопел (авторское свидетельство СССР N2106368 на имя Н.С. Реизова и Л.я. Шпарбера)
(Россия).
1958 1959 rr. Промышленное освоение технолоrии доменной плавки с вдуванием
природноrо rаза в сочетании с кислородом и дополнительным HarpeBoM дутья на дo
менных печах Приднепровья (Украина).
1958 r. Изобретение системы испарительноrо охлаждения промышленных печей
(авторское свидетельство СССР N270344 на имя С.М. Андоньева и r.E. Крушеля) и
первое применение на доменных печах Донецкоrо метзавода (Украина).
1958 r. Изобретение В. Дэвисом технолоrии производства металлизованноrо ar
ломерата при повышенном расходе топлива в аrлошихту (патент США N23083090).
Испытана на Череповецком метзаводе в 1971 rоду.
1959..1975 rr. Разработка и реализация на доменных печах отрасли способа пода..
чи шихты в скипы непосредственно из бункеров при помощи виброrрохотов (aBTOp
25
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
ское свидетельство СССР N2122155 на имя и.и. Саrайдака, Н.С. Криволапова,
Н.С. Реизова, л.я. Шпарбера, ю.п. Волкова) (Россия).
1960 r. Широкое развитие конструкций воздухонаrревателей с выносной камерой
rорения и асимметричным куполом. Предложено в 1910 r., первая реализация в 1930 r.
(Россия, rермания).
1964 1968 rr. Первые промышленные опыты вдувания rорячих восстановительных
rазов в ropH доменной печи на заводах "Азовсталь" и Новотульском (Украина, Россия).
1964 r. Первый промышленный опыт замораживания азотом действующей дo
менной печи с последующей послойной разборкой материалов осуществлен и.д. Ба
лоном с сотрудниками на Енакиевском метзаводе (Украина).
1965 1980 rr. Освоение вы плавки ванадиевоrо чуrуна на Чусовском метзаводе и
Нижнетаrильском меткомбинате (Россия).
1967 r. Изобретение аrломерационной ленты для спекания под давлением (aBTOp
ское свидетельство СССР N2508647 на имя Е.Ф. BerMaHa, A.r. Михалевича, А.А. Буя
рова) (Россия).
1970 r. Начало широкой реализации конструкций бесконусноrо заrрузочноrо YCT
ройства доменных печей на основе эволюции идеи БЗУ (1891 1969 rr.), в том числе:
А.с. СССР N2125576 (1959r. Е.Ф. BerMaH, А.А. Ваrин). Патент Чехословакии
N288154 (1959 r. М. Бабинес). А.С. СССР N2181143 (1965 r. A.r. Кошелевский).
Патент Франции N22053327, патент rермании N22035458 (1969 r. Р. Мар, э. Лежи).
1971 1976 rr. Освоение технолоrии доменной плавки на комбинированном дутье
высоких параметров с обоrащением дутья кислородом до 35..40% на Новолипецком
меткомбинате (Россия, Украина Институт черной металлурrии).
1974 r. Разработка и освоение установки придоменной rрануляции шлака с коль..
цевыми обезвоживателями на печи N29 меткомбината "'Криворожсталь" (Украина).
1978 r. Освоение технолоrии доменной плавки с вдуванием через фурмы водома..
зутной эмульсии на Караrандинском меткомбинате (авторские свидетельства СССР
N2827547, N2990820, N21077928, N21675337 на имя В.Н. Вакулина, Ж.Е. Слепцова,
э.э. Миникеса, В.А. Мирко и др. (Казахстан, Россия ЦНИНЧМ).
1980 1985 rr. Разработка и освоение технолоrии доменной плавки с полной заме
ной природноrо rаза коксовым на Макеевском меткомбинате (авторские свидетель
ства СССР N21068481, N21157061, N21291605 на имя H.r. TOBapoBcKoro, Я.М. Обода
на, H.r. Бойкова, ю.r. Чернеты, В.А. Руденко, П.Е. Коваленко, В.Ф. Пашинскоrо и
др.) (Украина).
1980..1984 rr. Разработка и освоение охлаждающих панелей шахт из залитых бето..
ном труб на доменных печах Донецкоrо завода, Мариупольскоrо меткомбината и др.
предприятий (л.д. rрицук, И.А. Немировский, A.r. Панев, А.М. Комардин, Ю.П. Вол..
ков, И.М. Пефтиев, С.В Ботман и др.) (Украина).
1982 r. Разработка, сооружение и освоение работы бесшахтноrо воздухонаrрева..
теля на Нижнетаrильском меткомбинате (авторское свидетельство СССР N2602555
на имя я.п. Калуrина, А.В. Арсеева, Б.Н. Прокофьева и др.) (Россия).
1983 r. Первые опыты на доменной печи, оборудованной плазмотронами, на заво
де Хофорс (Швеция).
1985 1990 rr. Освоение технолоrии доменной плавки с вдуванием rорячих BOC
становительных rазов, полученных очисткой от диоксида уrлерода собственноrо KO
лошниковоrо rаза (рециркуляция), и холодноrо кислорода без атмосферноrо дутья на
доменной печи (1033 м 3 ) НПО "Тулачермет" (А.П. Пухов, r.M. Степин, М.А. Цейт
лин, В.С. Шведов, л.с. Мкртчан, Ю.И. roxMaH и др.) (Россия).
1985 2000 rr. Разработка теоретических основ технолоrии прифурменной rазифи..
кации уrлей и вдувания продуктов rазификации в доменную печь Технические и
26
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
технолоrические решения по малококсовой и бескоксовой доменной плавке (и.r. To
варовский, Ю.А. Дронов, E.r. Шадек, А.П. Пухов, и.и. Дышлевич и др.) (Украина,
Россия ).
2000 2006 r.r. Разработка и реализация технолоrии доменной плавки с замеще
нием части кокса (до 100 Kr/T чуr.) специально подrотовленным кусковым антраци
том (О.В. Дубина, В.А. Шеремет, А.В. Кекух, В.П. Лялюк, и.r. Товаровский, Д.А.
Демчук, и др. ) (Украина).
Развитие технолоrии и техники доменноrо производства происходило на фоне
возрастания общей выплавки чуrуна за счет увеличения количества arperaToB и их
производительности. Общая выплавка чуrуна в XIX веке и первой половине ХХ века
характеризуется данными табл. 1.1 [3 6]. Во второй половине ХХ века после второй
мировой войны увеличение выплавки чуrуна продолжалось, причем количество
стран производителей большоrо количества чуrуна возрастало (табл. 1.2). В начале
XXI века прирост выплавки чуrуна в мире (табл. 1.3) [7] обеспечен rлавным образом
за счет Китая, в доменных печах KOToporo выплавлено в 1990 rоду 62,61 млн т, в 2000
rоду 131 млн т, а в 2007 rоду 469,4 млн т чуrуна.
Количество доменных печей в странах производителях чуrуна быстро возраста
ло и к 1945 rоду составило: в США 241, в Великобритании 168, в rермании 130,
во Франции 186. В последующий период оно изменялось мало, а затем стало сни
жаться и к 1980 rоду сократилось до 1 О 1 в США, 23 в Великобритании, 80 в ФРr,
48 во Франции. В СССР количество доменных печей увеличивалось в предвоенный
период и достиrло 112, а далее после разрушения в период войныI восстанавливалось
до 1956 rода (111 печей) с последующим увеличением в 1966 roдy до 129, в 1971 ro..
ду до 132 и в 1976 roдy до 136. В Японии в послевоенный период количество печей
увеличивалось и достиrло в 1980 roдy 70. После 1980 rода количество доменных пе..
чей сокращалось быстрыми темпами почти во всех странах и к 1995 rоду уменьши..
лось в 1,5..2 раза (в США до 43, в Японии до 35).
Сокращение количества доменных печей на определенном этапе развития явля
ется естественным результатом роста единичноrо объема и удельной производитель
ности arperaToB при одновременном снижении удельноrо расхода кокса. Данные о
динамике этоrо процесса в СССР приведены в табл. 1.4 [3 6].
Основные черты современной доменной плавки сформированы к концу XIX века.
К этому времени в большинстве развитых стран завершился переход на минеральное
rорючее кокс, а конструкция доменной печи обрела формы, принципиально не от..
личающиеся от нынешних.
Дальнейшая эволюция доменной плавки шла по пути укрупнения arperaToB, по..
вышения их производительности за счет интенсификации процессов при одновре..
менном снижении удельноrо расхода кокса и затрат труда на производство единицы
чуrуна. Наиболее крупными этапами этой эволюции являются:
применение HarpeBa дутья и последующее использование увлажнения ero для
дальнейшеrо увеличения температуры;
аrломерация пылевидных руд и последующий ввод флюсов в состав аrломерата;
сжатие rаза в рабочем пространстве печи;
обоrащение бедных руд с последующим их окускованием путем аfломерации
или окомкования;
удаление мелких фракций из шихты перед заrрузкой в печь;
применение природноrо rаза, мазута и измельченноrо уrля для вдувания через
фурмы;
обоrащение дутья кислородом;
27
о
f--o
::с
t:::
:;
............
ro
::а:::
(l)
r::c
><
><
(l)
::с
:S::
о
t:::
О
J::
>:S::
О
о..
(l)
t::
::s:
;><
><
ro
::с
::r'
О
f--o
u
r::t
О
м
:S::
о
о..
.......
........-01
ro
::1
:S::
t:::
\о
ro
28
0\
t;:::
::s: а... v) 00 ("f") \о v) ("f") t'- ("-. N N N
U .......
u ....... ....... N ("f") 0\ О N ("f") О v)
u U '"
"" .. .. "" "" "" '" "" "" '" "" '"
о о о о о о о о N N .......
а... U .......
............
о:::
:S:: \о
:::r N v) ...... о 00 ("f") \о ("-. 00 ....... Q'\ ("f") v)
::с ....... N ("f") 0\ ........-01 ("-. 0\ v) О N '" 0\
ro "" .. "" ... ... "" "" '" "" '" "" "" о '"
о о о о о ........-01 ........-01 ....... N ("f") v) 00 ("-.
о... .......
е
о:::
:S::
::с ("-. ........-01 v) \о ("f") \о ("f") ....... \о 0\ ("f") О
ro N v) v) ("-. \о О v) ("-. о \о N
:; "" "" '" '"
"" "" "" "" "" "" "" "" о о ("f") о
о.. о о о ....... N 00 0\ N
........-01 ....... .......
(l)
<t: N 00 0\ ("-. ("f") о о 0\ 0\ О Q'\ О О
а о ....... N v) 00 \о Q'\ ("f") 00 N v) N ("f") О
"" '" "" "" '" '"
"" "" "" "" "" "" "" "" ("f") ("f") ....... ("-. ("f") N
О О О О О ........-01 ("f") 0\
U ....... N ("f") ("f") ("f")
I о:::
О :S::
::а::: ::с ...... 0\ N 0\ ...... \о ("-. ("f") v) \о ("f") \о ...... \о
:S:: ro \о N ("-. 0\ 00 О ("-. ("f") ("-. N
f--o '"
t::: "" "" "" .. "" "" '" '" "" '" о "" '" ""
:S:: о о ........-01 N ("f") v) ("-. 00 0\ 0\ \о ("-. 00
(l) ........-01
о:) о..
\о
(l)
о..
:S::
:; ("f") ....... N N Q'\ 0\ 0\ О ("-. \о О О
О N v) 0\ N ("-. ("f") '"
о \о 00 v) "" "" "" "" "" "" "" '" '-D
"" "" "" "" "" N 00 ("-. ....... 00 ("-. 00 о
о ....... ....... N ("-.
........-01 ........-01 N v) ("-. ("-. 0\ .......
(l)
u
о:)
..... о о о о о о о о 0\ v) ("f") v) 0\ 0\
..с
r::t N ("f") v) \о t'- 00 0\ 0\ О ....... N N ("f")
О 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0\ 0\ 0\ 0\ 0\
....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... .......
о
Е--
::r:
t:::
Е 00\005 00 V)NOV)
....с ['-. м V)..q- __ N 00 ['-. ..q- N __
t:; ............................-I.........................\D
(l) м v) \D 00 .....-i 0\ 0\ 00 0\ 0\
:s::
::::r
::с
о..
е
\D\D00000['-......-i\D.....-i
['-. 0\__ __ 00__ 0\__ 0__ '""'"__ ['-.__ 0\__
О..q-V)О\['-.Q'\V)..q-NМ
f3::s::
.....::cr ['-.ооОООООМQ'\..q-м
(l) ..q-['-.O\D O\V)OO\D
а... е '""'"-- \.CS v) м о м 0-- 0-- о
>< о... O\........NNMMMMMMM
><
(l)
::с
::s::
о
t::: I
О О
t:: ::а:::
:s::
>::s:: t:::
О (l)
0...00
О
Е--
О
::с
::r
ro
::а:::
t:::
t::
....
....с
00
::s::
::с 0\ ['-.ОООООооN..q-['-.
['-. \D__ 0__ ['-.__ ['-.__ """': м 00__
Е-- N \D ['-. ['-. N О N N О
:s:: "-" ........ ........ .....-i ""1..0' ........ ........
о...
\о
<t:
:3
u
..q-NOOOOO\D\DO\N
MV)........\DMV)M['-.\Doo..q-
..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... .....
Q'\O OMNNV)Q'\O['-.
V)['-.\Doooo['-.\D..q-..q-V)..q-
. U a... 00 \D О О ..q-..q-
'""1 :!: м ['-. N О __ __ __ __ \D v)
, U -- -- -- -- --N ['-. Q'\ О -- --
U O\M\D\D\DOOO O\M
U м..q-\Dоо ......-4V)['-.
::::r
:s::
t:::
\о
(l)
о..
:s::
со
00 ..q- О
['-. \D О
-- -- --
\D м ..q-
О ..q- \D
.........j ........
О
О
--
['-.
0\
N
ONM['-.
0\ ..q- 00 \D ..q-
..... ..... ..... .....
['-.0"""" М 0\
OO\MN\D
V)..q-V)V)V)
:Е OV)OV)OV)0V)0V)O
v) v) \D \D ['-. ['-. 00 00 0\ 0\ О
О Q'\ Q'\ Q'\ Q'\ Q'\ Q'\ Q'\ 0\ Q'\ Q'\ О
N
а... N О О О О О О \D N М
<t: ['-. м 0\ М 0\ N N О N N v)
Q -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
О .....-i М М v) ['-. \D \D \D ..q-
I
о... N N О О О О О \D М 00 ['-.
Е-- :s:: 00 ['-. О \D О v) ..q- 00
u t::: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
N ..q- \D ['-. ['-. v) \D ['-. \D
<
О ..q- О О О О О \D v) \D ['-.
О ('-- ..q- N N 0\ \D м ..q- 0\
::с --
-- -- -- -- -- -- О -- -- r- --
N м м \D 00 0\ 0\ ['-. 00 00
.....-i
о:::
=:;:: О м О О О О О \D 00 \D \D
v) \D ('-- v) ..q- ..q- N О 00 '-D
-- -- -- -- -- --
-- -- -- -- -- ......-4 N N
Е-- О N v) 00
::s: ........ ........ .....-i
v) м N
::s:: О м О О О О О ..q-
['-. Q'\ N 0\ О М v) 00 \D О м
-- -- --
::с -- r- -- -- -- r- -- -- N 0\
.....-i .....-i ..q- \D ['-. 00 00 0\
::s: N
(l)
о... О О м ..q- ..q- ..q-
о м м 0\
N \D 00 -- -- --
.... -- -- v) N ..q-
v) 00
. N N
Q
:s:: О \D ..q- N
t::: м 00 О О О О
00 0\ О 00
:s:: ['-. О 0\ v) N -- -- -- -- --
м -- -- -- -- -- .... N 00 v) м
О N ..q- ['-.
о... N N N
j:.Q
=:;:: м м О О О О О ['-. м 0\
::с 0\ v) О 0\ О v) N 0\ О
О N ..q- -- -- -- -- -- -- -- -- --
-- -- ['-. 00 \D ['-. О О ..q- ......-4
t:: N v) N \D 00 00 00 00 ['-. 00
О v) О v) О v) О v) О v) О
О v) v) \D \D ['-. ['-. 00 00 0\ 0\ О
Q'\ Q'\ Q'\ Q'\ Q'\ Q'\ Q'\ Q'\ Q'\ Q'\ О
.....-i N
29
::>
t::t:
О
CQ
.
Е--
::r:
t:;
2
'"
CIj
:::G
(1)
CQ
><
;х:
(1)
t:;
CIj
::r
CIj
::r:
CQ
CIj
::r:
::r
CIj
:::G
CQ
CIj
t:;
t:
....
....с
са
.
м
.
CIj
::1
::::
t:;
tO
CIj
r--
30
.......
.
м
00 v) N f'-- v) N 00 о \о
f'-- '" '" f'-- \о
\о 0\ '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '"
о \о \о v) v) 0\ 00 N о '" '" '"
\о 00 \о \о
О 0\ 00 v) м м м м N N
N
.
\о
м f'-- 0\ ....... v) \о м О v) f'--
\о '" '" м v)
....... м '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '"
о f'-- М N О f'-- 00 М О О '" '" '"
00 00 t'- \о
О 00 00 v) м м м м N N
N
.
....... N 00 0\ f'-- М ....... f'-- N
v) '" '" м м N
v) О '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '"
о м 00 f'-- О М 00 f'-- \о N ....... О '" '" '" '"
00 м 0\ 00 f'-- \о
О f'-- М 00 м м м N N N
N
.
f'--
'" '" о 00 м ....... \о О \о ....... N \о N 00 N f'--
\о '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '"
о м 0\ N о f'-- v) М О О О '" '" '"
N v) 00 00 v)
о f'-- N 00 м м м N N
N
.
м м
'" '" о v) о v) м \о О О ....... м 00
м О N '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '"
о N 00 0\ 0\ N 0\ f'-- \о м О О О '" '" '"
v) о 00 t'- \о
О \о N 00 м N м N N N
N
N '" '" о t'- N \о f'-- \о м v) 00 \о N f'-- О
00 0\ '" '" '" '" '" '" '" '" '" '"
о ....... \о О f'-- 0\ 0\ \о м '" '" о '" '" '"
о о \о 00 N N N N N 0\ 00 00 00 \о
\о
N
.
f'--
'" '" 00 о ....... N 0\ м N 0\ О м f'-- О
00 f'-- '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '"
о 00 v) N \о f'-- 0\ v) N '" о '" '" '"
о f'-- f'-- N N N N N ....... 0\ ....... 00 t'- \о
v)
N
t:I::
::::
t:I:: ::с
(1) (1) CIj
о.. о.. r-
::::;: о :::: t:I::
2 t:I:: t:I:: о::: о.. ::::
CIj :::: :::: :::: tO ....с
CIj CQ t:I:: ::r: ::r: t:I:: О ::r: CIj
::r: >:::: :::: о::: :::: t:; CIj CIj t:I:: ::f :::: :::G t::t: ::::
о ::r: :::: < :::: ::r: :::: ::r: CIj о..
CIj CIj u CIj м 2 ::::;: CQ CIj ....с r-
о.. (1) r- о u :3 о.. CIj о.. ::Е t::t: CIj t:; >:::: ::r: t:; u
r- u :::: t: о :::G о.. (1) Q ::r: о.. r- (1) CIj CIj (1) CQ
U са а.. U :s:: е :s:: са r-- !:.Q <
cl..t
U
U
U
>:S:
(1)
::r
(1)
t::
:х:
....
....с
::с
::с
(1)
2
о
CIj
U
:::G
О
:::G
CIj
о
:х:
U
CIj
р..
=
:s:
Е---
U
О
::с
....с
t:;
(1)
Е---
:s:
о
CQ
м
:s:
о
о..
t::
>:S:
О
::с
....с
t:;
(1)
CIj
2
(1)
r:-CI
tO
О
'"
CIj
CQ
Е---
U
(1)
::r
:s:
t:;
о
:::G
t:I::
:s:
::с
(1)
::с
(1)
м
:s:
CIj
:::G
:s:
CIj
::с
:s:
h!:
.
........
CIj
::1
:s:
t:;
\.о
CIj
Е---
CIj Е---
::C
"""""-:::G
CIj
U
:::G ::с О
о O
:::G О
t::t: N
О ::r
:х: ....с
U U
CIj (1)
cl..t CQ
00
000
0\ О
........
О
v)
0\
........ V)f'--OOOMM\.O
f'-- """"'\.OV)V)MOO\
f'--\.O\.OV)V)V)V)V)
I :s:
....с :::G
t:; Е---
(1)
Е--- U
$
о............... ..... ..... ..... ... ..... ..... ..... ..... ..... ..... . ..... .... ..... ..... ..... ..... .....
CQ Е--- О О О О О О О ......... ......... ......... ......... . ........ ........ ........ ........ ......... ........ .........
м '"
:s: ....с
о Е---
р..С,,)
t:: g
м
2
'"
2
(1)
r:-CI
tO
О
>:s:
....
....с
::с
м
(1)
t:;
о
t::
2
=0\.0 000 О
uoV) OONO f'--
:::G v) f'-- t""""I N М М
CIj ...... ........ ........ ........
2
\.OOO\NOOOOOOOO
000..........000000000
М f'--ОМf'--ОNООV)V)
........................NNNMMV)V)V)V)
>:S:
:s:
::с
t::t: ....... О
(1) 0\ 0\
0............ N
U
OO\ M MOOV)O\N..........NOO
f'--ОМ\'оf'-- f'-- ОМО\М"""""
v)v)\.Оf'--ооооО""""""""""""'NММ
..............................................................
>:s:
(1)
::r
(1)
t::
О
CQ 00 0\
Е--- N \.о
U ..........
(1)
::r
:s:
t:;
о
N
..........
.......
NOO°\.Of'--О\ОN \.Оv)М
f'--O\...........................NMMMMMMN
........................................................................................................
А МООN ООNf'--Nf'--О\ОV)f'-- О\.ОО
t::t: ........NМММ V)V)V)\.О\.О\.Оf'--f'--f'--ООООО\
00\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\
..........................................................................................................................................................
--1
31
J. Развитие технолос">ии lf познание I1роцеССО6
совершенствование управления доменным производством "сверху" и "снизу" на
основе более совершенноrо контроля технолоrических параметров.
Лучшие доменные печи конца XIX века работали с удельной производительно
стью 0,6 0,8 т/(м 3 .сутки) (КИПО 1,2 1,6) при расходе кокса 900 1200 Kr/T чуrуна;
суточная производительность одноrо arperaTa составляла 300 600 т. В современных
крупных доменных печах выплавляют до 1 О тыс. Т чуrуна в сутки. Их удельная про
изводительность составляет 2,5 3,0 т/(м 3 .сутки), а расход кокса достиrает 350 400
Kr/T чуrуна.
Таким образом, результат развития доменной плавки в течение ХХ века выража
ется в трех четырехкратном увеличении удельной производительности доменных пе
чей и в 2,5"3 KpaTHOM сокращении удельноrо расхода кокса. Совокупность известных
и разрабатываемых мероприятий по совершенствованию доменной плавки позволит
улучшить ее показатели примерно в 1,5 раза, достиrнув удельной производительно
сти 3,5 4 т/м 3 в сутки И расходе кокса 250 300 Kr/T чуrуна, что близко к предельным
возможностям доменной плавки в рамках присущих ей характерных свойств.
Судя по приведенным данным, большая часть пути эволюционноrо развития дo
менной плавки уже пройдена. Оставшаяся меньшая часть характерна возрастающими
трудностями дальнейшеrо совершенствования процессов, природа которых присуща
всем техническим системам, а первые симптомы их обнаружены еще на ранних CTa
диях развития и выражены как частный случай в известном принципе Окермана..
Павлова [8]: "'Всякая причина, уменьшающая расход тепла в доменной плавке, дает
тем больше сбережения rорючеrо, чем менее был коэффициент полезноrо действия
тепла в доменной печи".
Рассмотренная особенность доменной плавки как характерной сложной техниче
ской системы отражена во временной функции ero развития. На рис. 4 приведено
изменение расхода кокса и удельной производительности доменных печей СССР с
1945 rода, иллюстрирующее эту особенность, присущую и друrим странам.
1000 1.9
950 1.8
. 900 1.7
.....
::r" 850 1.6 u
Е--- '"
............. ::Е
.............
:.:: 800 1.5 Е--о
:'Ij ос
u
::.::: 1.4 Е--о
о 750 Q
:.::
ос
о 700 1.3 <;
>< :u
u Е--о
:'Ij ::;:
а.. 650 1.2 %
:с
:'!';
600 1.1
......
с
550 1.0
500 0.9
1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990
1 "'О/I,Ы
Рис. 4. Изменение удельноrо расхода кокса на передельный чуrун и
производительности доменных печей СССР после 1945 rода
(К удельный расход кокса, Kr/T чуr.; П производительность, т/м 3 сут.)
32
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
Замедление темпов улучшения показателей плавки обусловлено уменьшением
эффективности, приходящейся на единицу затрат ресурсов по мере совершенствова
ния процессов доменной плавки. Тем не менее, технические резервы совершенство
вания процессов плавки еще достаточно велики не только в масштабах отраслей,
фирм и друrих объединений, но и для лучших печей. Темпы их реализации зависят
от множества факторов различной физической и социальной природы.
Рассмотрение технических аспектов дальнейшеrо развития доменной плавки Tpe
бует анализа влияния параметров, факторов и условий ее функционирования на пока
затели плавки, а также изучения процессов в доменной печи и их эволюции под
влиянием необходимых изменений параметров, факторов и условий с учетом прямых
и обратных связей. Указанные вопросы являются предметом последующеrо анализа.
" Задача 111eopuu заК7Iочаеl11СЯ в КОНСl11руировании
CYIl{ecI11GY/OllJe20 UСК7/0ЧU111ельно в нас 0111раженuя
GHeUlHe20 иuра, K0l110pOe дО 7ЖНО СЛУЖUI11Ь пУl11еводной
звездоЙ во всех HaUlUX ИblСЛЯХ U эксперииеНl11ах. "
"Нuче20 неl11 праКI11uчнее xopOUleiI /пеорuu. "
л. БОJ1ЬЦ.Jtаl1 (1844 1906)
"...наЧG.7D.И qJuзuческоzl I11еории явЛЯЮl11СЯ .Иblсли и идеи,
rl "
а не {jJОР:WУЛbl.
А. Эйншпlейн (1879 1955)
1.2. Эволюция познания процессов
Формирование теории процессов
в течение более четырех столетий существования доменноrо производства разви
тие и совершенствование техники и технолоrии выплавки чуrуна происходило на
эмпирическом уровне без достаточноrо обобщения опыта работы доменных печей и
осмысления происходящих в них процессов. Лишь в начале XIX века достижения
науки позволили, а практические нужды промышленности востребовали направить
усилия инженеров и ученых на развитие теории доменной плавки. Первый этап этоrо
развития освещен М.А. Павловым в сборнике [9], фраrменты KOToporo приводятся
ниже.
Введе1lие М.А. Пtlвловtl [9, с. 5 6].
До опубликования знаменитых статей Ломоносова и Лавуазье о rорении и кисло
роде, т. е. до конца XVIII в., металлурrи не имели возможности судить о том, что дe
лается в доменной печи, или о rлавных процессах, совершающихся в ней, BOCCTa
новлении железа и rорении уrлерода. Профессор Ассенфратц в 1812 r. опубликовал
книrу '''Сидеротехника или искусство обрабатывать железные руды для получения
чуrуна, железа и стали", содержащую rлаву ""Теория доменной плавки", в которой
использовал открытия Лавуазье. Иных исследований, относящихся к доменному
процессу, в то время не было. Тем не менее, Ассенфратц указал на два рода восста..
v v
новления железнои руды в доменнои печи: восстановление уrлеродистыми rазами и
твердым уrлеродом. Уrлеродистыми rазами автор считал получающуюся в доменной
печи смесь метана и окиси уrлерода, не подозревая, по видимому, что rлавная роль
принадлежит окиси уrлерода. Замечательно то, что в своей книrе Ассенфратц впер
вые указал метод определения времени пребывания материалов в печи, дал формулу,
которая применяется и в настоящее время.
33
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
Дальнейшим событием, имевшим большое значение для развития теории ДOMeH
ной плавки, было опубликование работ Бунзена и Эбельмана, изучавших состав rазов,
получающихея в доменной печи, с целью установления последовательности в BOCCTa
новлении руд. Но теории доменной плавки ни тот, ни друrой не дали. Более Toro, в Te
чение десятков лет после опубликования их трудов, в наиболее подробных PYKOBOД
ствах по металлурrии железа Карстена, Перси, Веддинrа (Дополнения к Перси) OT
сутствовала rлава "Теория доменной плавки", хотя приводились уже результаты ис
следований Бунзена и Эбельмана и придавалось им большое значение, но не делалось
выводов, которые можно было извлечь из них. Значительно позже (1865) французский
инженер де Ватер предложил метод определения расхода и прихода тепла в ДOMeH
ной плавке и определения так называемоrо тепловоrо баланса доменной печи.
Самому де Ватеру не удалось произвести правильноrо расчета баланса доменной
плавки отчасти потому, что он не имел в своем распоряжении нужных термохимиче
ских данных, отчасти вследствие допущенных им ошибок в расчете.
Фактически первый тепловой баланс, хотя и неполный, был опубликован Лотиа
ном Беллом. Это позволило сделать важные выводы об усвоении тепла доменной пе
чью, об ее коэффициенте полезноrо действия и, наконец, судить о том, как влияют те
или иные факторы на результаты плавки.
Из КIIU2U;Л: Ассеllфрtlll1Цtl (ФрtIIlЦUЯ, 18122.) [9, c.7 ] 1].
В печь заrружают руду и уrоль, последний сжиrается, и так как сжиrание проис
ходит rлавным образом внизу печи, в [орне около фурмы, то колоши опускаются и
оставляют у колошника свободное пространство, в которое можно поместить новую
колошу. Продолжительность схода от колошника до ropHa изменяется в зависимости
от метода работы, применяемоrо rорючеrо и количества подаваемоrо дутья. Чем
рыхлее rорючее и больше количество дутья, тем быстрее сход колош. В печи Сент"
rертруда (Каринтия) высотой в 20 футов (6,1 м), rде работают на еловом древесном
уrле, продолжительность схода составляет три с половиной часа; в одной из швед..
ских печей высотой в 23 фута (7,03 м), работающей на древесном уrле из сосны и
ели, продолжительность схода шихты составляет двадцать один час. В больших aHr
лийских печах высотой от 40 до 60 футов (12,2 18,34 м), работающих на коксе, время
пребывания колош составляет от 70 до 120 часов.
Продолжительность схода оказывает большое влияние на природу получаемоrо
чуrуна. Чем длительнее время пребывания руды, тем больше время соприкосновения
с уrлем, руда больше времени подверrается действию уrлеродсодержащих rазов и
металл может леrче восстанавливаться и соединяться с уrлеродом, а, следовательно,
получаемый чуrун будет более серым.
Первое действие тепла на руду заключается в испарении таких веществ, как вода,
уrлекислота, и возможно также небольшоrо количества кислорода, если количество
связанноrо кислорода превосходит то, которое металл может удерживать при обжиrе.
Почти всеrда руды, обжиrаемые перед плавкой, содержат при заrрузке влаrу, так
как после обжиrа подверrаются действию атмосферной влаrи; при производимых
анализах поэтому также необходимо учитывать влаrу, воспринятую рудами, для точ
Horo определения составляющих.
Руды всеrда заваливают на уrоль, они подсушиваются и проrреваются при опус
кании, следующие колоши руды перекрываются уrлем и оказываются окруженными
им со всех сторон, что далее содействует восстановлению и обуrлероживанию.
Различают два rлавных фактора, содействующих восстановлению и обуrлерожи..
ванию:
1. Распределение руды в rорючем.
2. Проходящий в промежутках между кусками руды уrлеродистый rаз.
34
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
Если руду располаrать кучей на rорючее, как в первых колошах при задувке, то
руда слипается при опускании и будет восстанавливаться только при соприкоснове
нии с уrлеродом по внешней поверхности ее; но при завалке руды стараются распре
делять уrоль rорбом, чтобы забрасываемая сверху руда моrла скользить и CKa
тываться к стенам печи. Коrда уrоль опускается в расширяющееся пространство, py
да расползается. Небольшие толчки, вызываемые неравномерностями опускания, за
ставляют руду располаrаться в промежутках между кусками rорючеrо, распределяясь
более равномерно. Но, несмотря на это, всеrда остается более или менее значитель
ная масса руды, восстановленная только с поверхности, если второй фактор BOCCTa
новление rазами не присоединится к первому.
Для разрешения вопроса о том, способен ли уrлеродистый rаз восстанавливать
железо, проходя в промежутках между кусками через трещины и поры руды, был
произведен опыт. В ружейный ствол поместили куски окисла железа с острова Эль
бы, сильно наrрели и стали пропускать через ствол уrлеводородный rаз. Куски окис
ла вначале увеличились в объеме, при этом образовались трещины. Затем руда pac
трескалась, rаз стал проходить насквозь, полностью восстанавливая руду; куски, из
влеченные из ствола, были мяrкими и ковкими. Они растворялись в соляной кислоте,
выделяя водород. При этой операции они потеряли 29 частей на 100. Окисел, BOCCTa
новленный уrлеродистым rазом, был черным, тоrда как восстановленный чистым BO
дородом В опытах Присли, Шосье и Бертоле (сына), был белым и более или менее
желтоватым.
Уrоль, который находится под рудой, вначале подверrается сушке, вода выделя..
ется, часть жидкости, удерживаемая прочнее, разлаrается и образует уrлекислоту и
уrлеводород, этот rаз проходит через массу руды, перекрывающую уrоль, уrлеводо"
род разлаrает окисел металла, соединяясь с ее кислородом. Руда, опускаясь, все более
наrревается.
Атмосферный воздух, который продувается через уrоль, образует уrлекислоту,
окись уrлерода и уrлеродо азотистый rаз (циан); последний rаз, проходя через массу
руды, отлаrает часть cBoero уrлерода, который используется вначале для BOCCTaHOB
ления руды, а затем для образования карбида железа.
Восстановление и обуrлероживание тем больше развиваются, чем больше BpeMe
ни руды остаются в соприкосновении с уrлем и уrлеродистым rазом до наступления
плавления. Отсюда следует, что при ровном ходе, коrда колоша остается в печи
больше времени, получается более серый чуrун.
О том, что происходит в печи, леrко судить по последовательности HarpeBa и по
распределению температур: выше фурмы температура возрастает до некоторой высо"
ты в ropHe, затем постепенно снижается до колошника. Уровень максимальных темпе..
ратур меняется в зависимости от скорости воздуха, количества и характера rорючеrо.
Руды, опускаясь, вначале подверrаются обжиrу, затем восстанавливаются и, на..
конец, обуrлероживаются. Так как они непрерывно опускаются, а температура воз
растает книзу, они наrреваются, и все более приближаются к температуре плавления,
при которой пустая порода руды плавится, шлак облекает расплавленный металл, Ka
пли ero стекают, проходя перед фурмой в ropH.
Руда, находящаяся в соприкосновении со стенками, равномерно наrревается при
опускании; если, плавясь, она соприкасается с более rорячими стенками, то стекает
не прилипая; но холодные стены охлаждают металл и MorYT даже вызвать застывание
и налипание чуrуна на стены, отчеrо произойдет заrромождение.
В зависимости от состояния стен и качества пустой породы, примешанной или
связанной с рудой, иноrда происходит взаимодействие между рудами, шлаками и
35
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
массой стен, жидкие вещества металл и шлак MorYT действовать на кирпичи
внутренней части печи, способствуя их плавлению и разрушению.
Так как при опускании масса руды довольно плотно слеживается и уrлеродистый
rаз, который проходит через руду, не может полностью обработать каждый кусок,
расплавленные капли находятся в различных состояниях: одни обуrлерожены, друrие
окислены; расплавленные материалы падают в ванну, rде капли, содержащие окислы,
встречают обуrлероженные. Кислород и уrлерод собирающеrося металла соединяют
ся, образуя уrлекислоту и окись уrлерода, которые выделяются сквозь вязкий шлак,
вспучивая ero и делая пористым. Если руда не содержит пустой породы для образо
вания шлака, достаточноrо для обволакивания каждой капли расплавленноrо метал
ла, то сколько бы обуrлерожен последний ни был, он частично окисляется, проходя
перед фурмой. Эта смесь обуrлероженных и окисленных капель также образует уrле
кислоту или окись уrлерода. В обоих случаях смесь окисленноrо и обуrлероженноrо
чуrуна производит вскипание в ropHe, а чуrун получается менее серым, чем был бы,
если бы в первом случае руды лучше были распределены в уrле и во втором, если бы
также было достаточно породы для получения шлака, обволакивающеrо капли Me
талла.
Мноrие печи заrружают такой рудой или ведут таким образом, что всеrда проис
ходит вскипание в промежутке между выпусками. Это выделение уrлекислоты или
окиси уrлерода получается блаrодаря наклону заплечиков, по которым материалы
стекают с трудом, несколько задерживаясь; прибывающие новые материалы соеди
няются с первыми, увеличивая их массу, пока на наклонной поверхности заплечиков
не преодолеют сопротивления и не упадут в ванну. Обычно падение этих масс вызы"
вает вскипание.
Если чуrун, задерживаясь на заплечиках, может обуrлероживаться, вскипание,
которое происходит при падении этой массы, и сопутствующее ему раскисление бы..
ли бы полезны для качества чуrуна, но коrда сами массы окисляются на заплечиках
при своем соприкосновении с поступающим дутьем и являются сильно окисленны
ми, задачей металлурrа является избежание этоrо с помощью или профиля печи, дe
лая более крутым наклон заплечиков, или состоянием шихты, чтобы избежать HaCTЫ
лей, которые MorYT вызывать заrромождение печи.
Мы видели, что продолжительность схода шихты имеет большое влияние на
свойства получаемоrо чуrуна, но продолжительность оказывает еще большее влия
ние на экономию rорючеrо.
Чтобы доказать эту истину, мы сделали выписку скорости или продолжительно..
сти схода колош в 37 печах различных стран. Мы сравнили эту продолжительность
схода шихты с расходом уrля для получения ста частей чуrуна и нашли, что при про..
чих одинаковых условиях количество сожженноrо уrля тем больше, чем больше про..
должительность схода колош.
[Таблицу из труда Ассенфратца и разбор отдельных данных мы не приводим, но
отметим, что в этой таблице дается, между прочим, формула для определения BpeMe
ни пребывания материалов в печи.
Называя С объем печи и 1) объем колош за 24 часа, уменьшенный на одну чет..
верть (исходя из предположения, что до достижения фурмы объем вследствие сжатия
уrля уменьшается на одну четверть), продолжительность схода определяется сле
дующей пропорцией: 'U/24==C/x, откуда x==24C/'U. М.А. Павлов].
При заrрузке печи можно давать различные соотношения весов уrля и руды. Ko
rда вес руды мал по отношению к rорючему, то для схода шихты затрачивается
больше времени и руда находится в более тесном соприкосновении с уrлем. Оба фак"
тора вместе способствуют получению ceporo чуrуна.
36
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
в зависимости от количества дутья, вводимоrо в печь за 24 часа, находится и KO
личество расходуемоrо уrля: если печь целиком наполнена rорючим, то колоши
опускаются, затратив определенное время для схода, т. е. для сжиrания уrля, coдep
жащеrося в печи; но если уrоль смешан с рудой, две причины делают более быстрым
сход уrля, содержащеrося в печи: 1) количество уrля будет меньшим, так как приме
шанная руда замещает часть объема, и 2) кислород окислов железа соединяется с ча
стью уrлерода, образуя уrлекислоту или окись уrлерода, тоrда как металл соединяет
ся с друrой частью этоrо rорючеrо. Значит, коrда смешивают руду с уrлем, то дейст
вие кислорода окислов металла присоединяется к действию кислорода воздуха, по
данноrо воздуходувными машинами для сжиrания уrля, который уже уменьшен в
объеме, отсюда следует, что колоши должны сходить тем быстрее, чем больше руды
смешано с уrлем.
Коrда руду заrружают в малом количестве по отношению к уrлю, то при последо
вательных толчках, которые колоша испытывает при опускании, она перемешивается
с rорючим. Действие соприкасающеrося уrля, с одной стороны, и уrлеродистоrо rаза,
с друrой способствует восстановлению и обуrлероживанию металла.
Отсюда следует, что можно получить различные чуrуны, более или менее обуrле
роженные, более или менее серые, в соответствии с тем, будут ли руды смешаны с
большим или меньшим количеством rорючеrо.
Отношение веса руды к уrлю влечет изменение качества чуrуна, так как оно свя
зано с увеличением или уменьшением температуры печи и ускорением или замедле
нием плавки.
Печь наполнена rорючим, вся масса KOToporo соединяется с кислородом и раз..
личными rазами, выделяя при этом теплоту. Так как в каждой точке поверхности ка..
налов, через которые проходит воздух, выделяется теплота и температура в каждом
канале повышается, коrда там выделяется и концентрируется теплота, то отсюда сле..
дует, что каждый канал последовательно приобретает более высокую температуру,
коrда он расширяется; но коrда уrоль разделен кусками руды, сначала в каждом Ka
нале пустоты наполняются неrорючими веществами, которые не выделяют тепла.
Эти пустоты должны помешать образованию слишком высокой температуры KaHa
лов, которую они получили бы при отсутствии пустот. Наконец, материалы HarpeBa
ются и плавятся, расходуя для этоrо часть тепла, выделенноrо в каждом канале, что
влечет понижение температуры.
Руда, заrружаемая с уrлем, уменьшает температуру ropHa и заплечиков, rде ДОЛЖ"
но происходить плавление, и это уменьшение вызывается: 1) количеством тепла, по..
rлощаемым рудой для плавления; 2) плохим распределением тепла внутри печи в
большем пространстве.
Из КНИ2и К. KapCnlella (rер.; ,аIlUЯ, 1841 с.) [9, с.12..21].
При заrрузке колош необходимо принимать предосторожности, чтобы шихта в
шахте печи опустилась не более чем на объем, занимаемый одной установленной для
данной печи колошей. В некоторых местах является обычной так называемая мера
колоши, т. е. соrнутый под прямым уrлом железный прут, указывающий rлубину, на
которую может опуститься шихта до заrрузки новой колоши. При опускании колош
на большую rлубину и наполнении печи несколькими колошами одна за друrой про
исходит неизбежное охлаждение печи.
Уrоль (уrлем автор везде называет rорючее, т.е. и кокс и древесный уrоль
М.А. Павлов) должен применяться в возможно сухом состоянии, поэтому ero следует
брать (в особенности зимой) ИЗ ПОД навеса.
...На ход печи оказывает вредное влияние крупно дробленная или плохо обож..
женная, или очень влажная железная руда, причем это влияние тем больше, чем ниже
37
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
по высоте или меньше печь. Это объясняется тем, что руда недостаточно подrотав
ливается до Toro, как достиrнет плавильноrо пространства, и тоrда не полностью
восстанавливается вследствие сильноrо охлаждения печи.
...При заrрузке колош на всех заводах, rде величина уrольной колоши определя
ется не по весу, а по объему, постоянно поддерживается одно и то же количество yr..
ля или кокса в колоше, рудная же сыпь устанавливается тяжелее или леrче, смотря по
обстоятельствам. Если всеrда перерабатывают одинаковые сырые материалы, то сле
довало бы постоянно сохранять количество руды, установленное при постепенном
увеличении рудной сыпи, как наибольшее при нормально работающей печи. Пере
менное содержание влаrи в уrле и рудах, а особенно происходящее постепенное
расширение плавильноrо пространства, разрушения в кладке шахты, неравномерная
подача дутья вследствие изменения ero температуры, влажность атмосферы, небреж
ность в работе и разные случайные обстоятельства нередко делают необходимым
уменьшение рудной сыпи, чтобы постоянно получать чуrун одинаковых свойств,
поддерживать ровный ход доменной печи и избеrать заrромождения в плавильном
пространстве и шахте.
Определение уrольной колоши по объему можно, пожалуй, оправдать в тех слу
чаях, коrда перерабатываются уrоль или кокс довольно постоянных свойств и тоrда,
несомненно, следует предпочесть изменение рудной колоши в соответствии с ходом
печи, так как атмосферные влияния меняют вес, а не объем rорючеrо и так как этим
изменениям веса руда подверrается значительно меньше, чем уrоль. Если размер
уrольной колоши определяется по весу, то иноrда вес уrля в колошу меняют в соот..
ветствии с обстоятельствами, а рудную колошу оставляют постоянной.
Трудно решить, коrда получается большая надежность при определении величи..
ны уrольных колош по объему или по весу. Как в одном, так и в друrом случае
полная равноценность уrольных колош никоrда не достиrается. Все же определение
уrольной колоши по весу, а не по объему имеет большие основания. Но обязательно
следует определять ее по весу в случае применения сметничноrо уrля, т. е., уrля из
твердой или мяrкой породы дерева, или кокса, полученноrо из разных сортов KaMeH
Horo уrля или из одноrо и Toro же KaMeHHoro уrля, но полученноrо различными про
цессами коксования.
....Количество уrля, которое дают в колошу, зависит от размеров поперечноrо ce
чения печи и от отношения диаметра колошника к диаметру распара. Очень большие
уrольные колоши имеют тот недостаток, что верхняя часть шахты, особенно при уз..
ких колошниках, сильно охлаждается; это особенно вредно при железных рудах, со..
держащих цинк, так как охлаждение усиливает образование настылей. Напротив,
очень малые колоши вызывают просыпание руды через rорючее и MorYT способство"
вать обрушению колош. Также полаrают, что малая масса уrля леrче оттесняется в
сторону рудной сыпью и блаrодаря этому может получиться неровный ход печи ско"
рее, чем при больших массах уrля. Это рассуждение кажется не совсем правильным,
так как сыпь уrольная и сыпь рудная всеrда находятся в определенном отношении
между собой и более тяжелая рудная сыпь при больших колошах уrля, поэтому леrче
оттесняет уrоль в сторону. Чем сильнее должна уrольная колоша расползтись при
движении от колошника к распару, тем большей она должна быть, чтобы препятст
вовать просыпанию руды. Леrкий и леrко истирающийся или леrко раздавливаемый
уrоль требует большей толщины ero слоя, чем прочный уrоль. Уrольные колоши
должны иметь больший объем в случае сильноrо расширения шахты от колошника к
распару. В общем уrольные колоши способствуют более быстрому протеканию rазов
через колошник, одновременно влияют на расход rорючеrо материала и по той же
причине, что и узкие колошники, вредно сказываются на расходе rорючеrо, хотя не..
38
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
желательное соотношение при леrком уrле и очень плотно слеживающихся охристых
и пылеватых, а особенно при rлинистых, рудах неизбежно.
Уrольная колоша должна нести рудную колошу и подrотовить ее к процессу шла
кообразования и плавления чуrуна. Чем больше объем колоши уrля, тем лучше дoc
тиrается эта цель.
...Если колошники широкие или отношение диаметра распара к диаметру колош
ника является малым, то применяют с выrодой малые колоши, так как можно меньше
опасаться оттеснения уrля в сторону.
Восстановление окиси железа водородом до закиси начинается при очень низкой
температуре. Если жар HeMHoro превышает температуру кипения ртути (около 400 ОС),
то образуется, как впервые показал MarHYc, металлическое железо, которое, будучи
после полноrо охлаждения приведено в соприкосновение с воздухом при обычной
температуре, воспламеняется. Эту способность заrораться оно теряет, если до сопри
косновения с воздухом помешается в атмосферу уrлекислоrо rаза. Пирофоричность
снова появляется, если железо находится в атмосфере водорода. Если жар при BOC
становлении был повышен до KpacHoro каления, то металлическое железо уже не об
ладает свойством самовоспламеняться на воздухе.
Восстановление окиси железа уrлем происходит уже при слабом красном кале
нии. Окись железа вначале превращается в маrнитную окись, далее, минуя стадию
закиси, переходит сразу в металлическое состояние.
Восстановление, начавшееся на поверхности куска окисла железа, распространяется
до средины ero. Поэтому кусок руды в плавильной печи, сохраняя свою форму, пре
вращается полностью в металлическое железо значительно ранее, чем наступает плав
ление. Пока еше внутреннее ядро окисла железа не претерпело никакоrо изменения,
наружные слои восстанавливаемоrо куска состоят еще из закиси..окиси. Но если дейст"
вие уrля распространяется до средины, то наружные слои уже потеряли весь кислород
и представляют чистое, свободное от уrлерода, железо. Если и слои BНYTpeHHero ядра
потеряли весь кислород, то наружные слои не представляют собой чистоrо железа, а
поrлотили уже уrлерод. При этом, однако, восстановленный кусок сохраняет внешние
очертания и объем, которым обладал окисел, и лишь при значительном повышении
температуры восстановленные частицы сближаются и соединяются, наконец, в каплю,
обладающую то свойствами литой стали, то белоrо или ceporo чуrуна.
. .. Восстановление окисла железа из ero соединения с друrими, более TPYДHOBOC
становимыми окислами при помощи уrля может быть усилено двумя путями. Первый
путь повышение температуры в соответствии с тем, насколько противостоит дейст"
вию уrля окисел железа, связанный с друrими окислами. Второй путь заключается в
добавке друrоrо окисленноrо вещества, которое разрушает первоначальное соедине..
ние окисла железа и может заменить или заместить окисел железа в первоначальном
соединении. Первое средство, пожалуй, применимо в тиrлях, но не в наших обычных
плавильных печах, rде блаrодаря их устройству слои руды и уrля непрерывно опус..
каются в плавильное пространство и заменяются новыми. Расплавляющаяся масса не
может, следовательно, достаточно долrо находиться в области концентрированноrо
жара, чтобы вызвать полное восстановление окисла железа. Второе средство, напро
тив, обеспечивает большие экономические выrоды и является единственно выпол
нимым на практике.
...Опыт показывает, что температура наших плавильных печей еще недостаточна
для осуществления восстановления земель при помощи уrлерода. Небольшие коли..
чества кремния, которые образуются при высоких температурах и вступают в соеди..
нение с железом, Moryт рассматриваться как исключение, а алюминия, кальция и
маrния удалось найти только незначительные следы.
39
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
...Для получения ceporo чуrуна всеrда необходима трудноплавкая шихта.
...Металлические окислы соединяются с друrими окисленными веществами в
стеклообразные вещества или шлаки. Шлаки иноrда содержат соединения металли
ческих веществ (основных земель) с серой. Эти сульфиды встречаются все же в очень
небольших количествах в шлаках, так как они MorYT существовать, не разлаrаясь в
смесях окислов.
Из опытов Лампадиуса и друrих можно заключить, что чистые земли являются
единственными окислами, которые не шлакуются без примесей друrих окислов, а
только сильно обжиrаются, что и в двойных смесях не происходит действительноrо
ошлакования, и только коrда три земли подверrаются сильнейшему жару, как прави
ло, образуется стеклообразная масса. Позднее Зефштрем провел MHoro опытов по
изучению земель и образованию шлаков с добавкой окислов железа или без них; не
менее интересными заключениями мы обязаны Бертье.
...Первый свет на образование соединений окислов в плавильном жару в стекла
или шлаки был пролит Берцелиусом. Чем больше разница в электрических свойствах
окислов, тем леrче происходит образование соединения, причем один окисел иrрает
роль кислоты, в то время как друrой ведет себя как основание. Кремнезем является
тем окислом, который не только во мноrих минералах, встречающихся в природе, но
и в шлаках, ведет себя, как кислота. Этот взrляд привел к важным заключениям и в
особенности способствовал развитию учения о шлакообразовании.
...0 том, что мноrие железные руды требуют при плавке добавки земель (СаО,
MgO М.А. Пав 70в) для придания леrкоплавкости и устранения ошлакования, со..
держащеrося в рудах железа, известно с древних времен. Смешение различных зе..
мель приводит только к образованию спеченных смесей, а плавятся они при темпера..
турах, не достижимых в наших печах. Но при применении их в наших печах иноrда
при добавке еще одноrо вида земли (HoBoro окисла) (А1 2 О з М.А. Пав.70в) уже при
более низких температурах образуются более или менее плавкие смеси. Окислы же..
леза значительно более леrкоплавки, чем земли, и потому способны облеrчать плавле
ние земель. Это стремление окислов железа к соединению с землями в стеклообразные
вещества или шлаки мешает их восстановлению уrлем. Поэтому должен применяться
земельный окисел или друrой трудновосстановимый, но образующий леrкоплавкий
шлак окисел металла, чтобы способствовать полному восстановлению железа из руд...
...Восстановительный и плавильный процессы в шахтных печах поддерживаются
таким образом, что перемежающиеся слои уrля и руды постепенно опускаются перед
фурмами. У фурм достиrается наивысшая температура в печи, постепенно пони..
жающаяся к колошнику, хотя сам уровень колошника из..за соприкосновения с атмо"
сферой, поддерживающей там процесс rорения, не является самой холодной частью
шахты. Это закономерное возрастание температуры от колошника до фурм является
собственно тем, что влечет равномерное опускание слоев и что именуют правильным
ходом печи. Если же жар распространяется по какой либо причине неравномерно, то
результатом является то, что именуют зависанием и обрушением колош.
...Если принять, а ничто не противоречит этому предположению, что все количе
ство кислорода атмосферноrо воздуха, которое через фурму поступает в печь, цели
ком поrлощается уrольной колошей, находящейся в плавильном пространстве перед
фурмой, то последующие колоши будут наrреваться только раскаленными rазами,
которые образуются в результате процесса rорения, и, наконец, удаляются через KO
лошник. Тоrда от температуры у фурмы будет зависеть, может ли раскаленный rаз
отдать столько тепла, чтобы провести более или менее полно восстановление слоев,
находящихся над плавильным пространством. Чем ниже температура, при которой
происходит восстановление руды в металл, тем менее необходимы высокие темпера..
40
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
туры у фурмы, чтобы вызвать этот процесс, или тем более может быть повышено OT
ношение руды к уrлю. Следовательно, раскаленные rазы, образующиеся в плавиль
ном пространстве, отдачей cBoero тепла слоям уrля и руды, через которые они BЫHY
ждены пролаrать себе путь, вызывают восстановление руды и подrотавливают плав
ление шихты.
Восстановление должно быть закончено до Toro, как шихта достиrнет плавильно..
ro пространства, чтобы не перевести часть не восстановленной руды в шлак.
При низких давлениях дутья процесс rорения протекает в плавильном простран
стве с малой интенсивностью и поэтому продолжается еще в заплечиках, что имеет
следствием сжиrание уrля без полноrо использования ero теплотворной способности.
Если в таких случаях переходят к применению HarpeToro дутья, то меняются условия
rорения в плавильном пространстве. Дутье подводится в ropH не только с большей
скоростью, но и при более высокой температуре, и получается уменьшение расхода
rорючеrо, более или менее значительное на различных металлурrических заводах.
Все же ни в коей мере нельзя утверждать, что при увеличении давления холодно
ro дутья можно получить тот же результат в отношении расхода rорючеrо, что и при
применении rорячеrо дутья. Повышенная температура оказывает значительно боль..
шее влияние на более интенсивное rорение. Это получается в результате работы тех
доменных печей, у которых скорость HarpeToro дутья не выше, чем ранее при холод
ном дутье.
...Температура, до которой целесообразнее Bcero HarpeBaTb дутье, не может быть
одинаковой для разных условий. Если считать, что футеровка обладает достаточной
степенью оrнеупорности, то более высокая температура должна оказать большее
влияние. Это не может подверrаться сомнению, но, вероятно, не нужно переходить
определенной rраницы, если не желают иметь отрицательноrо влияния на свойства
чуrуна.
При рыхло лежащих (проницаемых М.А. Павлов) рудах и уrлях можно приме..
нять более высокую температуру, чем в противоположном случае. Древесный уrоль
допускает большее повышение температуры, чем кокс или каменный уrоль, боrатый
золой. При древесном уrле наrревают дутье до 200 ос и выше.
При чистом коксе и каменном уrле можно еще выше поднимать HarpeB дутья. Ec
ли каменный уrоль и кокс оставляют MHoro золы или работа ведется на трудноплав
кой шихте, то часто температура дутья не должна превышать 100 ОС, чтобы получить
достаточно прочный для литья и содержащий не слишком MHoro восстановленных
примесей чуrун для передела.
В общем, не может быть сомнения, что выплавленный при rорячем дутье чуrун
содержит больше примесей и поэтому менее прочен, чем полученный при холодном
дутье. Леrкая восстановимость кремнезема при наивысших температурах в ropHe яв..
ляется также причиной Toro, что при заrрязненном коксе и каменном уrле и при
трудноплавкой шихте HarpeB дутья выше 80 100 ос не рекомендуется.
Сбережение rорючеrо блаrодаря применению HarpeToro дутья установили на всех
заводах без исключения, и кажется поэтому излишним приводить еще более подроб..
ные данные. Все же не будет лишено интереса приведение данных для нескольких
доменных печей, из которых две работали на древесном уrле, а третья на коксе. Be
личина сбережения ни в коей мере не является определенной, но зависит от расхода
на холодном дутье. Поэтому на некоторых заводах получили сбережение в расходе
rорючеrо на несколько процентов, в то время как на друrих заводах оно достиrает
более 40 процентов.
Приведенные результаты не требуют никаких пояснений, чтобы видеть большие
преимущества применения rорячеrо дутья в доменном производстве.
41
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
о преимуществе и недостатках применения водяноrо пара в доменном производ
стве имеются противоречивые наблюдения. Кажется, пожалуй, что при применении
холодноrо дутья можно несколько процентов водяных паров вводить в печь без
ущерба, если атмосферный воздух очень сух и содержит мало их. При применении
водяных реrуляторов воздух всеrда находит возможность для поrлощения HeKOTOpo
ro количества влаrи, и преднамеренное введение водяных паров кажется тоrда He
нужным. При влажной поrоде необходимо избеrать водяных паров, чтобы не OCTY
дить печь. Влияние водяных паров может состоять только в том, чтобы способство
вать охлаждению при слишком rорячем ходе печи, как это применяется при rорячем
дутье в коксовых печах. Чуrун становится менее серым и поэтому более приrодным
для фришевания, чем полученный без водяноrо пара более rорячий серый чуrун. Ce
рый чуrун, выплавленный при добавке водяноrо пара, будучи склонным к закалке в
формах и сохраняющий это свойство при переплавке в BarpaHKax, содержит больше
уrлерода, чем белый чуrун cbIporo хода, и по своему поведению приближается к ce
рому чуrуну с наибольшим содержанием уrлерода, который получается при леrко
плавкой шихте.
Те металлурrи, которые ожидают от применения водяноrо пара друrих преиму
ществ, чем получение чуrуна, более боrатоrо уrлеродом, исходят из теоретическоrо
представления, что водяные пары в калильном жару плавильноrо пространства раз
лаrаются, что кислород водяноrо пара способствует rорению уrля, а водород содей
ствует восстановлению окислов железа в руде, в заплечиках и шахте.
Из рабопlЫ Р. Бунзена (1839) [9, с. 29].
Можно различить три области или зоны, в которых подrотавливается, протекает и
завершается весь процесс восстановления.
Первая область характеризуется обильным образованием водяноrо пара, прости..
рается до rлубины около 4 футов (1,22 м) ниже уровня засыпи и как бы является об..
жиrательной печью: свободная и химически связанная вода шихты и rорючеrо уле..
тучивается, rлинистые минералы обжиrаются, и происходит выделение уrлекислоты
из шихты, чему блаrоприятствует присутствие водяноrо пара,
Вторая область характеризуется содержанием окиси уrлерода в rазах, превосхо
дящим 30 %, и простирается до низших rоризонтов в заплечиках. Ее можно было бы
назвать областью восстановления. Окись уrлерода, метан и водород проникают в OT
крытые блаrодаря обжиrу поры руды, начинается восстановление в закись окись же
леза, продолжающееся в нижележащих слоях, возможно до полноrо восстановления,
между тем как при rосподствующей здесь температуре плавкие силикаты извести
еще не образуются.
Третья область включает ropH и является плавильной печью. Начинается образо..
вание шлака (расплавленных кислых силикатов), железо полностью восстанавливает..
ся и обуrлероживается, и, наконец, происходит разделение шлака и металла.
Из рабопl ж: Эбе 1ь."ана (Франция, 1839, 1841 и 1851 22.) [9, с. 68 69, c.134 135,
с. 153 157].
... Итоrи, содержащиеся в этой rлаве, мне кажется, представляют совокупность
реакций, происходящих в доменной печи между воздухом, уrлем и рудами.
Они показывают, какая роль принадлежит различным частям доменной печи в
металлурrической подrотовке руды.
Они показывают, что кислород, содержащийся во вдуваемом воздухе, очень бы..
стро превращается в уrлекислоту, lатем в окись уrлерода; что эти два превращения
происходят последовательно на небольшом расстоянии от фурмы и определяют пре..
делы области, называемой металлурrической зоной плавления (здесь нужно понимать
зону rорения, а не зону плавления. М А. Павлов); что закись железа восстанавлива..
42
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
ется до металла двумя различными способами, которые, ло видимому, зависят от ви
да ero соединения: закись железа в свободном состоянии восстанавливается по всей
высоте шахты печи окисью уrлерода с образованием уrлекислоты без расходования
уrля; закись железа, связанная с кремнеземом, восстанавливается только в нижних
частях печи под действием высокой температуры с образованием окиси уrлерода и
израсходованном, следовательно, соответствующеrо количества rорючеrо.
Химическая природа используемой руды является, следовательно, одним из об
стоятельств, которые должны быть причиною очень больших изменений в составе
rазовоrо потока в различных печах. Она определяет также наблюдаемое различие в
профилях доменных печей.
Малейшие отклонения в ходе печи сопровождаются соответствующими измене
ниями в составе rазообразных продуктов. Сравнительный анализ последних позво
лил бы, следовательно, оценить влияние причин, вызывающих расстройства, всякоrо
рода неполадки, слишком часто наблюдаемые на заводах.
Атмосферный воздух, введенный через фурму в печь, дает последовательно yr
лекислоту и окись уrлерода на небольшом расстоянии от rлаза фурмы. Первая из
этих реакций чрезвычайно повышает температуру; вторая, наоборот, производит зна
чительное понижение температуры rазовоrо потока. rраницы зоны плавления COOT
ветствуют rраницам пространства, в котором происходит превращение уrлекислоты
в окись уrлерода (плавление заканчивается раньше зоны rорения в уrлекислоту
М. А. Павлов).
Восходящий поток rазов, состоящий из окиси уrлерода, небольшоrо количества
водорода и азота, передает заметную часть cBoero тепла опускающимся в них мате..
риалам; он увлекает летучие, которые они выделяют на различных высотах печи, и
восстанавливает окись железа в металлическое железо. Эти реакции ведут то к воз..
растанию содержания окиси уrлерода, то, наоборот, к превращению окиси уrлерода в
уrлекислоту.
Коrда восстановление железа происходит с образованием окиси уrлерода, замеча
ется поrлощение тепла. Для правильноrо хода печи необходимо, чтобы руда подхо
дила вполне восстановленной к той части печи, rде температура достаточно высока
для превращения уrлекислоты в окись уrлерода при соприкосновении с уrлеродом.
Это условие осуществляется приблизительно как в печах, работающих на древесном
уrле, так и в печах на коксе, коrда окись железа в руде находится в свободном co
стоянии. Восстановление железа в присутствии кремнекислых солей требует, наобо..
рот, высокой температуры; оно происходит лишь в зоне, rде уrлекислота совершенно
исчезла.
Зона, в которой находится только окись уrлерода, занимает большее пространство
в коксовых печах, чем в древесноуrольных печах. Зона восстановления окисью уrле..
рода значительно ближе к колошнику в коксовых, чем древесноуrольных, печах; она
опускается при замене rорячеrо дутья холодным при том же сорте rорючеrо. Все эти
обстоятельства объясняются, естественно, указанной разницей в расходе различноrо
rорючеrо или при том же rорючем различными условиями процесса.
Летучие rорючие вещества, выделяемые древесным уrлем при сухой переrонке,
появляются в rазах у колошника и как будто не оказывают никакоrо восстановитель
Horo влияния на руду обстоятельство, объяснимое высокой концентрацией окиси
уrлерода в отходящих rазах.
Показатель, названный скоростью восстановления, был подсчитан для каждоrо
опыта делением количества кислорода, отданноrо 100 частями окиси железа, за вре..
мя между двумя последовательными опытами, на количество колош, которыми они
отделены друr от друrа. Таким образом, например, средняя скорость восстановления
43
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
рУДЫ из ла Шапель, коrда она занимает объем печи, заключенный между 3 и 6 й KO
лошами, составляет: (5,55 0,48)/3==1 ,69.
Доменная печь Клерваль вмещает 25 колош, то есть руда поступала к фурмам
только после Toro, как она бывала перекрыта 25 последующими колошами. Средняя
скорость восстановления руд была бы 30,66/25== 1,22.
Сравнение показателей представляющих скорость восстановления позволяет су..
дить о том, каким образом идет восстановление руд. Очевидно, что в верхней части
печи оолитовые руды теряют почти только свою связанную воду: их восстановление
совершается быстрее, коrда они переходят в состояние маrнитной окиси. Скорость
восстановления, по видимому, весьма значительно уменьшается в той области печи,
rде происходит превращение маrнитной окиси в окисел окалины. Этому окислу Бер
тье придал состав Fеб07, в то время как в промежутке, заключенном между 8 и 11 й
колошами, восстановление совершалось с большой скоростью. Следует напомнить,
что окись железа теряет 1/9 содержавшеrося в ней кислорода при переходе в маrнит..
ную окись и 1/4 при превращении в окисел Fеб07.
Результаты, аналоrичные предыдущим, наблюдаются в отношении основной ру..
ды. Здесь восстановление совершается, по видимому, значительно более равномерно,
чем в оолитовой руде, хотя и здесь дают себя чувствовать те же колебания в скорости
восстановления. Можно также заметить, что на одном и том же уровне доменной пе
чи восстановление окиси железа основной РУДЫ всеrда меньше, чем оолитовой руды.
Разные результаты надлежит приписать относительным объемам кусков двух разно
видностей руд. Руда из Лессей, находясь в rораздо более крупных кусках, имеет
меньшую поверхность при том же объеме, чем оолитовая, и восстановление путем
цементации должно неизбежно проходить труднее.
Как бы то ни было, очевидно, что в верхней части доменной печи восстановление
совершается медленно, так как окись железа теряет не более 1/5 CBoero кислорода в
пространстве, занятом 8 последовательными колошами. Наоборот, в очень сжатой по
высоте зоне, находящейся несколько выше сопряжения шахты и заплечиков, наблю
дается, что в течение не более 1 ,5 2 часов количество отданноrо кислорода повыша
ется до половины Toro, которое содержится в окиси железа.
Вероятно, причина столь резкоrо изменения скорости восстановления руд с rли
нистой или известковой пустой породой должна быть приписана выделению уrлекис
лоты из известняка и из основной руды. Можно было заметить, что руда из Лессей
потеряла небольшую часть своей уrлекислоты в опыте N23. Выделение уrлекислоты
поразительно совпадает с резким изменением температуры доменной печи и скорос..
ти восстановления руд. Это обстоятельство не представляет ничеrо удивительноrо,
так как по опытам Бишофа известно, что уrлекислота поrлощает очень большое ко..
личество cKpbIToro тепла при переходе в rазообразное состояние. Следовательно, [а..
зы, проходящие через доменную печь, должны освобождаться в зоне, rде происходит
обжиr известняка, от части содержащеrося в них тепла и в то же время их BOCCTaHO
вительная способность оказывается уменьшенной либо из за понижения температу
ры, либо из за примешивания значительноrо количества уrлекислоты.
Оолитовая руда из ла Шапель содержит вместе с rидратом окиси железа KpeMHe
зем и rлинозем в таких количествах, что при прибавлении надлежащеrо количества
извести получился бы силикат, содержащий около 50 % кремнезема, 20 % rлинозема
и 30 % извести, то есть состав, соответствующий наиболее жидкотекучему шлаку
(заключение, которое противоречит современным данным. М А. Павлов). Таким
образом, можно было бы, cTporo rоворя, проплавлять одну только эту руду с присад..
кой известняка. Пустая порода, присоединенная к rидрату окиси железа, является
смесью rлины и rидрата окиси алюминия, а не однородной rлиной, т. е. количество
44
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
растворимоrо rлинозема rораздо более значительно, чем то, которое соответствует
студенистому кремнезему, образующемуся при растворении некоторой части rлины
в соляной кислоте. В первых трех опытах не происходит реакции между пустой по
родой и окисью железа, так как при растворении руд в соляной кислоте получались
одинаковые количества растворимоrо rлинозема, студенистоrо кремнезема и rлины.
Но в зоне печи, находящейся между 8 и 11..й колошами, почти вся rлина соединялась
со всем железом, еще оставшимся в состоянии закиси, и образовывала леrкоплавкий
силикат, в котором было рассеяно металлическое железо, а также не растворившиеся
rлина и rлинозем. Плавкость этоrо силиката постепенно уменьшалась по мере увели
чения относительноrо количества металлическоrо железа. С друrой стороны, BOCCTa
новление закиси железа становилось тем более затруднительным, чем меньше ее oc
тавалось в силикате, если только друrое сильное основание, соединившееся с KpeM
неземом, не блаrоприятствовало этому восстановлению. Это последнее условие осу..
ществляется при прилипании зерен руды, пришедших в тестообразное состояние, к
кускам известняка или основной руды.
Состав руды из Лессей позволял предуrадать, как она себя поведет в доменной
печи и что высокое содержание в ней извести будет препятствовать плавлению.
Впрочем, верно, что относительное количество студенистоrо кремнезема заметно
увеличилось в опыте N24, [де остаток, не растворимый в кислотах и в едкой извести,
состоял целиком из зерен стекловидноrо кварца, который, как известно, вступает в
соединение с известью лишь с большим трудом и притом при очень высокой темпе
ратуре.
Восстановление силиката закиси железа, являющеrося основной частью пере..
дельных шлаков, сводилось почти к нулю по всей высоте шахты. Этот результат пре..
красно объясняет металлурrический эффект от переплавки передельных шлаков в
доменных печах. Известно, что применение этих шлаков, и особенно сырых (кремни..
стых) шлаков, являющихся наиболее леrкоплавкими, в сколько"нибудь значительной
степени в шихте не может иметь места без нарушения и ухудшения хода печи; при
этом получались только белые чуrуны, шлаки становились очень железистыми, и
печь быстро изнашивалась в нижней своей части.
Все эти результаты получаются, очевидно, из за Toro, что шлаки расплавляются
раньше cBoero восстановления, и что в фурменную зону и в [орн поступают расплав
ленные материалы, еще очень боrатые закисью железа.
Некоторые руды, которые на первый взrляд кажутся не похожими на шлаки,
вполне к ним приближаются по характеру поведения в доменной печи. Такова желе..
зистая слюдка с известковой пустой породой. Вследствие плотности своей она со..
противляется тому, чтобы ее восстановление путем цементации леrко совершалось в
доменной печи. При возрастании температуры превращение в закись железа проис..
ходит быстро под влиянием кремнезема, и образовавшийся силикат с этоrо момента
ведет себя так же, как и передельные шлаки.
Следовательно, для выrодноrо использования руды необходимо обрабатывать те..
ми же способами. Возможно, что удастся без особоrо труда проплавить некоторое
количество шлаков, употребляя их в небольших кусках для Toro, чтобы они пред
ставляли, возможно, большую поверхность при том же объеме, и чтобы они моrли
леrко смешиваться с друrими рудами. Но будет, несомненно, rораздо выrоднее ис..
пользовать их, формуя их с известью и уrлем в брикеты и создавая, таким образом,
искусственные руды, которые восстанавливаются, судя по проведенным опытам, так
же леrко, как и лучшие оолитовые руды, и которые имеют над последними то пре..
имущество, что являются неплавкими.
45
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Из РllбопlЫ А. де BlIпlepll (Фрllнция, 1866 2.) [9, c.205 21 О].
1. Количество тепла, поrлощаемое различными процессами в доменной печи
Сжиrание уrлерода в доменной печи производится для трех различных целей:
1) HarpeB твердых и rазообразных веществ;
2) восстановление окислов;
3) возмещение тепла, поrлощенноrо восстановлением окислов. Задача заключается
в вычислении количества единиц тепла, расходуемых на каждый из этих проuессов.
В качестве примера взята типичная шихта с выходом чуrуна 40 %, проплавляв
шаяся в хорошо работающей доменной печи на дутье, HarpeToM на 300 ос выше тем..
пературы атмосферноrо воздуха, на основных шлаках, с расходом кокса (с содержа
нием 14 % золы) 1350 Kr на тонну ceporo чуrуна N23.
Эта шихта содержала, включая золу кокса:
окиси железа... 1344 Kr соотв. 940 Kr железа, содержащихся в 1000 Kr чуrуна
кремнезема... ... 256 Kr
извести ...... ..... 266 Kr 649 Kr шлака
rлинозема ........ 127 Kr
уrлекислоты .... 257 Kr
влаrи ..............250 Kr
Сыпь на ] т чуrуна 2500 Kr.
НGzрев u п 7aв.7eHиe I11вердых веlцеСl11в. КО.7uчеСl11во 111еп.ЧG,
уносииосо из печи ЧУZУНО.W и ИUZGКО.W
На 1 Kr ceporo чуrуна, выходящеrо из печи, 330 ед. тепла.
На 1 Kr шлака, выходящеrо из печи, 550 ед. тепла.
Количество тепла, уносимоrо из печи 1000 Kr чуrуна и 649 Kr шлака, составит:
1000 Kr чуrуна . 330 == 330000 кал
649 Kr шлака. 550 == 354750 кал
Bcero .................. 684750 ед. тепла
КоличеСI11во 111еп.ЧG, YHOClLWOZO КОЛОUlнuковы.w ?GЗО.W
Из 1350 Kr израсходованноrо кокса 50 затрачивается на обуrлероживание чуrуна
и растворяется в последнем или частью теряется. Остальные 1300 Kr соответствуют
1118 Kr уrлерода, который переходит в колошниковые rазы. Прибавляя к ним 70,1 Kr
уrлерода, содержащеrося в уrлекислоте карбонатов, получим в колошниковых rазах
1188 Kr уrлерода на тонну выплавленноrо чуrуна.
Анализ колошниковых rазов (в вес. %):
уrлекислоты 12,80, содержащих уrлерода ......... .3,491
окиси уrлерода 25,53, содержащих уrлерода ... ..12,216
15,707
водорода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 0,07
азота. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61,60
100,00
46
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
Так как в 100 Kr rаза содержится 15,707 Kr уrлерода, то 1188 Kr уrлерода распре
делятся в 7566 Kr cyxoro rаза (влаrа, являющаяся слишком переменным элементом,
была исключена в анализе, служащем основой для расчета, так как вес ее был неиз
вестен).
Тепло, уносимое этими 7566 Kr rаза, определяется умножением весов различных
составляющих на их теплоемкость и среднюю температуру при выходе из печи
200 ос (во время исследований температура атмосферы была 20 ос; температура
rазов после заrрузки колоши снижалась до 100 ос и достиrала перед следующей
заrрузкой 340 ос; средняя температура составляла 220 ос или на 200 ос выше
атмосферной ).
t....
..о
О Е--- ro
u о...
о о Количество
.....-1 ::с:: Е---
ro
ro Q) о... YHeceHHoro тепла
:I: о Q)
2 t::
u ro
Q) м Q) Q)
ro
са t.... Е-- Е--
уrлекислота............... ...12,80 . 0,221 . 200 . 7566/100 == 4281 О
Окись уrлерода............ ..25,53 . 0,288 . 200 . 7566/100 == 11] 270
Водород....................... .0,07 . 0,903 . 200 . 7566/100 == 958
Азот.............................61,6. 0,275 .200.7566/100 == 256370
*
Влаrа............................250. ],000.750 .7566/100 == 187500
Число единиц тепла, унесенных rазами и влаrой 598908
*
750 складывается из 550 кал на испарение и 200 .. на повышение температуры.
ВОССl11ановление окислов. КО 7uчеСl11во пO? 70llfeHH020 111eп 7a
Железо может находиться в рудах в трех степенях окисления РеО, Fез04 и Fе20з и
требует для cBoero восстановления следующих количеств уrлерода, эквивалентных
количествам кислорода, с которыми оно связано:
Fе20з Fез04 РеО
Содержание железа, %.............. ... 77,78 72,4 ] 70,0
Содержание кислорода, %............ 22,22 27,59 30,0
Bcero ........ .... 100,00 100,00 100,00
Количество уrлерода в Kr на 1 т
восстанавливаемоrо железа .......... 214,2 285,6 321,75
Реакция окиси железа с уrлеродом дает, в конечном счете, окись уrлерода; вслед
ствие этоrо происходит значительное понижение температуры там, rде она протека
ет. Действительно, при rорении железа развивается по Дюлонrу 6216 единиц тепла
на литр (1,436 r) израсходованноrо кислорода. Далее, 1 л кислорода (1,436 [), соеди
няясь с 1 л rазообразноrо уrлерода (1,077 r) с образованием 2 л окиси уrлерода, BЫ
деляет только 1598 кал, за вычетом которых из 6216 калорий, заимствованных из aT
мосферы печи, остается в результате поrлощения 4618 единиц тепла на каждый литр
отщепленноrо кислорода, причем на это восстановление расходуется 1,077 r уrлеро..
да. Таким образом, при рудах, содержащих железо в виде окиси, на каждую тонну вос"
становленноrо железа затрачивается 321,75 Kr уrлерода и переходит в скрытое состоя..
ние 1368550 единиц тепла. Для маrнитной окиси поrлощение тепла составляет 1270227
47
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
кал и расход уrлерода 285,6 Kr (в подлиннике опечатка 205,6 Kr). При восстановле
нии из закиси на тонну железа поrлощается 870704 единиц тепла и расходуется 214,2
Kr уrлерода. Для упрощения де Ватер не учитывает тепло, доставленное rорением yr
лерода, затраченноrо на восстановление (он определяет ero позднее совместно с теп
лом, выделенным при rорении уrлерода в кислороде дутья), и принимает в расчет
только теплоту, переходящую в скрытое состояние при отщеплении кислорода от
железа. Получается при этом:
Fе20з 1298610 кал или на 1429 Kr 1855700 кал
FеЗ04 1194300 кал или на 1381 Kr 1649300 кал
FeO 961840 кал или на 1285 Kr 1236000 кал
Если принять для ceporo чуrуна обычное содержание железа 94%, то количество
тепла, поrлощаемоrо при восстановлении 940 Kr железа, составит:
для окиси железа .............................. Fе20з 1344 Kr 1744358 кал
для маrнитной окиси.... .. ............ ....... FеЗ04 1282 Kr 1550342 кал
для закиси....................................... FeO 1208 Kr 1161840 кал
На восстановление
1000 Kr
Teп70111a, nО2.70lценная раЗ.70:JIсениеА1 водЯНО20 пара
Водород, встречающийся в колошниковых rазах, де Ватер считает полученным
почти полностью из влаrи вдуваемоrо в печь воздуха (де Ватер здесь не учел BOДOpO
да от разложения rорючеrо. М. А. Пав.70в). 0,0007 водорода, содержащихся в KO
лошниковых rазах, представляют 47,666 Kr водяноrо пара на тонну выплавленноrо
чуrуна и 0,00786 от веса BДYBaeMoro воздуха, что действительно соответствует сред..
ней влажности атмосферы.
4,596 Kr водорода, восстановленноrо на тонну чуrуна, поrлощают при своем вос"
становлении: 4,596 .34742 == 159681 кал, rде 34742 теплотворная способность BOДO
рода (де..Ватер учел величину при rорении в жидкую воду; в данном случае речь идет
о парообразной воде. М.А. Пав.70в).
2. Источники тепла
Ten70111a, развивае.ная 20рение.и У2лерода. Тепло, выделяемое при rорении 1118 Kr
уrлерода, определяется по количеству уrлерода, сrоревшеrо в уrлекислоту и в окись
уrлерода.
1118 Kr сrорающеrо уrлерода вместе с 70 Kr уrлерода карбонатов дают в колош..
никовых rазах 1188 Kr уrлерода, распределяющихся следующим образом:
в виде уrлекислоты ........ .3,491 % или на 1188 Kr 264 Kr уrлерода
в виде окиси уrлерода ... 12,216 % или на 1188 Kr 924 Kr уrлерода
Bcero ... 15,707 % 1188 Kr уrлерода
При вычитании из 264 Kr, находящихся в rазе в виде уrлекислоты, 70 Kr, пере
шедших из карбонатов, получается количество сrоревшеrо в печи уrлерода и COOT
ветствующая теплота образования:
уrлекислоты ......... 194 Kr . 7170 == 1390980 кал
окиси уrлерода ...... 924 Kr . 1386 == 1280664 кал
Bcero ...
2671644 кал
Hazpee дУI11ЬЯ. Количество дутья на тонну выплавленноrо чуryна определяется по
анализу колошниковых rазов, указываюшему вес содержащихся в них уrлерода и азота.
48
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
Количество уrлерода, содержащеrося в колошниковых rазах, по расчету COCTaB
ляет 7566 Kr на тонну чуrуна. Так как эти rазы содержат 61,6 % азота, а воздух co
держит ero 76,9 %, то вес воздуха, соответствующий этому количеству азота, COCTaB
ляет 7566 . 0,616/0,769 == 6060,6 Kr воздуха.
При HarpeBe дутья до 300 ос и теплоемкости ero 0,2669 количество BHeceHHoro в
печь тепла составит 6060,6 . 0,2669 . 300 == 485272 кал.
Водород, содержащийся в rазах, происходит из водяноrо пара, содержащеrося в
дутье. Этот водяной пар, разложенный уrлеродом, не может реrенерироваться при
своем прохождении через печь, так как окись железа разлаrает воду при красном Ka
лении (указание автора неверно, окись железа не разлаrает воду М. А. Пав 70в), а
температура KpacHoro каления rосподствует в печи почти до caMoro колошника.
Так как этот водяной пар наrревается, как и воздух, до 300 ОС, то количество теп
ла, вносимоrо им в печь, должно быть учтено, поскольку учтено то количество тепла,
которое отнимается им от печи.
На тонну чуrуна в колошниковых rазах имеется 0,07 . 75,66 == 5,2962 Kr водорода,
соответствующих 47,666 Kr водяноrо пара, обладающеrо температурой 300 ос и
скрытой теплотой 550 кал, что в сумме составляет 47,666 .850 == 41506 кал.
Общее количество тепла, доставляемое воздухонаrревателем, составляет, таким
образом, 526778 кал.
Это составляет почти 20 % от количества тепла, полученноrо от rорения. Практи
ка действительно показала, что HarpeB дутья уменьшил расход rорючеrо на 20 33 %.
С помощью аппаратов Сименса, наrревающих дутье до 600 ос и выше, фирма Кокрен
д'Ормесби достиrла бы сокращения расхода кокса в 17..18 % сверх Toro, что дает на..
rpeB до 300 ос (заметим, что предложение де Ватера неверно; пропорциональности
между сокращением расхода rорючеrо и температурой нет. М.А. Павлов).
Сводка полученных результатов
Расход тепла на тонну получаемоrо чуrуна:
Тепло, уносимое 1000 Kr жидкоrо чуrуна .......... 330000 кал
Тепло, уносимое 649 Kr жидкоrо шлака............ 354750 кал
Тепло, уносимое колошниковыми rазами ......... 598908 кал
Теплота, переходящая в скрытое состояние
при восстановлении 1344 Kr Fe ...................... 1744358 кал
То же, при восстановлении 4,596 Kr водорода...... 159681 кал
Bcero израсходовано.................................. 3187697 кал
Приход тепла
Тепло, развиваемое rорением уrлерода ............ 2671644 кал
Тепло, вносимое HarpeBoM дутья..................... 526778 кал
Bcero получено .......................................... 3198422 кал
Избыток 107225 кал.
Из РllбопlЫ и. ЛопlUllНlI БеЛol111 (АН2о11UЯ, 18692.) [9, с. 225, 234].
... Чтобы учесть общее количество тепла, развиваемоrо в печи rорением уrлеро
да, необходимо, таким образом, к 22,28 ц уrлерода, переходящеrо в печи в окись yr
лерода, еще добавить эти 3,34 ц уrлерода, превращающеrося в уrлекислоту; общий
приход тепла от rорения уrлерода определяется равным:
49
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
22,28 . 2221 == 49483,88 кал ц
3,34 . 7900 == 26386,00 кал ц
Итоrо ......... 75869,88 кал ц.
К этому следует добавить теплоту, вводимую в печь 128,64 ц дутья, HarpeTOrO до
485 ОС. Теплоемкость воздуха 0,237. Таким образом, получаем:
128,64 .485 . 0,237 == 14782800 кал ц
Итоrо .................. 90652,68 кал ц.
Ниже приводится сводка статей расхода тепла для печи высотой в 14,63 м, произ
водящей темно серый литейный чуrун.
1. Восстановление окиси железа......... ......... ..... 30058 кал
2. Плавление 20 ц чуrуна .................................. 6600 кал
3. Плавление 29,5 ц шлака.............................. 16225 кал
4. Разложение влаrи дутья............ ........ . ........... 2788 кал
5. Выделение уrлекислоты из известняка и руды... 2220 кал
6. HarpeB воды охлаждающей фурмы............... ... 1818 кал
7. Теплоотдача наружными стенами печи............ 3658 кал
8. Разложение уrлекислоты, образующейся при
восстановлении руды и отложении уrлерода ... ... 7950 кал
713 1 7 кал
9. Потери с колошниковыми rазами ................... 19113 кал
и то ro .......................................................... 9043 О кал.
Приход тепла:
От rорения уrлерода .......................................75870 кал
От HarpeBa дутья ............................................ 14782 кал
и то ro ........................................................... 9 О 6 5 2 кал.
Из cпlaпlbU л. rplOHepa (Франция, 1877 z.) [9, с. 253..255].
Количество поrлощенной и развиваемой теплоты в доменной печи
Определим количество поrлощенной и развивающейся теплоты на 1 Kr кислорода,
который отделится от руды при трех различных реакциях:
1) 3СО + Fе20з == 3С0 2 + 2Fe;
2) 3С + 2Fе20з == 3С0 2 + 4Fe;
3) 3С + Fе20з == 3СО + 2Fe.
Количество поrлощенной теплоты во всех трех случаях будет одно и то же, имен..
но: теплота, которую произвел бы 1 Kr кислорода, соединившись с металлическим
железом, чтобы образовать окись. Обозначим это количество теплоты пока через С.
В первом случае развивающаяся теплота происходит от перехода СО в С0 2 .
Но каждый килоrрамм СО, соединяясь с 4/7 Kr кислорода, развивает 2403 едини
цы теплоты; следовательно, при переходе СО в С0 2 на каждый килоrрамм кислорода
развиваются 4/7 . 2403 == 4205 единиц теплоты. Следовательно, разность (С .. 4205)
покажет количество теплоты на каждый отделившийся килоrрамм кислорода, KOTO
рое требуется для восстановления окиси железа действием СО при переходе в С0 2 .
50
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
Во втором случае твердый уrлерод превращается в С0 2 реакцией кислорода, за
ключающеrося в руде. Но 1 Kr уrлерода, соединяясь с 8/3 кислорода, развивает 8080
единиц теплоты, следовательно, на каждый килоrрамм кислорода получим
3/8 . 8080 == 3030 единиц теплоты, а поэтому разность (С .. 3030) представит то коли
чество теплоты, которое необходимо для восстановления, коrда оно совершается
твердым уrлеродом, превращающимся в С0 2 .
Наконец, в третьем случае можно принять, что кислород, заключающийся в руде,
непосредственно соединяется с твердым уrлеродом, образуя СО. Так как 1 Kr уrлеро
да, соединяясь с 3/4 Kr кислорода для образования СО, развивает 2473 единиц тепло
ты (это число, которое мы будем приводить часто впоследствии, определяется таким
образом: теплота, развивающаяся при переходе 1 Kr СО в С0 2 , очевидно, равна CYM
ме частных количеств теплоты, которые развиваются при последовательном перехо
де уrлерода в СО, а этоrо последнеrо в С0 2 ; но 1 Kr уrлерода, соединяясь с кислоро
дом, образует 7/3 СО, и так как каждый килоrрамм СО, сrорая выделяет 2403 едини
цы теплоты, следовательно, для 7/3 СО получим 7/3 . 2403 == 5607 единиц и потому
для превращения уrлерода в СО потребуется 8080 .. 5607 == 2473 единицы), то, следо
вательно, на каждый килоrрамм кислорода это составит: 3/4 . 2473 == 1855 единиц Te
плоты. Следовательно, разность (С 1855) означает то количество единиц теплоты,
которое требует восстановительный процесс, коrда он совершается превращением
твердоrо уrлерода в СО.
Следовательно, чтобы отделить от окиси железа 1 Kr кислорода, нужно количест
во теплоты, выражающееся следующими формулами:
С 4205 единиц теплоты
С 3030 единиц теплоты
С 1855 единиц теплоты.
Величина С в точности неизвестна; она может изменяться даже от физических Ka
честв окиси железа, но, как мы увидим ниже, заключается между 4000 и 4500 едини..
цами теплоты, так что первый способ восстановления происходит почти без поrло..
щения теплоты.
Кроме Toro, какова бы ни была величина С, ясно видим, что первый способ вос"
становления самый выrодный, а самый невыrодный последний. Следовательно, не..
обходимо, чтобы восстановление железной руды в доменных печах совершалось, на..
сколько это возможно, единственно первым способом, т. е. окисью уrлерода, перехо
дящей в СО ъ друrими словами, без потребления твердоrо уrлерода, что я буду назы
вать идеальным ходом доменных печей.
Там, rде этот способ будет иметь место, реакции будут самые простые. СО, образо
вавшаяся у фурм, восстановит руду, превратясь в СО ъ которая улетит из печи, не реаrи
руя на твердый yrлерод, так что в этом случае весь уrлерод, засыпанный через колошник,
спустится, не претерпевая дpyroro изменения, кроме только постепенноrо наrpевания, и,
достиrнув rоризонта фурм, будет превращен действием на Hero воздуха в СО.
Чтобы осуществить или, по крайней мере, приблизиться к такому идеальному хо..
ду печи, надо, чтобы восстановительный процесс совершался в таком поясе, rде бы
температура была относительно невысокая, иначе образовавшаяся СО ъ реаrируя на
твердый уrлерод, будет постоянно переходить в СО. Поэтому необходимо, чтобы
печь имела достаточную высоту, чтобы в верхних rоризонтах ее преобладала относи
тельно низкая температура, но необходимо также, чтобы поток rазов был довольно
быстрый и С0 2 была весьма короткое время в соприкосновении с уrлем. Понятно,
что при леrко восстановляемых рудах (руды мяrкие, пористые, леrкоплавкие) BOC
становление совершается леrче, чем при рудах плотных и боrатых кремнеземом. Но
какова бы ни была руда, восстановительный процесс совершится вполне только в ro..
51
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
рячих поясах печи, rде С0 2 будет постоянно переходить в СО, и это особенно необ
ходимо для тех окислов, которые, заключаясь в пустой породе, находятся в печи BMe
сте с окислом железа, как то: для кремнезема, извести, маrнезии и окиси MapraHua;
для восстановления этих окислов кажется необходимым всеrда непосредственное
действие на них твердоrо уrлерода.
ИJ CпlllпlbU Р. ОкеР.ИllIlll (UJвецuя, 18732.) [9, с. 310 314].
При внимательном рассмотрении влияния rорячеrо дутья оказывается, что тепло
та, вносимая в доменную печь HarpeTbIM воздухом, расходуется не совсем одинаково
с теплом, развивающимся при сrорании уrля в печи. В самом деле, до сих пор мы
упускали из виду, что из Toro количества тепла, которое развивается при сrорании
уrля в печи, известная часть (величина которой обуславливается температурой Bыдe
ляющихся через колошник rазов) теряется без пользы для хода плавки, тоrда как теп..
лота, доставляемая в печь HarpeTbIM воздухом, расходуется почти вся с пользой. Это
объясняется тем, что при употреблении HarpeToro дутья, количество образующихся в
печи rазов не превосходит Toro, какое образуется при холодном дутье, между тем как
количество развивающеrося в печи тепла rораздо значительнее в первом случае; если
же этот избыток тепла будет полезно израсходован, то количество тепла, уносимое
колошниковыми rазами, и при употреблении HarpeToro дутья будет не больше, чем
при холодном дутье.
Совершенно противоположное наблюдается в том случае, коrда вместо употреб
ления rорячеrо дутья, увеличивают вес колоши rорючеrо, так как в этом случае, без
сомнения, увеличивается и объем отходящих через колошник rазов (вследствие уве..
личения количества rорючеrо и количества воздуха, необходимоrо для сжиrания
ero); а чем выше будет температура этих rазов, тем меньше будет полезно израсходо
ванная часть тепла, развивающаяся от сrорания прибавленноrо в колошу количества
уrля. Попробуем вычислить, как велико будет сбережение уrля от употребления Ha
rpeToro дутья для доменной печи, работающей при условиях, приведенных выше.
Древесный уrоль состоит из: 82 % уrлерода 2 % золы, 1 О % воды и 6 % выделяю
щихся при высокой температуре rазов, которые в свою очередь содержат 55,9 % yr
лекислоты, 22,8 % окиси уrлерода, 1],8 % метана, 1 % водорода и 8,5 % азота. Для
сжиrания Bcero заключающеrося в единицу древесноrо уrля количества уrлерода по..
требуется 1,0933 кислорода (в этом расчете не учтен уrлерод, растворяющийся в чу..
rYHe и не дающий тепловоrо эффекта М.А. Павлов), заключающеrося в 4,644 возду"
ха. Кроме кислорода, в этом количестве воздуха будет заключаться 3,5483 азота и (в
содержащемся в нем водяном паре) 0,0028 водорода. Поэтому продукты rорения
единицы древесноrо уrля в этом количестве воздуха будут состоять из:
уrлекислоты .................... 0,06. 0,559 == 0,0335
окиси уrлерода ... 0,06 . 0,228+82 . 14 : 6 == 1,9270
метана ............................ 0,06.0,118 == 0,0071
водорода.. .. . ... .. .... . .. 0,06 . 0,01+0,0028 == 0,0034
азота............ ........ 0,06 . 0,085+3,5483 == 3,5534
водорода. .. . .. . ... . .. .. . ... . .. .. .. ... ... ... . .. . ... 1,0000
Количество же развивающеrося при rорении тепла составит на весовую единицу
уrля 0,82 . 2473 0,0028 .29638 == 1945,3 единиц.
На испарение воды, содержащейся в древесном уrле, потребуется 63,1 ед. тепла, а
количество тепла уносимоrо колошниковыми rазами, составит:
(0,0335 . 0,2164+ 1,927 . 0,2479+0,0071 . 0,5929+0,0034 . 3,4046+3,5534 . 0,244) . 450+
+ О,] . 0,475 . 350 . ] ,368 . 450 + 16,6 == 632,2 ед. тепла.
52
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
Следовательно, на каждую единицу уrля, добавляемоrо в колошу, теряется беспо
лезно 695,3 ед. тепла и используется только 1945,3 695,3 == 1250 ед. тепла, или
64,26 %.
Выше было доказано, что количество тепла, вносимоrо в лечь дутьем, HarpeTbIM
до 205 ос, составит около 10,2 % Bcero количества тепла, развивающеrося в ДOMeH
ной печи, работающей при принятых выше условиях. Если же учесть, что в доменной
печи используется только 64,26 % развивающеrося при rорении тепла, то в данном
случае применение rорячеrо дутья должно дать экономию не в 10,2 %, а в
10,2 : 0,6426 == 15,87 % rорючеrо, не считая уменьшения расхода ero вследствие более
быстроrо сжиrания.
Приведенные здесь расчеты и соображения объясняют, почему сбережение в ro
рючем от введения rорячеrо дутья сильно разнится в доменных печах разной вели
чины и вообще работающих при различных условиях. В самом деле, чем совершен
нее, расходуется теплота (доставляемая rорючим материалом) внутри доменной печи
тем меньше будет экономия в rорючем от введения HarpeToro дутья, и обратно, чем с
меньшей пользой расходуется теплота в домне, тем больше будет выrода от введения
HarpeToro дутья.
Чем меньше доменная печь и чем ниже (считая от колошника) отводятся из нее
rазы, тем больше можно сберечь rорючеrо, вводя в нее rорячее дутье. Обратно, чем
выше доменная печь, чем ближе к колошнику отводятся rазы, тем менее заметно
должно быть влияние HarpeToro дутья на расход rорючеrо. Таким образом, если бы
температура колошниковых rазов была не выше температуры наружноrо воздуха и
поступающий в домну rорючий материал не содержал бы летучих веществ, испаре
ние которых поrлощает некоторое количество тепла, то, конечно, HarpeB вдуваемоrо
в печь воздуха не доставлял бы никаких друrих выrод, кроме сбережения количества
rорючеrо, соответствующеrо по своей теплотворной способности количеству тепла,
приносимому rорячим дутьем. До сих пор, однако, в самых больших доменных печах
не наблюдается столь совершенноrо использования тепла, а потому употребление
rорячеrо дутья должно всеrда доставлять известную экономию в rорючем, даже в
том случае, если колошниковые rазы используются.
Из приведенных расчетов видно также, что чем больше содержание летучих в ro
рючем материале, тем заметнее должно быть влияние HarpeToro дутья, так как при
выделении летучих значительное количество тепла теряется через колошник.
Содержание влаrи в атмосферном воздухе также влияет на действие rорячеrо дy
тья; при данной температуре дутья, сбережение в rорючем вообще возрастает с уве..
личением содержания влаrи в дутье. Причину этоrо найти нетрудно, если вспомнить:
1) что влаrа, содержащаяся в воздухе, способствует понижению температуры ro..
рения; следовательно, чем влажнее воздух, поступающий в печь, тем выrоднее будет
уменьшение количества ero как следствие уменьшения расхода rорючеrо (относи..
тельно чуrуна) при употреблении rорячеrо дутья;
2) что теплоемкость водяноrо пара весьма значительна, а потому количество теп
ла, вводимоrо в печь HarpeTbIM дутьем, возрастает с увеличением содержания влаrи в
атмосферном воздухе.
В заключение мы считаем полезным обратить внимание на следующие обстоятель
ства: влияние HarpeToro дутья на расход rорючеrо материала зависит от количества
воздуха, приходящеrося на весовую единицу выплавляемоrо чуrуна, между тем, как
это количество воздуха, в свою очередь, зависит от количества rорючеrо, которое нуж..
но сжечь; поэтому экономия в уrле вследствие введения HarpeToro дутья, выраженная
не в процентах расхода уrля при холодном дутье, а просто мерою или весом, будет во..
обще тем меньше, чем ниже был расход rорючеrо при плавке с холодным дутьем. OT
53
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
сюда следует, что уменьшение расхода rорючеrо изменяется не вполне пропорцио
нально с изменением температуры дутья, а именно, величина эта с повышением темпе
ратуры дутья возрастает все медленнее и медленнее, так как экономия в rорючем, по
лучаемая от повышения температуры дутья на несколько rрадусов, всеrда выражается
тем же числом процентов расхода rорючеrо, уже сокращенноrо вследствие наrревания
дутья до несколько низшей температуры. Напротив Toro, насколько экономия в pacxo
де rорючеrо возрастает медленнее повышения температуры дутья, настолько же воз
растает вес рудной сыпи при постоянной величине уrольной колоши.
Предположим, что экономия в уrле, вследствие повышения температуры дутья на
100 ос составляет 10 от ранее расходованноrо количества, и обозначим через а
расход rорючеrо на весовую единицу чуrуна при температуре дутья О ос, а через в
величину рудной сыпи, приходящуюся на это количество уrля, тоrда получим:
При темпера Экономия Величина
Расход rорючеrо '"
туре дутья ос rорючеrо рУДНОИ
колоши
О а 0,0 в
100 0,90 а 0,10 а 1,11 в
200 0,9 . 0,90 а == 0,81 а 0,19 а 1 ,23 в
300 0,9 . 0,81 а == 0,729 а 0,271 а 1 ,37 в
400 0,9 . 0,729 а == 0,656 а 0,344 а 1,52 в
500 0,9 . 0,656 а == 0,59 а 0,41 а 1,69 в
600 0,9 . 0,59 а == 0,531 а 0,469 а 1,88 в
Стало быть, с повышением температуры дутья на каждые 100 ос получится сле
дующая экономия в rорючем:
для первых 100 ос ............... (0,10 о) а == 0,1 О а
для вторых 100 ос ......... ... (о, 19 0,10) а == 0,09 а
для третьих 100 ос ........ (0,271 0,19) а == 0,081 а
для четвертых 100 ос ... (0,344 0,271) а == 0,073 а
для пятых 100 ос .......... (0,41 0,344) а == 0,066 а
для шестых 100 ос ........ (0,469 0,41) а == 0,059 а
Между тем вес поступающей в колошу руды при постоянной величине колоши
rорючеrо будет изменяться следующим образом.
При повышении температуры дутья:
для первых 100 ос она увеличивается на (1, 11 1) в == 0,11 в
для вторых 100 ос она увеличивается на (1 ,23 1,11) в == 0,12 в
для третьих 100 ос она увеличивается на (1,37 1,23) в == 0,14 в
для четвертых 100 ос она увеличивается на (1 ,52 1,37) в == 0,15 в
для пятых 100 ос она увеличивается на (1 ,69 1,52) в == 0,17 в
для шестых 100 ос она увеличивается на (1 ,88 1,69) в == 0,19 в
С HarpeTbIM дутьем доставляется в печь известное количество тепла, причем ко..
личество образующихся в печи rазов не увеличивается. Предполаrая, что плавка при
rорячем дутье ведется на чуrун с таким же содержанием кремния, как при холодном,
следует утяжелить рудную сыпь настолько, насколько может быть допущено HOp
мальным ходом плавки. Таким образом, при rорячем дутье рудная сыпь всеrда дела
ется тяжелее, чем при холодном, и, следовательно, количество образующихся в печи
rазов, приходящееся на весовую единиuу руды, идущей в плавку, будет в этом случае
меньше, чем при холодном дутье.
54
J. Развитие технолос">uи lf познание процеССО6
Известно, что в шахте руды восстанавливаются, rлавным образом, под влиянием
rазов, а потому, чем меньше приходится rазов на единицу руды, тем труднее они
восстанавливают железо. Чем менее восстановлена руда, приходящая в ropH печи,
тем больше тепла должно расходоваться здесь для поддержания нормальноrо хода
плавки. Вот поэтому нельзя увеличивать вес рудной сыпи пропорционально количе
ству тепла, приносимоrо дутьем. (Kollelf ФраZ.А1еН1110в из кни?и [9] М.А. Павлова).
Обобщение последующеrо этапа развития теории доменной плавки выполнено
рядом известных авторов конца XIX начала ХХ века, в числе которых А. Мевиус
[10], А. Ледебур [11], В.Н. Липин [12], М.А. Павлов [13] и др.
Развитие в течение первой половины ХХ века наиболее полно отражено в после
дующих шести изданиях книrи М.А. Павлова, вплоть до 1949 rода [8], а также в кни
rax Е. Дипшляrа [14], И.А. Соколова [15] и др.
Накопленные в первой половине ХХ века экспериментальные материалы продол..
жали существенно пополняться и во второй половине века с использованием новей
шеrо инструментария, а применение новых знаний из области фундаментальных Ha
ук способствовало лучшему осмысливанию фактов и уrлублению познания процес
сов доменной плавки. Ход эволюции познания и характера протекания процессов
кратко рассмотрены в последующих разделах настоящей rлавы.
Тепло и массообмен
ПОСl11уп7ение u усвоение I11еп7а, I11епчовые ба7ансы
Анализ поступления и усвоения тепла в доменных печах на основе сведения ма..
териальных и тепловых балансов был одним из первых шаrов в осмыслении процес..
сов и развитии теории доменной плавки.
В учебнике А. Ледебура [11] значение тепловоrо баланса определяется следую"
щим образом:
""Расчеты TaKoro рода, повторяемые время от времени при разных условиях рабо
ты печи, представляют не теоретический только интерес. Как коммерсант не может
судить о состоянии своих дел и о причинах полученных им прибылей или убытков,
если не имеет перед собой баланса всех получений и расходов, разнесенных по
статьям дебета и кредита, так и металлурr, составив тепловой баланс своей печи, MO
жет усмотреть из цифр ero причины более или менее хорошеrо использования тепла
и сделать вывод о том пути, по которому нужно следовать, чтобы избежать измене..
ний к худшему и не прибеrать к средствам, не имеющим шансов на успех."
Хотя, как указал М.А. Павлов [8, с. 542], "... факт Toro или иноrо прихода и рас..
хода тепла и ero распределения по отдельным статьям ... сам по себе не дает указа..
ний на путь, которым нужно следовать для достижения лучшеrо распределения", од..
нако он дает предпосылки для выбора TaKoro пути и определения технических реше
ний, которые нужно разработать для ero реализации. Это подтверждается выкладка
ми caMoro М.А. Павлова [8, с. 547 602] и всем последующим развитием теории и
практики доменной плавки.
Первая попытка представить "картину распределения тепла в доменной печи"
принадлежит Р. Бунзену (1839), а последующее усовершенствование подхода и схе..
мы де Ватеру, Л. Беллу и Л. rрюнеру [9], причем схема Л. rрюнера в дальнейшем
не претерпела принципиальных изменений.
Структура расходования тепла в доменных печах начала ХХ столетия видна из
балансов, составленных М.А. Павловым и приведенных в табл. 1.5.
55
>::::
Q)
::r
Q)
t:::
:ё
::I:
::I:
Q)
о
t::(
:ё
::I:
..с
t:;
О
[....,
о
::I:
u
Q)
Q)
о...
t::(
::s::
:ё
о
u
О
\о О v) 0'\ v) м t'-- 00 v)
0'\ 0'\ М t'-- ......-4 О
0'\ М ("--. v) N 00 М r- r- М v) 00
r- r- r- \о N N 00 N N
......-4 О О О ......-4 N
v) 0\ 00 v) 0\ \о 00 \о
v) N 00 00 00 N N \о
N 0'\ r- r- 00
00 00 \о N N N t'-- v) v) 0\
.. r- r- v) N ......-4 N N М N
О О О
>::S;::
::S;::
u О
N ......-4 t'-- ......-4
О v)
о 0\ \.о N .. r- N
::I: ("--. \.о 00 \.о N v) М t'-- N N ("--. ("--.
Q) 00 .. r- r- v) ......-4 ......-4 N N N
Е-- О О О
о...
c\:s
......-4 \.о О М 0'\ 0\
N ......-4 О О N 00 t'-- О
О О r- r- О
\.о I 00 \.о М М t'-- \.о t'-- N
.. r- r- ("--. М ........01 N N v) М
О О О
М 00 N 0\
v) М v) t'--
t'-- 0'\ <=> <=> r- r- О О
v) 0'\ 0\ N v) М <=> ......-1 0\ 00 ("--. 0'\
0'\ .. 00 r- v) N .......... N N М
О r- О
<=>
I >::::
Q) ,.........,
::S;:: ........01 v) 0\ \.о c\:s v) v) о
t'-- v) ......-4 v) М М .. r- ::I: 0\ О \.о
Q) u t'-- t'-- \.о М t'-- \.о М \.о ......-4 v) N
u cl) v) r- r- r- \.о N N v) М
u О О О L....,
О ......
Q) ..с
о... ::I: ::r
::I: [....,
c\:s
t::( ......-4
>::S;:: Q) c\:s
I ....
Q) ::S;:: ..с 00 м 0\ ::I: М
Е-- ::I: ......-4 v) \.о v) v) N М t'-- ("--. v) ......-4
o...u М ::I: ........01 00 \.о \.о \.о .. r- а 0'\ v) 00
.. r- \.о N М
c\:s Q) <=> <=> r- ......-4 N М
О О ......-4 N
::I: Е-- '"--'"
u c\:s
t::( t:;
о t:::
Q)
м Е--
I ::S;::
..с 8- v) \.о t::( 0\ <=>
а о о 0\ О
>:::: 00 N о- r- r- \.о t'-- \.о
.... N t: .. 0\ v) v) t'-- М 0\
..с \.о ::s:: ......-4 v)
.....-4 r- ("--. М N ("--.
о... ::I: r- ........01 М М
<=> <=> о...
Q) t:
м
>::::
......
..с м м ......-4 М
::I: \.о \.о \.о \.о
00 <=> <=> r v) О
. >::S;:: I N 0\ <=> М r- <=> М ......-4 М
......-4 ......-4 N
Q) r- 00 0'\ 0'\ ......-4
r- r- ......-4 М М
. Е-- ......-4 О О
::S;::
I r- r-
c\:s ::s:: с;:::
u U ::I: c\:s c\:s О ..с
::I: r- :3 м м Е--
c\:s О C\:S,........., о c\:s c\:s U
c\:s [...., L....,
::I: t:; L...., t::( ::S;:: r- О t::( cl)
c\:s Q) r- о::: t:; t:Q ::S;:: ::S;::
'D ::r о ::r c\:s ..с О cl)
[...., c\:s Q 0...С) u N О N ::S;:: ::I: Q)
::I: Q) t::: Q U О О :I: c\:s t::(
::r о... В t:Q t:; t::( о U U U c\:s О
L...., О ;:Е О
О >:::: L...., c\:s O -& c\:s r- Q) Q) t:Q м Х
.... c\:s c\:s о... о... c\:s ::S;::
Е-- ..с :т- О ::I: О [...., ::I: О ::I: О ::S;:: ::S;:: . u Q) о... о...
.
u c\:s ::I: ::I: Q) ::I: Е-- Е-- м ::I: ::I: ::I: ::I: t::( 'D t::
Q) О c\:s [...., c\:s :3 [...., c\:s [...., c\:s c\:s c\:s c\:s О
Q) о
::r Е-- ;:Е ;:Е ;:Е о... [...., ;:Е ;:Е Q) ::S;:: u
t::( :т- Q) о
c\:s c\:s r- 0...[...., 0...С) ::r о... ::r Q) Q) o...r:-e o...r:-e ::I: о о
о::: t:; ::S;:: Q) о... [...., Q) [...., t:: t:: .... Q)'D Q)'D Q) t:; c\:s L....,
о... t: Q) t::t О t::( ..с t::i О t::( О о... t:: t:; Q)
о .... Е-- t::i........... М[....,........... М........... О О О Q) u
...с м [...., Q) Q) о :3
t: се :s: :s: u [...., :s: t--- t--- u?f( u?f( L... t--- се
u '--'"
0'\ О .......... N
........01 N М v) \.о t'-- 00 ......-4 ......-4 ......-4
....
..с
u
::I:
c\:s
а
'D
Q)
:ё
о
t:;
t:
Q)
t---
v)
c\:s
::1
::S;::
t:;
'D
c\:s
t---
56
.
v)
.
I
::r м .....-4 v)
00 0'\ 0'\ <=> v) м N 0\ 00 ...... 00
О Q) ("--. N М 00 .....-4 v) ("--. v) r- .........
::I: 0\ r- r- r- r- N <=>
...... ("--. \о ...... ("--.
N .....-4 .....-4 М v) ......
1:...
Q)
е
I >::::
О :::::: v) N ...... <=> м N .....-4 .....-4
::r \о v) 00 .....-4 00 <=> <=> ("--. м N N 00 N
:::::: м 00 v) v) ("--. 00 r <=> ("--. v)
...... r-
Q) t:; м r- r- r- v) М .....-4 v)
е .....-4 ...... <=> м
::::::
u
\о N <=> <=> .....-4 0\ v) N
v) <=> 00 м r- r- v) ("--. 00 \о
\о <=> <=> v) 00 .....-4 N N
...... v) r- r- r- М ...... ...... N N ...... N
>:::: <=> <=> <=>
.....
...Q
::I:
..с
t:;
Q)
t::i 0\ \о М <=> <=> \о .....-4 М 00 М
cl) <=> 00 \о r- r- N N М
<=> 00 v) .....-4 <=> v) N \о М ("--. М ("--.
Q) ....... N r- r- r- \о ...... N М
...... N N
t::: <=> <=> <=>
>::::
..... ,.........,
..с
::I:
...Q ::I:
t:; Q)
О 00 N \о ("--. 1:... М
..... v) ("--. м <=> <=> <=>
1:... М ..с r- \о r- r- 0\ <=> v)
::I: \о 00 N v) <=> .....-4 \о ::r 00
r-
....... r- N N М
О ::I: r- <=> N N
...... О О 1:...
::I:
u t::i ......
Q) Q)
00 .....
Q) ..с ::I:
::I:
ч: ::I: ("--. 0\ v) ...... t:; ("--. \о
Q) ("--. 0\
<=> ...... 00 <=>
N 00 О ("--. N ("--. N r- r- v) I
Е-- N 0\ N <=> \о "--'" v) <=>
...... м м
...... r-
U r- r- <=> .....-4 N М
t::i ...... <=> t:;
О t::
00 Q)
м Е--
:::::: t::i
О О
о.. ("--. м N 00 <=>
t:: \о \о \о N v) r- r- ::s;:: <=> 00 00 <=>
...... 00 ("--. <=>
>:::: ...... 0\ ("--. 00 \о N о.. 0\ 00 00
....... 00 00
::s;:: N r- r- r- ...... N t:: N М
<=> <=> <=>
u
00
О
u
00 00 0\ N <=> ...... \о
О <=> <=> 00 ...... <=>
...... м ...... r- r- v)
<=> ("--. <=> 00 00 \о ...... <=> <=> v) <=> 00
...... \о N \о ......
r- r- r- ...... М М М
...... <=> <=>
I r- ?J(
О
r о:::
U ::s;:: м
..с
::I: U ::I: 1:... О Е--
r- М
t:; О ,........ о :3 u
::I: 1:... t::i ::s;:: r- О 00 1:... t::i Q)
00 cl) r- о::: ::s;:: ::::::
1:... \.о ;:r О ::r ...с t:; N t:Q Q)
2 0..С) u Е-- О О О N :::::: ::I: Q)
::r ::I: Q) t::: Q о ::I: t::i
о.. С 00 t:; 1:::( u u u 00 О
О > 1:... О U ;:Е О
00 ..... 1:... O cl) Q) 00 м
Е-- ..с ::r О о.. 0..0 :::::: :::::: о.. ::s;::
u 00 О 1:... ::с О ::I: r- . ::I: U Q) о.. о..
Q) О ::I: 1:... ::с Q) ::I: Е-- Е-- 00 ::с ::с 1:::( \.о t:::
::r >1 :3 1:... 1:... О . Q) О О
1:::( 00 Е-- ;:Е ::r ;:Е 00 ;:Е о.. о.. м ;:Е Q) ;:Е ::I: :::::: u О 00
о::: r- 0..1:... 0..С) ::r о.. ;:r Q) Q) o..r:-e o.. ::I: О О
о.. t:; ::s;:: t::: t::: 1:... t:;
Q) Q) о.. 1:... Q) 1:... Q)\.O Q) Q) Q) 1:...
О t::: 1:::(........... 1:::( О t::i t::i О t::i r:-e о.. t:: t::; Q)
t:: ..... Е-- м 1:... м 1:...""""'" М ........... cl) Q) ..... О 0\.0 О Q) :3 u
..с ..с
00 ::s: :s::: u 1:... :s:: g 00 u?J( u О L... 00
u -..........-
0\ <=> ...... N
....... N М v) \о ("--. 00 ...... ...... ......
<=>
......
.
t:;
\.о
Е--
Q)
::::::
::I:
Q)
;:Е
t:;
О
1:::(
О
о..
t::
57
.
v)
.
0\ \о v) м 0\ v) v) \о О N v) v) v)
. \о t'-- 0\ 00
t:; 0\ v) t'-- О N r- "' r- "'
\о 0\ ....... t'-- М t'-- 00 \о О \о 0\ 00 0\ О
tO r-
N N N .....-4 N r- N 00 v) м м 00
C\:S ,........4 О
Е--
Q)
::::::
::I: О \о М 00 00 \о v) t'--
Q) t'-- ("--. \о N t'-- v) 0\ м \о О
;:Е 00 м t'-- N М О N r- "' ...... r- ...... r-
v) v) \о 0\ 0\ t'-- r ...... О О 0\ \о \о
t:; N N М N N r- N 00 v) t'--
...... О М
О >::S:
t::1 ::s:
О
о... u
t:: со 0\ \о .....-4 t'-- N \о О О N
О М v) \о 00 0\ .....-4 0\
t'-- 00 t'-- \о 0\ r- "' ...... r- r-
::I: м 00 ("--. v) v) ("--. 00 "' ...... \о v) ......
N N N N "'
Q) ...... N О ...... \о М М 00
Е--
о...
C\:S
0\ 0\ N 0\
...... м v) v) 0\ О N О 0\
N ("--. v) О r- "' \о r- N r-
\о N t'-- 0\ О 0\ ......
("--. м v) N t'-- r- 0\ v) О 0\ 00 t'--
...... ,........4 N N М N м r- N ("--. v) м t'--
О
I >::s:
Q) ::::::
Q) u
u со
О
o...
I >::::::
Q) ::s:
Е--
U
C\:S со
I
..с
а >::::::
:ё
o...::r:
Q)
м
>::::::
:ё
::I:
>::::::
Q)
Е--
::::::
C\:S
::I:
1:...
::r
О
со
Е--
u
Q)
::r
C\:S
58
v)
м
N
C\:S
U
::I:
C\:S
t:;
C\:S
tO
>::S:
:ё
со
О
t::1
о:::
о...
О
[::
O\ N N NV)\OO\
......оо V)t'--О("--.\ОооО
\O N\ONMN N
,........4 М
"""""'0
C\:St'--NV)\ООN
::I:("--.М\ОО\ООоо
...... ....... м N .....-4
::r
1:...
.....-4
......
C\:SO\\OO\OONM
::I:t'--Оv) ооОО
а NN.....-4NМN
::G
-..........-
C\:S
t:;
t::
Q)
Е--
t::1O\V)M\OV)O("--.
OO\\O OooMN
t'--"""M NMV)
u
C\:S
а..
("--.
("--.
N
v)
О
MOOv)\OO M
("--.ООО\ООО\М\О\ОО
O\MN M N.....-4MM
......
со
О
Е--
C\:S
::I:
О
" ... tO
\v ..с о...
::s: t::1 C\:S
:I: О
Q) со Q)
63 Q) ::s:
О ::s: :I:
:I: ::I: Q)
C\:S ;:Е
Е-- О
U t::: t:;
U U м
д
О
СО. Q) со
О 1:... t::1 Е--
o... О U
:!" со ::I:
::I: >::S: 8-
:ё O a b
::I: Q) ;:::::t О
О t::: ::G t::1 Q)
со :::::: C\:S ;:Е Q)
Q) о... C\:S :I:
::s: C\:S Q) t:; :3
::I: t:; ::r Q)
Q) :3 о::: О ::I:
t:; Q) о... со со
;:Е
t:; О О
[::E---t:
м V)\О("--.ооО\О"""N
.....-4.....-4 .....-4.....-4NNN
О
\о
"'
О
О
\о
N
М
О
О
"'
.....-4
::s:
м t:; \о
Q) "1
.....-4 Е-- ... '4
C\:S .....-4..,
М М
C\:S
О
t:
О
\о
0\
М
N
\о
"'
О
N
00
"'
О
U
Q)
со
-..........-
Q)
t::1
О
U
C\:S
со
О
1:...
Q)
U
Q:)
00
UU
.. ..
N N
00
UU
Q) Q)
:::::: :s:::
::I: :I:
Q) Q)
:3 :3
О О
::I: ::I:
Е-- Е--
00
О
\о
r
N
О О
r- "'
("--. ......
t'-- \о
t'-- О v)
N r- м
00 О
М М
00
v)
"'
t'--
"'
м
r-
("--.
00
.....-4
М
......
0\
М
r-
v)
"'
("--.
00
.....-4
"'
v)
м
v)
r-
N
r-
v)
00
N
"'
("--.
v)
N
r-
М
\о
r-
00
("--.
"'
\о
v)
I
r- со
U О
1:...
C\:S О
1:...
о... о:::
..е- t::: .
C\:S Е-- о ::r
::I: ::I: r- C\:S
>::S:
::s: ::1 Q)
:3 ::s: t:; О
со ..е- со со
Q)Q)..e-° О
l') ::I: 2
tO 1:... О C\:S Q)
u tЕ---
м V)\O
N N N N
0\0\
00 r-
ММ
V)
\O
О r-
V)V)
V)
MN
v) r-
OO
r-
N
M
a
r-
U
v)
N
N
М
......
О
м
О
м
м
v)
м
м
r-
U
о:::
::s:
::I:
C\:S
со
О
м
..с
t:;
О
t:::
U
::s:
r-
О
t:;
t:::
Q)
Е--
Q)
О
Q)
U
t:; 1:...
О ::G
t:::...........
U а
:s:
v)
r-
М
t'--
t'--
r-
t'--
t'--
0\
r-
0\
t'--
м
r-
N
("--.
v)
r
М
("--.
О
1:...
О
::I:
м
Q)
t:;
О
t:: cd'
Е-- t:;
::I: t:::
Q) Q)
::s: Е--
::1 о:::
::s: ::s:
..е-со
..е-ь
l') >::S:
О Q)
t::1
("--. 00 0\ О
N N N М
.
..е-
l')
О
.
V)
.
I
.
t:; c\:s ::r
tO 00 о \о V) 00 N \о t'-- 0'\
c\:s Q) V) 00 00 V) ......
О ("--. м N 00 0\ .... О .... N ....
Е-- ::I: N N V) <=> 00 <=> м N N О М r- <=> I 0'\ V) м
c\:s N V) V) N 00 М 00 .... t'-- \о
Q) 1:... N ("--. о N М N
::;:: Q)
::I: е
c\:s
:r
::I:
О >::;::
::G I
О О :::::: V) V) N О V) 0\ М V)
::r \о V) М N 00 V) ("--. N О N М .... .... N .... t'-- r-
:::::: <=> ("--. 0\ N ("--. <=> м N .... 0\ 0\ 0\ V) 0'\
V) ("--.
Q) t:; N N М М N ("--. .... t'-- N N м N V)
V) о
е ::::::
U
м 00 00 N 0\ V) ...... 00 V) м 0'\
V) ("--. м V) V) V) ...... \о М 00 \о
V) <=> V) r- .... .... ....
.....-1 \о \о V) 0'\ м r- N \о О N \о V)
N N .... .....-4 ("--. V) \о 00
V)
>:s::
.....
...Q
::I:
..с
t:;
Q)
t::( м N 0'\ t'-- 00 N 0'\ V)
cl) о N 00 М
о.. V) м 0\ \о \о М V) О .... .... V) .... t'-- r
t'-- \о ...... t'-- t'-- <=> 00 N ......
Q) ...... N М r- N <=>
N .... N 00 V) 00
t::: ...... О
>::;::
.....
..с
::I: ,.........,
c\:s
...Q .::I:
t:; OO
О 1:...\0 <=> <=> ("--. 0'\ N М N 0\ 0\ N 0'\ \О 00 V)
1:... М 9\0 \о \о V) \о 0'\ О 00 00 N r- .... V) .... 00 ....
...... V) 00 V) м 00 \о t'-- V) 0'\ 00 V) 0'\
N ....
О N ...... ...... N .... N 00 V) ("--.
......... <=> м м
::I: 1:...
U ::G
Q) ::;::
00
Q) c\:s t:;
о.. ::I: Q)
ч: Е--
аО\ \о c\:s N
00 О О О 00 V) м t'-- V) м V) V) N
N М М <=> c\:s
;::z::::V) 0\ t'-- \о м \о V) .... .... м .... ....
0\ ......... <=> ::G \о 00 t'-- V)
-..........- \О N \о .... 00 00
V) ......
C\:S О .... N 0\ N М N \о
О
t:; [::
1::
Q)
Е--
t::(
О N О ("--.
00 t'-- <=> <=> м <=> 00 \о V) ("--. V)
U V) N \о О \о ("--. О V) О О N .... .... о .... ("--. ....
>::;:: 00 ("--. 00 \о \о \О \о
c\:s М М N М .... 00 м
::;:: .... t'--
с.. ...... м N 00 V) м
::G <=>
U
00
О
U
c\:s
t'--
О 00 ("--. ("--. о ("--. 0'\ N \о 00 О О 00 r-- 1 ("--.
<=> \о V) <=> 00
N 0'\ \о N О \о .... .... ) ....
t'-- М 00 V) N <=> \о 'o::j . V)
м N М М N М .... 56
м .... N 00 \о м 'o::j t'--
...... О )
c\:s
::I:
1:...
:r
О
00
Е--
U
Q)
:r
c\:s
c\:s
U
::r:
c\:s
t:;
c\:s
tO
>::::::
:ё
00
О
::G
t::(
о:::
о..
О
[::
Q) :ё
::;:: t::(
:I: О
Q)
t:; Q)
00 ::;::
О ::I:
::I: cl)
c\:s о..
t c\:s
u t:::
О U
ООд
00
О
Е--
c\:s
::I:
О
tO
о..
c\:s
::G
Q)
::;::
::I:
Q)
;:Е
О
t:;
м
c\:s
с..
00 .
О 1:...
o..
c\:s :r
t:: 00
Х Q)
о..
JS L-.
::I: cl)
о..
t::( Q)
О t:::
00 :s:: c\:s
cl) ::G
::;:: c\:s
::I: t:;
Q) а
t:; cl)
;:Е
e
::G
::;::
:I:
:3
О
t:;
О
::G
м
Q)
о..
cl)
:r
о..
Q)
Е--
О
t:
О
Q) 00
t::( Е--
О U
00 ::I:
c\:s
>::;:: о..
Q) Е--
3 U
Q 8-
c\:s t::
t::( Q)
;:Е Q)
c\:s :I:
t:; :3
Х Q)
О ::I:
00 00
,........., О
1:...
u,........., o
Q) О....
Q)u
О r:-C о..
tO c\:s t::
u-з
.. о..
N О
8u Е--
" N c\:s ::I:
О :I:
::I: U .::r
cl) . :3 ::;::
:3:300
О О ..e-
::I: ::I: О
Е-- Е-- 1:... О
OOu
t:;?f(
.... О
::G U 1:...
.... О
U 0:::.... ::I:
::;:: О м
о 1:... ::I: t:; cl)
о" ::G c\:s t:: t:; ?f(
.... 00 Q) О
о::: . О Е-- t::: cd'
::;:: :r м Q) Е-- t:;
::I: c\:s ...Q О ::I: t::
Q) :I: t:; Q) cl)
t:; м О Q) ::;::Е--
00 Q) t:: ::r
g u::;::::;::
c\:s О . t:; I:... OO
Е-- t:; ..е- О ::G t
t:: t:: >::;::
О Q) О U OQ)
00 ::S:::G t::(
cl)
t::(
О
U
c\:s
о..
00
О
1:...
О
0000
М V)\Оt'--ооО'\<=>"""N
NNN
<=>
м
M V)\O
N N N N
("--. 00 0\
N N N
59
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
Форма сведения баланса соответствует форме, предложенной л. rрюнером, и по
лучившей наибольшее распространение (так называемая 1 форма). Она сохранилась
до настоящеrо времени при использовании уточненных термодинамических данных.
В табл. 1.6 в первой паре колонок приводится тепловой баланс по этой форме, co
ставленный А.Н. Раммом [16] для современных условий плавки:
в составе чуrуна 4,7 % С; 0,5 % Si; 1,2 % Mn; 0,02 % S; в шлаке 12 % MgO при
основности (CaO+MgO)/Si0 2 == 1,3;
полностью офлюсованный аrломерат, дающий выход шлака 300 Kr/T чуrуна;
дутье с содержанием кислорода 25%, HarpeToe до 1200 ос с подачей пылеуrоль
Horo топл ива 1 О 1 Kr/T чуrуна;
печь объемом 2700 м 3 производительностью 6530 т/сут.
Таблица 1.6. Обший тепловой баланс современной доменной плавки,
составленный в трех формах (1 III) дЛЯ одних и тех же исходных данных
Статьи баланса 1 11 111
кДж/кr % кДж/кr % кДж/кr %
Приход
rорение уrлерода кокса в СО у
фурм 1985 20,6 1985 47,3
rорение дутьевой добавки у
фурм (уrольная пыль) 519 5,4 519 12,4
Окисление:
СО в С0 2 4074 42,4
Н 2 В Н 2 О 364 3,8
уrлерода прямоrо восстановле..
ния 967 1 О, 1
Полная теплота сrорания кокса ] 1627 73,0
То же, дутьевой добавки 2604 16,4
Энтальпия дутья за вычетом теп..
лоты разложения влаrи дутья 1570 16,4 1570 37,4 1570 9,9
То же, дутьевой добавки 8 0,1 8 0,2 8 0,0
То же, шихты 113 1,2 113 2,7 113 0,7
Итоrо приход 9600 100 4195 100 15922 100
Расход
Восстановление 1319 31,4
Диссоциация окислов 6724 70,0 6724 42,2
Разлож. карбонатов и rидратов 4 0,1 4 0,1 4 0,0
Испарение влаrи шихты 54 0,6 54 1,3 54 0,3
Энтальпия:
чуrуна 1298 13,5 1298 30,9 1298 8,1
шлака за вычетом теплоты шла..
кообразования 574 6,0 574 13,7 574 3,6
Неиспользуемое тепло
Энтальпия колошниковоrо rаза 540 5,6 540 12,9 540 3,4
Внешние потери тепла 406 4,2 406 9,7 406 2,6
Химическая энерrия колошнико..
Boro rаза и уrлерода в чуrуне 6322 39,8
Итоrо общий расход 9600 100 4195 100 15922 100
60
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
Балансы М.А. Павлова составлены в ккал/кr чуrуна, А.Н. Рамма в кДж/кr чуrу
на. С учетом этоrо из анализа структуры расхода тепла следует, что при выплавке
передельноrо чуrуна резко сократились расходы на разложение карбонатов, HarpeB
шлака за счет меньшеrо выхода ero, внешние потери. Одновременно возрос расход
на переrрев чуrуна ввиду увеличения ero температуры. Исключение составляют
шведская печь Фоrерста (колонка 15) и Саткинская печь (колонка 14), работавшие на
боrатом железом сырье с малым расходом cbIporo флюса. В приходной части баланса
резко увеличилась энтальпия дутья и сократилось количество тепла от rорения и
окисления уrлерода. Общий расход тепла по сравнению с большинством печей co
кратился на 17 40 %, а по сравнению с печью Фоrерста только на 8 %.
Почти одновременно с л. rрюнером Р. Окерман предложил друrую форму балан..
са (11 форма), а несколько позднее получила распространение и 111 форма теплотех
ническая (как у Р. Бунзена).
Вторая форма сведения тепловоrо баланса отличается от первой способом учета
тепла восстановительноrо процесса. В первой форме тепло окисления С в СО при
прямом восстановлении, СО в С0 2 И Н 2 В Н 2 О при косвенном учитывается в приходе,
а теплота диссоциации оксидов в расходе. В случае второй формы сведения тепло
Boro баланса оперируют суммарным тепловым эффектом реакций восстановления,
причем тепло эндотермических реакций учитывается в расходе, а тепло экзотерми
ческих реакций может быть учтено в приходе. Однако ввиду небольшой величины
тепловыделения от экзотермических реакций последнее удобнее учитывать в расходе
с обратным знаком. Все остальные статьи баланса те же, что и в первой форме, но
сумма BHeceHHoro и потребленноrо тепла в 1,5..2 раза меньше.
Третья форма сведения тепловоrо баланса является теплоэнерrетической и пред..
назначена для оценки работы тепловых arperaToB, в которых производят полное сжи..
rание топлива. В приходе учитывается тепло полноrо сжиrания топлива (кокса и
дутьевых добавок) в rорячем дутье, а в расходе, помимо статей, учитываемых в пер..
вой и второй формах, появляются неиспользуемое потенциальное тепло колошнико
Boro rаза (теплота ero сжиrания) и химическая энерrия уrлерода, pacTBopeHHoro в чу
rYHe. По существу, третья форма баланса не отвечает специфике доменной плавки, в
которой не может быть полноrо перехода С в С0 2 И Н 2 В Н 2 О. Из за дополнительных
статей прихода и расхода сумма тепла при таком сведении баланса больше, чем для
первой формы, почти в 2 раза, а по сравнению со второй формой в 3,5 4 раза. CpaB
нительная оценка различных форм сведения тепловоrо баланса дана А. Н. Раммом [3,
с. 542..643], А. д. rотлибом [17] и др.
В табл. 1.6. приведены результаты расчета тепловоrо баланса современной плавки
по трем указанным выше формам для одних и тех же исходных данных [18]. По..
скольку суммы тепловоrо баланса по трем формам существенно различны, удельные
значения отдельных статей баланса для каждой из форм соответственно неодинако"
вы. Так, доля энтальпии дутья по первой форме равна 16,4 %, по второй 37,4 %, а
по третьей Bcero 9,9 % от общеrо прихода тепла. доля внешних потерь тепла, от
Bcero потребленноrо, составляет соответственно 4,2; 9,7 и 2,6 %. Доля полезно ис
пользуемоrо в печи тепла (тепловой к. п. д. печи) составляет соответственно 90,2;
77,4 и 54,2 %.
Для анализа тепловой работы доменной печи и оценки влияния различных факто
ров на расход кокса может быть использована любая из трех форм баланса тепла.
Однако с точки зрения удобства оперирования статьями прихода и расхода тепла в
печи, пересчета этих величин в потребный уrлерод кокса, а также с точки зрения OT
ражения специфических особенностей распределения тепла в доменной плавке по
различным статьям эти формы тепловоrо баланса неравноценны. В наибольшем со..
61
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
ответствии с действительно происходящими в печи процессами находится вторая
форма сведения тепловоrо баланса, в приходной части которой учитывается тепло,
поступающее в процесс из зоны rорения у фурм и с шихтовыми материалами, а в
расходной тепло, потребляемое шихтой в ходе ее HarpeBa, физико химических и
фазовых превращений (полезно используемое тепло), а также теряемое в колошник и
во внешнее пространство. При этом для распределения полезно используемоrо тепла
по статьям исходят из различия физической природы отдельных процессов теплопо
требления (HarpeBa, восстановления, разложения карбонатов и др.).
Рассматривая недостатки анализа плавки с помощью общих тепловых балансов,
Дж. Джонсон [19] положил начало разделению печ Horo пространства на зоны с раз
личной температурой, после чеrо В. Матезиус [20] реализовал идею двухзонноrо Te
пловоrо баланса.
С помощью общеrо тепловоrо баланса оценивают распределение тепла между
различными ero источниками и потребителями, оперируя начальным и конечным co
стоянием процесса. Это позволяет анализировать структуру использования тепла в
доменной печи в целом. Поскольку диапазон температур материалов и rазов в печи
большой, а ценность BЫCOKO и низкотемпературноrо тепла с точки зрения потребно
сти кокса различна, часто представляют интерес распределение тепла в отдельных
зонах по высоте и определение лимитирующих (определяющих) зон. Для этой цели
служит зональный тепловой баланс, составление KOToporo требует знания характера
распределения физико химических и теплообменных процессов между различными
температурными зонами печи. При удачном выборе температурных rраниц зон и пе..
репадов температур с помощью метода зональноrо баланса удается находить реше..
ние вопросов, не поддающихся анализу на основе общеrо тепловоrо баланса. При
сведении зональных балансов тепла число зон, на которые разделяется печь, выби..
рают в зависимости от решаемой задачи и особенностей процессов, которые следует
анализировать.
Наибольшее распространение нашел двухзонный баланс. Мноrие авторы произ
водят деление печноrо пространства на три шесть температурных зон и более. В
табл. 1.7. при водится распределение процессов по температурным зонам, предло
женное Р. Линдером [21].
Схема расчета мноrозонноrо баланса такова. В зоне rорения кокса у фурм обра
зуется rаз энерrоноситель, поднимающийся навстречу движущимся вниз материа
лам. Состав и энтальпия этоrо rаза являются исходными данными для расчета балан..
са тепла в вышележащей зоне (например, в зоне температуры материалов 1200..
1500 ОС). В этой зоне потребность тепла для HarpeBa материалов определяют от тем..
пературы, с которой они поступают на верхнюю rраницу (1200 ОС), до температуры
нижней rраницы зоны (1500 ОС) с учетом всех физико"химических и фазовых пре..
вращений в этом диапазоне температур. Энтальпию отходящеrо из зоны rаза опреде..
ляют, как разницу количеств тепла, поступившеrо с rазом и потребленноrо в зоне, а
температуру rаза находят как частное от деления энтальпии на теплоемкость rаза с
учетом изменения ero количества, если оно имеет место. В вышележащей зоне (1 ooo
1200 ОС) поступление тепла равно энтальпии rаза, отходящеrо из нижележащей зоны.
Теплопотребность в этой зоне вычисляется аналоrично предыдущему с учетом физи
ко..химических и фазовых превращений, происходящих в интервале температур дaH
ной зоны (1000 1200 ОС). Так, переходя от зоны к зоне, определяют 'Энтальпию KO
лошниковоrо rаза и сводят баланс тепла в каждой из зон.
Методике сведения зональных балансов серьезное внимание уделял А. д. rотлиб
[17]. Примеры мноrозонных балансов приводятся в работах ж. Мишара [22] и
Р. Линдера [21].
62
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Табл и ца 1.7. Распределение процессов по температурным зонам
доменной печи по Р. Линдеру
Процессы, происходящие в зонах
Зона сушки, 25 350 ос
HarpeB окислов железа, породы, скрапа,
уrлерода
Сушка
Выделение связанной влаrи
Потери
Зона предварительноrо восстановле
ния, 350 700 ос
Непрямое восстановление rематита в
маrнетит и HarpeB окислов железа
Разложение карбонатов железа и
MapraHua
Выделение уrлерода
HarpeB породы, скрапа, уrлерода
Потери
Зона rазовоrо восстановления, 700
1000 ос
Распад известняка
rазификация уrлерода
HarpeB породы, скрапа, уrлерода
Потери
Зона прямоrо восстановления, 1000
1200 ос
rазовое восстановление окислов желе..
за и HarpeB железа
Разложение С0 2 уrлеродом кокса
HarpeB породы, скрапа, уrлерода кокса
Науrлероживание железа до 1,7% С
UUлакообразование
Потери
Зона плавления, 1200 ос темпера
тура выпуска
Плавление чуrуна
Плавление шлака
HarpeB уrлерода кокса
Образование чуrуна
Поrлощение серы шлаком
Потери
Зона rорения, 1500 2500 ос
Уравнения реакций и
тепловые эффекты, кДж
Н 2 О Ж == Н 2 О пар 44 045
2Fе(ОН)з == Fе20з + ЗН 2 О.. 102 995
3Fе20з + СО == 2FеЗ04 + С0 2 + 54 010
3Fе20з + Н 2 == 2FеЗ04 + Н 2 О + 12 560
3Fе20з == Fез04 + 2С0 2 + СО 208 084
3МпСО з == МПЗ04 + 2С0 2 + СО 383 930
2СО == С саж + С0 2 + 159 517
FеЗ04 + СО == 3FeO + С0 2 .. 36 844
FеЗ04 + Н 2 == 3РеО + Н 2 О .. 76 200
РеО + СО == Ре + С0 2 + 15 910
PeO+H2==Pe+H20 25121
СаСО з == СаО + С0 2 177 939
СаМg(СО З )2 == MgO + СаО + 2С0 2 406956
С саж + С0 2 == 2СО 159 517
{ FеЗО4 + СО 3FeO + СО 2 36 844
СО 2 + С К == 2СО .. 167 053
{ FeO + СО Fe + СО 2 + 15 910
С0 2 + С К == 2СО .. 167 053
{ FеОж+СО Fетв+СО2+47311
С0 2 + С К == 2СО .. 167 053
3Fe + С К == FезС 16 329
(Si0 2 ) [Si] .. 630 951
(МпО) [Mn] .. 217 299
(P20s) [Р] .. 365 089
(Ti0 2 ) [Ti] 692 078
(V 2 О З ) [У] .. 890 114
С К [С] .. 50 242
СаО + FeS + С == CaS + Fe + СО 152 820
С К + 0,502 == СО + 116 267
С К + Н 2 О == СО + Н 2 125 730
63
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Результаты расчета зональных балансов часто представляют rрафически в виде
температурно тепловых диаrрамм, предложенных п. Рейхардтом [23]. На этих диа
rpaMMax (рис. 5) ход линии теплопотребности шихты (q) при разных температурах
сопоставляют с линией энтальпии rаза (Qr) при соответствующих температурах. При
этом линия энтальпии rаза близка к прямой, так как снижение теплоемкости rаза при
ero охлаждении практически полностью компенсируется ее увеличением от измене
ния состава и некоторым увеличением количества rаза по высоте печи. Линию теп
лопотребления шихты обычно представляют в виде ломаной с rоризонтальной пло
щадкой в области температур порядка 900 ОС, соответствующей разложению карбо
ната кальция. При отсутствии ero в шихте в этой области отмечается перелом кри
вой. Этим однозначно определяется '''критический'' уровень температур, при котором
разность температур шихты и rаза минимальна. Область печноrо пространства, TeM
пература в которой выше "критической", считается определяюшей расход кокса, xo
тя, разумеется, теплопотребность этой зоны связана со степенью развития процессов
непрямоrо восстановления в верхней зоне.
tOC
,
о
чаО
800
1200
1БОО
2000
q,Qr
Рис. 5. Температурно тепловая диаrрамма
(обшепринятая форма)
Практика расчетов двухзонноrо баланса показывает, что при удачном выборе rpa
ничной температуры зоны 11 перепада температур шихты и rаза на этой rранице можно
решать важные аналитические задачи. Однако выбор этих параметров не является про
стым, как это иноrда считают, полаrая, что минимальный перепад температур шихты 11
rаза настолько мал, что ero изменение при различных условиях плавки практически не
влияет на результаты расчета, а значение rраничной температуры зон связано в OCHOB
ном С началом прямоrо восстановления и меняется в узких пределах (850 900 ОС).
В действительности значение rраничной температуры зон зависит как от характе..
ра распределения теплопотребляющих процессов по высоте печи, так 11 от начальной
температуры rазов у фурм. Это подтверждается температурно тепловой диаrраммой
(рис. 6), полученной путем HeKoToporo изменения методики построения диаrрамм на
основе сведения баланса для малоrо числа зон (двух четырех, рис. 5). В последнем
случае протекание основной эндотермической реакции (С0 2 + С == 2СО Q) часто
относят к какой то одной температуре. В результате на этих диаrраммах (рис. 5) ми
нимальное расстояние между линиями теплопотребления шихты и энтальпии rаза
64
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
(минимальный перепад температур шихты и rаза) получается почти всеrда в одной и
той же точке, т.е. на одном и том же температурном уровне независимо от наклона
линий теплопотребления шихты и энтальпии rаза. В действительности все эндотер
мические реакции протекают в некотором интервале температур, а физическая теп
лоемкость шихтовых материалов растет с повышением температуры, что дает OCHO
вания считать линию теплопотребления сложной кривой, которую можно аппрокси
мировать кубической или, в простейшем случае, квадратичной параболой. При Ta
ком построении температурно тепловой диаrраммы интерпретация результатов ее
построения существенно меняется [18].
t,OC
800
,ооn
1600
1200
t,OD
о 0,8 1,6 l,ч -J,l '1.0
q, Q МДЖ/Кl чусуна
Рис. 6. Температурно тепловая диаrрамма
(предлаrаемая форма)
На рис. 6 параллельно линии теплопотребности шихты (q) приведена кривая, со..
ответствующая энтальпии rаза на '''критическом'' уровне при минимальном перепаде
температур шихты и rаза (q'). Линия энтальпии rаза Q (в первом приближении пря
мая) касается линии q' в точке, соответствующей "критическому" уровню. Определе
ние "критическоrо" уровня сводится к нахождению этой точки. Из диаrраммы следу"
ет, что по мере повышения начальной температуры rаза (кривая Q ) значение rpa..
ничной температуры зон снижается. Кинетика теплопередачи дает основание пола
[ать, что значение минимальной разности температур шихты и rаза в этом случае бу
дет больше, так как при уменьшении абсолютной температуры материалов и rазов
снижается коэффициент теплопередачи. На диаrрамме рис. 6 видно также (без по
строения), что кривизна линии q, Т.е. характер изменения теплопотребности шихты
по высоте печи, существенно влияет на положение точки касания.
В представленном виде рис. 6 (диаrрамма Рейхардта) точнее иллюстрирует осо..
бенности тепловой работы печи, чем рис. 5. Поскольку значения rраничной темпера..
туры двух зон и разности температур шихты и rазов зависят от мноrих технолоrиче..
ских факторов, ценность результатов проrнозноrо расчета определяется более или
менее удачным выбором этих значений для конкретных условий плавки. В этом
смысле двухзонный баланс не имеет преимуществ перед общим, rде требуется BЫ
брать друrой важный параметр температуру колошниковоrо rаза. Но применение
65
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
двухзонноrо баланса на основе изложенноrо выше подхода к ero интерпретации OT
крывает новые возможности. Как будет показано далее, появляется возможность aHa
литическоrо описания процессов, которое позволяет определить из системы ypaBHe
ний не только расход кокса и температуру на колошнике, но и rраничную температу
ру зон, а также минимальную разность температур шихты и rаза. При этом задаются
некоторыми постоянными для данной шихты величинами, характеризующими ин
тенсивность теплопередачи в печи. Конечно, в этом случае требуется некоторое yc
ложнение аппарата и использование ряда закономерностей кинетики теплообмена.
Но решение таких задач с помощью современных ЭВМ не вызывает принципиаль
ных затруднений [24].
Теll" lообol,,ен в до""енной Ilечи
Закономерности теплообмена в доменной печи обсуждались в литературе с нача..
ла ХХ века, однако реальное научное содержание они обрели лишь в 40 50 x rодах.
А.С. Саркисянц [25, 26] пришел к выводу о том, что падение температур rазов в
нижней части печи происходит быстро, а в верхней медленно, причем разность Me
жду температурами rазов и шихты составляет примерно 300 ос (рис.7).
.
,
.
I
"
ос)
5
.....
ос)
Q::)
Температура, ос
Рис. 7. Схема теплообмена в доменной печи
(по А.С. Саркисянцу)
в работах М.А. Павлова [8] вопросы теплообмена рассматривались на качествен
ном уровне с позиций возможности объяснения результатов практики. При этом от..
мечено наличие зоны "умеренных" температур 800 1000 ОС, в которой изменение
температуры идет медленнее, чем в выше.. и нижележащих rоризонтах. Наиболее
близко к разработке теории теплообмена подошел Е. Дипшляr [14], который, исполь..
зуя анализ, выполненный r. Ле..Шателье [27], приводит две схемы теплопередачи в
столбе шихты, отличающиеся величиной отношения теплоемкости потока шихты РС к
теплоемкости потока rаза ре (рис. 8). Левая ветвь относится к случаю РС/ре < 1,
правая к случаю РС/ре > 1. Наиболее блаrоприятным считается случай РС/ре == 1.
Отмечая различие в расходе тепла за счет прямоrо восстановления, автор почему"то
v v
относит это различие ко всеи печи, а не к нижнеи зоне и отмечает на схеме пункти..
ром. Более Toro, он не проанализировал приводимые в ero книrе результаты замеров
температуры по высоте печи, выполненные С.П. Кинни (рис. 9), которые включают
две приводимые температурные ветви, из которых левая относится к верхней зоне,
правая к нижней.
66
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Лишь более 1 О лет спустя эту особенность открыл Б.И. Китаев [28, 29], положив
начало развитию теории теплообмена в доменной печи [30]. Он показал, что водяной
эквивалент (теплоемкость с учетом всех физических и химических превращений) ra
зовоrо потока незначительно изменяется по высоте печи, а водяной эквивалент ших
ты резко увеличивается в области прямоrо восстановления, идущеrо с большой за
тратой тепла. Рис. 10 иллюстрирует изменение водяных эквивалентов шихты и rаза
по высоте печи.
20(}0 f
r
1 то
,
алл ре. СоРI
.Ig
t:!
t:
() в
для PC К
.Б б
РС>рс
<fX'
.J
(1
s
s
2
i'
.J
Рис. 8. Температура колошниковоrо rаза в зависимости от отношения РС:рс
т
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
О
17[jовень .зП('Ыllu 1 I
.. , ;
. ТОРll.301lт .......
.. 1 .
. r\""'- '-.. "
. " 2 ,
.. , ,СО
'" \-
.
.. 'I!
" 3 '-
4' ..........\ . .
" "'" ВосстановлеlUlе ,.
,
.. 'fCO:! , .
, .
е " '.
""'"'8iII
е " 4 I ,
. ...
; "' Те.мпература
; "'" .
i '"
.. JПлосrюсть
, фур: t, ............... i "
"""""'1
о 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Расчетное восстановление, %
Ь I I 12 .tв .J 14 28 . t 4'0
4 8 20 32 .36
СО II СО2, %
I I I I I t I I I I
О 300 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Te,, uzepamypa "С
Рис. 9. Ход восстановления, изменение температуры и состава rаза
в доменной печи
67
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
I
, t /
... -
f
.....
..Q
::э
а::
<:;)
t::t
"-
о I 2 J
80iJяные JкОuОалеНfПЫ 1l0токоО W
Рис. 10. Изменение водяных эквивалентов rаза и шихты
по высоте доменной печи
На рис. 11 изображена схема теплообмена в доменной печи такой, какой она
представлялась в 1944 r.
!/роВень JDCbIпи.
""
800 1200
Т е!1пераmgра, ос
Рис. ] 1. Схема теплообмена в доменной печи
(по Б.И. Китаеву, 1944): Н] верхняя ступень HarpeBa;
Н 2 высота, не участвуюшая в теплообмене;
Нз нижняя ступень HarpeBa; 1 шихта; 2 rазы
с:::
8
-.....;.
ос)
сс)
УроВень
бозiJУШНЫА
lfJYPH
о
.:::.!
::::s
C:::I
.
fIt:)
:.r:.
::t:
Hz
\
,
,
,
,
,
ос
t...>
t:::s
IfJ
t I
t:: .
ос)
E::
c:::s ::а.с
t:::)
c::s
400
OO
Эта схема характеризуется тремя основными чертами.
1. Тепловую работу доменные rазы совершают последовательно в двух ступенях
HarpeBa. Ступени HarpeBa (теплообмена) разделены зоной умеренных температур той
или иной высоты.
68
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
2. Тепловая работа каждой ступени отличается самостоятельностью, aBTOHOMHO
стью, поскольку температуру rазов, поступающих из нижней ступени, { о , можно
принять за константу для данной технолоrии.
3. Теплообмен в доменной печи завершен, на что указывает существование зоны
умеренных температур.
В соответствии с таким изменением температур (рис. 11) интенсивность теплопе
редачи от rазов к шихте будет убывать от колошника к середине шахты и в направ
лении от ropHa к середине шахты, как это показано на рис. 12. Наибольшей интен
сивности теплообмен достиrает в фурменных очаrах и наименьшей в шахте ДOMeH
ной печи. Поэтому наибольшая разность температур между rазами и шихтой (чуrун,
шлак) наблюдается в фурменных очаrах (400 500 ОС), затем на уровне засыпи (около
200 ОС) и наименьшая в шахте (1 0 20 ОС). Заштрихованная площадь на рис. 12 по..
казывает все количество тепла, переданноrо в доменной печи от rазов к шихте в Te
чение одноrо часа. Описанное изменение температур по высоте доменной печи ти
лично и закономерно для нормальноrо хода печи и находит чисто теплотехническое
объяснение. Ход температурных кривых может быть точно рассчитан на основании
законов теплопередачи в противотоке.
':::j"
:::,.
f:j
<::::i
'-:1
.....
-Q
Jlнтенси6ност6
теллоо5мена. КQЖ/NJ ч
Рис. 12. Изменение интенсивности
теплообмена по высоте доменной печи
Характер изменения температур для верха доменной печи является обычным для
противотока, коrда rазы выходят из теплообмена с обычной температурой. Умноже
ние водяноrо эквивалента на ero температуру дает количество тепла, которое прино
сит или уносит в течение одноrо часа данный поток. Для верха печи W r > W M И, сле..
довательно, в rазе всеrда оказывается тепла больше, чем может поrлотить шихта. Из
быточное тепло уносится через колошник. Поэтому доменный rаз выходит из печи с
высокой температурой. Верх печи можно рассматривать (как однажды справедливо
заметил проф. А.Д. rотлиб) как совершенный в смысле достаточноrо развития по..
верхностей HarpeBa и коэффициентов теплопередачи рекуператор, предназначенный
для использования тепла rазов, уходящих из нижней ступени теплообмена. Так как
опускающаяся шихта, наrреваясь до предельно возможной температуры зоны уме..
ренных температур, не может поrлотить большоrо количества тепла rазов, то в KO
лошниковых rазах остается избыток тепла. Так, например, при работе печи на обож
69
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
женных рудах температура колошниковых rазов достиrает 300 320 ос. Увеличение
количества тепла, поrлощаемоrо шихтой в этой области при увеличении влажности
руды, приводит к снижению температуры rазов до 200 ос, а иноrда и до 100 ос. Это
явление наблюдалось в практике работы Алапаевскоrо завода, работавшеrо на рудах
повышенной влажности.
В нижних частях печи, как уже указывалось, водяной эквивалент потока шихты
больше, чем водяной эквивалент потока rазов. Поэтому шихта не может наrреться до
той температуры, с которой rазы из фурменных очаrов устремляются кверху, а обя
зательно выйдет из теплообмена с температурой более низкой. Таким образом, начи
ная от зоны умеренных температур, разница между температурами rазов и шихты
возрастает и достиrает максимума в фурменных очаrах. Отсюда следует, что в случае
высоких температур у фурм можно получить обычные температуры чуrуна и шлака,
если количество rазов будет небольшим.
Исследование промышленных доменных печей показало, что, как правило, BЫCO
та нижней ступени теплообмена действующей печи оказывается больше, чем дает
расчет по схеме 1944 r. Позднее были внесены дополнения в схему 1944 r. Б.И. Ки
таева, сущность которых состояла в следующем: верхняя ступень оставалась без из
менения, как и зона умеренных температур; в нижней ступени характер изменения
отношения водяных чисел по высоте был принят друrим. По мере опускания к rори
зонту фурм отношение W,,/W r сначала росло (как и в старой схеме), но потом, по ме..
ре ослабления процессов прямоrо восстановления, это отношение уменьшалось до
величин, близких к единице, в зависимости от марки чуrуна (рис. 13).
, .... т
I 2 ::t:
I t
,
\ "
'" :t:"'-'1
,
температура/Ос
о"
ct>
с:::
t:j
t";:)
(...)
.....
..t:]
[,,2
L
I
I
I
c:u
с::
е:
с::.
<w
......
Q::)
I
(оризонт rpypM
80iJяные зкО/J.f}аленты
потоко6 y -
а
Рис. 13. Уточненная схема теплообмена по высоте доменной печи:
а изменение водяных эквивалентов rаза и шихты; б распределение
температур; 1 шихта; 2 rазы; H 1 , Н2, Нз ступени теплообмена
Таким образом, нижняя ступень теплообмена стала как бы составной верхняя ее
половина осталась по старой схеме (1944), а новая нижняя половина характеризова..
лась убываюшим отношением водяных эквивалентов.
На кривых, отражающих распределение температур по высоте печи (рис. 13), вне..
сенное дополнение отразилось в характерном изrибе температурных линий как ших..
ты, так и rазов, который практически привел к расширению нижней ступени тепло..
обмена, устранив, таким образом, невязку в расчетах высоты нижней ступени.
Дальнейшее развитие теории теплообмена шло по пути экспериментальной про
верки и уточнения основных положений, анализа характера изменений параметров
70
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
при разных режимах плавки, а также разработки математическоrо описания процес
сов и методов управления ими на основе закономерностей тепло и массообмена в
противотоке [31 46].
Основные результаты этоrо развития выразились в двух направлениях:
установлены существенные различия в характере теплообмена по высоте печи
при разных условиях и параметрах плавки и на разных вертикалях зондирования, OT
личающихся величиной отношения водяных эквивалентов шихты и rазов;
выявлены взаимозависимости процессов тепло и массообмена и разработано их
математическое описание по высоте и поперечному сечению печи, что является oc
новой научноrо анализа плавки и управления технолоrией.
Сравнение наиболее ранних экспериментальных данных М. Левина и r. Нидта
[47] (рис. 14), а также с. Кинни (рис. 9) о распределении температур по высоте печей
с результатами аналоrичных исследований доменной печи НТМК (Б.Л. Лазаревым) в
1961 rоду (рис. 15) и доменных печей ММК в 1974 1975 rr. (рис. 16) позволило YCTa
новить, что по мере сокращения расхода топлива и соответственно количества rазов
на единицу шихты сокращается высота зоны замедленноrо теплообмена, и в услови
ях современной плавки явно выраженной ""резервной" высоты не наблюдается. Не
наблюдается ее и в вертикальных элементах печи с максимальной рудной наrрузкой
(рис. 15).
ф 500 !
1 88
15625
13, 9/;5
12125
'
10025"
.
8, 190
5,540
t:j
4,оБО
'-.:)
z fчО
'
о, 980
О
-
.........
"
"\
\
\
I I \,
"
I ...............
M
. . . .. . ....... . - ,- Т
<:::>
"'-,
ФбfОО
200 чОО 600 800 /000 /200 11;00 1500 1800
· ТеfolлераП7ура, ос
фJБОО
Рис. 14. Распределение температур в доменной печи при температуре
дутья 600 ос (по данным М. Левина и r. Нидта)
Это связано с уменьшением отношения водяных эквивалентов шихты и rаза и
поддается расчету по уравнениям, применяемым в теории теплообмена [33..37]. При
этом ключевым параметром, принимаемым при расчете, является коэффициент теп
лопередачи. Завышенные значения, принимавшиеся в прежних расчетах, давали pac
пределение температур по высоте, близкое к приведенному на рис.ll, и очень малую
разность температур шихты и rаза. Принятие меньших значений указанноrо пара
метра в более поздних расчетах дало возможность [36] получить друrое расчетное
распределение температур (рис. 17), в котором "резервная" высота на профиле обра
тилась в точку переrиба температурной кривой при сочленении двух зон теплообме..
71
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
на. Расчет А.Н. Рамма [48] для реальных современных условий при установленных
позднее наиболее правдоподобных значениях коэффициента теплопередачи дает Be
личину минимальной разности температур rаза и шихты 50 150 rрадусов (даже с
учетом поправок по замечаниям [44]), а прямые измерения на одной из доменных пе
чей [49] показали аналоrичную величину в разных точках радиуса шахты 30..150 rpa
дусов.
+
OO 800 1200
t ос
.
Рис. 15. Поля изотерм доменной печи N24
НТМК (1961): 1.. 4 номера вертикалей печи,
для которых построены температурные поля
о
10
20
СО 2' О/С
10 {J
10
(;02.%
20
::::,
с::::
.....
c::::s
12
c:u
::::s
20
\,.,)
\.)
//
"d'
р
/
/
/
/
/
о 1
02
}
4
а
100
БОО
1000
о
1400 400
800
1200 t. ос
Рис. 16. Изменение температур и содержания двуокиси уrлерода по высоте
одной из доменных печей: а период А; б период Б; 1 рудный rребень;
2 ось; 3 периферия. Характеристики температуры показаны сплошными
линиями, содержания С0 2 пунктирными
Как показано расчетом в работе [18, с. 77 78], принимаемое в среднем для попе
речноrо сечения печи значение коэффициента теплопередачи сильно зависит от сте..
72
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
пени неравномерности rазовоrо потока: чем она больше, тем меньше значение YKa
занноrо коэффициента, соответствующеrо измеренным на реальной печи значениям
температур. Этим объясняется существенное отличие реальных средних величин KO
эффициентов теплопередачи от определенных по критериальным уравнениям с уче
том лабораторных исследований.
",
.
9.
"'"
'3
6
........
"'"OJ
,...;)
......
.....
..о
'-.)
('IJ
о;
:t:
10
.....
с
....,
;:t:
Q
14
'-J
"""
18
.
22
. .
. .
Уровень фУРJl1
. l .
,
1000
200
600
ОС
Рис. 17. Распределение температуры по высоте печи при расходе
природноrо rаза 50 штриховые и 100 м 3 /т чуrуна сплошные линии:
1 температура rаза; 2 средняя по массе аrломерата; 3 по массе кокса
Следует отметить, что результаты вертикальноrо зондирования печи дают не
вполне адекватную картину температур по высоте, Т.К. траектория движения шихты
от колошника отклоняется от вертикали в сторону стенки, так что по мере опускания
зонда замер производится все дальше от измеряемой величины (в сторону центра пе
чи). В результате, чем ближе вертикаль к периферии, тем больше замер "уходит" от
измеряемой величины в сторону более низких температур (к rребню материалов) и
73
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
тем ярче иллюзия замедления скорости увеличения температур по высоте печи, т.е.
наличия "'резервной" зоны в виде изотермическоrо участка высоты. Возможно, что
установлению двух изотермических участков (рис. 18) [32] в значительной мере спо
собствовали указанные особенности экспериментов. Однако теоретически такая воз
можность не исключается в случае ступенчатоrо (Fе20з FеЗ04 FeO Fe) характера
восстановления оксидов железа по высоте столба шихты, коrда выделение тепла
восстановления FеЗ04 FeO сосредоточено в локальном объеме.
\ .
I
, t
{ I
I .
. I
.
t J
\ i
. I
i
J I
. t
f 1
\
I ,
t I
':. 1
::,
::t-
\
:
i .
I
.
( 2
,lТ1./JQI/I
I
I
I
- _. ;tE
:х: ....
t::
::z::
. . ....
Рис. 18. Схема теплообмена по высоте доменной печи при современной
технолоrии плавки чуrуна: HfaM, H aM верхний и нижний участки
замедленноrо теплообмена; H OC, H OC, н;ос зоны восстановления
rематита, маrнетита и
прямоrо и смешанноrо
вюстита. н ВоС н ВОС н ВОС зоны KocBeHHoro
, К' П , см ,
восстановления; Н в , НН верхняя и нижняя
тепловые зоны
Существенные изменения в характере теплообменных процессов в доменных пе
чах произошли при вдувании восстановительных добавок и обоrащении дутья кисло
родом С дальнейшим увеличением HarpeBa дутья.
При изучении влияния режимов работы доменных печей с различной теоретиче
ской температурой rорения [50] установлено, что превышение HeKoToporo уровня
теоретической температуры способствует повышению расхода тепла и кокса, а также
снижению производительности доменных печей. Это ухудшение показателей не про..
является "в чистом виде", поскольку причиной увеличения теоретической темпера..
туры rорения является изменение одноrо или нескольких определяющих ее парамет..
ров, оказывающих непосредственное влияние на тепловой баланс и расход кокса
Оно проявляется в уменьшении экономии кокса при повышении HarpeBa дутья, по
вышении расхода кокса при обоrащении дутья кислородом без увеличения расхода
природноrо rаза, снижении коэффициента замены кокса природным rазом. Перерас
ход кокса обусловлен изменением характера теплообмена в доменной печи.
74
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Повышение начальной температуры rазов в печи и соответствующее уменьшению
их количества, обеспечивающее сохранение баланса тепла в нижней определяющей
зоне, приводит к повышению отношения водяных эквивалентов шихты и rаза, в pe
зультате KOToporo уменьшается температура по высоте верхней зоны печи и снижа
ется температура колошниковоrо rаза ("похолодание шахты" по терминолоrии
Б.И. Китаева). HarpeB материалов до прежней температуры на rранице верхней и
нижней зон происходит за счет сокращения "резервной" зоны, являющейся своеоб
разным буфером, обеспечивающим автономность работы двух зон теплообмена.
По мере увеличения начальной температуры rазов и снижения теплопотребности
нижней зоны количество rазов, поступающих в верхнюю зону, сокращается, что при
водит к постепенному вырождению резервной зоны теплообмена. Недоrрев материа
лов в верхней зоне покрывается при этом дополнительным расходом топлива. Значе
ние начальной температуры rазов у фурм, соответствующее этому явлению, тем ни..
же, чем меньше теплопотребность нижней зоны печи и соответственно меньше коли
чество фурменных rазов.
Вырождение "резервной" зоны теплообмена вносит существенные особенности в
режим работы доменной печи. Прежде Bcero, изменяется rpаничная температура двух
зон теплообмена, выше которой баланс тепла непосредственно определяет расход
кокса. С увеличением начальной температуры rазов и повышением отношения водя
ных эквивалентов шихты и rаза rраничная температура снижается, и зона, опреде
ляющая расход кокса, поднимается на все более низкотемпературные rоризонты. В
предельном случае определяющей зоной становится все печное пространство.
Перемещение определяющеrо rоризонта в область все более низких температур
приводит к увеличению тепловоrо эквивалента уrлерода в определяющей зоне и со..
ответственно уменьшает экономию кокса от снижения теплопотребности этой зоны.
При работе в режиме относительно завершенноrо теплообмена увеличение средней
влажности дутья на 1 r/M 3 приводит к перерасходу кокса, примерно 1 Kr/T чуrуна.
При незавершенном теплообмене перерасход меньше [51].
При вырождении "резервной" зоны усиливается влияние характера процессов в
верхней низкотемпературной зоне на тепловой баланс нижней зоны, в связи с чем
при одинаковой колеблемости входных параметров увеличиваются колебания тепло
Boro состояния ropHa. Так, на доменных печах объемом 2000 м 3 KrrMK ""Кри
ворожсталь" наблюдались увеличение колеблемости и среднеrо содержания кремния
в чуrуне при повышении теоретической температуры rорения [50]. Более сильное,
чем при обычной работе, влияние колеблемости состава сырья на тепловое состояние
доменной печи отмечалось в период первых опытов обоrащения дутья кислородом
баз вдувания природноrо rаза [51..53]. Это повышает требования к качеству сырья и
реrулированию тепловоrо режима плавки, а в ряде случаев вынуждает работать с ре..
зервом тепла в печи, обеспечиваемым дополнительным расходом кокса. Для анализа
теплообменных процессов в доменной печи при варьировании дутьевых параметров
выполнили серию расчетов по методике, изложенной в работе [24]. На рис. 19 пока
заны результаТЬJ расчета основных параметров при разных значениях Т для вариан
тов общей теплопотребности Q с разной общей теплопотребностью [38]. По мере
увеличения начальной температуры rазов rраничная температура зон (t r , tJ\f) перемеща
ется в область более низких значений (в варианте 1 от 1279 до 278 и от 1256 до 245 ОС). При
этом отношение водяных эквивалентов шихты и rаза тв увеличивается до единицы, а
время пребывания шихты в верхней зоне и количество поrлощенноrо в ней тепла q
снижаются до нуля. Это означает вырождение верхней ступени теплообмена и пере..
ход к работе печи по схеме нижней ступени. Указанная rраница зависит от величины
общей теплопотребности и температуры заrружаемых материалов.
75
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
2,1
tq,Н/IЖ/ке
!} 6,'1
5,0
t r t" 5,6 4*
t 5,2 [6
'
1,5 ",8 o,8
юн. t::)..
'Е
2800
t Q
8
JJt tf t K
f .
80 tк 800
'ИJ 700
f 600
4
500
OO
]00
t K
+
Ii;O
"6
О
Рис. 19. Изменение параметров доменной плавки при
повышении начальной температуры rазов у фурм Т
(с, вариант 1, б вариант 11 и обозначения в тексте)
76
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Чем ниже общая теплопотребность процесса и температура заrружаемой шихты,
тем ниже значение T rp , при котором исчезает верхняя ступень теплообмена (на
рис. 19 оно отделено вертикальной rраницей). В пределах от минимальноrо значения
Т до T rp , rде сохраняется двухступенчатая схема теплообмена, с повышением темпе
ратуры снижаются количество и теплоемкость rазов, общее количество подаваемоrо в
печь тепла и температура колошниковоrо rаза (t K ). При этом существенно уменьша
ется общее время пребывания материалов в печи '[ , а минимальная разность темпера
тур между rазом и шихтой (дt) увеличивается.
Вблизи T rp изменение параметров имеет следующую особенность. В связи с вы..
рождением верхней ступени теплообмена значение t B резко снижается до нуля, а t H
увеличивается, стремясь к '[ . Увеличение времени пребывания материалов в нижний
зоне вблизи Т rp приводит К резкому снижению разности температур между rазом и
шихтой в этой области и ускорению падения температуры колошниковоrо rаза (на
кривой t K поблизости от T rp для всех вариантов наблюдается переrиб), количества ra
за (величины, пропорциональной W r ) и общеrо расхода тепла Q .
При переходе в область работы доменной печи по схеме нижней ступени тепло
обмена (T>T rp ) характер изменения параметров зависит от изменения средней тепло
емкости шихты в печи. Если она постоянна (сплошные линии), то отношение тепло
емкости шихты и теплоемкости rаза lnH сильно увеличивается. Температура колош
никовоrо rаза и общий расход тепла при этом изменяются незначительно, асимпто
тически приближаясь к некоторым пределам. Если теплоемкость шихты изменяется
по той же причине, что и в области Т<Т rp' то отношение теплоемкостей шихты и rаза
тн увеличивается не столь резко (штриховая линия), а температура колошниковоrо
rаза и общий расход тепла повышаются.
В реальных условиях доменной плавки увеличению температуры колошниковоrо
rаза и общеrо расхода тепла при повышении начальной температуры rазов у фурм
сверх HeKoToporo значения способствует также возрастание неравномерности рас..
пределения температур по радиусу ropHa при одновременном смещении всех тепло..
потребляющих процессов в нижнюю часть печи.
На рис. 20 приведены результаты расчета температур шихты и rаза в зависимости
от времени пребывания материалов в печи по мере их опускания при разных значе..
ниях Т для варианта 1. Увеличение начальной температуры rазов от 1800 до 2000 ос
приводит К смещению температур в шахте в область низких значений. Температуры
rраничной зоны t r и tl\f, соответствующие точке переrиба температурных кривых,
снижаются с 1076 до 879 и с 1 О 1 О до 793 ос, однако положение этих точек по высоте
печи мало изменяется. При температуре, равной 2400 ос температуры rраничной зо
ны, принимают значения t)\f==245 ос и t r ==278 ос. По всей высоте печи отношение теп..
лоемкости шихты к теплоемкости rаза превышает единицу, что соответствует работе
по схеме нижней ступени теплообмена. С повышением температуры до 2600 ос ибо..
лее зона высоких температур смещается еще далее в нижние rоризонты печи. В каче..
ственной форме такие результаты предсказаны Б.И. Китаевым [30, с.203..205].
Результаты выполненных расчетов хорошо соответствуют экспериментальным
данным, полученным на опытной печи объемом 0,63 м 3 фирмы Ниппон кокан (Япо
НИЯ) в период повышения концентрации кислорода в дутье до 40 % (рис. 21). Темпе
ратурная кривая, соответствующая Т == 2580 ос, близка по форме к предельной для
двухступенчатой схемы теплообмена [54, рис. 8]. Видимо, при концентрации кисло
рода в дутье 42 % и температуре около 2700 ос на этой печи произойдет вырождение
верхней ступени теплообмена. Это соответствует результатам расчета, полученным в
настоящей работе [де Т == 2690 ос.
77
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Результаты выполненноrо анализа расширяют возможности решения конкретных
вопросов доменной технолоrии.
.. .. 20
O
I 60
в. 60
I
. 100
т = 1800
t r
т ==2+0.0
1=2600
f r
400 800 1200 1600 2000
Т, ос
800 1200 1600 2000 2"00
Рис. 20. Изменение температуры материалов (tl\1) и rазов (t r ) во времени
пребывания материалов в доменной печи при разных значениях начальной
температуры rазов у фурм (Т) дЛЯ условий варианта Q == 4,0 МДлж/кr,
tl\1o == 245 ос
3
21 0;0
24,7 %
""
,.....
. 2.9 %
...... 2
""'
\::.
t); q9 t:
,. /00,/,,.) о
......
.......
с
.......
(" qв О'
,. /0
С
!'\, 1
'"--
......
...... 40 ;)
.......
.......
D:;
с
.....
\..:-
\....,
:::::
о
500
1000
1500
2000
2500
Те.lll1ерптурп, пс
Рис. 21. Распределение температур по высоте опытной доменной печи
фирмы Ниппон кокан (цифры у кривых содержание кислорода в дутье, 0/0)
78
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Судя по особенностям температурных полей и распределению тепла в доменных
печах при разных начальных температурах rаза у фурм, работа с низкими значения
ми этих температур более предпочтительна. Во первых, при высоком уровне Т TeM
пература в шахте печи получается низкой, что замедляет процесс непрямоrо BOCCTa
новления. BO BTOpЫX, высоким значениям Т соответствуют меньшие значения rpa
ничной температуры зон и более высокий тепловой эквивалент уrлерода кокса, что
снижает эффективность применения различных мероприятий, направленных на сни
жение расхода кокса (кроме вдувания различных peareHToB). Снижение rраничной
температуры двух зон теплообмена при высоких значениях Т приводит к тому, что
расход кокса и тепловое состояние печи зависят не только от высокотемпературных
процессов, но также и от хода низкотемпературных процессов, что может увеличить
число возмущающих воздействий и снизить устойчивость тепловоrо режима. Кроме
Toro, снижение количества rазов при повышении уровня Т осложняет пере нос тепла
к центру ropHa и увеличивает неравномерность распределения температур по радиусу.
Указанные недостатки устраняются при увеличении расхода уrлеводорода через
фурмы, которые, однако, не всеrда MorYT быть реализованы из за их дефицита и He
достаточной полноты конверсии в фурменных очаrах.
Практика работы доменных печей показала, что при обоrащении дутья кислоро
дом теоретическую температуру rорения не удается поддерживать на исходном
уровне [55], что уменьшает общее количество кокса, заменяемоrо природным rазом,
и приводит к деформации температурноrо поля печи, рассмотренной выше. Послед
няя связана с развитием ряда неrативных явлений, rлавным из которых является
снижение устойчивости хода процессов. В этих условиях радикальныIM решением
проблемы обоrащения дутья кислородом выше 40 % является подоrрев шихты в
шахте путем подачи rаза..теплоносителя в сухую зону печи [38, 56]. При этом даже
при подаче нейтральноrо или слабоокислительноrо rаза степень восстановления ма..
териалов увеличивается за счет ускорения восстановительноrо процесса путем по..
вышения температуры. Схема теплообмена по высоте печи приближается к класси
ческой двухступенчатой, а дополнительные возможности управления rазовым пото
ком по окружности шахты позволяют оптимизировать ход процессов.
Указанная технолоrия успешно использована при разработке кислородной дo
мен ной плавки с температурой rазов у фурм 2700 ос и вдуванием в шахту печи на..
rpeTbIx rазов [57].
Рассматривая характер теплообменных процессов в ходе эволюции доменной
плавки и развитие самой теории теплообмена в доменной печи, следует отметить су..
щественные изменения, как в ходе процессов, так и в уrлублении их познания. При
этом rлавным и неизменным положением теории остается двухступенчатая схема те..
плообмена по высоте столба материалов, которая, хотя и может существенно отли"
чаться для разных вертикалей печи и разных режимов плавки, но подчиняется одним
и тем же закономерностям и описывается одними и теми же уравнениями. Что каса..
ется понятий "завершенность" теплообмена и "автономность" зон теплообмена, то
они были введены на начальном этапе развития теории для образности понимания и
в противовес оппонентам, не оценившим совершенство противоточной схемы про
цесса с позиций теплообмена.
Условность этих понятий очевидна, если учесть, что полноrо равенства темпера
тур шихты и rаза ни в каких точках доменной печи не достиrается, величина мини
мальной разности температур 10..20 rрадусов имеет место лишь в отдельных верти..
кальных элементах при высоком количестве rазов на единицу шихты, а при мини..
мальной по высоте разности температур 100..150 rрадусов рассматриваемые понятия
теряют смысл. Этим обстоятельством можно объяснить пере нос центра тяжести ар..
79
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
rументации ""завершенности" на S образность температурной кривой по высоте печи
в тех случаях, коrда "'резервная" зона явно отсутствует, а разность температур rаза и
шихты достаточно велика (рис. 22) [44, c.164 165]. В действительности S образность
лишь отражает двухступенчатость схемы теплообмена, существование которой при
всех устойчивых режимах плавки подтверждает ее эффективность и необходимость
выбора соответствующих параметров плавки для ее поддержания.
2Д
..
.,;;.
""'.
:t
t5&
<'\i 2 1п
С, 1"
'"
t
а
'"-'
..... ....,
...., 1 f 9
:t'" ,w
ti> ::::
с
с
'
..,:,
'"-'
о
/100
700
1900 2ВОО О
2Д
0,5
1,0
1
1100
1500
Te.1'tпepanlypa, R
ОтНОluен..uе mеnлое.м.-косmей
Рис. 22. Изменение температур материала ( ) и rаза ( ) (а)
и отношения теплоемкостей (6) по высоте печи:
о периферия; () ось; . промежуточная зона
Таким образом, содержательная сторона теории теплообмена в доменной печи
существует и развивается независимо от терминолоrических форм ее выражения и
состоит в том, что теплообмен происходит в двух последовательных ступенях, отли
чающихся величиной отношения водяных '3квивалентов шихты W s и rаза W g , причем
в верхней зоне W s < W g , но по мере опускания шихты они сближаются до W s == W g ,
после чеrо в нижней зоне W s > W g , что определяет существенные различия в харак"
тере тепловой работы двух зон теплообмена.
Описание теплообменных процессов в двух сопряженных зонах печи одними и теми
же уравнениями на основе тех же закономерностей позволяет анализировать и проrнози
ровать особенности деформации температурноrо поля печи при изменении технолоrиче
ских параметров плавки. Теория теплообмена позволила синтезировать друrие знания о
процессах доменной плавки в единую внутренне непротиворечивую модель (предметно..
содержательную и математическую) и на основе этоrо научно решать задачи анализа
процессов плавки с определением перспективных направлений развития технолоrии и
конструктивных параметров arperaTa. На рис. 23 приведены результаты определения по..
лей температур и степеней восстановления железа дЛя одной из доменных печей, полу..
ченные японскими разработчиками двумерной математической модели [45], а на рис. 24
аналоrичные результаты российских разработчиков [46].
Восспl11НОВ.,1енuе же.,1еЗll
Уже в книrах ж. Ассенфратца (1812) и К. Карстена (1816) процесс восстановления
рассматривался как сложное взаимодействие частиц руды и rаза с потерей кислорода
рудой и последовательным переходом высших оксидов железа в низшие и металл при
образовании в rазе оксида идиоксида уrлерода (см. цитаты в начале rлавы).
80
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
о
4
8
10
...
:::. 12
::r
с::
1'1
16
......
20
22
2Ц
26
28
Рис. 23. Распределение температур (а) и степеней восстановления окислов железа
(6) в доменной печи, рассчитанных с помощью кинетико математической модели
(цифры у кривых температуры и степени восстановления)
Н, LJИ'
2
......... ........ ....... ......... .......
а
о
800
900
1000 1000
1100 1100
1200
l/JOO
'llпхта
12
9
6
'
I 70
: V
I 800
: V
900
i \J
1 1000
: \J
I
1 1100
: \J
I
200
\У f
1HOO
V
;35f Ш
oo
/n '
2 н 30па 1 О 1 2 R, ом
КО2е3Иll
:-J
о
:-J 301lп 1
KO?eJ1Ul
о
I
2 :-J
о
J
500
I
в
Рис. 24. Температурные поля шихты и rаза при различных системах заrрузки:
AAKK..L (а), 4AAKK..L KAAK..L (6), 3AAKK..L 2KAAK..L (в)
1
а
6
81
J. Развитие технолос">ии lf познание I1роцеССО6
К. Карстен описывает процесс отнятия кислорода от руды как зональный по тол
щине куска, а ж. Ассенфратц отмечает неравномерность обработки отдельных KYC
ков rазом и разное их состояние при поступлении в зону плавления.
На основе впервые выполненноrо анализа rазов в ходе восстановления оксидов в
доменной печи Р. Бунзен [9, с. 29] обобщил представления о процессах восстановле
ния.
ж. Эбельман [9] на основе аналоrичноrо исследования показал, что зона BOCCTa
новления с образованием СО занимает большое пространство в печах и установил,
что "она опускается при замене rорячеrо дутья холодным", а также показал тепловую
неравноценность различных результатов восстановления:
""Коrда восстановление железа происходит с образованием окиси уrлерода, заме
чается поrлощение тепла. Для правильноrо хода печи необходимо, чтобы руда под
ходила вполне восстановленной к той части печи, rде температура достаточно BЫCO
ка для превращения уrлекислоты в окись уrлерода при соприкосновении с уrлеро
"
дом.
Таким образом, ж. Эбельманом впервые показаны энерrетические преимущества
KocBeHHoro восстановления и желательность ero развития, а также качественное
влияние HarpeBa дутья на степень развития KocBeHHoro восстановления. При исследо
вании восстановимости руд путем их опускания в доменную печь с помощью специ
альноrо устройства он также оценил в качественной форме влияние различных фак
торов на скорость восстановления (размер кусков, температура, особенности пустой
породы, плавкость материалов и др.) и предложил брикетировать мелкие руды со..
вместно с известью и уrлем для улучшения восстановимости. Изучая восстановление
железа твердым уrлеродом, Ле..Плей [9] установил, что реакция идет не через кон..
такт твердых веществ, а через rазовую фазу путем восстановления FeO + СО == Fe +
+ С0 2 с последующим взаимодействием С0 2 + С == 2 СО.
Развивая мысль об энерrетическом преимуществе восстановления оксидов железа
rазом по сравнению с восстановлением твердым уrлеродом, л. rрюнер [9] сопоста
вил тепловые эффекты реакций восстановления и обработал анализы rаза на ряде пе
чей, в результате чеrо пришел к выводу о более экономичной работе доменной печи
при увеличении отношения в rазе содержаний С0 2 /СО. Высказанные им при этом
бесспорные соображения (см. цитату в начале rлавы) положили, однако, начало MHO
rолетней дискуссии, причиной которой была не сущность явлений, а неоднознач
ность трактовки понятий. rлавные осложнения дискуссии связаны с наличием пря..
мых и обратных связей между степенью прямоrо восстановления и расходом кокса,
не осознанным мноrими участниками и удачно раскрытыми А.Б. Шуром [58]. Итоrи
дискуссии исчерпывающе изложил А.Н. Рамм [48]:
1. Содержание принципа rрюнера заключается только в том, что расход кокса в
доменной плавке понижается по мере развития непрямоrо восстановления и что ми..
нимальный расход ero соответствует максимально возможному в данных условиях
плавки развитию непрямоrо восстановления. Так как развитие непрямоrо BOCCTaHOB
ления только один из мноrих факторов, влияющих на расход кокса, то указанное
положение предполаrает, естественно, постоянство всех друrих, кроме fd, условий
плавки (состава шихты и выплавляемоrо чуrуна, параметров дутья и т.д.).
2. Усиление непрямоrо восстановления существенно увеличивает количество теп..
ла, вносимоrо окислением уrлерода и rорячим дутьем в расчете на 1 Kr кокса. ПОЭТО
му справедливость положения rрюнера при неизменности всех друrих, кроме fd, па
раметров процесса очевидна и не может быть предметом дискуссии. Отклонения
возможны только в том случае, если какие..либо друrие параметры сами неизбежно
меняются или неизбежно должны быть изменены в таком направлении и в такой сте..
82
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
пени, что неблаrоприятное влияние их на тепловой баланс процесса перекрывает по
ложительное влияние уменьшения fd. Такими параметрами моrли бы быть темпера
туры дутья и колошниковоrо rаза. Однако современная практика не дает оснований
утверждать, что усиление непрямоrо восстановления принуждает понижать HarpeB
дутья или сопровождается повышением температуры колошника. Никто из критиков
принципа rрюнера не доказал противноrо. Поэтому он должен быть признан пра
вильным.
3. Распространенные возражения против принципа rрюнера основаны rлавным
образом на следующих недоразумениях: а) вопрос о влиянии непрямоrо BOCCTaHOB
ления на расход кокса смешивают с вопросом о возможных пределах ero развития; б)
выводы о соотношении между расходом кокса и развитием прямоrо восстановления
основывают на сопоставлении производственных данных для доменных печей, рабо
тающих в различных условиях; в) интерпретируя rрафик, выражающий зависимость
k от fd, приписывают повышению fd то понижение расхода кокса, которое в действи..
тельности обусловлено переходом к более блаrоприятным условиям плавки.
4. То обстоятельство, что по мере уменьшения полезноrо расхода тепла на 1 Kr
чуrуна и увеличения теплоотдачи уrлерода, сrорающеrо у фурм (т. е. повышения
температуры дутья, понижения температуры колошника и др.), минимально возмож
ный расход кокса k l11in уменьшается, а fd Inin возрастает, не противоречит принципу
rрюнера, так как уменьшение расхода кокса обусловлено в этом случае не усилением
прямоrо восстановления, а улучшением условий плавки, и повышение fd l11in является
не причиной, а следствием уменьшения расхода кокса.
5. Не существует таких доменных печей, для которых усиление прямоrо восста..
новления было бы желательным или целесообразным. Поэтому следует rоворить не
об ""оптимальной", а о минимально возможной в данных условиях плавки степени
прямоrо восстановления.
6. Возможное приближение к ""идеальному" ходу тем больше, чем менее блаrо..
приятны условия плавки. В таких условиях расход кокса не может быть низким, He
смотря на высокое развитие непрямоrо восстановления. Это нисколько не противо
речит принципу rрюнера, так как при меньшей степени непрямоrо восстановления
расход кокса в тех же условиях был бы еще выше.
7. Работы М. А. Павлова и друrих исследователей не опроверrли положения rрю
нера о том, что наименьший расход кокса достиrается при минимально возможной
степени прямоrо восстановления они позволили только установить, какова эта сте..
пень в различных условиях плавки.
Признавая неудачным rрюнеровский термин '''идеальный ход" (достижимый
только в неблаrоприятных условиях плавки и, следовательно, при сравнительно вы..
соком расходе кокса) и полаrая, что в некоторых случаях усиление непрямоrо вос"
становления может потребовать понижения HarpeBa дутья, М. А. Павлов не называл,
тем не менее, принцип rрюнера ошибочным, а caMoro rрюнера относил к числу трех
"'истинных творцов теории доменной плавки".
К заключению А.Н. Рамма следует лишь добавить, что среди условий плавки, оп..
ределяющих минимально возможную степень прямоrо восстановления, большое зна
чение имеет доля кокса в столбе шихты и ero физико механические свойства, KOTO
рые в совокупности со свойствами шлака формируют процесс накопления и удаления
из печи продуктов разрушения кокса ("мусора"). При низкой величине степени пря..
Moro восстановления и соответственно малом содержании монооксида железа в пер
вичных шлаках в случае непрочноrо кокса процесс удаления "мусора" осложняется.
Оценка предельных возможностей снижения расхода кокса за счет совершенство
вания процесса восстановления железа стала более конкретной после определения
83
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
составов равновесных rазовых смесей л. Беллом [59], Сан Клер Девилем [60] и их
уточнения А. Матсубарой [61] , ж. Шодроном [62] и E.r. Деречеем [63]. Позднее co
ставы равновесных смесей в широком диапазоне температур уточнили л. Даркен и Р.
rарри [64]. Соответствующие последним величины степеней использования rазов (11)
продуктов восстановления оксидов железа следующие:
Реакции 11 570 ос 600 ос 650 ос 700 ос 800 ос
FеЗО4 + СО == 3FeO + С0 2 111 0,500 0,552 0,603 0,648 0,719
FeO + СО == Fe + С0 2 1111 0,500 0,472 0,433 0,400 0,347
FеЗ04 + Н 2 == 3FeO + Н 2 О 11111 0,220 0,301 0,436 0,542 0,713
FeO + Н 2 == Fe + Н 2 О 11IV 0,220 0,239 0,272 0,299 0,340
На основе анализа самых ранних работ по определению минимально возможноrо
расхода кокса [65..67] А.Н. Рамм разработал наиболее полную методику расчета этой
величины [48], включающую установление наивыrоднейших условий восстановле..
ния Fез04 и РеО в противотоке смеси СО и Н 2 С разным отношением n == Н 2 /СО при
разном значении степени прямоrо восстановления fd (рис. 25), расчета максимально
возможных степеней использования rазов (рис. 26) и определением расхода кокса
по тепловому балансу.
а
o Fе З О 4
. ,;$
08
/
d'
I
Fе з О 4
d'
I
FезО
.l)
t::1
q, fr)
r::: с::"
Q.J 1\,)
Е: о;:
(..) ::,
с;: ::t:
=t: (:)
<.J fY)
..o
с t::: 0 , 4
::ж: с:>
Q::)C::
t::1 t..I
Q..::S
0,5
:: as
d'
d
d.
а
650 750
Температура, ос
Рис. 25. Равновесные степени использования rаза при восстановлении FеЗ04 до
FeO и FeO до Fe окисью уrлерода (а), водородом (6) и смесью 50% СО+50% Н 2 (в).
Точки с и с/соответствуют оптимальной температуре начала восстановления
FеЗ04 и максимальной степени использования rаза 11 при fd == О И 0,5
0,2
550
,
I .
а
о
Fe
8
а
650
750
550
550
550
750
Выполненные расчеты (в условиях отсутствия в шихте cbIporo флюса) показали,
что для полноrо восстановления оксидов железа непрямым путем необходимо обра..
зование большоrо количества rазов при сжиrании кокса у фурм, не характерное для
современных условий плавки. При низком расходе кокса количество образующихся
восстановительных rазов недостаточно для полноrо восстановления оксидов непря
мым путем, и часть железа восстанавливается уrлеродом кокса. Соrласно расчетам,
при выплавке литейноrо чуrуна на бедной шихте минимальный расход кокса может
составить 480 500 Kr/T чуrуна при значении минимальноrо fd == 0,06 0, 1 о. При работе
на более боrатом сырье соответствующие величины составят 380..420 Kr/T чуrуна и
0,30..0,40. Вдувание природноrо rаза снижает обе величины и делает возможным в
вариантах работы на бедной шихте приближение fd к нулю.
84
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
При оценке максимально возможной степени использования rазов в доменных
печах следует исходить из нереальности наивыrоднейшей схемы восстановления в
противотоке и уменьшить приведенные на рис. 26 величины, по меньшей мере, на
15 20 % (отн.). С учетом дополнительноrо кислорода необратимой реакции BOCCTa
новления rематита (Fе20з), происходящей до начала восстановления маrнетита, Be
личины на рис. 26 (рассчитанные для маrнетита) следует увеличить примерно в том
же отношении. Тоrда для степени прямоrо восстановления fd == 0,2 0,4 предельные
величины степеней использования оксида уrлерода и водорода можно оценить зна
чениями соответственно llco == 0,60 0,62 и llH == 0,45.. 0,50 (большие значения для
больших fd).
0,55
о q25
100
050 0,75 1
1
55
Q
t.J
t:;"
. .
....
:r:
ОЧ5
,
050
1
100 0,75
J
ЗS
"'02
I
о
2
!: d .
тт
оц
,
Рис. 26. Зависимость максимально возможных степеней использования
rазов llco и 11112 от отношения п == Н 2 /СО в исходной rазовой смеси
(числа у кривых) и от минимальной степени прямоrо восстановления
железа fd min (при Р == О, Т.е. при отсутствии в шихте двухвалентноrо
железа, не входящеrо в состав маrнетита)
Предельные величины степеней использования rазов и соответствующие величи
ны степеней восстановления оксидов железа характеризуют лишь возможности BOC
становительноrо процесса. Реальные результаты восстановления зависят от скорост..
ных характеристик (кинетики) восстановления, изучение которых начал еще в про
шлом веке ж. Эбельман (см. выше). Последующие работы этоrо направления связа
ны с изучением восстановимости различных руд и окускованных материалов, влия
ния параметров восстановительных rазов и восстанавливаемых материалов на CKO
рость восстановления. Результаты лабораторных исследований л. Белла [68], r. To
ландера [69], И.А. Соколова [70], Ф. Вюста и п. Рюттена [71], r. Мейера [72],
э. Дипшлаrа и др.[73], А.Н. Похвиснева и М.С. rончаревскоrо [74..75], r.и. Чуфарова
и др. [76 77], С.Т. Ростовцева и др. [78 79], Л.М. Цылева [80], М.М. Лейбовича [81
82] и мноrочисленные работы после 30 x rодов позволили выявить указанное влия
ние для разных материалов в основном в качественной форме. Установлено YCKope
ние восстановления при повышении температуры, количества и концентрации BOC
становительных компонентов, доли водорода относительно оксида уrлерода, давле
ния rазов, пористости материала, а также ero замедление по мере увеличения степени
85
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
восстановления материала и увеличении размера кусков. Роль друrих факторов и He
которых из указанных (в отдельных диапазонах изменения) неоднозначна.
В силу сложности взаимосвязей указанных параметров со скоростью процесса
восстановления пока не существует аналитической зависимости скорости от различ
ных факторов. Долrое время считалось, что наблюдаемое отдельными авторами раз
личие характера влияния на скорость процесса одноrо и Toro же фактора связано с
тем, что в зависимости от сочетания друrих параметров MorYT иметь место кинетиче
ский или диффузионный режимы, при которых влияние каждоrо фактора на наблю
даемую скорость процесса различно. В реальных условиях для всех шихтовых MaTe
риалов ни кинетический, ни диффузионный режимы практически неосуществимы,
вследствие чеrо противоречивость экспериментальных данных нельзя объяснить
особенностями указанных режимов восстановления [83].
К.К. Шкодин [84], изучая влияние пористой структуры аrломерата на кинетику
восстановления оксидов железа установил, что связи между суммарным объемом пор
и суммарной поверхностью не существует. При этом основная доля поверхности
приходится на мелкие поры радиусом менее длины свободноrо пробеrа rазовых MO
лекул, в которых диффузия rазов подчиняется закономерностям кнудсеновскоrо MO
лекулярноrо течения, а роль внешнедиффузионной и кинетической составляющих
незначительна. Экспериментально показано, что восстановимость материала линейно
зависит от суммарной поверхности пор, доступных воздействию восстановительноrо
rаза, т.е. таких пор, в которых при данных условиях rаз не успевает достиrнуть paB
HOBecHoro состава. В зависимости от внешних условий (температуры, давления, со..
става и расхода rаза), определяющих соотношение скоростей проuессов на поверхно..
сти пор и диффузии в их объеме, минимальный радиус пор, доступных воздействию
восстановительноrо rаза, меняется, и суммарная поверхность их составляет различ..
ную долю от всей внутренней и наружной поверхности. Влияние внешних условий
на скорость восстановления неодинаково для различных материалов и определяется
их пористой структурой.
Отсутствие в настоящее время экспериментальных данных о пористой структуре
шихтовых материалов и ее изменении в ходе восстановления и превращений MaTe
риалов в печи, а также количественных методов учета влияния структуры материалов
на кинетические характеристики восстановления серьезно осложняет задачу MaTeMa
тическоrо описания процесса восстановления и анализа влияния различных факторов
на ero протекание. Положение, однако, облеrчается тем, что среди параметров,
влияющих на скорость взаимодействия rазов с твердыми материалами, лишь некото"
рые связаны со свойствами шихты и соответственно дают индивидуальные законо..
мерности для каждоrо материала. Влияние друrих описывается общими соотноше..
ниями.
По законам химической кинетики при любых режимах процессов скорость взаи..
модействия rазов с твердым телом пропорциональна действующей концентрации
реаrирующеrо rаза, т.е. избыточной по отношению к равновесному (концентрацион
ному потенциалу). Применительно к восстановлению аrломерата и окислению уrле
рода кокса в слое линейная зависимость скорости процесса от концентрационноrо
потенциала доказана экспериментально [18, c.82 87]. Простейшим решением задачи
восстановления для слоя с экспериментальной ero проверкой показан затухающий
характер влияния расхода rаза на скорость восстановления [18, c.83 84], что исклю
чает противоречивые объяснения TaKoro характера изменения скорости изменением
внешнедиффузионноrо сопротивления, роль KOToporo незначительна.
Одним из параметров, сильно влияющим на скорость восстановления, но не под..
дающимся аналитическому учету из..за отсутствия данных об изменении структуры
86
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
материалов в ходе превращений, является степень восстановления. Попытки анали
тическоrо выражения скорости в зависимости от степени восстановления основаны,
как правило, на внутренне противоречивых допущениях, которые не учитывают
мноrообразие форм пористой структуры материалов и ее изменения в ходе их разру
шения и размяrчения при восстановительно тепловой обработке. Модели, построен
ные на такой основе, несмотря на rрубые упрощения реальности, содержат большое
количество констант, не являющихся физико химическими величинами, которые
требуется определять в ходе мноrочисленных экспериментов. Теоретические пре
имущества таких построений иллюзорны, а практическое их применение осложняет
поиск по существу эмпирических псевдоконстант, определяемых из опытных дaH
ных. В то же время мноrочисленные эксперименты с рудами, аrломератами и OKaTЫ
шами в разных условиях (например, [85]) показали приблизительно линейный xapaK
тер влияния степени восстановления на скорость. Полученные с использованием та..
Koro простоrо соотношения формулы дают обычно меньше поrрешность, чем ypaB
нения, полученные на основе теоретических предпосылок.
На основе изложенноrо и ранее выполненных выкладок [18, с. 83..84] скорость
окисления смеси восстановителей СО+Н 2 в слое оксидов железа (i}R) может быть BЫ
ражена:
* * 3
i}R== {(СО .. CO)-vсо.[l ехр( kсо/vсо)]+(Н H).vH.[I..exp(..kH/VH)]}(I Q), м/с.,
* *
[де: (СО.. СО), (Н .. Н) разности концентраций монооксида уrлерода и водорода
соответственно равновесной (*) и фактической, м 3 /м 3 ; Усо ,УН расход соответственно
СО и Н 2 на единицу восстанавливаемоrо материала, M 3 /(Kr сек); kco, k H псевдокон"
станты скорости окисления соответственно СО и Н ъ M 3 /(Kr сек), определяемые экс"
периментально для каждоrо материала с установлением их температурных зависимо..
стей: kco== f co(t); k H == fll(t); Q степень восстановления оксидов железа, Kr/Kr.
Аналоrично решается задача для rазификации уrлерода кокса смесью С0 2 +Н 2 О,
образующейся в зоне смешанноrо восстановления, с получением несколько более
сложных выражений [18, с. 85..87].
Указанные выражения содержат минимально возможное количество констант, за..
висящих от свойств материалов и требующих экспериментальноrо определения, но
по структуре адекватно отражают кинетику отнятия кислорода от оксидов железа и
перераспределения ero между СО, Н ъ С0 2 И Н 2 О. Совмещение этих уравнений с
уравнениями теплообмена и др. позволяет путем численноrо интеrрирования боль
шоrо количества небольших зон по высоте и поперечному сечению печи определять
степени восстановления оксидов железа и состав rазов в различных точках объема,
OJ
Т.е. рассчитывать для заданных внешних условии температурно"концентрационное
поле печноrо пространства. Пример результатов таких расчетов приведен на рис. 23.
Изучение реальных результатов восстановления оксидов железа в доменной печи
начал в 1837..1938 rr. Ж. Эбельман [9], который впервые показал изменение состава
rаза по высоте шахты и динамику отнятия кислорода от оксидов шихты. Данные для
одной из исследованных печей приведены в табл. 1.8.
Вычисленная по потере кислорода оксидов железа в отобранных пробах материа
лов скорость восстановления по мере опускания шихты увеличивалась, затем замед
лялась и снова увеличивалась в нижней части шахты [9, с. 154].
Полученная позднее с. Кинни кривая накопления С0 2 по высоте печи (рис. 9) по
казала характер, аналоrичный приведенному в табл. 1.8, включая и снижение С0 2 в
самом верхнем слое, которое Э. Дипшлаr [14] объяснил развитием реакции распада
монооксида уrлерода 2СО == С0 2 +С, характерным для данноrо диапазона температур.
87
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Исследования на охлажденной опытной доменной печи Стокrольмской высшей
rорной школы [86], работавшей до охлаждения с высоким расходом кокса, показали
(рис. 27) появление металлическоrо железа уже при 350 ос и полное завершение BOC
становления маrнетита при 900 ос. В области восстановления монооксида железа при
950 1000 ос имеет место некоторое замедление восстановления из за спекания, а дa
лее оно идет ускоренно и к 1200 ос заканчивается.
Таблица 1.8. Состав rаза по rоризонтам доменной печи завода Оденкур
Состав rаза, % Расстояние от поверхности засыпи, м
0,00 3,33 4,33 5,50 6,67 8,04
Уrлекислота 12,59 14,46 9,55 7,54 3,81 0,21
Окись уrлерода 25,24 23,62 28,82 30,03 34,28 36,39
Водород 6,55 7,53 5,56 4,59 4,04 1,79
Азот 55,62 54,39 56,07 57,84 57,87 61,61
Водяной пар на 100 22,7 17,0 1,47
объемов cyxoro rаза
rазообразный уrлерод 34,0 35,0 34,2 32,5 32,6 29.7
на 100 объемов азота
Избыточный кислород 19,1 22,0 16,5 12,8 9,9 3,7
на 100 объемов азота
Водород на 100 11,9 13,8 9,9 7,9 6,9 2,9
объемов азота
7.fD
!ео
,....
':2 '3
1 I
. , I
"" Fe, и fI ,
- " .
C
. \ \
. t"
\.' \
, 1\ SiDZ ,
. , \
\
.
- , ,
по
.
\ СоВ
- J \.
, ,
-
-
re .
. ..
,
-
,
- CIlD"'Si ......
- -
,
-
\
. ,
.
р 20 '10 60 80 100
.
'
.
. I
fUgт/JR 300"
Рис. 27. Диаrрамма хода процессов восстановления и плавки
в шведской опытной печи
88
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Исследования методом rоризонтальноrо зондирования двух доменных печей, pa
ботающих в разных условиях (И.З. Козлович, 193 7 1938 rr.) [87], показали большую
неравномерность восстановления по радиусу печи, соответствующую HepaBHOMepHO
сти распределения материалов и rазов. В периферийных участках при более высоком
количестве rазов на единицу шихты и больших температурах степень восстановле
ния выше, в промежуточных значительно ниже. На рис. 28 приведены усредненные
по rоризонтам исследования результаты [17], из которых следует, что по сравнению с
работой опытной печи при высоком расходе кокса (рис. 27) произошло перемещение
высокотемпературных rоризонтов в нижнюю часть печей и соответствующее смеще
ние процессов восстановления, причем полное восстановление высших оксидов в
FeO+Fe стало происходить при более высоких температурах.
,
б/ОО ct
I '.:t-
I Q:)
I tl:"{j20 215 о;:еfе2Dэ=
lС4'0 /0 ' fefеD=Зl
I (е=2,7
.
,
..
с:)
ct;:)
с:)
о)
6300
I t= 80. 2950 fe fe a d'l, 3
2.'1
I
п t 2зО. 540CFefe20
% е з 16,8 fefeO :;::963
I {е :зq2
(:::)
· ..::t
t
80Б О fе fеА =:t Н
14,б FereO =З1J6
1 fе=б5,8 с::»
,
.....,.
fеfе20з:;
fefeO =25J
fe:141
11 t= JOoo ° OOolOO tJFeFe (1 = 20
'!оса 5 18 ' fеFеО=]2.б
.... I {е =21,4'
1/1 1= 11,0° Fefe/fk=o'
1eO='2Q8
о о. {е = 7«2
/V t::2 120 o. 1300 I (е =.fиO
8380
111 t =/I45°
%С0 2 1,8
i:;
/V t f. 000 960
%COQ, а д 3
I
ОС6 tJозiJУШНhlI
1020
t::)
с::.
СУ)
""""
со
g:
ОСЬ шлано60iJ летки
ОСЬ ч '2gнной летки
c\oj
8000
ОСЬ чg2УННО{J летJ((J
а б
Рис. 28. Распределение температур и степень восстановления железа:
а маrнитоrорская руда (печь N21 Маrнитоrорскоrо завода);
б криворожская руда (печь N23 ""Запорожстали")
На печи Маrнитоrорскоrо меткомбината, вследствие более paBHoMepHoro распре..
деления материалов и rазов, а также лучшей восстановимости руды, восстановление
завершается на более высоких rоризонтах, чем на печи «Запорожсталь». Более позд..
нее аналоrичное исследование маrнитоrорских печей, переведенных на работу с ar..
ломератом в шихте и при более высокой температуре дутья, позволили Н.Н. Бабары..
кину и Ф.А. Юшину [88] получить результаты, приведенные на рис. 29 и сделать вы..
вод об увеличении степени восстановления железа в шахте.
Последующие мноrочисленные исследования печей методом rоризонтальноrо
зондирования обобщены А.А. rиммельфарбом и К.И. Котовым (наряду с собствен
ными) и сведены в табл. 1.9 [89].
89
/"""""-.
t\S
1:::(
о..
1
а.. ro
1:...
'"
::s:: о
3 б
:ё ::с
Е--- I::t
t\S О
о..
о ::S::
10..
t:::
О "'/"""""-.
/"""""-.
Е---'" Е---
ro'i:::
o..
<l) '" '--"'"
:2
о '---'"
Е:
t\S
1
<r::
а..
'---'"
ro
u
О
:><
ro
I::t
о
:><
u
t\S
о..
:><
:ё
::S::
0..t\S
<l) о..
::S::
о..
t:::
:>< >::S::
:ё
::с
r::::t: с:::: /"""""-.
::S::U
о.. о.. о
О t:::
1:::( .......
<l) -........-'
<l) о..
::Е t:::
/"""""-.:><
:ё
"---,,,о..
о
с:::: Е---
::S:: о
::с
<l) <l)
::с
се >::S::
О <l)
::с ::r
t\S <l)
t; t:::
u :><
о -- /"""""-.
се ..с
..c
::с <l)
<l) о t::
Е--- I::t.-........-'
U :ё
с:::: Е---
с:::: :><
::I: t\S
3
o..<l)
u Е---
О
.u
0\
:ё
се
t\S О
::1 t:::
::S::
t\S
Е----
.
t::: r----- 00 00 о N 00 м N
u '" '" '" '" о '" '" '" .. .. ..
м r----- I I r----- I 0\ О I \о I I \о О I
t\S
а.. 0\ 00 00 00 r----- r----- 00 0\ 0\
м О О 00 r----- о о N 0\ О 00
::s:: ... '" '" '" '" '" '" '" '" ... .. ... ... .. ...
r----- \о I I \о I \о N О r----- о N 0\ 0\ 0\ О
:r: r----- \о r----- r----- r----- N \о r----- r----- r----- r----- \о
Q
'"
8 . о о 0\ М М 0\ О о \о
о.. '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" '" .. .. '"
<l) 00 0\ r----- r----- 0\ N \о 00 r----- N О r----- N
<l) u м N М М \о N N \о
..с
Е---
1:::(
се
ro :><
1:::( 00 о
о о.. '" '" '" '"
<l) I О N 00 00 I I I I I I I I I I I I I
са N N N N
u
::S::
:><
с:::: *
::S:: 8 .......... .......... '" '" '" ........t ........t ........t ........t ........t ........t
::с N N N N N N N N N М N N N N N N N
t\S N N N
<l)
1:::(
о
u
::S:: о *
о о о о '" о N О О О О М \о М М
t:::: r----- r----- 00 м r----- r----- \о \о r-----
\о
........-4
с::::
..с
r----- 00 N О О О О О О r----- о м \о О
1:::( r----- 0\ r----- r----- \о м r----- r----- м \о \о N О
....... О О О О О
:>< r----- 00 00 а- ........t 00 0\ r----- 0\ 00 00 00 00 ........t
ro
t\S
о \о О О 0\ О О О
t::: 00 М М N О М N 00
\о 00 0\ N 0\ М М О r----- r----- N 00 r-----
<l) r----- \о \о r----- \о \о 00 v r----- 00 r----- r-----
Е---
'"
Е---
'"
о
« « <r:: <r:: о <r:: +
« <r:: <r:: а.. '" с... с... с... « «
'" <r::
'" '" '" '" '" '" <r:: '" '" .. .. ..
а.. >::S:: >::S:: >::S:: >::S:: >::S:: '" '" '" '" ..с О О О О О
'" '" '" '" <r::
::s:: ::s:: ::S:: ::S:: ::S:: '" '" '" '" '" 1:... 1:... 1:... 1:... 1:...
..с ..с ..с ..с '" >::S::
@ @ t\S >::S:: '" О О О О О
u u u u u t\S t\S Е--- ::S:: ::S:: >::S::
'" о.. о.. о.. о.. о.. u ::S:: u u u u u
1:::( Е--- Е--- Е--- Е--- ::Е ::1 се се се се се
О О О О О О u u u u ::1
се 1:... 1:... 1:... 1:... 1:... ::Е ::Е ::Е ::Е о <l) <l) u О О О О О
О О О О О о.. t::: ::с о.. о.. о.. о.. о..
t\S Е--- Е--- Е--- Е--- Е--- О О О О се ::S:: Е--- Е--- Е--- Е--- Е---
М ::s:: ::s:: ::s:: ::s:: ::S:: о.. о.. о.. о.. о о ::S:: <l) <l) <l) <l) <l)
о о о о се t::: t: t: t: t:
::с ::с ::r: ::с ::с t::: t::: t::: t::: ::S:: <l) о с:::: t:
1:... 1:... 1:... 1:... 1:... о.. о.. се
t\S t\S t\S t\S t\S t\S t\S t\S ro . . . . .
:Е :Е :Е м м м м <l) о <l)
... ... ... ... ... :т :r: :т ::S:: ::S:: ::S:: ::S:: ::S::
... ... ... ... ... 1"").
Е---
...........
:Е
I
*
90
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
о
0,4
Со(JеРЖOJfuе серы, О/О
0,6 0,8 О ll5 tO
n
t5
в
I
2
4
.
.
.
.
ё
.
.
11
111
16
JV
18 20 40 БО 80
cтeпeH6 60сстано6леНU/t %
.
.
.
.1
о 10 20 зо
Со6ержанuе ОJf.uсло6 6 шлаlfе., %
Рис. 29. Изменение состава материалов по высоте печи:
А маrнитная проба; В немаrнитная проба
Анализ приведенных материалов позволил установить, что решающее значение в
изменении степени восстановления в шахте имеет не восстановимость материалов, а
количество восстановительных rазов на единицу материала и равномерность их pac
пределения по сечению печи. По этой причине на доменных печах Новолипецкоrо и
Череповецкоrо комбинатов, работающих с более низким расходом кокса, степень
восстановления в шахте меньше, но интенсивнее идет восстановление в нижних BЫ
сокотемпературных rоризонтах. В еще большей мере процессы восстановления CMe
щены в нижние высокотемпературные rоризонты на исследованных после охлажде..
ния доменных печах Японии, работавших с низким расходом кокса [45]. Влияние же
собственно восстановимости тем отчетливее, чем меньше ее обратная связь с проч..
ностью И друrими попутными свойствами материалов.
Указанные закономерности подтверждаются и по анализу материалов охлажден..
ной доменной печи Енакиевскоrо завода объемом 426 м 3 , работавшей перед OCTaHOB
кой с производительностью 328 т/сутки, расходом кокса 920 Kr/T при выходе шлака
790 Kr/T и температуре дутья 480 ос [90]. Ход восстановительноrо процесса приведен
на рис. 30, а на рис. 31 показан характер изменения скорости восстановления при
различном количестве rазов на единицу шихты в разных вертикалях и кольцевых ce
чениях.
При избытке восстановительноrо rаза наблюдается некоторое замедление CKOpOC
ти восстановления в шахте с последующим ускорением в нижних rоризонтах и BTO
ричным замедлением в области спекания материалов. При недостатке fаза восста..
новление замедлено по всей высоте шахты и ускоряется лишь в заплечиках. Авторы
исследования и.д. Балон, И.з. Буклан, В.Н. Муравьев, Ю.Ф. Никулин обнаружили
91
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
различный характер протекания восстановительноrо процесса в кусках извлеченных
материалов. В аrломерате и окатышах с хорошо развитой пористостью он ближе к
ступенчатому, т.е. последовательный переход по высоте печи Fе20з FеЗО4 FeO
Ре мет почти во всем объеме куска. В рудах и друrих менее пористых материалах xa
рактер восстановления ближе к зональному, Т.е. более высокая степень восстановле
ния поверхностноrо слоя, вплоть до Fe MeT , и меньшая в центре куска.
f 1 , tf
., /"
,
-
3 Х
Q , Fe 3 + ,/ , , re z ...
/
/" ,
J 5
I
J I 7
" 9 I
20
5 .... 11
13
7 . .1
15 ,
.10 ,
9 17
,
,
11 "О 19
2!
:::s '.
fj 50 23
25
60 О
15 А:. \'\I' ' '_ F МIIII.,
", . \\,..; 70
17
80
19
21 90
23
2'1
100%
20
"10
оО
80
100
" %
Рис. 30. Изменение средневзвешенной степени восстановления (11) (а)
содержания Fе З +, Fe 2 +, Fe MeT (6) и линий равной степени
восстановления по высоте печи (в)
в работах К.М. Буrаева [91] , В.Д. Канфера и В.Н. Муравьева [92] показано также,
что ступенчатость восстановления развита тем больше, чем меньше расход BOCCTaHO
вителя и больше степень ero использования, т.е. преимущественно в зонах с высокой
рудной наrрузкой.
92
J. Развитие технолос">ии lf познание I1роцеССО6
f
w,1# м
Рис. 31. Изменение скорости восстановления по высоте печи при работе
с избыточным (а), промежуточным (б) и недостаточным (в) удельным
количеством rаза
-
Механика противотока, размяrчения и плавления
Двuжеlluе .JllllllеРUllлов
Хотя явления опускания материалов в противотоке с rазом наиболее ""наблюдае..
мы" при оперативном управлении плавкой, их систематическое исследование и на..
учный анализ начались позднее, чем изучение друrих процессов, а в первых учебни"
ках по металлурrии они отражены в виде общих соображений [9].
Опускание столба шихты в доменной печи происходит под действием ""активноrо
веса", представляющеrо собой rравитационные силы кусков шихты, ослабленные
трением о стены и противодавлением поднимающихся rазов. Оно обусловлено OCBO
бождением объемов в областях выrорания кокса у фурм и окисления уrлерода до
фурм, а также плавления материалов и их уминки.
Доля ""активноrо веса" от общеrо веса столба составляет 40 45 % при движущейся
шихте [93] и 1 0 20 % при неподвижной [94 95]. Различие обусловлено меньшим зна
чением коэффициента трения движущеrося столба. Результаты работ В.К. rрузинова
[96], В.А. Сорокина и Н.Н. Попова [93] показали, что наибольшая работа трения им е..
ет место в шахте и потому целесообразно ее уменьшить путем увеличения диаметра
распара.
Для оценки вертикальноrо давления до определенных пор использовалась форму..
ла r.A. Янсена [97], в ходе преобразования которой делались допущения о постоя н..
стве потерь давления rазов, коэффициента трения о стены и боковоrо давления по
высоте печи [98 99], которые не соответствуют результатам экспериментов [95, 96,
1 oo 102]. Еще сложнее оказалась оценка влияния вертикальноrо давления столба
шихты на ее движение. Выводы из работ [94 96] о необходимости повышения "aK
тивноrо веса" столба шихты за счет увеличения уrла наклона заплечиков не подтвер
дились на практике [103, 104].
93
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Исследованиями И. Робертса [105], опубликованными еще в 1882 rоду, YCTaHOB
лена независимость вертикальноrо давления от высоты столба после превышения ею
двух диаметров днища. Это соответствует развитым М.М. Протодьяконовым [106]
представлениям об образовании устойчивых параболических сводов, которые BOC
принимают наrрузку от вышележащих слоев, в результате чеrо давление на плос
кость выпускноrо отверстия определяется весом лежащеrо под сводом сыпучеrо Ma
териала. Первое количественное описание этих процессов, выполненное r.M. Мала
ховым [107], применительно к истечению из одноrо отверстия, и исследование дви
жения материалов в бункерах показали, что в слое над отверстием образуется эллип
соид разрыхления, параметры KOToporo определяют давление на днище.
Развитие этих представлений применительно к доменной печи в работах Б.С. Фи
алкова, В.К. rрузинова и др. [103, 1 08 111] показали их плодотворность в объяснении
явлений движения материалов в реальных arperaTax.
При истечении сыпучеrо материала через отверстия, которыми применительно к
доменной печи являются фурменные очаrи, над ними образуются эллипсоиды раз
рыхления, которые пересекаются между собой, начиная с HeKoToporo rоризонта,
обычно соответствующеrо распару верху заплечиков. При этом, чем больше OTBep
стий (фурм) и больше их размер, тем ниже rоризонт пересечения. В объеме эллип
соидов наблюдаются большие rрадиенты скоростей частиц и вследствие этоrо наи
большая порозность материала, причем размеры эллипсоидов стабилизируются и
становятся независимыми от времени. Выше эллипсоидов разрыхления в шахте и в
центральной малоподвижной зоне ropHa движение частиц безrрадиентно слои дви"
жутся параллельно самим себе. В таких условиях опережение менее плотных мате..
риалов более плотными невозможно, если не считать просыпи мелочи между круп..
ными кусками. Результаты экспериментов, полученные на модели доменной печи
при выпуске материалов через несколько отверстий (рис. 32), и выявленные при этом
закономерности позволили авторам разработать расчетную схему для анализа влия"
ния факторов на поле скоростей движения материалов.
..
.,
Рис. 32. Перемещение окрашенных слоев в модели при одновременном выпуске
сыпучеrо материала через несколько отверстий
94
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Некоторые результаты расчетов иллюстрируются на рис. 33. Из них следует, что
увеличение числа выпускных отверстий способствует возрастанию скоростей движе
ния кусков при понижении высоты эллипсоидов равных скоростей и наклоне их осей
к оси печи, причем rрадиенты скоростей движения кусков уменьшаются. При неиз
менном rрадиенте движения частиц с увеличением скорости встречноrо потока rаза
порозность слоя снижалась [111]. Полученные в работе [1 12] противоположные pe
зультаты авторы [111] объясняют особенностями выпуска материалов из модели
[112] и псевдоожижением в ней слоя. Результаты работ [110, 111] находятся в xopo
шем соответствии с обстоятельными экспериментальными данными л.з. Ходака и
ю.и. Борисова, полученными на модели доменной печи объемом 1386 м 3 в масштабе
1 :20 и приведенными на рис. 34 36 [1 [3].
Аналитические и экспериментальные исследования [110 113] позволили выявить
основные закономерности движения материалов в доменной печи.
Наибольшие давления материалов наблюдаются в центральной зоне, наименьшие у
периферии, т.е. более разрыхленной части движущеrося и расширяющеrося к низу
столба. В областях, прилеrающих к зонам истечения материалов (фурменным оча
raM), давление падает, достиrая минимума у осей истечения, и увеличивается по Ha
правлению к центральной малоподвижной зоне (рис. 34). Перемещение материала
(рис. 35) происходит вертикально в центре и вдоль стенки у периферии, а в проме
v
жутке по вертикальнои траектории с rоризонтальным сдвиrом по мере расширения
шахты. В нижней части шахты происходит искривление траекторий, связанное с при
ближением фурменных очаrов (у периферии) и малоподвижноrо конуса (в центре).
Поле скоростей движения материалов под действием фурменных очаrов (рис. 36) ха..
рактерно равномерным замедленным движением в шахте по всему сечению и тормо"
жением самых периферийных и центральных слоев по мере приближения к распару.
Далее происходит резкое ускорение движения кусков в область эллипсоидов разрых..
ления и замедление в центре ropHa. При наличии настыли происходит сложное ис..
кривление поля скоростей по всей высоте. Более сложная картина движения, близкая
к реальной, наблюдается при наложении на скорость расходования материалов в
фурменных очаrах скорости расплавления железорудной части, имеющей заданные
v
очертания в rоризонтальнои плоскости.
Первое экспериментальное исследование движения материалов в доменной печи
выполнено в 1923 1929 rr. с.п. Кинни [114]. Установлена неравномерность опуска
ния шихты по сечению доменной печи объемом 700 м 3 . У периферии над фурмами
скорость опускания составила 70,6 мм/мин, а в центре печи 53,3 мм/мин. Наиболее
быстро материалы опускались над чуrунной леткой 80,3 мм/мин. Дальнейшие ис..
следования на разных доменных печах уточнили особенности опускания шихты в
различных условиях и при разных параметрах заrрузки, а фундаментальное изучение
механизма перемещения материалов по высоте доменной печи принадлежит И.r. По..
ловченко [115].
Исследование проведено на доменной печи объемом 1386 м 3 путем опускания aM
пул с радиоактивными изотопами на колошник и реrистрации их прохождения по
высоте печи на разном расстоянии от стен. Использовали ампулы двух видов, имити
рующие кокс и аrломерат. На рис. 37 показана схема rоризонтов исследования и Tpa
ектории движения "кокса" и "аrломерата". Движение кусков у периферии характерно
отклонением от вертикали к центру на самом высоком rоризонте шахты и после..
дующим отклонением к периферии на всех rоризонтах вплоть до распара.
При этом куски "кокса" и мелкой фракции "аrломерата" оттесняются к периферии
больше, чем крупные куски "аrломерата". Материалы в центре печи движутся верти..
кально.
95
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
0;3
0,8
2;2 1 /,4 /Л p ;2 002 013 /{) 1,4 1,8 22 а
0;3
0,8
б
22 1,8 1,4 1Л p ;2 О 0;2 013 1Л 1,4 1,8 2;2 а
2;2 lД 1,4 1{) р ;2 00;2 013 1{) 1,4 1,8 2;211
ь
0{)7
0{)5
0{)3
ОЛ2
ОРВ
0,/4
0)2
О)
0.1
ОЛ5
O{J,J
ОР2
ОЛ15
ОЛ]
0,005
1,8 1,4 1Л p ;2 О 02 013 1Л 1,4 1,8 22 а
Рис. 33. Сечение вертикальной плоскостью поля равных скоростей движения
частиц к выпускным отверстиям. Число выпускных отверстий N: а 2; б 4;
в 6; 2 9; д 12; е 18. Цифры у эллипсоидов значения отношения (ОА / (00
96
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
11, , M II,N
J'/J/J Il,.?
'1 и
t!J/1
J t!/lD
f/,6
l.f/J
IJ,1 11,7
/l,o Jl
J"lJ / \ 11,0'
'1JJ
/{,}
7
/
0,17
\
V
Jl.f
21J
11,,1
/1,J
1/15
0,5
Il,f
,"
,
t
1/
l/иIIlCHU If, /1, Z/CMZ
Рис. 34. Изменение вертикальноrо (q) и rоризонтальноrо (р) давлений и
расположение изобара в модели доменной печи, а также изменение
коэффициента BНYTpeHHero трения (а) и коэффициента боковоrо
давления (6) при движении частиu в объеме модели доменной печи
97
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
а о 6
О , ,о r
,
I J 6 18 о
о
о
о
10 о
....
20
t:::i
30
1;0
J"O
50
70
7.1
...... /
1 2 j * s 15 10 17 18 /9
.7.f.2\ 7 5 f 85,7 7/,5+ 75.S.
B 7 77,2 82,Z 7J; 7/,3
8j7ChH !J,roua mO'lcHdJOH!/ ЦUjlн!/ляцuu,J'fu/t
Рис. 35. Траектории и продолжительность опускания частиц в модели
доменной печи при чистом профиле (а) и при искаженном
одностороннем (6) или кольцевой настылью (в)
98
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
о
б
ь
1,0
O>J"""/
O
Рис. 36. Линии равных скоростей при опускании столба материалов в модели
доменной печи с чистым профилем (а) и искаженным односторонней (6) или
кольцевой настылью (в), значения скоростей даны относительно средней
скорости на колошнике
Скорость опускания поверхности колошника в разных точках составляет от 65 до
167 мм/мин, а при выпуске чуrуна достиrает в некоторых точках 534 мм/мин. Мини
мальная скорость движения материалов наблюдается у стен в зоне шириной 700
800 мм, что обусловлено трением, а максимальная в промежуточной зоне (600
1000 мм от проектноrо профиля), иноrда в центре. Изменение скорости движения
материалов по высоте печи характеризуется данными табл. 1.10.
По всей высоте шахты вплоть до распара скорость материалов уменьшается, а по
мере расплавления железорудной части и приближения к фурменным очаrам в рас..
паре увеличивается. При этом рудная часть начинает опережать кокс. При выпуске
99
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
tc-
I Zoпll-3. 4 S
r i .
.
.
l
, ".
. . "0 " · O
,,,.. . n
(t ".'; 1 '. . 't
1,' '111' t.. t
"h ' l'
: '}., с
» ." i .-
,". ' ." J 6500 ".,..
,; -. l;'L
'11 "..: .... c'\:t
7,. ; i
..r.....
. "/I' '"h' ......... .... .
." t ,
. i
I
.) .,
,
1 lOplM.t 2804{)
""""'-t
I
'""'=t1
Рис. 37. Траектория движения кусков "кокса" и "руды" в периферийной
и осевой зонах рабочеrо пространства печи: 1,2,3,8,9 и 1 О траектория
движения кусков "кокса"; 4,5,6 и 7 траектории движения кусков "руды"
(в опытах 9 и 10 rрафитовые ампулы "кокс" вводились В осевую зону
печи через фурму N29)
100
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
чуrуна ускоряется движение в точках с максимальной скоростью движения, а после
выпуска в этих точках скорость движения минимальна из за уплотнения материалов.
Последующие наблюдения и.r. Половченко показали также [116], что с ростом ин
тенсивности плавки увеличивается разрыхленность столба и ero rазопроницаемость.
Результаты этих наблюдений подтверждаются мноrими друrими авторами.
Таблица 1.10. Средние скорости опускания материалов в доменной печи [115]
Скорость движения кокса Скорость движения
Расстояние аrломерата
N2 между ro
относи.. относи
rоризонта ризонтами, тельно тельно
м м/час -.J м/час -.J
среднеи на средне и на
колошнике колошнике
1 ]1 4,40 7,092 1,101 6,602 1,134
11 111 3,37 4,756 0,740 3,988 0,612
111 IV 5,40 3,424 0,719 4,169 0,769
IV V 2,57 2,388 0,357 4,476 0,616
Y YI 5,20 2,81 О 0,394 4,959 0,609
в более поздних исследованиях на охлажденной доменной печи Енакиевскоrо
метзавода [90] путем закладки радиоактивных изотопов перед остановкой печи на
разных rоризонтах установлено снижение средней скорости опускания материалов
по мере движения от колошника к ropHY: от 150 до 50 мм/мин в центре (9..3 м/час); от
120 до 40 мм/мин в средней части радиуса (7,2..2,4 м/час) и от 80 до 35 мм/мин у пе..
риферии (4,8..2, 1 м/час), что качественно соответствует результатам предыдущих ис..
следований.
FаJОolиеханuка
По мере увеличения интенсивности доменной плавки и скоростей rазов в столбе
шихты все большее значение приобретали вопросы проницаемости кусковых MaTe
риалов и противодавления rазов.
В начальный период изучения rазомеханики слоя сыпучих материалов использо
вали соотношение вида:
др == A.i}B,
rде: др потеря давления в слое, Па; i} .. скорость rаза (при фактических температуре
и давлении), м/сек; А, В характеристики слоя.
Таким соотношением при В==2 пользовался F. С. Zeipberg [117], изучая потери
давления при прохождении rаза через пористую среду (1919), позднее Л.Н. Рамзин
(1926) [] 18], а применительно к материалам доменной плавки С.С. Furnas (1929)
[119], М.А. Шаповалов (1935) [120] и друrие исследователи. Однако еще в 1883 rоду
О. Reynolds [121] на основе теории подобия показал, что характер движения rаза оп..
ределяется безразмерным параметром, впоследствии названным критерием Рей..
нольдса:
Re == i}.d.y /(ll.g),
rде: d характерный линейный размер rазовоrо потока, м; у плотность rаза при
фактических температуре и давлении, Kr/M 3 ; 11 коэффициент динамической вязко
сти, Kr.ceк/M 2 ; g ускорение свободноrо падения, м/с 2 .
101
J. Развитие технолос">ии lf познание I1роцеССО6
На основе этоrо подхода Н.М. Жаворонков [122] при изучении rазомеханики Ha
сыпных насадок использовал аналоr уравнения Дарси Вейсбаха (для движения rаза в
трубах), наиболее адекватно описывающий потери напора турбулентноrо потока в
слое:
Др == f ел . 'б 2 . у. h /(2.g. d KB) , кПа,
rде: f ел коэффициент сопротивления; h высота слоя, м; d ЖВ эквивалентный
диаметр каналов между частицами сыпучеrо материала, м; величина KOToporo опре
деляется по выражению: d экв == 4. Е / S, rде: Е порозность слоя, м 3 /м 3 ; S поверхность
частиц в единице объема слоя, м 2 /м 3 .
Коэффициент сопротивления слоя является функцией числа Рейнольдса вида:
f ел == f M / Re l11 ,
rде: III == 1 при ламинарном режиме движения rаза (Re < 50), m == О при турбулент
ном режиме (Re > 7000) и m == 0,1 0,2 при неустойчивом турбулентном режиме (250 <
Re < 7000) [122, 124], а величина [ м отличается для разных режимов движения rаза и
материалов слоя [96, 112, 120, 122 127]. Режим движения rаза при 50 < Re < 250 М.А.
Стефанович назвал переходным [124]. Раскрытие выражения для потерь напора пу
тем подстановки f ел и d экв , а также зависимостей параметров rаза от средних темпера
туры (Т, К) и давления (р, кПа), дает:
Др == [ М . 'бо2 111. Yol 111 .11111. Т . sl+l11. h / (gl l11. Р . Е 3 ), кПа,
причем величина f'f включает не только значение, связанное с rидравлическим со..
противлением, но и все константы, использованные в ходе преобразования уравне..
ния, а скорость 'б о и плотность rаза Уо приводятся при нормальных условиях (ООС;
1 01,3 кПа) для условно пустой шахты.
Приведенное выражение отражает влияние различных факторов на потери напора
в слое. В отличие от слоя, столб шихты, как показал В.М. Щедрин [126], отличается
соизмеримостью величины потерь напора со средним давлением rаза. В силу этоrо
rрадиент давления по высоте столба, в отличие от слоя, неодинаков. За счет больше..
ro давления у входа он меньше, чем у выхода, а за счет большей температуры
больше, в результате чеrо распределение давления по высоте близко к линейному.
Методика расчета потерь напора в столбе материалов доменной печи с учетом про
филя разработана А.Н. Раммом [48, c.l07 113]. Она позволяет принципиально oцe
нить влияние различных факторов и допустимые пределы форсирования плавки, oд
нако не учитывает изменение состояния материалов по высоте и их rазопроницаемо
сти. Последнее возможно в рамках комплексной модели процессов в доменной печи.
М.А. Стефанович [124] на основе обработки результатов исследований С.П. Кин"
ни для четырех rоризонтов шахты [114,128] определил значения критерия Re в пре..
делах 80..2000, что соответствует переходному и неустойчивому турбулентному ре..
жимам движения rазов. Область переходноrо режима при Re < 300 (рис. 38, заштри
хована) занимает в нижней части шахты до 70% сечения, в котором наблюдаются
максимальные рудные наrрузки. В зонах пониженных рудных наrрузок имеет место
неустойчивый турбулентный режим движения rазов. Показана целесообразность
расширения области неустойчивоrо турбулентноrо режима ввиду более paBHOMepHO
ro распределения rазовоrо потока по сечению. Это достиrается увеличением расхода
дутья и выводом мелких фракций из шихты. Вывод иллюстрируется работой одной
из Маrнитоrорских печей на аrломерате с повышенным давлением rаза. На этой печи
режим движения rаза по всему сечению неустойчивый турбулентный (Re > 600), а
распределение ero по сечению более равномерное.
При изучении влияния давления в рабочем пространстве печи на rазомеханику
плавки М.А. Стефанович [124] установил, что величина допустимоrо увеличения
102
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
расхода дутья при повышении давления зависит от выбора rоризонта, на котором
предполаrается сохранить исходный (до повышения давления) перепад давления в
столбе: чем выше расположен этот rоризонт и меньше величина давления, тем боль
ше возможное увеличение расхода дутья и интенсивности плавки.
Q:
(::)
с)
"
"::,
::::..
::J
/.
,,1'
"
'ь '"'
:
(.:)
с:
-::::,
.....
OQ
Q,
:::s
I
12 I
10 I
8
б
"
2
О
Рис. 38. Режим движения rаза в доменной печи
при работе на мелких рудах
16S00
8000
600
'1000
2000
8000
6000
11000
2000
О
1
,
Положение указанноrо ""определяющеrо" rоризонта зависит от относительной
'u
проницаемости различных зон печи: улучшение прочностных своиств сырья И кокса
и их rазопроницаемости в шахте способствуют перемещению "определяющеrо" [o
ризонта в нижнюю часть печи, а снижение количества шлака и увеличение ero под
вижности при высокой проницаемости коксовой насадки в высокотемпературной об
ласти перемещению этоrо rоризонта в верхнюю часть. Таким образом, в KOHKpeT
ных условиях плавки возможности добавки дутья при повышении давления зависят
от положения "определяющеrо" rоризонта и тем выше, чем ближе этот rоризонт к
Z/
о
5000
"000
JOOO I
п"'п r1 -- -- ...... .".
"uv 1"" 01 '-."
/000
1125
20
I ,1$
..... . 1 10
5
О
.
I
1000
800
600 ..
ilOO 1V
2lJO'
о J 2 I О I 2 J
Ра.сстояние о оси печи, м
103
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
уровню засыпи. Указанные возможности и характер изменения перепадов давления
иллюстрируются результатами расчетов для трех случаев (рис. 39).
160
140
120
...
100
О
;t 140
...,;;,
.....,
120
с
100
......
.....,
80
..с
О
140
с
120
0..,1 О О
80
а
0,5 1,0
1.5
20
,
б
0,5
1.0 1,5 2.0
}le. Ф
}lcp в
60
О 0,5 1 1 5 2,0
Да.влеНll р WОЛОlllНll h"'овоео
еа.за., а.lп
Рис. 39. Изменение потерь напора при увеличении расхода дутья (Qпов./Qоб)
с повышением давления колошниковоrо rаза: а при постоянных потерях
напора под уровнем засыпи (Ь н . у == const); б при постоянных средних в
печи потерях напора (Ь ср == const); в при постоянных потерях напора над
fОРИЗОНТОМ фурм (h в . ф == const)
с.с. Furnas [119] при изучении rидравлическоrо сопротивления смеси материа
лов установил, что сопротивление смеси всеrда больше сопротивления рассортиро
ванных по фракциям материалов, если отношение размеров фракций не превышает 2,
коrда мелкие материалы заполняют пустоты между крупными. Указанное положение
относится к идеализированному случаю и применимо лишь для оценки порозности
слоя, а не общеrо сопротивления, зависящеrо также от изменяющейся поверхности
трения. В опытах М.А. Шаповалова [120] при доле мелкой фракции в смеси менее
25 % имело место уменьшение потерь напора относительно рассортированных мате..
риалов, что объясняется уменьшением поверхности трения и дополнительноrо со..
противления при переходе из узких каналов в широкие на rраницах слоев. При см е..
шивании фракций может изменяться также режим движения fаза [124]. В этом слу..
чае повышение турбулентности потока и соответствующее уменьшение коэффициен"
та сопротивления [122,124] способствует снижению потерь напора в слое.
104
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
В исследованиях В.К. Дурнова [112] установлено увеличение порозности движу
щеrося слоя по отношению к неподвижному, что соответствует результатам работ
Б.С. Фиалкова и др. [11 О, 11 ]] с тем лишь различием, что в последних показано влия
ние не абсолютной скорости слоя, а rрадиента скорости частиц. Увеличение скорости
фильтрации rаза через слой в большинстве исследований [110, 111, 124, 129], в OT
личие от [] 12], уменьшало rазопроницаемость в результате изменения ориентации
кусков в направлении более плотной их укладки и захвата крупных частиц, задержи
ваемых вышележащими кусками. Показано [112], что в конусных шахтах потеря Ha
пора меньше, чем в цилиндрических.
Применительно к реальным условиям доменной плавки основные уравнения ra
зомеханики анализировались и уточнялись в мноrочисленных работах [130 137],
причем, rлавным образом, в форме, предложенной S. Ergun [129]. Используя такую
форму уравнения Я.М. rордон и В.С. Швыдкий [39, 42, 138] разработали методику
расчета полей скоростей и давлений rаза в шахтных печах. Результаты расчетов, про
веренные на физических моделях, показали наличие TpexMepHoro движения rаза в
прифурменной области, которое на некотором расстоянии выше фурм переходит в
двухмерное, а в области распара в одномерное. Направление составляющих CKOpO
сти в нижней области радиальное, вверх и аксиальное, в средней области ради
альное и вверх, а в шахте только вверх. Одномерность движения rаза в шахте озна
чает лишь однонаправленность скорости и относительное равенство ее значений по
сечению шахты. Однако количество rаза в различных участках поперечноrо сечения
зависит от проницаемости шихты. Высота зон зависит от параметров ввода rаза и со..
ставляет: TpexMepHoro движения 0,57 +- 0,63 радиуса ropHa, двухмерноrо 1,0 +- 1,2
радиуса ropHa.
При увеличении количества фурм высота указанных зон уменьшается, причем зо..
на TpexMepHoro движения rаза сокращается быстрее и может достичь уровня фурм.
При уменьшении диаметра фурм и расстояния их от уровня расплава существенно
сокращается зона двухмерноrо движения rаза, а величина высова фурм влияет экс"
тремально и имеет оптимум. Наиболее рациональный наклон фурм к rоризонту 15
+- 25 rрадусов. Одномерное движение rаза в шахте несколько деформируется накло
ном стен: чем больше они отклоняются от вертикали, тем больше скорость rаза у
стен по отношению к центру.
Экспериментальное изучение rазомеханики доменной плавки впервые предпри
нято С.П. Кинни [114,128], измерившим скорости rазов по радиусу на четырех rори
зонтах печи (рис. 40). Хотя абсолютные значения скоростей завышены (от 14 до
137 м/с) в силу особенностей измерения напорными трубками в плотном слое и yc
ловностью учета "свободноrо" сечения слоя, качественная картина распределения
скоростей rаза отражена отчетливо: высокая неравномерность у поверхности засыпи
сrлаживается по мере опускания, достиrая минимальных величин неравномерности к
третьему rоризонту, rде в основной части сечения скорость составляет 35..36 м/с,
увеличиваясь лишь у стен до 79 м/с. Средняя скорость rаза оказалась наибольшей на
втором rоризонте (49,7 м/с), а наименьшей на четвертом (26,4 м/с).
В работах [139 141] скорость rазов определяли по времени их пребывания в печи,
которое измеряли путем ввода радона в фурменный очаr и фиксации радиоактивно
сти rаза у поверхности засыпи. Время пребывания rаза у периферии составляло
1 3 с, а в центре 3 9 с. Ф.Ф. Колесанов [141] оuенил время пребывания rаза у пери
ферии величинами 1,7 2,7 с и определил скорости ero движения в 24 38 м/с, причем в
нижней части больше (31..61 м/с), а в верхней меньше (22 24 м/с), допуская в расче..
тах на основе своих исследований, что путь rаза втрое больше высоты столба, через
который он фильтруется.
105
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
1
11
2000 2000
1000 1000
lf[
2000
1000
2000
1000
60
50
l,o
зо
20
10
О
Рис. 40. Распределение скоростей rаза по сечениям
доменной печи (по данным Кинни)
Наиболее обстоятельные исследования времени пребывания rазов в печи выпол
нены на Череповецком меткомбинате Л.А. Бялым и др. [142, 143] с использованием
методов индикации rелием и ртутными парами. Результаты определений обоими Me
тодами оказались близкими и показали следующие величины времени пребывания
rазов в печи (с): у периферии 4,8..7,6; в rребне 10,0..11,7; У оси: 6,6..9,6; в сред..
нем по сечению 7,4..9,8. Конфиrурация кривой времени пребывания rазов по радиу"
су печи аналоrична конфиrурации кривой содержания С0 2 в rазе, однако однознач..
ной связи между ними нет, так как они характеризуют разные проuессы и должны
использоваться для управления в комплексе с друrими параметрами. Для определе..
ния скоростей rаза по радиусу печи необходимо задать длину ero пути в разных
кольцевых зонах столба шихты, что связано с необходимостью некоторых допуще
ний. С целью прямоrо контроля скоростей rаза в столбе шихты в уrпу упи разра
ботан импульсный термоанемометр [39], с использованием KOToporo проведен KOM
плекс исследований на доменных печах. Исследованиями установлены максималь
ные скорости в средней части радиуса (8 12 м/с), что подтверждается результатами,
полученными с помощью специальной пневмометрической трубки в работе [11 О] и
объясняется влиянием совпадения проекций зон плавления с эллипсоидами разрых..
ления у фурм. К.М. Буrаев [91] определял количество rаза в различных участках по..
перечноrо сечения методом индикаuии локальных струй. В качестве индикатора ис..
пользовался радиоактивный Kr 85 в смеси с азотом. Подавая постоянное количество
v
индикатора сизвестнои радиоактивностьК) и измеряя радиоактивность ero смеси с
106
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
печным rазом, устанавливали расход печноrо rаза. Кривая относительноrо расхода
rаза по сечению была синхронна кривым содержания СО и температуры, однако не
повторяла их.
Выполненное нами в работе [24] изучение особенностей rазомеханики доменной
плавки при обоrащении дутья кислородом с вдуванием природноrо rаза показало
снижение BepxHero и нижнеrо перепадов давления rазов и увеличение пропускной
способности столба шихты по rазу. Это обусловлено повышением скорости опуска
ния кокса в фурменные очаrи и соответствующим разрыхлением коксовой насадки
при увеличении rрадиента движения кусков [110], а также уменьшением температур
rаза в шахте печи. Сопоставление данных различных опытов показывает, что при
применении комбинированноrо дутья (кислород + природный rаз) интенсивность
плавки по rазу изменяется в зависимости от расхода природноrо rаза на единицу ки
слорода. Чем этот показатель меньше, тем больше "свободноrо" кислорода (идущеrо
на сжиrание кокса) поступает в печь в единицу времени, что обусловливает увеличе
ние интенсивности сжиrания кокса и повышение теоретической температуры rope
ния. Первое способствует увеличению разрыхленности столба шихты в нижней части
печи, а второе.. снижению температур в шахте и смещению вниз пластической зоны
с уменьшением ее высоты. Это позволяет увеличить интенсивность плавки по rазу.
и, наоборот, чем больше расход природноrо rаза на единицу кислорода, тем меньше
кислорода идет на сжиrание кокса и тем меньшими получаются интенсивность плав
ки по коксу И теоретическая температура rорения. Это способствует снижению ин
тенсивности плавки и по rазу. С повышением температуры дутья верхний перепад
давления уменьшался, а нижний (как и общий) увеличивался.
Рассмотренные работы по rазомеханике доменной плавки относятся, rлавным об
разом, к процессам в столбе твердофазных материалов (шахта доменной печи). Спе..
цифика противотока в зонах размяrчения и плавления рассмотрена в последующих
разделах настоящей rлавы.
Из.:tlенеlluе фllJовО20 соспlОЯIIUЯ .JIllпlepulL1oB
в учебнике К. Карстена (1816) отмечаются известная с древних времен необхо..
димость добавки основных оксидов (СаО, MgO и др.) к кислотным (Si0 2 ) для пони
жения температур плавления смеси до уровня достижимых в печи значений; pac
смотрено развитие взrлядов на процесс шлакообразования, основу которых заложил
Берцелиус. Указывается на леrкоплавкость оксидов железа и целесообразность дo
бавки к рудам основных оксидов в соотношениях, способствующих повышению
полноты восстановления железа. Развивая эти положения, Ж. Эбельман [9, с. 155..
157] на основе своих исследований впервые установил необходимость и возможность
TaKoro подбора состава шихты, при котором процессу плавления материалов пред..
шествует максимальное восстановление оксидов железа. Он предложил брикетиро"
вать мелкие руды совместно с известью и уrлем для получения "искусственных руд",
обладающих высокой восстановимостью и трудноплавкостью.
Развитие представлений о фазовых превращениях материалов тесно связано с
экспериментальным изучением и развитием теории спекания смесей оксидов [144
148], их размяrчения [149 155] и плавления [150, 155 164] в условиях доменной
плавки. Результаты этих и мноrих последующих работ обобщены в моноrрафиях
В.Е. Васильева [165], м.я. Остроухова [166], Л.М. Цылева [167], B.r. Воскобойнико
ва и др. [168], Н.Л. Жило [169], А.А. rиммельфарба и К.И. Котова [89], и.д. Балона и
др. [90], а применительно к высокоrлиноземистому сырью в моноrрафии А.Д. Со..
107
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
кольскоrо [170] и сборнике трудов под ред. Е.Ф. BerMaHa, С.К. rупты и в.и. Литви
нен ко [1 71 ].
Фазовые превращения материалов в доменной лечи начинаются задолrо до появ
ления первых капель расплава. Уже при 550 600 ос происходит твердофазное взаи
модействие компонентов с образованием леrкоплавких эвтектик, которые при повы
шении температуры до 700 800 ос способствуют образованию спеков с последую
щим размяrчением кусков при 800 1000 ОС. Указанные уровни температур значи
тельно ниже уровней для смесей чистых шлакообразующих компонентов (SiO l,
АI 2 О з , СаО, MgO и др.) за счет наличия в шихте оксидов железа (FexO y ) и щелочных
соединений (Na20, К 2 О и др.). Физическая сущность размяrчения заключается в по
степенном переходе от твердоrо к жидкому состоянию за счет образования микро
объемов жидкой фазы внутри и на поверхности кусков материалов. В результате Ta
Koro перехода ослабевают внутренние силы сцепления и происходит деформация
кусков под наrрузкой вышележащих слоев с потерей пористости материалов. XapaK
тер перехода зависит не только от химико минералоrическоrо состава материалов, но
и от размеров кусков, их взаимноrо расположения в слоях и соответственно контакта
различных фаз. Различие характера размяrчения разных руд и аrломератов при Ha
rpeBe без восстановления иллюстрируется результатами, полученными в ИМет АН
СССР (рис. 41) [167].
,..
.J
4
«10
500
600
,
t
r;:;
2
В
3
700 800 900
Тснпература. ос
Рис. 41. Кривые размяrчения железных руд и аrломератов: 1 охристый
бурый железняк; 2 латеритовая руда (бурый железняк); 3 ноздреватый
бурый железняк; 4 плотный бурый железняк; 5 rлиноземистая руда;
6 плотный бурый железняк; 7 бурый железняк; 8 красковая руда;
9 кварцит; 10 оолитовая руда (бурый железняк); 1] аrломерат;
12 малкинская хромоникелевая бурожелезняковая руда; 13 самоплавкий
аrломерат; 14 мартит; 15 обычный аrломерат
1000
1100
1200
Восстановленные на 30 60 % материалы имеют более низкие температуры раз..
мяrчения, а при дальнейшем их восстановлении с появлением металлическоrо железа
температуры размяrчения увеличиваются. Повышение основности аrломерата
CaO/Si0 2 до 1,4 1,7 способствует увеличению температуры начала размяrчения, а
при дальнейшем повышении основности указанная температура снижается. Ввод
MgO увеличивает температуру размяrчения [] 72]. Процесс плавления мноrокомпо
108
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
нентных систем рассматривается как постепенный по мере повышения температуры
переход в жидкое состояние, в ходе KOToporo образовавшийся из леrкоплавких эвтек
тик расплав сосуществует с твердофазными частицами, доля которых сокращается с
ростом температуры, уменьшая при этом reTeporeHHocTb образующеrося расплава и
непрерывно изменяя ero состав. Сложность изучения таких систем определяется не
только большим количеством компонентов, но также неоднозначным влиянием на
свойства мноrочисленных их сочетаний, в том числе компонентов, содержащихся в
небольших количествах, но весомо изменяющих свойства (например, Na20, К 2 О).
Если учесть при этом роль последовательности превращений, зависящую от размеров
и взаимноrо расположения кусков материалов, характера восстановления оксидов,
температурноrо и концентрационноrо потенциалов rазов, то размерность задачи CTa
новится недоступной для привычных способов изучения. Вместе с тем известные ис
следования свойств шлаковых расплавов [89,155..171] проводились в однофакторном
режиме путем поочередноrо перебора значений температур, содержаний компонен
тов и др., В силу чеrо сделанные на их основе выводы качественно отражают лишь
изученные параметры.
По характеру изменения вязкости с повышением температуры отличают шлаки
'''длинные'' и ""короткие". Особенностью первых является плавное изменение вязко
сти с температурой, вторых резкое ее изменение в узком диапазоне температур.
Первое более присуще шлакам с низкой основностью по CaO/Si0 2 , второе BЫCOKO
основным шлакам. Однако влияние друrих компонентов может вносить существен
ные изменения в эти особенности. ""Длинные" шлаки более устойчивы (меньше из..
меняют свойства при изменении состава и температуры), "'короткие" менее устой..
чивы к колебаниям состава и температуры. Кроме соотношения наиболее весомых
компонентов в шлаке СаО и Si0 2 наиболее сильно влияют на ero свойства, содержа..
щиеся в значительных количествах FeO, АI 2 О з , MgO, МnО.
На рис. 42 приводятся фраrменты результатов, полученных А.А. rиммельфарбом
при изучении вязкости четырехкомпонентной шлаковой системы. [89]. С ростом oc
новности до CaO/Si0 2 == 1,0 вязкость снижается, причем для содержаний FeO < 1 О %
более круто, чем при высоких содержаниях FeO (15..30 %). По мере увеличения oc
новности ДО 1, 1 1,3 наблюдается слабое влияние основности на вязкость, а при даль
нейшем увеличении сверх 1,3 резкое возрастание вязкости. Характерно, что диапа
зон минимальной вязкости увеличивается по мере повышения содержания FeO в
шлаке. Указанный диапазон увеличивается также при повышении содержания Аl 2 О з
с 5 до 15 %, но при дальнейшем росте Аl 2 О з снова уменьшается. Таким образом, об..
ласть устойчивых шлаков определяется всем комплексом условий. Влияние МnО
аналоrично влиянию FeO, а влияние MgO специфично. Добавка MgO к переrретым
до 1400 1500 ос конечным доменным шлакам снижает их вязкость и соответственно
увеличивает обессеривающую способность, причем более сильно первые порции (до
5%), в меньшей мере последующие, причем характер влияния сильно зависит от
содержания друrих компонентов. Увеличение содержания MgO в промежуточных
шлаках доменной плавки повышает температуру их кристаллизации, но не снижает
вязкости, а основным положительным фактором ввода MgO является более высокая
устойчивость свойств при колебаниях температуры и состава [89, 165,166, 169].
Основные трудности анализа влияния состава и свойств шлаков на ход доменной
плавки и состав чуrуна связаны со значительным отличием обычно изучаемых OTHO
сительно rOMoreHHbIx расплавов от реальных доменных шлаков, характерных боль
шой rетероrенностью.
Анализ влияния свойств шихтовых материалов на характер их фазовых превра..
щений и ход доменной плавки до начала 70..х rодовХХ века был осложнен отсутст"
109
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
вием системных представлений о характере зоны, в которой происходят эти превра
щения. Лишь к середине 70 x rодов на основе анализа материалов охлажденных и pa
зобранных доменных печей [45, 90, 173] сформировались представления о зоне раз
мяrчения и плавления как об объеме слоя материалов, заключенном между изотер
мой начала размяrчения и изотермой разделения металла и шлака в самостоятельные
текучие фазы, в котором в основном сохраняется послойная структура с чередовани
ем rазонепроницаемых тестообразных масс размяrченных железорудных материалов
и rазопроницаемых слоев кокса. Над этой зоной расположена область твердофазноrо
состояния, а под ней коксовая насадка, через которую фильтруются жидкие про
дукты плавки в противотоке с восходящими rазами. Указанные представления при
дали соответствующую направленность исследованию свойств шихтовых материалов
[174 183], а также анализу и моделированию процессов доменной плавки [42,44,46,
90, 183..194]. Выявлено решающее значение температур начала плавления и полноrо
расплавления материалов, а также разности этих температур (интервала плавления) в
формировании зоны пластическоrо состояния. Показано, что меньшему интервалу
плавления соответствует меньшая толщина указанной зоны и соответственно MeHЬ
шее сопротивление проходу rазов.
s
4
... J
2
(tJ
1
о
5 0,9 1,3 1,7
5
1350 ос
't
..с'" J
(.)
2
1)::;
се
1
.2
-.................,
0,5 0,9 ',3 1. 7 0,5 О, 9 ] 1, 7 0,5 0,9 1,3 7
Осно8ность шлака
,
1250 0 С
1
J
2
5
1200 0 С
0,5 0.9 1,3 1.7 2)
Рис. 42. Зависимость вязкости шлака от основности при содержании
монооксида железа FeO, %: 1 < 10,0; 2 1 o 15; 3 15 20; 4 20 25;
5 2530; 6 >30 (верхняя rруппа рисунков 5% А1 2 О з , нижняя 15% А1 2 О з )
з1
!. 51
f . · 5 '18 l '
}.\\ . 8 , "
о . :. . 6 ' ?' 6 I
а5о,9 1,3 1, 7 2,1 0.5 0,9 З 1, 7 0,5 0.9 1,3 1, 7
ОСНО8нссть шлака
1заn о е
1
Обобщая накопленные материалы, В.И. Шатоха [183] выявил четыре xapaKTep
ных периода деформации слоя материалов под наrрузкой в ходе восстановительно
110
J" Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
тепловой обработки: 1 твердофазная деформация; 2 интенсивная усадка, обуслов
ленная появлением первичных шлаковых фаз; 3 уплотнение пластической массы;
4 расплавление с разделением металла и шлака. Температуру конца BToporo перио
да предложено считать верхней rеометрической rраницей пластической зоны
(Тип температура начала плавления), а температуру расплавления с разделением Me
талла и шлака (четвертый период) нижней rеометрической rраницей пластической
зоны (Т р температура расплавления), причем Тр> Т нп.
Общая схема пластической зоны представляется в виде rоризонтальных или поч
ти rоризонтальных чередующихся между собой слоев кокса и размяrченноrо железо
РУДНОfО материала, распределенных по диаметру печи в форме Л образных, W..
образных или близких к ним кривых (рис. 43). Противоток в этой зоне осуществляет
ся за счет движения fаза через rоризонтальные коксовые "OKHa", расположенные Me
жду непроницаемыми слоями размяrченных материалов. Общая rазопроницаемость
и распределение fазов по сечению зависят от конфиrурации зоны. Наиболее пред
почтительной считается Л образная форма профиля зоны с вытянутой вверх и узкой
центральной частью (рис. 43, В). В этом случае rазы леrче проникают от центра через
"окна" к слоям твердых материалов на значительном расстоянии от периферии и
равномерно их обрабатывают, за счет чеrо достиrается высокая степень использова
ния тепловой и восстановительной энерrии rазов. При расширенной и мало вытяну..
той вверх центральной части зоны (рис. 43, А) rазы выходят из "окон" близко к пе
риферии, хуже используются, больше отдают тепла в систему охлаждения и усили
вают износ футеровки (периферийный ход), хотя rазопроницаемость столба ДOCTa
точно высока. По мере приближения зоны к rоризонтальной (рис. 43, С) ухудшается
rазопроницаемость столба и теряется устойчивость хода из за прорывов rазов через
"окна". Для смяrчения осложнений профилю зоны придают W образный характер
(рис. 43, О), однако при этом за счет периферийноrо хода ухудшается степень ис
пользования rазов, увеличиваются потери с охлаждением и износ футеровки стен.
При всех условиях сокращение интервала плавления (Т р .. Т НП') способствует сокра..
щению толщины указанной зоны и соответствующему увеличению ее rазопрони"
цаемости.
А
в
с
о
t__'
! = )
'\.,,, .,.
-
1..,. ,. j
"\. :.
- -
,,;; J
1. . 7'
.. ...
"1 "....
(
t
J)
J
\'
J j
. J ,
t '""",,-
..... .....
", ..,1
... -
".. "". }
.-. .......
''''J ,.,,,
......
',,-6 "111.
........
"111. "1.11.
)f
\
"
:JI
Рис. 43. Различные формы зоны пластичности и характер rазовых потоков
в доменных печах: А Л образная с большим количеством коксовых окон;
В суженная Л образная; С сrлаженная, rоризонтальная; D W образная
Первые наиболее обстоятельные исследования фазовых превращений в доменной
печи выполнены в Швеции на охлажденной древесноуrольной доменной печи [86]
(см. рис. 27). При 925 ос установлено образование силиката железа, а при 1075 об
111
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
разование CaO.SiO. По мере увеличения температуры выше 1200 ос FeO вытесняется
из силикатов СаО с последующим (выше 1325 ОС) убыванием свободной извести и
силиката железа и образованием на поверхности кусков железистых шлаков и выте..
канием из кусков расплава силикатов. На действующих печах S.P. Kinney (США)
[195] обнаружил на rоризонте со средней температурой 853 ос шлаковый расплав с
содержанием 4% FeO при 34 44% SiO l, 13,9 15,8% А1 2 О з , 23,5 41,5% СаО, 0,3 1,0 %
S, 2 18% С, а на заводе в Бохуме (rермания) [196] в извлеченном из заплечиков шла
ке содержание МпО оказалось 2 6%, а FeO 2%.
Начатый в 1935 1940 rr. комплекс экспериментальных исследований под PYKOBOД
ством М.А. Павлова [197 199], впоследствии был продолжен и расширен на ряде
предприятий [88, 200 202]. На основе изучения состава извлеченных из доменных
печей проб материалов установлено влияние на ход шлакообразования не только их
исходных состава и свойств, но также распределения rазов по сечению печи, xapaK
тера температурноrо поля по высоте, динамики восстановления железа и др. В про
бах первичноrо шлака, извлеченноrо с различных rоризонтов низа шахты, распара,
иноrда заплечиков, обнаруживали 1 0 20 % монооксида железа (в ряде случаев значи
тельно больше), оказывающеrо решающее влияние на образование леrкоплавких эв
тектик. При изучении процессов первичноrо шлакообразования на доменной печи
объемом 330 м З Ново..Тульскоrо завода выполнены петроrрафические исследования,
позволившие построить диаrрамму изменения фазовоrо состава материалов на раз..
ных rоризонтах (рис. 44) [167].
.
Е:
E:
t:::! J.;::
rg f:} I 's
.s.е е'oq:Э:: е-. с3
I ! fJll)
'/ .' " /
/ 1" " !
IJ ,fJ
.' t> J · li.-:
/:
I '/ / I/, "
I % I " / '
'/ "
/
/. I :)
I /"
'/
? 9
I /
,
.Ш
о
650 800
u
I
9ОО 10DDo I
{
tJ
10DO 720D
I I
Б
1259 ?
I I
I I
, 1
А
I
I
,
iJ
I
I
%
v::
.
'
v
/
.
//
"
/
v
/
"
/ Z
" '/;
/. ..;
V::i" -/ А
Рис. 44. Изменение фазовоrо состава материалов и
шлаков по высоте доменной печи на HOBO Тульском
заводе при выплавке передельноrо чуrуна
112
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Исследованиями Ю.М. Потебни на доменной печи завода "Запорожсталь" YCTa
новлено, что применение офлюсованноrо аrломерата способствовало резкому
уменьшению колебаний состава и свойств первичных шлаков, а также смещению ro
ризонта начала шлакообразования вниз с соответствующим сокращением высоты зо
ны [201].
В том же направлении повлияло на первичное шлакообразование вдувание при
родноrо rаза [202], причем в составе первичных шлаков значительно сократилось co
держание РеО. А.А. rиммельфарб [89] при исследовании одной из доменных печей
завода им. Петровскоrо установил начало шлакообразования (натеки и корольки) на
rоризонте между средней и нижней частями шахты при содержании РеО в первич
ных шлаках 10..20 % практически независимо от восстановимости используемой
шихты.
В ходе изучения фазовых превращений материалов по высоте печи выявлены сле..
дующие особенности:
в шахте идет не только восстановление маrнетита до вюстита и металлическоrо
железа, но также восстановление железа из оливинов и стекла с выделением вюстита
и металлическоrо железа в отдельные фазы, причем rлубина фазовых превращений
увеличивается по мере увеличения степени восстановления оксидов железа;
в распаре образцы аrломерата внешне схожие со шлаком, отличаются минера
лоrическим составом кристаллы металлическоrо железа с включениями вюстита
связаны в единую массу стеклом, которое по составу близко к волластонитовому;
превращения силикатной составляющей сводятся к тому, что из железокальцие..
Boro оливина выделяется монооксид железа, и оливин переходит в волластонит, ко..
торый в зависимости от температуры, присутствует в виде a или модификации и
затем переходит в шлак, улучшая условия ero формирования в распаре;
в локальных объемах распара с избытком извести обнаружено небольшое коли..
чество высокотемпературных силикатов ранкинит, rеленит, мелилит.
Наиболее полная картина фазовых превращений построена по результатам иссле..
дования охлажденной доменной печи Енакиевскоrо завода [90].
На рис. 45 приведена схема превращений при восстановлении оксидов железа, на
рис. 46 минералоrические разновидности шлаков по высоте печи, а на рис. 47 co
вмещенная схема развития процессов в печи вдоль траектории движения зондовой
термопары.
Спекание материалов начинается при степени восстановления железа около 30 %.
При степени восстановления железа 40..50 % появляются первые шлаковые расплавы
и развивается пластическое состояние, а при 60 % восстановления шлаки форм иру..
ются в самостоятельную фазу.
rраница исчезновения пластическоrо состояния соответствует степени восста..
новления железа около 90 %. По мере возрастания температуры в ходе твердофазно..
ro восстановления увеличивается поверхность микропор, что ускоряет процесс отня"
тия кислорода от твердой шихты, однако после начала спекания (850 ОС) поверхность
пор не увеличивается, а начиная с 900 ос с появлением первых расплавов сокраща
ется.
При 1100..1150 ос шлаковые расплавы содержат 30..35 % FeO, а у стен печи появ..
ляются маложелезистые подвижные шлаки.
Выполненные в Японии исследования охлажденных доменных печей, работавших
по современной технолоrии, дали фундаментальный материал для анализа процессов
и формирования современных представлений о фазовых лревращениях в доменных
печах и форме пластической зоны [45].
113
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
7
l 6
I т
I
1
1
.
..
I Z '
I V. л,
'Н\ "1
'y ",,-
I Z
111 "а
I J.
7 и, \
71 I\!. ' у
9 t:V.\ j,
11 w ,\
\\r, '
1З 6\
" 1').\ ","'
,. 1 ... \\ ..
\ I \ \ I 1.... J
;- , "
11: \ 4
! \
iJ!l' '"' "- 5
.,
..
\. 'B
1
J
5
15
11
...
19
Z1
ZJ
2+
......
Рис. 45. Схема фазовых превращений при восстановлении оксидов железа в
зонах твердоrо, размяrченноrо и пластическоrо состояния шихты с rраницами:
1 1 начала появления вюстита; 2 2 полноrо восстановления rематита и
феррита кальция; 3 3 paBHoro содержания маrнетита и вюстита; 4 4 полноrо
восстановления маrнетита; 5 5 начала появления Fe TB (для аrломерата); 6 6
полноrо восстановления вюстита; 7 7 нижнеrо положения пластическоrо
состояния шихты (металл + шлак). Участки совокупных фаз (по убывающей
степени): 1 маrнетит, rематит, феррит кальция; 11 маrнетит, rематит, феррит
кальция, вюстит; 111 маrнетит, вюстит, rематит, феррит кальция, Fe MeT . тв; IV а
маrнетит, вюстит; IV б вюстит, маrнетит; V а маrнетит, вюстит, Ре мет . тв;
V б вюстит, маrнетит; VI вюстит; VII вюстит, Fe MeT . тв, Fe MeT . ЖИ,1,К; VIII
железо металлическое (тв. + жидкое)
114
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Точки от50ра nро5
ao
f I ,
r'\I ,.... (a .....::::r7
9
11
1]
15
8
.....
17 .са
<:)
19 ::::s
t..:
21
:t:
О'lЛ
28
.
Рис. 46. Схема расположения минералоrических разновидностей
шлаков по высоте печи: 1 Fe, Мп"монтичеллит и волластонит;
2 псевдоволластонит имелилит; 3 мелилит и ранкинит;
4 мелилит, мервинит и ларнит
115
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
0,10 415' $,,.,2/2
I 1 "
JO 50 71, 0/0
I
08lp 20 "О ... /1(, tI/ o
I
50 100 %
ВОО 800 1000 t,OC
\
\
, s
оХ
,
,
\
\.
J
Рис. 47. Совмещение в объеме печи процессов восстановления и плавления (а)
и развитие этих процессов вдоль траектории движения зондовой термопары
(б): 1..1' начало спекания; 2..2' появление первых шлаковых расплавов; 3..3'
rраница начала дифференциации шлаков в самостоятельную фазу; 4..4'
rраница исчезновения пластических масс; t температура вдоль движения
зонда; 11 степень восстановления (включая пластические массы и
расплавы), %; S средняя поверхность микропор в рудной шихте; П доля
шихты (без кокса) в пластическом состоянии (стрелкой указан момент
появления rранул шлака); Ж среднее суммарное содержание FeO и Fе20з
в шлаковых расплавах, %; восстановление; плавление
rенерация энерrии и формирование продуктов плавки
Область печноrо пространства под изотермой полноrо расплавления и разделения
чуrуна и шлака включает коксовую насадку, через которую снизу проходят rенери"
руемые в фурменных очаrах rорячие восстановительные rазы, а сверху стекают рас..
плавы чуrуна и шлака, накапливающиеся под коксовой насадкой на лещади. Хотя
область фурменных очаrов расположена в объеме коксовой насадки, характер проис
ходящих в них процессов различен:
фурменные очаrи являются rазоrенераторами, в которых формируются rорячие
восстановительные rазы, обеспечивающие поставку энерrии для протекания всех
процессов;
коксовая насадка является твердой средой, по которой стекают HarpeBaeMbIe в
противотоке rорячих восстановительных rазов жидкие продукты плавки, подверrае..
116
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
мые физико химическим превращениям в ходе окончательноrо формирования чуrуна
и шлака.
В силу изложенных особенностей области фурменных очаrов и коксовой насадки
рассматриваются раздельно.
ПроцеССbl в фур_иеllНblХ очаzах
Характеристику процессов у фурм одним из первых (1841) дал ж. Эбельман [9,
с. 68]: "кислород, содержащийся во вдуваемом воздухе, очень быстро превращается в
уrлекислоту, затем в окись уrлерода; эти два превращения происходят последова
тельно на небольшом расстоянии от фурмы...". Ему же принадлежит доrадка об
окислении у фурм части восстановленных в верхних rоризонтах элементов В после
дующих работах фурменные очаrи рассматриваются как окислительные зоны в BOC
становительном arperaTe.
Первое исследование фурменноrо очаrа путем отбора и анализа проб rазов вы..
полнил Yan Vloten [203]. Результаты приведены в таБЛ.l.11.
Таблица 1.11. Состав rаза в различных точках фурменноrо
очаrа доменной печи (%) [203]
Расстояние от Место отбора проб 02 С0 2 СО Н 2 N 2
rлаза фурм, мм
400 Ось 13,0 6,0 .. 0,8 80,2
400 250 мм в стороне от 6,0 12,3 2,0 79,7
..
оси
500 Ось 3,5 13,0 1,0 1,8 80,7
600 Ось 1,5 15,0 1,5 1,8 80,2
400 630 мм выше оси .. 11,0 11,8 2,0 75,2
400 Выше оси .. 8,0 17,3 2,0 72,7
700 Ось 1,2 31,5 1,8 65,5
Центр ropHa Ось .. 38,0 2,0 60,0
Между фурмами .. 40,0 1,8 58,2
Результаты исследования показали, что окислительная область, характеризующаяся
наличием С0 2 в rазе, распространена в окрестности каждой фурмы на 900 мм вrлубь
ropHa и отделена от восстановительной области как бы куполом, опирающимся на ro
ризонтальную плоскость, проходящую через нижнюю кромку фурмы. В пространстве
между соседними фурмами и на 700 мм выше rлаза фурмы С0 2 не обнаружено.
Дальнейшее развитие представлений об окислительной зоне основано на исследо..
ваниях S.P. Kinney и др. в США [204 206] и W. Lennings [207] в rермании. Ycpeд
ненные данные о составе проб rаза по оси фурм 11 американских доменных печей
представлены rрафически на рис. 48. Внешней rраницей зоны является поверхность
исчезновения С0 2 из rазовой фазы, а внутри окислительной области отличают зону
наличия свободноrо кислорода] (рис. 49), за пределами которой 11 происходит взаи
модействие С0 2 + С == 2.СО. Анализ указанных и друrих полученных результатов по
зволил установить изменение длины окислительной зоны от 0,5 до 1,8 м при OДHO
временном изменении ее поперечных и высотных размеров в зависимости от различ..
ных факторов.
Установлено, в частности, сокращение зоны при увеличении HarpeBa дутья, а так..
же увеличение ее во всех направлениях при повышении расхода воздуха. Эти выводы
117
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
позднее уточнены бриrадой под руководством М.А. Павлова при исследовании Mar
нитоrорской доменной печи [208] и з.и. Некрасовым при исследовании доменной
печи завода им. Дзержинскоrо [209]. Результаты исследований З.И. Некрасова позво
лили установить положительное влияние скорости и кинетической энерrии (имеется
в виду секундной энерrии мощности) потока дутья на проникновение rазов вrлубь
ropHa [209], а также неблаrоприятную роль режимов "неполноrо дутья" [21 О]. Влия
ние температуры дутья на размеры окислительной зоны оказались, в отличие от pe
зультатов S.P. Kinney, не столь однозначными, что объясняется ее влиянием на кине
тическую энерrию потока. Этим же объясняется и неоднозначность влияния coдep
жания кислорода в дутье.
50
10
}
I
со
-
°1
.
\
А '\ cO z
\
1,0
"
30
1\)
20
. о О... 1000 2000 3000
Расстояние от 2Л1I3U Ф'lР JI
Рис. 48. Зона rорения в ropHe
американских доменных печей
I S{)--1'6(JO
800--f200
,, ,
/ J '
I \
/ \
I
/
-"
,
"
....... ..... ... ""
Рис. 49. Схема окислительных зон перед фурмами
Последующее осмысление процессов в фурменном очаrе базировалось на резуль..
татах скоростной киносъемки через фурменный rлазок [211..213] и холодном моде..
118
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
лировании прифурменной области [211, 214 218]. Обобщая эти результаты, Л.М. Цы
лев, м.я. Остроухов, л.з. Ходак [219] показали, что rорение кокса в фурменном оча
re доменной печи существенно отличается от слоевоrо rорения в силу образования
разрыхленной области вблизи фурм, существование которой обнаружил еще
w. Lennings [207], а позднее Д.В. Ефремов [220]. Опираясь на эти результаты (oco
бенно работы J .В. Wagstaff), авторы [219] обосновали ставшую на длительный пе
риод общепризнанной циркуляционную модель фурменноrо очаrа (рис. 50), сущ
ность которой заключается в следующем. Куски кокса под действием струи дутья
двиrаются от фурмы к месту уплотнения кокса, затем по уплотненной стенке BHYT
ренней поверхности сферы, расположенной над струей дутья, вкатываются обратно в
поток у фурмы, совершая таким способом циркуляцию не только в вертикальном, но
и в rоризонтальном направлении. По мере выrорания части кокса в поток вовлекают
ся новые порции из уплотненной части зоны. Форма зоны циркуляции близка к сфе
ре, опирающейся на плоскость низа фурмы.
«, У Х. )( х '" 11[ ".:. ({ х
W:K -: 1..).. *
)с "",J r G.J.... b .... u. JI( >t
I J)O,. 'rrJ О О v )c
jIC ,, )I;l' )
,1 · )(/! с D A"t7"';
j ч 'JI. ')I.
I \ I" С I Q о »C)f
I ,.., '\Т l:> "fj.
I .. ..f <1 Т ,cr:.
о ..)(
, ,. . 1 о 11
......... I .. (/ с '--... .-
с / j ,
.. IJf..
.......... с , , U,L х
X
. а .. . " О "t'- "''',)<.л
..... и "", О v G<....J )(. xJ40..
J '\.. >С:] Lr "'00 1> " rt
i vc.2 o
'I к...J. y--i и DI"""
A
А"\.... ..,, 1I
...., 70..7'V ?( ,
ОС,
ЛIЛ!IНt'Q
а
Х)4)( ЛХ W'Х
l '}jI )(
crA"./ flllI-
к )( j '.., 1ri")( хх
;I/:y c ( ....... SS
)( О, "1::"'
с J () )r
о О x
r ., Co"" с....О ioO EN
т\ ". .o ....... r Yx
O о Q ., {](( w
b о CJ
,. a ' K)(Xx..
a. !t.. ххх..
W'"' !)() о.А1' I?!:Ы'
'-.)J1l
')(xx..z.. ".'t: "' .ы ..z.
, УХ )(АХ Xx.
." v'" У )t 't( 1!'хЛ/'v v '" х
ЛронеJN!/тlJtl
.. ...
H /IJ слеu
Рис. 50. Схема зоны циркуляции кокса перед фурмами:
а вертикальный разрез; 6 rоризонтальный разрез
В отличие от холодной модели, реальный фурменный очаr подвержен влиянию
таких существенных факторов, как опускание столба шихты, расходование кокса в
процессе rорения, наличие rрадиента давления rаза по высоте, смещающеrо rОРИ30Н
тальную струю дутья вверх. С учетом этоrо возможность движения кусков к стенке
печи в направлении, обратном потоку дутья, оказывается сомнительной [221], а сфе
119
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
рическая форма зоны не соответствующей друrим экспериментальным данным
[222 224]. Уточнение в циркуляционную модель, внесенное Б.С. Фиалковым и
В.Т. Плицыным [110], касающееся дискретноrо поступления кокса в очаrи путем об
разования и разрушения динамически неустойчивых сводов, значительно улучшило
её, однако не сняло основных противоречий этой модели. Проведенные в 70 x rодах
исследования на холодных моделях Р. Ешара с соавторами, В.К. Дурнова и Н.М.
Бабушкина [223..224], в которых имитировалось движение столба и расходование
(rорение) кокса, а также наличие rрадиента давления rаза по высоте, показали pYKa
вообразную форму фурменноrо очаrа с наклоном вверх. Аналоrичная форма обнару
жена на охлажденных доменных печах [45,223].
Наиболее обстоятельное исследование процессов в фурменном очаrе выполнили
М. rройель, Ф.В. Хильнхюттер, х. Кистер, Б. Крюrер [225]. Особенностью исследо
вания было наблюдение за движением материалов внутри фурменноrо очаrа под раз
ными уrлами с помощью эндоскопа с применением высокоскоростной киносъемки.
Установлено, что куски кокса не циркулируют в очаrе, а уносятся потоком дутья в
направлении от фурмы в расширяющуюся и поворачивающую кверху полость
(рис. 51), в верхней части которой образуется свод б rорящеrо кокса. Свод а перед
фурмой является неустойчивым и периодически обрушается в поток дутья, пополняя
полость кусками, которые получают ускорение от фурмы к своду б. Поступление
кусков кокса в очаr через свод а происходит как бы из ""бункера", правая ""стенка" KO
Toporo примыкает к своду б, что создает иллюзию обратноrо движения кусков к
фурме, которую, видимо, и наблюдали в работе [226] при скоростной киносъемке
фурменноrо очаrа.
о
а
/'
/'
/
tJ
Рис. 51. Конфиrурация Фурменноrо очаrа, по данным работы:
II зоны расходования кокса; б окислительная зона
Поскольку размеры фурменных очаrов влияют на характер процессов в [орне, в
частности, проникновение rазов к центру печи и межфурменные пространства, изу
чение влияния на них различных факторов имеет практическое значение при выборе
дутьевых параметров, а также количества, диаметра и конфиrурации воздушных
фурм. Такое изучение проводили на моделях и доменных печах в различных услови
ях [11 О, 203 230]. Выявлено влияние не только параметров дутья, но и характеристик
кокса. Последние вряд ли MorYT быть учтеныI достаточно полно ввиду малоизученно..
сти и противоречивоrо влияния на работу очаrа.
Что касается дутьевых параметров, то в большинстве случаев установлено наибо..
лее сильное влияние на rлубину проникновения rазов вrлубь ropHa комплексноrо па..
раметра дутьевоrо режима кинетической энерrии (мощности) дутья. Однако анализ,
120
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
выполненный В.П. Лялюком [231], показал, что этот параметр дает недостаточную
характеристику работоспособности потока, и предложил более универсальный пока
затель полную энерrию потока, которая характеризует ero работоспособность в бо
лее широком диапазоне условий плавки.
Запас полной энерrии (общее выражение) потока воздушноrо дутья на срезе фур
мы доменной печи (имеется в виду секундная энерrия .. мощность) равен [231]:
2
Р д 1.) д
Еп=mд.( + +Сvд.Тд), Дж/с, (1.1)
Р д 2
rде: m д массовый расход потока дутья через одну фурму, Kr/c; Р д абсолютное дaB
ление дутья, Па; pд плотность воздушноrо дутья, Kr/M 3 ; U д средняя скорость потока
дутья в фурме, м/с; суд удельная массовая теплоемкость воздушноrо дутья при по
стоянном объеме, Дж/(кr. К) , Т д температура дутья, К.
Первое слаrаемое этоrо уравнения представляет собой запас энерrии давления
(компрессии), второе кинетической энерrии, а третье внутренней энерrии потока
HarpeToro атмосферноrо дутья. Первые два слаrаемых уравнения запаса полной энер
rии потока дутья представляют собой запас полной механической энерrии потока дy
тья на срезе фурмы доменной печи.
Запас полной энерrии потока дутья расходуется на механическую работу [231] по
образованию, а в дальнейшем по поддержанию в определенных rраницах свободной,
разрыхленной полости зоне циркуляции перед фурмами печи. Работа, израсходо
ванная потоком (1 Kr) rазов на образование зоны rорения перед фурмами доменной
печи, равна:
1 1)2
А= (Р Рел)+ +[Сv.(Т Тел)+Uк+Uпr], Дж, (1.2)
Р 2
rде: Р еЛ , Тел давление и температура rазов в слое за зоной циркуляции, Па, К; И к ,
U пr подведенная в поток дутья энерrия выделившаяся от сrорающеrо кокса и при
родноrо rаза, Дж.
Из полученноrо выражения следует, что на работу по образованию зоны цирку
ляции И поддержания ее в определенных rраницах полностью расходуется запас ки
нетической энерrии, часть энерrии давления и внутренней энерrии потока дутья, а
также часть внутренней энерrии сжиrаемоrо в зоне rорения топлива.
В наиболее обстоятельном экспериментальном исследовании фурменноrо очаrа
действующей доменной печи [225] установлено, что перед носком фурмы ""идет
сильный дождь", Т.е. жидкие капли чуrуна и шлака стекают через область очаrа с
наибольшим содержанием кислорода, в результате чеrо восстановленные ранее эле..
менты Ре, Мп, Si и др., а также растворенный уrлерод окисляются. Это явление давно
установлено при зондировании фурменной зоны по составам продуктов плавки и [a
зов [203 208, 232 236]:
в чуrуне, отобранном ниже и выше оси фурм содержание Si, Мп, С больше, а
РеО меньше, чем по оси фурм;
объемное отношение общеrо кислорода (О2+СО2) к азоту N 2 в фурменном rазе
меньше, чем в исходном дутье.
Протекание окислительных процессов в условиях восстановительной плавки яв..
ляется естественным и не требует оценки с точки зрения ""полезности" или ""вредно..
сти" для технолоrии плавки и расхода rорючеrо. Вторичное восстановление окис..
ленных компонентов происходит в расплавах с большой скоростью и при использо..
вании выделенноrо при их окислении тепла, так что вопрос сводится к определению
целесообразных масштабов перераспределения тепло.. и массообменных процессов в
121
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
пределах ropHa доменной печи. Решение этой задачи требует рассмотрения Bcero
комплекса процессов в рамках единой модели доменной плавки и является предме
том дальнейших исследований.
rllJоzuдрО.,'JlеХlIIIUКll коксовой 1I11Сllдкu U ФОРw'Jluровlllluе ЧУ2У"ll U IUw111KlI
Конфиrурация и объем коксовой насадки определяются положением зоны пла
стическоrо состояния (см. рис. 43), под которой она расположена. В периферийной
области собственно насадка разрывается фурменными очаrами, располаrаясь над и
под ними. В центральной области она образует малоактивный конус. Основание Ha
садки опирается на накопленные в ropHe расплавы и ""плавает" в них.
Научной базой для осмысления rазоrидродинамических процессов в коксовой Ha
садке доменной печи были работы Т. Scherwood [237] и Н.М. Жаворонкова [122], вы..
полненные для скрубберов с низкотемпературной жидкостью. Полученные на основе
экспериментальных данных критериальные соотношения отражают связь интенсив
ности противотока (отношения скоростей) жидкости и rаза с параметрами насадки.
Превышение HeKoToporo уровня интенсивности противотока жидкости и rаза при
данных параметрах насадки приводит к '''затоплению'' (""захлебыванию"), т.е. захвату
частиц жидкости rазом, их подвисанию и выбросу из насадки. Особенностями этоrо
процесса в доменной печи являются переменное температурное поле, изменение вяз
костных и поверхностных свойств жидкости при наличии в ней твердых частиц, а
также взаимодействие жидкости с насадкой. Опыты на холодных моделях [89, 238..
240], а также в переменном температурном поле [241] позволили уточнить некото"
.....
рые закономерности влияния количества, температуры и своиств жидкости на потери
напора в слое. Показана необходимость увеличения размеров каналов насадки, сни"
жения количества и вязкости жидкости, а также высоты орошаемоrо слоя (зоны шла..
кообразования) для снижения потерь напора.
Одним из наиболее существенных факторов противоточной фильтрации шлака
через коксовую насадку является характер взаимодействия компонентов шлака с yr
леродом насадки. Изучение закономерностей этой фильтрации С.В. Шавриным,
И.Н. Захаровым и Б.В. Ипатовым на rорячей модели [242, 243] позволило установить
немонотонный характер связей, обусловленный восстановлением монооксида железа
из первичных шлаков. По мере возрастания содержания РеО фильтрация шлака через
насадку, несмотря на снижение ero вязкости, ухудшается, а при 10 % FeO прекраща..
ется. Авторы объяснили это явление образованием в ходе интенсивноrо восстановле..
ния FeO уrлеродом rетероrенной rазошлаковой смеси, закупоривающей каналы.
Дальнейшее изучение этоrо вопроса показало неустойчивый характер зависимостей,
а попытки математическоrо описания встретили серьезные затруднения [244..246].
А.А. rиммельфарб [89], не отрицая принципиальные положения работ [242..246],
объясняет задержку шлака в насадке образованием железистоrо каркаса при BOCCTa
новлении РеО и подтверждает это путем иллюстрации результатов специально по
ставленноrо эксперимента, называя критическим значением не 10 %, а 20 25 % FeO в
шлаке. Последующее изучение рассматриваемых процессов потребует комплексноrо
рассмотрения тепло и массообмена, rазо и rидромеханики движущихся масс с уче
том существенноrо различия характеристик коксовой насадки в областях фурменных
очаrов, малоподвижноrо столба в центре и промежуточных зонах.
В области коксовой насадки происходит стекание обособившихся в виде капель и
струй расплавов металла и шлака и их переrрев, сопровождаемый восстановлением
FeO из шлака и науrлероживанием металла, а также восстановлением в чуrун Si, Мп,
Р, Cr, У, Ti и др. трудновосстановимых элементов. Условия протекания этих процес..
122
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
сов определяются высотой насадки и соответственно временем пребывания в ней
расплавов, а также количеством и температурой восходящих rазов. Чем больше зна
чения указанных параметров, тем полнее восстановление элементов и науrлерожива
ние металла. Обратное влияние оказывает содержание (РеО + МпО) в первичном
шлаке.
Условия равновесия различных фаз чуrуна отображаются диаrраммой состояния
Fe С (рис. 52) с разделением чуrунов на доэвтектические (2 4,3 % С), эвтектические
(4,3 % С) и заэвтектические (> 4,3 % С), при быстром охлаждении которых в качестве
стабильной фазы получают цементит FезС (белый чуrун), а при медленном пла
стинчатый rрафит (серый чуrун). Присутствие в чуrуне Мп и Cr, образующих проч
ные карбиды, способствует повышению содержания уrлерода в металле, а Si и Р
уменьшению. В пробах чуrуна и шлака из распара доменной печи, отобранных
и.з. Козловичем [87], обнаружено от 0,65 до 3,99 % С (ср. 2,10 %), от 0,03 до 1,30 %
Si (ср. 0,30 %) при 6 36 % FeO в шлаке (ср. 14 %).
В первых каплях металлическоrо расплава на охлажденной доменной печи EHa
киевскоrо метзавода обнаружено 1, 18 1,67 % уrлерода с последующим насыщени
ем до 4,3 4,5 % [90] при высокой неравномерности процессов по высоте и rоризон
тальному сечению печи (рис. 53).
Установлена тесная связь (рис. 54) [90] насыщения чуrуна уrлеродом с содержа
нием РеО в шлаке, которая показывает, что переход уrлерода в чуrун происходит по
мере сокращения FeO в шлаке.
. tOc
'.
1600 .
1438 А
."JlppUт
I1еJY.NIЛN 1,.011
+l1jtlЛlНllт 1882 'N
1200
. 11I Ko,т6'" реРРllт
JКиIKQCт
1J
+l1gtтeNuт
JКuDKocтl.
+
zporpuт.
(чеНIнтит .
neplUI/HIJIU)
Е 11;'5 (1130)
I
I
I А !/стенит -J- I
:+<,,oOgrUтrцeH'HтbтN I
ycтeHU'"1 -1- леlеFJ'рит !
и uт I
(ЦНН8нтит I '
8тopu"H "i) I 7J8 (721) I
( 1$ rpogrит I .. Ilерлuт+ I
ФерРlU111 (i/eH'HтUт) !+еРОQштrl/,,,,,нтит)+!
nерлитt ntрЛUI1l I + леоеОJ'l'uт I
I I I I
I . I I . ' .
("
Аустенит
F
Ф ррuт
fjJotpuт
(ченентит)
. +
A8iJe6J1pит
. AYCтIHllт.,.
.,. tp61!PUт
/(
600
ФI/lрuт .,.
+ ep tpит
(Ч'lf6нтuт
тfJIтиVHI/V) .
!potpuт
(це"ентит J
+
л iJеdj'fJит
O . ti,8J1,O 2,0 '" о
Стаn" 1/J'2YH
С, #/0 {НО ,.,оссе}
'6.11
.,
/.
1,61 7,0
FeJC
Рис. 52. Диаrрамма состояния системы Fe С
123
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
..... ц \
п Пр
1
J
Z
J
о
1
2
J
о 1 l 3
l1ассо6оя Волл С, О/о
о
1
2
з
Рис. 53. Изменение содержания уrлерода в железорудных материалах,
полупродуктах плавки и металле по высоте периферийной (П),
промежуточной (Пр) и центральной (Ц) зон печи: 1 железная руда;
2 окатыши; 3 аrломерат; 4 маrнитная часть спеков; 5 кварц;
6 металл; цифры на кривых, нанесенных на сечение печи,
соответствуют содержанию уrлерода в металле
[С], %
2,0
а
1,5
,
O
4
')
,..,
1,0
0,5
1
о
700 800
900 1000 1100 1200 О 10 20 30 40
/7 О С lfассовая. доля FeO в ZllлаJ1е, %
Рис. 54. Зависимость равновесной концентрации С в y Fe в состоянии насыщения
([C] CFe) И В реальном твердом растворе ([C]y Fe) от температуры при контакте
ero с вюститом (FeO,950) и шлаковым расплавом с различной концентрацией FeO
( а) и фактическая [С] == f (FeO) шлака (6). Точки на рис. 6 соответствуют
состоянию в периферийной ( .), промежуточной (х) и центральной ( Д ) зонах
124
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Центральная зона насадки, имеющая меньшую порозность, чем периферийная
прифурменная, и получившая название ""малоактивной", выполняет стабилизирую
щую роль в процессах тепло и массообмена нижней части печи.
Обмен кокса в этой области происходит не столь интенсивно, как в прифурмен
ной, однако достаточно активно [45]. Расходование кокса в этой области происходит
за счет восстановления первичных оксидов железа, MapraHua, кремния и др., а также
науrлероживания чуrуна в [орне.
Кроме Toro, большую роль в кислородообмене между фурменными очаrами и
коксовой насадкой иrрают продукты окисления элементов чуrуна в фурменных оча
rax. Доля кислорода, расходуемоrо на окисление элементов чуrуна в фурменных оча
rax, может быть оценена по величине отношения 02/N2 в дутье и фурменном rазе
окислительной зоны [203 209, 225] и составляет 20 30 % (отн.).
Этот кислород вместе с выделенным при окислении теплом переносится в под
фурменные пространства и переходит в расплав и насадку, rде происходит вторичное
восстановление элементов чуrуна уrлеродом кокса.
Некоторая часть кокса может поступать в фурменные очаrи снизу и paCXOДOBaTЬ
ся в них, что установлено и.r. Половченко [115] и не противоречит друrим исследо
ваниям [45,225]. Таким образом, процессы расходования уrлерода в насадке обеспе
чивают обмен кокса в ней и соответственно достаточную ее подвижность и прони
цаемость.
При фильтрации расплавов через коксовую насадку происходят процессы BOCCTa
новления оксидов и науrлероживания чуrуна, HarpeBa расплавов и насадки восходя..
щим rазом, расходования и разрушения элементов насадки, которые влияют на пара..
метры расплавов и насадки.
Результаты протекания совокупности этих процессов принято называть фильтра..
ционными свойствами расплавов и насадок. И.Н. Захаров, В.В. Фролов, Б.В. Ипатов,
С.В. Шаврин [244] при изучении указанных свойств установили струйныIй характер
течения шлака в коксовой насадке и показали, что скорость течения шлаков в насадке
неустойчива и зависит от хода восстановления РеО и образования на этой основе [e
тероrенной смеси, удерживаемой в насадке капиллярными силами.
Величина остатка в насадке увеличивается при снижении температуры и увеличе
нии вязкости расплава, а скорость течения шлака в насадках кокса размером 10 12
мм была значительно выше, чем в насадках кокса 5 7 мм. В опытах А.А. rиммель
фарба [89] также установлена сильная зависимость течения шлака в коксовой насадке
от процесса восстановления FeO и показано, что увеличение размера элементов на..
садки положительно влияет на фильтруемость шлака лишь до определенноrо значе..
ния, выше KOToporo это влияние нивелируется повышением rетероrенности расплава
за счет увеличения скорости восстановления РеО.
Для изучения динамики изменения состояния материалов в ходе HarpeBa с
последующей фильтрацией расплавов через коксовую насадку и.r. Товаровский,
Н.А. rладков и А.С. Нестеров [181 182] использовали установку, в которой предва
рительно восстановленные по [ОСТ 21707 76 материалы заrружались между слоями
кокса (рис. 55) и наrревались со скоростью 30 rрад.!мин до 1000 ОС, затем
7 rрад.!мин до 1600 ОС.
При исследовании различных шихтовых материалов установлено, что в процессе
фильтрации расплавов через коксовую насадку происходит сеrреrация компонентов,
в ходе которой часть расплава вытекает, друrая остается в насадке в виде туrоплав
кой массы, причем обе части reTeporeHHbI.
Остаток в насадке (6..48 % по массе) включает шлаковую и железоуrлеродистую
составляющие и характерен наличием повышенноrо количества СаО, MgO, С и по..
125
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
ниженноrо РеО в отличие от профильтровавшейся части, rде меньше СаО, MgO, С
и больше FeO. Статистическая обработка результатов исследования различных MaTe
риалов представлена уравнением связи массы остатка в насадке (М ОСН %) с содержа
нием компонентов (%) в исходных материалах (СаО, SiO l, MgO, А1 2 О з , FeO) и степе
нью их восстановления R по rOCT 21707 76 (%):
М ОСТ == 15,41 + 1,47.CaO 1,51.Si0 2 + 8,17.MgO 5,99. А120з 0,3.FеО+О,1.R.
При повышении рудной наrрузки в слое дренажные свойства расплава улучшают..
ся, несмотря на дополнительное измельчение кокса, что связано с повышением co
держания монооксида железа в шлаке.
В движущейся насадке не профильтровавшийся остаток расплава переносится в
нижерасположенные rоризонты и расплавляется с затратой высокотемпературноrо
тепла.
1
о}
t..I
3
4
5
6
7
10
II
12
Рис. 55. Схема установки по определению поведения железорудных
материалов и кокса в области температур 20 1600 ОС: 1 rрузы; 2
верхний сальник; 3 нажимной шток; 4 индуктор; 5 rрафитовая
труба; 6 верхняя решетка; 7 нижняя решетка; 8 окно камеры с
инертной атмосферой; 9 крышка; 1 О rрафитовый поддон;
11 устройство для вращения поддона; 12 несущая рама
126
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Развитие расчетных методов анализа
Расчетные методы анализа являются формализованным инструментом осмысле
ния процессов в количественной форме, опирающимся на общие законы природы.
Совершенство этоrо инструмента определяется уровнем познания общих законов и
корректностью их использования для анализа специфики изучаемых процессов. Ба
зовыми законами для замкнутых систем являются законы сохранения массы и энер
rии, использование которых при расчетном анализе доменной плавки предполаrает
решение двух основных задач:
1) изучение взаимосвязей параметров и показателей реальных доменных плавок;
2) проrноз ожидаемых показателей доменной плавки по заданным параметрам pa
боты.
Ана7UЗ реа7ЬНЫХ дO HeHHЫX п7авок
Использование балансовоrо подхода к анализу реальных результатов доменной
плавки характерно для всех этапов изучения процессов, начиная с книrи ж. AcceH
фратца ""Сидеротехника или искусство обрабатывать железные руды для получения
чуrуна, железа и стали" (1812), с тем лишь различием, что со временем возрастал
уровень познания и понимания закономерностей плавки. В первой половине ХХ века
плодотворность этоrо подхода наиболее ярко отразилась в трудах М.А. Павлова [8,
13,247].
Результативность анализа показателей реальной доменной плавки в большой мере
зависит от надежности исходных данных, на которые он опирается. Однако послед..
ние, как правило, отяrощены поrрешностями, величины которых неизвестны, что не
только осложняет анализ, но иноrда искажает ero результаты.
Изучая этот вопрос, А.Н. Рамм [248] показал, что основные расчетные величины
можно получить на основе трех балансовых уравнений уrлерода (С), азота (N) и со..
вмещенноrо кислорода и водорода (О), компонуя попарно балансы (С,О), (С, N) и (О,
N). При этом каждая пара балансов позволяет определить все расчетные величины,
но поrрешности определения этих величин при одних и тех же поrрешностях исход
ных данных различны. Наиболее приемлемы расчеты по балансам (С,О).
А.Б. Шур [249], составив уравнение совместимости исходных данных, получил
выражение для поправок, которые необходимо внести в эти данные, чтобы результа..
ты расчета были непротиворечивы. Выбор корректируемых параметров не может
быть формализован и является предметом специальноrо анализа и проверки исход..
ных данных.
В ходе анализа показателей доменной плавки на предприятиях России и Украины
и.r. Товаровский показал [24, 250], что выявление невязок балансов железа, шлако..
образующих и rазифицированных элементов является важнейшим компонентом aHa
лиза.
Разработана методика определения эквивалентных отклонений параметров при
внесении поправок в исходные данные и компьютерная система анализа источников
поrрешностей с определением наиболее вероятных '''истинных'' значений расчетных
показателей и параметров, а также их "зоны нечувствительности". Это увеличивает
надежность результатов анализа, а в наиболее трудных случаях позволяет, по MeHЬ
шей мере, избежать ошибочных выводов. Показана также решающая роль длитель
ности и повторяемости, принятых для анализа единичных периодов работы печи, а
также метода обработки результатов, на основе чеrо сформулированы принципы OT
бора и обработки данных [24, 250].
127
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
Про<'"'ноз показаll1елей пдавки
Проrноз показателей доменной плавки необходим для установления ожидаемых
показателей проектируемой технолоrии в случаях сооружения новых arperaToB, из
менения параметров, шихтовых условий и др. Для определения расходов компонен
тов шихты необходимо задать их соотношение, химический состав и необходимый
состав чуrуна при заданной (выбранной) основности шлака, затем составить и pe
шить систему линейных уравнений, в которой расход кокса считается известным.
Определение ожидаемоrо расхода кокса является отдельной задачей, решение KOTO
рой производится на основе уравнения тепловоrо баланса. Проблема совмещения
решений системы материальноrо и тепловоrо балансов создавала до средины ХХ Be
ка большие затруднения в определении показателей плавки. В 1936 rоду эта пробле
ма была решена теоретически cTporo и безупречно А.Н. Раммом [251, 252]. Для
""ручноrо" решения задачи и осмысления получаемых результатов потребовалось
ввести понятия ""тепловых эквивалентов" компонентов шихты и ""теплоотдачи" топ
лива. В результате решения определяются расходы кокса и всех компонентов шихты,
а также количество и состав шлака, колошниковоrо rаза и дутья на единицу чуrуна.
Общий вид системы уравнений материально тепловоrо баланса [48]:
По выходу чуrуна: L(111.e I1 J + s .e s == 1.
По основности шлака: L(111.R0 I1 J+ s.RO s == О.
По содержанию элементов в чуrуне: L(111 X;}J+ s == о.
По содержанию оксидов в шлаке или отн. массе шлака: L(l11, }J+ s.Ys == о.
По тепловому балансу: L(111.qI1J+ s.qs == о.
Здесь: 111, s расходы компонентов шихты и дутьевой добавки соответственно,
Kr/T чуrуна (м 3 /т);
е/ ш RO m , х,т У,т соответственно выход чуrуна из единицы компонента; избыток
(+) или недостаток ( ) оснований в материале при заданной основности шлака; избы
ток (+) или недостаток ( ) компонента в чуrуне; избыток (+) или недостаток ( ) окси
да в материале при заданном ero содержании в шлаке, Kr/Kr ;
qm тепловой эквивалент материала или затрата тепла на все превращения в печи,
а для топлива теплоотдача в печи, кДж/кr;
то же с индексом s для дутьевых добавок.
Уравнение тепловоrо баланса может быть составлено как для общеrо расхода теп..
ла, так и для нижней ""определяющей" зоны.
Для вычисления показателей плавки по уравнениям проrноза, помимо использо..
вания термохимических констант и ряда друrих, известных или принимаемых из
практики данных, требуется задать некоторые характеристики, зависящие от кинети
ческих особенностей восстановления оксидов и теплообмена в печи, а также xapaK
теристику скорости схода шихтовых материалов, зависящую от rазомеханики плав
ки. Удачный выбор значений указанных характеристик возможен при наличии боль
шоrо арсенала практических данных и в случае малой зависимости характеристик от
параметров плавки. В общем случае они требуют обобщения в виде простых уравне..
ний или соотношений, в результате чеrо система основных уравнений дополняется,
по меньшей мере, тремя уравнениями: для степени прямоrо восстановления (или за
меняющеrо ее показателя); для температуры колошниковоrо rаза (или заменяющеrо
ее показателя) при расчете по общему тепловому балансу либо для rраничной темпе..
ратуры зон и разности температур rаза и шихты на rранице зон при расчете по балан
су нижней 10НЫ; дЛЯ интенсивности плавки (или заменяющеrо ее показателя). Воз
можен также дополнительный ввод уравнения для теплопотерь с охлаждением и во
128
J. Развитие технолос">uи lf познание I1роцеССО6
внешнее пространство. Выбор таких соотношений и уравнений был предметом MHO
rочисленных работ [16 24, 30 39, 48, 124, 253 273], обобщение результатов которых
и.r. Товаровским [18,24, 250] показало следующее.
Наиболее универсальным показателем восстановительной работы rазов в печи яв
ляется степень прямоrо (или KocBeHHoro) восстановления, величина которой OДHO
значно определяет теплопотребность железо восстановительных процессов плавки и
зависит от меньшеrо количества факторов, чем, например, степень использования
восстановителей (СО и Н 2 ). Проrнозирование изменений степени KocBeHHoro BOCCTa
новления относительно базовоrо режима при изменении технолоrических парамет
ров возможно по уравнениям, основанным на использовании закономерностей кине
тики восстановления и устанавливающим связь степени KocBeHHoro восстановления с
количеством, составом восстановительных компонентов, их концентрацией в печном
rазе, а также долеи твердоrо уrлерода в столое шихты и временем восстановления.
Для расчета ожидаемой производительности доменной печи наиболее предпочти
тельно использовать показатель интенсивности по rазу, т.е. количество rазов, прохо
дящих в печи в единицу времени. Величину этоrо показателя относительно базовоrо
режима можно определить из выражения для потерь напора в печи, полаrая их по
стоянными В разных режимах либо изменяющимися пропорционально изменению
массы столба шихты, т.е. при условии постоянства степени уравновешения столба
шихты rазом.
Для расчета теплоотдачи топлива и расхода кокса по общему тепловому балансу
необходимо задать температуру колошниковоrо rаза, величина которой сильно изме..
няется при изменении режимов плавки и характера теплообмена в печи. Не меньше
изменяются и друrие показатели, например степень использования тепла. Наиболее
удачные выражения для изменения температуры колошниковоrо rаза в различных
режимах получил А.Н. Рамм [48]. В случае расчета по тепловому балансу нижней зо..
ны температура колошниковоrо rаза может быть вычислена по тепловому балансу
верхней зоны, но требуется задать температурную rраницу двух зон и разность TeM
ператур rаза и шихты на этой rранице. Вопрос о том, какую из величин можно удач
нее задать, остается дискуссионным [48], но несомненными являются более высокие
проrнозные возможности двухзонноrо баланса. Для реализации этих возможностей
И.r. Товаровский дополнил уравнения тепловоrо баланса уравнениями теплопереда
чи в двух зонах печи [18,24,250], что позволило решить задачу расчета всех указан
ных температур при задании величин двух коэффициентов теплопередачи (в верхней
и нижней зонах), зависящих только от свойств шихты и ее распределения по сечению
arperaTa. Аналоrичную методическую концепцию развивают А.В. Ченцов, Ю.А. Чес..
ноков, С.В. Шаврин [43]. При таком подходе на основе мноrовариантных расчетов
определяются не только ожидаемые выходные показатели плавки, но прослеживается
изменение характера теплообмена по высоте печи (rраничная температура зон).
Дальнейшее развитие этой методики идет по пути создания мноrозонной модели с
минимально возможным количеством задаваемых констант [274].
Для более детальноrо описания процессов доменной плавки систему балансовых
уравнений совмещают с системой уравнений, описывающих тепло и массообмен по
высоте [33..36, 41, 275 280], а иноrда в объеме печи [45, 46]. Такие описания, являю
щиеся развитием метода зональных балансов, принято называть кинетико математи"
ческими моделями в отличие от балансовых моделей. Условность этой классифика..
ции очевидна, если учесть, что для полноrо описания всех процессов по высоте и се..
чению печи недостает большоrо количества сведений о ходе превращений, а наибо
лее изученные закономерности отражены в виде простых зависимостей. Преимуще..
ством таких моделей является возможность анализа процессов в объеме печи (rлав
129
J. Развитие технолос">ии lf познание процеССО6
ным образом по высоте) при разных условиях протекания с установлением предель
ных состояний. Однако точность проrноза выходных параметров (расхода кокса, co
става и температуры колошниковоrо rаза, производительности и др.) не выше, чем в
случае применения простых кинетических зависимостей, описывающих изученные
закономерности. Друrие закономерности MorYT стать предметом моделирования
лишь в результате экспериментальноrо и аналитическоrо изучения.
Анализ особенностей построения и использования моделей показал [18], что их
адекватность реальным процессам зависит, rлавным образом, от степени изученно
сти процессов. Поскольку подстройка к реальным условиям по параметрам BHYTpeH
Hero состояния возможна лишь очень приближенно (скорее качественно), ее произ
водят по выходным параметрам (расход кокса, производительность, параметры чуrу
на, шлака и колошниковоrо rаза), что не позволяет дать однозначную оиенку aдeK
ватности модели реальным процессам. Это вызывает необходимость ввода эмпири
ческих коэффициентов, не являющихся константами, а скорее псевдоконстантами,
содержательная основа которых не всеrда однозначна. Несмотря на указанные труд..
ности модели, позволяют rлубже осмысливать процессы и ставить задачи дальней
шеrо изучения.
На данной стадии разработки требуемая степень адекватности модели определя
ется целью функционирования и характером решаемой задачи, а достиrнутая степень
адекватности возможностями изучения процессов плавки. Одна и та же модель MO
жет быть адекватной процессам плавки при одном способе функционирования и He
адекватной при друrом. В силу этоrо при моделировании всеrда требуется четкая по..
станов ка функциональной задачи модели. В зависимости от этой постановки одни
явления описывают более детально, друrие упрощают, третьими пренебреrают. В
v
некоторых случаях важна не столько детальность описания отдельных явлении,
сколько полнота учета всех существенных факторов. Вместе с тем, для разработан..
ных моделей характерна неравноточность описания явлений. В некоторых моделях
при детальном описании тепло и массообмена процессы rазомеханики произвольно
задаются, например, минутным расходом дутья, а разрушение шихтовых материалов
в ходе превращений вовсе не учитывается. Не отражены мноrие процессы, оказы
вающие влияние на ход плавки.
В силу изложенноrо для проrноза выходных характеристик плавки на данном
этапе развития целесообразно использовать относительно простые зависимости для
тепло.. и массообмена, rазомеханики и др. процессов, совмещенные с балансовыми
уравнениями, результаты которых леrко контролировать данными практики. Более
сложные построения целесообразно использовать для анализа и осмысления внут"
peHHero состояния процессов плавки. Авторы работы [46], например, автономно ре..
шают задачу проrноза выходных показателей плавки в рамках балансовой модели с
рядом допущений, а результаты используют для изучения процессов при помощи
двумерной математической модели.
Использование результатов, полученных на охлажденных доменных печах, и экс
периментальных исследований действующих печей при обобщении теоретических
знаний о процессах позволило значительно продвинуть разработку комплексной MO
дели доменной плавки [45,46]. В условиях возрастания возможностей численноrо
моделирования и при условии дальнейших исследований процессов это позволяет
надеяться на возможность создания в будущем модели BbIcoKoro проrнозноrо и ана..
литическоrо уровня.
130
2. Пока'Заmели до.\lенноЙ плавки
"МаI11е V1аI11ическиЙ фОр V1а 7из.V1 оказываеl11 COeepUleHHO
удивllll1е 7ЬНУIО услуzу в деле описания сложных eellfezI...
МаI11е.иаI11ика, как чаСl110 случаеl11СЯ, БЫ.7а у.ннее, че.V1
"
lIНI11ерпреl11аl110рская ..'ИЫСЛЬ
м. БОРI' (1882 1970)
2. ПОКАЗАТЕЛИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
2.1. Сравнение показателей
Различие в показателях работы доменных печей определяется совокупностью yc
ловий, включающих качество шихты и конструктивные особенности arperaToB, па
раметры технолоrии и особенности ее орrанизации, а также методы контроля и
управления процессами плавки.
Сопоставление комплекса показателей и параметров плавки в различные периоды
и для разных arperaToB позволяет выявить основные факторы, определяющие разли
чия, и наметить пути улучшения показателей с позиций производительности, эконо
мичности, качества выплавляемоrо металла и друrих критериев.
В табл. 2.1. даются пределы значений показателей и параметров работы отдель
ных доменных печей России и Украины за 1998 rод и лучший rод предшествующеrо
периода развития доменноrо производства 1988 rод.
Показатели 1988 r. 1998 r.
У дельная производительность, 0,6 . 2,7 0,4 . 2,6
т/(м 3 сут.) . .
Расход кокса (сух.), Kr/T чуr. 418 . 551 422 . 766
. .
Выход шлака, Kr/T чуr. 308 . 729 272 . 597
. .
Расход флюсов, Kr/T чуr. О + 157 О + 1 77
Вынос пыли (уловленной) Kr/T чуr. 6 + 85 6 + 117
Дутье: температура, ос 861 + 1224 786 + 1154
кислород, % 21 + 35 21 + 30
Расход природноrо rаза, м 3 /т чуr. 56 + 159 53 + 123
Колошник. rаз: давление, кПа 40 + 216 75 + 205
состав, % : С0 2 16 + 22,3 14 + 20,4
СО 23 . 28 22 . 28
. .
Н 2 4,0 . 9,7 4,0 . 9,0
. .
Содержание в чуrуне, %: Si 0,65 . 0,94 0,47 . 1,50
S 0,016 . 0,031 0,014 . 0,036
. .
Основность шлака (CaO/Si0 2 ) 0,91 . 1,26 0,92 . 1,27
. .
Содержание в коксе, %: влаrа 1,5 + 4,7 0,8 . 5,2
.
сера 0,3 + 1,7 0,4 + 1,6
зола 9,2 + 12,4 10,8 + 12,2
МI0 5,6 . 9,3 6,9 + 10,5
.
М25 74,4 + 89,1 74,7 + 88,9
Таблица 2.1. Пределы значений показателей и параметров работы
70 различных доменных печей России и Украины
131
2. Показатели дО.\lенноЙ плавки
Снижение удельной производительности (увеличение КИПО) дЛЯ одних и тех же
печей при ухудшении условий их работы с 1988 до 1998 rода достиrает 45 %, а на
печах, работающих в разных условиях, удельная производительность (КИПО) отли
чается в 2 3 раза.
Ежеrодный анализ работы указанных печей, выполнявшийся в течение 1967..1995
rодов, позволял выявлять тенденции развития и намечать пути улучшения показате
лей (отчеты ИЧМ при участии rруппы институтов и предприятий "Анализ работы
доменных печей". Рук. з.и. Некрасов, И.r. Товаровский).
В реальных шихтовых условиях бывшеrо СССР в период социальной стабильности
(до 1991 r.) на лучших доменных печах достиrалась среднемесячная производитель
ность 2,5 3,0 т/(м 3 .сут.) при удельном расходе кокса 390 400 Kr/T чуr. Среднеrодовая
удельная производительность выше 2 т/(м 3 .сут.) и расход кокса 410 450 Kr/T чуr. были
на 23 доменных печах России, а на 3 4 печах Украины среднеrодовой расход кокса
был 460 470 Kr/T при удельной производительности 1,6 1,75 т/(м 3 .сутки). При этом на
отдельных доменных печах достиrали температуры дутья 1200 1250 ОС, KOHцeHTpa
ции кислорода 35..40 %, расхода природноrо rаза 170 180 м 3 /т, мазута 100 Kr/T, пыле
уrольноrо топлива до 100 Kr/T чуrуна.
На Макеевском меткомбинате была освоена технолоrия доменной плавки с BДY
ванием KOKcoBoro rаза до 250 м 3 /т чуrуна при полной замене природноrо rаза и co
кращении расхода кокса. Эта технолоrия непрерывно использовалась на 2..3 печах в
течение 1980..1992 rr. до износа трубопроводов rазопередачи. Мноrолетний опыт
производства чуrуна по указанной технолоrии является уникальным. Не менее уни"
кален опыт Донецкоrо завода по вдуванию пылеуrольноrо топлива совместно с при
родным rазом (с 1980 rода до настоящеrо времени). Серьезные достижения по BДYBa
нию мазута и повышению эффективности ero использования имелись на KaparaH
динском меткомбинате.
Важнейшим компонентом технолоrии было эффективное управление ходом плав
ки на основе контроля параметров. На предприятиях использовали радиометриче..
V v
скии контроль уровня засыпи материалов, автоматизированныи контроль состава
колошниковоrо rаза и rаза по радиусу печи, непрерывный контроль влажности кокса
с корректировкой ero расхода, контроль уровня жидких продуктов плавки, расхода
природноrо rаза по фурмам и др.
Просматривались четкие перспективы совершенствования технолоrии с uелью
достижения лучших показателей в сложившихся условиях.
Однако кризисные явления в социально экономической сфере после 1991 r. не по
зволили реализовать имеющиеся технические возможности и отбросили технолоrию
на низкий уровень, характеризуемый приводимой в табл. 2.2. и 2.3. динамикой oc
новных показателей работы доменных печей Украины и России за 10 лет спада [281].
В Украине производство чуrуна сократилось в 2 2,5 раза (с 46,5 до 17,8 20,9 млн
тонн в rод), а расход кокса увеличился на 20 % (с 497 до 596..615 Kr/T). Наряду с
уменьшением количества работающих доменных печей с 55 до 39 в 1,5 раза умень"
шилась их производительность и в 2,5 раза увеличились текущие простои (в том чис..
ле аварийные).
В России сокращение производства чуrуна и производительности доменных пе..
чей было также значительным (с 61,4 до 37 млн Т В rод) при более высоких простоях
(5, 1 8,7 %), а увеличение расхода кокса не столь большим (с 469 до 494 Kr/T).
Общие социально экономические причины спада производства в России и Украи
не обусловили и ряд перечисляемых ниже общих технических и технолоrических
факторов уменьшения эффективности выплавки чуrуна.
132
2. Показатели дО.\lенноЙ плавки
Таблица 2.2. Изменение основных показателей доменной плавки в Украине
По казатеwlи ]989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
Количество
доменных 55 55 53 53 50 47 46 4] 40 39 39 40
печей
Производство 46,5 44,9 36,6 35,3 27,0 20,2 ] 8,0 ] 7,8 20,6 20,9 23,0 25,7
ч) rYHa, М..1Н т
Производи
Te..lbIlocTb, ] ,67 ] ,60 ] ,32 ] ,43 ],] 9 0,94 н.д. 0,98 ] ,07 ],] 3 ] ,22 ] ,3 ] 6
т/м 3 сут.
Простои, % 2,3 2,7 9,7 4,7 6,4 6, ] 5,9 5,8 5,9 5,4 5, ] 3,4
Тихий ход, % 1,7 1,8 2,4 3,4 4,3 2,0 2,4 3,5 3,0 2,0 ] ,6 1,5
Расход кокса на
передельный 497 5]0 524 528 57] 628 630 6]5 599 596 577 557
чуrун, Kr/T
Расход природ ] 1 О ]12 115 106 84 68 66 71 84 77 82 86
HOI O rаза, м 3 /т
Количество 460 450 467 464 47] 5]2 5]2 507 504 503 504 489
Шwlака, Kr/T
Расход cbIporo 42 45 53 52 55 69 80 78 80 70 68 60
ф..lюса, Kr/T
Расход кисло 115 120 122 106 84 61 56 56 79 57 59 64
рода, м 3 /т
Температура ]075 ]060 1036 1027 963 896 889 916 928 939 988 ]00]
дутья, ос
Содержание Si 0,85 0,88 0,94 0,89 0,96 1,00 1,02 1,01 0,98 0,98 н.д. н.д.
в ЧУI уне, %
Таблица 2.3. Изменение основных показателей доменной плавки в России
По казатели 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Количество дo 63 63 63 62 6] 6] 61
менных печей н.д. Н.Д. Н.Д.
] 1 роизводство 61,4 59,2 48,8 46,0 40,8 36,5 39,2 37,0 36,9 Н.Д.
чуrуна, MwlH Т
] lроизводите..1Ь 1,99 1,96 ] ,69 1,69 ] ,58 ] ,44 1,58 1,48 1,49 н.д.
ность, т/м 3 сут.
] lростои, % 1,5 2,0 8,6 5,1 6,8 8,7 6,1 6,5 6,7 Н.Д.
Расход кокса, KI /T 469 469 471 475 481 490 486 493 485 494
Расход природно 100 ]02 ]0] 104 103 95 97 87 88 84
ro I аза, м 3 /т
Количество шла 370 378 360 362 363 365
ка, Kr/T н.д. н.д. н.д. н.д.
Расход флюса, 7 7 6 1 1 10 7 н.д. н.д. н.д. Н.Д.
Kr/T
Температура ДY ] 114 1106 1 1 ] 1 1106 1101 1096 ]095 ]081 ]090 1090
тья, ос
133
2. Показатели дО.\lенноЙ плавки
По коксу:
ухудшение марочноrо состава уrлей за счет сокращения доли спекающихся;
отсутствие необходимой оперативности в оценке состава и физико механи
ческих свойств кокса и отсутствие контроля ero физико химических свойств;
отсутствие на большинстве доменных печей контроля влажности кокса и COOT
v
ветствующеи корректировки ero массы при заrрузке в печь;
недостаточное использование фракций 40 25 и 25 1 О мм.
По железорудному сырью:
недостаточная оперативность контроля химическоrо, rранулометрическоrо co
ставов и прочностных свойств сырья, а также отсутствие контроля ero физико хими
ческих свойств;
приостановка процесса перестройки шихтоподач доменных печей на конвей..
ерную систему с отсевом мелких фракций перед заrрузкой.
По технолоrическому режиму плавки и орrанизации технолоrии:
снижение температуры дутья и расхода природноrо rаза (особенно на предпри
ятиях Украины);
длительные задержки и недостаточный объем выполнения капитальных peMOH
тов доменных печей и воздухонаrревателей, приводящие к авариям и длительным
простоям arperaToB;
допущение продолжительной работы доменных печей ""тихим ходом", приво
дящее к дестабилизации режима плавки и рабочеrо профиля arperaTa;
v
отсутствие реrулярноrо контроля состава rаза по радиусу печеи и соответст..
вующих возможностей управления режимом заrрузки материалов;
отклонения от установленноrо rрафика выпусков чуrуна и шлака даже при ма..
лоинтенсивной работе arperaToB, приводящие к дестабилизации хода плавки и проrа..
v
ру охладительнои арматуры;
v
мноrочисленные нарушения технолоrических инструкции и недостаточное их
знание и понимание персоналом доменных печей;
ослабление внимания к подrотовке и повышению квалификации технолоrиче
cKoro персонала доменных цехов.
За период упадка металлурrии Украины и России в мировой металлурrии произош
ли серьезные положительные сдвиrи в технолоrии и технике производства чуrуна.
Развитие технолоrии на передовых предприятиях мира идет по пути улучшения
качества сырья и кокса, совершенствования параметров режима плавки и управления
процессами. Наряду с предприятиями Японии в последние rоды наилучших показа..
телей добились предприятия Западной Европы фирмы Thyssen (rермания), Taranto
(Италия), Sidmar (Бельrия), Hoogovens (rолландия), Кrиpp Hoesh (rермания),
SOLLAR (Франция), British Steel (Великобритания) [282].
На этих предприятиях ряд крупных доменных печей (диаметр ropHa 9..14 м) рабо..
тают с расходом кокса 300 350 Kr/T чуrуна при удельной производительности 2,1
2,9 т/м 3 сут. Это достиrается за счет использования боrатой шихты (выход шлака 220
300 Kr/T чуr.) с полным ее офлюсованием (расход cbIporo флюса близок к нулю) и
удалением мелочи (содержание фракции 5 мм менее 5 %), а также применения
прочноrо стабилизированноrо кокса, содержащеrо 85 90 % фракции зо 75 мм, KOTO
рая сохраняется в ropHe на 90..95 %, и вдувания пылеуrольноrо топлива. При этом
широко используется заrрузка KOKcoBoro "орешка" 20..40 Kr/T чуr. В случае использо
вания большоrо количества окатышей с низкой основностью основность аrломерата
достиrает 1 ,9 2,0 ед. Технолоrия доменной плавки включает HarpeB дутья до 1200
1250 ос при невысоком обоrащении ero кислородом (на 3 5 %) и вдувание пыле
уrольноrо топлива (150..180 Kr/T). Большое внимание уделяется управлению распре..
134
2. Показатели дО.\lенноЙ плавки
делением материалов на колошнике. В rолландии и rермании, в частности, широко
применяют заrрузку кокса в центр, а во Франuии заrрузку к центру HeKoToporo KO
личества крупноrо железорудноrо материала. Оперативность управления распреде
лением шихты обеспечивается применением лотковых заrрузочных устройств.
Резервы дальнейшеrо улучшения показателей плавки иллюстрируются результа
тами работы доменной печи N26 Hoogovens (2328 м 3 ) в течение июня декабря 1992
rода с удельной производительностью 2,59 т/(м 3 сутки) при расходе кокса 249 Kr/T и
дополнительно KOKcoBoro "орешка" 37 Kr/T с вдуванием пылеуrольноrо топлива
195 Kr/T. В декабре расход кокса достиr 236 Kr/T при расходе "орешка" 36 Kr/T и пы
леуrольноrо топлива 212 Kr/T.
Задача реанимации доменноrо производства CHr в сложившихся социально эко
номических условиях потребовала разработки стратеrии развития технолоrии на Ka
ждом предприятии и последовательноrо решения комплекса структурно финансо
вых, орrанизационно .. хозяйственных и научно.. технических проблем [281].
Прежде Bcero, потребовалось определить минимальную потребность чуrуна в
сложившихся конъюнктурных условиях И величину колебаний потребности. Без это
[о невозможна орrанизация любой технолоrии, тем более современной высокоэко
номичной и интенсивной. Именно такая технолоrия должна быть орrанизована на
rруппе доменных печей, предназначенной для обеспечения стабильной минимальной
потребности чуrуна. При этом наряду с лучшей подrотовкой шихты, более высоким
HarpeBoM дутья и вдуванием топливных добавок, на этих печах целесообразно обо
fащение дутья кис"лородом, что отвечает задаче интенсификации работы rруппы
печей и не противоречит общему оrраничению объема производства в цехе. На неко"
торых печах может быть использована подача в дутье азота для оперативноrо pery..
лирования производительности при неожиданных изменениях потребности чуrуна.
Друrие приrодные для эксплуатаuии доменные печи после доработки и освоения со..
ответствующих технолоrий MorYT быть частично или полностью использованы для
rазификации некоксующихся уrлей с пополнением rазовой системы предприятия,
утилизации отходов и выполнения друrих энерrетических и санитарно
эколоrических функций с периодическим переходом при возрастании потребности
чуrуна на интенсивную технолоrию.
При такой орrанизации технолоrии на rруппе интенсивно работающих доменных
печей будут востребованы наиболее эффективные технолоrические и конструктив
ные разработки предшествующеrо периода развития доменноrо производства, к чис..
лу которых относятся:
способы улучшения свойств шихты и заrрузки ее в печь;
рациональный ввод природноrо rаза и друrих топливных добавок в фурменный
прибор и распределение их по фурмам в соответствии с расходом дутья;
рациональное распределение ресурсов между аrреrатами;
управление параметрами режимов доменной плавки "сверху" и "снизу" (в том
числе с использованием АСУТП) дЛЯ достижения устойчивоrо хода плавки с мини
мальным расходом кокса;
формирование состава шихты и управление ходом ее превращений в печи,
обеспечивающих выплавку чуrуна требуемоrо состава.
За счет стабилизации условий работы в период после 2000 rода и реализации не..
которых из перечисленных выше мер на доменных печах достиrнуто увеличение BЫ
плавки чуrуна и сокращение расхода кокса (табл. 2.4).
Начавшийся в 2008 rоду мировой финансово"экономический кризис с остановкой
ряда доменных печей (в Украине 50%) является для доменноrо производства серь..
езным испытанием, которое периодически повторяется. В силу зтоrо долrовременная
135
2. Показатели дО.\lенноЙ плавки
стратеrия дальнейшеrо улучшения показателей доменной плавки должна базировать
ся не только на совершенствовании технолоrии, но также учитывать возможность
BpeMeHHoro спада и предусматривать охранные меры в виде перевода некоторых дo
менных печей в режим rазификации уrлей, выплавки ферросплавов и др. (см. выше).
Таблиuа 2.4. Выплавка чуrуна (ВЧ, млн. т в rод) и удельный расход кокса (К, Kr/T)
Страны Показатели 2001 r 2002 r 2003 r 2004 r 2005 r 2006 r 2007 r
Украина ВЧ 26,4 27,6 29,5 31,1 30,8 33,1 35,7
К 548,5 540,0 517,9 501,3 489,4 498,5 503,8
Россия ВЧ 45,0 46,7 48,4 49,8 48,4 51,7 51,5
К 457,3 449,8 448,9 458,5 448,2 441 ,7 439,7
Сопоставительный анализ показателей и параметров работы доменных печей не
всеrда позволяет выявить причинно следственные связи и сделать однозначные BЫ
воды о причинах различия. Это обусловлено неполнотой используемой информации
и содержащимися в ней поrрешностями различной природы, а также неполнотой
учета и недостаточной изученностью отдельных факторов. В таких условиях во из
бежание ошибочных суждений с целью повышения достоверности выводов приме
няются специальные расчетно аналитические приемы, содержание которых излаrает
ся в последующих параrрафах настоящей rлавы.
2.2. Балансовые методы анализа
В основе балансовых расчетов лежат законы сохранения массы и энерrии. Уравнение
материальноrо баланса основано на равенстве масс входящих и выходящих веществ
Уравнение тепловоrо баланса отражает равенство количеств подведенноrо к процессу и
потребленноrо в нем тепла с учетом всех физических и химических превращений.
Баланс является статической характеристикой динамическоrо проuесса. Состав..
ленный по усредненным данным за длительный период работы печи он характеризу..
ет распределение масс и тепла в установившихся режимах. Сравнение балансов раз..
личных установившихся режимов позволяет изучать особенности проuесса и на ос..
нове этоrо проrнозировать характер ero течения при изменении условий. MrHoBeH"
ный баланс характеризует состояние проuесса в каждый момент времени и использу..
ется для изучения ero динамических особенностей, т. е. характера распределения
масс и энерrии во времени при переходных режимах. Это необходимо для оператив
v
Horo управления плавкои.
От характера функционирования модели проuесса зависят форма балансовых
уравнений и способ их решения. Материально тепловой баланс, составленный при
менительно к действующему проиессу, по форме отличается от баланса проектируе
мой плавки. В первом случае исходными данными являются результаты измерений и
термохимические характеристики, а результатом невязки балансов, обусловленные
поrрешностями измерений и учета. Во втором случае основные параметры работы
печи задаются, а расход материалов и результирующие характеристики плавки (про..
изводительность, расход кокса, выход шлака, rаза и др.) определяют из системы ба..
лансовых уравнений. При этом величины, зависящие от кинетических особенностей
восстановления и теплообмена, принимают на основе практических данных или pac
считывают, исходя из простейших зависимостей. Для оперативноrо проrноза и
управления тепловым режимом используют форму балансов, при которой известны
ми являются состав колошниковоrо rаза, температура и состав дутья, состав шихты и
v
др., а результирующие характеристики, непосредственно влияющие на критерии теп
136
2. Показатели дО.\lенноЙ плавки
ловоrо состояния печи, определяют из балансовых уравнений с учетом динамических
особенностей доменной печи.
Матерuа..1ЬНЫЙ ба..1анс
Общий материальный баланс составляется, как правило, на единицу чуrуна. При
ходная часть баланса включает количество (в килоrраммах) железорудной шихты
(аrломерата, окатышей, руды, металлодобавок); MapraHueBbIx и флюсующих добавок
(если они не входят в состав железорудной части); кокса; дутья и дутьевых добавок
(rазообразных, жидких, твердых). В расходной части баланса фиксируется количест
во (в килоrраммах) чуrуна; шлака; колошниковоrо rаза и пыли.
Балансы отдельных элементов и оксидов различаются формой в зависимости от
Toro, какими компонентами шихты и дутья вносится каждый из них и с какими про
дуктами он уносится из печи. Уравнение баланса любоrо элемента Х имеет следую
щий вид:
L pjX j + ФХ фл +ТХ l1l + kX K + y x д + sX s == [Х]+ u(x)+ ПХ п + v;X r , (2.1)
,
rде Pi, qJ, Jn, k, V д , s расход соответственно i Toro железосодержащеrо компонента
(руды, аrломерата, окатышей), флюса, марrанцевой или маrнезиальной добавки, KOK
са, дутья (влажноrо) и дутьевой добавки, кr(мЗ)/кr чуrуна; и, п, v; выход COOTBeT
ственно шлака, колошниковой пыли и rаза (влажноrо), кr(мЗ)/кr чуrуна.
Состав уравнения для разных элементов неодинаков. По признаку преимущест
BeHHoro перехода в жидкие или rазообразные продукты плавки все основные элемен
ты и оксиды, участвующие в доменном процессе, разделяют на две rруппы:
1) Ре, Мп, Р, S, СаО, SiO l, MgO, А1 2 О з образуют чуrун и шлак. Баланс этих KOM
v
понентов является основои расчета шихты;
2) С, О, N, Н переходят в rаз. По балансу этих элементов рассчитываются OCHOB
ные характеристики работы rазовоrо потока (количество и состав rазов, степень ис..
пользования их восстановительной способности, rазодинамические параметры и др.).
Расчет шихты заключается в определении расхода ее компонентов. Для этоrо со..
ставляют и решают систему уравнений, связывающих расходы компонентов с задан..
ным составом чуrуна и шлака, а также относительным количеством шлака. Число
уравнений должно быть равно числу компонентов шихты, расход которых требуется
определить. При известном расходе кокса (расчет расхода кокса и ero совмещение с
расчетом шихты рассмотрены ниже в данной rлаве), заданном расходе дутьевой дo
бавки и заранее определенном среднем составе железорудной шихты для вычисления
ее расхода и расхода флюсов в шихту (сырых или в составе аrломерата) при заданной
основности шлака необходимо составить и решить два уравнения [8] соответственно
по выходу чуrуна и по основности шлака:
ре р + фефл + ке к + se s == 1, (2.2)
pRO p +qJRОфл +KRO K +sRO s o, (2.3)
rде р, ф, k, s расход соответственно железорудной шихты, флюса, кокса и дутьевой
добавки, Kr/Kr; е выход чуrуна на единицу соответствующеrо материала, Kr/Kr;
R O содержание '''свободных'' оснований, выражающее избыток (или недостаток)
оснований в данном материале при заданной основности шлака, Kr/Kr материала.
Теоретический выход чуrуна из единицы любоrо компонента шихты составляет
Fe llFe + Мп llMn + р II p + ...
е==
1,0 [C] [Si] [S]
,
(2.2а)
137
2. Показатели дО.\lенноЙ плавки
rде Ре, Мп, Р содержание соответствующих элементов в рассматриваемом материале,
Kr/Kr; [С], [Si], [S] заданное содержание элементов в чуrуне, Kr/Kr; 11 степень yc
воения элементов, Kr/Kr: 11 == (l..л)( 1 Jl); л степень улетучивания элемента; Jl OTHO
сительная потеря элемента в шлаке.
Форма выражения для определения содержания ""свободных" оснований зависит
от Toro, каким показателем задана основность шлака а:
если а == (СаО + MgO) / (Si0 2 + АI 2 О з ),
то RO = СаО + MgO а{(1 Asi )Si0 2 2,14e[Si]+ АI 2 О з }; (2.3а)
если а == (СаО + MgO) / SiО ъ
то RO = СаО + MgO а{ (] ЛSi) Si0 2 2,14е [Si] }, (2.3б)
если а == СаО / SiО ъ
то RO =СаО а{(] ЛsJSiО2 2,14e[Si]}. (2.3в)
В случае необходимости обеспечения заданноrо содержания некоторых элементов в
чуrуне и оксидов в шлаке, например Мп и Р в чуrуне, MgO, А1 2 О з в шлаке, систему
основных уравнений требуется дополнить уравнениями баланса этих компонентов:
Р МП р +ХI МП ХI + q JМП фл +k Мп к +s мп s =0, (2.4)
р р р + х 2 Р Х2 + qJ Р фл + k Р к + s Р s = О , (2.5)
p MgO р + )'1 M gO УI + qJMg O фл + kMgO к + sM gO s = о, (2.6)
рАl 2 О з р + )'2 Аl 2 О з .\'2 + qJAl 2 0 3 фл + k Аl 2 О з к + sАl 2 О з s = О , (2.7)
rде Xl, Хъ Yl, У2 подлежащие определению расходы соответствующих компонентов
шихты, которые обе спеч и вают заданное содержание Мп и Р в чуrуне, MgO и А1 2 О з В
шлаке, Kr/Kr; Мп , Р ,МgО,А]20з избыточное (или недостаточное) количество соот..
ветствующих элементов и окислов в рассматриваемом материале при заданном co
держании их в чуrуне и шлаке, Kr/Kr материала.
Дополнительные компоненты шихты, вводимые для обеспечения заданных усло
вий, должны существенно отличаться от остальных содержанием соответствующих
элементов или окислов, т. е. должны обеспечивать выполнение поставленных усло..
вий. В противном случае, а также при несовместимости некоторых условий результат
решения системы уравнений может дать отриuательные значения расходов отдель..
ных компонентов.
Расчет показателей работы rазов на основе баланса rазифиuируемых элементов
(С, О, N, Н) производят для двух случаев, различающихся исходными данными:
а) проектируемой плавки (исходными данными, кроме расхода и состава шихты,
являются расход кокса, определяемый из тепловоrо баланса, и степень прямоrо BOCCTa
новления, заданная на основе практических данных или полученная друrим путем);
б) действующеrо проuесса (коrда известны расходы и состав шихтовых материа
лов и кокса, химический состав колошниковоrо rаза, расход дутья и друrие измеряе..
мые величины).
Расчеl11 д.,7Я nроеКl11ируе./wоЙ плавки
(обозначения и nринциn расчеl11а по А. Н. Раи.иу)
1. Количество кислорода, отнимаемоrо прямым путем, определяется одним из
v v
трех выражении в зависимости от Toro, какои из индексов прямоrо восстановления
(rc/, Rcl' R d ) задан:
138
2. Показатели дО.\lенноЙ плавки
0d 1'"d02 +0з,
0d RdOR'
Od RdОш O,504 05'
(2.8)
rде rd доля Bcero железа, восстанавливаемоrо из монооксида железа прямым путем;
Rd отношение количества кислорода, отнятоrо прямым путем, ко всему количеству
кислорода, отнятоrо при восстановлении "металлических" оксидов (OR, Kr/кr чуryна); Rd
доля Bcero rазифицируемоrо кислорода шихты (Ош, Kr/Kr чуrуна), переходящая в rаз
в виде со; 02, 0з, 04, 05 количество кислорода, отнимаемоrо от монооксида желе
за, трудновосстановимых элементов и переходящеrо в rаз из карбоната и летучих
веществ кокса соответственно, Kr/Kr чуrуна.
2. Расход уrлерода на прямое восстановление, Kr/Kr чуrуна:
C d == (12/16) Od.
3. Количество уrлерода кокса, сrорающеrо у фурм, Kr/Kr чуrуна:
С ф == С [С] .. C d ,
rде С общий расход уrлерода кокса, Kr/Kr чуrуна;
TBopeHHoro в чуrуне, Kr/Kr чуrуна.
4. Расход cyxoro дутья, M 3 /Kr чуrуна:
0,933С ф + s[0,5(C) (О)]
V
д т + 0,5tp ,
rде 0,933 == 22,4 : (2 . 12); s расход дутьевой добавки, м 3 (Kr)/Kr чуrуна; ( С ), ( О )
содержание соответственно rазообразноrо уrлерода и кислорода в добавке, M 3 /M 3 (Kr);
йJ, qJ содержание кислорода и влаrи в дутье, м 3 /м 3 .
В том числе атмосферноrо воздуха
(2.9)
(2.1 О)
[С] количество уrлерода, pac
(2.11 )
v = то т V
а.В Д
то та
(2.11а)
и технолоrическоrо кислорода
V т та V
Т.К Д ,
то та
[де Щ, Щ содержание 02 соответственно в технолоrическом кислороде и aTMO
сферном воздухе, м 3 /м 3 .
5. Выход фурменноrо rаза и отдельных ero компонентов, M 3 /Kr чуrуна:
V Ф Vд(l+т+2tp)+[s(Н)+(N)], (2.]2)
224
V co 1 С ф +s(C), (2.l2a)
V H2 Vдtp+s(Н), (2.12б)
V N2 Vд(1 т)+s(N), (2.12в)
rде ( Н ), ( N ) содержание соответственно водорода и азота в добавке, м 3 /м 3 (Kr).
6. Количество монооксида уrлерода и водорода, поступающее в зону непрямоrо
восстановления, M 3 /Kr чуrуна:
CO L V CO +(22,4/12)Сd+Ч'СО2С02СаО +kCO k , }
(2.13)
H 2L V H2 + (22,4/2)kH К + 'Р Н20 Н 2 О"иt\р
rде k расход кокса, Kr/Kr чуrуна; Н К содержание водорода в коксе, Kr/Kr.
7. Количество кислорода, отнимаемоrо непрямым путем, Kr/Kr чуrуна:
Oi == OR" Od. (2.14)
(2.11 б)
139
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
8. 06щая степень использования rаза
11 == 1 ,40/(CO +H2 ).
9. Расход соответственно монооксида уrлерода и водорода на непрямое BOCCTa
новление, M 3 /Kr чуrуна:
CO i == (22,4/16) aO i'
H 2i == (22,4/16)(l a)Oi'
(2.15)
(2. 14а)
(2.146)
[де а доля кислорода непрямоrо восстановления, отнимаемая монооксидом уrлеро..
да.
Величина а определяется отношением количеств водорода и монооксида уrлеро
да, поступающих в зону непрямоrо восстановления (H2 , CO ), И степеней использо
вания водорода и монооксида уrлерода ( l1Н 2' 11со):
а == OiCO llCO CO L ] , (2.16)
OiCO +OiH 2 ll CO CO L +llH 2 H 2L 1+ H2L/COL
rде задаваемая величина отношения 11 Н2/ 11со (06ычно в пределах от 0,9 до 1,2).
10. Выход и состав колошниковоrо rаза: выход определяется равенством, M 3 /Kr
чуrуна:
V r == CO 2 +CO+CH 4 +H 2 +N l, (2.17)
rде
С0 2 == CO i +С02карб .. 'VC02C02CaO+ k С0 2к , (2.17а)
СО == CO L .. CO i , (2.176)
СН 4 == k СН 4к , (2.17в)
Н 2 == H 2L ..H 2i , (2.17r)
N 2 == V N2 + k N к, (2.1 7 д)
rде С0 2 карб содержание С0 2 в карбонатах шихты, M 3 /Kr чуrуна; 'v СО 2 степень раз..
ложения С0 2 кар60ната кальция; Н 2 О хим содержание rидратной влаrи в шихте, M 3 /Kr
чуrуна; 'VH2 0 степень разложения rидратной влаrи; С0 2к , СО к ,СН 4к , N K содержа
ние соответствующих компонентов в коксе, M 3 /Kr кокса; состав cyxoro rаза (м 3 /м 3 )
v
находят из соотношении:
со 2 == со 2 / V r , со == со / V r ' 1 I 2 == Н 2 / V r И т. д.
Расчеl11 д 7Я деЙС/11вУЮllfеzо процесса
Основой расчета является 6аланс четырех rазифицируемых элементов [9]:
уrлерода, Kr/Kr чуrуна:
12 f;:;;:; )
\СО2 +СО +СН4 V r ==С ш +s(C),
22,4
водорода, M 3 /Kr чуrуна:
( ) 22 4
Н2+2СН4 V r +H 2 0== ' Нш+s(Н)+V д <{)'
2
кислорода, M 3 /Kr чуrуна:
( ) 22 4
\СО2 +0,5СО V r +0,5Н 2 О == ' ОШ + s(O) + У д (ro+О,5<{)),
32
азота, M 3 /Kr чуrуна:
22 4
N2V r == ' N ш +s(N)+Vд(l w),
28
(2.18)
(2.19)
(2.20)
(2.21 )
140
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
rде С ш , Н ш , Ош, N ш количество соответственно уrлерода, водорода, кислорода и азо
та, переходящих в rаз из шихты, Kr/Kr чуrуна; s расход дутьевой добавки, мЗ(кr)/кr
чуrуна; (С) содержание уrлерода в дутьевой добавке, кr/мЗ(кr); Н 2 О разность KO
личества водорода, переходящеrо в rаз из шихты и дутья, и количества водорода в
сухом колошниковом rазе, включающеrо влаrу восстановления и разложившуюся
влаrу шихты (с обратным знаком), мЗ/кr чуrуна.
В уравнениях (2.18) (2.21) неизвестными являются V r , V д И Н 2 О. Последняя Be
личина может быть исключена из уравнений баланса кислорода и водорода; в резуль
тате совмещенное уравнение баланса кислорода и водорода имеет вид:
(<=0 2 +0,5 CO 0,5 H 2 CH 4)Vr ==Vдro s[0,5( Н ) ( 0 )]+0,70ш 5,бlIш. (2.22)
Из уравнений баланса уrлерода, азота и cOBMecTHoro уравнения для кислорода и
водорода две неизвестных величины (V r И V д ) MOrYT быть определены тремя способа..
ми. Методы расчета названы А. Н. Раммом соответственно методами (С, О), (С, N) и
(О, N):
V (С. О), (С, N) == ],8667 С ш (C ; (2.23)
r СО 2 + СО + СН 4
Vr(o,N) == 0,70 ш 6Нlll ,5(H + P(N) (02J 0,8ДI'J ш , (2.24)
С02 +0,5СО pN 2 0,5Н2 CH 4
rде fJ == ai(l.. т);
y C,O) == 1/ ro {(<=0 2 + 0,5 СО 0,5 Н 2 CI1 4 )V r + s[0,5( H ) ( О )] 0,70 ш + 5,6Н ш }; (2.25)
V C,N),{O,N) == [N 2Vr s(N) 0,8N ш ]/(1 w). (2.26)
После определения V r И V д леrко рассчитать остальные необходимые характери
стики. Количество Н 2 О, С0 2 , О, м З /Kr чуrуна:
Н 2 О ==11,2Н ш +s(Н)+Vд{О (1I2 +2CH4)V r ;
СО 2 == V r СО 2 ;
С0 2 ; == С0 2 .. С02кар6;
о; == 0,5(С0 2 ;+ Н 2 О);
Od ==Ош Oi;
Od(FcO) == Od" ОЗ.
Количество уrлерода, Kr/Kr чуrуна:
С 2.12 0 .
d 22 4 d ,
,
С ф == С .. [С] .. C d .
Индексы степени восстановления составляют:
56 0d(FeO)
fd = ,
11,2 Fеобщ
rде Fеобщ общее количество железа, восстанавливаемоrо из оксидов, Kr/Kr чуrуна;
Rd == Od/OR:
Rd==Оd/О ш ;
,
'd == l'"d 0,56ЧJ С02 СаСО 3 / Fe общ ,
rде СаСО з расход карбоната кальция, Kr/Kr чуrуна.
Выход и состав фурменноrо rаза определяются по тем же формулам, что для про
ектируемой плавки. Индекс R d может быть найден без расчета абсолютных значений
Ош, ОdТОЛЬКО на основе состава колошниковоrо rаза и комбинированноrо дутья
141
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
А.Н. Раммом получена следующая формула для определения этоrо индекса:
R СО2 +CO 2/3N2
d I " ,
2СО2 +СО (2/3 ;)N 2 Н2 2CH4 +6/3 (СО2 + СО /3 N 2)
[де fJ соотношение количеств 02 и N 2 В комбинированном дутье:
/3 == т+О,5{О+ Дi О ) ,
l w+Д(N)
Д расход дутьевой добавки, м 3 /м 3 дутья; ; соотношение количеств Н 2 и N 2 В KOM
бинированном дутье:
== {О+Д(Нl ,
l w+Д(N)
(2.27)
fЗ' == Нк/С к ;
fJ " соотношение количеств "rазообразноrо" уrлерода и азота в комбинированном
дутье:
/3"
Д(С)
1 т+ Д(N)
Теllol10вой бllЛllIlС
Существуют три формы сведения общеrо тепловоrо баланса. По первой из них в
приходную часть баланса включают [48]: rорение уrлерода кокса у фурм (q] == исСф);
rорение дутьевых добавок у фурм (q == ms); физическое тепло дутьевых добавок (q
223
== scst s ); физическое тепло дутья за вычетом тепла диссоциации влаrи дутья (q4 == VдiJ;
окисление С в СО при прямом восстановлении (qs == иcCd); окисление СО в С0 2 при
непрямом восстановлении (q == 3020 СО;); окисление Н 2 в Н 2 О при непрямом BOCCTaHOB
б
лении (q == 2580 Н 2 д;
7
В расходной части баланса учитывают: теплоту диссоциации оксидов, сернистых
, , I
соединений, карбонатов и rидратов (ql +q2); тепло испарения влаrи шихты (qз);
, , ,
энтальпию чуrуна (q4) и шлака за вычетом теплоты шлакообразования (q5 q6); теп
,
ло, уносимое rазами через колошник (qK); энтальпию шихтовых материалов (q7);
потери тепла во внешнюю среду (z). Полезный расход тепла Qб == Lq; 5 q q .
в некоторых случаях энтальпию шихтовых материалов при заrрузке и теплоту
шлакообразования учитывают в приходной части баланса со знаком плюс. Сущест
BeHHoro влияния на структуру баланса это не оказывает. Необходимые термохимиче
ские данные и особенности расчета отдельных статей приведены в работе А. Н. PaM
ма [48].
Вторая форма сведения тепловоrо баланса отличается от первой способом учета
тепла восстановительноrо процесса. В первой форме тепло окисления С в СО при
прямом восстановлении, СО в С0 2 И Н 2 В Н 2 О при косвенном учитывается в приходе,
а теплота диссоциации оксидов в расходе. В случае второй формы сведения тепло
Boro баланса оперируют суммарным тепловым эффектом реакций восстановления,
v
причем тепло эндотермических реакции учитывается в расходе, а тепло экзотермиче..
ских реакций может быть учтено в приходе. Однако ввиду небольшой величины теп
ловыделения от экзотермических реакций последнее удобнее учитывать в расходе с
обратным знаком. Все остальные статьи баланса те же, что и в первой форме, но
сумма BHeceHHoro и потребленноrо тепла в 1,5 2 раза меньше.
142
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Третья форма сведения тепловоrо баланса является теплоэнерrетической и пред
назначена для оценки работы тепловых arperaToB, в которых производят полное сжи
rание топлива. В приходе учитывается тепло полноrо сжиrания топлива (кокса и
дутьевых добавок) в rорячем дутье, а в расходе, помимо статей, учитываемых в пер
вой и второй формах, появляются неиспользуемое потенциальное тепло колошнико
Boro rаза (теплота ero сжиrания) и химическая энерrия уrлерода, pacTBopeHHoro в
чуrуне. По существу, третья форма баланса не отвечает специфике доменноrо про
цесса, в котором не может быть полноrо перехода С в С0 2 И Н 2 В Н 2 О. Из..за допол
нительных статей прихода и расхода сумма тепла при таком сведении баланса боль
ше, чем для первой формы, почти в 2 раза, а по сравнению со второй формой в 3,5
4 раза. Сравнительная оценка различных форм сведения тепловоrо баланса дана
А. Н. Раммом [48], А. д. rотлибом [17] и друrими.
В табл. 2.5. приведены результаты расчета тепловоrо баланса современной плавки
по трем указанным выше формам для одних и тех же исходных данных. Поскольку
суммы тепловоrо баланса по трем формам существенно различны, удельные значе
ния отдельных статей баланса для каждой из форм соответственно неодинаковы. Так,
доля энтальпии дутья по первой форме равна 16,4 %, по второй 37,4 %, а по третьей
Bcero 9,9 % от общеrо прихода тепла. Доля внешних потерь тепла от Bcero потреб
ленноrо составляет соответственно 4,2; 9,7 и 2,6 %. Доля полезно используемоrо в
печи тепла (тепловой к. п. д. печи) составляет соответственно 90,2; 77,4 и 54,2 %.
Для анализа тепловой работы доменной печи и оценки влияния различных факто
ров на расход кокса может быть использована любая из трех форм баланса тепла.
Однако с точки зрения удобства оперирования статьями прихода и расхода тепла в
печи, пересчета этих величин в потребный уrлерод кокса, а также с точки зрения от..
ражения специфических особенностей распределения тепла в доменном процессе по
различным статьям эти формы тепловоrо баланса неравноценны . В наибольшем со..
v
ответствии с деиствительно происходящими в печи процессами находится вторая
форма сведения тепловоrо баланса, в приходной части, которой учитывается тепло,
поступающее в процесс из зоны rорения у фурм и с шихтовыми материалами, а в
расходной тепло, потребляемое шихтой в ходе ее HarpeBa, физико химических и
фазовых превращений (полезно используемое тепло), а также теряемое в колошник и
во внешнее пространство. При этом для распределения полезно используемоrо тепла
по статьям исходят из различия физической природы отдельных процессов теплопо
требления (HarpeBa, восстановления, разложения карбонатов и др.).
Тепловой баланс является основой при определении расхода кокса. Для расчета
потребности в уrлероде кокса, сжиrаемоrо у фурм, необходимо определить ero теп..
v
лоотдачу, т. е. количество тепла, оставляемоrо в печи единицеи уrлерода кокса, сжи..
raeMoro у фурм.
Значение этоrо показателя не зависит от формы тепловоrо баланса и может быть
определено по формуле:
, ,
qc == (1 z)(OJ(' + Vдi д ) Vrc()t r кДж/ Kr С ф ,
(2.28)
rде z внешние потери тепла, доля cYMMapHoro прихода тепла в ropHe (от rорения С
в СО в rорячем дутье); OJ е теплота rорения 1 Kr уrлерода кокса в монооксид уrле..
I ,
рода (9798 кДж); V д , V r соответственно расход дутья и выход rаза при rорении 1 Kr
уrлерода у фурм, м 3 ; i д энтальпия 1 м 3 дутья за вычетом теплоты разложения паров
воды, кДж; со средняя теплоемкость двухатомных rазов, кДж/(м 3 ОС); t r темпе..
ратура колошниковоrо rаза, ОС.
143
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Таблица 2.5. Общий тепловой баланс современной доменной плавки,
составленный в трех формах (1 111) для одних и тех же исходных данных
Статьи баланса 1 11 111
кДж/кr % кДж/кr % кДж/кr %
Приход
rорение уrлерода кокса в СО у
фурм 1985 20,6 1985 47,3
rорение дутьевой добавки у фурм 519 5,4 519 12,4
(уrольная пыль)
Окисление:
СО в С0 2
Н 2 В Н 2 О 4074 42,4
уrлерода прямоrо восстановле 364 3,8
ния 967 1 О, 1
Полная теплота сrорания кокса 11627 73,0
То же, дутьевой добавки 2604 16,4
Энтальпия дутья за вычетом теп 1570 16,4 1570 37,4 1570 9,9
лоты разложения влаrи дутья
То же, дутьевой добавки 8 О, ] 8 0,2 8 0,0
То же, шихты 1 ] 3 1,2 113 2,7 113 0,7
Итоrо, приход 9600 100 4195 100 15922 100
Расход
Восстановление 1319 31,4
Диссоциация оксидов 6724 70,0 6724 42,2
Разложение карбонатов и rидратов 4 0,1 4 0,1 4 0,0
Испарение влаrи шихты 54 0,6 54 1,3 54 0,3
Энтальпия:
чуrуна 1298 13,5 1298 30,9 1298 8,1
шлака за вычетом теплоты шла
кообразования 574 6,0 574 13,7 574 3,6
Неиспользуемоетепло
Энтальпия колошниковоrо rаза 540 5,6 540 12,9 540 3,4
Внешние потери тепла 406 4,2 406 9,7 406 2,6
Химическая энерrия колошнико 6322 39,8
Boro rаза и уrлерода в чуrуне
Итоrо, общий расход 9600 100 4195 100 15922 100
Расход уrлерода кокса у фурм получают по формуле:
С Qпол Qш ....sqs
ф ,
qc qк.ф
(2.29)
rде Qпuл полезный расход тепла (без тепла ошлакования золы и серы кокса*), рас..
считанный по результирующему эффекту реакций восстановления (вторая форма
сведения тепловоrо баланса), кДж/кr чуrуна; Qш энтальпия шихтовых материалов
*
Если QПОl содержит теП 10ТУ ошлакован ия золы и серы кокса, то с ф == (QПО.l Qш sqs) / qc
144
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
при заrрузке в печь, кДж/кr чуrуна; s, qs соответственно расход дутьевой добавки,
м 3 (Kr)/Kr чуrуна, ее теплоотдача в печи, кДж/м 3 (Kr):
qs ==(1 z)(ws +cst s +V дiд) V rcOtr;
(2.28а)
qк.ф теплота ошлакован ия золы и серы кокса, кДж/кr С. Если расход дутьевой дo
бавки задан не на 1 Kr чуrуна (s), а на 1 Kr С ф ( , то
С Qпол Qш
ф .
qe + (J'qs qк.ф
Общий расход уrлерода кокса
С == С ф + C d + [С].
(2.29а)
(2.30)
Для вычисления значения С ф из тепловоrо баланса, сведенноrо по первой форме,
в числитель нельзя подставлять полезный расход тепла, так как эта величина при Ta
кой форме сведения баланса не соответствует действительной теплопотребности
процесса. Для получения последней из полезноrо расхода тепла необходимо вычесть
теплоту окисления СО в С0 2 И Н 2 В Н 2 О при косвенном или С в СО при прямом вос"
становлении. В соответствии с этим по формуле А. Н. Рамма [48]:
"
С Qo Cd(qed ) COiqCO H2iqH2
ф ,
qe + (J'qs qк.ф
(2.31 )
"
rде Qo полезный расход тепла за вычетом энтальпии шихты при заrрузке в печь (по
первой форме сведения баланса) без тепла ошлакования золы и серы кокса, сжиrае
Moro у фурм и расходуемоrо на прямое восстановление, кДж/кr чуrуна; (qCd) теп..
лоотдача уrлерода, расходуемоrо на прямое восстановление, с учетом расхода тепла
на ошлакование золы и серы кокса, кДж/кr уrлерода: (qCd) == qCd qк.ф; Qco, QH2 теп
лоотдача монооксида уrлерода и водорода, расходуемых на непрямое восстановле
ние, кДж/м 3 :
22,4
qC d == те cot r ,
12
(2.31 а)
Qco == 3020 .. (С СО2 .. co)t r ,
(2.31 б)
QH2 == 2580 (С Н20 co)t p (2.31 в)
В формуле А. Н. Рамма (2.31) числитель, как и в формуле (2.29), характеризует
полезную теплопотребность процесса, вычисленную на основе результирующих эф..
фектов реакций восстановления (вторая форма сведения тепловоrо баланса). Таким
образом, при определении расхода кокса прямо или косвенно приходится опе..
рировать данными тепловоrо баланса, сведенноrо по второй форме, поэтому эта
форма баланса наиболее удобна.
С помощью общеrо тепловоrо баланса оценивают распределение тепла между
различными ero источниками и потребителями, оперируя начальным и конечным
состоянием процесса. Это позволяет анализировать структуру использования тепла в
доменной печи в целом. Поскольку диапазон температур материалов и rазов в печи
большой, а ценность BЫCOKO и низкотемпературноrо тепла с точки зрения потребно
сти кокса различна, часто представляют интерес распределение тепла в отдельных
зонах по высоте и определение лимитирующих (определяющих) зон.
145
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Таблица 2.6. Распределение процессов по температурным зонам
доменной печи по Р. Линдеру
Процессы, происходящие в зонах
Зона сушки, 25 350 ос
HarpeB окислов железа, породы, скрапа,
уrлерода
Сушка
Выделение связанной влаrи
Потери
Зона предварительноrо восстановле
ния, 350 700 ос
Непрямое восстановление rематита в
маrнетит и HarpeB окислов железа
Разложение карбонатов железа и
MapraHua
Выделение уrлерода
HarpeB породы, скрапа, уrлерода
Потери
Зона rазовоrо восстановления, 700
1000 ос
Распад известняка
rазификация уrлерода
HarpeB породы, скрапа, уrлерода
Потери
Зона прямоrо восстановления, 1000
1200 ос
rазовое восстановление окислов желе..
за и HarpeB железа
Разложение С0 2 уrлеродом кокса
HarpeB породы, скрапа, уrлерода кокса
Науrлероживание железа до 1,7% С
UUлакообразование
Потери
Зона плавления, 1200 ос темпера
тура выпуска
Плавление чуrуна
Плавление шлака
HarpeB уrлерода кокса
Образование чуrуна
Поrлощение серы шлаком
Потери
Зона rорения, 1500 2500 ос
146
Уравнения реакций и
тепловые эффекты, кДж
Н 2 О Ж == Н 2 О пар 44 045
2Fе(ОН)з == Fе20з + ЗН 2 О.. 102 995
3Fе20з + СО == 2FеЗ04 + С0 2 + 54 010
3Fе20з + Н 2 == 2FеЗ04 + Н 2 О + 12 560
3Fе20з == Fез04 + 2С0 2 + СО 208 084
3МпСО з == МПз04 + 2С0 2 + СО 383 930
2СО == С саж + С0 2 + 159 517
FеЗ04 + СО == 3FeO + С0 2 .. 36 844
FеЗ04 + Н 2 == 3FeO + Н 2 О .. 76 200
FeO + СО == Ре + С0 2 + 15 910
FeO+H2==Fe+H20 25121
СаСО з == СаО + С0 2 177 939
СаМg(СО З )2 == MgO + СаО + 2С0 2 406956
С саж + С0 2 == 2СО 159 517
{ FеЗО4 + СО 3FeO + СО 2 36 844
С0 2 + С К == 2СО .. 167 053
{ FeO + СО Fe + СО 2 + 15 910
С0 2 + С К == 2СО .. 167 053
{ FеО ж + СО Fe TB + СО 2 + 47 311
С0 2 + С К == 2СО .. 167 053
3Fe + С К == FезС .. 16 329
(Si0 2 ) [Si] .. 630 951
(МпО) [Мп] .. 217 299
(P20s) [Р] .. 365 089
(Ti0 2 ) [Ti] 692 078
(V 2 О З ) [У] .. 890 114
С К [С] .. 50 242
СаО + FeS + С == CaS + Fe + СО 152 820
С К + 0,502 == СО + 116 267
С К + Н 2 О == СО + Н 2 125 730
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Для этой цели служит зональный тепловой баланс, составление KOToporo требует
знания характера распределения физико химических и теплообменных процессов
между различными температурными зонами лечи. При удачном выборе температур
ных rраниц зон и перепадов температур с помощью метода зональноrо баланса yдa
ется находить решение вопросов, не поддающихся анализу на основе общеrо тепло
Boro баланса. При сведении зональных балансов тепла число зон, на которые разде
ляется печь, выбирают в зависимости от решаемой задачи и особенностей процессов,
которые следует анализировать.
Наибольшее распространение нашел двухзонный баланс. Мноrие авторы произ
водят деление печноrо пространства на три шесть температурных зон и более. В
табл. 2.6. приводится распределение процессов по температурным зонам, предло
женное Р. Линдером [21].
Схема расчета мноrозонноrо баланса такова. В зоне rорения кокса у фурм обра
зуется rаз энерrоноситель, поднимающийся навстречу движущимся вниз материа
лам. Состав и энтальпия этоrо rаза являются исходными данными для расчета балан
са тепла в вышележащей зоне (например, в зоне температуры материалов 1200
1500 ОС). В этой зоне потребность тепла для HarpeBa материалов определяют от TeM
пературы, с которой они поступают на верхнюю rраницу (1200 ОС), до температуры
нижней rраницы зоны (1500 ОС) с учетом всех физико химических и фазовых пре
вращений в этом диапазоне температур. Энтальпию отходящеrо из зоны rаза опреде
ляют, как разницу количеств тепла, поступившеrо с rазом и потребленноrо в зоне, а
температуру rаза находят как частное от деления энтальпии на теплоемкость rаза с
учетом изменения ero количества, если оно имеет место. В вышележащей зоне (1000..
1200 ОС) поступление тепла равно энтальпии rаза, отходящеrо из нижележащей зоны.
Теплопотребность в этой зоне вычисляется аналоrично предыдущему с учетом физи..
ко..химических и фазовых превращений, происходящих в интервале температур дан..
ной зоны (1000..1200 ОС). Так, переходя от зоны к зоне, определяют энтальпию ко..
лошниковоrо rаза и сводят баланс тепла в каждой из зон.
Методике сведения зональных балансов серьезное внимание уделял А. д. rотлиб
[17]. Примеры мноrозонных балансов приводятся в работах Ж. Мишара [22] и
Р. Линдера [21].
2.3. Методические приемы анализа
Изучение взаимосвязей параметров доменноrо процесса и показателей плавки
имеет как познавательную, так и практическую направленность. В зависимости от
поставленной задачи оно выполняется изолированно и более детально для отдельных
факторов, либо комплексно для совокупности факторов. Изучение основано на ак..
тивном эксперименте или наблюдении за текущими изменениями параметров и пока..
зателей доменной плавки, а также расчетном анализе доменноrо процесса. Результа
ты изучения, наряду с объективным содержанием, несут оттенок применяемых MeTO
дов с присущими им преимуществами и недостатками [18,24].
Фактическая эффективность технолоrических мероприятий определяется на OCHO
ве сопоставления результатов работы доменных печей в различные периоды, отли
чающиеся величиной изучаемоrо фактора. При этом либо анализируют показатели
работы печей внекоторый прошлый период, либо специально орrанизуют требуемый
v
технолоrическии режим.
В первом случае (пассивный эксперимент) результаты работы печи формируются
под влиянием мноrих факторов и потому связи показателей и параметров плавки в
наибольшей мере отвечают реальному процессу. Однако выделить влияние отдель
147
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
ных факторов весьма затруднительно. Эффективным инструментом в этом случае
является математическая статистика, применение которой дает следующие преиму
щества:
возможность установления связей без орrанизации специальных опытов;
изучение связей в условиях изменчивости большоrо количества факторов в pe
v
альном диапазоне условии протекания процесса;
возможность выделения связей из информации, содержащей неконтролируемые
возмущения и поrрешности учета.
Для реализации этих преимуществ требуется получение представительной выбор
v
ки, которая должна удовлетворять ряду важных, но трудновыполнимых условии:
достаточно большое число единичных периодов; достаточная длительность каждоrо
TaKoro периода, при которой исключается влияние переходных режимов; существен
ная вариация изучаемых признаков; минимальная вариация неконтролируемых фак
торов и поrрешностей учета.
Количество единичных периодов в выборке и вариация изучаемых признаков
увеличиваются при разбивке общеrо массива данных на более короткие периоды.
Однако при этом снижается представительность информации и увеличивается влия
ние переходных процессов. Так, показатели производительности печи и удельноrо
расхода кокса за короткие периоды MorYT быть искажены различной полнотой BЫ
пуска чуrуна на печи на rраницах периода.
Удлинение единичных периодов при том же общем массиве данных сrлаживает
влияние переходных процессов и высокочастотных составляющих колебаний некон..
тролируемых факторов, но при этом уменьшается число единичных периодов в вы..
борке и вариация исследуемых факторов.
Характеристики выборки в смысле выполнения вышеназванных условий можно
значительно улучшить только увеличением общеrо массива данных, то есть длитель..
ности и числа единичных периодов. Но при этом возникают дополнительные иска..
жения связей, так как усиливается влияние колебаний неконтролируемых факторов
низкой частоты, например рабочеrо профиля печи, некоторых свойств сырья и кокса
и др.
Описанные трудности часто оказываются непреодолимыми, так как возможности
накопления достоверной информации о работе доменной печи и вариация изучаемых
факторов оrраничены, поэтому лишь немноrие из опубликованных в литературе
уравнений реrрессии можно считать надежными. Но даже самые достоверные из них
применимы, rлавным образом, или исключительно к тем условиям, при которых они
были получены.
Активный эксперимент, то есть специально орrанизованный опыт на доменной
v
печи, с достаточно длительными периодами, различающимися величинои изучаемоrо
параметра, позволяет избежать мноrих затруднений пассивноrо эксперимента. rлав"
ным ero преимуществом является возможность изучения явлений "в чистом виде".
Однако для получения надежных данных в активном эксперименте требуется соблю
дение ряда трудновь[полнимых условий:
опытные и базовые периоды должны быть достаточно продолжительными для
получения надежной усредненной информации и сrлаживания влияния переходных
режимов;
при существенном различии величины изучаемоrо фактора в опытных и базо..
вых периодах прочие параметры работы печи должны быть неизменными, что с уве..
личением продолжительности периодов становятся все труднее.
В связи с оrраниченнь[м количеством периодов при активном эксперименте воз
растает влияние поrрешностей учета. Преимущества активноrо и пассивноrо экспе..
148
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
риментов MorYT быть реализованы при сочетании этих методов. Так, при использова
нии данных за прошлое время (пассивный эксперимент) целесообразно производить
отбор характерных периодов по определенному признаку (псевдоактивный экспери
мент) в количестве, требуемом для статистическоrо анализа.
При проведении активноrо эксперимента может быть применено чередование во
времени опытных и базовых периодов, при котором уменьшается влияние случайных
составляющих неконтролируемых параметров и поrрешностей учета (рандомизация).
Иноrда это полезно делать даже за счет сокращения длительности единичных перио..
дов. Однако при всех условиях полностью избежать недостатков, присущих экспе
V v
риментальным методам определения связеи параметров доменнои плавки и показа
телей работы доменных печей не удается.
Таким образом, при использовании экспериментальных данных для оценки влия
ния технолоrических факторов на показатели доменной плавки всеrда необходимо
анализировать особенности их получения и взаимно увязывать различные данные на
основе известных из опыта и теории закономерностей.
rлавным недостатком эмпирических коэффициентов, основанных на практиче
ских результатах работы доменных печей, является отсутствие общей лоrической
основы, позволяющей распространять их на иные условия, отличающиеся от тех, при
которых они были получены, или экстраполировать за пределы изученных условий,
что необходимо при проектировании процессов в новых условиях, планировании на
длительный период и для сопоставления результатов работы различных предприятий
и arperaToB.
Этоrо недостатка нет у расчетных методов. Наиболее простым из них является
метод материально"тепловых балансов, использование KOToporo позволяет с большой
достоверностью оценивать результаты производственных опытов и текущей работы
доменных печей. Такой подход использован в ряде работ [124, 283..285].
Недостатком применения балансовых расчетов является существенная зависи..
мость их результатов от величин, характеризующих кинетику теплообмена и BOCCTa
новления и rазодинамику плавки, значения которых необходимо задавать. Если они
будут заданы из практических данных, то результаты расчета окажутся приrодными
лишь для анализа, но не для проrноза по аналоrии с уравнениями реrрессии или эм
пирическими коэффициентами. Если же эмпирические данные о зависимости этих
параметров (степени прямоrо восстановления, температуры колошниковоrо rаза и
др.) от различных факторов обобщены, либо если установлены теоретические зако"
номерности их изменения, то применение таких данных в балансовых расчетах по..
зволяет представлять в единой внутренне непротиворечивой форме большое количе..
ство известных из практики результатов работы доменных печей и проrнозировать
показатели плавки в еще не испытанных на практике режимах.
Недостатки, присущие отдельным методам определения влияния технолоrических
факторов на показатели доменной плавки, не являются основанием для взаимноrо
противопоставления этих методов или предпочтения одноrо из них. Результаты экс
периментальноrо и расчетноrо изучения доменноrо процесса в специфической фор
ме, присущей отдельным методам, отражают ero внутренние связи, содержанием
V V V
которых являются сложные взаимодеиствия явлении различнои природы в ходе BЫ
плавки чуrуна.
Выполненный анализ показывает, что наиболее объективная информация о про
цессе может быть получена при совместном применении различных методов и ис..
пользовании преимуществ каждоrо из них. При этом решающее значение имеет ин
V
терпретация результатов, при которои должны учитываться возможности и HeДOCTaT
ки каждоrо метода и в соответствии с ними должна определяться область примене..
149
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
ния этих результатов. Такой подход, как элемент системноrо подхода к изучению
доменной плавки, позволяет выявить общие закономерности процессов и на их OCHO
ве объяснить кажущуюся противоречивость отдельных результатов. Далее поясняют
ся некоторые примеры TaKoro подхода [24].
Практика применения природноrо rаза на атмосферном дутье показала, что наря
ду с экономией кокса повышение расхода природноrо rаза приводит к некоторому
изменению производительности, различному в разных опытах даже по знаку. Анали
тическое исследование этоrо процесса [283, с. 88 95, 286, 287] позволило выяснить
причины таких различий. В некоторых случаях они оказались обусловленными влия
нием сопутствующих факторов (температуры дутья, выхода шлака и др.). Однако
даже при постоянстве друrих условий повышение расхода природноrо rаза может
приводить и к повышению, и к снижению производительности в силу природы про
цессов доменной плавки. При высоких коэффициентах замены кокса относительное
увеличение рудной наrрузки превышает относительное уменьшение интенсивности
плавки, и производительность увеличивается. Это наблюдается при расходах при
родноrо rаза 60..100 м 3 /т чуr. (в разных условиях). Поскольку с повышением расхода
природноrо rаза коэффициент замены кокса снижается, превышение HeKoToporo pac
хода приводит к снижению производительности. Компенсировать это снижение можно
сопутствующим увеличением температуры дутья, концентрации кислорода и т.д.
Обоrащение дутья кислородом до 25 35 % и существенное повышение темпе
ратуры дутья изменили условия использования природноrо rаза. В этих условиях
увеличение расхода rаза оrраничивается полнотой ero конверсии в фурменных оча
rax. Поскольку давление природноrо rаза во мноrих случаях недостаточно, а способ
ero подвода в фурму нерационален, технолоrи вынуждены работать с расходом при..
родноrо rаза ниже возможноrо. В таких условиях при значениях теоретической тем..
пературы rазов у фурм выше 2000 ос процессу теплообмена присущи специфические
особенности. Изучение этих особенностей на печах разноrо объема [288] и после..
дующее аналитическое исследование процесса [289] показали, в частности, что при
таких режимах повышение расхода природноrо rаза наиболее эффективно: коэффи"
циент замены кокса выше, а производительность печи растет.
Имеющиеся экспериментальные данные о влиянии обоrащения дутья кислородом
(без сопутствующеrо увеличения расхода уrлеводородов) на расход кокса показыва
ют, что оно в разных условиях может быть и положительным, и отрицательным.
Аналитическое исследование этоrо процесса [289] позволило установить, что обоrа
щение дутья кислородом на 1 % (абс.) при холодном или слабонаrретом атмосфер..
ном дутье способствует экономии кокса до 8 %, а при высоком HarpeBe обоrащенноrо
кислородом дутья к перерасходу кокса 1,3+ 1,6 %.
Практические данные об экономии кокса от HarpeBa дутья разнообразны: от 1,5+2
до 10+ 15 % на каждые 100 rрадусов дополнительноrо HarpeBa дутья. Расчетные ис
следования этих зависимостей позволили выявить факторы, влияющие на величину
экономии, и оценить ее значения в режимах, еще не испытанных на практике. В ра..
боте [290] показано, в частности, что экономия от HarpeBa дутья на каждые 100 rрад.
тем больше, чем при более высоком расходе природноrо rаза и меньшей концентра..
ции кислорода в дутье увеличивается HarpeB дутья. Большей величине исходноrо
расхода кокса также соответствует более высокая эффективность HarpeBa дутья.
Таким образом, влияние различных факторов на показатели доменной плавки в
общем случае не аддитивно. Ero можно условно считать аддитивным лишь в узком
диапазоне значений параметров, для KOToporo определяли это влияние. По мере co
вершенствования технолоrии влияние различных факторов на показатели доменной
плавки существенно изменяется, в ряде случаев даже качественно. Для оценки с еди
150
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
ных позиций влияния технолоrических факторов на показатели доменной плавки в
широком диапазоне условий и ero проrнозирования в неизученных условиях требу
ется не только знание отдельных закономерностей, но и высокий уровень их обобще
ния в виде взаимосвязанноrо математическоrо описания процессов в доменной печи.
Выявление связей параметров и показателей доменной плавки на основе анализа
результатов работы доменной печи при всем мноrообразии форм сводится, по суще
,;,
ству, к сопоставлению ряда периодов с различными величинами параметров .. При
этом точность и надежность установления связей зависит от следующих основных
характеристик периодов: длительности и повторяемости; вариации изучаемых и co
путствующих факторов; характера изменения неконтролируемых факторов; точности
и надежности информации о работе доменной печи; величины и изменчивости по
rрешностей технолоrическоrо учета.
Представительность массива информации о работе доменной печи для установле
ния связей формируется под влиянием KOHKpeTHoro сочетания указанных характери
стик. Длительность единичных периодов и их повторяемость определяется требова
нием стационарности параметров и показателей процесса. Однако, как показано в
работе п.r. Русакова**, параметры и показатели доменной плавки нестационарны как
по математическому ожиданию, так и по дисперсии. В ряде случаев влияние на пока
затели плавки контролируемых параметров сопоставимо с влиянием неконтролируе..
мых факторов и поrрешностей технолоrическоrо учета. В этих условиях в основу
выбора длительности и повторяемости единичных периодов следует положить усло..
вие их статистической представительности, которая определяется для конкретных
случаев путем изучения статистических характеристик параметров и показателей
процесса, в частности корреляционных функций изучаемых факторов [18, c.l04 106].
В общем случае возможно лишь обоснование пределов длительности единичных
периодов, которое сводится к следующему.
Текущие колебания показателей доменной плавки под влиянием контролируемых
и неконтролируемых изменений параметров, а также корректировок режима сопоста..
вимы по величине с возможными изменениями параметров и показателей за дли..
тельный период, а время переходных процессов по некоторым каналам составляет до
30 часов [18, с.151 169]. Из этоrо следует, что среднесуточные данные о работе дo
менной печи неприrодны для анализа установившихся режимов. Для сrлаживания
эффекта переходных режимов необходимо усреднять информацию, по меньшей Me
ре, за десять суток. Такой же длительности периоды необходимы для уменьшения
влияния на показатели процессов переходноrо чуrуна (чуrуна из шихты предыдущих
суток), особенно при возможном сдвиrе выпусков на rраницах суток. При большей
длительности периодов влияние указанных высокочастотных помех еще больше
сrлаживается, однако усиливается влияние низкочастотных помех (постепенное из..
менение профиля печи, износ оборудования, влияющеrо на характеристики заrру..
жаемых материалов, циркуляция щелочей, сажи и пр.). Поэтому чрезмерное удлине..
ние единичных периодов нецелесообразно. Оптимальная длительность единичноrо
периода составляет, по"видимому, 10..20 суток. Более длительные периоды следует
разбивать на части, пропорциональные 10 20 суткам, включая в каждый единичный
период, по возможности, однородные данные о работе доменной печи. Так, если в
течение 30 суток испытания HOBoro режима имели место изменения сопутствующих
параметров (не связанных с испытуемым режимом) или существенные изменения
* РаССl\Iaтриваются условно стационарные реЖИ\1Ы процесса с выявлением связей параметров в статике.
** Русаков 1 I.r. Анализ условий работы доменны'( печей и показателей плавки вероятностными методами: ABTO
реферат дисс. кан.1., Л., 1969.
151
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
показателей под влиянием неконтролируемых факторов, то следует разбить общий
период на единичные в соответствии с изменениями и орrанизовать ряд контрольных
периодов при старом режиме для сравнения показателей в аналоrичных условиях.
Оптимальная длительность единичных периодов зависит от статистических xa
рактеристик параметров и показателей доменной плавки в пределах имеющейся BЫ
борки. Она не зависит от метода установления взаимосвязей, но влияет на эффектив
ность ero применения.
В случае установления влияния отдельных параметров на показатели доменной
плавки путем специальной орrанизации опытов (активный эксперимент) удачный
выбор длительности единичных периодов позволяет дать достоверную оценку при
минимальном количестве повторений опыта. Однако при всех условиях, учитывая
высокий уровень помех в доменной плавке, таких повторений должно быть не менее
двух, а общее количество единичных опытных периодов не менее трех. Количество
контрольных периодов должно быть не меньше, чем опытных. При этом, с целью
уменьшения влияния низкочастотных составляющих неконтролируемых параметров
и поrрешностей учета, контрольные и опытные периоды следует чередовать во Bpe
мени и стремиться к сохранению идентичных условий работы доменной печи в каж
ДОЙ паре периодов (опытный контрольный).
При установлении связей параметров и показателей доменной плавки по про
шлым результатам нормальной эксплуатации печи (пассивный эксперимент), коrда
вариация изучаемых параметров и показателей не столь велика, как в условиях aK
тивноrо эксперимента, а помехи более значительны, для получения надежных связей
требуется накопить большее количество единичных периодов оптимальной длитель..
ности. В случае занижения длительности единичных периодов они будут непредста..
вительны, а при увеличении их длительности уменьшится общее количество единич"
ных периодов в выборке, что снизит надежность связей. При заданной минимальной
длительности единичных периодов (например, 10 суток) основным рычаrом повы..
шения надежности связей является увеличение количества этих периодов с вариаци
ей изучаемых признаков. Успех решения задачи зависит от возможностей накопле
ния требуемой информации.
При использовании пассивноrо эксперимента, как правило, целесообразно приме
нение методов математической статистики, в частности корреляционно реrрессион
Horo анализа. При этом получаемые результаты корректны только при соблюдении
основных предпосылок этих методов, которые достиrаются за счет применения ряда
приемов отбора, обработки первичной информации и оперирования ею в ходе анали..
за. Ниже приводятся некоторые из этих приемов, а также ряд особенностей примене..
ния корреляционно..реrрессионных методов, проверенных практикой их использова..
ния дЛя анализа доменной плавки [18, 24, 291].
1. В уравнения реrрессии в качестве факториальных признаков MorYT включаться
только факторы, не имеющие причинно следственных связей между собой. В про
тивном случае коэффициенты реrрессии будут искажены. Так, в уравнение для
удельноrо расхода кокса, наряду с температурой дутья, содержанием железа в шихте,
расходом природноrо rаза и прочими независимо изменяемыми параметрами, не сле
дует включать содержание компонентов в колошниковом rазе или степень использо
вания энерrии rазов как параметры, непосредственно зависящие от указанных пара
метров и влияющие на расход кокса как промежуточные переменные. По тем же
причинам не следует включать в уравнение для производительности интенсивность
rорения кокса наряду с содержанием кислорода в дутье, давлением колошниковоrо
rаза, содержанием железа в шихте и друrими параметрами, определяющими как про
изводительность печи, так и интенсивность плавки.
152
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
2. Размах колебаний изучаемых факторов должен превосходить по влиянию на
показатели плавки влияние колебаний неконтролируемых факторов и поrрешностей
учета той же частоты. В противном случае связи будут ненадежными.
3. Изменения факториальных признаков должны быть по возможности взаимно
независимы, так как даже при достоверном суммарном влиянии взаимно коррелиро
ванных факторов на результирующий признак частные коэффициенты реrрессии при
наличии неконтролируемых воздействий MorYT быть сильно искажены. Так, при син
хронном изменении температуры дутья и расхода природноrо rаза разделить их
влияние на расход кокса невозможно. Лишь при наличии некоторой независимости в
изменении этих параметров появляется возможность определить частное влияние
каждоrо из них, если размах независимых колебаний этих параметров превосходит
по влиянию на расход кокса размах колебаний неконтролируемых факторов той же
частоты.
4. При формировании выборки необходимо исключить корреляцию изучаемых
признаков с неконтролируемыми факторами и поrрешностями учета. Для этоrо BЫ
бирают такой интервал усреднения параметров, который не совпадал бы с частотой
изменения неконтролируемых факторов и поrрешностей учета. Если эта частота за
ранее известна и существенно (в 2 3 раза) превышает минимально допустимый пери
од усреднения параметров (-...- 1 О суток), то величину периода целесообразно принять
минимальной. Если указанная частота одноrо порядка с минимально допустимым
периодом усреднения параметров (например, 5 10 суток), то величину периода yc
реднения следует увеличить, по меньшей мере, в 2..3 раза, то есть до 20..30 суток. В
случае, коrда частота изменения неконтролируемых факторов и поrрешностей учета
заранее неизвестна, ее можно установить косвенно по частоте изменения результа..
тивноrо признака, элиминированноrо от влияния всех контролируемых факторов.
Такой анализ может быть выполнен лишь после проведения процедуры корреляци..
онно..реrрессионноrо анализа. Таким образом, в рассматриваемом случае требуется
неоднократное повторение этой процедуры.
В некоторых случаях параметры работы печи MorYT быть сильно коррелированны
во времени с неконтролируемыми факторами. Так, при постепенном освоении мощ
ности arperaTa, наряду с улучшением параметров процесса улучшается управление
им, изменяется профиль печи, совершенствуется орrанизация производства. В этих
условиях при получении надежных связей выявить "чистое" влияние параметров
процесса на показатели плавки формальным путем не представляется возможным.
Требуется анализ содержательной стороны связей.
5. В ходе статистическоrо анализа для выявления механизма связей параметров
доменноrо процесса и показателей работы печей в качестве результативных призна..
ков целесообразно принимать не только производительность, удельный расход кокса,
содержание компонентов в чуrуне и друrие выходные характеристики доменной
плавки, но также промежуточные параметры степень прямоrо восстановления, TeM
пература колошниковоrо rаза, интенсивность плавки и др. Это позволяет осмыслить
характер полученных связей, оценить их технолоrическую состоятельность и на oc
нове этоrо наметить пути дальнейшеrо изучения. Такой прием применен нами в pa
ботах [50, 283, 286, 290 292].
Выполненный нами анализ наиболее обстоятельных и корректных статистических
исследований доменноrо процесса показал, что реальные результаты доменной плав
ки крайне редко позволяют сформировать выборку, статистически представительную
одновременно по всем факторам. Это объясняется тем, что на коротких интервалах
времени изменяется лишь небольшое число факторов, а изменение всех происходит
на больших интервалах при существенном изменении условий, возрастании значимо
153
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
сти низкочастотных составляющих неконтролируемых факторов и поrрешностей
учета. Вследствие этоrо выборка за длительный период оказывается менее OДHOpOД
ной ее статистические характеристики нестационарны. Поэтому в ряде случаев цe
лесообразно формировать выборку относительно небольшоrо количества факторов,
иноrда 1..2, изменяющихся на коротких интервалах времени на величины, которые по
влиянию на результативный признак соизмеримы с изменениями этоrо признака на
тех же интервалах времени. Включение же друrих факторов в уравнение реrрессии
производится только для элиминирования их влияния на результативный признак.
Этот прием применен в работе [292].
В некоторых случаях для выявления влияния отдельных факторов на результа
тивный признак мы нашли целесообразным элиминировать влияние остальных кон..
тролируемых с помощью известных из теории и практики соотношений ("'приведение
в сопоставимый вид"), после чеrо выполняли процедуру корреляционно реrрессион
Horo анализа для интересующих факторов [283, 286, 288].
Опыт пофакторноrо анализа показал, что рассмотренные особенности статистиче
cKoro исследования доменноrо процесса и приемы повышения ero эффективности
чаще Bcero не удается использовать на начальной стадии обработки материала. По
следующий анализ результатов и осмысление их технолоrическоrо содержания по
зволяет выработать более рациональный подход к исходному статистическому MaTe
риалу, на основе KOToporo при повторном применении корреляционно реrрессионной
процедуры удается извлечь из Hero больше содержательной информации. При этом
цикл обработка..анализ может повторяться MHoroKpaTHo.
Изложенное позволяет заключить, что корреляционно..реrрессионную процедуру
нельзя рассматривать как шаблон для установления связей параметров и показателей
доменной плавки. Ее следует использовать как один из инструментов содержатель..
v
Horo анализа доменнои плавки, имея в виду, что ответственность за результаты ана..
лиза ложится не собственно на процедуру, а на правомерность оперирования ею, и
особенно на интерпретацию результатов.
При анализе показателей действующеrо процесса часто приходится оперировать
данными материальных и тепловых балансов. Результативность TaKoro анализа тем
выше, чем надежнее и точнее исходные данные, на которые он опирается. Эти дaH
ные включают массу и состав заrружаемых материалов и продуктов плавки, состав
колошниковоrо rаза, а также режимные параметры плавки. На их основе сводят Ma
териальные и тепловые балансы и рассчитывают ряд показателей (степень прямоrо
восстановления, степень утилизации различных элементов, показатели использова..
ния тепла, теоретическую температуру rорения и др.), позволяющих rлубже осмыс..
ливать особенности хода доменной плавки при изменениях параметров ее режима и
шихтовых условий. Однако исходные данные о ходе плавки всеrда отяrощены по..
rрешностями, величины которых, как правило, неизвестны. Это значительно ослож..
няет анализ, а иноrда искажает ero результаты. Искажения, вносимые исходными
данными в расчетную величину каждоrо из анализируемых показателей, различны и
зависят от характера взаимосвязи данноrо показателя с исходными данными, на KO
торых он формируется.
А.Н. Рамм [248] изучал влияние поrрешностей в опытных данных на результат
расчета выхода колошниковоrо rаза, дутья (V r , V д M 3 /Kr чуr.) и друrих характеристик
на основе баланса четырех rазифицируемых элементов: уrлерода, водорода, кисло
рода и азота. Составлены три уравнения (баланса уrлерода, азота и совмещенное ки
слорода водорода, из которых две неизвестных величины V r , И V :! определены тремя
способами. Соответствующие методы расчета названы (С, О), (С, N) и (О, N).
154
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
После определения V r И V д леrко рассчитать все остальные необходимые xapaKTe
ристики, в том числе степень прямоrо восстановления, расход уrлерода на прямое
восстановление и др.
Анализ показал, что при всех методах расчета и для всех вариантов дутья наи
большие ошибки в определении выхода rаза, расхода дутья и расхода уrлерода на
прямое восстановление вызывает неточный анализ колошниковоrо rаза. Наиболее
приемлемым из трех возможных методов расчета является расчет по балансу уrлеро
да и кислорода (С, О), дающий наименьшие ошибки расчетных показателей. Полно
стью избежать влияния поrрешностей исходных данных на результаты расчета пока
зателей действующеrо процесса невозможно. Но можно уменьшить это влияние, aHa
лизируя в каждом конкретном случае возможные причины поrрешностей и внося co
ответствующие поправки в исходные данные.
А.Б. Щур, составив уравнение совместимости исходных данных, получил Bыpa
жения для поправок, которые необходимо внести в эти данные, чтобы результаты
расчета были непротиворечивы [249]. Решая уравнение совместимости относительно
каждой из входящих величин, получают "'исправленное" значение этой величины, то
есть, значение, соответствующее сходимости баланса, выбор параметра, в который
вносится поправка, формально не может быть обоснован.
Однако, сопоставляя величину необходимой поправки для каждоrо из параметров
с возможными ошибками ero измерения, можно сделать предположение о причине
возникновения поrрешности с последующим ее выяснением экспериментальным пу
тем. После внесения поправки расчет ведется по любой из формул, основанных на
балансах (С, О), (С, N), (О, N).
Анализ основан на определении величины необходимой поправки каждоrо изме..
ряемоrо параметра, которая обращает в нуль невязку баланса rазифицированныIx эле..
ментов, и последующем сопоставлении полученныIx величин поправок. Наиболее ве..
v v
роятнои из всех возможных поправок является та, которая соответствует наименьшеи
относительной поrрешности одноrо из параметров.
При сопоставлении поправок удобно пользоваться их эквивалентными значения
ми, то есть величинами отклонений данноrо параметра, соответствующими отклоне
ниям каждоrо из остальных. Для получения этих величин определим количество ra
зифицированноrо уrлерода (C r , Kr/Kr чуrуна) из уравнения баланса rазифицирован
ных элементов [18,24]. С этой целью в уравнение баланса уrлерода
( ) ]2
С r = V r . со 2 + со .
22,4
(2.32)
подставим значение V r , полученное из балансов кислорода и азота
V r = О,7.0 ш .нш s .(IТ) (N) ( )] о,8.Nш ,
со 2 + 0,5 . со fJ . N 2 0,5 . Н 2
(2.33)
[де СО ъ СО, Н ъ N 2 содержание соответствующих компонентов в колошниковом
rазе, м 3 /м 3 (содержанием СН 4 пренебреrаем ввиду незначительной ero величины);
(н ), (N ), (о ) содержание соответствующих компонентов в дутьевой добавке,
M 3 /M 3 (Kr); С ш , Н ш , Ош, N ш количество уrлерода, водорода, кислорода и азота, пере
ходящих в rаз из шихты, Kr/Kr чуrуна; s расход дутьевой добавки M 3 (Kr)/Kr чуrуна;
fJ = OJ ; OJ концентрация кислорода в дутье, м 3 /м 3 .
l OJ
После подстановки и преобразования получаем:
155
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
]2.А ( )
C r = \С02 +СО ,
22,4. Б
(2.34 )
rде обозначено:
А = О 7 . О 5 6 . Н О 5 . S . ( Н ) s . ( N ) + S . (о ) о 8 . Р . N .
, ш , ш , , Ш'
Б = со 2 + 0,5 . со . 0,5 . .Н 2 (1 со 2 СО Н 2 ) .
Возьмем частные производные от C r по каждому из параметров. После простых
преобразований получим:
12
. А С ( 1 + Р)
224 r
,
Б
12 . А С r (0,5 + р)
22,4
Б
Cr(0,5 P)
Б
С r (] со 2 со (I 2 ) 12 (со 2 + со )[5 (N ) + 0,8 . N ш ]
дС r 22,4
дт Б(1 т)2
дС r
дС0 2
(2.35)
дС r
дсО
дС r
дll 2
(2.36)
(2.37)
(2.38)
дС r
дОш
12 ( )
0,7. С02+СО
22,4
Б
(2.39)
12 (со 2 + со ХО,5 (п) + p (N ) (о )]
дС r 22,4
дS Б
Выражения для друrих величин отклонений леrко получить из формул (2.35..2.40).
Например, из соотношения первых двух уравнений, получим
дСО =] 0,5 . С r
дСО 2 12 . А С ( О 5 + р)
22 4 r'
,
(2.40)
(2.41 )
Анализ полученных выражений показывает, что величины эквивалентных откло
нений cyuцecTBeHHo зависят от условий доменной плавки, в частности состава KO
лошниковоrо rаза, параметров комбинированноrо дутья, количества rазифицирован"
Horo уrлерода и потому должны вычисляться по этим выражениям в каждом кон..
кретном случае. В табл. 2.7 приведены результаты расчета эквивалентных отклоне..
ний параметров для трех типичных для современной и перспективной практики ва..
риантов комбинированноrо дутья при соответствующих составах колошниковоrо
rаза и количествах rазифицированноrо уrлерода. Они MorYT быть использованы при
анализе возможных поrрешностей для условий, близких к указанным. Так, если для
условий BToporo варианта получена невязка баланса rазифицированных элементов,
отнесенная к уrлероду, + 1 О % (то есть отклонение величины C r , рассчитанной по
формуле (2.32) от рассчитанной по отчетному расходу кокса), то она моrла быть обу
словлена одной из следуюuцих причин:
завышением отчетноrо расхода уrлерода кокса на 45 Kr/T;
занижением количества кислорода шихты на 23 Kr/T;
занижением концентрации кислорода в дутье на 0,33 % (абс.);
156
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
завышением расхода природноrо rаза на ] 5 Kr/T;
завышением содержания С0 2 в колошниковом rазе на 0,67 % (абс.);
завышением содержания СО в колошниковом rазе на 1,2 % (абс.);
занижением содержания Н 2 в колошниковом rазе на 4,5 % (абс.);
сочетанием ряда перечисленных факторов в не котором соотношении.
Таблица 2.7. Эквивалентные отклонения параметров
Параметры и Заданные Эквивалентные отклонения остальных параметров
их средние отклоне.. Ош, S, со ъ СО, Н ъ
значения ния C r , % 1 О Kr/T (0,% 1 О м 3 /т % % %
1 вар иант +1 % +1,0 +0,38 +0, 135 ..о 26 ..0,125 ..о 26 +0,53
C r ==493,5 Kr/T , ,
Ош==390 Kr/T +10 Kr/T +2,6 +1,0 +0,36 ..о 67 o 32 ..о 67 + 1 ,37
, , ,
ro== 2 1 % + 1 %(абс.) +7,4 +2,8 + 1,0 ..1 9 ..о 91 1 9 +3,9
, , ,
S==O,O м 3 /т + 1 О м 3 /т ..3 9 ..1.5 o 53 +1,0 +0,48 +1,0 ..2 О
, , ,
% С0 2 ==14 % + 1 %(абс.) 3 О 3 1 1 1 +2,1 +1,0 +2,0 4 2
, , , ,
% СО==28 % + 1 %(абс.) 3 9 1.5 o 53 +1,0 +0,60 +1,0 2 1
, , ,
0/0 н 2== 1.4 % 1 %(абс.) + 1,9 +0,73 +0,26 ..о 49 ..о 24 o 48 + 1,0
, , ,
11 вариант + 1 % +1,0 +0,23 +0,083 o 15 0,067 o 12 +0,45
C r ==452,7 Kr/T , ,
Ош==390 Kr/T + 10 Kr/T +4,4 +1,0 +0,37 o 67 o 30 o 53 +2,0
, , ,
ro== 25 % + 1 %(абс.) + 12,0 +2,7 +1,0 ..1 8 ..о 84 ..1 4 +5,6
, , ,
S==100 м 3 /т + 10 м 3 /т ..6 6 ..1.5 o 56 +1,0 +0,44 +0,77 ..3 О
, , ,
0/0 С0 2 == 16 % + 1 %(абс.) 15 О 3 4 1 2 +2,3 +1,0 +1,8 6 9
, , , ,
0/0 СО==25 % + 1 %(абс.) 8,4 1 9 o, 70 + 1,3 +0,56 +1,0 3 9
, ,
0/0 Н 2 ==70/0 + 1 %(абс.) +2,2 +0,49 +0, 1 8 o 33 o, 145 o 26 + 1,0
, ,
111 вариант +1% +1,0 +0,079 +0,034 0,053 ..0,021 ..0,030 ..о 20
C r== 432 Kr/T ,
Ош==390 Kr/T + 10 Kr/T + 12,7 +1,0 +0,44 ..о 67 o 26 o 39 2 6
, , , ,
ro== 40 % + 1 %(абс.) +29,4 +2,3 +1,0 1 5 o 63 o 91 6 9
, , , ,
S==200 м 3 /т + 10 м 3 /т 19 О 1 5 o 67 +1,0 +0,40 +0,59 +3,9
, , ,
% С0 2 ==21 % + 1 %(абс.) ..48 2 ..3 8 ..1 6 +2,5 +1,0 + 1,5 +9,6
, , ,
% СО==27,7 % + 1 %(абс.) ..33 1 ..2 6 ..1 1 +1,7 +0,07 +1,0 +6,6
, , ,
0/0 Н 2 == 16 0/0 + 1 %(абс.) 5 О o 39 o 17 +0,26 +0,1 04 +0, 1 5 + 1,0
, , ,
Наиболее вероятной причиной невязки является тот параметр, для KOToporo пред..
полаrаемая величина поrрешности ближе Bcero к допустимой поrрешности ero изме..
рения. В данном случае наиболее вероятной причиной невязки является завышение
содержания С0 2 в колошниковом rазе, либо какое"то сочетание этоrо фактора с по..
rрешностью определения содержания СО в rазе и поrрешностью измерения концен..
трации кислорода в дутье. Наименее вероятной причиной невязки является ошибка в
определении расхода уrлерода кокса на 45 Kr/T чуrуна, хотя в принципе не исключе
на ошибка меньшей величины. Окончательное установление причины невязки про
157
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
ИЗВОДИТСЯ экспериментальным изучением поrрешностей измерений отдельных пара
метров.
Специальный анализ поrрешностей для конкретных условий практики с выясне
нием их источников возможен лишь в отдельных случаях. При этом требуется прове
дение тщательно поставленных балансовых исследований.
Результаты TaKoro анализа приrодны на некоторый период времени, в течение KO
Toporo поrрешности не изменяются. В большинстве случаев, особенно при анализе
прошедших периодов, источники поrрешностей остаются неизвестными.
Единственным объективным показателем ошибок технолоrическоrо учета явля
ются невязки материальных балансов, которые формируются из числа различных по
знаку и величине частных поrрешностей.
Наиболее важными ДЛЯ анализа показателей доменной плавки являются балансы
железа, шлакообразующих и rазифицированных элементов (С, О, N, Н), рассматрива..
емые ниже.
Ба.:lанс :Jlсе'lеЗll
С целью упорядочения учета и повышения достоверности анализа расходования
железа бриrадой специалистов Минчермета СССР, возrлавляемой И.r. Товаровским
в 1981 1984 rr., разработана отраслевая "'Методика составления балансов железа по
аrломерации, окомкованию и производству чуrуна", по которой выполняется расчет
балансов железа на предприятиях, анализ ero расходования и разработка мер по со..
кращению потерь, утилизации отходов и повышению достоверности учета (приложе..
ние 1).
В рамках указанной работы на предприятиях отрасли были выполнены инстру"
ментальные определения величин отходов и потерь, на основе которых по единой
методике сведены балансы железа при выплавке чуrуна в доменных печах.
При этом к потерям отнесены безвозвратно теряемые в окружающую среду железо
содержащие продукты, которые не MorYT быть возвращены в производство при суще
ствующем уровне техники, а под отходами понимаются неприrодные для употребле
ния в качестве rOToBoro продукта железосодержащие материалы, образующиеся в Tex
нолоrическом процессе, которые MorYT, в принципе, при существующем уровне техни
ки быть возвращены в производство для получения OCHoBHoro rOToBoro продукта.
Общая величина потерь железа при производстве чуrуна, то есть безвозвратно те..
ряемоrо металла, составляет на разных предприятиях от 3 до 1 О Kr/T чуrуна и мало
OJ
отличается для передельноrо и литеиноrо чуrуна.
При производстве передельноrо чуrуна на образование rOToBoro продукта расхо..
дуется железа 933..943 Kr/T, а при производстве литейноrо 923..935 Kr/T. При общей
величине безвозвратных потерь железа 3..10 Kr/T расход железа на 1 т чуrуна составля..
ет 940 955 Kr для передельноrо и 930 945 Kr для литейноrо. Фактический расход же
леза на предприятиях значительно выше и составляет от 950 до 1033 Kr/T чуrуна за
счет образования большоrо количества отходов.
Наиболее ценными отходами являются отходы в виде металлическоrо железа в
шлаке и скрапе. При общем количестве металлическоrо железа в шлаке 7 20 кr/T чу
rYHa безвозвратно теряется лишь 2..4 Kr/T, остальные 5..15 Kr/T MorYT быть удержаны
при выпуске чуrуна или извлечены при переработке твердоrо шлака.
Величины отходов с колошниковой пылью сухих пылеуловителем и мокрой rазо
очистки на разных предприятиях отличаются значительно и зависят от прочностных
свойств И rранулометрическоrо состава заrружаемых железорудных материалов.
158
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Минимальная величина этих отходов на предприятиях, работающих с наиболее
подrотовленной железорудной шихтой (3 8 Kr Ре/т чуr.), на друrих она составляет 1 o
40 Kr/T чуr., а на некоторых достиrает 50 60 Kr/T чуrуна.
Невязка баланса железа на предприятиях составляет значительную величину (5
30 Kr/T), в ряде случаев соизмеримую с общей величиной отходов и потерь. Причи
нами ее образования являются неточности учета сырья, как по массе, так и по coдep
жан ию железа, поrрешности взвешивания чуrуна, неточный учет количества железа в
шлаке и др.
Значительную долю невязки образуют потери железорудноrо сырья при перевоз
ке по железной дороrе (0,9% аrломерат и руда, 1 ,2 1,8 % окатыши), а также воз
можный недоrруз ero поставщиками (1,5 2%). Это обусловлено тем, что поступление
сырья учитывается на большинстве предприятий по массе, определенной поставщи..
ком без проверки ее у потребителя.
Ба)lанс 2аJuq)uцuроваННЫr эо/"tе.J"енпlов
Невязку баланса rазифицированных элементов можно отнести к любому из этих
элементов. Наиболее удобно отнести ее к уrлероду и выразить в относительных еди
ницах:
Де К. С". 10[С] СЮl + Сф-l + С л + S(C) Cz"KZ / тчуz.,
или (Де) = Де 100, %,
C r
(2.42)
rде С КП уrлерод колошниковой пыли, Kr/T чуrуна; С фл уrлерод cbIporo флюса, Kr/T
чуrуна; С л уrлерод летучих веществ кокса, Kr/T чуrуна; С К содержание уrлерода в
коксе, Kr/Kr; К измеренное значение расхода кокса, Kr/T; [С] уrлерод в чуrуне, %.
Значение C r , входящее в это выражение, определяют из уравнения баланса rази..
фицированных элементов по формуле (2.32).
Значения невязок балансов rазифицированных элементов чаще Bcero положитель..
ны и составляют на отдельных предприятиях в разные периоды от 2..3 до 10..15 %.
Соответствующие этим значениям невязок поrрешности определения состава ко..
лошниковоrо rаза приводят к искажению расчетной величины степени KocBeHHoro
восстановления на 2 5% (абс.), то есть величину, соизмеримую с возможными изме
нениями этоrо показателя под влиянием различных технолоrических факторов. AHa
лоrично влияют также поrрешности и на остальные расчетные показатели. Это не
позволяет использовать отчетные данные о работе доменных печей для определения
расчетных характеристик процесса и их сопоставления без предварительноrо анализа
поrрешностей учета и в наиболее ответственных случаях выявления их источников.
Исследования, проведенные на ряде предприятий, показали, что при определении
влажности кокса в большинстве случаев допускается ее занижение на 3..5 % (абс.).
Это на 30..50 % (отн.) объясняет имеющуюся положительную невязку баланса rази..
фицированных элементов на ряде предприятий. Остальная часть невязки скорее все..
ro объясняется завышением содержания С0 2 в колошниковом fазе при соответст..
вующем занижении содержания СО, что имеет место при отборе проб rаза без COOT
ветствующей продувки отборной трассы и ее засорении. Существенно влияет на Be
личину невязки баланса rазифицированных элементов также учет технолоrическоrо
кислорода. Завышение ero расхода является причиной отрицательных величин невя
зок, характерных для отдельных доменных печей. Наличие общих причин невязок
балансов не исключает необходимости анализа конкретных причин в каждом отдель
ном случае.
159
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
Изложенное выше позволяет считать, что определение невязок материальных ба
лансов, в особенности железа и баланса rазифицированных элементов, является обя
зательным компонентом всякоrо сопоставительноrо анализа показателей доменной
плавки. Без этоrо компонента нельзя активно оперировать расчетными показателями
процесса и оценить надежность полученных результатов анализа. В зависимости от
характера изменения невязок балансов в анализируемых периодах возможны различ
ные случаи анализа, отличающиеся разным подходом к выяснению влияния поrреш
ностей технолоrическоrо учета на результаты анализа.
На основе имеющеrося опыта обобщены различные подходы к анализу причин
невязок, излаrаемые ниже.
Если величины невязок балансов в сравниваемых периодах отличаются незначи
тельно, то в большинстве случаев можно полаrать, что поrрешности, из которых они
сформированы, практически одинаковы. Это наиболее простой и удобный для анализа
случай, при котором величины поrрешностей влияют лишь на абсолютные значения
показателей, но не влияют на их сравнительную оценку. В этом случае достаточно убе
диться в несущественности отличия невязок. Такой подход приемлем при сравнении
различных периодов работы одной печи или печей одноrо предприятия, rде характер
поrрешностей учета одинаков. Такой анализ применен в работах [293, 294].
rораздо сложнее анализировать данные, коrда невязки балансов в отдельных пе
риодах существенно различны. В некоторых из этих случаев, в частности при анализе
большоrо числа периодов работы одной печи, иноrда удается привести исходные
данные к примерно одинаковой невязке. Так, при изучении влияния некоторых фак"
торов на расход кокса, производительность, степень прямоrо восстановления и ряд
друrих показателей работы доменной печи одноrо из заводов наблюдали существен..
ное отличие величин невязок балансов железа и rазифицируемых элементов в разных
периодах, что не позволяло сделать достоверных выводов из имеющихся данных. В
ходе анализа установили тесные статистические взаимосвязи между невязкой балан..
са железа и долей окатышей в шихте, а также между невязкой баланса rазифициро
ванных элементов и расходом кислорода для обоrащения дутья. Последующая про
верка показала, что эти связи обусловлены некоторыми особенностями изменения
технолоrическоrо учета под влиянием повышения доли окатышей в шихте и KOHцeH
трации кислорода в дутье. С повышением доли окатышей увеличивалась доля неуч
тенной колошниковой пыли, которая не улавливается в сухих пылеуловителях. Это
приводило к увеличению невязки баланса железа. При повышении расхода кислоро..
да для обоrащения дутья увеличивалась абсолютная и относительная величина ero
неучтенных потерь, приводя к закономерному изменению невязки баланса rазифици..
рованных элементов с увеличением расхода кислорода. В соответствии с получен..
ными уравнениями реrрессии для невязки баланса железа и выноса колошниковой
пыли, а также невязки баланса rазифицированных элементов и расхода кислорода
внесли поправки в вынос колошниковой пыли и расход кислорода, в результате чеrо
невязки балансов в отдельных периодах стали отличаться незначительно, и данные
моrли быть использованы для дальнейшеrо анализа.
Поrрешности технолоrическоrо учета часто бывают коррелированны с HeKOTOpы
ми показателями работы печи. Поэтому при изучении взаимосвязей параметров CTa
тистическими методами они MorYT искажать истинные связи. Для "очистки" этих
связей бывает иноrда полезным вводить в уравнения реrрессии невязки балансов в
качестве факториальных признаков.
Наиболее сложными для анализа являются случаи, коrда число периодов оrрани"
чено, а различие невязок в этих периодах велико.
Это бывает при сравнении показателей работы разных печей, сравнении показа..
160
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
телей периодов далеко отстоящих друr от друrа во времени, а также при оценке Ta
ких изменений в ходе процесса, которые по величине соизмеримы с поrрешностями
учета. В таких случаях трудно оценить, является ли изменение Toro или иноrо пока
зателя следствием технолоrических причин или изменения поrрешностей. Единст
венным способом избежать ошибочных суждений является оценка возможноrо влия
ния частных поrрешностей на величины расчетных параметров в каждом конкретном
случае и ее сравнение с фактическим изменением этих параметров. Для этой цели
разработана методика, ориентированная на использование ЭВМ, суть которой изла
rается ниже.
В общем случае суммарная невязка баланса rазифицированных элементов ( c)
сформирована из частных поrрешностей определения параметров, относительные
значения которых обозначим:
C02' co, H2 поrрешности определения в колошниковом rазе соответственно
С0 2 , СО и Н 2 ;
п, K, o поrрешности измерения расхода природноrо rаза, кокса, кислорода
и т.д.
Если бы эти поrрешности были известны, то, умножая каждое измеренное значе
ние параметра на поправку 1 + ( + в зависимости от влияния на c), получили бы по
сле вычисления c==o, а исправленные значения измеренных величин соответствовали
бы их истинным значениям. Поскольку частны]e поrрешности неизвестны и опреде..
лить их невозможно, вычислим вначале значение одной из поправок (например,
C02)' при которой ==o. Это можно сделать непосредственно по формулам (2.35
2.40) или по уравнению (2.42) методом итераций. Затем рассчитаем все показатели
процесса при таком варианте внесения поправки. Далее, отнесем всю невязку друrой
возможной поrрешности (например, K)' внося поправку в значение расхода кокса
(К), и снова произведем расчет всех показателей. Путем последовательноrо отнесе..
ния величины суммарной невязки к каждой из возможных частных поrрешностей и
внесения необходимых поправок производим соответствующее количество вариан..
тов расчета всех показателей плавки. При этом получаем ряд значений каждоrо pac
четноrо показателя, из которых максимальное и минимальное характеризуют "зону
нечувствительности", то есть диапазон величин, в пределах KOToporo находится ис
тинное значение этоrо показателя. Поскольку точное определение этоrо значения
невозможно, требуется найти такое значение каждоrо показателя, оперирование KO
торым в ходе анализа дает наименьшую из всех возможных ошибок. Будем называть
в дальнейшем это значение "истинным". При ero определении можно воспользовать
ся элементами теории стратеrических иrр, относящихся к Kpyry проблем, рассматри"
ваемых теорией оптимальных решений. Рассматриваемое явление относится к числу
MHoroKpaTHo повторяющихся. Поэтому наиболее целесообразно применить принцип
Байеса..Лапласа, соrласно которому различным состоянием (в данном случае вариан..
там отнесения невязки баланса к частным поrрешностям) можно приписать опреде..
ленную вероятность. В нашем случае можно исходить из равной вероятности воз
можных вариантов внесения поrрешностей, формирующих общую невязку, но раз
ной вероятности поrрешностей разной величины. В первом приближении можно
принять, что чем больше величина поrрешности ( ), тем меньше ее вероятность (Р).
Тоrда:
PI I== P2 2== Рз з==...== Р I1 11;
P 1 == Р 2 == Р з ==...== Р I1
,
откуда следует:
1 == 2== З=='.' == I1'
161
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Таким образом, в качество "истинноrо" можно принять значение показателя, по
лученное при условии, что суммарная невязка баланса формируется из равновеликих
частных относительных поrрешностей измеренных величин.
Для определения величины равновеликих частных относительных поrрешностей
вводят соответствующие множители (l + Д) во все измеряемые величины, входящие в
уравнения (2.32) и (2.42) и методом итераций находят такое значение д, при котором
дс==О (при численном решении отличается от нуля на величину, соответствующую
заданной конечной точности вычислений). Полученное значение используют для
корректировки всех исходных данных на величину 1 +д, после чеrо по этим данным
рассчитывают "истинные" значения всех параметров.
Изложенная методика расчета предназначена для решения широкоrо Kpyra задач
по анализу показателей доменной плавки [295]. Исходными данными для расчета яв
ляются все отчетные показатели работы доменной печи. В результате расчета на
ЭВМ выдаются развернутые материально тепловые балансы, расчетные показатели
восстановительной и тепловой работы печи, а также rазодинамики проuесса. Для
каждоrо показателя выдаются три значения: "истинное", максимально и минималь
но возможное при данной общей величине невязки баланса. Сравнивая значения Ka
коrо либо показателя для двух различных печей или разных периодов работы одной
печи, вполне определенные выводы можно сделать лишь в том случае, коrда при раз
личии "истинных" значений нет наложения "зон нечувствительности". Если послед
ние накладываются друr на друrа, то вывод может быть только вероятностным (при
небольшом наложении зон), либо не вполне определенным (при большом наложении
зон). В ряде случаев приходится констатировать невозможность сделать определен
ные выводы при существующих поrрешностях исходных данных. Для получения
достоверных выводов в таких случаях требуется увеличить число периодов (испыта..
ний). Примеры TaKoro подхода даны в работах [18, 24]. Если придать возможным
величинам изучаемоrо параметра, находящимся в "зоне нечувствительности", неко"
торые вероятности, уменьшающиеся от "истинноrо" значения к минимальному и
максимальному, то сравнение величин этоrо параметра для двух доменных печей или
двух периодов работы печи леrко свести к формальной процедуре определения cy
щественности отличия этих величин при заданной доверительной вероятности. Такой
подход применен в работе [295].
Дальнейшая работа в этом направлении выявила возможности совершенствования
методики использования невязок балансов для оценки влияния поrрешностей исход
ных данных на "истинность" расчетных показателей плавки. Рассматриваемые ниже
новые методические разработки отличаются тем, что на основе приводимоrо ниже
аналитическоrо решения задачи удается заменить использовавшуюся ранее итераци..
онную процедуру разнесения невязок более простым и наrлядным способом оценки
влияния возможных поrрешностей учета на показатели плавки и придать решению
более приrодный для содержательноrо анализа вид. Кроме Toro, в рассматриваемой
постановке впервые решена задача совмещения балансов железа и шлакообразующих
компонентов шихты.
Оценка показателей с учетом невязок балансов
COG \1elljeHUe 6a 7aHcoв железа u Ulлакоо6раЗУЮ1ЦUХ
Уравнение совместимости баланса железа и шлакообразующих записывается как
равенство количеств шлака, рассчитанных по содержанию в компонентах шихты же..
леза Ш Fе И основных шлакообразующих (СаО, Si0 2 , А€20з) ШШ, а невязка балан
сов дает Дш==Шш ШFе или:
162
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
== LSi0 2 +LСаО+LАе 2 0 з 21,4[Si] .100 [ IR...l 4285.0 01.IR.Fe.+
ш (Si0 2 ) + (СаО) + (А1 2 О з ) 1" I I
+0, 11267.0,01.IRiFeOi+(RM RMFeM).0,01 +Ио+Ид+((0,5.S+Z).К
(ио .С0 2ио +И д .С0 2ид ) ).0,0 1 у. Zy (21 ,4[Si]+ 12,9[Мп]+ 16,6[Ti]+
+ 14, 7[У]+ 14,6[Cr]+ 13,2[As])]:(1..0,0 1 (РеО), (2.43)
[де обозначено: LCaO, LSi0 2 , LАf 2 О з суммы шлакообразующих шихты, Kr/T; рас..
ходы компонентов шихты R i железосодержащих, RM металлизованных, К кок..
са, И О ,Ид известняка обычноrо и доломитизированноrо, У вдуваемоrо уrля, Kr/T чу..
[уна; содержания соответствующих компонентов в шихтовых материалах без ско"
бок (Z зола кокса, Zy зола уrля), в шлаке в круrлых скобках, в чуrуне в квад..
ратных скобках, Kr/Kr.
Для определения величин поправок, необходимых для сходимости балансов,
возьмем частные производные от ш по основным измеряемым параметрам: Fei, FeOi,
Ре м , CaOi, Si0 2i , А е 2 0 зi , (СаО), (Si0 2 ), (Ае 2 0 з ), (Kr/%):
д ш . д ш . д ш .
1) 1,4285.0,01.Ri, 2) 0,11267.0,01.Ri, 3) RM.O,OI,
aFe j aFeOj aFe M
4) ддш Rj _ 5) ддш Rj .
aCaOj (СаО)+(Si0 2 )+(Аf 2 О з )' aSi0 2j (СаО)+(Si0 2 )+(Ае 2 0 з )'
6) ддш Rj .7) ддш K-АI 2 О зz .0,01 .
дАf 2 О Зj (СаО)+(Si02)+(АР20з)' aZ (СаО)+(Si0 2 )+(Аf 2 О з )'
8) ддш (LSi02 +LСаО+LА€2 0 з 21,4[Si]) -100;
д(СаО) «Si0 2 ) + (СаО) + (АР 2 0 з ))2
д ш (LSi02 +LСаО+LА 20з 21,4[Si])
9) == .100.
, a(Si0 2 ) (Si0 2 )+(СаО)+(Аf 2 0 з ))2 '
10) ддш ддш ддш (2.44)
д(Ае 20з) a(Si0 2 ) д(СаО)
Величина поrрешности Fei (%), соответствующая отклонению ш, составляет:
Fej == ш (%). При инструментальной поrрешности содержания Fe 0,3 %
0,014285. Rj
указанная величина, выраженная в количестве инструментальных поrрешностей, co
ставляет:
NFej== ш ==233,3 Ш .
0014285.R. .03 R.
, 1 , 1
Аналоrично для остальных величин поrрешностей при величине инструменталь..
ной поrрешности 0,3 % (абс.):
FeOj == ш (%);
o 0011267. R.
, 1
(2.45)
ш
NFeO. ==..2958 5. .
I , R.'
1
(2.46)
Fe == ш ( % ) ;
1\1 001.R.
, 1
NFe ==100. ш .
м R. '
1
(2.47)
CaO.== ш(СаО)+(Si02)+(А 20з» ( % ) .
I R. '
1
163
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
NСаОi==3,333«СаО)+(Si02)+(Аf20з)). ДШ ;
R.
1
дSi02i==((СаО)+(Si02)+(ле20з)). дш ;
R.
1
NSi02i==3,333((СаО)+(Si02)+(Аf20з)). ДШ ;
R.
1
(2.48)
(2.49)
ДА€20Зi==ДСаОi==ДSi02i; NАР20Зi N СаОj==NSi02i; (2.50)
ДZ дш «СаО) + (S 02) + (АР 20з )) (%); Nz 3,333((СаО)+(Si02)+(Ае20з)). Д; ;
(2.51 )
д(АfРз) д(СаО) д(Si02) ДШ .((саО +(Si02)+(Ае20з))2 . (%);
100(LCaO+LSI02 +LА€20з 21,4.[Sl])
N(CaO) ДШ . ((СаО) + (Si0 2 ) + (Ае 20з))2 N (Si02) N(АР 2 О з ). (2.52)
30(LCaO+LSi0 2 +LАl 2 О з 21,4.[Si])
Для иллюстрации: при общем расходе шихты IR i ==1700 кr/т.чуr. и среднем co
держании железа 55 %, СаО 12 %; Si0 2 10 %; АР20з 1 %, а кокса 500 Kr/T и Z ==
1 О %, Аf 2 О з 20 % и при (СаО) == 42 %, (Si0 2 ) ==35 %, (Ае 2 0 з ) == 7 % невязка коли
чества шлака Дш == 10 кr/т.чуr. соответствует следующим величинам возможных ин..
струментальных (0,3 % абс.) поrрешностей:
NFe==I,37; NFeO==..17,4; NFe M ==0,59; NАе20Зi==NСаОi==NSi02i==1,65;
N(CaO)==N(Si0 2 )== N(Л 20з)==..5,88; N z ==5,б.
Вероятность наличия поrрешностей, близких к инструментальным, значительно
выше, чем поrрешностей, величины которых превышают инструментальные. Поэто
му разнесение общей величины невязки между измеряемыми величинами целесооб
разно производить обратно пропорционально количеству инструментальных по
rрешностей (N), соответствующих этой общей невязке для каждоrо измеряемоrо па
раметра. Это дает следующие два уравнения для разнесения общей невязки в долях
(8) для каждоrо параметра:
1 Fe..8Fe.==NFeO..8FeO.==NFe .8Fe N СаО..8Са О .==NSi 02 ..8Si0 2 .==NАР. 20з ..8Аf 2 0 з '==
.1 1 11М М 1 1 1 1 J 1 ' 1
==N (СаО).8(СаО )==N (Si0 2 ).8(Si0 2 )==N (A€ 20з).8(А€ 20з)==N z.8z. (2.53)
11. 8Р ei+8F eOi+8F ем +8CaOj+8Si0 2j +8A f 20Зi+8( СаО )+8(Si 02)+8( А f 20з)+8z== 1. (2.54)
Решение относительно 8(СаО):
8(СаО)+8(СаО). N(CaO) +8(СаО). N(CaO) +8(СаО). N(CaO) +8(СаО). N(CaO) +
N(Si0 2 ) N(Ae 20з) NCaOi NSi0 2i
+8(СаО). N(CaO) +8(СаО). N(CaO) +8(СаО). N(CaO) +8(СаО). N(CaO) +
NAP 20Зi NFe i NFeO i NFe M
+8(СаО). N(CaO) ==1; откуда:
N z
1
8(СаО)==8(Si0 2 )==8(ле 2 0 з ) == 3 1
3+N(CaO).( + +
NCaO. NFe.
1 1
] 1 ]
+ +)
NFeO j NFe M N z
.
,
164
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
. N(CaO)
ЬСаО.==ЬSl0 2 .==ЬАе 2 0 з .==Ь ( СаО ) . .
I I I NCaO. '
I
ЬРе.==Ь ( СаО ) . N(CaO) . ЬРеО.==Ь ( СаО ) . N(CaO) . ьРе ==Ь ( СаО ) . N(CaO) .
I NFe.' I NFeO.' м NFe M '
1 I
bz==b(CaO). N(CaO) .
N z
Корректировка параметров для разнесения невязки:
(CaO)CKOP==(CaO) b(CaO).д(CaO); (2.55)
(Si02)СКОР==(Si02) Ь(СаО).Д(СаО); (2.56)
(Ае20з)СКОР==(Ае20з) Ь(СаО).Д(СаО); (2.57)
СаОjСКОР==СаОj ЬСаОj.ДСаОj; (2.58)
Si02jСКОР==Si02j..ЬСаОj.ДСаОj; (2.59)
АР 20зjСКОР== АР 203j bCaOj. дСаОj; (2.60)
Fе.СКОР==Fе.+ЬFе..дFе.. ( 2. 6 1 )
I I I 1,
FеОjСКОР==FеОj ЬFеОj.ДFеОj; (2.62)
F CKOP p + p Л F . (2 63)
ем ем u eM.L..l ем, .
ZCKOP==Z+b z .Дz (2.64)
После корректировки выполняется расчет по формулам показателей и балансов с
определением невязки баланса железа ДFе, после чеrо вся остаточная невязка дFе
относится на расходы компонентов путем умножения
R j .( 1.. дРе )==RjCKOP.
ДFе+Fе ч
Затем расчет корректировки состава компонентов Fej, FeOj, .. .(СаО)... повторяет..
ся сначала с последующим расчетом по тем же формулам и получением окончатель..
ных результатов.
Невязкu ба7ансов ?азuфuцuроваННblХ эле иеНl110в
После прямоrо расчета основных параметров и характеристик доменной плавки
производится проверка сходимости баланса rазифицированных элементов C..O N H на
основе известных состава колошниковоrо rаза (СОъСО, Н 2 , N 2 , м 3 /м 3 ), количества ки
слорода шихты Ош и уrля ОУ' расходов кокса К, мазута М и уrля У, природноrо rаза
пr, KOKcoBoro rаза Kr (м 3 /т) и их составов, влажности дутья <р (r/M 3 ) и содержания в
нем кислорода о) (%). Для этоrо определяется расход rазифицированноrо уrлерода C r , а
затем разбаланс rазифицируемых элементов, отнесенный к уrлероду дс (Kr/T) и (дс)' %.
Далее проверяется степень соответствия состава дутья (расход Уд) составу KO
лошниковоrо rаза (расход Y r ) по балансу кислорода и азота O N:
у [. N 2 ==Y д( 1..0,0 10))+0,93. пr. N nr+0,93. Kr. N Kr +0,8.( М. N м + у. N y +N К. К); откуда:
К
1 0,01.0)+ Дпr. N пr + Дкr. N Kr + 0,8. (ДМ. Nl\1 + Ду . N y + . N K )
Уд
м 3 rаза /м 3 дутья.
С друrой стороны, выход cyxoro колошниковоrо rаза на единицу дутья составляет:
Y r К 1,867(C d +C L ) С0 2фл Y r
( ) 1 +0,0Ico+O,8.(NK +Ду.Nу)+Дкr.Nкr+ + + .Н 2 ,
Уд V д Уд Уд Уд
м 3 /м 3 .
,
N 2
,
165
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
rде С02фл==0,004[Ио(СаОио Si02ИО)+И,1(СаОид + 1 ,4МgОид Si02ид)]; Cd+C L расход уrле
рода на прямое восстановление железа и трудновосстановимых элементов.
После преобразования:
V r К 1,867(C d +C L ) С0 2фл
( ) [1+0,01ю+О,8.(Nк +Ду"Nу)+Дкr.Nкr+ +] / (I H2),
м 3 /м 3 .
,
V
Разница V к==
У д
V
( ) является величинои разбаланса rаза в м 3 /м 3 дутья, а OT
У д
V
ношение К . 100 ==д.v то же в % к количеству rаза. (2.65)
V r /У д
При метролоrической поrрешности 0,005.К (Kr) общая величина поrрешности в
метролоrических единицах: пс==д.с/О,ОО5. К (отн.).
Для определения величин поправок, необходимых для сходимости балансов,
возьмем частные производные от C r (ф. 2.34) по основным измеряемым параметрам:
1 aC r == 0,375(С0 2 + СО) . д. д.с . Б Kr. n == д.Ош отн'
) дО ш Б · ОШ О.375(СО 2 + СО)' , Ош О,ОО50 ш ( .),
2 ) aCr == 0,5357 А C r (1 + р') . д. == д.с . Б %.
дС0 2 Б ' СО 2 0,5357 А C r (1 + р')' ,
д.со.,
ПСО 2 == О О lСО (отн);
, 2
3 ) aCr == 0,5357А Сr(0,5+Р') .д. == д.с .Б %.
дСО Б ' со 0,5357 А C r (0,5 + р')' ,
д.со
Псо == О 01СО (отн.);
,
4 aC r == Cr(0,5 P') . д. д.с. Б %. n == д.Н 2 отн ) .
) дН 2 Б ' Н 2 Cr(o,5 ')' , Н 2 О,ОIН 2 ( .,
5) дС r C r . N 2 (C02 +СО)(О,8К. N K +О,8У .N y )О,5357+(пr.N пr +Kr. N Kr ) .
дю Б(1 00 ю)2 '
А == д.с .Б(100 m)2 0/.
l..}(J) , l' О ,
C r . N 2 (С0 2 + СО)(0,8К. N к + 0,8У . N у + пr. N пr + Kr. N Kr )0,5357
д.
n == (t) ( от Н. ) .
(J) 0,0 1О) '
6) дС r О,5357(СО2+СО)(О,5Нпr+ '.Nпr) .
дпr Б '
д.с . Б 3 .
д.пr , , (м ),
0,5357(C02 +СО)(0,5Н пr +р . N пr )
д.
п пr == пr ,(отн.); [При пr>о]. Если пr < о, то ппr==О;
0,015пr
166
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
7) дС, == O,5357(C02 + СО)(О,5Н к, + '. N к,) .
aKr Б '
Де . Б 3 .
Дhr , , (м ),
0,5357(C02 +CO)(0,5H Kr +Р . N Kf )
Д
n Kr == Kr ,(отн.); [При Kr>O]. Если Kr < O, то nкr==O;
0,015Kr
8) aCr == 0,5357(C02 + СО) . 5,6. Н м . А == Де . Б ( 3 ) .
, L.1 M , М ,
дм Б 0,5357(C02 +СО).5,6.Н м
Д
п м == м ,( ОТН.);
0,015М
9 ) aCr == 0,5357(C02 + СО)(5,6. Ну 0,8. Р'. N у + 0,7. Оу) .
дУ Б '
Де . Б .
Дy " (Kr),
0,5357(С0 2 + СО)(5,6. Н у 0,8. Р . N у + 0,7. Оу)
Ду
Пу ,( отн.).
0,015У
(2.66)
Вероятность наличия поrрешностей, близких к инструментальным значительно
выше, чем поrрешностей, величины которых превышают инструментальные. ПОЭТО
му разнесение общей величины невязки между измеряемыми величинами целесооб
разно производить обратно пропорционально количеству инструментальных по
rрешностей (п), соответствующих этой общей невязке для каждоrо измеряемоrо па
раметра. Это дает следующие два уравнения для разнесения общей невязки в долях
(8) для каждоrо параметра:
1 уравнение. Сумма долей == 1 00%; 8с + 8 СО2 +... +8 пr == 1. (2.67)
11 уравнение. Равенство произведений долей на количество инструментальных по
rрешностей каждоrо параметра: 8 с .пс== 8со . Пса ==.. .==8 ы . п..... (все с ненулевыми pac
2 2 UJ
ходами пr, Kr, М, У). (2.68)
Решение относительно 8 с :
8с +8 с n с +8 с n с + . .. +8 с n с == 1 ;
ПСО 2 Пса пы
8с(1 + Пс
ПСО 2
Пс пс
+ +...+
Пса пы
)== 1 ;
8с==
1
1 + пс (
П СО2
1
1 1.
+ +...+ )
Псо пы
Решение относительно остальных долей:
Пс . Пс
uco 2 Uc , U co Uc . . .
Пса Пса
2
Корректировка параметров:
( K ) ==K 8 .Д .
с с,
(Ош)==Ош+ 80 . До ;
ш Ш
(2.69)
(2 70)
167
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
(С0 2 )==С0 2 + Ь СО2 . C02 ;
(СО)==СО+Ь со . CO;
(Н 2 )==Н 2 + Ь Н . H ;
2 2
(пr)==пr +Ь пr . пr;
(Kr)==Kr + bKr. Kr;
(М)==М+ bI\t. M;
(У)== У + Ь у . y;
( ю)== СО+Ьы . Ы.
(2.71 )
(2.72)
(2.73)
(2.74)
(2.75)
(2.76)
(2.77)
(2.78)
Алrоритм разнесения невязок
1. Исходные данные для расчетов формируются двумя путями:
занесением непосредственно в таблицы на дисплее исходных параметров из по
CTopoHHero источника;
извлечением из базы данных.
2. Производится определение показателей по основным расчетным выражениям и
сохранение для формирования окончательных таблиц (расчет по отчетным данным).
Расчетные выражения в данном тексте не при водятся как общеизвестные.
3. Корректировка составляющих шихты и продуктов плавки.
3.1. Выполняется корректировка каждоrо параметра на всю величину невязки по
выражениям:
(СаО )СКОР==(СаО ).. (CaO); (Si 02)CKOP==(Si02).. (CaO); (A€ 20з)СКОР==(АР 20з)" ( Са О);
C aO.CKOP==CaO... Ca O .' S i 02 .CKOP==S i 02 ... Ca O .' АР. 2 0 з .СКОР== А f 2 0 з ... Са О ..
1 1 1, 1 1 1,' 1 . 1 1,
F CKoP F + A F . F О CKoP F О A F О . F CKoP F + A F . Z CKOP Z + А (2 . 79)
ej ej f...). ej, е j е j f...). е j, ем ем f...). ем, f...).z.
Для каждоrо варианта корректировки выполняется расчет по основным расчет..
ным выражениям с определением невязки баланса железа Fe, после чеrо вся OCTa
точная невязка Fe относится на расходы компонентов путем умножения
Rj.(l.. Fe )==RjCKOP. (2.80)
Fе+Fеч
Затем расчет корректировки компонента шихты или шлака повторяется с после..
дующим расчетом по основным расчетным выражениям и получением результатов.
Указанные варианты расчетов выполняются частично или полностью по запросу
пользователя для неформальноrо анализа результатов и выбора наиболее правдопо
добных вариантов корректировок. По результатам анализа вносятся при необходимо
сти неформализованные поправки в исходные данные, и выполняется расчет по oc
новным расчетным выражениям.
3.2. Выполняется корректировка всех параметров ДJ1я разнесения общей невязки Ш. В
случае отсутствия неформализованной корректировки (см. выше) этой величиной явля..
ется исходное значение ш, в случае выполнения неформализованной корректировки
этой величиной является остаточное значение ш после указанной корректировки. Kop
ректировка ДJ1я разнесения невязки выполняется по формулам (2.55) (2.64).
4. Корректировка rазифицированных элементов.
4.1. Выполняется корректировка каждоrо параметра на всю величину невязки по
выражениям:
(K)==K c; (Ош)==Ош+ ош ; (С0 2 )==С0 2 + C02 ; (CO)==CO+ co; (Н 2 )==Н 2 + H2 ;
(пr)==пr + пr; (Kr)==Kr + Kr; (M)==M+ M; (У)==У + y; (ы)==co+ ы. (2.81)
168
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Для каждоrо варианта корректировки по запросу пользователя выполняется pac
чет по основным расчетным выражениям (частично или полностью) с целью нефор
мализованноrо анализа результатов и выбора наиболее правдоподобных вариантов
внесения поправок в исходные данные. На основе анализа и внесения поправок BЫ
полняется расчет по основным расчетным выражениям.
4.2. Выполняется корректировка для разнесения общей невязки L\ по формулам (2.69
2.78). При отсутствии неформализованной корректировки общей невязкой является ис
ходное значение L\, при наличии остаточное значение L\ после корректировки.
Величина несоответствия состава дутья составу колошниковоrо rаза (Ду в % к KO
личеству rаза) рассчитывается по выражению (2.65). Её значение после корректиров
ки должно уменьшиться. Значения величин отношения степеней использования BOC
становительных rазов (llH/llco) и доли остаточноrо члена тепловоrо баланса от общеrо
расхода тепла (QOCT/Q ) не должны выходить из пределов:
1,1 > (l1н/llсо» 0,9; 0,20 > (QOCT/Q » 0,05.
Случаи увеличения Ду после корректировки и выхода (llH/llCO) и (QOCT/Q ) из ука..
занных пределов рассматриваются при неформализованном анализе с принятием со..
ответствующих решений о корректировках.
5. Формирование выходных данных. Выходные данные формируются в таблич..
ной форме, в трех подразделах: фактические показатели; расчетные показатели;
скорректированные показатели. Из полноrо набора показателей предусматривается
формирование любой выборки по указанию пользователя.
2.4. Система учета и анализа показателей
Для повышения эффективности функционирования отраслевой системы анализа
работы доменных печей разработана методика машинной обработки и предваритель
Horo анализа показателей доменной плавки, которая реализована на ЭВМ в виде aB
томатизированной системы анализа (АСА) работы доменных печей*.
Задачей разработки АСА было повышение оперативности, достоверности и rлу
бины анализа показателей доменной плавки на основе обработки поступающей с за
данной дискретностью первичной информации. При этом предполаrается использо
вание первичной информации трех уровней:
среднесуточной, систематически формируемой в цехах по каждой доменной печи;
среднемесячной, формируемой в виде технических отчетов;
среднеrодовой, формируемой на основе месячных технических отчетов.
Первая может быть использована непосредственно на предприятии путем накопле..
ния на маrнитных носителях с последующим усреднением за период требуемой дли..
тельности, определением расчетных характеристик для сравнительноrо анализа с целью
принятия оперативных решений. На основе этоrо вида информации, на ЭВМ MOryт фор..
мироваться месячные, rодовые технические отчеты и любые требуемые формы инже
нерной документации. Вторая и третья формы информации MOryT использоваться не
только на предприятии, но за ero пределами для сравнительноrо анализа работы ДOMeH
ных печей различных предприятий. Накопление этой информации на маrнитных носи
телях за длительный период позволяет выполнять ретроспективный анализ работы под
отрасли с выявлением тенденций, причин изменений и выработкой мер по повышению
эффективности доменной плавки в отдельных arperaTax и в отрасли.
Важнейшим фактором, определяющим достоверность результатов анализа пока..
*
Проrрамма разработана r.п. ВаСИ.lенко.
169
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
зателей доменной плавки, является орrанизация технолоrическоrо учета. Основными
недостатками существующей системы учета показателей работы доменных печей
являются:
отсутствие единых научно обоснованных норм формирования, обработки и
представления информации о работе доменных печей и цехов, что приводит, в част
ности, к различию методов усреднения параметров, разным полноте и форме пред
ставления отчетных данных на предприятиях;
недостаточные полнота и точность информации о процессах в доменных печах
и состоянии оборудования;
высокая роль субъективноrо фактора при формировании отчетных показателей
работы доменных печей.
С целью повышения достоверности технолоrическоrо учета и ero унификации
разработана единая методика обработки и форма представления технических показа
телей работы доменных цехов, ориентированная на использование ЭВМ и включаю
щая реrламентацию источников получения, объема, точности, периодичности, а TaK
же характера обработки и представления информации о работе доменных печей и
вспомоrательных arperaToB доменноrо цеха.
Помимо первичной информации о работе доменных печей для повышения каче
ства выполнения анализа требуется расчет комплексных показателей и материально
тепловых балансов, методикой обработки первичной информации предусмотрено
выполнение следующих расчетов: комплексных параметров дутьевоrо режима; ба
лансов железа и шлакообразующих элементов; баланса rазифицированных элемен..
тов; тепловоrо баланса; восстановительно..тепловых и rазодинамических характерис..
тик. Важным компонентом анализа является оценка влияния поrрешностей исходных
данных на расчетные характеристики процесса. С этой целью предусмотрена коррек..
ция параметров в соответствии с величинами невязок балансов с последующим ана..
лизом расчетных величин.
етодикой предусмотрен также анализ влияния факторов на удельный расход
кокса и производительность доменных печей. Указанный анализ выполняется с цe
лью сравнения работы доменных печей или периодов работы одной печи при услов
но одинаковых параметрах плавки с выявлением роли неконтролируемых или неиз
вестных факторов. Для отсева влияния известных факторов используются выраже
ния, полученные на основе расчетно аналитических исследований и скорректирован
ные по обобщенным данным практики. АСА включает следующие компоненты:
базу первичных технолоrических показателей работы доменных печей (суточ"
ные, месячные, rодовые, отдельные периоды), характеристик arperaToB и исходных
материалов;
проrрамму компоновки и усреднения первичной информации (по печам, цехам,
периодам );
проrрамму расчета комплексных показателей и материально тепловых балансов
с анализом невязок балансов и поrрешностей учета;
проrрамму формирования различных видов представления результатов обра
ботки, их накопления и передачи в друrие nporpaMMbI.
Порядком представления результатов обработки информации предусматриваются
различные формы выдачи их на печать. Основными из них являются: усреднённые
показатели за период, расчётные показатели, скорректированные показатели (с учё..
том невязок балансов). Предусмотрены специальные формы выдачи на печать пока
зателей плавки для сопоставительноrо анализа работы доменных печей с компонов..
кой показателей по печам, цехам, отрасли.
В табл. 2.8. результаты обработки по казаны на примере доменной печи N29 KrrMK
170
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
"Криворожсталь". Результаты обработки первичной информации формируются в
массивы, которые MorYT использоваться в друrих nporpaMMax, в частности:
корреляционно реrрессионноrо анализа;
картоrрафическоrо анализа;
расчета экономических показателей;
оптимизации направлений развития доменноrо процесса.
Система открыта и может быть леrко дополнена друrими проrраммами на имею
щейся информационной базе, которая также может расширяться.
При достаточной полноте исходной информации возможно непрерывное изуче
ние связей основных показателей плавки и расчетных характеристик с целью выяв
ления тенденций и закономерностей их изменения на отдельных печах, rруппах пе
чей и в отрасли с последующим формированием рекомендаций по совершенствова
нию технической политики в области доменноrо производства [296].
Таким образом, ретроспективное изучение показателей доменноrо производства является
смысловой основой проrнозирования и планирования перспектив ero развития. Результаты
обработки показателей доменной плавки в АСА являются таюке информационной базой ДJlЯ
решения задачи оптимизации направлений развития доменноrо процесса. АСА может быть
ВЮIIOчена в системы более BbIcoKoro уровня предприятия, отрасли.
Использование разработанной системы в практике анализа доменной плавки oc
новано на сочетании формализованных методов обработки и сопоставления показа
телей снеформальными приемами анализа, учитывающими недостаточную полноту
и однозначность исходной информации. Такое сочетание является неотъемлемым
элементом системноrо анализа. Указанный анализ должен выполняться непрерывно в
силу специфических особенностей доменной плавки как большой системы, содер..
жащей неконтролируемые элементы. Эти элементы обусловливают неуправляемый
дрейф параметров, который необходимо прослеживать для принятия корректных
решений по управлению плавкой. Сушность проблемы заключается в следующем.
Известные из практики доменноrо производства дрейф показателей плавки при oд
ном И том же режиме, а также поддержание заданных показателей при периодическом
изменении режима и возврате к нему не противоречат закономерностям функционирова
ния доменной плавки как большой системы. Они объяснимы тем, что в силу HepaBHO
мерности распределения среды и ее свойств в объеме arperaTa каждый режим содержит
компоненты, не соответствующие ero средним параметрам и деформирующие с течени
ем времени средние параметры и показатели плавки путем накопления новых свойств,
стимулирующих спонтанный сдвиr состояния процессов в друryю область и требующих
корректировки режима для достижения заданных показателей.
Если высокочастотные колебания параметров, период которых на порядок мень..
ше времени переходных процессов, практически не про пускаются печью и не влияют
на выходные параметры, а колебания, соизмеримые с этим временем, должны отсле..
живаться для использования при оперативном управлении, то долrовременные изме
нения, длительность которых значительно превышает время переходных процессов,
не влияют на текущее состояние плавки, но приводят к медленному сдвиrу процессов
к новому режиму, для формирования KOToporo необходимо прослеживание дрейфа
процессов путем специальной обработки параметров и показателей. По мере YMeHЬ
шения пространственно временной неоднородности параметров (за счет стабилиза
ции состава и свойств шихты и дутья, равномерности их распределения при подаче в
печь, совершенствования конструкций arperaToB и оборудования) происходит увели
чение длительности дрейфа до величин, в ряде случаев соизмеримых с межремонт..
ным периодом работы arperaTa. Отслеживание дрейфа для формирования параметров
HOBoro режима требует использования АСА.
171
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Таблица 2.8. Показатели работы доменной печи N2 9
KrrMK "'Криворожсталь" 1985 1990 rr.
По казатели 1985 1986 1987 1988 ]989 1990
Полезный объем, м'; 5027,0 5027,0 5027,0 5027,0 5027,0 5027,0
Выплавка пер. чуrуна, тыс. т 3409,3 3444,9 3516,9 3466,5 2508,6 3415,4
Выплавка лит. чуrуна, тыс. т 10,40 4,40 7,90 81,80 29,40
Доля передельноrо чуrуна, % 100,00 99,70 99,88 99,7 96,84 99,15
Кол во суток работы 361,73 360,75 362,19 362,35 286,20 362,51
Cp. суточное производство, т 9425,0 9578,0 9722,0 9589,0 9051,0 9503,0
Удельн. произ сть, т/м 3 сут [ ,875 1 ,907 1,935 1,909 1,815 1,895
Расход кокса, Kr/T 476,00 467,00 461,00 454,00 458,00 473,00
Отсев кокса, Kr/T 36,00 21,00 28,00 28,00 29,00 29,00
Дутье: расход, мJ/мин. 7562,0 7917,0 8068,0 7998,0 7717,0 7614,0
изб.давление,кПа 370,00 370,00 374,00 371,00 351 ,00 371,00
температура, rрад. 1156,0 1150,0 ] 144,0 1112,0 1093,0 1075,0
влажность, r/M з 8,00 8,00 8,00 8,00 8,00 8,00
кислород (измерен), % 30,80 30,40 29,80 29,20 29,10 29,90
кислород по расх., % 29,89 30,46 29,80 29,27 29,37 29,43
Расход тех. кислорода, M j/T 1 73,00 172,00 160,00 148,00 154,00 154,00
02 в технич. кислороде, 0/0 94,00 94,00 94,00 94,00 94,00 94,00
Расход природноrо rаза, мЗ/т 124,00 125,00 ] 1 9,00 114,00 113,00 116,00
% к дутью 1 0,78 10,50 9,96 9,49 9,20 10,05
Колошниковый rаз:
изб. давление, кПа 183,00 1 78,00 ] 77,00 178,00 174,00 178,00
температура, ос 1 1 5,00 141 ,00 163,00 149,00 143,00 123,00
содержание, % СО 23,07 23,70 23,70 25,90 26,00 26,60
С0 2 22,37 21,90 22,00 19,90 19,60 1 9,90
Н 2 9,32 9,90 8,50 8,40 7,60 7,60
общий перепад давл., кПа 186,00 1 91 ,00 196,00 192,00 1 77,00 192,00
верхн. перепад давл., кПа 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00
Текущие простои, час. 239,46 185,21 154,68 209,09 258,18 165,40
% времени 2,76 2,14 1,78 2,40 3,76 1,90
Тихий ход, час. 21,34 9,32 9,68 13,57 7,34 25,67
% времени 0,25 0,11 0,11 0,16 0,11 0,30
Замена воздушных фурм, шт. 380,00 369,00 35 1 ,00 492,00 390,00 423,00
Сред. срок службы фурм, сут. 40,00 41,00 43,00 31,00 31,00 36,00
Выполн. rpафика выпусков, % 99,60 99,60 99,70 99,40 98,00 94,80
Шихтовые материалы и продукты плавки
Расход, Kr/T: аrл. юrок 49,00 22,00 15,00 14,00 6,00 16,00
аrл. HKrOK 2 1262,0 1 344, О 1344, О 1297,0 1308,0 1322,0
окатыши CeBrOK 51 7,00 439,00 413,00 410,00 416,00 396,00
руды железн. Крив. 16,00 16,00 2,00 4,00 15,00 7,00
Bcero А+О+Р 1844,0 1821,0 1 774,0 1725,0 1745,0 1741,0
металлодобавки 0,0 0,0 0,0 3,00 4,00 1,00
известняк 23,0 1,0 9,0 8,0 6,0 6,0
Доля А и О, % 98,33 99,12 99,89 99,59 98,91 99,54
Железо в шихте, % 52,06 54,08 54,25 54,50 54,46 54,54
172
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Продолжение табл. 2.8.
Показатели 1985 1986 1987 1988 1989 1990
Железо в А+О+Р, % 52,67 54,10 54,39 54,63 54,69 54,68
Рудная наrрузка, т/т 3,87 3,90 3,85 3,80 3,81 3,68
Фракция 0 5 мм в аrломерате, % 8,24 8,89 8,39 7,79 7,46 7,82
Фракция 0 5 мм в шихте, % 7,30 8,17 7,74 7,28 6,80 7,] 7
Вынос пыли (уловлен), Kr/T 7,00 6,00 7,00 6,00 6,00 7,00
В чуrуне, %:
v' 0,860 0,81 О 0,800 0,820 0,820 0,870
кремнии
MapraHeu 0,620 0,800 0,890 0,780 0,650 0,660
сера 0,029 0,025 0,022 0,023 0,023 0,021
фосфор 0,044 0,050 0,054 0,052 0,046 0,044
уrлерод 4,31 О 4,500 4,500 4,340 4,500 4,500
Температура чуrуна, ос 1450,0 1450,0 1450,0 1450,0 1450,0 1450,0
В шлаке, %:
кремнезем 38,80 37,60 37,40 37,30 38,40 37,60
rлинозем 6,70 7,80 8,00 8,10 8,20 7,60
известь 47,30 46,40 46,90 46,60 46,20 46,80
маrнезия 5,70 6,10 6,20 6,20 6,30 6,30
оксид MapraHua 0,61 0,74 0,69 0,62 0,46 0,54
оксид железа 0,34 0,32 0,30 0,28 0,24 0,27
сера 1,86 1,80 1,79 1,85 1,90 1,90
Основность шлака 1,22 1,23 1,25 1,25 1,20 1,24
Материальные балансы доменной плавки
Расход железа, Kr/T чуr. 988,00 995,00 974,00 952,00 963,00 961,00
в т. ч. В чуrуне 941, 938,00 937,00 940,00 940,00 939,00
в шлаке 17,01 14,76 14,14 13,58 13,64 13,661
в скрапе 1,98 4,50 4,50 4,50 2,70 2,70
в кол. пыли 2,42 2,61 3,00 2,56 2,59 2,95
в шламе rазоочистки 0,84 1,13 1,50 1,10 1,10 1,07
потери Fe в окр. среду 2,97 2,98 2,92 2,86 2,89 2,38
Невязка железа, Kr/T 21,77 30,86 11,06 ..12,19 0,21 ..1 42
,
Количество шлака, Kr/T 520,53 453,89 436,99 421,54 427,73 425,03
невязка шлака, Kr/T ..87,64 ..31,32 ..35,63 ..30,19 ..34,33 ..32,33
Кол"во кремнезема, Kr/T 1 85,04 181,65 1 70,87 167,68 171,91 166,86
невязка кремнезема, % 1 7,49 3 72 5 92 4 52 6 03 7 24
, , , , ,
Кол во rлинозема, Kr/T 26,26 27,86 27,11 27,62 30,60 28,97
невязка rлинозема, % 27 ,56 21 ,29 22,45 19,10 12,78 1 0,31
Количество извести, Kr/T 209,82 195,74 189,60 182,30 180,16 184,08
невязка извести, % 14,78 7 06 7 49 7 20 8 84 7 46
, , , , ,
Количество маrнезии, Kr/T 23,37 23,98 24,85 22,85 22,69 23,09
невязка маrнезии 2 ] ,24 13,40 8 30 ..12,56 15,80 13,77
,
Количество МпО, Kr/T 8,37 10,05 1 0,72 1 0,16 8,05 8,26
невязка MapraHua, % 3 47 5 48 5 86 3,32 0,30 1 44
, , , ,
Количество серы, Kr/T 9,35 7,90 7,81 7,88 7,44 7,92
173
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Продолжение табл. 2.8.
Показатели 1985 1986 1987 1988 1989 1990
невязка серы, % 6 45 6 42 2 96 1 96 11 ,3 1 4 52
, , , , ,
Коэфф. распределения серы 64, 14 72,00 81,36 80,43 82,61 90,48
Разбаланс rазифицирован
ных элементов:
C O..N H, % (начальный) 13,03 0,46 2,31 5 36 6 64 o 96
, , ,
O..N, % (начальный) 1 87 0,26 0,89 o 39 o 81 0,30
, , ,
C O N H, % (остаточный) 0,43 0,46 o ] 1 0,18 o 08 o 18
, , ,
O..N, % (остаточный) 0,53 0,26 0,43 0,71 0,49 0,45
Расчетные параметры и тепловые балансы доменной плавки
Расход дутья, м 3 /т 1181 1090 1089 1070 ]096 11 О 1
Расход кисл да (расч.), м 3 /т 174 154 144 132 134 147
Потери дутья, % 1 0,51 1,01 1,53 3,76 3,52 3 15
,
Потери кислорода, % o 32 ] 0,61 10,03 10,82 13,22 4 40
, ,
Кислород в дутье, % 29,39 30,46 29,30 29,27 29,37 29,43
Природный rаз, % к дутью 1 О, 16 ] 1,47 10,93 10,66 10,31 10,53
Теор. темп ра rорения, ос 2250,0 2173,0 2170,0 2138,0 2138,0 2148,0
Кол во фурмен. rаза, мЗ/т 1309,0 ] 693,0 1673,0 1631,0 1663,0 1685,0
Кол"во сух. кол. rаза, мЗ/т 1 798,0 1 710,0 1674,0 1658,0 1665,0 1687,0
Прямое восст. общее, % 11,42 ] 7,33 17,43 21,52 19,36 19,48
Прямое восст. оксида Fe, % 22,39 23,60 20,33 31,11 29,50 25,56
Степень использ. rазов, %:
оксида уrлерода 49,22 48,03 48,14 43,45 42,98 42,80
водорода 29,36 33,60 41,62 40,49 45,58 46,26
общая 44,55 44,47 46,56 42,75 43,59 43,60
Расход уrлерода, Kr/T: общ. 43 ] ,00 418,00 410,00 407,00 407,00 420,00
Сжиrаемый у фурм из кокса 314,00 297,00 298,00 276,00 280,00 300,00
На прямое восст. железа 45,00 47,00 41,00 62,00 59,00 5 1 ,00
На восст. леrирующих 10,0 10,0 10,0 10,0 9,0 10,0
Кислород шихты, Kr/T 411 ,00 405,00 407,00 406,00 405,00 404,00
Общий приход тепла, кДж/кr 5146,0 4818,0 4811,0 4499, О 4540,0 4718,0
в т. ч.: rорение кокса 3082,0 2909,0 2922,0 2708,0 2747,0 2937,0
тепло дутья и доб. 2064,0 1909,0 1888,0 1 792,0 1793,0 ] 781,0
тепло шихты 134,00 140,00 138,00 133,00 134,00 135,00
Потребность тепла, кДж/кr 2976,0 2893,0 2821,0 3053,0 3058,0 2935,0
в т.ч.: восст. железа 664,00 713,00 653,00 920,00 897,00 802,00
восст. леrирующих 48,0 41,0 41,0 41,0 39,0 41,0
разлож. карбонатов 24,0 1,0 3,0 8,0 7,0 4,0
испар. влаrи шихты 34,00 46,00 32,00 36,00 36,00 42,00
теплосодерж. чуrуна 1240,0 1240,0 1240,0 1240,0 1240,0 1240,0
теплосодерж. шлака 921 ,00 804,00 774,00 746,00 757,00 752,00
Теплосодержание кол. rаза 300,00 355,00 408,00 365,00 353,00 308,00
Остаточное тепло 1847,0 1570,0 1582,0 1082,0 1149,0 1476,0
Доля полезноrо тепла, % 58,28 60,04 58,64 67,84 66,91 62,20
174
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Продолжение табл. 2.8.
По казатели 1985 1986 1987 1988 1989 1990
Отношение водяных чисел 0,85 0,87 0,85 0,85 0,85 0,84
Теплотвор. кол. rаза, кДж/м З 3921,0 4069,0 3918,0 4185,0 4112,0 4187,0
Скорость rазов, м/сек:
на колошн. при норм. усл. 2,23 2,17 2,18 2,12 2,03 2,16
при факт. усл. 1,10 1,17 1,24 1,16 1 , 11 ] ,11
в шахте при нормаль. усл. 1,18 1,14 1,14 1,1 ] 1,06 ] ,13
при факт. усл. 2,10 1,99 1,99 1,91 1,89 ] ,96
rазопроницаемость: общая [ 6,26 14,61 14,42 13,64 14,13 14,07
верха 77,58 75,78 77,92 72,76 68,06 74,07
низа 14,83 13,25 12,92 12,37 12,94 12,86
Интенсивность,
Kr кокса/м 3 сут 892,00 890,00 892,00 866,00 825,00 894,00
v' 3467,0 3452,0 3410,0 3273,0 3126,0 3272,0
по руднои сыпи
Дутьевая струя у фурм:
скорость, м/сек 256,39 250,30 247,56 221,73 256,07 252,21
температура, ос 1235,0 1239,0 1230,0 1201,0 1181,0 1168,0
мощность струи, кВт [ 43,65 128,31 126,36 98,62 128,80 129,58
Привед. к условиям: 1985 [.
расход кокса, Kr/T 502,00 495,00 474,00 473,00 485,00
производительность, T/M j сут. 1,759 1,787 1,835 1,786 1,826
Скорректированные параметры и тепловые балансы доменной плавки
Расход кокса, Kr/T 476,00 467,00 461,00 454,00 458,00 473,00
В колошник. rазе, %: СО 22,70 23,70 23,70 25,90 26,00 26,60
С0 2 22,00 21,90 22,00 19,90 19,60 19,90
Н 2 9,70 9,90 8,50 8,40 7,60 7,60
Расход дутья, M'j/T 1156,0 1090,0 1096,0 1059,0 1078,0 1 099, О
Расход кисл..да расч. м 3 /т 170,00 154,00 145,00 131,00 131 ,00 147,00
Потери дутья, % ..8 13 1,01 0,93 4,70 5,11 ..2 95
, ,
Потери кислорода, % [ ,34 10,6 ] 9,43 11,69 14,65 4,59
Кислород в дутье, % 30,05 30,46 29,76 29,33 29,48 29,44
Природный rаз, MJ/T 12 0,00 125,00 119,00 114,00 113,00 116,00
% к дутью 1 0,72 11,47 10,36 10,92 10,59 10,55
Теор.тем раrорения,ОС 2213,0 2173,0 2176,0 2120,0 2117,0 2146,0
Кол во фурмен. rаза, м"3/ т 1 779,0 1693,0 1633,0 1619,0 1639,0 1631,0
Кол"во сух. кол. rаза, мЗ/т 1780,0 1 71 0,0 1677,0 1651,0 1653,0 1685,0
Прямое восст. общее, % 15,08 17,83 16,51 22,71 21 ,37 19,71
Прямое восст. оксида Fe, % 18,09 23,60 20,55 29,21 23,06 25,40
Степень использован. raзов, %:
оксида уrлерода 49,23 48,03 48,13 43,49 43,04 42,80
водорода 34,25 33,60 41,53 42,66 47,13 46,49
общая 45,65 44,47 46,54 43,27 44, О 1 43,66
Расход уrлерода, Kr/T: общ. 433,00 413,00 409,00 408,00 407,00 420,00
Сжиrаемый у фурм из кокса 323,00 297,00 297,00 280,00 233,00 300,00
На прямое восст. железа 35,00 47,00 41,00 59,00 56,00 51,00
На восст. леrирующих 10,0 10,0 10,0 10,0 9,0 10,0
175
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Окончание табл. 2.8.
Показатели 1985 1986 1987 1988 1989 1990
Кислород шихты, Kr/T 411 ,00 405,00 407,00 406,00 405,00 404,00
Общий приход тепла, кДж/кr 5194,0 4818,0 4811,0 4523,0 4541,0 4718,0
в т.ч.: rорение кокса 3167,0 2919,0 2912,0 2745,0 2775,0 2940,0
тепло дутья и доб. 2027,0 1909, О 1899,0 1 777,0 1766,0 1 778,0
тепло шихты 134,00 140,00 138,00 133,00 134,00 135,00
Потребность тепла, кДж/кr 2910,0 2893,0 2826,0 3013,0 3008,0 2931 ,0
в т.ч.: восст. железа 575,00 713,00 658,00 880,00 866,00 798,00
восст.леrир их 48,00 41,00 41,00 41,00 39,00 41,00
разлож. карбонатов 24 1,00 8,00 8,00 7,00 6,00
испар. влаrи шихты 34,00 46,00 32,00 36,00 36,00 42,00
теплосодерж. чуrуна 1240,0 1240,0 1240,0 1240,0 1240,0 1240,0
теплосодерж. шлака 921,00 804,00 774,00 746,00 757,00 752,00
Теплосодержание кол. rаза 300,00 355,00 408,00 365,00 352,00 308,00
остаточное тепло 1984,0 1570,0 1577,0 1145,0 1182,0 1479,0
Доля полезноrо тепла, % 56,02 60,04 58,74 66,62 66,62 62,13
Отношение водяных чисел 0,85 0,87 0,85 0,85 0,85 0,84
Теплотвор. кол. rаза, кДж/м З 3927,0 4069,0 3908,0 4188,0 4126,0 4188,0
Скорость rазов,м/сек :
на колош. при норм. усл. 2,22 2,17 2,18 2,12 2,02 2,] 8
при факт. усл. 1,10 1,17 1,24 1,16 1,11 1,11
в шахте при норм. усл. 1,17 1,14 1,15 1,11 1,06 1,13
при факт. усл. 2,06 1,99 2,00 1,90 1,87 1,95
rазопроницаемость: общая 15,79 14,6 ] 14,54 13,46 13,79 14,03
верха 77,04 75,78 78,22 72,56 67,35 73,96
низа 14,44 13,25 13,03 12,22 12,66 12,82
Интенсивн., Kr кокса/м 3 сут 892 890 890 866 825 894
3467 3452 3410 3273 3126 3272
по руднои сыпи
Дутьевая струя у фурм,
скорость, м/сек 253,32 250,30 248,78 220,59 253,11 251,81
температура, rрад. 1239,0 1239,0 1230,0 1202,0 1184,0 ] 168,0
мощность струи, кВт. 137,52 128,31 128,36 96,77 123,91 128,92
2.5. Проrноз показателей плавки
Проrноз показателей доменной плавки в установившихся режимах (статический
проrноз)* включает определение состава шихты, расхода кокса и производительности
доменной печи при заданных параметрах процесса (температуре, влажности дутья и
содержании в нем кислорода, расходе дутьевых добавок и давлении колошниковоrо
rаза), химическом составе и температуре заrружаемых шихтовых материалов и полу
чаемых продуктов плавки.
Уравнения материальноrо баланса для расчета расхода компонентов шихты
включают в качестве известной величины расход кокса, определяемый из уравнения
* Показатели таких режимов относятся к длительны\! периодам работы печи, в течение которых на их ycpeДHeH
ные значения практически не влияют отдельные перелодные режимы. Особенности динамическоrо проrноза oc
вещены в rл. VI.
176
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
тепловоrо баланса. Уравнение тепловоrо баланса включает расходы компонентов
шихты, определяемые из системы уравнений материальноrо баланса. Определение
всех необходимых величин про изводится совместным решением уравнений матери
альноrо и тепловоrо балансов.
Численное решение этой системы уравнений производят либо методом последо
вательноrо приближения, либо аналитическим методом А. Н. Рамма [48]. Метод pac
чета показателей доменной плавки, разработанный А. Н. Раммом, называется "ком..
плексным" и заключается в том, что система уравнений материальноrо баланса (2.2)
(2.7) дополняется уравнением тепловоrо баланса:
РЦр +qJЦфл +kCjK +SCjs = О, (2.82)
в котором величина q (кДж/кr) с соответствующим индексом является тепловым эк
вивалентом, выражающим "приведенную" затрату тепла на все физико химические
превращения, которым подверrается в печи 1 Kr компонента шихты. Для кокса и ra
зообразноrо топлива q к (кДж/кr) и q s (кДж/м 3 ) характеризуют "приведенную" теп
лоотдачу их в печи. Тепловые эквиваленты вычисляются единообразно для всех Ma
териалов.
Например, для компонента 111:
. .
q 111 = С Фт qc + С d m qCd + СО i m qco + Н 2i m qH2 Qom qOm'
(2.83)
. .
rде QO полезный расход тепла, кДж/кr компонента шихты; qO энтальпия rазов,
т т
выделяющихся из компонента шихты пl, кДж/кr компонента.
для вдуваемоrо peareHTa:
,
q = q +С q Q
s s d s Cd Os .
При вычислении тепловых эквивалентов по уравнениям (2.83) и (2.84) необходи
, ,
мо предварительно определить величины С ф , C d , CO i , H 2i , QO и qo для каждоrо ком..
понента шихты, подставляя в соответствующие выражения материальные характери
стики отдельных компонентов. В результате решения системы уравнений материаль
но..тепловоrо баланса определяют расход кокса и всех компонентов шихты, а также
количество и состав шлака, колошниковоrо rаза и дутья на единицу чуrуна.
При расчете расхода кокса на основе тепловоrо баланса нижней зоны печи форма
уравнения тепловоrо баланса не изменяется, но все входящие в Hero величины, кроме
С ф и C d , определяются для нижней зоны (индекс ""н"). Значения qё, q:, q d' qёо,
(2.84)
q 2 вычисляют по уравнениям (2.28), (2.28а), (2.31 a) (2.31 в) после замены в них
температуры колошниковоrо rаза (t r ) температурой rазов на rранице зон (t o ), а общей
величины внешних потерь тепла (z) ее долей, приходящейся на нижнюю зону (ZH).
,
Значения со f, 11 2i , QOH определяют в соответствии с принятым распределением
процессов по зонам.
В результате cOBMecTHoro решения уравнения тепловоrо баланса нижней зоны с
уравнениями материальноrо баланса наряду с теми же величинами, что при исполь..
зовании уравнения общеrо тепловоrо баланса, MorYT быть определены (по разности)
энтальпия колошниковоrо rаза и ero температура.
При нахождении производительности печи исходят из заданной интенсивности
плавки по формуле:
Pv == /K/ k ,
rде Pv удельная производительность печи, т/сут на 1
(2.85)
м 3 полезноrо объема печи;
177
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
/к суточный расход скиповоrо кокса, т/сут, отнесенный к 1 м 3 полезноrо объема
печи; k расход влажноrо кокса с учетом выноса, т/т чуrуна.
Интенсивность может быть задана друrим показателем, например, минутным BЫ
ходом колошниковоrо rаза, отнесенным к 1 м 3 объема печи:
60.24/ r ( 2.85а )
Pv = * '
1000V r
rде V r * выход колошниковоrо rаза, включающий влаrу восстановления, M 3 /Kr чуr.
Для вычисления показателей доменной плавки по уравнениям проrноза, помимо
использования термохимических констант, теплоемкостей и ряда друrих, известных
или принимаемых из практики данных, требуется задать некоторые характеристики,
зависящие от кинетических особенностей восстановления и теплообмена в печи, а
также характеристику скорости схода шихтовых материалов, зависящую от rазоди
намики плавки.
Ход восстановительноrо процесса оценивается одним из показателей степени
прямоrо восстановления (l'"d, R(/, R d) или степенью использования rазов (Jlco, J1H2)'
Задавая значения температуры колошниковоrо rаза (t r ) И теплопотерь (z) в уравнения
(2.28), (2.28а), (2.31a) (2.31B), получают однозначные характеристики теплоотдачи
rаза в печи. При расчете по балансу тепла в нижней зоне необходимо задать rранич
ную температуру зон и разность температур шихты и rаза на rранице зон, вычисляя
при этом температуру колошника из баланса тепла в верхней зоне. Тепловую работу
печи можно характеризовать также одним из показателей использования тепла, на..
пример, долей, полезно используемоrо тепла.
В некоторых случаях считают удобной rрафическую интерпретацию материаль..
но тепловоrо баланса в форме, предложенной А. Ристом [271]. При определении
возможных показателей работы доменной печи по диаrрамме А. Риста необходимо,
как и в расчетных методиках, задавать степень совершенства восстановительной и
тепловой работы печи.
В проектных расчетах значения указанных показателей восстановительной, теп..
ловой работы печи и rазодинамики принимают на основании практических данных,
полученных в различных условиях. Но удачный выбор значения каждоrо из показа
телей возможен только в тех случаях, коrда он мало изменяется под влиянием раз
личных технолоrических факторов. С небольшой поrрешностью можно принять не..
изменными при разных режимах плавки внешние потери тепла в единицу времени.
При этом удельные теплопотери будут зависеть от производительности печи. Ос..
тальные показатели сильно зависят от свойств шихтовых материалов и условий про
текания процесса. Для приближенноrо учета этих зависимостей их обычно выражают
простыми уравнениями, природа которых различна (эмпирические, лоrические, Teo
ретические с упрощающими допущениями и др.). Таким образом, система основных
уравнений материально тепловоrо баланса дополняется, по крайней мере, тремя
уравнениями: а) степени прямоrо восстановления (или заменяющеrо ее показателя);
б) температуры колошниковоrо rаза (или заменяющеrо ее показателя) при расчете по
общему тепловому балансу либо rраничной температуры зон и перепада температур
шихты и rаза на rранице зон при расчете по балансу нижней зоны; в) интенсивности
плавки (или заменяющеrо ее показателя).
В табл. 2.9. приведены особенности различных методов расчета доменной плавки
и оценки некоторых технолоrических мероприятий (в частности комбинированноrо
дутья). Рассмотрим эти особенности. Значение степени прямоrо 1'"(/ (или KocBeHHoro l;од
восстановления зависит от количества и состава ropHoBoro rаза, распределения тем..
пературы по высоте печи и времени пребывания шихты при различных температу..
178
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
рах, а также от доли кокса в столбе шихты, физико химических свойств материалов,
распределения материалов и rазов по сечению печи. Степень использования rазов
('l ) функционально связана со степенью прямоrо (KOCBeHHoro) восстановления и за
висит от тех же факторов. Заданное значение lt"d однозначно определяет при извест
ной окисленности шихты и расходе карбонатов значение степени использования ra
зов (172.). При работе доменных печей на атмосферном дутье постоянноrо HarpeBa без
добавок степень прямоrо восстановления изменялась под влиянием небольшоrо чис
ла факторов и зависела rлавным образом от свойств шихтовых материалов и распре
деления шихты и rазов по сечению печи. Поэтому значение ее моrло быть удачно
задано предварительно при наличии достаточноrо числа фактических данных о рабо
те доменных печей на определенной шихте.
Применение комбинированноrо дутья BbIcoKoro HarpeBa значительно увеличило
диапазон возможноrо изменения степени прямоrо восстановления и число влияющих
на нее факторов. В этих условиях для предварительноrо задания величины 't"d требу..
ется обобщение большоrо числа фактических данных о работе доменных печей с
различными параметрами комбинированноrо дутья (концентрацией кислорода и TeM
пературой, расходом природноrо rаза, мазута, уrля и друrих peareHToB). С этой цe
лью в одних случаях находят статистические связи степени прямоrо восстановления
с изменяющимся фактором (например, расходом природноrо rаза)*, характерные для
изучаемых условий плавки. В друrих случаях на основе рассмотрения практических
данных пытаются выявить общую тенденцию изменения показателей восстанови
тельной работы rазов с изменением какоrо либо фактора и выразить ее простой фор
мулой. Так, при расчетах эффективности комбинированноrо дутья иноrда допускают
'lco == const при изменении расхода природноrо rаза или мазута [22, 265, 270, 271],
хотя в действительности зависимость значительно сложнее. Допущение С4I(С Ф +
Cd)==const [45] дает приемлемые результаты расчета только в тех случаях, коrда при YBe
личении расхода природноrо rаза или друrоrо peareHTa повышают температуру дутья на
величину, обеспечивающую сохранение температурноrо поля по всей высоте печи.
Приведенные зависимости с различной степенью приближения отражают особен..
ности изменения показателей восстановительной работы rазов при изменении одноrо
из параметров комбинированноrо дутья (в частности, расхода природноrо rаза) в
изученном диапазоне при данных условиях плавки. Для оценки влияния на степень
прямоrо восстановления комплекса технолоrических факторов, изменяющихся в ши
роком диапазоне, они неприrодны. Такая оценка возможна по уравнениям, OCHOBaH
ным на использовании закономерностей кинетики восстановления и устанавли
вающим связь степени прямоrо восстановления с количеством, составом печноrо rаза
[16, 254 256, 259, 260, 266, 267, 295], а также в некоторых случаях с долей уrлерода в
столбе шихты [266, 267, 295] и временем пребывания материалов с печи [263, 266,
267]. Эти уравнения более универсальны, но тоже являются приближенными и не
отражают мноrообразия реальных связей. Их практическая ценность определяется,
rлавным образом, полнотой учета всех влияющих факторов и удачным выбором уп..
рощающих допущений. Предварительное определение восстановительных характе..
*:1:
ристик плавки в лабораторных условиях . [21, 124, 258, 259] пока не позволяет избе
жать использования практических данных о работе печи при переходе к реальному
процессу. Таким образом, в рамках балансовых расчетов наиболее приемлемы для
* Бачинин А. А. Некоторые вопросы применения комбинированноrо дутья в ДО\-lенной плавке: Автореф. канд. дис.
Донецк, 1969; Зыскин..1 М. л. Влияние состава комбинированноrо дутья на основные показатели доменной плав
ки: Автореф. канд. ДИС. Днепропетровск, 1973.
** Сорокин п. В. О влиянии комбинированноrо дутья на технолоrические показатели ДОl\fенной плавки: Автореф.
канд. l,ис. Днепропетровск, 1973.
179
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
оценки восстановительных характеристик процесса зависимости типа изложенных в
работах [16, 254 256, 263, 266, 267, 295], в которых базовыми являются реальные
значения этих характеристик для данных физико химических свойств шихты, а при
учете влияния на них различных технолоrических факторов используются законо
мерности кинетики восстановления.
Влияние характера тепловой работы печи на показатели доменной плавки при
расчете расхода кокса по общему тепловому балансу учитывают путем задания зна
чения температуры колошниковоrо rаза (t r ) или доли полезно используемоrо тепла
(k T ), а при расчете по тепловому балансу нижней зоны.. путем задания значений rpa
ничной температуры зон (to) и разности температур шихты и rаза при этой температу
ре (Дt). Р. Линдер [21], разделив печное пространство на несколько температурных зон,
принимает значения минимальных разностей температур шихты и rаза на rраницах
этих зон в зависимости от температуры шихты. При температуре шихты (t M ) 350 и
700 ос Д! == 50 ос, при t M == 1000 ос Д! == 1 00 ос И при [ м == 1200 ос Д! == 300 ос. CBeдe
ние тепловоrо баланса каждой зоны позволяет определить rоризонт наибольшей теп..
лопотребности шихты, определяющий потребность в коксе для Bcero процесса.
Поскольку величина t r зависит от мноrих факторов, ее выражают эмпирическими
формулами или лоrически сконструированными соотношениями, в которых aprYMeH
том является теоретическая температура rорения [16] или количество rазов, приходя
щихся на единицу шихты [263]. В работах [266, 267, 298] для учета влияния xapaKTe
ра тепловой работы доменной печи на показатели плавки используются уравнения
теплопередачи. А. Л. Ходж [266, 267] описывает теплопередачу в средней части печи
уравнением, в котором коэффициент теплоотдачи rазов является величиной, посто..
янной для данной шихты. Решая это уравнение совместно с уравнением тепловоrо
баланса, находят расход кокса и температуру колошниковоrо rаза. Значение коэффи"
циента теплоотдачи rазов определяlOТ из практических данных о работе печи при
некоторых шихтовых условиях и сохраняют постоянным во всех вариантах расчета,
относящихся к этим условиям. Интенсивность хода доменной плавки характеризуют
рядом индексов (/К' /с, /r И др.), наиболее показательным из которых является интен
сивность по rазу /r, или количество rазов (при нормальных условиях), пропускаемых
через печь в единицу времени. Для расчета относительноrо изменения интенсивности
хода и производительности печи в различных вариантах плавки используют зависи
мости, основанные на уравнении потерь напора, с применением ряда эмпирических
данных. При этом исходят из сохранения в разных вариантах расчета либо выхода
rазов в единицу времени [254, 258, 259, 268], либо перепада давления в печи [124,
255, 256, 16, 260, 263], либо степени уравновешивания столба шихты rазовым пото..
ком [295]. Последний из этих критериев более универсален.
Особенности построения и использования тепло.. и массообменных моделей под..
робно рассмотрены К.К. Шкодиным в работе [18, с. 59..95]. Трудности построения
моделей, адекватных процессу, обусловлены тем, что не все явления достаточно xo
рошо изучены. Модели содержат большое количество констант, которые, по сущест"
ву ЯВЛЯlOтся комплексными параметрами шихтовых материалов, изменяlOЩИМИСЯ в
различных условиях. Подстройка модели с большим количеством констант к реаль
ным условиям доменной плавки часто требует ввода дополнительных поправочных
коэффициентов, что снижает ценность модели. В качестве критериев при подстройке
используют выходные параметры плавки (расход кокса, производительность, состав
и температура колошниковоrо rаза и др.), так как промежуточные (температура и
состав материалов и rазов на разных rоризонтах и др.) не контролируются. Это не
позволяет оценить адекватность модели реальному процессу.
180
>:S:
:S:
Е--
CI:::
:S:
о...
t::
О
о...
(l)
х
:S:
U
(l)
:r
:S:
L...
о
t::;
о
:I:
Х
(l)/"""""'...
Е--
Х
J5 ::s:
o...
о (l)
Е-- Q...
О
аз
:I: О
со
О
:I:
(l)\O
::f
О Е--
Х
J5
:I: (l)
Е-- t::;
(l) t::1.
:r
U ::r:
::s:
Q...o...
::s: t::
Е--О
(l)
о
o...
се (l)
о t::1.
t::1. ::r:
:s:
(l) U
......
....о
Х ::r:
J5 :S:
::r: :r
....о ::s:
t::; t::;
(l) (l)
t::1. се
Е-- ...........
О
:S:
Е--
U
О
:I:
:I:
(l)
\о
О
U
О
I (l) (l) I I I I I I
I ::s: о о (l) U (l) U (l) U
U ::r: ::r: (l) ::r: (l) о... о... о...
::s: (l) ....о ::s: ....о ::s: (l) (l) о (l) (l) о (l) (l) о
:r ::r:
.... се t::; ::r: t::; ::r: о t::; t::1. О t::; t::1. О t:::1:
....о (l) (l) (l) (l) t:: О t:: О О
се Е-- Е-- U Е-- U Е-- U Е--
о... (l) о (l) (l) о (l) (l) о (l)
(l) CI:: се ::s: се ::s: :r :r :r
Е-- О О t::; О t::; :S: = :S: = ::s: =
t:: t::1.\O t::1.\O Е-- = Е-- = Е-- =
(l) :S: (l) :s: ::s: (l) ::s: (l) ::s: (l) :Е
CI:: :S: ::s: ::s:
о... :S: t::; Q... t::; Q... .... .... ....
::r: ....о ::r: ....о ::r: ....Q
::r: U t:: U t:: ::r: ::r: ::I::
>< О О ::r: (l) ::r: (l) ::r: (l)
(l) а а а
t::; t:: t:: <t: <t: <
о о о о о о
L... >:S: t:: >:S: t:: >:S: t:: >:S: t:: >:S: t::
о U ::s: (l) :S: (l) :S: (l) :S: (l) ::s: (l)
се ::r: U U U U U
Q... О 3 ::r: 3 ::r: 3 ::r: 3 ::r: 3 ::r:
о t::; \о (l) \о (l) \о (l) \о (l) \о (l)
е t:: о Х О х О Х О Х О Х
(l) \о U U U U U
Е-- \о \о \о \о \о
Х
v)
о
r "'
о
t.. t.. N
...... ...... ............
+ + /"""""'...
'"-
О f- с{
f- ...... "'
...... v)
./ N о +
...............
:S: t.. r
t.. О
...с::...
:S: .......... .......... + .......... cs:.
о N О ...........
t.. .,.... .......-1 с;)",
I I ::: r 11
::r: о О
:S: :.::: 11 ...............
t::1. ....... "'
о = I = t.. r-
О 11 + Е: N
............
м /"""""'...
:.::: -......=...- (l) '"-
11 ......
L... ....... t.. t::1.
L... c-.I +
.......... Е--
......
м ...........
"' 11
v)
о Ь 'ь
:.::: 1:"-0
....... <:"о-
.....
11 1
:.::: .... ....
....... х
::s: (l)
Е-- I
U О се I
::s: J5 ::r: х о ::r: 00
Q... Е-- U ::s: ::r: о ;;L........
(l) о о U t::1.
Е-- \о U О Х ro
::r: (l) Х :s: ............ v) ::r:
Q... :r J5 ::r: х t1: ..........
о... >:S: CI:: :S: ::r: U ...... t.. t:::1:
U Е-- ::r: CI:: (l) ....о
>< о Е-- U :r ::r: о м
со '"-
(l) t:::1: Е-- :s:: ......
о о... (l) t.. '"-
t::; t::1. Е--- 11 ...... ......
t:: 11
t:: ro t::1. '"-
(l) м (l) ......
Q... t..
Е-- се м ......
t::
............... ,
o ....-.
.... "..-.... "
....о r--- N U U
Е-- N \D :r: ("-. ("-.
о (l) Х О 00 :::::.. \о \о
\о се .... u .... v)
....о (l) ....о I 00 00
о U се ::r: о N ........."' "'
::r: d .........
о... ::r: :I: о О ::r: >U I + +
>:S: U 00 ::r: ......- о
о о t::1. 0\ U U t:::1: N N N
:I: ("-. о о о 0:r:,
::r: х + 00 х I \D
....о :S: 0\ :S: , ,
N ..... .....
t::; CI:: О ("-. ::r: :I: О + +
(l) > I
U U U CI:: U
Е-- Е-- (l) (l) \D 00 О N
:S: U U r-
(l) :r Е-- :r о о U
се о I О .......-1
О t::1. :S: (l) :S: (l) ....... ТJ +
::r: Е-- м Е-- . .
м N t::1. ::J . U U r-
"'о
Е-- о... 11 м Q... .....
U 11 о 11
U t:: U t:: 11
О , ;...
11
се .... (l)
t::1.
L...
I I I
> :r r""""""" r""""""" r""""""" r"""""""
(l) м v) \о
Е-- О r"""""""
:S: Е-- :S: 00 v) v) v) v)
::r: U ::с L........,j N N N N
о... :S: L........,j L........,j L........,j L........,j
.
0\
.
N
::f
:S:
t::;
\о
r--
181
.
0\
.
N
.
t=:
\о
Е--
(l)
::s:
:t
(l)
t=:
О
I::!
О
о..
t::
182
::S:
Е--
u
::S:
о..
(l)
Е--
о..
Х
I I
>
::S: :t
1=;0..
I
U
::S:
:r
::ё
се
о..
(l)
Е--
о..
Х
I
::s:
:t
(l)
:t
се
о CI::
t::
CI:::
::S:
:t
(l)
t=:
О
о u
се :t
О
2
(l)\O
Е--
о..
о
е
::S:
::S:
::I:
::S:
I::!
о
м
L....
:Е
Е--
О
\о
о..
>::S:
О
се
о
t=:
t::
(l)
Е--
:Е
Е--
О
\о
о..
>::S:
О
:t
..с
t=:
(l)
Е--
::S:
се
о
::I:
Е--
u
u
О
се
I
:r ::z:::
о ::s:
t) :t
::S:
I I
(l) U
o.. ::;
(l) (l) о
о t=: I::!
t:: О
u Е--
(l) О (l)
:r :Е
::S:
Е-- (l)"
::s: ::S:
:t :Е
:t (l) ::I:
<t: а
о
>::S: t::
::S: u (l)
S :t
\о (l)
о tj
\о
,.......,
:.::
00
о
о
+
.......
'''''''';
v)
о
,.......,
%
.........
......
о
<::ь
'"--"
,.......,
= ....
::.:::...
.........
=
::.:::...
'"--"
,.......,
с
.........
'"--"
с>
:.:
......
11
:.:
......
,..............
:.:::
с;)",
00
О
d
+
......
...............
v)
о
r
о
C;)",
'--
./
о
t..
........
11
t..
.......
::S:
t=:
::S:
r-
'6'
+
.......t
'--""
..........
.......t
N
r-
О
'--""
с
L..
.......
N
/"""""'...
О
....r
"F.
.......
'--""
о
L..
.......
11
L..
.......
11
L..
........
N
Z
("-.
.........
о"'
1
..,9
."
....
N
v)
о
+
о
м
о"'
+
11
.
....
\о
......
L.......J
(l)
о
::r: (l)
..с ::S:
t=: :t
(l) (l)
се ::s:
о t=:
I::!\O
(l) ::S:
t=: о..
t::
t::
U >::S: О
(l) t::
::r: :t
::S:
::r::
(l)
:Е
:t (l)
О Х
м u
"'
(l)
се
о
::r:
u
о
::r:
CI::
u
Е--
(l)
::S:
м
2
..с
Е--
u
О
::r:
u
::r:
(l)
Е--
::I:
:s:
u
о
О
v)
11
.......
<:]
r-
U
О
о
v)
0\
11
V:J
.......t
N
О
О
'"
О
..р
"
11
"
r--....
.......t
L.......J
(l)
о
(l)
u ::S:
(l) ::I:
:r (l)
::S: а
..e-(l)
о..
о..
L...
I (l)
..с u о.. /"""""'...
t=: >::S: :t ... :Е
:Е :t
::I: :t (l) о
о \o:r м
М '--"'"
I
I Е--
::s: о (l)
t=:
1'{"'" (l) I::!
,.;о., (l)
s м
CI::
се (l) u
Е-- Е--
О
(l) со
се Е--
Е-- U
О (l)
8
t=:
.......
<:]
'"
u
о
О
О
0\
11
(l) Х
со :Е
о ::I:
:t ::I:
U
О I::!
;><
:t ::s:
CI::
U U
Е-- (l)
м
8-
r--....
v)
N
L.......J
I
I
\о (l)
о U Е--
О Х
о t:: ::s:
::s: а
t=: о.. >::S:
t:: t:: О
(l) :t
Е-- U :t
CI::
:t t=:
О
>::S: t::
::S: U (l)
S :t
\о (l)
о tj
\о
I
(l)
::I:
со
о
t::
Е--
(l)
:r
U
CL.
о
L....
О Х
се (l)
о U
се
::s: ::S:
:t о...
3 t::
О ::s:
t=: :t
О (l)
(l)
I::!o...
О се
х
:Е ::r
се ::s:
о :t
се ::s:
Е-- r:::r
U (l)
::I: се
CI::
о
Е-- м
U
О L....
t:
CI:::
..с
Е--
I::!
О
L....
О
:t
:t
се
о
о..
::S:
:t
::S:
\о
О
Е--
:t
::s:
о...
се
1'1" Х о I
\v .... (l)
се ..с О а >::::
О :t:E (l)
:t :t (l) О t)
U ::r: о м
О r:::r r:::r Ь е
х ::S: о
:t ::S: U (l) ::s:
CI:: tз о CI:: о :Е
(l) ::s: 2
Q.) :r о а3 (l) ::s:
::;:: Е-- :t Е-- а
r:::r Е-- (l) (l) CI::
:r ::s:
C: ::r:
........ t:: U ::s:
(l)
се ....
о ..с
:t :t
U :t
О
r:::r
:t ;><
CI:: ::s:
U
Е-- U
(l) (l)
м
00
v)
N
L.......J
.
0\
.
N
.
t::;
\О
Е--
(l)
:::::
:I:
(l)
О
t:::[
О
о...
[::
::z::::
:::::
Е--
u
:::::
о...
(l)
Е--
::z::::
о-
Х
I I
>
::::: :I:
1=;0..
I
U
:::::
:::r
.....
..с
о..
(l)
Е--
::z::::
о..
><
I
::::::
:t
(l)
::r:
О CI::
1:::
о:::
::;::
::I:
(l)
t=:
О
О u
:t
О
2 а
(l)\O
Е--
о...
О
е
:::::
::z::::
:::::
:I:
::S;::
t:::[
О
м
1--0
...с
Е--
О
\О
('ij
о...
>::S;::
О
О
t=:
1:::
(l)
Е--
,....
..с
Е--
О
\О
о..
>::S;::
О
.:t
...с
t::;
(l)
Е--
::S;::
О
:t
Е--
u
u
О
a:I
I
:::r ::z::::
О ::S;::
t) ::I:
::S;::
"'
3
...........
NL..,
r::L..,
I
11
(l)
О
::z::::
u
(l)
:::r
::S;::
Е--
::S;::
а
:I:
<t:
..ь u
а >:s
:t ..с
О :I:
М \О
= L...
::::..
...........
о
L..,
11
с...
о
11
......
<:]
...
u
о
О
О
0\
11
I
::S;::
Е--
::z::::
00 о..
О 1:::....
м
::S;:: .",
о.. Е--
(l) ::r: :t
Е-- (l)
::S;::
::f
Х :::r ::s;::
:Е .g.
.g.
О (т')
Е-- О
(l) Х ::Z::::
t:::[ ::s;::
:3
Е--
(l)
rC
\О
О
>::S;::
....
..с
:t
..с
t=:
(l)
t:::[
...
ICJJ
r"""""""
0\
v)
N
L........,j
(l)
::s;::
:t
(l)
:3
(l)
о..
о
......
I
..с
t=:
м
(l)
о..
х О
:Е 1:::
:t Е--
:t :t
(l)
t:::[ ::s;::
х ::f
::s;:: ::s;::
::Z:::: .g.
U .g.
(l) (т')
:::r О
::Z::::
r::L..,
I
О
t:::[
(l)
t=:
u
u
:::::
х
:Е
:I: >::S;::
0..::S;::
О :t
Е--
a:I
о..
О
\О
t=:
Е--
Е--
(l)
О a:I ::Z::::
:t О
..с (l) a:I
t::; ::s;::
(l) :I: о...
Е-- (l) 1:::
О
::s;:: 1:::
О t=:
\О
t::; ::s;:: о..
u о.. О
I:::.g.
u
>::S;:: О
.... u
..с :t
::r:
а
3\0
О
>::::: 1::: I
::::: U (l)
3 :t
\O (l)O
О а х U
\О U
(l) 1:::
О ::s;:: е
tз Е-- О
(l) О :t
:::r 1:::
::s;:: (l) (l)
Е-- ::s;:: t=:
::s;:: :t t::
а (l)
:I: :3 О
.J1fA (l) ::Z::::
"" 0..::
>::S;::
(l)
:t
Х
о..
(l)
О
>::S;:: 1:::
:S ::s;::u(l)
:t 3 :t
0\0 (l)
м О а
\О
"'
х
r
О
О
00
+
"'
о
о
00
+
о !----
!---- ......
......
'--
r
<::>
<::>
I
м
,.
О
+
-е-
U
,........,
N
v)
...
о
+
./
"'
N
+
о
'-- ./
о... '--""
:s 11
о (Т)
+
о (1)
>(1) >
11
Cl.1
...............
х
:S I I
:t
м :t ......
::s;:: О <:] t:::[
м
....
...... >::S;:: ::s;:: Х
(l) (l) U ::s;::
::s;:: :t о tз
:I: ХА (l) Х
(l) о.. о :::r :S
t::; (l) 0\ ::s;:: :t
(l) 11 Е--
('ij ::Z::::
о.. U ......0
I::::t о..
О
\О ::s;::
I
I :t
О (l)
U
о'"
U :t.g. M
,. <:] 3 a:I
+N O:E
o:r: ::s;:: U (l)'"
<:] o..::s;:: м
N 1::: Ne
' 11 I:r:
:....'" О
U g
<:]
N
:r:o...
<:]
r"""""""
О
\о
N
L........,j
I
t::
О
м
О
О
:t
:I:
(l)
о..
.g.
t:::[
О
Х
:S
a:I
>::S;::
:Е
:t
Е--
:I:
::s;::
;Е
I
\О
О
>::S;::
О
::Z::::
U
(l)
:::r
::s;::
Е--
U
::s;::
Е--
Е--
u
(l)
a:I
О
:t
U
О
:t
Е--
Q
с:::
t=:
(l)
t:::[
(l)
о..
(l) Х
a:I :S
О :t
:I: :t
U
О 1:::{
х
:I: ::s;::
CI:: ::Z::::
U U
Е-- (l)
(l) :::r
::s;::
1:::{ Е--
('ij ::Z::::
м
L... о..
........ t::
CI:: I
U :t
Е--
Q 1:::{
Х
1:::{ :::::
('ij ::Z::::
м U
(l)
:::r
Х
::Z:::: :Е
:I:
о..
1:::
(l)
a:I
О
:t
U
О
:t
О
N
:r:
............
N
:r:
N
О
U
............
О
U
r"""""""
......
\D
N
L........,j
I
.
:r:
.
<t:
1:::{
О
Е--
(l)
Х
:S
:I:
:t
1:::{
Х
::s;::
::Z::::
U
(l)
:::r
::s:
Е--
::Z::::
о..
t::
::s;::
::Z::::
Е--
О
\О
о..
183
.
0\
.
N
.
t=:
\о
Е--
(1)
::s;::
::r:
(1)
t=:
О
I::!
О
о..
t::
184
::z:::
::s;::
Е--
u
::s;::
о..
(1)
Е--
::z:::
о..
><
':S
::s;:: :@
o..
I
U
::s;::
:::r
.....
..с
со
о..
(1)
Е--
::z:::
о..
><
I
::s;::
::r:
(1)
::r:
со
о CI::
t::
о:::
::;::
::I:
(1)
t=:
О
о u
со ::r:
о
2 а
(1)\0
Е--
о..
о
е
::s;::
::z:::
::s;::
::r:
::s;::
r:::r
о
м
L....
1--0
..с
Е--
О
\о
о..
)::s;::
о
со
о
1::;
1::
(1)
Е--
:ё
Е--
О
\о
о..
)::s;::
о
::r:
..с
t=:
(1)
Е--
::s;::
со
О
::r:
Е--
u
u
О
со
I
:::r ::z:::
о ::::::
t) ::I:
::s;::
I
(1)
::r:
со
о..
о
t:::
Е--
(1)
:::r
u
I I
::r:
е-
r:::r
::s;::
м (1)
::s;:: Е--
о..Х
t:: ::s;::
3
CI:: ):::;:
::s;:: о
::r: ::r:
I
о..
(1)
Е-- 1:1:::
::r: ::s;::
::s;:: :::f
1:1:::
Е--
::z::: (1)
u о..
(1) t:::
.g.
o
I t:::
..с
а )::S;:: u (1)
..,.. :ё ::r:
.... ..,.. 1'1"
""aX
\о U
.......
с))
11
N:':::
+
NI:f.
t:)..
><
:ё
::r:
о
м
О
со
(1)
::s;::
::r:
(1)
о..
Е--
О
U
U
I Х
::s;:: r:::r :ё
со о ::r:
о Х I::!
::r: U О
Е-- о.. Х
U со
::r: ::s;::
со ::s;::
CI:: U ::r:
::s;:: u (1)
::r: (1) ::r:
CI:: ::f (1)
::s;:: О
t=: о.. м
со t::: ::s;::
со О ::s;::
О L.... о..
t=: О t:::
(1) ::r:
I::! ..с u
(1) t=: ::z:::
0..(1)0
t::: Е-- ::z:::
. '"
CI::
::s;::
::r:
(1) ::r:
t=: ::s;::
со
::s;::............
Е--м
О
о.. '"
t::: CI::
О ..с
u Е--
Е--
::r: r:::r
(1) I::!
::s;:: О
:::f ><
::s;:: u
.g.
.g.o..
(!'") I
C)J
(1)
I::!
L....
о
11
......
<:]
r
U
О
о
v)
00
11
<::>
......
11 (1)
::z:::
>< Е--
CI::
'"
:::r
OO
t=: t::
u О
u
со 11
со о
о u
o..
Е-- "'
(1) ::s;::
0..00
t::
t::: 8
r"""""""
N
.......
L........,j
....
..с
::r:
о..
о
Е--
o..
t8 :ё
::r:
t=: ::r:
о
t::: r:::r
(1)
::s::
::r:
I::!
м
I
(1)
::r:
со
о..
о
t:::
Е--
(1)
:::r
u
)::S;::
о
::r:
::r:
r:::r (1)
Е--
м Х
::s;:: ::s;::
0..3
t:::
Q
::s:
::r:
(1) (1)
о ::s;:: Е--
о.. ><
u t:: ::::::
(1) 3
::s;:: ::s;:: )::s;::
Е-- ::r: о
::s;:: (1) ::r:
а а ::r:
::r: (1)
< о..
I
U )::s;:: U )::s;:: (1) о
(1) ..,.. (1) u :::r t::
::r: :Е.... ....
::r: ::r: ::r: ..с 5:
а о а ::t: (1)
r" ::s;:: М r" :s:: о о.. ::s;::
I-/o-I::r: I-/o-I::r: м L.... ::r:
о
u
о
v)
N
11
......
<:]
r
U
О
о
v)
00
11
<::>
........
::с ..с
::r:
CI:: ::r:
u
Е-- I::!
Q х
::s;::
::z:::
м u
('.1 (1)
:r: :::r
s::- ::s;::
::s;::
о
u о..
s::- t:::
::;:: (1)
t=: со
::s;:: О
""1:::; ::r:
u
о
r"""""""
v)
00
N
L........,j
'"
u
о
О
О
0\
+
о
v)
00
11
......0
CI::
'" t=:
U 00 r:::r
о (1)
о о ::I:
м u О
+ 11 м
о t...)
N;::;:::::r:
11 ............ ><
<1
со
>< о
(1) L....
U О
со ::r:
CI:: ::r:
t=:
r:::r
о..
00 ::s;::
::r: CI::
о ::;:: ..с
u \о Е--
11
о r:::r
::z:::
U со
+
-e-::r:
U
........... ::s;::
............0..
.e-
U со
r"""""""
О
м
L........,j
)::s;::
(1)
::I:
><
о..
(1)
со
I CI::
:2 ..с
о Е--
со о
о L....
Е-- О
::r: ::r:
::r:
::s;::
о.. со
О
со о..
>< ::s;::
(1) ::r:
u ::s;::
со \о
I
(1)
::r:
со
о..
о
t:::
Е--
(1)
:::r
u
I
::r:
(1)
t:::f Е--
Х
м ::s;::
3
t::: )::s;::
о
CI:: ::r:
::s;::
::r:
о
)::s;:: t:::
(1) ::s;:: u (1)
::r: 3::r: :2
о \O (1)
м О а
\о
Х
::s;::
::z:::
u
(1)
:::r
::s;::
Е--
::z:::
о..
t:::
(1)
Х
::r: :ё
u ::r:
о ::r:
::r: t:::f
CI::
u
Е--
(1)
::s;::
::r:
::s;::
о..
t:::
';;t:.
(1) х
со :ё
о ::r:
::r: ::r:
u
о I::!
><
::r: ::s;::
с::: ::z:::
u u
Е-- (1)
(1) :::r
::s;::
t:::f Е--
::z:::
м
\..о о..
........ t:::
х
::r: :Е
CI:: ::r:
u ::r:
Е--
r:::r
t:::f Х
::s;::
м ::z:::
,........, u
r""""""" (1)
U :::r
L........,j::s;::
+ Е--
""1:::; ::z:::
U
+ t:::
(1)
..... со
U о
::r:
-e-u
U О
r"""""""
N
\о
N
L........,j
.
0\
.
N
.
t::;
\о
Е---
(l)
::s:
::r:
(l)
;Е
о
t:::f
О
о..
[::
I
U
::s::
:::r
:s
со
о-
(l)
Е---
о-
><
I
::s::
::r:
(l)
::r:
со
о
t::
::s::
::r:
(l)
I I
t::
(l)\O
Е---
о u
::Е ::I:
o-
О О
е
::s::
::s:
:I:
::s::
r:::!
о
м
L....
::s::
Е---
u
::s::
о..
(l)
Е---
о-
><
:ё
Е---
О
\о
о-
,::s:
о
со
О
t=:
t::
(l)
Е---
:ё
Е---
О
\о
о..
,::s:
о
::r:
..с
(l)
Е---
::s:
со
О
::r:
Е---
u
u
О
со
I
:::r
::s: о ::s:
t) ::r:
::s::
,.............
v)
о
,r
\о
v)
+
(l)
о
::r: (l)
..с ::s:
t=: ::r:
(l) (l)
;Е
со ::s::
о t=:
r:::!\O
(l) ::S:
t=: о..
t::
t::
I О
;Е t=
::s:: ::::
::r: :ё
u ::r:
::r: о (l)
м
'
::r:
х
"
с
[....
......
...о
v)
+
L.
.......
+ +
о r--
r-- .......
......
'-- ./
о с"\
11
I
u
о
О
v)
11
......
<:]
""
u
о
О
v)
0\
11
......0
х
v..:1 О v..:1
1 1
0.00.
v..:1 v..:1
N ON
::r: ::r:
$....о $....о
+ +
v..:1 О v..:1
О О
u u
...............
::)
t.:.;""
11
....
со
L.. CI:::
........ ::S: о
:I: L...
(l) О
;Е
::S: u
::r: (l)
u :r
::S:
(l) Е---
(l) ::S:
(l) о..
:r =
O
5 r:::!
,::S:
о
со
О
о..
::S:
Е---
(l)
о..
о..
о
u
о
L...
>
L...
,.............
v..:1 v..:1
N ON
:r:
+
0v..:1
О
U
.........
U
........
.......
+
v..:1
О
U
...............
О
U
х
r"""""""
v)
0\
N
L.......J
v)
о
,r "
:3 о
О
v) v)
06
+ +
:.::: о
I:::l.. :.:::
I:::l..
м мо
tIJ tIJ
'-- ./
Х
Q I
::s::
::r: о..
(l) L.... :ё
Е---
:::1 М >:::
о (l) ::S:
3
о Е--- '::S:
о о
t::
t:: (l)
о Е---
o..
о
u
N
О !"I
U О
NU
8 3--
3-- о
1
\о О
o.U
('.1
N +
О w
U N
+ :r:
C'Q +
+ w
"""""0
U
:.:.......
-::t
c:s
11
..-1
I
(l)
со
о
u
CI:::
u
Е--<
Q
о
3 ::I:
(l) Е--<
о...с,,)
CI:::
::s:
::r:
(l)
::r:
со
о..
(l)
о
::r: (l)
..с ::s:
t=: ::r:
(l) (l)
;Е
со ::s::
о t=:
r:::!\O
(l) ::s:
о-
u t=
О
t::
I
I (l)
х
\о u
,::s:: о --
::s: t= (l)
3 u
\о :I:
О
о
N
+
о
......
v)
о
,r
О
"'\::)
О
<ь
О
11
(l)
t:::f
L...
"
........
........
'-
./
+ +
"'"""" ,.........,
........... ...........
3 I:::l..
"'""""х
о. о.
........... ...........
:.::: :.:::
"---"
C L.
= L.
::::..
11
с...
11
"'\::)
х
,.........,
о
= L.
...........
= L.
"---"
L........I
О
L.
.......
"l
О
,......,
"'""""
+
I:::l..
'---'"
...........
"'""""
О
+
t:)..
'---'"
х
11
L.
.......
(l)
O
ct:::
bJ)
........
I
...........
I 1...t:J
1;::: 1
.....
+
I
, ...CJ
11
v..:1
ON
::r:
.
.....
+
0v..:1
О
...........
...............
v..:1
N
::r:
.
.....
+
v..:1
О
U
...............
11
11
'
...........
11
'
L.
...........
с
L.
IE::
и
!.I..
ct:::
bJ)
.......
IE::
r"""""""
М
\D
N
L.......J
I
(l)
::r:
со
о-
о
t::
Е---
(l)
:::r
u
о...
I
::r:
(l)
t:::f Е--<
Х
м ::s::
6.3
t:: '::S:
о
::r:
::s::
::I:
I
I I (l)
(l) ::Е
\о со
,::;:;:: о о
::s:: t:: U
3 U
\о ::r::
О (l)
::Е
....
..с
U ::r:
,::s:: о о
м
:ё ':::
:I: (l)
а3 а ::r:
3 \о
::r:
""
::f
::s::
::r:
::s:
t::{
(l)
со
..с
Е---
(l)
I::!
I::! (l)
О о..
х со
U
о-
U
Е--<
(l)
I::!
М
I
U I
::s:: о
:r Е--<
:ё ::I:
со ::s: Q
o..::s::
t:: ::r:
о (l)
t:: :::r
,::;:: ::I:
.... м
..с
::r:
::r:
(l)
t=:
L
........
""
:s:
U
Е--<
(l)
I::!
М
(l)
со
о
::r:
U
о
::r:
U
Е--<
Q
r:::!
м
х
....
..с
::r:
::r:
I::!
х
::s:
U
(l)
:r
::s:
Е---
('.1
::r:
s=" о...
"" t=
О
u
.....
r"""""""
\о
N
L.......J
I
..с ::r:
Е---
:ё а
\о \о
Е--- О
(l) L....
;Е О
О ::r:
..с
о о
Е--- м
::s::
о
L....
(l)
3 со
\о О
U О U
Е--- ::s::
Q
м
t:::f
со
м
(l)
Е---
(l)
t=
О О
о.. ::r:
(l)
U
::s:
:r
:ё
со
""
.......
<:]
::s:
о
.......
""
L
......
""
::s:
t=:
U
UJ
185
186
0\
.
N
I
U
:;::
:::r
....
...t:I
Е--- 00
(l) о..
:;:: (l)
::r: Е--
(l)
;Е
r::; о..
о
><
8.
.
r::;
\о
t::
I
:;::
::r:
(l)
::r:
00
о о:::
t::
о:::
:;::
::r:
(l)
r::;
I I
t::
(l)\O
Е--
о u
5 а
o..oor::;
о о
е r::;
:;::
:;::
::r:
:;::
о
м
:;::
Е--
u
:;::
о..
(l)
Е--
о..
><
:ё
Е--
О
\о
о..
,:;::
о
00
о
r::;
t::
(l)
Е---
:ё
Е--
О
\о
о..
,:;::
о
::r:
..с
r::;
(l)
Е--
:;::
00
о
::r:
Е--
u
u
О
00
I
:::r
:;:: о :;::
t) ::r:
:::::
::;
.
:r::
.
<
о
Е--
(l)
::;
о
r'"""""""""""""
,..............
I:r:
...............
+
,..............
IU
......
ь
00
00
""'"'"'
о
I
..р
."
.....
11
."
.....
-х-
I
(l)
::r:
00
о..
о
t::
Е--
(l)
:::r
u
а...
I
::r:
(l)
Е--
Х
::::: :::::
0..3
t:: ':::::
о
о::: ::r:
:;::
::r:
I
\о
,:;::
:;::
3
\о
О
I
(l)
х
U
O
t:: (l)
u
::r:
r::;
I
\о
О
u
О
t::
u м
о:::
о
g t::
u :;::
:::r
t:: (l)
О t::
о....с
t:: Е--
о::: u
u О
Е-- ::r:
(l)
t:::1:
м
I
о..
t::
(l)
00
о
::r:
u
о
::r:
о:::
u
Е--
(l)
t:::1:
м
х
....
..с
::r:
::r:
t:::1:
х
:::::
u
(l)
:::r
:::::
Е--
........
/"""""'...
<::>
V:J
1
V:J
'--""
N
О
О
""
О
1
..$?
::..,,'"
11
......
::..,,'"
('.1
-х-
(l)
о
:I: (l)
..с :::::
r::; ::r:
(l) (l)
;Е
00 :;::
о r::;
t:::1:\O
(l) :::::
r::; о..
t::
t::
I
\о
,:::::
:::::
3
\о
О
I
\о
О
u
О
t::
u
о:::
м
::r:
u О
t::
t:: ..с
О Е---
0..С,,)
t:: О
о::: :I:
u
Е--
(l)
м
I
(l)
х
u
o
t:: (l)
u
::r:
r::;
о I
00 :::::
::r:
:ё :::::
00 \о :а
о Е--
О
t:::1:
::r: х о
:::::
Е-- О
О ::r: ::r:
::r:
:::::
0..00
О
00 о..
х
(l)
u
00
'"
u
Е--
(l)
м
L....
........
11
('.1
:r:
('.1 cr
:r:<:]
<:]
r
О
u
<:]
N
r
О
11
о
u
<:]
r
О
u
cr
<:]
(l)
t:::1:
,:::::
:;::
::f
о..
Е--
::r:
(l)
:::::1
::r:
о
(l)
:;::
::r:
(l)
::r:
(l)
м
:;::
""
('.1
:r:
<:]
\о
r
О
11
м
-х-
(l)
м
00
('.1
:r::
:::::
О
U
I
(l)
::r:
00
о..
о
t::
Е--
(l)
:::r
u
а...
I
::r:
(l)
t:::1: Е--
Х
м :::::
3
t:: ,:;::
о
о::: ::r:
:;::
::r:
,:;::
..с u
::r: ::r:
..с
::r:\O
о
м
""
uu
о о
О О
v) v)
\D N
11
11 ........
0<:]
........
I
:;::
Е---
о..
t:: Х
(l) ....
00 ..с
О :I:
:I: :I:
u
О t:::1:
х
:I: :;::
'" u
U (l)
Е-- :::r
(l)
м
r"""""""
f'-.
0\
N
L.......J
(l)
(l) :;:: Е--
:;:: о.. х
t:: :::::
о::: 3
:::r ::::: ,:::::
:s: ::r: о
a
o..(l)
о..
м
,00{'8' I /"""""'...
,.;о., (l) ....
:ё :::r ..с
::r:...........::r:
..с U О
r::; ::r: м
ro (l)
Б
М\ОЕ--
о
t:::1:
О О
::r: Х
..с :::::
g-
:;::
::::: :::::
U ::r:
:::::
r::;
о:::
(l) :::::
::r:
:::r (l)
;Е
00 :::::
r::;
0\0
........ U
I
:;::
Е--
о..
t:: Х
(l) :ё
00 ::r:
о :I:
::r:
t:::1:
х
:I: :;::
о::: U
U (l)
Е-- :::r
(l)
t:::1:
м
......
'"
::.."
r"""""""
N
L.......J
r::;
t::
(l)
Е--
о:::
:::::
::r:
(l)
r::;
\о
(l)
о..
Е--
О
t::
:;::
I I
(l)
:::r (l)
00 ::::: :::::
..e-:I:
o.. (l)
о..з
о (l)
t:: ::::: о..
Е-- r::; (l)
(l) ::::: о
r; Q
::s: U
а... ::r:
'= о
..с t:: ::::
::r: U (l)
..с ::r:
(l)
:I: Х
\OC,,)
.
.м
Mr--...
r--...O\
0'......
r
:.::: u
u се
се о
о о..
0..1---
1--- V
V 1::
1:: О
О о..
0..1::
5
\о "т"
О\ Ч:
...... I
r I
:.::: . u
::1 u ::::
v :::: t::1
s r1
ё:з
I ;j :.:::
. :.:::
u .,.ci.
...=.;:;
t::1 v o..
.0..0
g Б3
C'jce
:.::: .........
. ..
.........:::: ::::
v :.::: :.:::
о.. се се
О c'j c'j
ь:; t::; 2
1::
):::)
:::: о :z:
:.::: :I:
се :z: v
c'j v
r-; ,.;>:
1:: О О
q t::1
:;:: <u
:::r r::;
(l) х
t:: c\s
..с м
Е--
U
О (l)
::r: :::::
\о :I: о:::
О (l) :;::
U r::; ::r:
о 00
t:: о::: 00
U о::: :ё
O:::U\O
Е--
::r: (l)
о:::
U r::;
(l)
t:: t:::1:
О (l)
0..0..
t:: 5
u
о
О
N
II
........
<:]
""
u
о
О
О
0\
11
):::: ::::
о ::: t::;
:I: r-:; V
:I: V f---
V c'j
о c'j ,,,.
t::1 :.::: Б
tI:: О 1::
..с 1:: V
1--- V ::::
;....-..
t::1 :;: t3
о as v
L... О :r
о ... ...
:I: ...... L...
:I: U О
c'j О t::;
се с\3 О
О :z:
о.. tI:: ....:
:::: ..с v
:I: 1--- 1---
:::: >-. c'j
\о q :z:
о
о L...
:.:::
tJ::: 5:
::::
:I:
v
:I:
V
........0
о:::
00 :;::
::r:
Е-- (l)
U r::;
О 00
U О
,::::: :I:
....
..с Е--
::r: U ..
U U :;::
(l) о U
00 00 :;::
о :::::
::r: Е--
00 U м
м
o..r::;:;::
0\0
О
r::o аз
U r::;
t:: g
tI::
..с
1---
>-.
1:1
О
О L...
o..
......
...:..
"т"
о.. \о О
1:: о..
:ё о ::::
u :.::: :z:
о c'j ::::
о.. се \о
1:: c'j
о 1--- О
се u :.:::
V 8 ::::
J5 V ::::
o..::::
о "т" tI::
1--- ::::
о r-;
:.::: .... се
V r-;
=:00
<it::;cQ
<i t::
__ t::! :I:
:s:: ..;..
, :::: :.:::
= :.::: о
.... u о..
:r О
c'j ..с
MU
+
('.1
о
u
"--,,,'
............
о
u
v)
N
"'
О
11
/"""""'...
О
U
r "" r"""""""
N.......-I v)
Nf'-.\D
L.......J N N
Nr<)
* * *
.
0\
.
N
.
r::;
\о
Е---
(1)
:s:
::r:
(1)
;Е
r::;
о
t:::f
О
о..
[::
I
U
=
:::r
....
...t:I
со
о..
(1)
Е--
о..
><
I
=
::r:
(1)
::r:
со
о
t::
=
::r:
(1)
r::;
о
о u
со ::r:
о
2
(1)\0
Е---
о..
о
е
=
=
::r:
=
r:::r
о
м
L...
::z:::
=
Е--
u
::;::
о..
(1)
Е--
о..
Х
:ё
Е--
О
\о
о..
,=
о
со
О
r::;
t::
(1)
Е---
:а
Е--
О
\о
о..
,=
о
::r:
..с
r::;
(1)
Е--
=
со
О
::r:
Е--
u
u
О
со
I
:::r
= о =
t) ::r:
=
(1)
о
::r: (1)
..с =
r::; ::r:
(1) (1)
;Е
со =
о r::;
r:::r\O
(1) =
r::; о..
t::
t:::
I I :S:
..с о..
\о
::r: ,= u :ё
о ::r: :r::
м ::с о
r::; м
I
t::
О
=
=
:::r
(1)
t::
..с
Е--
u
О
::I:
..с
r::;
(1)
Е--
=
t:::f
О
со
м
=
О
о..
t::
Е--
Q
t:::f
М
=
Е--
I U
::;::
u :::r
о ,::;::
::r: (1)
Е-- ::r: о
О t:::f
со (1)
О о..
Е-- u
(1) со
:::r со
u о
м
o..
(1) L...
t:::f ..с
О Е--
Х u
со о
Е-- о..
Q
u
r::; Q
(1)
::r:
о....с
r::;
(1)
Е--
о........
t::........
(1)
(1)
х
u
:.:::
:.:::
I:::l.."'""'"
"'""'" м
м ("-.
("-.
+
+ O
:-: . ::.,
.......
...........- о
= t..... = L......
о... о:'
х
,--... r "
<..о....:; L...
:::
1.0...., м
...:.: N
-......,
'-- ./
L..
....::...
1
= L...
:::...
....::...
'--"
+
11
+
".--....
e-
.....
1
,--...
a.
(,J ::;
.....
I
a. N
u ::;
.....
..........
r-:
1::..
...,
:::
.....
..........
х
I I
::;::
::r: =
o.. (1)
--& E--
I О Х
(1) ::E ::z::: :S:
t:::f а
t:::f ::;::
::r: о :r::
:S: х (1)
:::r u а
=
r::; = о
(1) Е-- ::r:
u Е--
О О
о.. о
::r: о u
::r: :S:
u
о со
Е--- = О
u ::1 r::;
I
О
t::
ь1)
......-4
+
..$?
'"
u
11
......
'-'
u
\о r"""""""
\0('--.
N\O
L.......J N
. .
....
..с
Е--
х
а
-х-
со
:s:
Е--
u
:::r
,::;::
о
:r::
r:::r
о..
(1)
о
::r: (1)
..с =
r::; ::r:
(1) (1)
;Е
со =
о r::;
r:::r\O
(1) =
r::; о..
u t::
О
t::
I
::r: I
о
М\О
О
L... ,:S:
о ....
::r: ..с
:r:
".......
I ::r:
о о
\о м
.............0
U
::r:
(1)
r::; (1)
r::;
I I I
:S:--&
:::r (1'") r:::r
= о Е--
r::; ::z::: о
(1) о
со о r::;
L... t::
О О (1)
::r: Е--
со о..
t
::r: Е--
::r:
о (1)
Е-- u =
u ::r
о .... =
t::: --&
'"
r::; .
r:::r :::r
u
о..
со
о
............ Е--
::I:
=
о..
со
х
=
:::r со
QS"
<:]
6i
<:]
w
I
::r:
t:::f
(1)
=
u
(1)
:::r
=
0..(1)
....
= ..с
t:: ::r:
(т')
u
Е--
Q
t:::f
М
r"""""""
00
0\
N
L.......J
I
::r:
о
Е--
u
О
t::
u
Е--
Q
r:::r
м
('.1
::r:
s::-
о
u
.....
I
(1)
::I:
со
о..
о
t::
Е--
(1)
:::r
u
а...
I
::r:
(1)
t:::f Е--
Х
::;:: =
0..3
t:: , =
::Е о
::r:
:s:
::I:
о........
,= t:: ........
:s: u (1)
3 ::r:
\о (1)
о х
\о u
::;::
:::r
(1)
t::
..с
Е--
u
О
::I:
\о
О
u
О
t::
u
::r:
u
t::
О
о..
t::
u
Е--
(1)
t:::f
М
со
о
Е--
::r
=
o...
..с
со Е---
Х
(1) r:::r
u о
со L...
О
со
со О
О о..
::;::
::I:
::r: =
=\0
r:::r
о о
м
L...
О
t::
(1) х
со JS
о ::I:
::I: ::r:
u
о r:::r
х
::r: =
u u
Е--- (1)
(1) :::r
:S:
t:::f Е---
м
L...o..
....... t::
I I
М Е--
О Х
о.. ::;::
со О 3
о ::I: Е--
Е-- О
::r: =
Е--
= u
о.. о
х =
(1) u
u :s:
'" м
r::; со
r:::r
:S: :S:
::Е
JS :r::
::r:
..с
Е--
t:::f
О
L...
О
::r:
::I:
со
О
о..
=
::r:
=
\о
r"""""""
00
\о
N
L.......J
e-:i :E
...... :::...
1 .;;."
... 1
.......
........ L..
+ L...
.......... .........
+
,=
I О I I
О t:::f (1)
t:: ;Е r::; cj
о ::Е
2 =
(1) :s: t:: U ,=
Е--- Е-- О а g
Е-- U u ":::'
(1) О
:::r ::r: ::Е
u \о ::r: (1)
(1) о =
а... о.. м ::r:
Е--
..с
I I Е--
..с
r::; \о t::
cj ,= "--"".......
::I: u::r:
о JS ::r: о
M::r: M
r::;
0=
t:: (1)
(1)
х
u
со
о о
t:::f Е--
;Е ::r:
х =
JS о..
::r: ::r: о
....... ;Е L...
<:] О x
(1) =
= м
::r: о u
со (1)
t:::f м :::r
= =
м Е--
I
=
о..
,=
о
::r:
о..
о
Е--
о..
0..0
О Е--
\о со
r::; (1)
со
'" со
u О
Е-- ::r:
(1)
Е--
r::; u
(1)
t:::f
(1)
о..
t::
О
""":)
1
..........
0.."::-
u2.
......
1
N
&
......
........
..........
r-:
I:::E ,.....
:;;..
......
1
L...
:::...
......
........
0.."::-
u.2:.
......
1
...
.......
........
..........
= L...
:::...
......
1
L...
:;;..
......
.........
r"""""""
.......t
N
L.......J
*
11
""":)
+
..........
N
&
......
1
0.."::-
u.2:.
......
'--"
..........
.........
0.."::-
u.2:.
......
1
...
.......
.........
= L...
"-
.....
.....
lJ
187
188
.
0\
.
N
.
t::;
\о
Е---
(l)
::s;::
::I:
:r
::I:
О
О
I
U
::s;::
:::r
....
,...Q
се
о..
(l)
Е---
о..
><
I
::s;::
::I:
(l)
::r:
се
о CI::
t::
CI::
::s;::
::I:
(l)
t::;
о
о u
се ::I:
О
t::;
\O
Е---
о..
о
е
::s=
::s;::
::I:
::s;::
I::!
О
м
::s;::
Е---
u
::s;::
о..
(l)
Е---
о..
><
:ё
Е---
О
\о
о..
)::S;::
о
се
о
t=:
t::
(l)
Е---
:ё
Е---
О
\о
о..
)::S;::
о
::I:
,...Q
t=:
(l)
Е---
::s;::
се
О
::I:
Е---
u
u
О
се
I
:::r
::s;:: о ::s=
t) :t
:::::
11"'0;::0
О >-.UCQ.....
= E--E--o
>-. ux
;:) :r0 ::s::=
:;;:: E--:ra
0..::.::: ::s:: ::с
>-........... 1""":
,...,М t'.) О
"':":;;: ::.:::
N r- ..е-
Z CI::: U I
"' ::: CQ
....!: u ::.::: .",
.......... CI:::
"':o't:'::s::
О О ::.::: :I:
U :I:;;:;--' 'jj
ro ..... 1""":
r{ t.... CQ
О U "' О
Х u ::s:: :I:
О :::: u O::.:::ro
ro :о CQ Е--
c<d 0..9
r{ О О
а 8.. t:1 CQ
t=: u v ",:I:) Р
F: !... V О о
;;. "' :I:
N О U :I:
..с 'jj
'" >-.
(' =: О
.;: О k:1:
м О
6 :о х ::s::
х
::s:: о..
ro 3 м
= O b "'"
.......... ro u . '"
= ro Nf"")
9 :I:O:E
.... "' U ..........
U >-. О f"":....
::.::: О (..... '"
1::: >-. U "'
::,:::",:!" O
ro u
,uM::'::: Q O
::s:: ro.......... О
f"") ::s:: U
;:) О ::;:;: = ."'U
=--:; '" ro ......
v ::s:: :I: :I: ""
О з::s:: >-,::s::
-- \о .... ro L.. =
а О ёj о............с.;
Е-- t::: u ::r
u ::S::t:Oo O
g t::J:
ro N
с5 ьХ ...с
U u O:I:
CI::: CI::: 0::s:: v
о.. О :I: u.. t::
о.. t:: Cl:::OU
ro ro t) 0::S:: h1.t)
"'" а::: ro
.... ::s:: ::r ::с ...... м I
.......... ::s:: U
u :::; r-:; O N
o..oua u
O..c
...., ::.::: t:::
се О CQ
>-, !... \O2
ro Х ....
u "'....)........... >-.
::.::: (,1.......... U
= з 9
ro v1ggQ::s::
r{0 ro::S::::':::
0.. 0 U g е: :I:
Е-- ..с .....
v .", u Е--
-&ro::s:: c:d '"
>-.U::r:r О О
>-'>-.:I::I:
ro ::r::
E--a
...... :I: u C:Q
U Е--
"'::: ::s::ou
Cl:::v "'""fCQE--
::s:: t:: ....0....1 U
:I:v = u ::S::::S::::C
V Е-- U u ...=:... о.. Е--
:ru :о 0:::::t::0
I x8
UE--O
м t.... u::.:::..cCl:::
О Uu:I:::s::
\о :O::r:I: ::r
О ::s:: :... ..с
t::: :r t:::
О ro >-. ro
::.::: :I: t::: ::.:::
cgc:Q
>-. '" о
:r О
N::r:
. ::.::: :r: О
О >-- + \с
U о..
N ro
. '" "--" О ::.:::
rof"")
::: ::>. U ::s::
I
(l)
::I: I
се ::I:
0..1::!
(l)
О ::s;:: Е---
t= о.. ><
Е--- t= ::s;::
а
u CI:: )::S;::
::s;:: о
а... ::I: ::I:
I
:t
О I
M
><
)::S;::
се ....
h[
о
11
.......
<:]
""
u
о
О
О
0\
11
<::>
.......
I CI::
::r: ,...Q
Е---
::s;::
о.. r:::r
о
се
>< о
(l) ::I:
u ::I:
се
CI:: се
t=: О
t:::f о..
::s;::
I ::I:
::s;::
\о
О
се
О
Е---
ел
О
u
11
о
u
.....
r"""""""
О
('--.
N
L........,j
::s::
. "'
N
uO
"--"U
::.::: "'
1:::0
::.:::U
"'
CI:::
::s:: О
:I:
V
t""; 3
CI:::
О t::!
= О
ro х
Е-- U
u о..
u v
О t::
се
О
О
:I:
CQ U
О О
::.:::
:I: U
О :r::
\о О
о.. м
ер
ro се
а
o..ro
::s::
В о..
>-.
::;:;:
::S:: CI:::
u ::s::
::.::: ::r:
О ro
::s:: с:с
:Е
О \0
се U
Е-- о..
t::
:r CI:::
::s:: :>
t::: ()
О о..
::.::: се
()
се
u
О r{
::.::: О
::s::
ro
е о..
О I
U
о.. "'
t:: N
О
U
U
О
:I:
:I: '"
U О
се u
E--U
u
Е-- . '"
Uf"")
t.... ..........
, М
g ::;:;:
u "'
CI:::
::s:: ro
:I: ::
v u
t:: V
V се
Е-- О
u :::
се
ro
о..
с::::::: ::s::
"--"
...
"'
с:::::::
......."
::.:::
::s:: "'
N
4. .....
0...L.
Е-- '"
vO
U
CI:::
U ::s::
се :I:
CI::: gg
t::: О
м
"
v ....
t:::
..с О
::: t::
::s:: u
:::::{ ::s::
v ..с
.......
б"::
х М
u .....
ro ;;.;
о.. "'::s::
О
"'
-&
c.. U
.....
-1 ro
:::
>-.
. "'
v >-.
::s:: :;;::-- ::r
6
О
u
CI:::
..с
Е-- -...
>-. N
:::!=
::s::
ro
О
....
С; r- t:....
:r О::':::
v u..........
..... ::.:::
::s:: "'
о.. v ::S:
t) а
::.::: ....
() \о
Е-- О
d: :>:
о..
Q.)
::r ,...,
:I:
О >-.
ro
о..
'"
CI::: о..
::S:
U t::
v
CQ
О Е--
:I:
ro
0..::.:::
u
::>
CI::: :r
::s:: ::s::
се Е--
О
t::: о..
U О
>-.
О Е--
t:: ::s::
)::s:: ro
О м
:I: Е
О
О
О
м се
О О
CQ ::.:::
О ::s::
:I: :I:
..с а
1"':; О
ro t:::
::> О
::s:: ::.:::
u ro
== о.. v
Io'" >-. ::r
::Е ::s::
о.. ::r:
Q.) ro
t:: е-
::s::
ro
Е-- :I:
о.. I ro
м
ro
ro
о..
>-.
с...
v
t::
:>
v
Е--
r--
.....
О
:I:
о..
>-.
о..
v
t::
V
Е--
..с
Е--
u
О
:I:
м
ro
о..
::S:
ro
:I:
v
\о
О
О
t:::
t::
V
Е--
:I:
О
м
)::s::
v
::r::
::s::
:I:
3:
)::S:
V
:I:
Х
о..
V
CQ
L
.......
.....
ro
t:::
t::
v
Е--
2
О
I
>-. .......
м -<1
..с
t::: "'
О ........:
t::
u U
3: о
О
::r::
м
v
t:::
О
t::
CI:::
t:::
О
t::!
:ё
\о
О
::s::
о..
t::
CQ
О
м
ro
CI:::
::s::
:I:
ro
се
О
м ci'
..с О
t::: м
О ro
t::
u
::s:: ro
о..
::s:: >-.
t:: о..
Q.) ()
Е-- r:::
u
Q.) v
::s:: f""). "' Е--
:I: :Е CI:::
Q.).......... CI:::
а f"")....
О
:I: "'
Е--
О
...cJh:l<::Ь
се
:r ro U
'" t::! о'"
CI::: О О
::s:: о.. :I::
:I: О :I:
t::: V
t::: U се
се ::s:: Е--
О ::.::: u
:I: ...... Е--
ro :;: u
t) ::r
u ro О
О о.. О
t:O Е-- U
>.
>-.
::r
::.:::
..........
М
:Е
=
::.::;..
U
:I:
r:{ о
V
о..
u
"'
::s::
Е--
u
ro
t:::
\о
О
)::s::
О
Е--
с"')
се
ro
м
ro
О се I
се О t;
Е-- се
U v Е--
3 О
::s:: Q 8
t::: ro
О t::
::.::: >-. v
::S:: Е-- ::r::
u
се О
О t::
м
ro "'
ro
м
::s:: ro
се ..с
О Е--
t""; U
ro О
::s:: ::.:::
:;E
Е-- V
ro О
t:::
t::
о..а;
>-.Е--
I
о.. L...
Q
t:: .. Q
L...
:I:
Е-- t::!
..с CI::: о..
Е-- ::s:: U
u :I: се
О V
:I: t::: Х
м се ::S::
ro ro 3
o..t:::
О t:: Q
:I: >-.
:I: :I: t::
О >-.
се м Е--
Ь се
Е-- r:::
Х
ce::S:: "'
Е-- 3
О О t:::
О .... ......
u ro Io'"
t::
>-.
6) Е-- t: ..
-<1
"' t::
CЬ "'
:> -<I
... t::: t:
v ro Io'"
:r U::s:: о..
о о..
>. a; t::
U Е--
...... >-'C'j
IoV:r Е--
:;>:
::.::: ..с
"--" Е--
2 .......... u
О О
ч::.:::
::.::: :>
О v
d О
:I: м t:::
::1 ro t::
;::::J V
О ::s:: Е--
t"";
О
::.:::
2
х
:ё
се
"'
....
..с
Е--
Х
::s::
а
::s::
Е--
u
ro
:r
)::s::
О
:I:
о..
::s::
ro
u
О
::.:::
t::!
О
Х
u
ro
о..
. "'
ro
"'
CI:::
::s::
:I:
V
t:::
се
О
:I:
ro
Е--
u
u
О
CQ
::s::
ro
t:::
се
О
:I:
:I:
се
Е--
U
r:: Е--
М
Е--
О
О
U
:ё
::s::
а v
..с Е--
Е-- :I:
U О
О м
::.::: ::s::
о..
О м
О ::S::
t::: О
t:: О
v Е--
Е-- . .!.. 3
CI:::
Х
>-.
::s::
>-.
:I:
О
м
ro
:I:
ro
t:::
t::
V
Е--
О
О
:I:
:I: :ж:
ro Q
t::! :I:
V t::!
о..
v с..
t:: U
"'
:ё
Е--
Х
::S:
а
ro
:I:
>-.
>.
:r
::.:::
..........
::.:::
.
CI:::
..с
Е--
>-.
t::!
>-.а;
U ::s::
::.::: ::с
О v
::.::: t:::
О
t:: t::!
3:
2
..с CI:::
Е--
u ....
О t::
:I: М. '"
се
::S::t:::
::.:::
'"
Е-- ro
:I: м
::s:: Е
м
::S::
Х
::S::
3
х
>-.
::s::
::S::
6
."' r-:; U
::s:: t::
:r V Е--
vE--
t:: ro
U Е--
..... :I:
.... V
О ::S:
м :::::1'
)::S:: ::s::
Q.) ,...,
..... "'с'"
.... ,...,
0..0
u
CI:::
::S: ::s::
0..:::::1'
v ::.:::
Е-- ....
О
t:: ::
О
t::: CI:::
t:: ro
v ::.:::
Е-- u
V
::s:: :r
::s::
5 о.. I О
U::S:
U t:: О
V ::2
:::r ("'\ ""--с
О I ::s::
о.. ::s::
t::
х о'
::s:: ....
::.::: ....
u :I:
() U
се
:r Е--
::s:: u
Е--
::s:: v
Х се
Е--
..с О
Е-- О
U U
О ::s::
:I:
\о
U
о..
Е--
О
t::
О
t:::
t::
V
Е--
:r
t::
>-.
:I:
О
м
::r:
:r
:::
t:: О
..с t:::
Е-- О
u
О ::s::
::r:: О
..с
t::: О
Е-- ....
::s:: :I:
се о..
м ..........
::S::..e--
О
с....с
t:: Е--
U
О
....
Е--
О
t:::
t::
N
G"'
.....
:r
v
t::
V
:I:
Q...
) v)
N
.... "'
O
o..)::s::
u О
::s:: се :I:
:r се
v се "'
t:: О о.. L...
М
e
О ::s:: 5 О
м Е-- ....
О u :I: :::
.... О ::s:: ;:)
О о.. CI:::
::: О ro Е--
.... ::.::: ...... u
5 u ;j Е--
о.. ::s::
u се Е--
Х О ::: О
::s:: .... О
3 ro ::s:: U
::s:: 0..,......,
2 о.. t:: м""'"
ro v "'
"":f
:I: 5:
О .....
..... CI::: Е-- "'-
.... ::s:: u "--"
:: :I:
gg
g:ёCl:::>-'
\о м
...... v ::.::: ro
'-'" о.. u
о..
>-.t:: ;,.
::s:: g;
0..=0..0
V V ::s:: се
t:: t::
V o.. ::S::
V ('"'
Е-- се :5
(5
....;; :::::1' .", r-:;
::.:::
О :::
::с
:I:
()
::о
Е--
u
с....:-"
:J
.....
:I:
;,.
,...,
.......
....,
::s::
:r
t::! ::s::
,......,
о..
f"")
r::: ::>
I
I
&
v ."'
cef"")
О
t::t:::
CI::: ::.:::
CI::: ..
:I: :ё
t::! Е--
V Х
0..::S::
u а
f"":....
М
t:::(
"'
се
О :ё
r-; u
ro
::s:: .....
o..
v CI:::
=
х о..
U
:ё
се ::s::
О
Е--
Х
::s::
а
..с
Е--
х
::s::
3
::s::
Е--
u
ro
:r
)::S::
О
....
о..
ro
\о
t:::
О
Е--
u
..с
Е--
u
О
:I:
м
О "'
o..ro
О u
t:: ::.:::
О
CI::: ::.:::
::: ro
.... u
t::! u
v ro
o..
u
CI:::
ro
tIJ :I:
t::
:ё
U
ro
:I:
ro
.t::
cr"'
О
....
.....
cr
Е-- "'
ct
о "'
cr
О
О f""). "'
u ::>.
::S::
:r
v
t:: :i
се
CI::: ::s::
а
v v
t:::\o
се
ro 1""":
t::!
r{ u
ro се
t::
О t::
о ::--: се
t:: ro
::s:: ro
::s:: о.. м
ro
ro v
м ..с
Е Е--
u
О Х О
.... :I:
О ..с
се се Ь
О О ,...
::.::: ::.:::
::s:: t::
:I: ::.::: CI:::
CI:::
а ..с :I:
О Е-- t::!
t::: u
О О о..
::.::: :I: 'J
М
..........
::.:::
r
::s::
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Выполненный анализ необходимо сопроводить следующими методолоrическими
дополнениями.
Требуемая степень адекватности модели определяется целью функционирования
и характером решаемой задачи, а достиrнутая степень адекватности возможностями
изучения процесса.
Одна и та же модель может быть адекватной процессу при одном способе функ
ционирования и неадекватной при друrом. Поэтому при математическом моделиро
вании требуются четкая постановка функциональной задачи модели. В зависимости
от этой постановки одни явления характеризуют более детально, друrие упрощают,
третьими пренебреrают.
С позиций системноrо подхода с учетом неизученности мноrих явлений, важна не
столько детальность и cTporocTb описания отдельных явлений, сколько полнота учета
всех существенных факторов.
Недостатком известных моделей является неравноточность описания ряда извест
ных процессов и полное отсутствие описания некоторых малоизученных. Так, в He
которых моделях при детальном описании тепло ..массообмена процессы rазодина
мики задаются, например, минутным расходом дутья. В известных моделях не опи
сываются процессы разрушения шихтовых материалов в ходе их термохимических
превращений, хотя научные предпосылки разработаны [299], не отражены процессы
циркуляции щелочей, сажи и друrих компонентов, оказывающие существенное
влияние на ход доменной плавки.
Кинетико"математическое моделирование оказывает плодотворное влияние на
развитие теории доменной плавки и позволит в будущем получить возможность про..
rноза не только основных ее показателей (расхода кокса, производительности, тем..
пературы и состава колошниковоrо rаза и др.), но также хода всех процессов в до..
менной печи при различных условиях.
На данном же этапе проrноз показателей плавки и оценка хода основных процес..
сов в доменной печи MorYT эффективно выполняться на основе простых зависимо
стей для процессов тепло массообмена и rазодинамики, совмещенных с балансовы
ми уравнениями, основанными на зональном рассмотрении доменной плавки. Эти
зависимости леrко контролируются известными данными практики и по точности
проrноза не уступают моделям.
Как показано [18], расчеты, основанные на зональных тепловых балансах, имеют
больше проrнозных возможностей, чем основанные на общих тепловых балансах.
Однако необходимость принятия значений rраничной температуры зон и разности
температур шихты и rаза, изменяющихся в широком диапазоне в зависимости от ус..
ловий, обесценивает эти преимущества зональных балансов. Поэтому целесообраз..
ность использования зональных тепловых балансов определяется возможностью рас..
чета указанных величин. Рассмотрим эту возможность.
Результаты расчета зональных балансов часто представляют rрафически в виде
температурно тепловых диаrрамм, предложенных п. Рейхардтом [23]. На этих диа
[раммах (рис. 56 старая форма) ход линии теплопотребности шихты при разных TeM
OJ
пературах сопоставляют с линиеи теплосодержания rаза при соответствующих TeM
пературах. При этом линия теплосодержания rаза близка к прямой, так как снижение
теплоемкости rаза при ero охлаждении практически полностью компенсируется ее
увеличением от изменения состава и некоторым увеличением количества rаза по вы..
соте печи. Линию теплопотребления шихты обычно представляют в виде ломанной с
rоризонтальной площадкой в области температур порядка 900 ос, соответствующей
разложению карбоната кальция либо с переломом в этой же области при отсутствии
карбоната кальция в шихте. Этим однозначно определяется ""критический" уровень
189
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
температур, при котором разность температуры шихты и rаза минимальна. Область
печноrо пространства с температурой выше "критическоrо" уровня является опреде
ляющей в смысле расхода кокса у фурм. Расход кокса, определенный по балансу теп
ла в этой области, соответствует потребности кокса для Bcero процесса.
0,8
f6
/:
I
I I
I I
2 0,8 1,6 * 2
Теплолотре;Нl1сть I НД}/( /ке " VHI1
10lIO
Рис. 56. Температурно тепловая диаrрамма (а старая, б новая формы)
Теорией теплообмена в доменной печи доказано [30], что при любых условиях
плавки существует участок по высоте печи, rде разность температур шихты и rаза
минимальна. Выше и ниже этоrо участка расположены зоны с различным характером
теплообменных процессов. В верхней зоне отношение теплоемкости шихты к тепло
емкости rаза меньше единицы, и шихта наrревается быстрее, чем охлаждается rаз. В
нижней зоне, rде сильно развиты эндотермические процессы, в частности, процесс
прямоrо восстановления железа, отношение теплоемкости шихты к теплоемкости
rаза больше единицы, и rаз охлаждается быстрее, чем наrревается шихта.
В отличие от вычисления расхода кокса из общеrо тепловоrо баланса, [де требу..
ется задать значение температуры колошниковоrо rаза, двухзонный баланс позволяет
при правильном выборе температурной rраницы зон и перепада температуры шихты
и rаза на этой rранице проrнозировать температуру колошника. Это преимущество
двухзонноrо баланса явилось причиной ero llJирокоrо распространения. В качестве
rраничной температуры зон обычно принимают температуру материалов 850..950 ос
и разность температур шихты и rаза менее 50 ОС. При этом к нижней зоне относят
частичное разложение известняка и rазификацию уrлерода образовавшимся диокси
дом уrлерода карбоната кальция, прямое восстановление железа и друrих элементов,
перевод серы в шлак, шлакообразование, плавление и переrрев чуrуна и шлака.
Практика расчетов двухзонноrо баланса показывает, что при точном выборе rpa
ничной температуры зоны и перепада температур между шихтой и rазом на этой rpa..
нице можно решать важные аналитические задачи. Однако выбор этих параметров не
является столь простым, как это считалось до недавнеrо времени, коrда полаrали, что
величина минимальноrо перепада температур между шихтой и rазом мала (от не..
скольких rрадусов до нескольких десятков rрадусов) и ее изменение в различных
условиях плавки практически не оказывает влияния на результаты расчета, а значение
rраничной температуры зон связано, в основном, с началом прямоrо восстановления и
меняется в узких пределах (850 900 ОС).
190
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
Расчеты зональных балансов для действующих печей, проведенные А.Н. Раммом,
показали, что величина минимальной разности температур шихты и rаза колеблется в
широких пределах, доходя до 150 ОС и более [48]. Коэффициенты теплопередачи в
шахте печи, соответствующие этим значениям, в несколько раз (иноrда на целый по
рядок) меньше, чем определенные в лабораторных условиях для неподвижноrо слоя
5,83..17,5 кВт/(м 3 К) и дающие при подстановке в уравнения теплообмена весьма Ma
лую величину минимальной разности температур шихты и rаза « 20 ОС). В работах
по теплопередаче в доменной печи [35, 300] наиболее правдоподобными для ее шахты
признаются значения коэффициента теплопередачи в пределах 0,58 3,5 кВт/(м 3 К). По
расчетам А.Н. Рамма при реальных условиях современной плавки получается вели
чина минимальной разности температур шихты и rаза 145 ОС. rраничная температура
зон также может изменяться в широких пределах в зависимости от условий плавки.
Для иллюстрации этоrо положения рассмотрим пример. Произведем расчет потреб
Horo количества rаза теплоносителя для двух зон доменной печи, в которых темпе
ратура материалов t M >900 ос (1) и t M >700 ос (11). Зона с большей величиной потреб
Horo расхода rаза определяет расход кокса для Bcero процесса.
Допустим, что теплопотребность зоны 1 (Qи), включающая HarpeB чуrуна, шлака и
кокса от 900 ОС до конечной температуры (1500 ОС), затрату тепла на прямое BOCCTa
новление и теплопотери, составляет 2920 кДж/кr чуrуна. При этом начальная темпе
ратура rазов (Т) составляет 1800 ОС, а при выходе из нижней зоны t r == 1000 ОС то есть
разность температур на rранице зон равна 100 ОС. Допустим, что значение мини
мальной разности температур t == 100 ос сохранится и в зоне 11, если она будет оп..
ределяющей.
Вычислим дополнительные затраты тепла для HarpeBa шихты от 700 до 900 ОС:
1) HarpeB железорудной составляющей при ее средней теплоемкости
1 ,05 кДж/( Kr К) и расхода 1,8 Kr/Kr чуrуна дает
1,05 х 1,8(900..700) == 378 кДж/кr чуrуна;
2) HarpeB кокса при ero средней теплоемкости 1,68 кДж/(кr К) и расходе
0,5 Kr/Kr чуrуна дает
1,68 + 0,5(900 700) == 168 кДж/кr чуrуна;
3) эндотермические реакции и теплопотери принимаем равными 84 кДж/кr чуr.
Итоrо дополнительная теплопотребность шихты:
Q700 900 == 630 кДж/кr чуrуна,
а общая теплопотребность в зоне 11 составит
2920+630 == 3550 кДж/кr чуrуна.
Общий вид уравнения тепловоrо баланса определяющей зоны:
Qи = (т t r ). V r . C ,
rде: V [, сЬ соответственно расход rаза..теплоносителя и ero средняя удельная теп..
лоемкость; Т теоретическая температура rорения,ОС.
Расход rаза теплоносителя:
V = Qи
r .
(T tr).C
Принимаем сЬ == 1,42 кДж/(м 3О К) для обеих зон, пренебреrая незначительным
различием этой величины для каждой зоны. Тоrда потребность в теплоносителе для
зоны 1 составит 2,58, а для зоны II 2,50 M 3 /Kr чуrуна.
Потребность в теплоносителе больше в зоне 1, то есть для принятых условий она
является определяющей.
Если несколько изменить условия, например, ввести в доменную шихту МgСО з ,
191
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
который разлаrается при температурах до 900 ОС, то дополнительная теплопотребность
в зоне 700 800 ос составляет 21 О кДж/кr чуrуна. Тоrда при прежнем значении
v: oo == 2,58 M 3 /Kr чуrуна
v 700 == 2920 + 630 + 21 О == 2,65 M 3 /Kr чуrуна.
r (1800 800) .1,42
в новых условиях определяющей стала зона 11 (t M > 700 ОС). Причиной перемеще..
ния определяющей зоны является изменение характера теплопотребляющих процес..
сов по высоте печи.
Сохраним теперь исходный характер теплопотребляющих процессов (при
t M > 900 ОС, QH == 2920 кДж/кr чуrуна, а при t M > 700 ОС QH == 3550 кДж/кr чуrуна), но
изменим начальную величину температуры rазов у фурм, приняв ее 2300 ос вместо
1800 ОС. Тоrда потребность в теплоносителе V r для зоны 1 составит 1,58, а для зоны 11
1,67 M 3 /Kr чуrуна. В этом случае определяющей будет также зона 11. Причиной пере
мещения определяющей зоны явилось изменение начальной температуры rазов у
фурм.
Таким образом, значение rраничной температуры зон зависит как от характера
распределения теплопотребляющих процессов по высоте печи, так и от начальной
температуры rазов у фурм. Это можно иллюстрировать на температурно тепловой
диаrрамме, если несколько изменить характер ее построения. Приводимые в ряде
случаев диаrраммы построения на основе сведения баланса для малоrо числа зон
(две..четыре), причем протекание основной эндотермической реакции (С0 2 + С ==
2СО .. Q) часто относят к какой"то одной температуре. В результате на таких диа..
rpaMMax (рис. 56, старая форма) минимальное расстояние между линиями тепло..
потребления шихты и энтальпии rаза (минимальный перепад температур между ших..
той и rазом) получается почти всеrда в одной и той же точке, то есть на одном и том же
температурном уровне, независимо от наклона линий теплопотребления шихты и эн
тальпии rаза. В действительности все эндотермические реакции протекают в HeKOTO
ром интервале температур, а физическая теплоемкость шихтовых материалов плавно
растет с повышением температуры, что дает основание считать линию теплопотребле
ния сложной кривой, которую можно аппроксимировать кубической или в простейшем
случае квадратической параболой. При таком построении температурно"тепловой диа..
rpaMMbI существенно меняется интерпретация результатов ее построения.
На рис. 56 (новая форма) параллельно линии теплопотребности шихты (q) про..
ведена кривая, соответствующая энтальпии rаза на "критическом" уровне при мини..
мальном перепаде температур между шихтой и rазом (q'). Линия энтальпии rаза Ql (в
первом приближении прямая) касается линии q' в точке, соответствующей "крити..
ческому" уровню. Определение "критическоrо" уровня сводится к определению этой
точки. Из диаrраммы следует, что по мере увеличения начальной температуры rаза
(кривая Q2) значение rраничной температуры зон снижается. Кинетика теплопередачи
дает основание полаrать, что значение минимальной разности температур между ших
той и rазом будет в этом случае больше, так как при уменьшении абсолютной темпера
туры материалов и rазов снизится коэффициент теплопередачи. На диаrрамме видно
также (без построения), что кривизна линии q, то есть характер изменения теплопо..
требности шихты по высоте печи, существенно влияет на положение точки касания.
В представленном виде (новая форма) температурно"тепловая диаrрамма точнее
иллюстрирует особенности тепловой работы доменной печи. На основе TaKoro под..
хода появляется возможность аналитическоrо описания процесса, которое позволяет
определить из системы уравнений не только расход кокса и температуру колошника,
192
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
но также rраничную температуру зон и минимальную разность температур шихты и
rаза. При этом задаются некоторыми постоянными для данной шихты величинами,
характеризующими интенсивность теплопередачи в печи.
Уравнение баланса тепла определяющей зоны в развернутом виде при известной
общей теплопотребности шихты содержит три неизвестных величины: расход уrле
рода кокса у фурм С ф (Kr/Kr чуrуна), rраничную температуру материалов t M и раз
ность температур материалов и fаза на rранице зон tmin' Для ero решения относи
тельно С ф необходимо составить два дополнительных независимых уравнения. Одно
из них может быть составлено исходя из балансовых соотношений, друrое на OCHO
ве закономерностей кинетики теплообмена.
Для вывода первоrо уравнения выразим температуру шихтовых материалов в
функции количества тепла (q), YCBoeHHoro шихтой при HarpeBe от начальной темпе..
ратуры t Mo до любой температуры t = F(q)+ t\l() . Вид функции F(q) зависит от формы
аппроксимации связи физической теплоемкости шихты с температурой и распределе..
ния тепла химических реакuий и превращений в интервалах температур их протека..
ния. В общем случае эта функция является сложной, но в отдельных частных случаях
она может быть аппроксимирована кубической или даже квадратичной параболой.
Температура rаза на любом rоризонте (из тепловоrо баланса):
т Q пол q .
W r
Уравнение тепловоrо баланса в зоне температур fаза выше rраничной t r запишем
в следующей форме:
Сф(l Z)(W c + y . iд)+S(1 Z)(W s +Cst s + V д . iд) t, . W r = Qnол q , (2.87)
rде: Z внешние потери тепла, доля cYMMapHoro прихода тепла от rорения уrлерода
кокса в оксид уrлерода в rорячем дутье; W c теплота rорения 1 Kr уrлерода кокса в
оксид уrлерода, кДж; V расход дутья при rорении уrлерода, M 3 /Kr; V д расход
дутья при rорении дутьевой добавки, M 3 /M 3 (Kr); i д энтальпия 1 м 3 дутья за вычетом
теплоты разложения паров влаrи, кДж; S, c s , t s , W s соответственно расход дутьевой
добавки, M 3 (Kr)/Kr чуr., ее теплоемкость, кДж/(м 3 К) или кДж/(кr К), температура,ОС и
теплота rорения до СО+Н 2 в ropHe, кДж/м 3 (кr); Qпол полезная теплопотребность
процесса, рассчитанная с учетом cYMMapHoro тепловоrо эффекта реакций BOCCTaHOB
ления, кДж/кr чуrуна; W r водяной эквивалент rаза в области температур t r t K ,
кДж/( Kr К).
Отсюда температура rаза:
С ф (1 z)(W c + y . i д )+ S(1 z)(W s + cst s + V д . iд) Qпол + q
t. = .
W r
Разность температур rазов и материалов t изменяется соrласно закономерностям
теплообмена в доменной печи [30] по кривой с минимумом, соответствующим TeM
пературной rранице двух зон теплообмена. Значение qmin И соответствующие значе..
ния остальных величин на этой rранице (в том числе tmin, t M ) определяются из Bыpa
жения:
d(дt) = о
dq ,
[де дt=т Qпол q F (q) t .
W Мо
r
Второе уравнение описывает теплообмен в верхней зоне печи [30]:
(2.86)
(2.88)
(2.89)
193
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
(l *}M tMJ
дt шiп == [ ] .
а у В W B
ехр м (1 w: )- ТВ 1
(2.90)
В этом выражении: W водяной эквивалент материалов в верхней зоне, кДж/( Kr К);
а в объемный коэффициент теплопередачи в верхней зоне, кВт/(м 3 К); V удель..
ный объем шихты в верхней зоне, M 3 /Kr чуrуна; ТВ время пребывания шихты в Bepx
ней зоне (с), которое связано с временем пребывания в нижней зоне (Т н ) и общим Bpe
менем пребывания материалов в печи (Т1:) соотношением:
TB==T Т Н ' (2.91)
Величина T определяется на основе выражения для расчета интенсивности плав
ки и производительности печи, а величина Т Н из уравнения теплообмена в нижней
зоне [630] (индекс "н" указывает на принадлежность показателя к нижней зоне):
2,3.W: ] дt l11 il1 , (2.92)
Т и = а .VИ ( l W l J . gТ tпп
н м W
r
[де: t пп средне взвешенная температура продуктов плавки, ос; Т теоретическая
температура rаза у фурм,ОС.
Подставляя значение Т Н в (2.91) и далее ТВ в (2.90) получаем развернутое выраже
ние для tl11in, содержащее помимо величин, зависящих от параметров процесса, зна..
чения коэффициентов теплопередачи в верхней (ав) и нижней (ан) зонах теплообме..
на. Эти значения принимаются из практических данных для известных шихтовых
условий и сохраняются постоянными во всех вариантах расчета, относящихся к этим
условиям. Зависимость указанных величин от температуры и скорости rазов можно
выразить, используя известные экспериментальные данные [30, 35].
Процедура численноrо решения системы уравнений (2.87) (2.92) сводится к нахож
дению TaKoro значения С ф , при котором величина tl11in, полученная из уравнений
(2.88) (2.89) (после определения qшiп, t M И t r ) отличается от соответствующей величины
tl11in, полученной из (2.90) (2.92), на некоторое число, равное заданной допустимой
конечной поrрешности вычислений. Для решения этой задачи на ЭВМ нами разрабо
тан итерационный алrоритм, построенный по принципу деления пополам при каждом
*
шаrе итераций интервала значений С ф , в котором находится искомая величина.
Изложенная схема расчета характера теплообмена в печи по уравнениям (2.87)..
(2.92) является дополнением к общей расчетной схеме проrноза показателей доменной
плавки, которая, помимо уравнений материально"тепловоrо баланса, включает форму..
лы для расчета восстановительных характеристик и параметров rазодинамики про..
цесса, полученных ранее [295]. Удельные теплопотери печи принимаются обратно
пропорциональными производительности . Константами в этой системе уравнений яв
ляются величины, определяемые по фактическим показателям работы доменной печи
на шихте с определенными физическими и физико"химическими свойствами при неиз
менном состоянии ее профиля. Для ЭТИХ условий по уравнениям проrноза можно pac
считать ожидаемое изменение основных показателей доменной плавки при изменении
дутьевых параметров, химическоrо состава сырья, кокса и жидких продуктов плавки.
Решение ряда аналитических задач на основе рассмотренной системы уравнений
позволило нам установить связи между параметрами теплообмена в доменной печи
* Проrра\1f\1а дЛЯ 'ЭВМ разработана r.п. ВаСИ..lенко.
194
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
[38] и, упростив исходную систему уравнений, разработать методику расчета, пред
назначенную для решения технолоrических задач. Содержание ее заключается в сле
дующем.
Водяной эквивалент шихтовых материалов выражается в виде линейной функции
их температуры, а водяной эквивалент rазов принимается постоянным по высоте пе
чи, так как ero уменьшение при охлаждении движущихся вверх rазов компенсирует
ся ero увеличением от окисления компонентов rаза и добавления оксида уrлерода
прямоrо восстановления. Значения rраничных температур материалов и rазов полу
чают из условия равенства их водяных эквивалентов на rранице зон.
Водяной эквивалент шихтовых материалов на колошнике при температуре за
rрузки t Mo составляет:
С МО RM ,
[де С МО средняя удельная теплоемкость материалов, кДж/(кr К); RM общий расход
шихтовых материалов (железорудных, кокса и флюса), Kr/Kr чуrуна.
Средний водяной эквивалент шихтовых материалов для нижней зоны печи со..
ставляет:
c . V Ф (т t r )
,
(2.93)
t пп tl\l
rде V ф, СЬ количество фурменных rазов, M 3 /Kr чуrуна, и их средняя удельная тепло
емкость, кДж/(м 3 ОС); Т теоретическая температура rорения, ОС; t r , tM температура
соответственно rазов и материалов на rранице зон, ОС; t пп температура продуктов
плавки (средняя), ОС.
Интерполяция величины водяноrо эквивалента шихтовых материалов от темпера
'"' '"' t пп + t]\1
туры их заrрузки t Mo до среднеи температуры материалов в нижнеи зоне по
2
зволяет получить ero значение на rранице зон:
c . Vф(Т tr) t M tMo
W =с .R + c .R .
1\1 М О \1 t t м () м t + t
пп м ПП 1\1 t
2 \I()
Значение водяноrо эквивалента rазов составляет:
W r = сЬ . V Ф .
На rранице зон W м == W r, что дает при подстановке
t с .Vф(Т tr) tM tMo
с О . У,1) = С \1 . R \1 + с м . R 1\1 .
Ч .0. t t о t +t
пп м пп м t
2 \10
Из баланса тепла в верхней зоне определяем температуру колошниковоrо rаза:
t K == t r .. (W м t M .. с мо RM t MO ) / W r . (2.97)
На основе расчетноrо анализа параметров теплообмена в доменной печи опреде..
лено, что разность температур rазов и материалов на rранице зон ( tшiп) изменяется в
зависимости t r :
д . 30+0,l.t r
t 111111 2
't
Д . 187,5 0,125. t r
t шш 2
't
[де: т время пребывания материалов в печи относительно базовоrо варианта, доли ед.
(2.94)
(2.95)
(2.96)
при t r < 700 ОС;
при t r > 700 ос;
195
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
Таким образом:
30 + 0,1 . t) < 700 о с (2 98)
t r tl\1 = 2 при tr ; .
t
дt miп = 187,5 125. t r при t,. > 700 ос.
t
При известных значениях R M , V Ф и Т из трех уравнений (2.96) (2.98) однозначно
определяются величины t M , t r , t K . При заданных дутьевых параметрах значение Teope
тической температуры rорения определяется по формуле:
т = 13200.Ш+С д .t д +4200.tp+Д[w., 12300.(c)] . (2.99)
[1 + w + 2 . q; + (н ). д ]. с Ь
Количество фурменных rазов:
V Ф =V д [I+W+2.q;+Д(Н")+Д(N)], (2.100)
а расход дутья:
0,9ззlc ф + S(c )J s (o )
v =
д W + 0,5 . q; ,
rде t д , С д температура дутья,ОС и ero теплоемкость, кДж/(м З К) соответственно; Д
расход дутьевой добавки, мЗ(кr)/м З дутья, причем Д== S/V д ; (o ) содержание кисло
рода в добавке, мЗ/мЗ(кr); (остальные обозначения прежние).
В этих выражениях неизвестной величиной является С ф , которую следует опреде
лить из уравнения общеrо тепловоrо баланса
Сф(I Z)(Wс + y .i д )+S(1 z)(Ws +Cst s + V д .iд) tк. W r = Qпол . (2.102)
Таким образом, из систем уравнений (1.56) (1.63) при известной величине Qпол,
определяются значения t r , t M , t K , Т, V ф, V д, С ф .
Значение степени KocBeHHoro восстановления r , входящее в выражение для Qпол,
определяется по ранее полученным нами выражениям [295] (параметры с индексом
"О" относятся к базовому режиму, без индекса к проrнозному):
О CO L + 3. H 2L II p llL cO(CO L + H 2L ). y
Ч =ч. О о. О о. О О '
CO L + 3. H 2L II p llL с (CO L + 11 п:). V r
0,4. Ч [Fe]+ В + СО 2 карб. ЧJ СО , . СО 2СаО
ll L = ,
CO L + 11 2L + 2. СО 2СаО . \fI СО2
rде: CO r , H 2r , V r количество оксида уrлерода, водорода и общее количество rазов в
области KocBeHHoro восстановления соответственно, мЗ/кr чуrуна; с количество
твердоrо уrлерода в шихте, Kr/Kr чуrуна; 1l , IIp суммарная фактическая и paBHOBec
ная степени использования восстановительных rазов соответственно; [Fe] количе
ство железа, восстановленноrо в чуrун из шихты, Kr/Kr чуrуна.
В количество С0 2 +Н 2 О, полученных при восстановлении Fе20з до FeO, мЗ/кr чуr.;
С02карб., С0 2СаО , 'V C0 2' количество диоксида уrлерода из карбонатов шихты, карбоната
кальция, мЗ/т чуrуна и степень разложения С0 2СаО , мЗ/м З , соответственно.
Производительность доменной печи рассчитывается по полученному ранее Bыpa
жению, вытекающему из уравнения потерь напора в столбе шихты из условия посто
янства степени уравновешивания столба rазовым потоком [295]:
О ( О О 3 О J O ,555
П = по . V З т + t K + 546 . Е . F . Р К + 0,5 . др . Рш
V з T+t K +546 El.p P +0,5.ДPO P '
(2.101)
(2.103)
(2.104)
(2.105)
196
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
rде V З эквивалентный выход rазов (приведенный по составу к CO+N 2 [57], M 3 /Kr чуr.;
Е, F средние порозность столба шихты, м 3 /м 3 и удельная поверхность кусков в нем,
м 2 /м 3 , соответственно, вычисленные по rранулометрическому составу; Р к , P дaB
ление на колошнике и общий перепад давления в печи соответственно, кПа; РШ
средняя насыпная масса шихты, Kr/M 3 .
Система уравнений (2. 95) (2.1 05) дополняется рядом вспомоrательных выраже..
ний для расчета промежуточных величин и решается относительно неизвестных па
раметров. Для решения системы нами разработан итерационный алrоритм, реализо
*
ванный на ЭВМ.
Кроме расчетов по изложенной методике при анализе явлений доменной плавки
использовали результаты работы доменных печей, обработанные методами, описан
ными в настоящей rлаве.
Дальнейшее развитие расчетной методики основано на совмещении системы
уравнений общеrо материально тепловоrо баланса с мноrозонным материально"теп
ловым балансом при описании процессов тепло ..массообмена и rазодинамики про
стыми зависимостями [274]. Эти зависимости, леrко контролируемые данными прак
тики, по точности проrноза конечных показателей не уступают моделям и позволяют
предметно анализировать ожидаемые сдвиrи в ходе процессов при изменении пара
метров плавки и использовании нетрадиционных технолоrий.
Методика включает в себя следующие расчетные модули: шихта, rазификация yr
ля, офлюсование, кокс, теоретическая температура, зоны, цикл, расчеты вне цикла,
базовые варианты, сравнительные варианты.
Расчет материальных и температурно тепловых характеристик производится по..
следовательно в 12 температурных зонах по высоте печи: l..я зона температура
шихты от заrрузки до 400 ОС, далее через каждые 100 ос (схема распределения теп
лопотребления приведена на рис. 57). В каждой зоне определяется объем материалов
и время их пребывания, а также температура и состав входящих и выходящих rазов.
Теплопотери по зонам распределяются пропорционально произведению квадрата
средней температуры rазов на время пребывания материалов в зоне. Коэффициент
теплопередачи изменяется в зонах пропорционально средней температуре rазов.
Итерационный цикл охватывает рассмотренные выше модули и орrанизован по
уточнению сходимости cYMMapHoro времени пребывания материалов в печи, опреде
12 .
L l
ленноrо ( L . , i номер зоны) и времени пребывания, выисленноrоo по
1==1
производительности печи и плотности материалов ('tп). В ходе итераций варьируется
и уточняется Т к температура колошниковоrо rаза. Ее значение меняется в каждой
итерации (1 номер итерации). Цикл оканчивается при ('t L 'tп) < 1 сек. по абсолют
ной величине.
В ходе расчетов установили закономерное смещение температурных иконцен"
трационных полей во времени пребывания материалов по высоте печи, соответст..
вующее современным представлениям о ходе процессов и позволяющее обоснованно
выбирать направления совершенствования технолоrии, отвечающие устойчивому их
состоянию и возможности поддержания в необходимых пределах. На рис. 58 (А,В,С)
приводятся диаrраммы распределения температур и теплоемкостей потоков материа
лов и rазов, условно отнесенные к единице чуrуна, во времени пребывания материа
лов в печи для 3 случаев:
* ] IporpaM\1a дЛЯ ЭВМ разработана r.п. Василенко
197
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
1
q HzO O,5q лв O,2q As O,2q М110 }
to
400 ос
2
O,25q FeCO) O,125q Fe O,5q лв O,2q As O,2q Ml'Oz
500 ос
3
O,25q FeCO) + O,333q МI1СО э O,125q Fe O,2q As O,2q MnOz
600 ос
4
О,25ч FeCO] + O,333QMI1CO] + О,333qмgCОэ O,125q Fe O,2q А.\: O,2q МпО2
700 ос
5
O,25q FeCO) + О,З3ЗQ МпСО) + O,333q MgCO) О,125ч f"e O,2q А.\" O,2q МпО }
_.. . . ........... ........ .......... ... .._... .. _ _ _ -'"AO'W.................... ............................_....................... _ .. .. ...... .......-..................................... ....... ........................................................................................................................................................
800 ос
6
0,33 Зq MgCO) 0,125q Fe
.............._ _ _ _._ ............................ _.... ....... ... ..... .. ... .. .... .. .................... .............. ....... ............................................................................................_. ........................................ ... ........................6066.....................................
Начало р азмяrчения
900 ос
7
O,25q'd +О, З3 31Сасq O,125]Fe
Выход летvчих кокса
1000 ос
. ... . . .. ..................................... - - -- ...... _............................ ..................... .... . ................ ............................_................ ......................................-......... .. ..... ..............
8
O,25q r., + O,333QcoCo) .... O,125q Ре
.. ...-... ................................ .. ......................... ....- .... - ........... ...... ......................................................- _.. ..............._- - -.... - - - - - ...... - .... _._.. .. .._......._.. _........
Начало плавления Выход летvчих кокса
11 00 ОС
9
O,25q rd + О,333qсаСО э + O,333q L .... O,125q Fe O,5q шо
Полное р асплавление металла
1200 ос
.. . ..... . ._......................... ...... .. ... ......................... ..... ............. - -_. .................................................................... . ................. ................ . . . . . ............ ......... .. ...................... ............ ......... .. ........ ......
10
O,25q rd + О,33Зq L O,5q ШО
Полное р асплавление шлака
1300 ос
....... ........ .. .......................... ................... ..... . . .. .................. .............. ... ... .... ....... ............ ....................... .......... - ...............- ..._ - - - ..... .............................................. ............ . ............. . ........... ...............
11
O,333qL
1400 ос
............ .............. ...... .... ..... ....................... .... .................................................................... .... .... ... -.. . . ........................................................_ - - - - ..... - - - ..._...........
Переrpев продуктов
12
... . . . . . . . . .. - -- "- . - -- - - - - ._ - ."._----_.._- .. -- - . ._._ _. . -- ._ ._._... .._--- t
вып
Рис. 57. Схема распределения теплопотребления по зонам:
(+ ),( ) поrлощение, выделение тепла соответственно; q тепло испарения
Н2 0
влаrи шихты, кДж/т чуrуна; qлв тепло реакций восстановления Си, Ni, Со, кДж/т
чуr.; q , q тепло реакций восстановления As, Мп02 , кДж/т чуr.; q , q ,
As \1 n0 2 FС20з СаСОз
q . q тепло диссоциации карбонатов и взаимодействия С0 2 с уrлеродом,
МgСUз МnСОз
кДж/т чуr.; qFe тепло rазовоrо восстановления железа, кДж/т чуr.; qrd тепло
прямоrо восстановления железа, кДж/т чуr.; qL тепло восстановления Si, Мп, Р, У,
Ti, Cr и перевода серы в шлак, кДж/т чуr.; qшо тепло шлакообразования, кДж/т чуr.
198
2. ПоказатеЛll дО.\lенноzl плавКlI
А
Температура, ос
Теплоемкость, кДжl (т.чуr. rрад)
о
о
1000
2000
3000
о
2000
4000
6000
8000
2
4
u
со
'j'
D:: 6
::i: I
Q) \
Q.
m \
8 \
,
\.
\
10 I
в 12
О
1
I
I
2 I
I
u I
со 3
'j'
D:: 1
::i:
8. 4
\
m \
\
\
5 \
\.
\
6 }
с 7
О
1
\
I
\
u 2 t
со
'j' I
I
D::
::i: I
Q)
Q. I
m 3 I
I
\
\
4 ,
"'"
"'-......
I
5
Рис. 58. Распределение температур и теплоемкостей потоков rаза и шихты 80
времени преб ыва ния материалов в печи: . температура и теплоемкость
потока rаза, температура и теплоемкость потока шихты, разность
температур потоков rаза и шихты
199
2. ПоказатеЛll до.ненноzl плавКlI
А обычный режим с вдуванием атмосферноrо дутья с температурой 1100 ос и
природноrо rаза (100 м 3 /т) при производительности 1,5 т/(м 3 .сут.).
В интенсивный режим с вдуванием обоrащенноrо кислородом до 40 % дутья с тем..
пературой 1300 ос и природноrо rаза (180 м 3 /т) при производительности 2,7 т/(м 3 .сут.).
С то же, что В, но без природноrо rаза при производительности 3,0 т/(м 3 .сут.).
В случае А имеет место обычный двухступенчатый теплообмен, при котором в
шахте (верхняя ступень) теплоемкость потока rазов превышает теплоемкость потока
материалов, а по мере опускания и проrрева материалов разность температур rазов и
материалов уменьшается до HeKoToporo минимума при достижении отношения теп
лоемкостей потоков 1,0, после чеrо отношение теплоемкостей потоков становится
выше 1,0, и разность температур вновь увеличивается (нижняя ступень). Увеличение
теплоемкости потока материалов обусловлено ростом теплопотребляющих процессов
прямоrо восстановления, а последующее ее снижение завершением этих процессов
в нижних rоризонтах печи. В области протекания этих процессов выделяющийся MO
нооксид уrлерода увеличивает теплоемкость rаза.
Случай В характерен тем, что вследствие уменьшения количества rазов интен
сивность теплообмена в верхней зоне уменьшается, а разность температур rаза и
шихты на rранице зон теплообмена увеличивается с переносом части тепловой рабо
ты в низ печи.
В случае С наблюдаются предельные условия теплообмена, при которых вследст..
вие малоrо количества rазов на единицу шихты шахта "холодает", разность темпера
тур rазов и материалов увеличивается и мало меняется по мере опускания материа..
лов, а отношение теплоемкостей потоков близко к 1,0 по всей высоте шахты. Проис
ходит "вырождение" верхней ступени теплообмена и локализация всех процессов в
нижней ступени. Такой случай характерен неустойчивостью процессов и в реальной
практике не встречается.
Указанные режимы отражают существующие представления о ходе процессов и
имеют экспериментальное подтверждение [24, 30, 44], а возможность их анализа по
приведенной методике позволяет использовать ее для решения широкоrо Kpyra задач
проектирования новых технолоrических решений.
Условность разделения печноrо пространства на вертикальные температурные
зоны при большой радиальной неравномерности распределения материалов и rазов
порождает условности при анализе реальных процессов, также неравномерно рас..
пределенных по радиусу печи. Для снятия этих условностей необходимо разделение
печноrо пространства также на радиальные кольцевые зоны и решение двумерной
задачи. Такое развитие методики имело место в Институте черной металлурrии НАН
Украины и изложено в rлаве 4 настоящей моноrрафии с представлением результатов
её использования в rлаве 5.
200
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
"В сдедСl11вии неl11 ниче?о 111аКО20,
че20 не бы..70 бы в основании"
и. Канп, (1724 1804)
"...без обобUJениЙ невОЗ.\1ОЖНЫ
XopOUlue и ориzинальные наблюдения. "
Ч.ДарвUIl (1809 1882)
3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕхнолоrии НА ПОКАЗАТЕЛИ ПЛАВКИ
Сопоставительный анализ показателей и параметров работы доменных печей не
всеrда позволяет выявить причинно следственные связи и сделать однозначные вы..
воды о причинах различия. Это обусловлено неполнотой используемой информации
и содержащимися в ней поrрешностями различной природы, а также неполнотой
учета и недостаточной изученностью отдельных факторов. В таких условиях во из
бежание ошибочных суждений с целью повышения достоверности выводов приме
няются специальные расчетно аналитические приемы, содержание которых изложе
но нами в rлаве 2 и включает анализ невязок материально тепловых балансов с выяв
лением возможных поrрешностей учета, использование вероятностно статистичес
ких процедур и ряда неформальных приемов анализа.
Друrим направлением анализа различий показателей и их зависимости от пара..
метров и условий плавки является аналитическое изучение связей на основе из вест..
ных балансовых соотношений и закономерностей кинетики, rазодинамики и друrих
про цессо в.
Указанные подходы, являющиеся основой установления связей и причинно след"
ственных зависимостей между показателями и параметрами доменной плавки, позво
ляют выявлять эти связи и зависимости для анализа хода эволюции технолоrии и
проrнозирования дальнейших ее путей. Приводимые в последующих разделах Ha
стоящей rлавы оценки влияния параметров технолоrии и сопутствующих факторов
на результаты доменной плавки основаны на анализе и обобщении, выполненном He
зависимо А.Н. Рам мом и и.r. Товаровским по методикам и материалам, приведен
ным в соответствуюших трудах [24, 48, 250].
3.1. Шихта и продукты плавки
СодерJlсанuе JICе1еза в luuxпle
Основной полезной составляющей железорудных материалов является железо, об..
разующее чуrун. Содержание железа в шихте определяет не только общую теплопо..
требность плавки, но также влияет на ход восстановления оксидов, rазодинамику и
ряд друrих процессов в печи.
Расчету поддается в основном та часть влияния, которая связана с энтальпией
шлака, уносящеrо из печи значительное количество тепла. При температуре шлака
1450..1500 ос ero энтальпия составляет 1800 1850 кДж/кr. Теплоотдача уrлерода кок..
са в печи при температуре дутья 11 oo 1200 ОС, влажности 1 % без обоrащения кисло..
родом, теплопотерях 1 О % и температуре колошника 200..250 ос составляет 12..
13 МДж/кr. Таким образом, при сокращении количества шлака на каждые 1 О Kr/T чу
[уна экономия тепла 18 18,5 МДж/т, уrлерода 18/12==1,5 Kr/T, кокса 1,5/0,85==1,8 Kr/T;
что при расходе кокса 500 Kr/T составляет 0,35 %.
201
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Результаты расчетов А. Н. Рамма для случая полноrо офлюсования шихты дают
величины 0,7 1,0 % на каждый 1% Fe в шихте, что при пересчете на 10 Kr/T чуrуна
шлака соответствует 0,35 % кокса. Указанные расчеты для полностью офлюсованной
шихты дают оценку влияния количества шлака "'в чистом виде". В случае OДHOBpe
MeHHoro изменения расхода cbIporo флюса величина влияния увеличивается.
Наиболее представительными опытами повышения содержания железа в шихте
являются опыты на Маrнитоrорском меткомбинате [301] и меткомбинате "'Криво
рожсталь" [302].
В опытах на доменной печи объемом 1180 м 3 Маrнитоrорскоrо меткомбината co
держание железа в шихте повысили с 55,3 % до 57,7 % путем замены обычноrо аrло
мерата опытным следующих составов (%):
Аrломерат: Fe FeO Si0 2 СаО S
Опытный 58,3 16,45 5,82 8,33 0,038
Обычный 56,8 16,00 7,07 9,69 0,068
в табл. 3.1. приведены показатели доменной плавки в контрольном (К) и опытном
(О) периодах.
Показатели и размерность К О
Производительность, т/(м 3 . сут.); / то же, % 1,784/100 1,843/103,2
Расход кокса (сух.), Kr/T; / то же, % 607/100 589/97,0
Содержание железа в шихте, % 55,3 57,7
Количество шлака, Kr/T 435 356
Расход cbIporo известняка, Kr/T 2 4
Расход металлодобавок, Kr/T 32 41
Дутье: температура, ос 944 933
давление (изб.), кПа 177 182
влажность, r/M 3 28,7 27,6
Расход природноrо rаза, м 3 /т .. ..
Колошниковый rаз: температура, ос 470 485
давление (изб.), кПа 73 75
содержание, %: С0 2 15,0 15,2
СО 26,4 26,2
Н 2 2,82 2,69
Вынос пыли, Kr/T 36 35
Простои, % 0,33 0,56
Состав чуrуна, %: Si 0,68 0,79
Мn 0,19 0,28
S 0,040 0,039
Состав шлака, % Si0 2 36,3 36,7
СаО 41,2 40,7
А1 2 О з 12,6 12,5
MgO 8,3 8,5
МnО
S 0,91 1,00
CaO/Si0 2 1,13 1,11
Таблица 3.1. Показатели работы доменной печи Маrнитоrорскоrо
меткомбината с различным количеством шлака
202
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Расход кокса сократился на 18 Kr/T; в том числе за счет увеличения расхода Me
таллодобавки на 3 Kr/T. Экономия 15 Kr/T обусловлена сокращением выхода шлака
с 435 до 356 Kr/T или 0,32 % на каждые 10 Kr/T снижения выхода шлака. В расчете на
каждый 1 % прироста содержания железа в шихте экономия кокса составила 1 %.
Прирост производительности составил 1,33 % на каждый дополнительный 1 % желе
за в шихте или 0,4 % на каждые 1 О Kr/T снижения выхода шлака. Развитие процессов
прямоrо и KocBeHHoro восстановления заметно не изменилось, а интенсивность по
коксу увеличилась. Условия десульфурации чуrуна при сокращении выхода шлака
осложнились, что потребовало повышения HarpeBa ropHa с увеличением содержания
кремния в чуrуне для поддержания требуемоrо содержания серы.
На доменной печи объемом 2000 м З меткомбината "Криворожсталь" содержание
железа в шихте повысили с 49 до 53 % за счет замены смеси аrломератов "Криво
рожсталь" и HKrOK опытным аrломератом HKrOK следующих составов:
Аrломерат: Fe РеО Мп Si0 2 А1 2 О з СаО MgO CaO/Si0 2
"Криворожсталь" 47,3 13,3 1 ,6 14,0 1 ,6 15,4 0,49 1,10
HKrOK обычный 54,0 12,2 0,17 10,7 1,5 10,7 0,68 1,00
HKrOK опытный 55,7 9,6 0,09 8,8 0,8 10,5 0,93 1,19
в табл. 3.2. приведены показатели работы печи в контрольном и опытном периодах.
Экономия кокса составила 1,4 % на каждый дополнительный 1 % железа в шихте
или 0,31 % при сокращении выхода шлака на 1 О Kr/T чуrуна, прирост производитель
ности составил 2,5 % на каждый дополнительный 1 % железа в шихте, или 0,5 % при
сокращении количества шлака на каждые 1 О Kr/T чуrуна. Абсолютный расход при
родноrо rаза не был увеличен, вследствие чеrо уменьшился ero удельный расход, что
не позволило получить возможную дополнительную экономию кокса. Интенсивность
плавки увеличилась. Для поддержания требуемоrо содержания серы в чуrуне увели..
чили основность шлака и HarpeB ropHa.
Сравнивая результаты, полученные на двух предприятиях в разных условиях,
следует обратить внимание на различие величин, отнесенных к 1 % железа в шихте и
близость величин, отнесенных к единице сокращения выхода шлака. Это объясняется
тем, что функциональная связь содержания железа в шихте и количества шлака He
линейна, что следует из нижеприведенных выкладок.
При доле железа в шихте Fеш (%) количество шлака Ш (кr/т.чуr.) составляет:
Ш == (100. Fе./Fеш). (1 0,01 . Fеш. OFc) + Ш к " ВО,
rде: Fе ч количество железа в чуrуне, Kr/T; OFe кислород шихты, Kr/Kr железа; Ш К
количество шлака из кокса, Kr/T чуrуна; ВО количество восстановленных в чуrун
оксидов Si, Мп и др., Kr/T чуr.
После преобразования:
Ш == (Fе ч . 100/Fеш).. Fе ч . OFc + Ш К ВО.
Для оценки изменения количества шлака с изменением содержания железа в шихте
возьмем частную производную от Ш по Fеш при OFc == const:
dШ/dFеш == 100 . Fеч/(Fеш)2, Kr/T на 1 % Fеш. (3.1)
Указанная величина при Fе ч == 940 Kr/T составляет:
для Fеш == 49..58 %, ср. 51 % С""Криворожсталь") 36 Kr/T;
для Fеш == 55..57,7 %, ср. 56,5 % (ММК) 29,5 Kr/T.
203
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Таблица 3.2. Показатели работы доменной печи меткомбината
"Криворожсталь" с различным количеством шлака
Показатели и размерность К О
Производительность, т/(м 3 . сутки) 1,566 1,719
то же, % 100 109,8
Расход кокса (сух.), Kr/T 512 483
то же, % 100 94,3
Содержание железа в шихте, 49,0 53,0
Количество шлака, Kr/T 660 474
Расход доломит. известняка, Kr/T 96 58
Расход металлодобавок, Kr/T .. ..
Дутье: температура, ос 1120 1125
давление (изб.), кПа 292 283
влажность, r/M 3 ест. ест.
Расход природноrо rаза, м 3 /т 97,3 88,4
Колошниковый rаз: температура, ос 388 330
давление (изб.), кПа 146 147
содержание, %: С0 2 15,7 16,7
СО 22,6 21,5
Н 2 6,8 6,8
Вынос пыли, Kr/T 56 40
Простои, % 0,58 1,39
Состав чуrуна, %: Si 0,67 0,71
Мn 1,09 0,47
S 0,048 0,052
Состав шлака, % Si0 2 39,7 39,2
СаО 46,5 48,3
А1 2 О з 6,1 6,3
MgO 4,5 4,5
МnО 1,4 0,6
S 1,6 1,9
CaO/Si0 2 1,17 1,23
Обусловленное этим фактором различие эффективности, отнесенной к 1 % железа
в шихте, составляет 36/29,5 == 1,22 раза; фактически оно оказалось 1,40.
Для полностью освоенной технолоrии можно считать экономию кокса 0,35 % и
прирост производительности 0,6 % при сокращении выхода шлака на каждые 1 О Kr/T
чуrуна.
Рассмотренный характер влияния количества шлака и содержания железа в шихте
на расход кокса и производительность сохраняется в IllИРОКОМ диапазоне условий.
Однако при высоком приходе серы с шихтой (до 10 Kr/T чуr.) и оrраничении ее со..
держания в чуrуне не выше, например, 0,03 % снижение выхода шлака до 300 Kr/T
требует поддержания коэффициента распределения серы между чуrуном и шлаком
Ls == (S)/[S] на высоком уровне: (S) == 9 . 100/300 == 3 %; Ls == 3/0,03 == 100, что в 1,5..2
раза выше практически достиrавшихся на доменных печах.
В этих условиях требуется принятие мер, связанных с затратой дополнительной
энерrии и соответствующим снижением эффективности дальнейшеrо повышения co
держания железа в шихте.
204
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
МепlU./1JlUJUЦUЯ IUUXпlbI
Заrрузка в доменную печь части железа в металлическом состоянии достиrается
путем предварительноrо восстановления окисленных железосодержащих материалов
либо добавки отходов rOToBoro металла (металлодобавки). Степень металлизации
обычно характеризуют отношением количества металлическоrо железа в шихте к
общему ero количеству.
Опыты проплавки в доменных печах металлизованных материалов, проведенные
в различных условиях, показали возможность сокращения расхода кокса на 5 8 % и
повышения производительности на 4 9 % [48, 303].
Основной составляющей эффекта является сокращение затрат тепла и твердоrо
уrлерода на прямое восстановление железа, соответствующее расходу кокса 5 6 Kr/T
чуr. на каждый 1 % степени прямоrо восстановления. В случае исходной степени
прямоrо восстановления 30 % металлизация шихты на 1 О % должна снизить расход
кокса на 30 . 0,1 . 5,5 == 16,5 Kr/T или 3 3,5 %, а в случае исходной степени прямоrо BOC
становления 50 % соответствующая величина составит 50 . 0,1 . 5,5 == 27,5 Kr/T или 5
5,5 %. Обстоятельный расчетный анализ, выполненный в работах [48, 304] показал,
что, в зависимости от условий восстановления, расчетная экономия кокса может co
ставить 4,0..5,4 %, а прирост производительности 4,4..7,7 %.
В случае заrрузки в доменную печь чистых металлодобавок к эффекту металлиза
ции добавляется снижение выхода шлака (3 5 Kr/T чуr. на каждый 1 % металлизации);
которое увеличивает общий эффект по экономии кокса до 5 7 %, а по приросту произ
водительности до 6 9 %.
Вывод СЫрО20 ф.,1ЮСll и) IUUXпlbI
Снижение расхода cbIporo известняка в доменной шихте происходит при повы
шении степени офлюсования аrломерата и окатышей, а также вводе в доменную
шихту кусковых известьсодержащих материалов, rлавным образом KOHBepTepHoro
шлака. При этом сокращается расход тепла на диссоциацию СаСО з и МgСО з , а также
на взаимодействие части выделяющеrося СО 2 с уrлеродом кокса.
Температура "химическоrо кипения" СаСО з при характерных для доменной печи
давлениях превышает 900 ОС, что соответствует высокой скорости взаимодействия
С0 2 + Скоке == 2 . СО. Результат взаимодействия зависит от скорости разложения из
вестняка и оценивается А. Н. Раммом по данным исследований величиной степени
взаимодействия С0 2 с уrлеродом кокса 0,5..0,75 от общеrо количества СО ъ выделив..
шеrося из СаСО з . Диоксид уrлерода, связанный с MgO, выделяется при более низких
температурах (до 600 ОС) и с уrлеродом кокса не реаrирует.
Результаты расчетов [4, 248] дают величину экономии кокса 0,5..0,6 % на каждые
1 О Kr/T чуrуна известняка выведенноrо из шихты, и соответствуют обобщенным ре..
зультатам практики. Для доломитизированноrо известняка экономия меньше на Be
личину, соответствующую содержанию в нем СаСО з .
При выводе cbIporo флюса за счет офлюсования аrломерата и окатышей при их
получении создаются предпосылки для улучшения процесса шлакообразования, KO
торый в этом случае происходит в малых объемах, rде СаО, Si0 2 и др. компоненты
тесно соприкасаются. Это способствует сокрашению зоны шлакообразования и соот..
ветствуюшему улучшению работы rазовоrо потока, за счет чеrо возможны дополни..
тельная экономия кокса и прирост производительности. Расчетному определению
этот фактор не поддается. При замене cbIporo известняка конвертерным шлаком ука..
205
3. ВЛllЯllllе 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКlI
занная составляющая эффекта отсутствует, однако имеют место друrие преимущест
ва, оценка которых производится отдельно.
Количество выведенноrо из доменной шихты cbIporo известняка на единицу за
rруженноrо в печь KOHBepTepHoro шлака можно определить из выражения:
дИ == (СаО кш В дш . Si0 2кш ) / (СаО изв В дш . SiО 2изв ), Kr/Kr, (3.2)
rде: СаО кш , Si0 2кш , СаО изв , SiО 2изв содержание соответствующих компонентов
в конвертерном шлаке и известняке, Kr/Kr, В дш основность доменноrо шлака.
Например, при СаО кш == 0,50, SiО 2кш == 0,15, СаО изв == 0,52, Si0 2изв == 0,01, В дш == 1,25
величина дИ == 0,616 Kr/Kr.
Общая эффективность заrрузки KOHBepTepHoro шлака включает также экономию
железо и марrанецсодержащих компонентов шихты, определяемую содержанием
железа и MapraHua в конвертерном шлаке.
XapaKI11ep окускованuя .,'Jlаl11ерuа.70в
Вопрос о выборе одноrо из двух основных способов окускования аrломерации и
окомкования не решается однозначно, так как каждый из них имеет преимущества и
недостатки, а также позволяет получать весьма различные свойства материалов, не
всеrда поддающиеся количественной оценке. Возможна лишь сравнительная инте
rральная оценка конкретных аrломератов и окатышей в конкретных условиях домен..
ной плавки, однако выводы, основанные на результатах промышленных опытов
весьма противоречивы [305 315].
Однозначно решается лишь вопрос об офлюсовании материалов оно должно
обеспечивать полный вывод cbIporo флюса из доменной шихты. При этом степень
офлюсования различных видов сырья должна быть близкой. Длительные опыты про
плавки неофлюсованных окатышей взамен офлюсованноrо аrломерата на ММК по
казали неэффективность такой замены [314]. Даже в случае совместной проплавки
неофлюсованных окатышей с высокоосновным аrломератом показатели плавки были
хуже, чем на одном аrломерате. По"видимому, лишь небольшое количество неофлю..
сованных окатышей в шихте до (30 %) может быть проплавлено без ухудшения пока..
зателей в сравнении с плавкой офлюсованноrо аrломерата.
В связи с различием свойств аrломерата и окатышей и необходимостью использо..
вания их в шихте в разных соотношениях задача выявления влияния доли окатышей
в шихте на показатели плавки приобрела большое значение.
Для оценки эффективности применения окатышей в доменной печи использовали
результаты опытных плавок [308 315], а также показатели текущей работы доменных
печей с применением окатышей на начальном этапе их использования. Данные обра
ботали по методике [24] с определением основных расчетных характеристик и при
ведением расхода кокса, производительности и др. к одинаковым контролируемым
условиям. Приведенные к одинаковым условиям показатели рассмотрены в зависи..
мости от доли окатышей в шихте.
Результаты обработки для доменной печи NQ 7 ММК показали экстремальный ха..
рактер зависимостей (рис. 59). С повышением доли окатышей до 50 % увеличивается
косвенное восстановление и соответственно снижается расход кокса. Дальнейшее
увеличение доли окатышей приводит к уменьшению KocBeHHoro восстановления и
повышению расхода кокса. Такой характер изменения параметров может быть объ
яснен особенностями распределения аrломерата и окатышей на колошнике. За счет
большей насыпной массы и меньшеrо коэффициента BHYTpeHHero трения окатыши
при осыпании на полоrий откос ранее заrруженных материалов MorYT "Ioвнедряться" в
слой шихты на периферии, оттесняя кокс к центру. С друrой стороны, будучи более
206
3. ВЛllЯllllе 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКlI
"'подвижными", они способны леrче перемещаться к центру печи в случае ссыпания
на крутой откос ранее заrруженных материалов. Таким образом, при совместном ис
пользовании этих видов сырья сечение печи оказывается более равномерно заrру
женным железорудными материалами.
58
...,
56
.....
:t 54
.....
52
'-.)
g 50
40 50 60 70 80 90 100 20 30
36
"Е;:
9 34
;:с
l)
32
.....
:i8 30
.!.. 102
cs Е:
98
с':' .....;:;
..., .....
'" .с
8 94
:::: Е:
90
.......
.......
(\:)
98
:::::
е- 94
:::::
90
с\:)
I
S
'-'
/OO
::::;; ..с
6 Е:
? 90
с
... 80
........
2030
2,7
2,6
...
с
(\.) 2 5
..с:;С ,
E:
2,4
.
с
\..)
2,3
2,2
... 525
'-.)
Е: 52О
cg 515
;:.с
'-.)
d: 510
40 50 60 70 80 90 100
Доля oпamblulell в Uluxme, %
Рис. 59. Влияние доли окатышей в шихте на по ка за тел и
плавки доменной печи NQ 7 ММК
Суммарная экономия кокса от повышения содержания железа на каждый 1 % за
счет ввода окатышей составляет 1,5 % при доле окатышей в шихте до 60 % и обу
словлена снижением выхода шлака и повышением KocBeHHoro восстановления. При
повышении же доли окатышей выше 60 % экономия кокса обусловлена только сни
жением выхода шлака и составляет менее 0,7 % на каждый дополнительный 1 % же..
леза в шихте.
При повышении доли окатышей до 20..50 % rазопроницаемость столба шихты не
ухудшается, а интенсивность плавки увеличивается. Одновременно повышается пе..
репад давления rазов и несколько увеличивается вынос пыли.
На доменной печи NQ 5 комбината "'Азовсталь" окатыши вводились в шихту вза..
мен заводскоrо аrломерата. Результаты обработки показали увеличение KocBeHHoro
восстановления при повышении доли окатышей до 30 %. Экономия кокса составила
2,5 % на каждый дополнительный 1 % железа в шихте, в том числе за счет KOCBeHHO
ro восстановления 1,8 %. Производительность печи изменялась пропорционально
возрастанию рудной наrрузки.
Общие закономерности изменения параметров при замене части аrломерата OKa
тышами следующие:
207
3. ВЛllЯllllе 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКlI
1. Увеличивается доля нижнеrо перепада давления в печи [308, 313, 315] при co
хранении интенсивности по rазу. Это отчетливо наблюдалось на печи "Азовстали", а
также в опытах на заводе им. Петровскоrо [309]. Указанное явление объясняется
большей усадкой окатышей при восстановительно тепловой обработке и более ши
роким диапазоном температур их размяrчения и плавления, что определяет повы
шенное rазодинамическое сопротивление в нижней зоне печи. В условиях опреде
ляющей роли верхней зоны в общем сопротивлении столба шихты или наличии rазо
динамических резервов доля нижнеrо перепада давления увеличивается при coxpa
нении прежней интенсивности по rазу.
2. Увеличивается вынос колошниковой пыли и доля в ней мелких фракций, что
обусловлено повышенной истираемостью окатышей и большим разрушением при
восстановлении. Это отрицательно влияет на службу засыпных аппаратов.
3. Исходная прочность окатышей и содержание в них мелочи не столь однозначно
связаны с показателями доменной плавки, как это имеет место при аrломерате. Так,
замена аrломерата с содержанием мелочи 5 мм 18 20 % окатышами цrОКа с coдep
жанием мелочи 5 мм 8 18 % и исходной прочностью 150..190 кr/окатыш оказалась
более эффективной, чем замена аrломерата ММК с содержанием мелочи 20 22 %
окатышами CCrOKa с содержанием мелочи до 5 % и прочностью 200 Kr/oK. Это объ
ясняется тем, что окатыши цrОКа лучше, чем окатыши CCrOKa сохраняют проч
ность при восстановительно тепловой обработке за счет более прочной связки, а об
разующаяся при заrрузке окатышей мелкодисперсная пыль леrко выносится из печи
и не оказывает существенноrо влияния на rазопроницаемость столба шихты. Ре..
шающее влияние на показатели плавки при замене аrломерата окатышами оказывают
свойства окатышей в процессе восстановительно"тепловой обработки в доменной пе..
чи.
Одной из важнейших характеристик шихты является фракционный состав кусков
железорудноrо сырья. При этом вопрос об оптимальных размерах кусков до сих пор
остается малоизученным, хотя очевидной является необходимость сближения мини
мальных и максимальных размеров фракций [316].
Наиболее существенно влияет на ход процессов вывод мелких фракций сырья,
способствующий повышению rазопроницаемости столба и создающий предпосылки
для оптимизации распределения материалов и rазов по сечению печи с целью эконо
мии тепла.
Первый из факторов проявляется непосредственно при выводе мелочи из шихты и
определяет величину прироста производительности, второй реализуется только под
влиянием управления распределением материалов по площади колошника в сочета..
нии с воздействиями "снизу" дутьевыми параметрами.
Анализ работы доменных печей объемом 2000 м 3 , на которых впервые в бывшем
ссср был по проекту предусмотрен отсев мелочи, показал [283], что каждый 1 % от..
сева мелочи способствовал повышению производительности печи на 1 %, а в расчете
на 1 % фракции 5 0 мм (ее содержалось в отсеве 80 %) прирост производительности
составил 1,25 %.
Аналоrичные результаты (I,O I,1 % на каждый 1 % мелочи) получены позднее на
печах объемом 2000 и 2700 м 3 комбината '''Криворожсталь'' при замене обычно при
менявшеrося аrломерата специально подrотовленным [317, 318]. При этом не были
реализованы все возможности повышения rазопроницаемости "верха" и улучшения
распределения материалов на колошнике.
208
3. ВЛllЯllllе 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКlI
CocпlaB u CBoucпlBa кокса u Jа"JtещаIОЩUХ е20 кусковых YLleu
Влияние минеральных примесей кокса на ero удельный расход поддается расчет
ной оценке по балансовым соотношениям. Результаты такой оценки, выполненной
А. Н. Раммом, даются для случаев ввода cbIporo флюса в доменную шихту и OTCYTCT
вия ero в доменной шихте.
В первом случае уменьшение зольности кокса на каждый 1 % способствует 1KO
номии кокса 1,8 %, а уменьшение сернистости на 0,1 % экономии 0,7 % кокса. Во
втором случае экономия от снижения зольности на 1 % составляет 1,4 % кокса, а от
снижения сернистости 0,3 % кокса. Если влияние зольности мало зависит от друrих
факторов, то влияние сернистости не столь однозначно и требует специальноrо pac
смотрения (см. ниже). Неоднозначным является также влияние физико механических
свойств кокса на ero расход. Это обусловлено взаимосвязью между собой сущест
вующих показателей физико химических и механических свойств кокса, а также OT
сутствием до сих пор достаточно представительных критериев их комплексной oцeH
ки. По результатам обобщения ДонНИИЧермета [319] увеличение прочности по по
казателю М 25 на 1 % способствует экономии кокса и повышению производительно
сти на 0,6 %, а уменьшение истираемости по показателю MIO на 1 % экономии KOK
сами повышению производительности на 2,8 %. Сокращение доли фракции кокса
+80 мм способствует экономии кокса и приросту производительности 0,2 %.
При частичном замещении кокса специально подrотовленным антрацитом экви
валент замещения кокса зависит от аналоrичных характеристик антрацита и кокса, а
также от характера применения специально разработанной технолоrии заrрузки aH
трацита. Обобщение вопроса приводится в разделе 6.4 настоящей моноrрафии.
СодерJlсанuе серы в luuxпle u ЧУ2уне
Необходимая величина содержания серы в чуrуне [S] (Kr/Kr) при заданном прихо..
де ее с шихтой Sш (Kr/T чуr.) достиrается воздействием на коэффициент распределе..
ния серы между чуrуном и шлаком Ls путем изменения основности В, температуры
шлака и содержания в нем разжижающих компонентов. При количестве шлака Ш
(Kr/T чуr.): Ls == (Sш [S] . 103) / (Ш . [S]), а при изменении прихода серы с шихтой на
дsш: ДL s == ДSш / (Ш . [S]).
По результатам исследований В. r. Воскобойникова [320] и r.A. Воловика [321]
можно принять в первом приближении, что увеличение основности (ДВ) на каждую
0,1 ед. приводит к возрастанию коэффициента распределения серы (ДL s ) на 10 ед.:
дВ == 0,01 . д Ls == (0,01 . ДS) / (Ш . [S]).
Таким образом, изменение прихода серы с шихтой вызывают необходимость из..
менения основности шлака и в соответствии с этим ero количества:
дШ == дВ . (Si0 2 ) . Ш, rде (Si0 2 ) кремнезем в шлаке, Kr/Kr.
Подставляя установленное ранее (см. выше в настояшем разделе) значение эко"
номии кокса от снижения выхода шлака (0,35 % или 1,7 Kr/T чуrуна на каждые 10 Kr
шлака на 1 т чуrуна) в выражение для дШ получим экономию кокса:
дk s == (1,7 . (Si0 2 )) / (103 . [S]), Kr/Kr серы.
К этой величине необходимо добавить потребность кокса на покрытие затрат теп
ла для перевода серы в шлак (5728 кДж/кr), которая составляет:
5728 / (13000 . 0,85) == 0,5 Kr/T чуr.
Тоrда:
дk s == 0,5 + (1,7 . (Si0 2 )) / ( 1 03 . [S]), Kr/Kr серы.
209
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
В случае повышения основности шлака добавкой cbIporo флюса дополнительный
ero расход составит:
дф == 0,01 . (Si0 2 ) / ([S] . СаО из ), Kr/T, (3.3)
rде: СаО мз содержание свободноrо СаО в известняке, Kr/Kr (0,50 0,52).
С учетом дополнительноrо расхода кокса 0,25 0,30 Kr/Kr cbIporo известняка (см.
выше в настоящей rлаве) изменение расхода кокса от изменения прихода серы COCTa
вит:
дk s == 0,5 + (6,7 . (Si0 2 ) )/ (103 . [S]), Kr/Kr серы. (3.4)
Из приведенноrо выражения следует, что величина экономии кокса от уменьше..
ния прихода серы с шихтой сильно зависит от требуемоrо содержания серы в чуrуне,
а также способа офлюсования шихты и при (Si0 2 ) 0,39 составляет (Kr/Kr серы):
При содержании [S], % 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01
без добавки cbIporo флюса дk s , Kr/Kr 1,83 2,16 2,71 3,82 7,13
с добавкой cbIporo флюса дk s , Kr/Kr 5,74 7,04 9,21 13,58 26,63
Аналоrичная величина в % кокса на 0,1 % серы в коксе составляет: 0,1. ks . K'
[де K .. доля серы из кокса в шихте.
На основе Toro же выражения определим потребность кокса для снижения coдep
жания серы в чуrуне на каждую 0,01 %:
дk[s] == 1,7 . 10 3. (Si0 2 ). Sш / (1/[S] 1/([S] 0,0001»), Kr/T.
После преобразования: дk[s] == (1,7 . 1 0 3. (Si0 2 ). SШ) / (104 . [S]2 [S]), Kr/T. (3.5)
Как следует из выражения, дk[s] зависит не только от уровня содержания серы в
чуrуне, но также от прихода ее с шихтой и для случая полноrо офлюсования шихты
(без cbIporo флюса) составляет (Kr/T):
Изменение [S], %: 0,05..0,04 0,04..0.03 0,03..0,02 0,02..0,01
дk[s], при Sш == 1 О Kr/T 3,32 5,53 11,05 33, 15
дk[s], при Sш == 4 Kr/T 1,33 2,21 4,42 13,26
В случае добавки cbIporo флюса в шихту формула дk[s] вместо коэффициента 1,7
содержит коэффициент 6,7, так что соответствующие численные значения больше в
(6,7/1,7).. 3,94 раза.
Встречающиеся в литературе различия величин экономии кокса от изменения со..
держания серы в несколько (иноrда в десятки) раз объяснимы результатами приве..
денных расчетов, которые показали необходимость дифференцированноrо учета
данноrо фактора при анализе доменной плавки.
СодерJlсанuе в чуzуне «ре.JfIlUЯ, "wарzанца, l/JOCQJOpll
Потребность кокса на восстановление кремния в чуrун определяется расходом
твердоrо уrлерода (стехиометрически 24/28 == 0,86 Kr/Kr Si) и теплопотребностью
(26000 кДж/кr Si), что при теплоотдаче уrлерода кокса 13000 кДж/кr и содержании
ero в коксе 0,85 Kr/Kr дает потребность кокса (26000/13000 + 0,86) /0,85 ==3,36 Kr/Kr Si.
Если добавить потребность кокса на переrрев чуrуна, который обычно сопровож"
дает восстановление кремния (порядка 1 О ос на 0,1 % Si), то расчетная величина уве..
личится до 4,5 Kr/T, но не достиrнет полученных на практике 5..7 Kr/T. Это, возможно,
обусловлено тем, что более "rорячий" ход процесса связан с меньшей степенью ис..
пользования энерrии rазов и соответствующим расходом кокса. Для практическоrо
210
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
использования можно принять результаты обработки данных по ряду предприятий
[322]: 5 7 Kr/T или 1,2 % на каждые 0,1 % Si.
При степени усвоения MapraHua в чуryн n для повышения ero содержания в чуrу
не на 0,1 % (1 Kr/T чуrуна) приход с шихтой необходимо увеличить на 1/ n, а коли
чество марrанецсодержащеrо компонента с долей MapraHua МПМп (Kr/Kr) на 1/( n .
М ПМп) Kr/T чуr.
Для офлюсования этоrо компонента, содержащеrо Si0 2Mn И СаОмп (Kr/Kr) при oc
новности шлака В ш , требуется СаО на офлюсование:
(В Ш . Si0 2Mn .. СаОмп) / ( n . МПМп), Kr/T чуr.
За счет этоrо количество шлака увеличится на:
ДШ Мп == (1 + Б ш . Si0 2n СаОмп) / ( n . МПМп) .. ш Fс .. 71/55, Kr/T чуr.,
rде: ill Fc общий выход шлака, Kr/Kr Fe.
В случае добавки cbIporo известняка количество ero составит:
ДФМп == (В ш . Si0 2Mn СаОмп) / ( n . МПМп . СаО из ), Kr/T чуr.,
rде: СаО из содержание СаО в известняке, Kr/Kr.
При потребности кокса 0,17 Kr/Kr шлака и 0,25 Kr/Kr известняка с учетом тепла
восстановления MapraHua (5250 кДж/кr), железа (2720 кДж/кr) и твердоrо уrлерода на
восстановление при степени прямоrо восстановления железа rll (Kr/Kr) и теплоотдаче
уrлерода кокса qc (кДж/кr) дополнительный расход кокса составляет (Kr/Kr Мп, или
0,1 % в чуrуне):
дk мп == 0,17 . ДШ Мп + 0,25 . ДФМп + [12/55 .. rll. 12/56 + (5250 .. 2720/rll) / qcJ / С ь (3.6)
[де: C k содержание уrлерода в коксе, Kr/Kr.
Расчет для qc == 13000, J d == 0,35, C k == 0,85, Ш Fе == 500, В ш == 1,2, СаО из == 0,50, n ==
0,75 при разном составе марrанецсодержащеrо материала (%) дает следующие ре..
зультаты:
МПМп Si0 2Mn СаОМIl ДШ Мп ДФМп дk мп (ДФМп == о) дk МIl (ДФМп > о)
30 20 2 3.63 1,96 1,17 1,66
20 30 2 7,13 4,52 1,76 2,89
15. 45 20 1 0,1 6,04 2,27 3,78
* .
(шлак SlMn)
Приведенное иллюстрирует сильную зависимость потребности кокса на повыше..
ние содержания MapraHua в чуrуне от боrатства марrанцем марrанецсодержащеrо
компонента, которая может быть выражена приближенной формулой:
дk мп == 36/Мпмп (Kr/Kr Мп),
rде МПМп в %, причем для случая добавки cbIporo флюса значение дk мп увеличивает
ся в 1,6 раза.
Пределы установленных на практике величин соответствуют приведенным рас..
чётным, а их различие объясняется изложенными соображениями и описывается по..
лученным выражением.
Фосфор переходит в чуrун практически полностью при затрате тепла на ero BOC
становление и диссоциацию фосфатов 23300 кДж/кr и твердоrо уrлерода 5 . 12/62 ==
0,97 Kr/Kr. При теплоотдаче уrлерода 13000 кДж/кr и содержании уrлерода в коксе
0,85 Kr/Kr дополнительный расход кокса составляет:
(0,97 + 23300/13000) /0,85 == 3,25 Kr/Kr Р, или на 0,1 % Р в чуrуне.
211
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
3.2. Дутьевые добавки
Основными технолоrическими предпосылками замены кокса более дешевыми и
менее дефицитными энерrоносителями, вводимыми с дутьем, являются содержание в
них восстановительных компонентов (уrлерода и водорода) и положительный тепло
вой эффект превращений в фурменной зоне доменной печи. Роль каждоrо из этих
факторов зависит от количественноrо соотношения и формы связи уrлерода и BOДO
рода в дутьевой добавке (уrлеводороды, свободный уrлерод и др.). Наиболее распро
страненные дутьевые добавки имеют следующие характеристики (в расчете на 1 м 3
rаза, или на 1 Kr твердой и жидкой добавки; СО и Н 2 поступление соответствующих
восстановителей, м 3 ; W s тепловой эффект превращений у фурм, МДж):
Дутьевые добавки СО Н 2 W s
Природный rаз пr 1 ,o 1,1 1 ,9 2, 1 1 ,50 1,93
Коксовый rаз Kr 0,4 0,5 1,15 1,20 0,25 0,34
Мазут М 1,5 1,6 1 ,2 1,3 5,90 6, 1 О
Измельченный антрацит ИА 1,3 1,5 О, 1 0,2 6, 70 7,50
Измельченный rазовый уrоль иrу 1,2 1,4 0,5 0,6 4,60 5,50
При вводе в ropH печи добавок, содержащих уrлерод и водород в результате уве..
личения количества и концентрации восстановителей (в особенности водорода) в
[орновых rазах, а также уменьшения доли кокса в столбе шихты снижается степень
прямоrо восстановления и теплопотребность процесса. Сжиrание добавок у фурм co
провождается выделением тепла, а образующиеся при этом rазы уносят часть ero в
колошники. Таким образом, коэффициент замены кокса складывается из двух со..
ставляющих: экономии кокса от снижения степени прямоrо восстановления; сниже..
ния (повышения) расхода кокса от изменения количества вносимоrо в печь и уноси..
Moro из нее тепла.
Влияние подачи дутьевых добавок на производительность печи зависит от изме
нения количества и состава печных rазов, а также от доли кокса в столбе шихты.
Для изучения особенностей влияния дутьевых добавок на показатели доменной
плавки в различных условиях и при разных расходах добавок выполнили серию pac
четов по методике, изложенной и обоснованной в разделе 2.5. Проrраммой расчетов
предусмотрена возможность поддержания заданноrо значения теоретической темпе..
ратуры rорения (7) при варьировании одноrо или нескольких параметров комбини"
pOBaHHoro дутья содержания кислорода т(%), температуры дутья lд (ОС) и расхода
добавки Д (% дутья, или r/M 3 дутья).
Расчеты для различных дутьевых добавок проведены при условиях, различаю..
щихся исходным расходом уrлерода кокса у фурм (без применения добавок) C и
соответственно кокса Ко (Kr/T чуrуна), а также величиной параметров комбинирован..
Horo дутья.
Результаты представлены на рис. 60 .. 64, rде обозначено (в дополнение к ранее
расшифрованным обозначениям): qc' qд теплоотдача уrлерода кокса (МДж/кr) и дуть..
евой добавки (МДж на 1 м 3 или на 1 Kr); КЗ дифференциальный коэффициент заме..
ны кокса дутьевой добавкой, то есть экономия кокса на единицу добавки, соответст..
вующая данному ее исходному расходу при очень малом ero изменении; !1r увели
чение степени непрямоrо восстановления на единицу дутьевой добавки, COOTBeTCT
вующее величине кз; !1П прирост производительности печи на единицу дутьевой
добавки, соответствующий величине кз; V д , V B S количество дутья, колошниковоrо
212
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
rаза и дутьевой добавки на 1 т чуryна, м 3 , или Kr; T время пребывания материалов в
печи, доли единицы; bl r , Ы д изменение интенсивности плавки по колошниковому
rазу и дутью в различных диапазонах расхода добавок.
Величина s для ряда вариантов указана цифрами на кривых КЗ. Для большинства
вариантов предусмотрено поддержание теоретической температуры rорения в ходе
расчета на уровне не ниже 1800 ОС. В соответствии с этим при снижении ее до этоrо
уровня в случае дальнейшеrо увеличения расхода добавки вводили кислород в дутье в
количестве, обеспечивающем получение Т== 1800 ОС. На рис. 60..64 это обстоятельство
видно по переломам на большинстве кривых, а на кривых КЗ, Д1'" И ДП по вертикаль
ным участкам, то есть резкому изменению этих величин при добавке кислорода.
Прuродный 2(11 (иr)
Расчеты провели для вариантов увеличения расхода пr при прочих неизменных
условиях, но различном расходе уrлерода у фурм и кокса, а также разных, но посто
янных для каждоrо варианта значениях температуры дутья и содержания в нем ки
слорода.
Исходные параметры для ряда сравниваемых вариантов I IV были следующими
(IV со степенью металлизации шихты 50 %):
N2 варианта о ко, Kr/T
С ф ,Kr/T t. J ) ОС (0,%
I 350 600 1200 20,8
II 350 600 1200 30,0
III 300 542 1400 35,0
IV 250 524 1200 20,8
Некоторые результаты расчета представлены на рис. 60. Значения КЗ дr, ДП дЛЯ
всех вариантов снижаются с повышением расхода пr; их повышение наблюдается
только в точках начала обоrащения дутья кислородом (при Т == 1800 ОС), после чеrо
кривые КЗ и дr снова плавно снижаются, а значение д.п остается практически неиз..
менным.
Снижение теоретической температуры rорения при повышении расхода пr (45
55 ос на 1 % пr) сопровождается перемещением температурной rраницы двух зон
теплообмена в область более высоких значений и повышением температуры колош
никовоrо rаза на 0,4 0,5 ос на каждый дополнительный 1 м 3 /т. При обоrащении дутья
кислородом в области Т== 1800 ос температуры t r и t K изменяются незначительно. Те..
плоотдача уrлерода кокса и природноrо rаза снижается с повышением расхода пr,
причем в области Т == 1800 ос более сильно в связи с уменьшением количества вно"
симоrо тепла при обоrащении дутья кислородом.
Время пребывания материалов в печи с повышением расхода пr без обоrащения
дутья кислородом увеличивается на 5 20 %, причем в большей мере при больших
значениях исходноrо расхода кокса. Интенсивность плавки по rазу и дутью растет
при этом на 0,7 0,9 и 0,3 0,5 % / % соответственно.
В области Т == 1800 ос время пребывания материалов снижается в связи с YCKope
нием схода шихты при обоrащении дутья кислородом. Интенсивность по rазу иду..
тью В этой области снижается на O 0,05 и 1,1..1,4 % соответственно.
213
\
.
I
.
I
.
,
I
.
I
.
I
I
I
I
" ,
.1 '
f i :
. . I
'Q с:=а c\i C;:)
" !\," ,"," " ..
'" " " . '" '" с\а ""
2)// жllJJ 1 Зо fUfJКl/JJ'fJ '''".1./[Jl I 1'lt .}, :/./[11 'Jj,
"'''
"
..
пVOR 'J,
/ ,
. ,
/ , , , ,
. , I , '\
/
, . , ,
, . I I ! , \
/ L ...... I
I "' ' \
.
I I . , ,
,
I !:
. ...... ,
I / J:::s \
, I , , \
I / .
. \
. I \
I I
\
. I \
l'
.,
r""/2J1 '[)/
......'\.
t::)
.....
I'W/0/o 4 J V fJV/% 'ОР
301 \с:)
I I .. :10 1..11-
:10 · Jlj.
"
214
м
t...
..;:t.. О
t...
О
::r:
t::i
::s;::
о..
t::
t::i
О
:><
u
о..
::s;::
а
:s
со
О
.....0 t::
O'
..
t::s о..
t::
." ::: <l)
Е--<
t::: <l)
t::: Е--<
)::S;:: со
g
::r: ::r:
<l) <l)
.
О ::r:
't- t::i м
0..0
Е--<'--""
<l)
.
о..
t:::
:><
......
...Q
::r:
::r:
u
О
<l)
::s;::
::r:
<l)
::r:
<l)
м
::s::
.
о
\о
.
u
::s;::
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Из сопоставления различных вариантов увеличения расхода пr следует, что бо
лее высокие значения кз, дl'" и ДП при одинаковой доле природноrо rаза в дутье (%)
соответствуют меньшим значениям расхода кокса. Однако для одинаковых удельных
расходов природноrо rаза (м 3 /т чуrуна) в области реальных ero расходов различие
значительно меньше.
При одинаковых расходах пr (м 3 /т) более высокие значения КЗ и дп COOTBeTCT
вуют вариантам с высокой концентрацией кислорода в дутье. Это обусловлено
меньшей скоростью возрастания температуры колошниковоrо rаза при повышении
расхода пr в условиях высокой начальной температуры и малоrо удельноrо количе
ства rазов в печи. Такие условия соответствуют работе печи по схеме одной нижней
ступени теплообмена или близкому к ней режиму. При работе в таком режиме повы
шение расхода пr до HeKoToporo значения практически не влияет на температуру KO
лошниковоrо rаза и лишь превышение этоrо значения, приводящее к появлению
верхней ступени теплообмена, способствует медленному возрастанию температуры с
увеличением расхода пr (рис. 60, кривые 0)== 30 +35 %). В соответствии с таким xa
рактером изменения температурноrо поля печи и температуры колошниковоrо rаза в
меньшей степени, чем при атмосферном дутье и низких концентрациях кислорода в
дутье, изменяется теплоотдача уrлерода кокса в печи, что и предопределяет большие
значения кз.
Характерно, что с повышением расхода пr различие в величине КЗ уменьшается,
что связано с переходом при некотором расходе nr (разном при разных температу
рах дутья и концентрациях кислорода в нем) к обычному двухступенчатому тепло
обмену в печи, коrда температура колошниковоrо rаза увеличивается с повышением
расхода пr быстрее, чем в условиях, близких к одноступенчатому теплообмену.
Для характеристики состояния теплообмена в печи удобно воспользоваться KOM
плексным параметром дутьевоrо режима теоретической температурой rорения Т.
Более высоким значениям соответствует меньшее количество rазов на единицу ших..
ты, меньшая температура в верхней части печи и более низкая rраничная температу..
ра двух зон теплообмена.
Повышение расхода природноrо rаза в таких условиях дает наибольший эффект.
Анализ расчетных данных показал, что существенное влияние рассматриваемоrо
фактора на коэффициент замены кокса наблюдается в диапазоне значений Т от 2000
до 2500 ос. При Т < 2000 ос скорость снижения температуры колошниковоrо rаза с
повышением расхода пr мало зависит от значения Т и соответствует наблюдаемой
при обычном двухступенчатом теплообмене. При Т >2500 ос наблюдается односту"
пенчатая схема теплообмена в печи, и величина температуры колошниковоrо rаза с
повышением расхода пr не изменяется. Область режимов с Т >2500 ос практическо"
ro значения для технолоrии доменной плавки не имеет. Обобщая расчетные данные
для различных условий протекания процесса, можно вывести уравнение для коэффи
циента замены кокса (Kr/M), дающее поrрешность 2 3 %:
кз == (3,2 . Т/2000 + 2,3) . дr. (3.7)
При Т> 2500 ос и Т < 2000 ос в формулу подставляется значение Тсоответствен"
но 2500 и 2000 ос. Величина дl;< (%/м 3 ) зависит, rлавным образом, от расхода пr и
может быть определена из выражения:
/11'" == 0,20 2,5 . 1 0 4. SШ , (3.8)
rде: sпr исходный расход пr, м 3 /т чуrуна.
Из расчетных уравнений (см. разд. 2.5) следует, что величины Дr и КЗ MorYT зави..
сеть от исходноrо расхода кокса: чем он ниже, тем эти величины больше. Однако это
отмечается лишь при одинаковом начальном значении степени непрямоrо BOCCTaHOB
215
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
ления. Фактически же меньшему расходу кокса соответствует при прочих равных yc
ловиях меньшая степень непрямоrо восстановления из за меньшеrо количества BOC
становителей, приходящихся на единицу окислов. При учете этоrо фактора зависи
мость ДТ и кз от расхода кокса оказывается не столь существенной.
Таким образом, коэффициент замены кокса природным rазом зависит, в OCHOB
ном, от величины исходноrо расхода nr и состояния температурноrо поля печи, xa
рактеризуемоrо комплексным параметром дутьевоrо режима Т. Максимальная вели
чина кз соответствует расходу пr, близкому нулю, и одноступенчатой схеме тепло
обмена в печи; расчет по уравнениям (3.7) и (3.8) дает:
пr, M J /т чуrуна О 100 200
Т ОС 2500 2100 2000
,
кз, Kr/M 3 1,26 0,99 0,82
Применение природноrо rаза при работе с частично металлизованной шихтой Me
нее эффективно. В соответствии с меньшим количеством восстанавливаемоrо железа
на 1 т чуrуна количество сэкономленноrо тепла от повышения степени непрямоrо
восстановления меньше, чем при окисленной шихте, а коэффициент замены кокса
при этом ниже.
Добавка кислорода в дутье при достижении Т == 1800 ос увеличивает прирост Дr
от 0,15..0,20 до 0,22..0,24 %/м 3 , что связано с повышением концентрации восстанови
телей в rазе. Коэффициент замены кз существенно увеличивается при этом только в
случаях работы на атмосферном или слабообоrащенном кислородом дутье с низкой
температурой. Дело в том, что обоrащение дутья кислородом при таких режимах
(низкие значения температуры Т высокие t r ) несколько увеличивает или во всяком
случае не снижает теплоотдачу уrлерода кокса в печи. Наоборот, при высоких значе..
ниях Т и низких значениях t p обоrащение дутья кислородом способствует снижению
теплоотдачи уrлерода и повышению расхода кокса [38], что уменьшает экономию от
cOBMecTHoro увеличения расхода пr и кислорода. Прирост производительности печи
при повышении расхода пr без увеличения концентрации кислорода в дутье наблюдает
ся во всех вариантах, в которых кз > 1,0, и составляет до 0,2 %/м 3 , уменьшаясь с повы
шением расхода природноrо rаза и коэффициента кз. Для кз < 1,0 величина ДП OT
рицательна. При совместном увеличении расхода пr и кислорода она составляет для
разных условий 0,25..0,30 %/м 3 и не зависит от расхода природноrо rаза.
На рис. 61 приведены результаты расчета cOBMecTHoro увеличения расхода при..
родноrо rаза и кислорода, а также пr и температуры дутья при условии Т == 2000 ос
для C == 350 Kr/T и начальноrо значения t д == 1000 ос. Условие Т== 2000 ос соблюда
ется блаrодаря повышению концентрации кислорода на 1,06 % или температуры ду"
тья на 64 ос на каждый 1 % пr. Величина Д/А при совместном увеличении пr и OJ
(сплошные линии) получается в 2,5..3 раза большей, чем при повышении пr и f д
(пунктирные линии) при расходе пr от 70 до 150 м 3 /т чуrуна. Это связано с тем, что
повышение OJ способствует усилению непрямоrо восстановления, а повышение f д
уменьшению ero развития.
Температура колошниковоrо rаза в первом случае остается постоянной, а во BTO
ром несколько снижается. Теплоотдача кокса и пr в печи в случае повышения OJ
несколько снижается, а в случае повышения t д резко растет. Этим обусловлено и раз
личие в коэффициенте замены кз: в первом случае он на ] Kr/M 3 меньше, чем во BTO
ром, во всем диапазоне расхода nr.
216
'), -i/t S.J (
......
....Irt
Q......
........
t .... L I I I
I 1 1 1
...-;;
;" 111
....::
"А '1./S W t 'А
(J.lllJk Jp
f'oo.,j
.. 'ЧI -..:;;: "'"
... .. ...
t'-"J
tO Ч")
...At t 1 .i.......l I I
......
1iI, -. ... ...
......1I::q I I I . J
q..
f:S <::.
.... 1::::а....
I
I
I
I
I
,
I
I
I
J
<q/
I
.
I
I
J
I
Q
..
...... -.
... ...
fИ /2J} 1[11
\
l' \
" \
\ \
\ \
\ \
'\
\
,\
\\
"" (t)
.
,
I
I
...':'/
1\
..
J
,
t
I
'.cs
.
Jo 4 J;. :J1l' 11;.
п 1I0р '..L-
....
\
\
\
\
\
\
r--.. ..
.h 1/(и J A
fJ.lI);( IIУ ' lllJ"
....
2)1/ *U'I./ I Jb
..с
Е--
>.
t:::1:
2
<l)
::;::
:r:
<l)
3
L...
О <l)
\о Е--
О
U <l)
Е--
t:: CQ
::;::
t:::1: :r:
о <l)
х
U
:r:
о.. м
.::;:: о
::;:: tg
:r:",--",
f'S <l)
:3 ..с
:ё Е--
......
t:: .....
:s::
I\j о.. >.
t::
::;:: о..
:t :::.::: <l)
. CQ t::
2
t:; <l)
t:: Е--
)::;:: 2
1'\:.. I О <l)
:r: ::;::
:r: :r:
3
о :ё
t:::1: CQ
Qo
("'" )::;:: о
<l) t::
::;::
2
м о
t:::1:
:::.::: о
о о..
t:: О
<l) t:;
::;:: U
:r: :S::
<l) :::.:::
:r:
<l)
2
:Е
r'ч
..... ...
..;t.
.
,......t
\о
.
U
::;::
c:l..
217
.
" 1 i
I .
I "
, f
, ,
,!t
'i'
'. I
'; .
,. I
t .
, II
,: .
\с:. t:::)
!").. ..
"'" ,..,,;:
2)1/ Ж!/JJ/ Ь
t ,
I I
. I
! I
I I
i '
t I
! : I
11 /"",
. .
. I
11 :
· J I
!l :
.::,.
.. с::::.... ...
fw/2J1 · (Jl
218
, :
. I
1'ii:J! 1:
1 I I
. I .
"i
jI:
.1 I
11 .
1;
" j
/l :
.. ...
I . I ''1
Еu/ЖlfJJl ([ь h ".L/[W. h ".L/[W' "}f
;:::
... ,
..
..
nVO{J
.
I
t
I
t:::a'
'
, I
!
....
J .,1.>lJ
20 1.11-
' J / )/ "'п [14,/ 1",,, С и "
(".. с}о 011' /С t'
с-......
.::)-
t'-i
..Q
1ic
.
...
..:»- ..
,.--...
<l)
Е--
U
:::.:::
<l)
Е--
о::
::s::
::с
<l)
::r
::с
м
о
\..о
О
'--'"
м
t...
О
t...
О
CQ
О
u
О
о
х
u
о..
::s::
::s::
::I:
<l)
:3
:ё
CQ
о
t::
::s::
о..
t::
=:;:
CQ
t::;
t::
)::S::
о
::с
::с
<l)
о
)::S::
<l)
t::;
<l)
Е--
м
о
t::
<l)
=:;:
::с
<l)
::с
<l)
2
м
:s:
.
N
\о
.
u
::s::
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Интенсивность плавки по rазу и дутью в обоих случаях снижается, а производитель
ность увеличивается, причем различие в величине ДП получается незначительным (0,25
и 0,23 % /м 3 ). Время пребывания шихты в печи в случае обоrащения дутья кислородом
резко снижается, а в случае повышения HarpeBa дутья изменяется незначительно.
Таким образом, вариант повышения HarpeBa дутья при увеличении расхода пr
более предпочтителен, чем обоrащение дутья кислородом, поскольку он позволяет
получить почти такой же удельный прирост производительности при вдвое большей
экономии кокса. Однако абсолютные размеры прироста производительности от обо
rащения дутья кислородом до уже опробованной концентрации 40 % втрое больше,
чем от повышения температуры дутья даже до 1400 1500 ОС, что еще не достиrнуто
технически. Соответственно и абсолютная экономия кокса в первом случае будет
больше почти в полтора раза.
Коксовый 20З (КТ)
На рис. 62 приведены результаты расчета некоторых вариантов увеличения pac
хода KOKcoBoro rаза (Kr). Исходные параметры по вариантам I IV были приняты сле..
дующими (IV с добавкой пr в количестве 5 % дутья):
о
N2 варианта С ф ,Kr/T ко, Kr/T t д , ос 0), %
1 400 645 800 20,8
11 350 600 1200 20,8
111 350 600 1200 30,0
IV 300 495 1200 20,8
Характер влияния расхода Kr на показатели плавки в принципе не отличается от
обсуждавшеrося влияния расхода пr. Имеющиеся количественные различия сводятся
к следующему:
прирост ДI;< (%/м 3 ) примерно вдвое меньше, чем при вдувании пr, и уменьшает..
ся с повышением расхода Kr медленнее:
дr == О, 11 1 О А . S Kr ( 3.9)
теоретическая температура rорения снижается с повышением расхода кr (% дутья)
со скоростью 26 30 rрад/%; для сохранения ее на постоянном уровне (около 2000 ОС)
требуется добавка кислорода 0,57 %/% или повышение температуры дутья 35 rрад/%;
температура колошниковоrо rаза с повышением расхода К! в области ДBYXCTY
пенчатоrо теплообмена увеличивается со скоростью 0,25..0,30 rрад/м 3 ;
теплоотдача Kr в печи на порядок ниже теплоотдачи пr, что связано с малым
содержанием уrлерода в коксовом rазе (при мноrих условиях плавки она даже отри..
цательна );
коэффициент замены кокса (Kr/M 3 ) коксовым fазом в среднем в 2,2 раза меньше,
чем природным, и может быть рассчитан по уравнению:
КЗ == (2,3 . Т/2000 + 2,3) . Дr (3.1 О)
время пребывания материалов в печи изменяется менее значительно, чем в слу..
чае вдувания nr;
прирост производительности достиrается практически во всех вариантах плавки и
составляет до 0,05 %/м 3 без добавки кислорода и 0,15 %/м 3 при добавке кислорода
0,53 %/% ( Т == 1800 ОС).
Интенсивность по rазу и дутью увеличивается соответственно на 0,45 и 0,2 %/%.
Увеличение расхода Kr от О до 10 % при пr == 5 % соответствует по эффективно
сти увеличению расхода Kr от 1 О до 20 %; при отсутствии пr снижение коэффици
ента замены в этом варианте в период добавления кислорода объясняется снижением
219
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
удельноrо расхода пr (м 3 /т чуr.) в результате уменьшения расхода дутья (м 3 /т чуr.)
при обоrащении ero кислородом и сохранении постоянной доли пr в дутье (5 %).
Из.Jlе'lьченный YZO./lb
Расчет основных показателей плавки при вдувании измельченных уrлей провели
для антрацита (ИА), содержащеrо 75 % общеrо уrлерода, 3 % летучих, 18 % золы и
1,8 % серн, и rазовоrо уrля (иrУ), содержащеrо: 65 % уrлерода, 35 % летучих, 18 %
золы и 3 % серы. Исходные параметры плавки и показатели теплоотдачи уrлерода
кокса и добавок (qc, qo) по вариантам 1 V были приняты следующими:
о
С Ф , / пr 0 )/ q c, q o,
ко, Kr т t ос 0), % , /0
Kr/T д. МДж/кr МДж/кr
1 400 646 800 20,8 О 11,0 7,4
11 350 600 1200 20,8 О 14,1 9,5
111 350 600 1200 30,0 О 13,0 8,8
IV 300 495 1200 20,8 5 13,8 9,3
V 250 495 1200 20,8 О 14,5 9,8
По характеру влияния в дутье на показатели плавки измельченные уrли принци..
пиально отличаются от rазообразных добавок. При вдувании rазообразных добавок
(пr и Kr) экономия кокса на 85..100 % обусловлена снижением теплопотребности
процесса блаrодаря увеличению степени непрямоrо восстановления, а при вдувании
уrлей основной составляющей эффекта является теплоотдача в печи, которая тем
больше, чем выше содержание нелетучеrо и несвязанноrо уrлерода во вдуваемом yr
ле. ДЛЯ ИА этот показатель определяют коэффициент замены на 75 80 %, а для иrУ
на 50 60 %. Коэффициент замены кокса измельченным антрацитом (рис. 63) для
разных условий плавки различается незначительно (на 2 3 % среднеrо значения) и в
среднем составляет 1,0 Kr/Kr. С повышением расхода ИА коэффициент замены воз
растает на 0,05 Kr/Kr, что соответствует приросту ДТ. Возрастание Д/"" с повышением
расхода измельченноrо антрацита обусловлено физической природой этоrо пока
зателя. Поскольку уменьшение доли кокса в столбе шихты является почти единст
венным фактором, определяюшим величину д/"" при вдувании ИА, а величина эконо"
мии кокса мало зависит от расхода ИА, при высоком ero расходе и соответственно
низком расходе кокса сокращение количества кокса на одну и ту же абсолютную ве..
личину приведет к большему изменению доли ero в столбе шихты, чем в случае низ..
Koro расхода ИА при соответственно высоком расходе кокса.
С повышением расхода ИА на каждые 10 r/M 3 дутья теоретическая температура
rорения снижается на 14..10 ос. Температура rраницы между зонами теплообмена
при этом повышается, температура колошниковоrо rаза в области двухступенчатоrо
теплообмена тоже повышается на 0,1 rрад!кr, а в области, близкой к одноступенча..
тому теплообмену, она изменяется незначительно. Теплоотдача кокса и ИА с повы
шением расхода ИА изменяется мало. Удельный расход дутья и выход колошниково
ro [аза несколько снижаются, а интенсивность плавки по rазу и дутью увеличивается
(Дlr==О, 18..0,08; ДI ==О, 12..0,08 %/r/M 3 ). Во всех вариантах может быть получен прирост
производительности 2,5 4,5 % при вдувании измельченноrо антрацита в количестве
100 Kr/T чуrуна. Время пребывания материалов в печи увеличивается при этом на 5
10 %.
Коэффициент замены кокса измельченным rазовым уrлем составляет в различных
вариантах и для разных ero расходов 0,80..0,86 Kr/Kr, то есть изменяется тоже незна..
чительно. Закономерности изменения основных параметров качественно получаются
N2 вар.
220
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
такими же, как при вдувании антрацита, но доля КЗ, обусловленная теплоотдачей
иrу, значительно меньше.
Мазут (М)
По характеру влияния на показатели плавки мазут (рис. 64, исходные параметры
по вариантам I V) занимает промежуточное положение между rазообразными добав
ками (пr, Kr) и уrлями (ИА, иrу), поскольку он дает в результате превращений у
фурм большое количество восстановителей, в том числе водорода, и выделяет значи
тельное количество тепла.
Коэффициент замены кокса мазутом с повышением расхода М снижается менее
значительно, чем при повышении расхода пr и Kr, причем, rлавным образом, не в
результате снижения прироста I1r, который остается практически постоянным
(0,14 %/Kr), а по причине уменьшения теоретической температуры rорения при пере..
ходе от одноступенчатоrо теплообмена (или близкоrо к нему режима), к двухступен
чатому. Величина КЗ (Kr/Kr) может быть определена по формуле:
КЗ == 1 + 0,4 . Т/2000. (3.11)
Теоретическая температура rорения с повышением расхода мазута на каждые
1 О r/M 3 дутья снижается на 37 43 ос, а температура колошниковоrо rаза увеличивает
ся при этом в области двухступенчатоrо теплообмена на 0,3 0,4 rрад/кr. Теплоотдача
кокса и мазута в печи с повышением расхода мазута изменяется незначительно, мало
изменяются и удельные расходы дутья и колошниковоrо rаза (м 3 /т чуrуна). С повы
шением расхода мазута без добавления кислорода возрастает интенсивность плавки
по дутью и rазу (0,02 0, 1 О %/r/M 3 ).
Производительность печи при этом возрастает на 0,02..0,10 %/Kr, а время пребы
вания материалов в печи увеличивается на 10 20 %. Ввод кислорода при достижении
т == 1800 ос приводит к возрастанию значений КЗ и I1П и существенному уменьше..
нию времени пребывания материалов в печи блаrодаря повышению производитель
ности на 0,20..0,25 % на каждые 1 О r мазута в 1 м 3 дутья. Применение мазута COBMe
стно с природным rазом при постоянной ero доле (5 % в дутье) дает меньшее (на 7..
8 %) значение коэффициента замены, чем без пr. Добавка кислорода в этом варианте
уменьшает значение КЗ до 1,0 Kr/Kr, если доля природноrо rаза остается прежней, а
расход ero на 1 т чуrуна снижается в соответствии с уменьшением удельноrо расхода
дутья. Рассмотренные закономерности получены расчетом для низкосернистоrо мазута
(0,7 % серы). Каждый дополнительный процент серы в мазуте снижает коэффициент
замены кокса мазутом на 3 %.
СраВlIuпlельная оце1lка пr, Kr, М, НА, Hry
Основными технолоrическими факторами, определяющими эффективность ис
пользования различных дутьевых добавок, являются коэффициент замены кокса (КЗ)
и изменение производительности печи (I1П), величины которых зависят от изменения
степени непрямоrо восстановления и теплоотдачи добавки в печи, а также от сниже
ния теоретической температуры rорения под действием добавки (117). Величина I1Т
определяет возможность дополнительноrо повышения температуры дутья (l1tJ и
концентрации кислорода в нем (11т), которые позволяют получить дополнительную
экономию кокса (l1k) и прирост производительности ( Пt , ПW). Значения перечис..
д
ленных характеристик приведены в табл. 3.3.
221
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
'\1 и5
'Q"
..
--......
-- _.- -.-, .-
--* - .. IY
---- ..
-- .-
--
- ...
-. о,DзD
alJIНJ
JUO
llJ lТ E ..
. &Z""
. ... .... -
..ж-.-
1 и
..
аО5
....
...". ... --
..... .... /л
. .
. . J/
- . .
.......
....... 1
у
..........
о
8,03
lF
.. .. .-.. .... ---. . ... - ............. .. ... .. -- ............
OO
1
.. i.
lF
л
lD
r
- - - --- .......--....--
..
-'.-=-==. .-:.:.
700
I
.. ..
--
.. .. .lF
_. Л
о
.. ,00
..... t...
..
.
..... .... ...... ....... ..... ......
JDD
Т.''('
18 У
- --t--..-....-_. .
.. ---=:.: .... ..." ...а. ... ..-. '4818 ... ....,..
I,JO
l,ZO
1. 1!/
t-.: '
· ...... . ш т
... .........
. .--.....
-.---..
.!
1.00
..-' ---
---
1у ...- .. ...... .. ...., ... -..с:
;..-- ll .. ....".,.:;:':' ... ..
--- ... --- ...
. -::;;. ...r
.,.".. . .... ... r r
....-..-
"'-...-
......
...-- У
r ... ...
..............,...
r
.. .. ......
....
... ...........
-..
...... .................... 1F
..... .........
... ----
1
1800
Е'
:ао:
1liOO
t
1000
Л
.--.. .--.
1F --. .. .., ---..
... .. -----......
--- ..- ... ....
L3J A :::+fo,f2 fJ,(J8), OjQ/l0e/I1 J
......-................. у Dl
- --- -- =.f
...---..,., -_. - .........-- ,...-.
.-... . .-. ....-.. -
...--.
.
I
2UtlD
t...:
........
'-'1
-. -...-. D
...-. - ....... ----
.-.-.--- ---..
/F ... .--. -. .......-.. .. - .-...---.
...--. ..-... ...
]r': f(1l18 O,08) o/D/1D //'f
1600
.--... . Dl
.. .,.,....... . '---... ----
-- ---.....J............ · -----..
-. -- ... .
--- .... --....
о
O 80 120 '50
POCKOiJ онюроциn10 ,е/l1 ' iY'''' 1I
200
Рис. 63. Изменение показателей доменной плавки
при вдувании измельченноrо антрацита
(обозначения в тексте)
222
к
"" '"
h .l/{"" 4lТA .
t\j
" ..1.13)1 S
"'-.:
." "J /[JI · "'А
.....
с:::.1::
I:::J
ч
t:t:i
'
.
I .
"
. , f
I .1.
: , i
: ,..
: ,',
r 1.
· 1: J
I
I
.
.
1
\
.
,
'<5
Jo I .J J
'<:) ...-:t-
....
..
2J1 / :11 t!JJ ' :J IJ
...
"'-"
t'..l
' t'-,."
}k/JIIJ/JI t 00
лио/!
.
. I
"I \
. '"
. /
\ \ h.
\ .
.... \ \ / ...../ "-.,;
1.. /.....:
.1 1 /
....
r-....
. '-" ....... ... .... ..... ... .. "i
2J1/2J1 'fJl 211 /0!е 'Jp 211/% 'LJfl Jo' ";. I 1 I
,.........
(l)
Е--
u
:х::
(l)
Е--
се
с:::
:s::
:I:
(l)
::r
:I:
м
О
tO
О
............
Е--
м
:s::
:s::
:I:
се
1:::(
сс
:s::
о..
t:
:s::
:х::
се
t:;
t:
):S::
о
:I:
:I:
(l)
о
1:::(
):S::
(l)
t:;
(l)
Е--
ro
м
:х::
о
t:
(l)
:s::
:I:
(l)
:I:
(l)
м
:s::
.
\о
.
u
:s::
о...
223
о
00
ro
tO
о
t::1:
х
:Е
00
(l)
..с
Е---
t::1:
CJ:::
::s::
:r:
(l)
:r:
(l)
::s::
о..
t::
::s::
Е---
u
О
:r:
00
::s::
Е---
(l)
..е-
..е-
(1")
::::::
::s::
Е---
u
::s::
о..
(l)
Е---
ro
о..
ro
;><
.
М
М
ro
:j
::s::
t:;
tO
ro
t--
224
t:::
<:]
о
00
ro
tO
о
t::1: ';;f(
ro
:r:
::s::
t:;
х
.....
..с
:r:
м
ro * .
0..: t::1:
...... "ro
'-!O..OI ....... t:1 ,.....
g <:]
м
ro
L...
M
.............
х
:Е
t::1:
о..
(l)
00
Е---
"'--""
х
::s::
t::1:
::s::
;:Е
L...
О
......
......
ro
::r:
*
о
00
ro
tO
о
t::1:
х
.....
..с
t::1:
о..
(l)
00
Е---
::s::
х
::s::
t::1:
::s::
;:Е
L...
......
ro
:r:
::s::
t:;
::s::
х
:Е
:r:
м
ro
о..
tO
О
О
м
ro
L...
м
......
ro
:r:
*
*
*
<:]
';;f(
" t:1
......
t::
<:]
';;f(
<:]
.
t::1:
ro
о..
L...
h"'
<:]
';;f(
t::
<:]
*
*
L...
"
м
';;f(
.
.....
<:]
ro
00
ro
tO
о
ч:
..,
N
I
О
..,
N
о
..,
......
..,
N
I
..,
......
r
N
I
..,
......
\D
I
/""""'"-
О
......
r N
90
...... ..,
09
00
e:
I
\D N
с"'!
......0\00
I 00 О I
О ..,...... \D
Ol
...... :20
"'--""
O N
N
00'"
L..
t::
М
..,
......
I
......
..,
......
1"---
..,
О
..,
......
I
00
..,
О
..,
......
I
00
..,
О
М
о
м
I
\D
N
G
С:;М
00..,
10
N I
00
00'"
+
о
..,
N
I
\D
r,
......
00
..,
о
о
..,
N
I
N
..,
......
о
r
N
I
N
..,
......
о
r')
I
1"---
М
O
...... о
. ..,
00
I I
NN
00
00'"
+
1"---
..,
О
I
\D
.,
О
о
М
..,
О
1"---
"
О
I
..,
О
1"---
..,
О
I
..,
О
..,
00
......
......
I
......
/""""'"'
00
.. ..,
00
I I
NN
00
. _.
00
+
N
..,
......
I
О
..,
......
о
..,
о
N
..,
......
I
1"---
..,
О
N
..,
......
I
1"---
..,
О
......
М
\D
N
I
N
N
ОМ
.0
О ..,
10
О I
00
. r.
00
+
ro
::I:
С
Q
...
..t:
".......,
.
:.:: ro
.......,1--
м U
.... О
О.
О :s::
-по.
..... r::
1"---1"---
00
..,
00
-- :Е
о v
О :s::
::I: :I:
::I: tI::
Е::;
1-- tQ
U t:1
1-- О
r::
Ь :ё
о v
u
:.:: ro
о м
tQ ro
t8 1--
О :I:
1::1 v
:s::
х ::1
ro :s::
t:1 ......
о --=-
..::::..
u rr:;
ro о
0.:.::
== tI::
о..:;::
r:: :I:
I V
с) :I:
V
с3 ;;:
!-- м
ro :s::
::I: ,.........,
.......,
ro
:I: tI:: .
("IE::;U
:s:: о о
o
(]) I О
Е::;....:о
cjN
:.::
.... \.о 11
5 о ..,.
"<'"' :.:: а.
;Ut:::
ооОО*
* *
* * *
MM
8""7 ,, OJo,, oo oo"o
..,...... .......:;1...... N О О
О I ...... I I I
...... О О О
0\ N
"'--"" "'--"" ........,.. "'--""
0 :2
......0
00'"
L..
:!I
010
2
00
..,
00
:s:
>
L..
:s:
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
По величине дополнительноrо эффекта наиболее предпочтительны природный и
коксовый rазы. В расчете на 100 Kr/T основной экономии кокса они позволяют полу
чить HaMHoro больше (чем при друrих добавках) значение дополнительной экономии
кокса и прироста производительности печи от повышения HarpeBa дутья и обоrаще
ния ero кислородом. Величина дополнительной экономии кокса от повышения Harpe
ва дутья при вдувании природноrо и KOKcoBoro rазов составляет 60 1 00 % основной,
а прирост производительности от дополнительноrо HarpeBa дутья или обоrащения
ero кислородом 12 20 % по отношению к производительности в исходном режиме.
Соответствующие показатели для мазута и измельченноrо fазовоrо уrля почти вдвое
меньше, а для измельченноrо антрацита они меньше в 3,5 раза.
При оrраниченных возможностях HarpeBa дутья и обоrащения ero кислородом
наибольшая экономия кокса может быть поручена при вдувании антрацита. Эта дo
бавка к дутью приrодна для любых условий доменной плавки и дает всеrда практи
чески одинаковый технолоrический эффект, величина KOToporo зависит, rлавным об
разом, от орrанизации подачи уrля в печь (качества помола, равномерности распреде
ления по фурмам, характера ввода в струю дутья и т.д.).
В этом отношении мазут занимает промежуточное положение между rазообраз
ным и твердым вдуваемым топливом.
Полученные расчетом значения коэффициентов замены кокса и друrих xapaKTe
ристик являются теоретическими; они отличаются от фактических ввиду ряда усло
вий, не поддающихся пока cTporoMY расчету. rлавным из этих условий является пол
нота превращений некоторых компонентов добавок (уrлеводородов и твердоrо уrле..
рода) у фурм. Неполная rазификация упомянутых компонентов приводит к от..
ложению твердых уrлеродистых частиц и сажевыделению в околофурменном про..
странстве с последующим образованием вязких шлаковых масс, заrромождающих
rори и вызывающих неблаrоприятные для хода процесса последствия, в частности,
nporapbI воздушных фурм [323].
Все это оrраничивает возможность увеличения расхода всех дутьевых добавок и
может существенно влиять на эффективность их использования при больших pacxo
дах. В итоrе коэффициент замены кокса антрацитом при больших расходах антраци
та может не только не увеличиваться, как это обусловлено процессами тепло и Mac
сообмена, но даже снижаться, если не принять специальных мер для повышения пол
ноты rазификации антрацита у фурм. В случае KOKcoBoro rаза имеет место наимень
шее отклонение фактической эффективности использования от теоретической, по..
скольку содержание уrлеводородов в нем меньше, чем в друrих rазообразных и жид..
ких дутьевых добавках.
Друrим важным фактором, влияющим на эффективность использования добавок,
является распределение их количества по фурмам. При большом различии доли до..
бавки на отдельных фурмах общий расход ее оrраничивается достижением предель..
ных состояний на фурмах с максимальной долей добавки. Равномерное распределе
нне дутьевой добавки по фурмам (пропорционально расходу дутья) позволяет по
высить эффективность использования любой добавки.
Применение nr, К! и мазута приводит к сильному снижению степени прямоrо
восстановления и соответственно содержания оксида железа в первичных шлаках.
При образовании значительных количеств KOKcoBoro "мусора" в нижних rоризонтах
печи это осложняет условия ero взаимодействия со шлаком и способствует отложе..
нию вязких масс в ropHe. Для устранения этих осложнений приходится про водить
специальные "промывки" ropHa, заrружая в печь высокозакисные добавки. Упомяну
тый фактор может стать причиной оrраничения расхода добавок или снижения эф
фективности их использования, если не принять специальных мер по уменьшению
225
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
разрушаемости кокса в нижних rоризонтах печи. Роль этоrо фактора тем меньше, чем
выше прочностные характеристики применяемоrо кокса. Таким образом, улучшение
прочностных характеристик кокса совершенно необходимо для достижения макси
мальных расходов дутьевых добавок.
Величины предельных расходов добавок определяются двумя rруппами факторов:
зависящие от условий тепло массообмена;
зависящие от условий работы фурменных очаrов.
Возможные расходы дутьевых добавок, определяемые первой rруппой факторов,
в 2 3 раза превышают достиrнутые на практике, что определяется факторами второй
rруппы, формирующими условия превращений добавок в фурменных очаrах.
При определении возможноrо расхода какой либо дутьевой добавки удобно исхо
дить из изменений теоретической температуры rорения, которая как комплексный
параметр дутьевоrо режима характеризует температурно окислительные условия
превращений добавок у фурм.
В этом смысле ориентацию на сохранение проверенных на практике значений
теоретической температуры rорения при повышении расхода добавки следует счи
тать оправданной. Однако этот критерий оказывается недостаточно надежным при
очень большом изменении условий (расхода добавки, температуры дутья и KOHцeH
трации кислорода в нем) и совсем неприrодным при замене одной добавки друrой
или изменении условий смешивания с дутьем. Так, при замене природноrо rаза KOK
совым нет необходимости сохранять на исходном уровне теоретическую температу
ру rорения, так как оптимальный ее уровень был определен для друrоrо состава до..
бавки. При замене половины природноrо rаза коксовым минимальная теоретическая
температура rорения может быть снижена на 1 oo 150 rрад., а при полной замене.. на
200..250 rрад., что обусловлено в 3,5 раза меньшим содержанием уrлеводородов в
коксовом rазе, чем в природном.
Требуемое распределение добавки в потоке дутья и ero реrулирование может
быть осуществлено при достаточном превышении давления добавки над давлением
дутья. Для природноrо rаза на мноrих предприятиях не обеспечивается минималь
ный избыток давления (0,25 0,5 МПа), в особенности в холодное время rода. В этих
условиях периферийный подвод rаза в фурму сильно затрудняет смешивание струй и
препятствует увеличению расхода rаза. Требуется радикальный пересмотр сущест
вующих конструкций узла ввода природноrо rаза в поток дутья. Для мазута и уrля,
кроме Toro, возникает проблема распыления, от решения которой зависит полнота
превращений добавок в фурменном очаrе.
На практике достиrнуты следующие максимальные расходы дутьевых добавок:
природноrо rаза 15..20 % (200 м 3 /т чуr.), мазута 100 r/M 3 дутья (100..150 Kr/T чуrу..
на), уrля 100..150 r/M 3 дутья (180..200 Kr/T). От применения таких количеств всех до..
бавок достиrается примерно одинаковая экономия кокса до 150 Kr/T чуrуна. При
обеспечении рациональной конструкции ввода добавок в поток дутья и улучшении
условий их превращений в фурменной зоне можно надеяться на увеличение этих
расходов и величин экономии кокса, по меньшей мере, в полтора раза.
Совместное применение пr, кr и мазута приводит, как показали расчеты, к сни
жению коэффициентов замены, по сравнению с полученными при разделенном ис
пользовании каждой добавки в таком же количестве. Это обусловлено тем, что xa
рактер уменьшения коэффициента каждой из этих добавок при повышении ее pacxo
да определяется одними и теми же факторами, так что наличие в дутье, например,
природноrо rаза в начальный период применения KOKcoBoro следует рассматривать
как начальный расход Kr, величина KOToporo соответствует эквивалентному по co
ставу продуктов и тепловому эффекту превращений у фурм количеству пr. Посколь"
226
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
ку единоrо эквивалента, учитывающеrо все различия дутьевых добавок, не сущест
вует, можно для простоты пользоваться соотношениями расходов, обратно пропор
циональными коэффициентам замены. Тоrда для определения значений КЗ и 11," по
формулам (3. 7) (3.1 О) при совместном использовании добавок следует подставлять
вместо расхода добавки, для которой определяются КЗ и 11,", суммарное, приведенное
к ее расходу количество всех добавок. Для мазута коэффициент замены при совме..
стном использовании ero с пr и Kr можно ориентировочно считать на 7 10 % мень..
шим, чем в случае самостоятельноrо применения. Коэффициент замены кокса из
мельченным уrлем практически не зависит от условий, в том числе и от cOBMecTHoro
использования с друrими добавками.
Закономерности изменения коэффициентов замены, выявленные при анализе
процессов тепло и массообмена, MorYT быть существенно скорректированы при уче
те особенностей превращений различных добавок в фурменных очаrах.
Так, при замене природноrо rаза коксовым в соотношении 1:2 расход кокса по
расчету должен несколько увеличиваться или, по меньшей мере, не снижаться. При
учете же уменьшения общеrо количества уrлеводородов в фурме при таком COOTHO
шении пr..кr можно ожидать лучших фактических результатов в сравнении с pac
четными, что и наблюдалось в опытах [324].
При использовании мазута совместно с природным rазом [325] наблюдаемый KO
эффициент замены кокса мазутом достиrал 1,67 Kr/Kr, что выше, чем без применения
пr [326, 327] и выше, чем можно ожидать по расчету для данных условий. Такие ре..
зультаты MorYT быть объяснены при учете следующих факторов. Струя мазута, вве..
денная в дутьевой поток, турбулизует ero, являясь своеобразной '''мешалкой'', чем
способствует лучшему взаимодействию дутья с природным rазом. Введенные в ДYTЬ
евой поток частицы мазута MorYT служить катализатором, на котором превращения
rазообразных уrлеводородов идут быстрее, чем в чисто rазовой фазе. При rорении
этих частиц пламя "подсвечивается", что увеличивает излучение и соответственно
подоrрев пr в дутьевом потоке. Таким образом, подача мазута в дутьевой поток по
вышает полноту превращений природноrо rаза и степень ero использования, что
проявляется в более высоком значении наблюдаемоrо коэффициента замены кокса
мазутом. Аналоrичный эффект может быть получен и при подаче уrольных или дpy
rих твердых частиц в поток дутья.
HazpeпlbIe Ilрuродный и коксовый zазы (нпr, HKr)
Расчеты выполнены для температуры природноrо и KOKcoBoro rазов 700 ос, при
которой техника их HarpeBa не осложнена процессами лиролиза уrлеводородов.
Основные закономерности влияния расхода нпr и HKr на показатели доменной
плавки качественно не отличаются от закономерностей для холодных rазов. Количе
ственные различия сводятся к следующему:
увеличение степени KocBeHHoro восстановления при добавке каждоrо 1 м 3 /т нпr на
0,05 %/м 3 меньше, чем для холодноrо пr при всех расходах; для HKr указанная ве..
личина может быть определена по тому же выражению, что для холодноrо Kr;
снижение теоретической температуры rорения при добавке каждоrо 1 % нпr
составляет 30 45 ос, а при добавке 1 % HKr 15 20 ос, что на 1 o 15 ос ниже, чем
для холодных nr и Kr;
температура колошниковоrо rаза с повышением расходов нпr и HKr увеличи..
вается со скоростью 0,2 0,4 rрад/м 3 и О, 1 0,2 rрад/м 3 соответственно, что на О, 1
0,2 rрад/м 3 меньше, чем для холодных пr и Kr;
227
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
существенно увеличивается теплоотдача rазов: с 2+3 до 4+5 МДж/м 3 для пr и с
о, 1 0,4 до 1 ,2 1,5 МДж/м 3 ДЛЯ Kr;
КЗ кокса нпr в среднем на 0,2 Kr/M 3 больше, чем холодным пr при всех pacxo
дах, а КЗ кокса HKr на 0,1 Kr/M 3 по сравнению с холодным Kr;
прирост производительности доменной печи имеет место при всех расходах
нпr и составляет О,оз о, 11 %/м 3 в отличие от холодноrо пr, при некоторых pacxo
дах KOToporo прирост производительности печи отсутствует, прирост производитель
ности доменной печи при увеличении расхода HKr составляет 0,03 0,06 %/м 3 B полто
ра раза больше, чем для холодноrо Kr.
в целом экономия кокса при HarpeBe пr до 700 ос и расходе ero 1 oo 150 м 3 /т мо"
жет составить 20 30 Kr/T, а прирост производительности 3 5 %.
При HarpeBe Kr до 700 ос и расходе ero 200 300 м 3 /т экономия кокса составит 20
30 Kr/T, а прирост производительности 4 6 %.
Указанными величинами эффективность HarpeBa пr и Kr не оrраничивается.
Увеличение температуры уrлеводородов при взаимодействии с потоком rорячеrо дy
тья будет способствовать существенному повышению полноты их окисления в фур
менных очаrах. В результате этоrо уменьшится пиролиз уrлеводородов, и фактиче
ские КЗ кокса для HarpeTbIx уrлеводородных rазов будут ближе к расчетным, чем в
случае холодных rазов. Особенно это относится к пr. Экономия кокса от HarpeBa пr
может быть, по меньшей мере, на 10 15 Kr/T выше расчетной, а прирост производи..
тельности больше на 2 3 %.
Кроме прямой экономии может быть получена дополнительная, обусловленная
возможностью увеличения расходов нпr и HKr выше значений для холодных пr и
Kr. Эта возможность обусловлена как улучшением полноты превращений уrлеводо
родов у фурм, так и увеличением температуры rазов в очаrах rорения. Возможный
дополнительный расход нпr и HKr может быть оценен величинами 40 50 и 100 150
м 3 /т соответствен но.
Вопрос реализации технолоrии использования нпr и HKr для снижения расхода
кокса и повышения производительности доменных печей будет определяться воз..
можностями эффективноrо решения задачи разработки технических средств HarpeBa
и подачи нпr и HKr' в доменные печи (rазонаrревателей, трактов подачи, запорной
арматуры, устройств ввода в фурменные приборы и др.).
Водород и оксид УZ.1еродll
Закономерности изменения показателей доменной плавки при вдувании холодно
ro водорода аналоrичны закономерностям для пr и Kr:
степень KocBeHHoro восстановления с повышением расхода увеличивается с за
медлением, увеличение составляет в различных вариантах и при разных расходах
0,05 0,03 %/м 3 ;
теоретическая температура rорения снижается при повышении расхода водоро"
да на 13..14 rрад/%, а температура колошниковоrо rаза и rраничная температура двух
зон теплообмена увеличиваются соответственно на 1..2 rpaдl% и 4..8 rpaдl%;
теплоотдача добавки в печи отрицательна и составляет (0,35..0,55) МДж/м 3 , а
теплоотдача уrлерода кокса с повышением расхода добавки снижается;
коэффициент замены кокса с повышением расхода водорода снижается в COOT
ветствии с замедлением роста степени KocBeHHoro восстановления, причем большие
ero значения соответствуют большей начальной величине теоретической температу
ры rорения, величина ero составляет от 0,20 до 0,35 Kr/M 3 для разных расходов BOДO
рода и условий доменной плавки.
228
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Обобщение результатов расчета позволяет без большой поrрешности представить
rрадиент повышения степени KocBeHHoro восстановления ( 1", %/м 3 ) и коэффициент
замены кокса (КЗ Н , Kr/M 3 ) следующими выражениями:
5 ( Т J
1'"H == 0,08 6 . 10 . Н; КЗ Н == 1,8 +2,3 . rH ,
2000
rде: Н исходный расход водорода, м 3 /т.ч; Т теоретическая температура rорения, ос.
Изменение показателей доменной плавки при вдувании холодноrо оксида уrлеро
да меньше зависит от исходных условий плавки и расхода оксида уrлерода, чем для
водорода. С колебаниями + 1 О % (отн.) для разных условий и расходов величина rpa
диента степени KocBeHHoro восстановления составляет 1"co == 0,06 %/м 3 . Коэффици
ент замены кокса оксидом уrлерода с колебаниями + 5 % (отн.) для разных условий и
расходов составляет 0,20 Kr/M 3 . Изменения температурных условий в печи и теплоот
дачи кокса и добавки аналоrичны полученным для водорода.
Производительность доменной печи при повышении расхода водорода увеличи
вается на 0,01 0,03 %/м 3 , причем с ростом расхода величина прироста уменьшается, а
при добавке кислорода с целью стабилизации теоретической температуры rорения
увеличивается до 0,08%/м 3 . Вдувание оксида уrлерода способствует снижению про
изводительности печи на О,ооз о, 01 %/м 3 .
При вдувании HarpeTbIx оксида уrлерода и водорода коэффициенты замены кокса
увеличиваются в соответствии с дополнительно вносимым количеством тепла и по
вышением степени ero усвоения в печи. Так, при подоrреве оксида уrлерода или BO
дор ода до 1500 ос коэффициент замены кокса увеличивается на 0,20 0,25 Kr/M 3 , а при
подоrреве до 1000 ос на 0,12..0,17 Kr/M 3 . При этом температура колошниковоrо rаза и
теплоотдача уrлерода кокса и добавки в печи с повышением расхода HarpeTbIx до
1500 ос rазов не увеличивается, а теплоотдача добавки составляет 1,6..1,8 МДж/м 3 .
Производительность печи увеличивается для HarpeToro до 1500 ос оксида уrлерода
на 0,02 0,03 %/м 3 , для водорода на 0,04 0, 1 О %/м 3 . Существенное влияние на коэф
фициент замены кокса оказывает наличие в добавке окислителей (С0 2 и Н 2 О). В
фурменной зоне окислители в конечном счете подверrаются реrенерации с образова..
нием СО и Н 2 . Поэтому величина снижения коэффициента замены кокса дутьевой
добавкой определяется количеством тепла, затраченноrо на диссоциацию С0 2 и Н 2 О
С образованием СО и Н 2 И составляет О, 012..0,015 Kr/M 3 при повышении содержания
С0 2 в восстановительном rазе на 1 % и 0,010..0,013 Kr/M 3 при повышении содержания
Н 2 О в нем на 1 %. Содержание в дутьевой восстановительной добавке 1 О % окисли
телей (С0 2 и Н 2 О) снижает коэффициент замены кокса на 0,10 0,15 Kr/M 3 .
(3.12)
3.3. Обоrащение кислородом, увлажнение и HarpeB дутья
ОБОZllщенuе кuс.лородо"и
Результаты расчета для ряда вариантов повышения концентрации кислорода в дутье
приведены в табл. 3.4. Первые три из них выполнены для случаев повышения KOHцeH
трации кислорода в дутье при разном уровне ero температуры без применения дутьевых
добавок, четвертый при постоянном содержании пr в дутье, а пятый и шестой при
сохранении Т== 2000 ос за счет добавки пr. При температуре дутья 700 ос обоrащение
дутья кислородом способствует некоторой экономии кокса за счет увеличения KOC
BeHHoro восстановления железа, обусловленноrо повышением концентрации BOC
становительных компонентов в фурменном rазе. Прирост производительности co
229
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
ставляет 2,82 % при обоrащении дутья от 21 до 22 % и уменьшается при дальнейшем
обоrащении. Для т== 40 % прирост производительности составляет 1 %/%.
При более высоких температурах дутья (варианты 11 и III) обоrащение ero кисло
родом способствует повышению расхода кокса, несмотря на увеличение степени KOC
BeHHoro восстановления. Это обусловлено существенным снижением теплоотдачи
уrлерода кокса за счет уменьшения удельноrо расхода дутья. Прирост производи
тельности печи в этих вариантах значительно меньше, чем в случае низкой темпера
туры дутья. В условиях постоянной доли пr в дутье перерасход кокса от повышения
концентрации кислорода при той же температуре дутья больше, так как при этом
уменьшается расход пr на 1 т чуrуна, отчеrо увеличение KocBeHHoro восстановления
менее значительно. Прирост производительности в этом варианте выше, чем в COOT
ветствующем варианте без пr (1] вариант).
Наиболее высокий прирост производительности имеет место в варианте V при под
держании Т == 2000 ос за счет добавки пr при обоrащении дутья кислородом. Bыco
кая экономия кокса в этом варианте обусловлена добавкой пr и соответствующим
увеличением KocBeHHoro восстановления. Аналоrичный вариант при более высокой
температуре дутья (VI) менее эффективен. Во всех вариантах с повышением содержа..
ния кислорода в дутье растет теоретическая температура rорения, уменьшаются rpанич
ная температура зон теплообмена и температура колошниковоrо rаза. Вырождение Bepx
ней зоны теплообмена происходит в вариантах I IV соответственно при концентрациях
кислорода 33, 31, 27 и 40 %, а в вариантах V и У] двухступенчатая схема теплообмена
сохраняется при всех концентрациях кислорода.
Теплоотдача уrлерода кокса снижается во всех вариантах, кроме 1, что обусловливает
повышение расхода кокса даже при увеличении KocBeHHoro восстановления в вариантах
II IV и уменьшение экономии кокса от добавки пr в вариантах V и VI. Интенсивность
плавки по дутью уменьшается во всех вариантах на 1+2 %/%. Интенсивность по rазу
снижается в вариантах I..IV и незначительно изменяется в вариантах V и VI. Время пре..
бывания материалов в печи сокращается, причем наиболее резко.. в вариантах I..IV. Наи
более близким к реальныIM условиям современной доменной плавки является вариант У.
Величину прироста производительности доменной печи для этоrо варианта (%/%) можно
аппроксимировать зависимостью:
П == 2,3 0,07 (т.. 22) . (3.] 3)
Учитывая рассмотренную ранее возможность HeKoToporo повышения интенсив
ности плавки за счет увеличения порозности столба шихты в нижней части и сниже
ния температуры rазов в верхней части, не поддающиеся пока точной количествен
ной оценке, можно увеличить полученные величины ориентировочно на 10 % (отн.).
Тоrда:
П == 2,5 0,07 (т 22). (3.14)
Аналоrичные величины для случая повышения концентрации кислорода без дo
бавки пr меньше на 0,3+0,4 %. Величина повышения расхода кокса при обоrащении
дутья кислородом без добавки пr составляет для разных вариантов О, 1 0,6 % на каж
дый дополнительный 1 % кислорода и по расчету уменьшается при увеличении кон..
центрации кислорода в дутье. В реальных условиях плавки величина дополнительно..
ro расхода кокса будет, по видимому, увеличиваться по мере повышения KOHцeHTpa
ции кислорода в дутье в связи с осложнением при этом условий реrулирования теп..
ловоrо режима и rазораспределения.
230
Q)
..Q
r--
t::t
ro
t::t
о
о...
о
t:;
<.)
:S::
:S::
:S::
:::1
ro
о...
r--
::t
Q)
:::1
::t
О
:S::
:S::
::t
Q)
3
:s
о
t::
::s::
о...
t::
:S::
се
ro
t:;
t::
>:S::
О
::t
::t
Q)
о
r:::t
>:S::
Q)
t:;
Q)
r--
ro
м
ro
о
t::
Х
:s
::t
се
О
::t
<.)
О
Q)
:S::
::t
Q)
::t
Q)
м
:s::
.
..q-
.
м
ro
:::1
:S::
t:;
\о
ro
Е----
11 ..... V) '""":
,."". N О
"' +
ro
t::t
о
о...
о
t:; (""1 .........
<.)(""10
::s:: +
Q)
:S::
::t
ro
O""'"
о... ..q- о
Q) I
t::t
О
U
r--
............
L...
О
r-- О
::t м
ro 11
::s::
о... о-е-
ro U
...
u
о
О
О
V)
......
11
,."".
r--
............
L...
О
V)
М
11
r--
::t
ro о -е-
&U
ro ...
u
о
О
О
......
......
r--
............
L...
О
О
..q-
11
ro
::s:: о :;
o...U
ro ...
u
о
О
О
('--..
11
,."".
I
ro
м ::s::
ro t:;
Q)
о r--
t::
\.О
оМ
..
МО
+
О
V)V)
...
NO
+
00
NV:
NO
+
\.О
00
..
'""'"о
+
О
V) .........
МО
+
N
О ........
МО
+
..q-
00
......
N
V) ......
м ...
О
I
V)
О (""1
М ...
О
I
0\
V)..q-
N ..
О
I
\.О
N V)
(""1 ...
О
I
м
0\
..
О
+
......
......
+
м
N
......
+
\.О
00
..
О
+
00
0\
..
О
+
м
N
......
+
\о
..
......
+
......
00
......
+
00
0\
..
О
+
00
......
......
+
('--..
\.О
..
.......
+
00
..q-
..
(""1
+
N
00
..
(""1
+
N
V)
...
О
+
..
N
\.О
...
О
+
О
V)
...
......
I
О
\.О
...
.......
I
V)
\.О
...
......
I
О
..q-
...
......
I
О
V)
...
......
I
О
\.О
...
......
О
r--...
......
I
О
00
...
......
I
00
..q-
......
......
\.О
......
I
V)
('--..
...
......
I
О
0\
...
.......
I
00
0\
...
......
I
О
\.О
...
О
I
('--..
\.О
...
О
I
О
('--..
...
О
I
V)
V)
...
О
I
О
\.О
...
О
I
00
\.О
...
О
I
...
\.О
r--...
...
о
I
0000;;:;
MV)V) ...
O\NN..q-
(""1 ......
..q-\O..q-\.O
,"","('--..\Ом...
('--..NNV)
N ......
.......N\.OM
\.О ...... \.О 00...
\.OMNV)
N ......
\.OOO
00V)V) ...
O\NN......
N ......
V)OO::
..q- V) V) ...
ooNN(""I
N ......
..q- \.0('--..
V)r:::r--...м...
\.ONNN
(""1 ......
V) \.О
..q-..q-Moo
..q- ('--.. 00 ...
(""IMN
°NM..q-
.......V)0\<'t
M..q-NM
(""1 ......
(""IOO
('--.. V) V) ...
('--..(""1(""10
(""1 ......
V)0000
00 V) V) '""'"...
V)(""I(""IO
N ......
NMO\(""I
00 ...... 00 '""'"...
MMNO
(""1 ......
:::(""I\.O
............ ...
NV)M:=:
:!V)N
О О М ...
(""I\.OMS;
м
00
00
...
О
V)
..q-
0\
"'
О
О
О
"'
......
О
00
r--...
"'
О
......
......
00
"'
О
00
\.О
00
...
О
('--..
м
0\
"'
О
О
О
...
......
О
М
('--..
...
О
00
\.О
('--..
"'
О
м
м
00
"'
О
('--..
......
0\
"'
О
О
О
"'
......
...
t: "'
<1 <1 <1
uuu
:;j ::f
L... :S::
t:;
............ о
... t::t
uЧ:
:E
..
r--...
\.О
"'
О
+
\.О
М
"'
О
+
......
..q-
...
О
+
..
О
V)
...
О
+
О
\.О
"'
О
+
..
V)
'-D
"'
О
+
00
(""1
...
О
+
..
(""1
м
"'
О
+
О
..q-
...
О
+
\.О
..q-
...
О
+
......
V)
"'
О
+
О
00
...
О
I
...
N
\.О
...
О
I
......
...
('--..
...
О
I
00
('--..
...
О
I
..q-
00
...
О
I
0\
00
...
О
I
231
.
.
М
.
\о
ro
Е--
Q)
:s::
:I:
ro
::r-
:r:
о
О
232
Е--
О
О
О
М
11
v)
о ..g.. М
U
Е--
:I:
ro ....
:s:: U
о.. о
ro О
О
О
N
> 11
h
.... v)
U N
о
О
М
О
О
v)
.....-1
11
.......
N
N
Е--
О
v)
М
11
v)
о ..g.. М
U
О
Е--
:I: ....
ro U
:s:: о
0..0
ro О
r::c О
> (""1
11
h
.... v)
U (""1
о
О
М
О
О
......
......
11
........
N
(""1
Е--
...........
L...
О
О
11
°u::
О
Е-- м....
:I:
ro ...........
:s:: м
о..
ro
r::c
О
М
v)
> О....
О
11
t:::[v)
.... N
U
о
О
О
......
......
N
(""1
11
........
('--..
....
О
I
f"'-.
v)
....
О
I
0\
\О
r
О
I
00
r
О
I
О
О
......
I
00
00
....
О
I
О
.....-1
.....-1
I
\О
м
......
I
N
f"'-.
.....-1
I
v)
00
....
.....-1
I
v)
N
,.
О
+
О
М
....
О
+
('--..
М
,.
О
+
....
О
+
М
v)
....
О
+
М
00
....
О
+
00
0\
....
О
+
00
.....-1
.....-1
+
М
.....-1
+
,.
О
v)
....
00
0\
....
О
+
......
(""1
....
.....-1
+
......
....
v)
....
f"'-.
......
М
м
0\
N
М
\О
N
....
\О
N
N
....
+
....
v)
+
f"'-.
....
\О
+
('--..
....
00
+
О
....
О
.....-1
+
(""1
....
+
М
....
v)
+
О
....
\О
+
('--..
....
0\
+
v)
....
.....-1
......
+
О
....
......
I
....
......
I
('--..
....
.....-1
I
f"'-.
....
N
I
О
....
М
I
0\
О
......
v)
......
.....-1
I
N
N
.....-1
I
О
м
......
I
О
....
......
I
О
......
....
.....-1
I
О
N
.....-1
I
О
М
......
I
О
......
I
v)
....
.....-1
I
О
О
....
......
О
v)
....
......
I
N
\О
......
I
v)
f"'-.
......
I
О
......
....
(""1
I
....
v)
О
....
О
+
°00V)
000
O('--..
N
0('--..0
0......0
O('--..
N
0('--..('--..
°NO\
О('--..М
N
O\O
OV)O\
О('--..М
N
0('--..(""1
O O\
°f"'-.M
N
°\ON
00\\0
OV)M
(""1
°\ON
0......\0
О\ОМ
(""1
ООМ
O \O
О\ОМ
N
O('--..
0\0\0
О\ОМ
(""1
OM
000\0
О\ОМ
(""1
\000
v)v)v)
('--..(""IN
(""1
ООМ
00('--..0
V) M
N
O\V)M
000......
MV)M
N
......
oo('--..V)
...... M
NV)M
00.....-1\0
V)V)
О\ОМ
N
I
ro
м ::s::
ro
о t---
t::
r
.... Е....}: E <] ...,;; ...f
<] <] <] t-:..l-..J
.....-1
+
N
......
......
+
....
\О
М
....
.....-1
+
....
00
\О
....
.....-1
+
....
.....-1
......
....
N
+
00
N
....
(""1
+
М
('--..
....
О
+
О
О
......
+
М
М
.....-1
+
0\
\О
....
.....-1
+
.....-1
......
....
(""1
+
.....-1
+
N
0\
....
......
+
О
(""1
....
N
+
....
00
0\
....
О
+
\О
N
...
.....-1
+
v)
\О
....
......
+
О
(""1
....
N
+
О
\О
....
(""1
+
00
.....-1
....
О
+
0\
......
....
....
О
+
0\
.....-1
....
....
О
+
('--..
......
....
О
+
\О
.....-1
....
О
+
00
0\
......
О
N
N
\о
0\
......
('--..
\О
......
('--..
(""1
......
\О
0\
('--..
М
v)
.....-1
\О
N
('--..
О
00
....
\О
О
....
О
+
....
00
О
....
О
+
О
.....-1
....
....
О
+
......
......
....
О
+
О
О
....
О
......
....
О
....
О
+
....
N
О
....
О
+
....
v)
О
....
О
+
v)
О
....
О
+
О
О
О
I
N
\О
....
О
I
....
0\
\О
....
О
I
....
('--..
....
О
I
О
00
....
О
I
\О
v)
....
N
......
М
О
....
м
......
\О
....
М
......
00
....
......
\О
......
....
v)
......
\О
(""1
.....-1
......
(""1
v)
......
.....-1
\О
00
....
......
......
(""1
М
....
(""1
......
О
('--..
....
N
......
0\
('--..
.....-1
......
М
00
......
......
v)
.....-1
....
(""1
......
N
v)
....
(""1
.....-1
\О
('--..
....
N
......
v)
v)
00
....
О
v)
00
00
....
О
......
N
0\
....
О
\О
\О
0\
....
О
О
О
....
......
\О
....
.....-1
00
....
О
О
v)
00
....
О
М
0\
00
....
О
00
0\
....
О
О
О
....
.....-1
....
v)
М
('--..
....
О
....
М
00
('--..
....
О
00
М
00
....
О
0\
.....-1
0\
....
О
О
О
....
.....-1
L... ::s::
...::
u о
ч: t::t
:Е
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавкu
Поэтому для практических целей можно ориентировочно принять дополнительный
расход кокса (в про центах на каждый дополнительный 1 % кислорода) для KOHцeHTpa
ций кислорода до 25, 25+30, 30+35 и 35+40 % соответственно 0,2; 0,3, 0,4 и 0,5 %.
YBol1QJICHeHUe дупlЬЯ
Для анализа проводятся результаты расчета ряда вариантов, отличающихся исхо
дящими условиями, при объемном содержании влаrи в дутье 2, 5 и 1 О % (табл. 3.5).
С повышением влажности дутья на каждый 1 % теоретическая температура rорения
снижается на 30 45 ОС, а температура колошниковоrо rаза в области двухступенчато
ro теплообмена увеличивается на 6 11 ОС. В области, близкой к одноступенчатому
теплообмену, величина повышения температуры колошниковоrо rаза составляет Bce
ro 1,5 3,5 ОС. rраничная температура зон теплообмена увеличивается по мере увлаж
нения дутья, а теплоотдача уrлерода кокса снижается.
Степень KocBeHHoro восстановления увеличивается по мере увеличения расхода
влаrи в соответствии с количеством дополнительно образующихся водорода и оксида
уrлерода. При взаимодействии с уrлеродом в ropHe каждый 1 м 3 влаrи образует 1 м 3
водорода и 1 м 3 оксида уrлерода, способствующих увеличению степени KocBeHHoro
восстановления на 0,064 0,08 и 0,06 % соответственно (см. выше). Суммарное повы
шение KocBeHHoro восстановления от добавки 1 м 3 Н 2 И 1 м 3 СО составляет 0,12+
0,14 % и соответствует величине, полученной при добавке 1 м 3 Н 2 О.
Изменение расхода кокса определяется дефицитом тепла, образуюшимся при
взаимодействии влаrи с уrлеродом, уменьшенным на величину экономии от повы
шения KocBeHHoro восстановления.
Величина дополнительноrо расхода кокса составляет для разных вариантов 0,35
0,70 Kr/M 3 . При отнесении ее к исходному расходу кокса получится величина, изме
няющаяся для разных условий в меньшем диапазоне значений 0,07+0,105 %/м 3 .
Таблица 3.5. Изменение основных показателей доменной плавки при
повышении содержания влаrи в дутье
N2 Ba Исходные условия Результаты расчета
ри.. lp, % l д ,ОС ffi, % Д,% k, Kr/T V д м 3 /т (jJ, м 3 /т ТОС lr, ос
,
анта
1 2 800 21 О 670 1850 37 2027 872
2 5 800 21 О 712 1935 97 1903 918
3 2 1200 21 О 615 1590 32 2330 507
4 5 1200 21 О 640 1627 81 2207 569
5 10 1200 21 О 695 1717 172 2022 693
6 2 1200 30 О 610 1096 22 2724 264
7 5 1200 30 О 625 1108 55 2595 306
8 10 1200 30 О 655 1135 113 2402 383
9 2 1200 21 5 510 1565 31 2065 645
10 5 1200 21 5 537 1613 80 1959 730
1 1 10 1200 21 5 590 1707 170 1800 907
12 2 1200 21 О 503 1130 22 2330 272
13 5 1200 21 О 517 1143 57 2207 337
14 10 1200 21 О 546 1180 118 2022 474
15 10 1400 35 О 571 807 81 2723 250
233
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlели llлавки
Продолжение табл. 3.5.
N2 Результаты расчета
11 Т, I1! к, 111'" I1k, I1П, I1П,
вари , I1k,
Qc, [Р а д . [Р а д . .пр о ц . .пр оц. .пр оц. .пр оц.
анта МДж/кr Kr/M 3
м 3 /т м 3 /т м 3 /т
проц. про ц. проц.
1 10,8 42 + 11 +0,14 +0,69 +0,100 1 49 0,080
,
2 9,35 40 +8 +0, 1 3 +0,71 +0,100 1,49 0,073
3 14,0 43 +6 +0,13 +0,47 +0,076 o 65 o, 040
,
4 12,4 41 +7 +0, 12 +0,54 +0,084 o 88 o, О 52
,
5 1 О,] 35 +10 +0, 1 1 +0,65 +0,093 1 39 0,072
,
6 12,9 45 + 1,5 0,13 +0,43 +0,070 ..о 2 О 0,020
,
7 12,0 42 +2,5 +0,12 +0,48 +0,077 o 36 0,032
,
8 10,5 ..37 +3,5 +0,] 15 +0,55 +0,084 ..о 55 0,04 7
,
9 13,6 ..37 +8 +0, 135 +0,51 +0,100 ..1 02 0,067
,
10 12,0 35 +8 +0,125 +0,55 +0,102 ..1 20 0,071
,
1 1 9,8 30 +8 +0,] 15 +0,62 +0,105 1 47 0,077
,
12 14,4 44 +2,5 +0,145 +0,35 +0,070 o 30 0,030
,
13 12,9 40 +4 +0, 135 +0,42 +0,081 o 39 0,034
,
14 10,7 35 +6,5 +0,13 О +0,51 0,093 o 77 0,065
,
15 11,4 ..37 +0,122 +0,39 +0,069 ..о 13 0,0 17
,
Ее можно аппроксимировать приближенной зависимостью:
I1k == 0,10 (2 Т/2000), %/м 3 , (3.15)
[де 2500 > Т > 2000.
Уменьшение производительности доменной печи от перерасхода кокса при YB
лажнении дутья в значительной мере компенсируется обоrащением дутья кислоро..
дом из влаrи. Величину снижения производительности можно аппроксимировать
приближенной зависимостью:
I1П == I1k .. 0,03 Т/2000, %/м 3 . (3.16)
Я пересчета изменения расхода кокса и производительности доменной печи OT
носительно величин влажности, непосредственно измеряемых на доменных печах
(r/M 3 ), необходимо приведенные величины умножить на VJ803,6. Тоrда ДТ1я расхода
дутья 1600 м 3 /т М == 0,20 %/r/M 3 , I1П == 0,14 %/r/M 3 , а для расхода дутья 1200 м 3 /т соот..
ветственно 0,15 и 0,08 %/r/M 3 .
В ряде случаев, однако, избыточное увлажнение дутья приводит к меньшему пе
рерасходу кокса и снижению производительности печи. Это относится к режимам с
высоким значением температуры rазов у фурм, коrда сход шихты затруднен дефор..
мацией температурноrо поля печи и испарением возrонов. В этих условиях увлажне..
ние дутья способствует стабилизации хода печи [62].
На2рев дупlЬЯ
Основными факторами, влияющими на величину экономии кокса от HarpeBa ду"
тья, являются: абсолютный уровень температуры и влажности дутья, концентрация
кислорода в нем, расход природноrо rаза, исходное значение расхода кокса, а также
расход железорудной шихты (Kr/T чуrуна).
На рис. 65 представлены результаты расчета основных параметров плавки при
234
s}
..
.
..
.. .
...,
I
\. I I
" I I
, 1,
, I I
'/ I
У, ,
/ , I
,,/ , J
\
,
,
'-
.
4:):. t':
% f Uv l ФЕ · 3с
.1/, w А "" Jo - )1 J. · .J.J.
1 1 I I I i L I I I
1:::J 'с)
... ....
к "'- к "
t-.". lItO., Ih,j, -...::
.l/ )l4J1 L t Зо '.i J 2J11 )1111/../ - ",6
.
f"0.4 .......
с' JlJY
'10
r----.
Q)
Е--
U
Q)
Е--
:s::
:I:
Q)
::т
tc:} fJC. .. ro
:I:
м
rt'- о
\о
О
.............
:s::
:t: ro
t:;
t::
>:S::
О
:I:
:I:
Q)
о
t:!
:s::
:s::
Е--
U
:s::
о...
Q)
Е--
ro
о...
ro
Х
:t Q)
.....
..Q
:I:
О
:I:
U
О
... ro
:I:
CI:::
..Q
lt Е--
t:!
.....
..Q
о...
Е--
t::i ro
о...
Q)
t::
Q)
Е--
Q)
:s::
'IC:) :I:
:s::
t:;
.':Jo. со
.
v)
\о
i t .
U
:s::
t--. .. ... а...
.....
4.
111
a
" 11
c.,
, i
1. 1-
а
.. ..
..
\1) ..,
I :
J:::iI
.....
.,
't .а
э ..
..
. ,t
I :
235
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlели llлавки
повышении температуры дутья для вариантов, различающихся расходами кокса (k),
природноrо rаза (s) и кислорода (т). Исходные величины расхода уrлерода кокса у
фурм и степени прямоrо восстановления (cJ)OOO, T OOO) задавали при ( д == 10000C, оп..
ределяя соответствующую величину расхода кокса k Jouo и друrие параметры.
Влажность дутья принята во всех вариантах равной 2 %, а расход железорудной
шихты R == 1800 Kr/T чуrуна. Экономия кокса от HarpeBa дутья на каждые 100 rрад.
(Э С ) существенно зависит от расхода природноrо rаза и кислорода. Так, при работе на
атмосферном дутье без применения природноrо rаза экономия кокса от повышения
HarpeBa дутья от 900 до 1000 ос составляет 3,0 %, при работе с расходом природноrо
rаза 150 м 3 /т чуrуна 5 %, а при работе без применения природноrо rаза на дутье, обо
rащенном кислородом до 30 %, только 1,6 %.
Более высокая экономия кокса от HarpeBa дутья при работе с природным rазом
объясняется тем, что rраничная температура зон теплообмена (t r ) в этом случае BЫ
ше, а теплоотдача уrлерода (qc) ниже (рис. 29). Изменение qc на одну и ту же абсо
лютную величину (при HarpeBe дутья на 100 rрад.) дает, в случае работы с природ..
ным rазом, большее относительное изменение и большую экономию кокса.
При работе на обоrащенном кислородом дутье получается обратное соотношение,
что снижает экономию кокса от HarpeBa дутья. Кроме Toro, в этом случае значительно
ниже удельный расход дутья и соответственно количество вносимоrо им тепла при
HarpeBe на каждые 100 rрадусов.
При работе без применения природноrо rаза с обоrащением дутья кислородом до
30 % уже при ( д == 800+ 1000 ос печь работает по схеме одной нижней ступени тепло
обмена. Температура колошниковоrо rаза при дальнейшем увеличении HarpeBa дутья
не снижается, а может увеличиться. Теоретическая температура rорения превышает
2400 0 С, что создает напряжение условия работы низа печи и оrраничивает возмож"
ность увеличения HarpeBa дутья. Применение в этих условиях природноrо rаза при
водит к перемещению rраничной температуры зон в область более высоких значе
ний, снижению теплоотдачи уrлерода и увеличению эффективности HarpeBa дутья.
Но даже при этом эффективность остается более низкой, чем при атмосферном дутье
ввиду меньшеrо удельноrо расхода дутья. Низкий удельный расход дутья является
причиной меньшей экономии кокса от HarpeBa дутья при высоких концентрациях ки"
слорода (40..50 %) даже в случае высоких расходов природноrо rаза (рис. 65).
На рис. 66 иллюстрируется влияние удельноrо расхода кокса и железорудной
шихты на экономию от HarpeBa дутья при прочих одинаковых условиях ( s == 75 м 3 /т,
т== 21 %, ср== 2 % для всех вариантов расчета). Экономия кокса тем выше, чем выше
удельный расход кокса и соответственно дутья, а также количество rазов, приходя
щихся на единицу шихты. Это отношение (V /(R + k)) определяет температуру в
верхней зоне теплообмена: чем оно ниже, тем ниже температура в верхней зоне и
меньше эффективность HarpeBa дутья. При условии V /(R + k) < Cr./ сЬ (rде СМ и сЬ
удельные теплоемкости 1 Kr шихты на колошнике и 1 м 3 rаза), что соответствует
численному значению примерно Vф/(R + k) < 0,6 M 3 /Kr, верхняя зона теплообмена вы..
рождается, и печь работает по схеме одной нижней ступени теплообмена. Для вари..
анта с k == 385 Kr/T и R == 1600 Kr/T при принятом значении s == 75м3 /т И т == 21 % это
наступает при температуре дутья выше 1600 ос. В двух друrих вариантах TaKoro яв
ления не наблюдается. Величина экономии кокса от HarpeBa дутья (Э С ) в вариантах с
большим расходом кокса выше примерно во столько раз, во сколько больше удель..
ный расход кокса.
236
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlели llлавки
При сокращении расхода кокса количество восстановителей, приходящихся на
единицу окислов железа, снижается, а степень приближения rазовой смеси к paBHO
весному составу увеличивается. Одновременно уменьшается доля кокса и увеличива
ется доля железорудной составляющей. Первые два фактора действуют в направле
нии повышения степени прямоrо восстановления, а третий в сторону снижения. Pe
зультаты расчетов и различных опытов показывают, что при повышении HarpeBa дy
тья степень прямоrо восстановления увеличивается. В опытах на заводе фирмы
"Зальцrиттер" [328] она увеличилась на 2 % на каждые 100 rрадусов дополнительно
ro HarpeBa дутья. На Криворожском металлурrическом комбинате эта величина co
ставила в среднем 1,5 % [290]; в друrих опытах она была меньше или обнару
живалась только качественно.
2200
'::
...
1400
J800 . K,,,;J85,R=15DO 1000
" ., '...... I(NI,,557,H='8DO
JDOO \ \ · ,..... =787.К=lЛ. 800
\ '., IIJtJIJ I
\', ., .'. к
' , ' к .'. '."-. БОО
',. 1\,)
К , v......... ....... ' · ""'
, ...... ...... ...:.. ..
...............
......
чОО
900
1100
2500
2JOO
700 2000
о
... ....... ..
... 500 1900
JOO 1700
18 18,4
fc
(" Э С 15,2
10 12,0
....
6 8,8 ....
f
200 БОО 1000 1400 1800
5,6
Тенперотуро d!J,!,ЬЯ,. ос
Рис. 66. Изменение показателей доменной плавки при повышении
температуры дутья для вариантов, отличающихся удельным расходом
кокса (KIOO) и железорудной шихты (R) , Kr/T чуr.
(обозначения в тексте)
237
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlели llлавки
Расчеты по уравнениям, учитывающим эти факторы, дают значения величины по
вышения степени прямоrо восстановления (процент на каждые 100 rрадусов допол
нительноrо HarpeBa дутья) в пределах 0,8 1,2 % для интервала температур дутья 800
1150 ос. Эта величина зависит, rлавным образом, от экономии кокса и снижается при
увеличении температуры дутья.
Прирост производительности печи при повышении HarpeBa дутья зависит от Be
личины экономии кокса. Ero относительная величина ( П) определяется также изме
нением интенсивности плавки по rазу, которая во всех вариантах увеличения темпе
ратуры дутья снижается на 0,5 1,5 % на каждые 100 rрадусов дополнительной темпе
ратуры дутья.
Значения П в вариантах без применения природноrо rаза или с малым ero рас..
ходом при атмосферном и обоrащенном кислородом дутье несколько выше значения
Э С . В вариантах с высоким расходом природноrо rаза (s >100 м 3 /т) получается обрат
ное соотношение.
Результаты расчетов, представленные на рис. 65 и 66, предназначены для оценки
влияния HarpeBa дутья на основные показатели доменной плавки в широком диапа
зоне условий, существенно влияющих на эти показатели. В табл. 3.6 приводится чи
словая выборка из этих результатов, а под таблицей формула, обобщающая их.
Указанная оценка дается в "чистом виде", то есть при условном постоянстве дру"
rих факторов. Вместе с тем, сопутствующее повышению HarpeBa дутья увеличение
расхода природноrо rаза или мазута может значительно увеличить ero эффектив
ность, поскольку температурное поле печи сохранится на некотором рациональном
уровне. При этом снимаются оrраничения в эффективном увеличении температуры
дутья сверх HeKoToporo значения, определяемоrо условиями в тахте печи и темпера
турными условиями в [орне. Необходимый дополнительный расход вдуваемых ре а..
[ентов при повышении HarpeBa дутья может быть определен из условия постоянства
теоретической температуры rорения.
Таблица 3.6. Показатели эффективности HarpeBa дутья при различных
условиях доменнои плавки
k]ooo/R s (ь k900 k] ] 00 k] 300 k] 500 П900 П ] ] 00 П ] 300 П ] 500
650/1800 О 21 3,28 2,87 2,39 2,02 3,86 3,60 3,01 2,59
557/1800 75 21 4,04 3,43 2,79 2,33 4,28 3,86 3,11 2,61
477/1800 150 21 5,61 4,49 3,51 2,84 5,33 4,30 3,49 2,77
580/1800 О 30 1,73 1,66 1,50 1,35 2,18 2,00 1,85 1,75
523/1800 100 25 3,19 2,85 2,42 2,08 3,02 2,87 2,37 2,03
454/1800 150 30 2,83 2,61 2,27 2,00 2,24 2,15 1,82 1,58
408/1800 200 40 2,12 2,04 1,85 1,68 1,32 1,30 1,15 1,03
385/1800 250 50 1,74 1,71 1,59 1,47 0,91 0,91 0,82 0,74
385/1800 75 21 2,42 2,03 1,55 1,23 3,00 2,56 1,87 1,64
557/1800 75 21 4,04 3,43 2,79 2,33 4,28 3,86 3,13 2,61
787/21 00 75 21 5,06 4,32 3,62 3,10 4,84 4,48 3,63 3,13
дk == 35 0,8«(O 2]) .Дf д (спr+(v)
lд
30
Ы== .Д! (безпr+сv)
t д
д
[де k экономия кокса в процентах при повышении температуры дутья на 1000 от
заданноrо исходноrо уровня, обозначенноrо в таблице нижним индексом при l1k.
,
(3.] 7)
238
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlели llлавки
Расчет показывает, что при Т== 2000 + 200 ос дополнительный расход природноrо
rаза на каждые 100 rрадусов HarpeBa дутья должен быть 1 ,25 1,35 % расхода дутья;
для природных rазов разноrо состава этот показатель почти одинаков. Для мазута co
ответствующая величина составляет 17 18 r/M 3 дутья. При повышении HarpeBa дутья
в сочетании с таким увеличением расхода вдуваемых peareHToB экономия кокса зна
чительно возрастает.
Эффект от cOBMecTHoro применения повышенной температуры дутья и дополни
тельноrо расхода peareHToB может быть выше суммы эффектов от каждоrо из этих
мероприятий в отдельности. Это в особенности относится к режимам, соответствую
щим очень высоким или очень низким теоретическим температурам rорения. В пер
вом случае повышение HarpeBa дутья без соответствующеrо добавления peareHToB
приводит к ухудшению теплопередачи в верхней зоне печи, во втором увеличение
расхода peareHToB ухудшает условия конверсии уrлеводородов в фурменных очаrах.
В первом случае требуется увеличить расход уrлеводородов, во втором повысить
температуру дутья. В каждом из этих случаев оптимизация температурноrо поля пе
чи дает дополнительный эффект.
Прирост производительности печи при повышении HarpeBa дутья, сопровождае
мом увеличением расхода природноrо rаза, будет примерно таким же, как без добав
ления природноrо rаза при ero расходах 70 80 м 3 /т. При более высоких расходах
природноrо rаза прирост производительности от HarpeBa дутья с добавкой природно
ro rаза меньше, чем без добавки, и изменяется в соответствии с характером влияния
расхода природноrо rаза на производительность печи при условии, что до повыше
ния HarpeBa дутья с добавкой природноrо rаза температурное поле печи было на He
котором рациональном уровне. Если же оно отклонялось от этоrо уровня (характери
зовалось слишком высокой теоретической температурой rорения), то прирост произ
водительности при добавке природноrо rаза будет больше, чем без добавки.
rраница эффективноrо увеличения HarpeBa дутья при сопутствующем увеличении
расхода природноrо rаза и друrих уrлеводородов значительно сдвиrается в сторону
более высоких температур дутья. Однако она существует и при этих условиях, по..
скольку возможности увеличения расхода уrлеводородом оrраничены. Их максималь
ный расход зависит от условий конверсии уrлеводородов в фурменных очаrах, которые
тем лучше, чем удачнее орrанизован ввод peareHToB в фурмы. Поэтому повышение Ha
rpeBa дутья при сопутствующем увеличении расхода уrлеводородов должно сопровож
даться совершенствованием орrанизации ввода peareHToB в фурмы.
Друrие оrраничения эффективноrо увеличения HarpeBa дутья возникают в связи с
резким снижением удельноrо расхода дутья (высокая температура и обоrащение ки"
слородом при низкой теплопотребности шихты), что затрудняет получение нормально..
ro rазораспределения в печи. Эти rраницы не поддаются теоретическому определению,
а выясняются опытным путем. Эффективность HarpeBa дутья вблизи этих rраниц
меньше теоретической и может быть определена лишь из опыта.
3.4. Интенсивность плавки, стабильность параметров и размеры arperaToB
ИнпlенсuвноспlЬ Ilol1авкu U расход пlОl1лuвll
При постоянных условиях хода доменной плавки повышение интенсивности rope
ния кокса (I K ) путем увеличения расхода дутья в единицу времени вызывает изменение
удельноrо расхода кокса (к) по кривой с минимумом и соответствующее изменение
производительности печи (11) по кривой с максимумом. При этом интенсивность ro
рения кокса, соответствуюшая минимальному удельному расходу кокса (I Kl11il1 ), меньше
соответств у ющей максимальной П р оизводительности (Iп ). Различным У словиям
шах
239
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
плавки (по расходу природноrо rаза и кислорода, выходу шлака, температуре дутья и
др.) соответствуют разные абсолютные значения удельноrо расхода кокса, произ
водительности и интенсивности плавки, но экстремальный характер зависимости co
Х р аняется, хотя взаимное положение экст р ем ум ов ( IK . И I п ) может измениться.
шш шах
Эта закономерность, принципиально установленная А.Н. Раммом [329], качествен
но подтверждена мноrочисленными исследованиями, а ее количественное выражение в
различных условиях доменной плавки неодинаково [330].
Важнейшей характеристикой упомянутой закономерности является скорость изме
нения удельноrо расхода кокса с повышением интенсивности плавки. От величины
этой скорости и характера ее изменения зависит интервал значений интенсивности, в
пределах KOToporo увеличение расхода дутья в единицу времени приводит к повыше
нию производительности печи. В области низкой степени форсирования хода увеличе
ние интенсивности rорения кокса приводит к резкому улучшению rазораспределения в
печи, заметному снижению удельноrо расхода кокса и быстрому возрастанию произ
водительности.
Дальнейшее увеличение интенсивности плавки, напротив, повышает HepaBHO
мерность распределения rазовоrо потока по сечению и приводит к возрастанию удель
Horo расхода кокса. Чем больше скорость повышения удельноrо расхода кокса в этой
области и чем быстрее она увеличивается, тем меньше диапазон значений интенсивно..
сти, в пределах KOToporo ее увеличение позволяет повысить производительность при
некото р ом У величении Р асхода кокса ( диапазон /к . /п ).
шш шах
Влияние условий работы доменной печи на характер рассматриваемой взаимосвязи
изучали мноrие исследователи. Как показал r.r. Ефименко*, увеличение интенсивно
сти плавки при работе на шихте с низкой rазопроницаемостью приводит к резкому
возрастанию степени неравномерности rазораспределения и к быстрому увеличению
Р асхода кокса, что не позволяет пол у чить в области значений lK . lп значительноrо
шш шах
прироста производительности. Применение шихты с высокой rазопроницаемостью
способствует меньшему возрастанию расхода кокса с повышением интенсивности пла
вки и соответственно большему приросту производительности блаrодаря более paBHO
мерному распределению железорудной шихты по сечению печи.
Друrим важным фактором, влияющим на характер рассматриваемой взаимосвязи,
**
является выход rаза на единицу шихты. А.Б. Шур показал, что при высокой теплопо
требности шихты, обусловленной большим выходом шлака, вводом в шихту cbIporo
флюса, низкой температурой дутья и др., коrда удельный расход кокса и выход rаза Be
лики, повышение неравномерности rазораспределения слабо влияет на расход кокса,
что позволяет получать значительный прирост производительности от повышения рас..
хода дутья в единицу времени при небольшом возрастании расхода кокса. Влияние
степени неравномерности rазораспределения на удельный расход кокса возрастает при
уменьшении удельноrо расхода кокса и выхода rазов на единицу шихты, что резко со..
К р ащает инте р вал lK . .. /п и У меньшает П р и р ост П р оизводительности от повышения
шш шах
интенсивности плавки при увеличении расхода дутья в единицу времени.
В ряде случаев оrраничения возможности форсирования хода процесса обусловле..
ны нерациональной орrанизацией rазораспределения в ropHe: недостаточным числом
* ЕфИ\lенко r.r. Технолоrические закономерности управления :I,OMeHHbIM процессом и rазопроницаемость шихты:
Автореферат, дисс. докт. техн. наук. М.: МИСиС, 1971.
** Шур А.Б. Тепловая работа ДО\lенной печи и ее связь с распределением rазовых потоков: Автореферат, дисс.
канд. техн. наук. л.: ЛПИ, 1965.
240
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
фурм, неудачным выбором их диаметра и высова и др. В этом случае наблюдается рез
кое увеличение расхода кокса при повышении расхода дутья в единицу времени.
Устранение этоrо оrраничения приводит к ослаблению влияния интенсивности
плавки на удельный расход кокса [331].
Для изучения этих зависимостей в условиях KrrMK "'Криворожсталь" обработали
показатели работы доменных печей при разной интенсивности плавки и относитель
но постоянных внешних условиях. Единичные периоды продолжались до 10 суток.
Объем совокупности, по которой определяли зависимость расхода кокса от интен
сивности плавки, составлял 30 35 единичных периодов.
В пределах этой совокупности диапазон изменения условий плавки был следую
щим:
расход природноrо rаза, мЗ/т чуrуна + 5;
концентрация кислорода в дутье, % + 0,2;
температура дутья, rрад. + 15;
выход шлака, Kr/T чуrуна + 10.
Связь удельноrо расхода кокса с интенсивностью плавки находили методами Ma
тематической статистики в форме параболы, используя для анализа только статисти
чески надежные результаты (доверительная вероятность не ниже 95 %). Кроме Toro,
для анализа использовали ранее полученные взаимосвязи [332].
Результаты обработки приведены на рис. 67. Средние условия работы печей А, Б,
В в периоды 1..3 (нижний индекс) следующие:
Показатели Аl Б 1 А 2 В Аз Б 2 Б з
Содержание железа в шихте, % 47,5 48,5 51,0 50,8 54,6 54,0 52,8
Температура дутья,ОС 1050 1000 1000 1050 1120 1080 1085
Расход природноrо rаза, м З /т чуryна 100 80 95 75 117 98 75
Содержание кислорода в дутье, % 21 21 21 21 27,5 26,5 25,0
Удельный расход кокса*, Kr/T чуr. 520 630 510 490 500 525 510
в периоде Аl доменные печи объемом 2000 м З работали на шихте с низкой rазо..
проницаемостью с подrруженной периферией и центром. В этих условиях попытки
форсирования хода путем увеличения расхода дутья приводили к резкому увеличе
нию расхода кокса. Увеличение интенсивности по коксу от 720 до 735 740 кr/м З в сут"
ки сопровождалось повышением расхода кокса примерно на 1 % на каждый дополни
тельный процент ее увеличения. Общий прирост производительности составлял при
этом не более 1 %, а перерасход кокса достиrал почти 2 %. Дальнейшее увеличение
интенсивности плавки приводило к повышению удельноrо расхода кокса более чем
на 1 %, и к снижению производительности печи.
Лечь объемом 1719 м З (Б 1 ), работавшая на более бедной шихте, с меньшей темпера
турой дутья и большей степенью неравномерности rазораспределения, чем печи объе..
мом 2000 м З , имела, кроме Toro, высокие теплопотери. Эти факторы обусловили более
высокий средний удельный расход кокса и выход rаза на этой печи (на 15 20 %). Ви
димо, по этой причине влияние интенсивности rорения кокса на ero удельный расход
здесь было значительно меньшим, чем на печах объемом 2000 м З .
В последующий период произошло заметное общее улучшение качества шихты
на заводе и, кроме Toro, на печах объемом 2000 м З был орrанизован отсев мелочи из
аrломерата перед заrрузкой ero в скип. Улучшение rазопроницаемости столба шихты
*
На разных печа\. в рассматриваемые периоды при меняли кокс различноrо качества.
241
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
резко уменьшило скорость роста удельноrо расхода кокса при повышении интенсив
ности плавки, в особенности на печах объемом 2000 м з (В. печь объемом 1386 м з ,
А 2 2000 м з ).
) ()
t:::s'"
t::i
104
в 1
I I
Az I
II
I I I I
I I 11
А., I :
8 I 11
52
I I 11 I I
III AJ
I
Z O
I
t:::i"'
2
a'i
'
t...3 о
10В
2,8
........................
100
720
760
1 I 1
!ои 10'1 108 112 116 120 100 104 108
OOlJCI1HOR интенси8ность ёОрСНUЯ кокси,
K2j H .J c тKи (0/0)
800
.8'10
I
880
,
920
I
950
7000
,
Рис. 67. Зависимость удельноrо расхода кокса и скорости ero изменения
от интенсивности плавки (обозначения в тексте)
В дальнейшем шихта доменных печей по физическим свойствам была несколько
лучшей, чем в предшествующие rоды, а удельный выход rазов уменьшился в резуль..
тате обоrащения дутья кислородом. Блаrодаря применению кислорода в дутье был
достиrнут более высокий уровень интенсивности rорения кокса. В этих условиях на
всех печах резко увеличилась скорость прироста расхода кокса при форсировании
плавки путем повышения расхода дутья (Аз печь объемом 2000 м з , Б 2 И Б з
1719 м з ). Увеличение интенсивности rорения кокса на печах Б ъ Аз и Б з сверх 960,
950 и 915 кr/м З сутки приводило к повышению расхода кокса более чем на 1 % на
каждый дополнительный процент повышения интенсивности и к снижению произво
дительности печи. Общий прирост производительности в интервале от /K l1l in до YKa
занных значений интенсивности составлял 1 3 %.
Одной из причин большеrо влияния интенсивности плавки на расход кокса в (Аз,
Б ъ Б з ) моrло быть снижение количества rазов, приходящихся на единицу шихты. Xo
тя это снижение произошло не в связи с уменьшением количества восстановителей, а
вследствие сокращения количества азота, оно моrло все же повлиять на характер за
висимости расхода кокса от интенсивности плавки.
При рассмотрении друrих возможных причин следует обратить внимание на бо..
лее высокий средний уровень интенсивности rорения кокса в (Аз, Б ъ Б з ) и соответст..
вен но меньшее время пребывания материалов в печи. В периодах (А., Б.) время пре..
242
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
бывания материалов в печи составляло 8 9 часов, в периодах (А ъ В) оно сократилось
до 7 8 часов, а в (Аз, Б 2 , Б з ) до 6 7 часов.
Для анализа влияния времени пребывания материалов в печи на расход тепла и
кокса при условно постоянном распределении материалов и rазов по сечению BOC
пользовались рассмотренной в rлаве 1 математической моделью теплообмена в дo
менной печ и [38].
Значение коэффициента теплопередачи rазов приняли пропорциональным их
средней температуре. В верхней зоне величину а в при теоретической температуре
Т== 2000 ос и суммарном времени пребывания материалов L1: == 8 час приняли равной
460 вт/(мз.к), а при друrих параметрах изменяли в разных вариантах в зависимости
от средней температуры rазов. В нижней зоне величину ан приняли равной
630 вт/(мз.к). Объемы материалов в верхней и нижней зонах приняли COOTBeTCTBeH
но 2,0 и 1,3 м з /т чуrуна. Расчет провели для двух вариантов с величинами полезной
теплопотребности процесса (Q, МДж/кr чуrуна) 1 4,2, 11 3,5 при ряде значений Т и
изменении cYMMapHoro времени пребывания материалов в печи от 2 до 16 часов.
Результаты расчета представлены на рис. 68 в виде зависимости минимальной по BЫ
соте печи разности температур шихты и rаза, температуры колошниковоrо rаза и общеrо
количества подаваемоrо в печь тепла от времени пребывания материалов в печи.
I1t
400 \ 2""00 (),
'.' 2200
JOО , 2000.
2tJO 1800
100 2400
1500
tl(
,
800 \
БОО
"00
QE 21;00
9,6 "
8
8,0
7,2
44
5,6
4,8
4,0
2
Oz
1800
,
,
21;00 2200. 2000 -
........
4 5 8 10 12 1/; 16 2 ч б 8 10 12 7ч 16
Вреt1Я лреоыDОНLJЯ t10териоло!J В ne'lU, l/
1БОО
\.
1800 2000 2200
Рис. 68. Зависимость минимальной по высоте печи разности температур
шихты и rаза ( t), температуры колошниковоrо rаза (t K ) и общеrо расхода
тепла (Q ) от времени пребывания материалов в печи при двух значениях
общей теплопотребности шихты Ql и Q2 И различных значениях
теоретической температуры rорения Т,ОС (цифры у кривых)
243
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
При всех значениях Т и Q уменьшение времени пребывания материалов в печи
приводит к увеличению минимальной разности температур шихты и rаза, температу
ры колошниковых rазов и повышению расхода тепла на процесс.
В области высоких значений 't (более 8 часов) влияние ero изменения на указан
ные параметры незначительно, особенно при больших теоретических температурах
rорения (2200 2400 ОС). При 't < 7 часов влияние изменения времени пребывания
материалов в печи на общий расход тепла и степень ero использования усиливается и
становится тем большим, чем меньше это время. Для 't == 6 7 ч и Т == 1900 2000 ос
повышение скорости схода шихты на каждые 1 О % лриводит К повышению темпера
туры колошниковоrо rаза на 20 25 rрадусов и к увеличению расхода тепла на 1,3
1,7 %.
Таким образом, при времени пребывания материалов в печи 6 7 часов повышение
интенсивности плавки на 1 % может привести К увеличению расхода кокса примерно
на 0,15 % только вследствие ухудшения теплоотдачи в столбе шихты при данных ки
нетических характеристиках теплообмена.
Анализ уравнений кинетики восстановления оксидов железа в противотоке пока
зывает, что уменьшение времени пребывания материалов в печи приводит к сниже
нию степени непрямоrо восстановления. Обусловленный этим перерасход кокса по
величине соизмерим с ero увеличением от ухудшения теплоотдачи в столбе шихты
при таком же ускорении схода. Суммарное увеличение расхода кокса от уменьшения
времени пребывания материалов в печи на 1 % в интервале 5 7 часов составляет OKO
ло 0,3 %. При времени пребывания материалов в печи более 8 часов эта величина по
лучается незначительной (менее 0,1 %), а при T == 4 .. 6 часов она увеличивается до
0,4 0,5 %.
Следует иметь в виду, что при уменьшении времени пребывания материалов в пе
чи расход кокса увеличивается независимо от причины ускорения схода шихты. Если
ускорение схода было вызвано мероприятиями, способствующими снижению pacxo
да кокса (обоrащением дутья кислородом при соответствующем повышении расхода
природноrо rаза, выводом мелочи из шихты и др.), то оно уменьшает экономию кок..
са от этих мероприятий при условии, что к моменту их внедрения обшее время пре..
бывания материалов в печи достиrло 6 .. 7 часов.
Если же сход шихты ускорен в результате увеличения расхода дутья при неиз..
менных друrих условиях, то он способствует более быстрому росту расхода кокса с
повышением интенсивности плавки.
Средняя скорость возрастания расхода кокса при повышении интенсивности плавки
в периодах работы доменных печей Криворожскоrо металлурrическоrо комбината с
обоrащением дутья кислородом до 25 27,5 % (Аз, Б 2 и Б з на рис. 67) составляет около
1 %. Из результатов проведенноrо анализа следует, что сушественная доля этой вели
чины обусловлена уменьшением времени пребывания материалов в печи (0,2 %).
Совершенствование технолоrии доменной плавки приводит к дальнейшему сни..
жению времени пребывания материалов в печи и уменьшению количества rазов на
единицу шихты (в результате сокрашения расхода кокса и обоrащения дутья кисло..
родом) при улучшении rазопроницаемости столба материалов. Первые два фактора
усиливают влияние интенсивности плавки на удельный расход кокса, а третий ос..
лабляет ero.
При различном сочетании BToporo и TpeTbero факторов в перспективе можно было
бы ожидать разноrо характера взаимосвязи I K к. Однако, уменьшаюшееся время
пребывания материалов в печи будет сдвиrать соответствуюшие кривые в сторону
усиления роста расхода кокса с повышением интенсивности плавки.
244
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
КО./lебанuя COCnlaea ШUХnlЫ и l1apa.JlenlpOB
Влияние колебаний состава шихты и параметров плавки на показатели работы
доменной печи обусловлено тем, что вызванные ими колебания состава и температу
ры чуrуна, а также потерь напора rазов в столбе шихты способствуют выходу OT
дельных величин за пределы оrраничений, обусловленных требованиями к составу
чуrуна условиями ero последующеrо передела, а также необходимостью поддер
жания pOBHoro хода печи при любых колебаниях параметров противотока.
Поддержание состава чуrуна в пределах оrраничений достиrается за счет сдвиrа
среднеrо содержания соответствующеrо компонента в сторону, противоположную
оrраничению, на величину тем большую, чем больше ero колебания. При колебаниях
rазодинамических параметров необходимо снизить средний перепад давления rазов в
печи от предельно возможноrо на величину тем большую, чем больше ero колебания.
Реализация сдвиrа достиrается за счет избыточноrо расхода материальных и энерrе
тических ресурсов или уменьшения степени форсирования плавки.
Частотный состав колебаний параметров доменной плавки и компонентов шихты
разнообразен. Высокочастотные колебания отфильтровываются доменной печью,
низкочастотные пропускаются. Наиболее существенно на показатели доменноrо
процесса влияют колебания с частотой, близкой ко времени переходноrо процесса по
данному каналу.
Для оценки этоrо влияния воспользуемся некоторыми из ранее выдвинутых нами
положений [333]:
отклонения являются случайными величинами и распределяются по нормаль..
ному закону;
вероятность отклонений параметров в "опасную" сторону должна уменьшаться
пропорционально росту амплитуды колебаний.
Рассмотрим rруппу факторов, непосредственно влияющих на тепловое состояние
печи, температуру и состав чуrуна. К ним относятся: содержание железа в шихте,
влажность и зольность кокса, температура и влажность дутья, расход природноrо ra
за, а также соотношение масс заrружаемых железорудных материалов и кокса и их
распределение на колошнике. Колебания указанных параметров приводят к колеба
ниям тепловоrо баланса печи и соответствующим отклонениям от средних значений
содержания кремния в чуrуне и ero температуры. Соответственно колеблется и по..
требность кокса для процесса.
Пусть величина среднеквадратичноrо отклонения потребности кокса составляет
а к (%). Для предотвращения отклонений тепловоrо режима в сторону похолодания
необходим "запас кокса" в печи, который с заданной вероятностью обеспечивал бы
количество тепла в ropHe не ниже требуемоrо уровня.
"Запас кокса", соответствующий отклонениям потребности кокса в пределах + х
среднеквадратичных отклонений (а к ), обеспечивает предотвращение похолоданий с
вероятностью [334]:
] + f x
Ф(х) == . е 2 . dx .
.J2тc
x
(3.1 8)
При этом остаточная вероятность похолодания составляет
+00 х 2
1 f
F(x) = Б, ' е 2.dx.
x
(3.19)
245
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Определим вероятность похолоданий и "запас кокса" для ряда значений а к от 0,5
до 3,0 %. Примем для наименьшеrо из них вероятность предотвращения похолодания
соответствующей двум среднеквадратичным отклонениям, то есть 0,954. Тоrда oc
таточная а к вероятность похолодания Р(х) для этоrо значения составляет 0,023, что
соответствует допустимости 2,3 % случаев незначительных по величине похолода..
ний (а к == 0,5 %). Для больших значений а к вероятность похолоданий должна быть
О 23 . О 5 "
пропорционально ниже: ' ' . По таблиuам интеrрала вероятностеи определим
а к
соответствующие значения х и "запас кокса" х . а к . Полученные величины "запаса
кокса" (х . а к ) можно аппроксимировать зависимостью:
х . бl{ == 2,8 . . 0,5. (3.20)
Показатели Значения
. 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
F(x) 0,023 0,0115 0,0077 0,0057 0,0046 0,0038
х 2,0 2,26 2,42 2,53 2,61 2,67
х. . 1,0 2,26 3,63 5,06 6,52 8,01
При уменьшении колебаний потребности кокса на величину aK снижается запас
кокса с получением ero экономии 2,8 . а к (%) и появляется возможность снижения
среднеrо содержания кремния в чуrуне на величину Д(Si) == 2,8 . ДО-к (%), rде 12 дo
]2
полнительный расход кокса в процентах, соответствующий повышению содержания
кремния в чуrуне на 1 %.
Колебания потребности кокса зависят от колебаний технолоrических факторов,
влияющих на тепловой баланс плавки. Связи между величинами колеблемости фак
торов и потребности кокса определяются теми же соотношениями, что для средних
значений факторов и расхода кокса. Экономия кокса от уменьшения колебаний Tex
нолоrических факторов, влияющих на материально тепловой баланс, составляет:
Эк == 2,8 . <Jф . k ф , (3.21)
rде <Jф величина уменьшения среднеквадратичноrо отклонения HeKoToporo факто
ра; k ф величина влияния фактора на удельный расход кокса, %.
При колебаниях тепловоrо режима происходят изменения температуры rазовоrо
потока, так как количество rазов не изменяется. Колебания температуры определяют
колебания перепада давления rазов в столбе шихты. Поскольку перепад давления в
первом приближении пропорционален температуре rазов, то колеблемость ero можно
считать пропорциональной величине а к .
Для сохранения pOBHoro хода печи в условиях колебаний перепада давления rазов
требуется снизить ero среднее значение до уровня, при котором отдельные отклоне..
ния не превысят максимально допустимоrо значения для данной печи с высокой Be
роятностью. Величину "запаса перепада" определим из тех же соотношений, что и
"запас кокса". При этом возможность ero повышения при уменьшении колебаний co
ставит 2,8 . <Jф (%), а увеличение интенсивности плавки (%) определится из соотно"
шения:
I = ( I + 0,01.2,8. aK 1 ).100. (3.22)
Ниже приводятся результаты оценки возможных величин экономии кокса (ЭК),
повышения интенсивности плавки ( I) и производительности печи ( П), а также
246
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
снижения среднеrо содержания кремния в чуrуне ( [Si]) и ero среднеквадратичноrо
отклонения ( <Js) при уменьшении колебаний различных технолоrических факторов
( <Jф), выполненной исходя из указанных предпосылок.
Наименование факторов <Jф k ф , % Эк, I, П, [Si], <JSi'
% % % % %
Влажность кокса 1% 1 2,80 1,39 4,19 0,23 0,08
Зольность кокса 1% 1,3 3,64 1,80 5,44 0,30 0,11
Поrpешность дозирования шихты 1% 1 2,80 1,39 4,19 0,23 0,08
Содержание железа в шихте 1% О 7:t: 1,96 0,98 2,94 0,16 0,06
,
Температура дутья 10° 0,3 0,84 0,42 1,26 0,07 0,025
Влажность дутья 1% 1,6 4,48 2,22 6,70 0,37 0,13
Расход природноrо rаза 10 1,5 4,20 2,08 6,28 0,35 0,12
м 3 /т
'"
При повышении содержания железа в шихте на 1 % увеличивается выход чуrуна
на 100/ % Fe проuентов, но сокращается удельная потребность кокса на 1,4; 1,2; 1,0 %
при содержании железа соответственно до 50, 55+55 и 55+60 %. В результате возни
кает дефицит кокса в печи 0,7 % при всех вариациях.
Рассмотрим влияние колебаний основности доменной шихты на удельный расход
кокса и производительность доменной печи.
Пусть заданный уровень основности шихты обеспечивает выплавку чуrуна задан..
Horo состава, например, содержание серы в чуrуне не выше требуемоrо. В случае OT
клонения основности от этоrо уровня содержание серы в чуrуне в отдельных случаях
будет превышать заданную максимально"допустимую величину. Для исключения
этих случаев требуется поддерживать "запас основности", что достиrается подачей в
печь избыточноrо количества извести. При этом имеет место повышенный выход
шлака и перерасход кокса. Уменьшение величины колебаний основности позволяет
снизить "запас основности" и за счет уменьшения выхода шлака получить экономию
кокса и прирост производительности печи. Определим вероятность отклонений oc
новности в "опасную сторону" и требуемый "запас основности" для ряда значений
среднеквадратичноrо отклонения основности а в от 0,01 до 0,10. Примем для наи..
меньшеrо из них вероятность отклонения в ""опасную" сторону не более 0,023. Для
О 023 . О О 1
остальных значений а в она составит ' ' . По таблицам интеrрала вероятностеи
о"в
определим соответствующие значения х и "запас основности" х . а в :
Пока Значения
затели
а в 0,0] 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10
F(x) 0,023 0,0115 0,008 0,006 0,0041 0,004 0,0033 0,003 0,0026 0,0023
х 2,0 2,26 2,41 2,52 2,64 2,66 2,72 2,75 2,80 2,84
х . а в 0,020 0,045 0,072 0,100 0,132 0,160 0,190 0,220 0,252 0,284
Полученные величины "запаса основности" (х . а в ) можно аппроксимировать за
висимостью:
х . а в == 2,9 . а в 0,01. (3.23)
247
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Уменьшение колебаний основности на величину aB позволяет снизить "запас
основности" на 2,9 . aB' При этом уменьшается количество шлака на:
2,9 . aB . (Si0 2 ) . Ш (Kr),
rде (Si0 2 ) содержание кремнезема в шлаке, Kr/Kr; Ш удельное количество шлака,
Kr/T чуrуна.
Экономия кокса от уменьшения выхода шлака на каждые 100 Kr/T чуrуна COCTaB
ляет 3,5 %, а прирост производительности 6,0 и %. При снижении среднеквадратич
Horo отклонения основности на каждую 0,01 ед. для условий, коrда (Si0 2 ) == 0,38, а Ш
== 500 Kr/T, экономия кокса составит 2,9 . 0,01 . 0,38 . 500 . 0,035 == 0,19 %, а прирост про..
изводительности 2,9 . 0,01 0,38. 500 . 0,060 == 0,33 %. Для условий, коrда выход шлака
составляет 300 +- 350 Kr/T чуrуна соответствующие величины в 1,5 раза меньше. По
аналоrии с изложенным определим влияние колебаний конuентраuии кислорода в
дутье на производительность доменной печи.
При постоянном расходе дутья в единицу времени изменения концентрации в нем
кислорода (ю, %) приводят К изменениям количества фурменных rазов. При исход..
ной концентрации кислорода 21 % увеличение ее на 1 % приводит К увеличению KO
личества фурменных rазов в единицу времени на ( 1,22 l ] .100 == 0,8 %, а при 40 % .. на
1 21
( ],41 I J .I00==0,7 %. В среднем для рабочеrо диапазона концентраций кислорода в
1,40
дутье указанная величина составляет 0,75 %.
Отклонения в сторону увеличения количества фурменных rазов MorYT привести к
возрастанию перепада давления за пределы допустимоrо значения. Поэтому требует..
v
ся снижение среднеи интенсивности по rазу на величину, пропорциональную сред..
ней амплитуде колебаний концентрации кислорода в дутье, то есть создание "запаса
интенсивности". Определим величину ero для значений среднеквадратичноrо откло..
нения содержания кислорода в дутье от 0,1 до 1,0 %. Пусть для первоrо из этих зна..
чений вероятность отклонения в ""опасную" сторону не превышает 0,023. Тоrда для
О 023 . О ]
остальных она составит ' , Определим соответствующие значения х и величины
б(()
"запаса интенсивности" 0,75 . х . О"Ы.
Показате.. Значения
ли
О"Ы 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00
F(x) 0,023 0,0115 0,008 0,006 0,0041 0,0040 0,0033 0,0030 0,0026 0,0023
х 2,0 2,26 2,41 2,52 2,64 2,66 2,72 2,75 2,80 2,84
075 . х . О"Ы 0,15 0,34 0,54 0,76 0,99 1,20 1,43 1,65 1,89 2,13
Полученные величины ""запаса интенсивности" (075 . х . О"Ы) можно аппроксими
ровать зависимостью:
075 .х. О"Ы ==2,18. O"ы 0,07. (3.24)
Уменьшение колебаний концентрации кислорода в дутье на O"Ы позволяет сни
зить ....запас интенсивности", вести процесс с большей степенью форсирования и по
лучить прирост производительности 2,18 . O"ы, или 2,18 % на каждый 1 % уменьше
ния среднеквадратичноrо отклонения концентрации кислорода в дутье.
248
3. ВЛllЯllllе 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКlI
На основе изложенноrо эффективность уменьшения колебаний параметров дo
менной плавки от характерных для практики до минимально возможных величин
может быть оценена следующими значениями экономии кокса, прироста производи
тельности и снижения среднеrо содержания кремния в чуrуне ( ф фактический
размах колебаний для 95 % случаев; ()ф соответствующее этому размаху cpeДHeKBa
дратичное отклонение; l1lin, D;llin минимально возможные величины указанных па
раметров):
Параметры и их ф l1lin ()ф O;lli n Эк, % П,% [Si], O"Si'
размерность % %
Влажность кокса, % + 2,0 + 0,5 1,0 0,25 2,1 3,1 0,17 0,06
Поrрешность дози + 1,0 + 0,5 0,5 0,25 0,7 1,0 0,06 0,02
ровки шихты, %
Содержание железа в + 1,0 + 0,5 0,5 0,25 0,5 0,73 0,04 0,015
шихте, %
Основность шихты, + 0,1 + 0,02 0,05 0,01 0,5+0,8 0,9+ 1,3 ***
Kr/Kr
Температура дутья, + 30 + 10 15 5 0,8 1,26 0,07 0,025
ос *
Расход природноrо + 10 + 4 5 2 1,2 1,9 0,10 0,035
3 **
rаза, м /т
Содержание кис.. + 1,0 + 0,4 0,5 0,2 0,6
лорода в дутье, %
'1'
при переходе с одноrо воздухонаrревателя на друrой;
в зимнее время;
***
меньшее значение при выходе шлака 300..350 Kr/T, большие при 500 Kr/T.
**
Таким образом, общая величина возможноrо эффекта от уменьшения колеблемо
сти параметров доменной плавки оценивается экономией кокса 5 6 % и приростом
производительности 9 1 О % при снижении среднеrо содержания кремния в чуrуне на
0,4 % и ero среднеквадратичноrо отклонения на 0,15 О;Ь.
ВлиЯllие оксида "",аzния в ,и,,1аке на ход ",,1авки и cocпlae чуzуна
Получение низкокремнистоrо чуrуна (0,2 0,3 %), качественноrо по содержанию
серы, возможно при значительном снижении колеблемости химическоrо состава же
лезорудноrо сырья и улучшении качества кокса; производстве сырья, в котором
кремнезем будет связан в трудновосстановимые силикаты; контроле химическоrо co
става Bcero сырья в потоке; работе на устойчивом по температуре плавления и вязко
сти шлаке. Самый простой и реальный путь создание устойчивоrо шлаковоrо pe
жима путем изменения основности шлака и соотношения содержания rлинозема и
маrнезии в нем [335].
Экспериментально установлено, что в условиях металлурrических предприятий
Украины свойства шлаков улучшились (повышались их HarpeB и подвижность), ко..
rда содержание маrнезии превышало количество rлинозема, а основность CaO/Si0 2
снижалась. Соотношение содержания rлинозема и маrнезии в шлаке поддерживали
меньшим единицы [336 338]. Аналоrичные результаты получены в опытах на HeKO
торых предприятиях России [339]. При содержании А1 2 О з в шлаках 10 12 % устойчи
249
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
вость их свойств И десульфурирующая способность улучшались по мере увеличения
содержания MgO до 1 o 15%.
Работа на устойчивых шлаках позволяет выплавлять чуrун с низким содержанием
кремния и серы даже при малом выходе шлака. В качестве примера на рис. 69 приве
дено изменение содержаний серы и кремния в чуrуне завода фирмы CSM (Бразилия).
Доменные печи работают на боrатой шихте, состоящей из смеси аrломерата (78 %),
окатышей (10 %) и сырой rематитовой руды (12 %). Коксом вносится серы 2,8
3,0 Kr/T чуrуна. Изолинии 1 9 отражают изменение содержаний серы и кремния в чу
rYHe в зависимости от основности СаО / Si0 2 и соотношения содержаний rлинозема и
маrнезии в шлаке. Ломаными линиями обозначены поля (А и Б) экспериментальных
точек, которые отличаются составом и выходом шлака.
1,18
5
1,26
22
1,10
1. 06
1
1.0Z
0,8 1.0 1,2 1,'1 1,6 0,8 1,0 1,l 1," 1,0
А 1 z 0 J /MgO
Рис. 69. KapTorpaMMbJ изменения содержания серы и кремния в чуrуне:
А поле точек обычноrо шлаковоrо режима; Б измененноrо;
а содержание серы, % (1 0,006; 2 0,007; 3 0,008; 4 0,014; 5 0,020;
6 0,026; 7 0,032; 8 0,038; 9 0,044); б содержание кремния, %
(] 0,1 о; 2 0,20; 3 0,30; 4 0,40; 5 0,50; 6 0,60; 7 0,70)
Поле А плавку выполняли по обычной технолоrии. Основность шлака изменя
лась от 1,06 до 1,26, соотношение содержаний rлинозема и маrнезии от 1,42 до
1,80, выход шлака 290 Kr/T чуrуна. По внешнему виду шлаки вязкие, затвердевали на
канаве. Для придания хорошей подвижности во время выпуска шлака на канаву до..
бавляли NaCl.
В указанных пределах колеблемости состава шлака минимальное содержание се..
ры в чуrуне составляло 0,014 % (изолиния 4), максимальное 0,044 % (изолиния 9).
Содержание кремния в чуrуне изменялось от 0,30 (3) до 0,79 % (7). Минимальному
содержанию серы в чуrуне соответствовало максимальное содержание кремния.
С целью улучшения физических свойств шлака увеличили в нем содержание Mar
незии (поле Б), повысив ее количество в аrломерате. Соотношение содержаний rли
нозема и маrнезии снизили от 1,2 до 0,8. В результате вывода из шихты кварцита BЫ
ход шлака уменьшился до 250 Kr/T чуrуна. Основность шлака СаО / Si0 2 стремились
поддерживать на уровне 1, 1 o 1,18, однако в обоих случаях (поле А и Б) она измени
250
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
лась от 1,06 до 1,26 вследствие колеблемости химическоrо состава железорудноrо
сырья и, rлавным образом, из за отсутствия оперативноrо реrулирования тепловоrо
состояния. Независимо от содержания кремния в чуrуне рудную наrрузку изменяли в
ту или друrую сторону на одинаковую величину 1 раз в сутки по сложившейся в цехе
традиции.
При измененном составе шлака интервал содержания серы в чуrуне составил
0,006 0,032 % (поле Б) против 0,014 0,044 % (поле А), а кремния соответственно
0,11..0,64 % (поле Б) и 0,30..0,79 % (поле А). При работе на устойчивом шлаке BЫ
плавка чуrуна с содержанием серы, не превышающем 0,020 %, возросла в 4,4 раза, а с
содержанием кремния не более 0,4% в 2,9 раза.
Ниже приведены пределы изменения содержаний серы и кремния и средние их
значения (%) при различном шлаковом режиме (числитель обычный режим, знаме
натель измененный):
[S]"'T < 0,008 0,009 0,0 14 0,0 15 0,020 0,021..0,026
0 , 014 0 , 018 0 , 024
[S] ер
0,007 0,012 0,018 0,023
0 , 70 0 , 76 0 , 50 0 , 78 0 , 35 0 , 79
[Si]чуr
0,43 0,62 О, 15 0,64 О, 12..0,57 О, 16 0,51
0 , 73 0 , 67 0 , 60
[S i] ер
0,52 0,4] 0,31 0,26
[S]ч\'r 0,027..0,032 0,033..0,038 0,039..0,044
[S] ер 0 , 030 0 , 035 0 , 042
0,029 0,037 ..
[Si]чуr 0 , 37..0 , 78 0 , 37..0 , 77 0 , 27..0 , 78
0,11..0,53 0,3 1..0,40 ..
[S i] ер 0 , 56 0 , 57 0 , 44
0,24 0,36
Даже при отсутствии оперативноrо реrулирования тепловоrо состояния снизи
лись пределы колеблемости содержания кремния, а среднее ero значение уменьши
лось в 1 ,6 2,3 раза при практически одинаковом содержании серы в чуrуне в услови
ях работы на устойчивых шлаках.
На KapTorpaMMe четко определены области оптимальных значений (области yc
тойчивых шлаков) изменения основности и соотношения содержаний rлинозема и
маrнезии в шлаке (области 1, 11, 111), при которых содержание серы и кремния не пре..
вышало определенноrо значения. Эти области оrраничены изменением соотношения
содержаний rлинозема и маrнезии 0,85..1,1 О и основности 1,26..1,20; 1,20..1,13 и 1,] 3..
1,06 соответственно. В указанных областях содержание серы не превышало 0,017 %,
минимальное 0,007 %; 0,026 и 0,010 %, 0,026 и 0,006 %, а содержание кремния 0,52 и
0,35 %; 0,45 и 0,16 %, 0,62 и 0,22 % соответственно.
При постоянном значении соотношения содержаний rлинозема и маrнезии повы
шение основности способствует снижению содержания кремния в чуrуне и тем за
метнее, чем ниже соотношение содержаний rлинозема и маrнезии. При этом co
держание серы в чуrуне сохраняется неизменным или незначительно увеличивается
при уменьшении соотношения содержаний rлинозема и маrнезии.
При оперативном реrулировании тепловоrо состояния можно снизить содержание
кремния в чуrуне при незначительном увеличении содержания серы. Например, если
для указанных областей соотношение содержаний rлинозема и маrнезии поддержи..
251
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
вать на уровне 0,85 1,1 О, а основность в пределах 1 ,20 1,26, то содержание серы в чу
rYHe не будет превышать 0,017 %, а минимальное 0,007 %. При этом максимальное
содержание кремния в чуrуне составит 0,52 %, а минимальное 0,35 %.
Для области 11 содержание серы не превышает 0,026 %, минимальное 0,010 %,
кремния 0,45 и 0,16 %. В области 11 I соответственно 0,026 и 0,006 и 0,62 0,22 %.
За счет повышения устойчивости шлака экономия кокса на доменных печах фир
мы CSN составила 8 1 О Kr/T, производительность увеличилась на 3 %.
Решая задачу повышения устойчивости свойств шлаков при малом их количестве,
в большинстве стран Европы увеличили содержание MgO до величин, близких к co
держанию А1 2 О з и превышающих их [340].
Особенности управления качеством чуrуна в условиях Индии, в частности Дурrа
пурскоrо металлурrическоrо завода (Durgapur Steel Plant DSP) определяются BЫCO
ким содержанием А1 2 О з в сырьевых материалах (до 4 %) и нестабильным составом
уrольной шихты, дающим изменение доли золы в коксе от 21 % (в случае импортных
уrлей) до 28 % (в случае местных).
При этом шлаки содержат от 20 до 24 % А1 2 О з , что требует тщательноrо подбора
их состава по остальным компонентам для формирования устойчивых свойств pac
плава. Исследованием шлаковоrо режима доменных печей Индии обстоятельно за
нимались ранее.
В работе [341], выполненной для условий Бхилайскоrо меткомбината, показана
целесообразность увеличения содержания (MgO) в высокоrлиноземистых шлаках до
1 О % с целью снижения содержаний серы и кремния в чуrуне за счет уменьшения
вязкости и повышения обессеривающей способности шлака, при этом наблюдалось
улучшение показателей работы доменных печей. Тем не менее, для реальноrо уровня
колебаний основности шлака + 0,15, содержания (MgO) + 1,3 % и (А1 2 О з ) :i:2 (95 % случа
ев) при температуре шлака 1370 1390°C рекомендовалось поддерживать (MgO) до 10 %
при основности CaO/Si0 2 == 0,97 только при (АI 2 О з ) < 20 %. В случае (А1 2 О з ) > 22 %
рекомендовалось снижать (MgO) до 7,5..8,5 %. Такая тенденция формирования шла..
KOBoro режима утвердилась и на друrих предприятиях Индии, в том числе на DSP.
Однако условия работы и технолоrия плавки на ДП N2 2 DSP с 1993r. отличаются
от рассмотренных. Колебания основности шлака и содержаний (MgO) и (А1 2 О з ) зна
чительно меньше и составляют соответственно + 0,073, + 1,05 % и + 1,2 %, а ero темпе..
ратура выше почти на 100 ос (ср. 1475 ОС). При этом печь работает при более высо"
кой интенсивности с меньшим содержанием кремния в чуrуне (0,8 1,0 %).
Для выявления особенностей шлаковоrо режима в этих условиях провели MHoro
факторный корреляционно реrрессионный анализ составов чуrуна и шлака ДП N22
DSP за февраль 1996 rода (характерный период) [342, 343]. При анализе использова
ны только связи С критерием значимости, превышающим критическое значение.
Во всем диапазоне изменения компонентов шлак поrлощает больше серы при
увеличении ero температуры, основности, содержания (MgO) и снижении (А1 2 О з ), а
также при увеличении содержания [Si] в чуrуне. По мере увеличения основности
шлака Bs до 1,10 и содержания (MgO) до 11 % происходит устойчивое снижение со..
держания [S] в чуrуне.
Обнаружена интересная связь между основностью шлака, ero температурой и со..
держанием [Si] в чуrуне (рис. 70) Если характер связи с температурой отвечает сущест"
вующим представлениям, то связь с содержанием [Si] не соответствует известным
физико химическим закономерностям увеличение основности тормозит BOCCTaHOB
ление кремния.
252
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
, '. " r
.'1.
1480
1170
1<160
r .."'; 1. () ()
1,0
ОЯ
О.Х
07
,
0.80 О.Х:; 0.90 ол:; 1.00 1.0:; JЗs
Рис. 70. Связь основности шлака Bs с ero температурой Ts
и содержанием в нем (MgO)
Наличие такой связи обусловлено тем, что причиной большоrо количества сдви
[ов основности шлака и содержания кремния в чуrуне является неконтролируемое
изменение содержания золы в коксе. При этом в случае увеличения зольности проис
ходит одновременное снижение HarpeBa [орна (снижение [Si] и температуры чуrуна и
шлака) из за меньшеrо прихода уrлерода и покисление шлака из за добавления к He
му без флюса 0,6 0,7 % Si0 2 на каждый 1 % золы, что соответствует снижению ero
основности на 0,02 ед.
Bs
1,10
1.03
1,00
I SI O,(}300 о
О,!} 5
7 .rJ 10 J/p:O.o n
Рис. 71. Возможные сочетания значений основности шлака Bs и содержания
в нем (MgO), для получения требуемоrо содержания серы в чуrуне [S]
Следует обратить внимание на то, что указанное явление часто происходит спон
танно без видимых изменений зольности кокса, что подтверждает необходимость дo
253
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
полнительноrо изучения особенностей ero апробирования. Периодичность резких
проявлений TaKoro характера может быть связана со штабелированием уrлей или
друrими периодическими процессами, требующими специальноrо анализа. В связи с
изложенным заслуживает развития способ контроля состава кокса по составу уrоль
ной шихты. Он позволит предупреждать указанные сдвиrи тепловоrо и шлаковоrо
режимов и стабилизировать ход процессов.
Выполненный анализ позволяет считать возможным дальнейшее снижение co
держаний серы и кремния в чуrуне за счет увеличения основности шлака СаО / Si0 2
ДО 1 ,o 1,05 и содержания (MgO) до 1 o 11 %. При этом целесообразно вывести сырой
флюс из шихты путем ввода в нее KOHBepTepHoro шлака (40 45 Kr/T чуrуна) при co
хранении основности аrломерата на существующем уровне. Возможные сочетания
значений СаО / Si0 2 в пределах 0,95 1,10 и (MgO) в пределах 7..11 % для получения
требуемоrо содержания серы в чуrуне (0,020 0,035 %) приведены на рис. 71. В слу
чае, если резкое снижение [S] не требуется, возможно частичное использование по
вышенных основности и (MgO) шлака для снижения [Si] при сохранении или HeKO
тором снижении [S].
PllJ JfepbI дО.'JlеIlIlЫ. Ilечей u IlОКllЗllпlе1U 1l 111BKU
Практика работы крупных доменных печей показывает, что они работают более
экономично и производительно, чем печи меньшеrо объема. С укрупнением ar
peraToB значительно возрастает производительность труда. Вместе с тем, в значи
тельной мере улучшение показателей работы крупных печей может быть объяснено
использованием новейших технолоrических достижений, которые, будучи внедрены
на друrих arperaTax, моrли бы дать самостоятельный эффект. Поэтому при оценке
эффективности укрупнения arperaToB следует сравнивать показатели работы домен..
ных печей в равных условиях.
В работе [344] использовали среднеrодовые показатели работы 66 доменных печей
СССР полезным объемом 930..3000 м 3 , выплавляющих передельный чуrун (1975 r.).
Первичные материалы для каждой печи обработаны по методике Института черной
металлурrии с определением на ЭВМ основных расчетных характеристик процесса и
невязок материально тепловых балансов. Методикой предусмотрено приведение по
казателей плавки к заданным условиям по основным контролируемым параметрам:
выходу шлака, расходу cbIporo флюса, температуре и влажности дутья, расходу при
родноrо rаза и кислорода, давлению на колошнике, содержанию мелочи в шихте,
простоям, составу чуrуна. Приведение показателей произведено по соотношениям,
вытекающим из материально"тепловых балансов и уравнения потерь напора в столбе
шихты. Полученные для каждой доменной лечи показатели и расчетные харак"
теристики, элиминированные от влияния основных контролируемых параметров, ис..
пользовали для изучения их зависимости от объема доменных печей. С этой целью
v
построены уравнения реrрессии, связывающие производительность, удельныи расход
кокса и определяющие их факторы (интенсивность плавки, степень KocBeHHoro BOC
становления, теплопотери и др.) с объемом доменной печи и рядом трудно поддаю
щихся оценке факторов (содержание класса 25 60 мм в коксе, длительность кампа
ний и др.). Результаты обработки представлены на рис. 72. При анализе использова
ны только надежные связи, с отношением коэффициента корреляции к ero cpeДHe
квадратичной ошибке более чем 2,6. Ряд параметров дан в лроцентах к значениям
при минимальном объеме печи (930 м 3 ).
С увеличением объема печи резко снижается удельная производительность Руд на
единицу объема печи. Основным фактором, определяющим это снижение, является
254
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
уменьшение объемной интенсивности по rазу v. Удельный выход rаза V уд несколько
возрастает при увеличении объема до 2000 м 3 , а затем снижается. Для определения
темпа снижения удельной производительности при увеличении объема печи взяли
первую производную от удельной производительности по объему (dРуд/dV пJ. Величи
на ее оказалась практически независимой от объема и в среднем составила 2 % на каж
дые 100 м 3 дополнительноrо объема печи, т. е. dРуд/dV п == 0,02 %/м 3 .
Интенсивность по rазу Ir и скорость rазов, отнесенная к пустой шахте, V s снижа
ются при одновременном увеличении потерь напора на единицу высоты столба hnoтo
При этом происходит существенное уменьшение коэффициента rазопроницаемости
G. Темп снижения пропускной способности столба шихты с повышением объема
увеличивается, что видно из выражения для производной от интенсивности по rазу:
dl r = 7V 10 6 + 0005 %/м 3 . ( 3.25 )
dV п ,
п
Изменение удельноrо расхода кокса К с увеличением объема печи происходит по
параболе, максимум которой соответствует объему около 2000 м 3 . Этой же точке co
ответствует минимум степени KocBeHHoro восстановления 1'". Величина потерь тепла в
единицу времени с единицы поверхности QnoT' определенная по разности приходных
и расходных статей тепловоrо баланса, с увеличением объема печи возрастает. Xa
рактерным является также поддержание более высоких теоретических температур
rорения t T на печах большоrо объема.
Полученные закономерности соответствуют сложившимся в отрасли условиям,
при которых уровень подrотовки шихты не соответствует возросшим требованиям
укрупнения arperaToB. Содержание мелких фракций в шихте крупных доменных пе..
чей не HaMHoro меньше, чем в шихте печей малоrо объема. Различия прочностных
свойств шихт весьма незначительны. В то же время отрицательное влияние содержа..
ния мелких фракций на ход печи с увеличением ее поперечных размеров возрастает,
а орrанизация противотока в крупных печах на мелкой шихте усложняется.
Однако шихтовые условия не являются единственным фактором, определяющим
снижение удельной производительности с увеличением объема печи. Для выяснения
друrих причин следует обратить внимание на природу самих показателей, OTHeceH
ных к единице объема.
Увеличение объема печи происходит, rлавным образом, блаrодаря изменению
поперечных размеров, но существенно увеличивается и высота. В условиях одина..
ковых параметров плавки и хорошо подrотовленной шихты с увеличением объема
можно в лучшем случае сохранять постоянным количество rаза, пропускаемоrо через
единицу поперечноrо сечения в единицу времени. Такое условие соблюдается на
рассмотренных печах Череповецкоrо и Западносибирскоrо меткомбинатов. При
этом, с увеличением объема наряду с удельными расходом кокса и выходом rаза He
измененной сохраняется и выплавка чуrуна, приходящаяся на единицу площади по
перечноrо сечения печи. Производительность, отнесенная к единице объема, должна
снижаться пропорционально увеличению высоты печи.
На рис. 72 показано изменение удельной производительности (Р расч ) С увеличени
ем объема для типовых печей при условии, что количество rаза, пропускаемоrо через
единицу площади поперечноrо сечения шахты, для всех объемов одинаково. Темп
снижения показателя расчетной удельной производительности составляет 0,9..1,1 % на
каждые дополнительные 100 м 3 объема и уменьшается с увеличением объема:
dРрасч/dVп == V N . 1 О б 0,012 %/м 3 . (3.26)
Таким образом, в среднем для рассмотренных печей снижение показателя удель..
ной суточной производительности (на 1 м 3 объема) лишь наполовину обусловлено
255
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
технолоrическими причинами (порядка одноrо процента из двух). Кроме Toro, сни
жение объясняется природой caMoro показателя, неадекватно отражающеrо характер
изменения производительности с увеличением объема arperaTa. Более наrлядным в
этом смысле является показатель производительности, отнесенной к единице площа
ди поперечноrо сечения печи.
4
120
/15
112
...
/08
104 с:::)
100
М
67
55
';90
#00 .....
.flO
jfO
.530
80 j/O t
<::
с::>'
\. 2,0
.
100 :::- 1,6
.9B [
05 [ 1,2
100
90
..
BO
. ..
70
q,
У уо
60
/000
/;00 2000 2500
У пОА ' и J
Рис. 72. Изменение основных показателей доменной плавки
при увеличении полезноrо объема доменных печей
Увеличение поперечных размеров приводит к возрастанию доли центральноrо
малоподвижноrо столба в [орне и уменьшению доли площади, приходящейся на раз
рыхленную часть в районе фурменных очаrов. Это, по видимому, является основной
причиной снижения rазопроницаемости столба с увеличением объема печи, причем
ухудшение имеет место не только при неудовлетворительном качестве подrотовки
шихты, но в некоторой степени и при работе на хорошо подrотовленной шихте.
Вместе с тем увеличение поперечных размеров приводит к уменьшению удельной
поверхности трения материалов о стенки. Последняя изменяется пропорционально
величине DH/D 2 H (rде D средний диаметр печи, м; Н п полезная высота печи, м),
256
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
или после сокращения l/D, т. е. обратно пропорционально среднему поперечному
размеру печи. Это соответственно увеличивает допустимый перепад давления, KOTO
рый растет примерно пропорционально среднему диаметру печи, что позволяет дo
полнительно форсировать ход процесса. В среднем для печей отрасли (см. рисунок)
этот резерв реализуется лишь на 25 30 %, что связано с не возможностью увеличения
скоростей rаза при значительном содержании мелочи в шихте.
Пропускная способность печи по rазу зависит также от величины разrара кладки.
Поскольку толщина изношенной части кладки от объема печи практически не зави
сит, относительное увеличение поперечноrо сечения за счет разrара для печей разно
ro объема неодинаково. Прирост интенсивности по rазу (д.!) в результате разrара
кладки с увеличением объема печи уменьшается на О, 1 0,3 % на каждые дополни
тельные 100 м 3 объема.
С увеличением объема печи при сложившемся отставании качества подrотовки
шихты резко уменьшается rазопрониuаемость столба материалов. При этом не yдaeT
ся сохранить на том же уровне пропускную способность по rазу в расчете на единицу
поперечноrо сечения. Возможность дополнительной форсировки проuесса плавки
путем увеличения допустимоrо перепада давления на печах большеrо объема не MO
жет быть полностью реализована из за BbIcoKoro содержания мелочи в шихте. При
улучшении качества подrотовки сырья до уровня передовых заводов интенсивность
по rазу при повышении объема печи может быть сохранена на исходном уровне, He
смотря на снижение rазопроницаемости столба. При этом возрастает перепад давле
ния на единицу высоты. Такая форсировка процесса позволяет при одинаковом
удельном расходе кокса на печах разноrо объема получать одинаковую производи
тельность на единицу сечения.
Заслуживают внимания принципы укрупнения доменных печей Японии. Увели
чение объема печей происходило практически за счет увеличения их поперечноrо се..
чения. По"видимому, в современных условиях, коrда основные процессы тепло.. и
массообмена сосредоточены rлавным образом в нижних rоризонтах печи, такое раз..
витие профиля можно считать рациональным. В дальнейшем оно получило развитие
во всем мире.
Изменение расхода кокса с увеличением объема печи определяется характером
изменения распределения материалов и rазов по сечению, удельных теплопотерь пе
чи и энтальпии продуктов плавки.
С увеличением поперечных размеров печи орrанизация рациональноrо распреде
ления материалов и rазов по сечению усложняется, а при неудовлетворительном ка..
честве шихтовых материалов неравномерность распределения растет, что приводит к
ухудшению использования энерrии rазов. Такое ухудшение имеет место при увели..
чении объема до 1719 м 3 , поскольку качество шихты на этих печах неудовлетвори"
тельное. На печах объемом 2000 м 3 И выше, rде предусмотрен отсев мелких фракций
аrломерата перед заrрузкой в скип, снижение степени KocBeHHoro восстановления
при увеличении объема печи не наблюдается.
Можно ожидать, что с увеличением объема печей при удовлетворительном каче
стве шихтовых материалов степень KocBeHHoro восстановления при прочих равных
условиях не будет существенно изменяться.
Изменение удельных теплопотерь с увеличением объема печей зависит от xapaK
тера изменения поверхности охлаждения, производительности печи и теплоотдачи с
единицы площади поверхности. Площадь поверхности охлаждения печи увеличива..
ется пропорционально величине л D Н ( D средний диаметр печи, Н полезная вы..
сота печи), а производительность при хорошо подrотовленной шихте (как показано
выше) растет прямо пропорционально средней площади поперечноrо сечения, т.е.
257
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
2
пD /4. Удельные теплопотери печи при постоянной теплоотдаче с единицы пло
щади поверхности снижаются, таким образом, пропорционально отношению
2
пDН /пD , или H/D. В результате возрастания теплоотдачи с единицы площади по
верхности при увеличении объема печей (рис. 72) темп снижения удельных теплопо
терь уменьшается:
Полезный объем, м 3 1033 1386 2000 2700 3000
Теплопотери, при постоянной тепло 100 93 87 82,5 81,5
отдаче с единицы поверхности, %
То же, с учетом увеличения тел.. 100 96 93,5 93,5 93,5
лоотдачи с единицы поверхности, %
При общей величине удельных теплопотерь порядка 400 МДж/т чуrуна указан
ное их уменьшение способствует экономии кокса 2..3 Kr/T чуrуна при увеличении
объема до 2000 м 3 И практически не влияет на расход кокса при дальнейшем увели
чении объема.
Увеличение поперечных размеров ropHa усложняет транспортировку тепла от фурм
ко всем участкам сечения, особенно к центральной зоне. Это вызывает необходимость
увеличения температурноrо потенциала rаза у фурм в случае увеличения объема печи
и является одной из причин более высокой теоретической температуры rорения на пе
чах большеrо объема (рис. 72). Трудность paBHoMepHoro проrрева ropHa по всему сече
нию является, вероятно, причиной поддержания на больших печах HeKoToporo резерва
тепла, в результате чеrо, как показывают наблюдения, температура продуктов плавки
на них выше, чем на печах малоrо объема. По данным работы [345], увеличение объема
печи на каждые 1000 м 3 приводит К повышению температуры чуrуна на 45 ос. В какой
степени эта величина может быть отнесена к влиянию изучаемоrо фактора, пока неяс
но, но даже если целиком, то это может привести к росту расхода кокса на 4..5 Kr/T чу..
rYHa на каждые 1000 м 3 дополнительноrо объема. Эта величина Toro же порядка, что и
экономия от снижения удельных теплопотерь печи.
Таким образом, влияние на расход кокса изменения теплопотерь печи и темпера
туры продуктов плавки дает результат, близкий к нулю, и определяющим фактором
изменения расхода кокса является rазораспределение по сечению печи.
При использовании шихты со значительным содержанием мелочи в условиях YBe
личения объема печи возрастает неравномерность распределения материалов и rазов
по сечению, в результате чеrо расход кокса неизбежно повышается.
При использовании хорошо подrотовленной шихты увеличение объема печи не
приводит к повышению степени неравномерности rазораспределения по сечению, но
меняет ero характер. Установлено, в частности, что на печах объемом 2700 м 3 Чере..
повецкоrо МК и 3000 м 3 Западносибирскоrо МК по сравнению с соответствующими
печами объемом 2000 м 3 рудный rребень расположен ближе к периферии. Такая TeH
денция в изменении rазораспределения с ростом объема печи обусловлена тем, что с
увеличением поперечных размеров увеличивается доля центральной малоподвижной
зоны в ropHe, в результате чеrо усложняется транспортировка rазов в нижней части
печи к наиболее наrруженным участкам. Это вынуждает орrанизовать заrрузку ших
ты на колошнике таким образом, чтобы максимально повысить проницаемость цен..
тральноrо участка столба. На печах Череповецкоrо и Западносибирскоrо меткомби..
натов доля площади центральной зоны на колошнике (от оси печи до точки с макси..
мальным содержанием С0 2 в rазе) возрастала с увеличением объема печи примерно
пропорционально росту доли площади, занимаемои центральнои малоподвижнои зо..
258
3. ВЛllЯllllе 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКlI
ной в ropHe. Такая орrанизация заrрузки шихты с увеличением поперечных размеров
печей изменяет характер движения rазопотоков (усиливает, в частности, централь
ный поток) и практически не меняет среднюю степень неравномерности rазораспре
деления [344].
Но устойчивая работа доменной печи с подrруженной периферийной зоной и раз
rрузка центральной зоны возможны только при удовлетворительном качестве шихты.
Поэтому улучшение качества подrотовки шихты с полным выводом из нее мелких
фракций «5 мм) является основным фактором, определяющим эффективность YK
рупнения arperaToB.
КО"rluчеспlво воздУIUНЫХ qJyp"Jt
При определении количества фурм для доменных печей чаще Bcero исходят из
двух основных критериев: проникающей способности дутьевой струи по направле
нию к центру печи, которая характеризуется ее скоростью или кинетической энерrи
ей (которая по размерности: Kr.M/c, Дж/с является мощностью) и допустимым pac
стоянием между соседними фурмами. При расчете одноrо из этих критериев, как
правило, задают друrой, фактически рассматривая их как независимые. Такой подход
при водит к несовместимости условий равномерной транспортировки тепла к перифе
рийным и центральной зонам ropHa при выборе количества фурм. Для совмещения
этих критериев требуется установить их взаимосвязь, что позволит сформировать
один, более общий критерий. С этих позиций авторы работы [346], исходя из необхо
димости повышения скорости истечения дутья для транспортировки rазов к центру
печи и связанноrо с ним удлинения очаrов rорения при соответствующем уменьше..
нии их поперечных размеров, правильно определили тенденцию в уменьшении меж..
фурменноrо расстояния и диаметра фурм с ростом диаметра ropHa. Однако при опре..
делении количества фурм их диаметр задают так, что фактически задают скорость
истечения дутья, от которой зависят размеры очаrов rорения и, в конечном счете
количество фурм. Имеются и друrие подходы к решению задачи [347]. Лоrически
непротиворечивое определение параметров воздушных фурм требует строrой увязки
этих параметров между собой, а также количеством подаваемоrо в печь дутья и обра
зующихся в фурменных очаrах rазов, которые для печей одинаковоrо объема MorYT
быть различными. В предпринятой нами попытке исходили из следующих основных
предпосылок:
объем фурменных очаrов и распространение от их тепла в объеме ropHa про..
порциональны массе фурменных rазов, образующихся в единицу времени;
увеличение диаметра ropHa требует пропорциональноrо увеличения rлубины
проникновения rазов из фурм.
Первым условием определяется пропорциональность доли объема, занимаемоrо
фурменными очаrами в ropHe, величине v ф /д2 . h , rде p количество фурменных
rазов (м 3 /мин): Д диаметр ropHa, (м); h высота ropHa (м), пропорциональная Jf.5
(по А.И. Рамму). Таким образом, доля объема, занимаемоrо фурменными очаrами в
ropHe, пропорциональна v ф /д2.5. Вторым условием определяется необходимость YBe
личения rлубины проникновения rазов к центру ropHa пропорционально росту ero
диаметра. Это достиrается, при прочих равных условиях, в частности постоянной
энерrии давления, повышением скорости и кинетической энерrии (мощности) струи
дутья. При этом площадь вертикальноrо сечения фурменных очаrов уменьшается
пропорционально росту диаметра ropHa.
259
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Совмещение первоrо и BToporo условий лриводит к лропорциональности площа
ди вертикальноrо сечения фурменных очаrов величине v ф /дз,5, а линейных попереч
ных размеров очаrов или межфурменных расстояний ,5 / дl,75 .
Если известно, что на печи с диаметром rорнаДо, количеством фурм nФо и минут
ном количестве фурменных rазов v фо обеспечивается нормальная работа ropHa
(удовлетворительно проrрет центр, отсутствует заrромождение "мусором", высока
стойкость фурм и удовлетворительная управляемость rазовым потоком снизу), то для
печи с соответствующими параметрами Д , V ф и ПФ требуется выполнять условие:
V O ,5 V O ,5 Д . n V O ,5 . Д l,75
л. Д . л . До Ф . Ф . Фо Ф . о
или
пф . пфо Д 1.75 . Д .75 До . пф V 5 . дl.75 '
откуда:
V0's . д2,75
Фо
I1ф == I1фо. О 5 2 75 .
V ф ' . д О'
(3.27)
VO,5
Таким образом, если для эталонной печи известна величина l1 э == I1ф 07 ' то для
о До' 5
любой друrой печи потребное количество фурм можно определить из выражения:
Д 2,75
пф == 11) 05 (3.28)
V Ф '
Величину n э рассчитали для ряда доменных печей, работающих экономично с BЫ
сокой степенью форсирования. Она оказалась в среднем 3,2. Исходя из этоrо значе
НИЯ,получим:
д2,75
I1ф == 3,2. 05 (3.29)
V'
Ф
Из формулы следует, что необходимое количество фурм для доменной печи зави..
сит не только от размеров ropHa, но также от дутьевоrо режима. Доменные печи с
одинаковым диаметром ropHa, спроектированные для работы в различных условиях,
в частности по качеству сырья и кокса, должны бы иметь разное количество фурм.
По экспериментальным данным [348] установлена линейная связь между длиной зо
ны разрыхления и кинетической энерrией (мощностью) струи дутья InW-/2. Поскольку
масса дутья (п1) определяет размеры фурменноrо очаrа во всех направлениях, относи
тельное удлинение ero в направлении к центру [орна можно в первом приближении
принять пропорциональным квадрату скорости (w 2 ). Тоrда с увеличением диаметра [op
на скорость истечения дутья из фурм должна расти пропорционально величине /f,5.
Вычисленное количество фурм при известныIx параметрах дутья и требуемая ско"
рость истечения дутья из фурм предопределяют диаметр выходноrо сечения фурмы.
Поскольку скорость истечения дутья (w) пропорциональна диаметру ropHa в степени
0,5 (w = Wo . до,s / дg's) , а минутное количество дутья, приходящеrося на одну фур..
му, составляет VДr./nф, то для плошади выходноrо сечения фурмы можно записать:
лdi V д . Т д . дg.s .103,3
ч r r
05 '
4 273. ПФ . Рд . д , . W o
откуда диаметр выходноrо сечения фурмы:
260
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
13 1,5 . V . т . до о,5
d Дr Дr
) == О 5 '
273. пф . Р д . д , . W o
[де: V дr , Т Дr расход и температура дутья с учетом rорения природноrо rаза в полос
ти фурмы, мЗ/мин, К; Рд давление дутья, кПа.
Результаты расчета по этой формуле существенно зависят от принятой степени
rорения природноrо rаза в полости фурмы. Полаrая, что в полости фурмы сrорают
15+20 % rаза, из них 5 1 О % до С0 2 + Н 2 О произвели расчет скорости дутьевоrо пото
ка при выходе из фурмы для ряда доменных печей с активной работой центра ropHa.
Она оказалась в пределах 170+ 180 м/сек для печей с диаметром [орна 7,3 3,2 м и до
200 м/сек для печей с диаметром ropHa 9,75 м. Величина W .60l/f.5 составила в cpeд
нем 3000, так что при подстановке ее в формулу (3.30) в качестве базовоrо параметра
Wo / дg,5 получили:
(3.30)
] 31,5 . V ДL . Т ДL .106
d Ф == 05' мм.
273. пф . Р д . д , .3900
Для упрощения расчетов предварительно определили, что величина V д . Т д при
r r
принятой степени сrорания природноrо rаза в фурме превышает про изведение суммы
расходов дутья и природноrо rаза (м З ) на температуру дутья (к) примерно на 5 %, то есть
V дr . Т Дr == 1,05 . (V д +v пr ) . (д. Произведя такую замену в выражении (3.31) и выполнив
вычисления, получим:
(V д + V пr ) . t д
d ф == 11,5. 05 ' мм. (3.32)
пф . Рд . д ,
По выражениям (3.29) и (3.32) рассчитали количество фурм и их диаметр для пе
чей разноrо объема при расчетном минутном количестве фурменноrо rаза.
Расчет выполняли при разных параметрах комбинированноrо дутья для трех
уровней интенсивности плавки:
перспективноrо (П), соответствующеrо удельной производительности 80 т/сут. на
м 2 сечения ropHa (при расходе кокса 380 Kr/T), или для печей 1033 м З 3,2 т/м З СУТ., дЛЯ
печей 2000 м З 3,0 т/м З СУТ., дЛЯ печей 5000 м З 2,7 т/м З СУТ.;
BbICOKoro (В), соответствующеrо удельной производительности лучших доменных
печей 72 т/сутки на 1 м 2 сечения ropHa (при расходе кокса 380 Kr/T) или для печей
1033 м З 2,9 т/м З СУТ., печей 2000 м З 2,7 т/м 3 СУТ., печей 5000 м З 2,4 т/м З сут.;
низкоrо (Н), соответствующеrо удельной лроизводительности 47 т/сутки на 1 м 2
сечения ropHa (при расходе кокса 500 Kr/T), для печей 1033 м 3 1,9 т/м З сутки, печей
2000 м З 1,8 т/м З сутки, для печей 5000 м З 1,6 т/м З сутки.
В табл. 3.7 приведены исходные данные и результаты расчета. Минутный расход
дутья для печей разноrо объема при одинаковом уровне интенсивности плавки (м З /м 2
ropHa) принимали пропорциональным площади ropHa. Давление дутья рассчитали
как сумму давления на колошнике и перепада давления в печи, причем избыточное
давление на колошнике приняли 250, 200 и 150 кПа соответственно для перспектив"
Horo, BbICOKoro и низкоrо уровня интенсивности плавки, а перепад давления изменя..
ли пропорционально высоте печи. Влажность дутья приняли для всех вариантов 1 %.
При перспективном и высоком уровнях интенсивности плавки приняли (д == 1300 ос,
m== 35 %, пr == 20 %, при низком (д == 1100 ос, m== 21 %, пr == 5 % для всех ДOMeH
ных печей.
(3.31 )
261
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Следует иметь в виду, что рассчитанные значения количества фурм являются ми
нимально необходимыми. С увеличением количества фурм, как показали исследова
ния на модели [349], распределение rаза по сечению становится равномернее, а поте
ри давления при одинаковом расходе дутья уменьшаются. При этом, в связи с ДOCTa
точным взаимным перекрытием фурменных зон, допустимо варьирование скоростью
истечения дутья из фурм в широких пределах за счет изменения диаметра фурм.
Результаты расчета, приведенные в табл. 3.7, дают большее количество фурм, чем
фактически установлено на типовых печах, а необходимый диаметр фурм резко OT
личается при условиях высокой и низкой степени форсирования.
Так, на печах объемом 2000 м З в условиях высокой степени форсирования, Ha
пример, на Череповецком и Маrнитоrорском комбинатах, достаточно 20 22 фурмы
при диаметре их 170 130 мм. При условиях низкой и средней степени форсирования
требуемое количество фурм составляет 24 25 при диаметре их 150 160 мм.
Типовые печи полезным объемом 2700 м З первоначально оборудованы 24 фурма
ми. Этоrо количества фурм достаточно лишь при перспективной степени форсирова
ния. На лучших современных печах TaKoro объема (например, печь Череповецкоrо
комбината) минимально необходимое количество фурм 26 с диаметром 160 170 мм,
а на доменных печах TaKoro объема в условиях комбината "'Криворожсталь" и Kapa
rандинскоrо меткомбината требуется установить 30 фурм диаметром ] 50 мм.
На печах объемом 3200 м З требуется установить 30 35 фурм при диаметре 145
170 мм в зависимости от степени форсирования, а на печах объемом 4000 4500 м З
от 36 до 45 фурм с диаметром ] 40..165 мм.
На доменной печи объемом 5000 м З комбината ""Криворожсталь" установленноrо
первоначально количества фурм 36 явно было недостаточно; требовалось, по
меньшей мере, 44..46 фурм с диаметром 150..160 мм. На печи объемом 5500 м З Чере..
повецкоrо комбината требуется установить 44..46 фурм диаметром 150..160 мм.
Таким образом, увеличение полезноrо объема доменных печей в бывшем СССР
не сопровождалось требуемым увеличением количества воздушных фурм. Наряду с
недостаточной подrотовкой шихты для крупных печей, указанное обстоятельство яв
ляется, по видимому, важнейшей причиной уменьшения степени форсирования в них
хода процесса (при одинаковых условиях и параметрах плавки), установленной нами
ранее на основе обработки большоrо производственноrо материала. Этих HeДOCTaT
ков в значительной мере лишены крупные печи Японии, а также в некоторой мере
печи Череповецкоrо, Западносибирскоrо и Маrнитоrорскоrо комбинатов, что позво..
ляет достиrать на указанных печах не меньшей интенсивности по rазу (мЗ/с . м 2 пло
щади ropHa), чем на печах малоrо объема.
Отставание роста количества воздушных фурм с повышением объема доменных
печей создало на печах большоrо объема менее блаrоприятные условия тепло.. и мас..
сопередачи в ropHe и ухудшило ero дренажную способность, что, в частности, отри..
цательно повлияло на службу воздушных фурм. С целью анализа этоrо вопроса оп..
ределили среднюю частоту проrаров воздушных фурм на печах разноrо объема. Для
сопоставимости результатов на разных предприятиях выразили частоту проrаров OT
носительными величинами, приняв за единицу на каждом предприятии частоту про
rapoB фурм на печи объемом 2000 м З (для предприятий, rде печи TaKoro объема OT
сутствуют, брали печи ближайшеrо объема 1719 м З с соответствующей корректи
ровкой). Результаты приведены на рис. 73. Несмотря на мноrообразие влияющих
факторов, тенденция увеличения частоты nporapoB воздушных фурм с повышением
объема доменных печей проявляется отчетливо (получены статистически значимые
коэффициенты корреляции 0,78 и 0,58). Характерно, что величина влияния сущест"
венно отличается для двух rрупп печей: работающих на высокосернистом коксе (пе..
262
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
чи Украины) и низкосернистом (печи России), что, по видимому, объясняется боль
шими трудностями орrанизации шлаковоrо режима в первом случае.
2,2
1,8
s5
1.4
,
O
0,5
.
о о
о
о
о
о
о
о
_ о
g _ O . 8.
.- g о
. о
8
.
-
.
1500 2000 2'100 2800 3200
OObel1 печей, 11.1
Рис. 73. Относительная частота nporapOB воздушных фурм
на доменных печах разноrо объема (1 Украины, 2 России)
о .В
..
0,2 . 8 О 8 8
800 1200
о
Как показано ранее [344], при блаrоприятных условиях работы и удачных конст..
руктивных параметрах печей количество rазов, проходящих через столб шихты в
единицу времени, приходящихся на единицу поперечноrо сечения печи (интенсив"
ность по rазу), может быть одинаковым на печах разноrо объема, то есть минутное
количество rазов и производительность печи должны расти пропорционально росту
площади поперечноrо сечения печи (например, ropHa).
При таких условиях потребное количество фурм леrко определить из выражения,
д2
полученноrо путем подстановки в формулу (3.27) величины V Ф == V Фо . После со..
до
кращения получим:
д 1,75
11 Ф == 11 Фо 1 75 '
До'
или обозначив:
I1фо
Д 6,75
== Оп ;
Д I.75
пф == а l1 . .
(3.33)
Для условий перспективной, высокой и низкой степени форсирования плавки Be
личина а l1 составляет (по табл. 3.7) соответственно 0,38; 0,40 и 0,46.
263
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Таблица 3.7. Исходные данные и результаты расчета минимально необходимоrо
количества воздушных фурм и их диаметра для доменных печей разноrо объема
Полный Уровень
объем м З . V Ш Рд, I)' пф, d ф ,
, , интен
мЗ/мин кПа мЗ/мин
диаметр шт. мм
сивности
ropHa, м
1033 П 2100 470 3717 12,0 188
В 1900 420 3363 12,6 183
7,20 Н 1900 350 2527 14,5 164
1386 П 2720 480 4815 15,0 183
В 2460 430 4354 15,8 178
8,20 Н 2460 360 3272 18,2 158
1513 П 3000 480 5310 16,3 183
В 2710 430 4797 17,2 177
8,60 Н 2710 360 3604 19,8 157
1719 П 3350 480 5930 18,0 181
В 3030 430 5363 19,0 176
9,10 Н 3030 360 4030 21,9 156
2000 П 3850 490 6815 20,3 178
В 3480 440 6160 21,4 172
9,75 Н 3480 370 4628 24,7 153
2300 П 4470 490 7912 23,1 176
В 4040 440 7151 24,3 171
10,50 Н 4040 370 5373 28,0 152
2700 П 4900 500 8673 25,1 173
В 4430 450 7841 26,4 168
11,00 Н 4430 380 5882 30,5 149
3200 П 5450 510 9647 27,6 170
В 4930 460 8726 29,0 165
11,60 Н 4930 390 6557 33,4 146
3200 П 5830 510 10319 29,2 169
В 5280 460 9346 30,7 165
12,00 Н 5280 390 7022 35,5 146
4000 П 7380 520 13062 35,9 165
В 6680 470 11824 37,8 160
13,50 Н 6680 400 8834 43,6 142
4500 П 7940 520 14054 33,3 164
В 7180 470 12709 40,3 159
14,00 Н 7180 400 9549 46,4 141
5000 П 8750 530 15488 41,7 161
В 7920 480 14018 43,8 157
14,70 Н 7920 410 10534 50,6 139
5500 П 9230 530 16337 43,7 161
В 8360 480 12797 45,9 157
15,10 Н 8360 410 11119 53,0 139
264
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Аналоrично значения d ф по табл. 3.7 можно выразить:
для перспективной (П) и высокой (В) степени форсирования
310
d ф == 025 ; (3.34)
д'
для низкой степени форсирования
270
d ф == 025 . (3.35)
д'
Выявленная в ходе выполненноrо анализа необходимость увеличения количества
воздушных фурм на действующих доменных печах и проектирования большеrо на
20 30 % их количества на новых печах подтверждается опытом эксплуатации ряда
доменных печей после их реконструкции с увеличением количества воздушных
фурм: печи объемом 2000, 2700 и 5000 м 3 комбината "Криворожсталь", объемом
2700,2000 и 1000 м 3 Череповецкоrо комбината, объемом 2000 и 1370 м 3 Маrнитоrор
CKoro и 2000 м 3 Западносибирскоrо комбинатов и др.
3.5. Нормативная оценка показателей
В ходе изучения влияния отдельных факторов на показатели доменной плавки
выявлена ero зависимость от комплекса сопутствующих условий. Поэтому оценка
этоrо влияния не может быть всеrда однозначной и в значительной мере зависит от
поставленной задачи.
В случае изолированной оценки отдельноrо фактора необходимо учитывать весь
комплекс связанных с ним условий. При сравнении различных периодов работы дo
менных печей, коrда отдельные компоненты данноrо фактора уже учтены друrими
факторами, величина ero влияния оrраничивается основными компонентами во из
бежание "двойноrо учета".
При оперативном анализе изменений показателей плавки часто пользуются CBOД
ками нормированных коэффициентов подсчета расхода кокса и производительности
печи, составленными по различным данным. Недостатком таких сводок является He
взаимосвязанность коэффициентов, приводящая к поrрешностям в их абсолютных
значениях и повторному учету отдельных компонентов эффектов при пересчете по
различным факторам.
Для правильноrо учета факторов при анализе показателей доменной плавки необ..
ходимо использовать специальные приемы, которые являются составной частью ме..
тодики, обоснование и содержание которой излаrается ниже.
етодика предназначена для использования при анализе изменений удельноrо
расхода кокса и производительности доменных печей под влиянием изменений Tex
нолоrических параметров доменной плавки. Такой анализ выполняется при сопос
тавлении периодов работы доменных печей с различными значениями технолоrиче
ских параметров доменной плавки, определяющими величины удельноrо расхода
кокса и производительности (пофакторный анализ). В основе этоrо анализа лежат
количественные соотношения между изменившимися параметрами (факторами) и
удельным расходом кокса (производительностью доменных печей), которые опреде..
ляются эмпирически либо аналитически.
Для получения надежных результатов на базе эмпирическоrо материала требуется
увязка ero единой лоrически непротиворечивой основой. Такой основой являются ре..
зультаты аналитическоrо изучения процесса, которые обретают реальное содержание
в контакте с эмпирическим материалом.
265
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
На основе установленных связей выполнили анализ имеющихся опытных данных,
полученных в различных условиях, и выбрали наиболее надежные из них. Обобщен
ные данные практики использовали для корректировки величин, полученных анали
тически. В табл. 3.8 даются сводка технолоrических факторов и величины их влия
ния на удельный расход кокса и производительность доменных печей, установлен
ные изложенным способом, а также ссылки на основные источники, содержашие
наиболее характерные результаты фактическоrо влияния технолоrических факторов
на удельный расход кокса и производительность доменных печей.
При использовании данных таблицы для сопоставления периодов работы ДOMeH
ных печей с различными параметрами и пофакторноrо анализа удельноrо расхода
кокса и производительности предполаrается линейность и автономность влияния Ka
ждоrо фактора. В действительности влияние факторов на удельный расход кокса и
производительность нелинейно инеаддитивно.
Характер ero определяется общими принципами взаимосвязи параметров ДOMeH
ной плавки, изложенными в rлаве 9, исходя из которых оценка величины влияния
каждоrо параметра на расход кокса и производительность должна про из водиться в
зависимости от абсолютноrо значения величины параметра (чем оно выше, тем
меньше величина влияния), сочетания с друrими параметрами (одни усиливают, дpy
rие ослабляют влияние), общеrо уровня совершенства процесса (чем он выше, тем
меньше величина влияния всех параметров).
Поэтому диапазоны реальных значений ряда параметров разбития на интервалы, в
пределах которых без большой поrрешности связи можно считать линейными, аве..
личины влияния некоторых факторов на расход кокса и производительность домен..
ных печей даются в зависимости от среднеrо уровня друrих факторов.
Приведенные в табл. 3.8. факторы сrруппированы в три катеrории: шихтовые
(п.п.l..13), rазо"дутьевые (п.п.14..20, 25) и орrанизаuионные (п.п. 22..24).
Ниже приводятся особенности формирования и учета каждой катеrории факторов.
lПuхпlовые 1l1lplI""teпlpbl
Поскольку содержание железа в шихте зависит от основности, следует опериро
вать обобщенным показателем содержанием железа в условно самоплавкой шихте
Оно определяется как количество железа во всех компонентах (в том числе известня
ки, металлодобавки, шлаковые добавки и т.д.), кроме кокса, деленное на общий pac
ход этих компонентов без С0 2 карбонатов. Таким образом, расход cbIporo флюса
входит в сумму компонентов шихты за вычетом содержащеrося в нем С0 2 .
Указанный показатель содержания железа позволит сравнить боrатство шихт с
разной основностью и исключить имеющую место неоднозначность сушествующеrо
показателя содержания железа в шихте. Содержание железа в условно..самоплавкой
шихте однозначно связано с выходом шлака на 1 т чуrуна. Поэтому в ходе анализа
можно оперировать только одной из указанных величин.
Повышению содержания железа на каждый 1 % при одинаковой окисленности
соответствует уменьшение количества шлака на величину:
дШ == 100. Fе ч /(% Fe)2, Kr/T чуr.
rде: Fе ч количество железа в чуrуне, Kr/T чуrуна; % Fe среднее содержание желе
за в условно самоплавкой шихте, %.
При Fe.. == 940 Kr/T и % Fe == 50 % величина дШ == 37,6 Kr/T
Fе ч == 940 Kr/T и % Fe == 55 % величина дШ == 31 Kr/T
Fе ч == 940 Kr/T и % Fe == 60 % величина дШ == 26 Kr/T.
266
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Таблица 3.8. Влияние технолоrических факторов на удельный расход кокса
и производительность доменной печи
NQ
пп.
Факторы и единицы измерения
1 Повышение содержания железа на каж
дый 1 % (во всей шихте без кокса и С0 2
флюса)
в пределах до 50 %
в пределах 50 55 %
в пределах 55 60 %
То же, снижение количества шлака на
каждые 1 О Kr/T чуrуна
2 Повышение расхода чистых металлодо
бавок (100 % Fe) на каждые 1 О Kr/T чу..
rYHa
3 Уменьшение расхода cbIporo известняка
на каждые 1 О Kr/T чуrуна
То же, доломитизированноrо
4 Уменьшение содержания фракции 5 0
мм в железорудной шихте на каждый
1%
5 Уменьшение содержания золы в коксе
на каждый 1 %
6 Уменьшение содержания серы в коксе
на каждую 0,1 % при [S] == 0,05 %
при [S] == 0,04 %
при [S] == 0,03 %
при [S] == 0,02 %
при [S] == 0,01 %
7 Повышение прочности кокса по показа..
телю М 25 на каждый 1 %
8 Уменьшение истираемости кокса по
показателю M 10 на каждый 1 %
9 Уменьшение содержания в коксе фрак
ции +80 мм на каждый 1 %
1 О Уменьшение содержания кремния в чу..
rYHe на каждый 0,1 %
1] Уменьшение содержания MapraHua в
чуrуне на каждый 0,1 %
при 30 % Мп в выводимой руде
при 20 % Мп в выводимой руде
при 15 % Мп в выводимой руде
+ увеличение,
уменьшение
расход
кокса, %
производи ..
тельность,
%
..1 4
,
..1 2
,
..1 О
,
..о 35
,
+2,4
+2,0
+ 1,7
+0,6
..о 4
,
+0,6
o 5
,
o 4
,
+0,5
+0,4
o 5
,
+ 1,0
1 3
,
+ 1,3
o 18
,
o 22
,
..о 27
,
..о 38
,
..о 71
,
+0, 18
+0,22
+0,27
+0,38
+0, 7 ]
+0,6
..о 6
,
..2 8
,
+2,8
o 2
,
+0,2
..1 2
,
+ 1,2
Kr/T чуr.
1 17
,
1 76
,
2 27
,
%
+0,22
+0,35
+0,44
Источники,
содержа
щие xapaK
терные pe
зультаты
практики
[301, 302]
[48, 303,
304]
[48,
с. 67 72]
[317]
[319]
[319]
[319]
[319]
[319]
[322]
267
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Продолжение табл. 3.8.
+ увеличение, Источники,
уменьшение содержа
NQ Факторы и единицы измерения щие xapaK
пп. расход производи.. терные pe
кокса, % тельность, зультаты
%
практики
12 Уменьшение содержания фосфора в чу ..о 6 +0,6
rYHe на каждый 0,1 % ,
13 Повышение содержания серы в чуrуне:
13.1. В случае прихода серы 1 О Kr/T: (Kr/T) %
от 0,04 до 0,05 % 3 3 +0,6
,
от 0,03 до 0,04 % 5 5 + 1,1
,
от 0,02 до 0,03 % ..11 +2,0
от 0,01 до 0,02 % ..33 +6,5
13.2. В случае прихода серы 4 Kr/T:
от 0,04 до 0,05 % ..1 3 +0,25
,
от 0,03 до 0,04 % ..2 2 +0,4
,
от 0,02 до 0,03 % ..4 4 +0,8
,
от 0,01 до 0,02 % 13 3 +2,5
,
14 Повышение температуры дутья на каж
дые 10 ос в диапазонах:
800 900 ос o 50 +0,50 [290, 350]
,
900 1 000 ос o 40 +0,40
,
а) при концентрации кислорода в дутье [290, 350]
до 25 %
1000..1100 ос ..о 30 +0,30
,
1100..1200 ос ..о 28 +0,28
,
1200..1300 ос ..о 25 +0,25
,
1300..1400 ос ..о 22 +0,22
,
б) при концентрации кислорода в дутье [290, 350]
25..35 %
1 ooo 1 1 00 ос o 25 +0,25
,
11 oo 1200 ос o 20 +0,20
,
1200 1300 ос o 20 +0,20
,
1300 1400 ос o 18 +0, 18
,
в) при концентрации кислорода в дутье [290, 350]
35 40 %
1 000..11 00 ос ..о 20 +0,20
,
1100..1200 ос ..о 18 +0, 18
,
1200..1300 ос ..о 16 +0, 16
,
1300..1400 ос ..о 14 +0, 14
,
15 Уменьшение влажности дутья на каж..
дый 1 r/M 3 при расходе дутья:
1500 1600 м 3 /т o 20 +0,14
,
1000 1100 м 3 /т o 15 +0,06
,
268
3. ВЛllЯllllе 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКlI
Окончание табл. 3.8.
+ увеличение, Источники,
уменьшение содержа
NQ Факторы и единицы измерения щие xapaK
пп. расход производи .. терные pe
кокса, % тельность, зультаты
%
практики
16 Обоrашение дутья кислородом на каж.. [351 357]
дый 1 % (абс.) при концентрации:
до 25 % +0,20 +2,4
25 30 % +0,30 +2,1
30 35 % +0,40 +1,8
35 40 % +0,50 +1,6
17 Коэффициент замены кокса коксовым [358]
rазом при расходе:
до 200 м З /т 0,45 Kr/M 3
200 300 мЗ/т 0,40 Kr/M 3
18 Коэффициент замены кокса природным [351 357]
rазом при расходе:
до 100 мЗ/т 0,80 кr/м З ..
100..150 мЗ/т 0,70 Kr/M 3 ..
150 200 м З /т 0,60 Kr/M 3
19 Коэффициент замены кокса мазутом 1,2 Kr/Kr [327]
20 Коэффициент замены кокса из [359, 360]
мельченными уrлями:
антрацитом и тощим с содержанием зо 0,9 Kr/Kr
лыдоlО%
то же, с содержанием золы 1 0 20 % 0,8 Kr/Kr
rазовым, с содержанием золы 10 20 % 0,8 Kr/Kr
2] Повышение давления rазов под колош
ником на каждые 1 О кПа в диапазоне o 20 + 1,0 [361 ]
,
100..200 кПа избыточноrо давления
22 >jC ..о 50 + 1,5 [362..364]
Уменьшение времени простоев на 1 % ,
23 Уменьшение врем. тихоrо хода на 1 % o 50 +1,0 [362 364]
,
24 Уменьшение количества случаев за
держки выпуска чуrуна на каждый 1 %
при средней длительности задержки 0,5 ..о 05 +0,1 [365]
,
интервала времени между смежными
**
выпусками
25 Увеличение степени форсирования
плавки с повышением перепада давления +0,5 О
..
rазов на каждый 1 % в пределах до rpa..
ничноrо значения
То же, сверх rраничноrо значения +0,2 +0,3 О
26 Замешение кокса антрацитом, Kr/Kr 0,8 1,0 Раздел 6.4
* в случае кратковременных простоев. При длительных остановках расход кокса ИЗ!\lеняетсЯ незначительно, а
производительность на 1 % на каждый 1 % Bpel\1eHII простоев.
** Ври друrой средней длительности задержки выпусков указанные величины изменяются пропорционально.
269
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
При среднем содержании железа в шихте 50 % изменение ero на 1 % приводит К
изменению количества шлака в 1,4 раза большему, чем в случае среднеrо содержания
железа 60 %. По этой причине экономия кокса и прирост производительности на каж
дый дополнительный 1 % железа в шихте, полученные в условиях Украины, в 1,4 раза
выше, чем в условиях России. В значительной мере по этой же причине эффектив
ность увеличения содержания железа за счет ввода в шихту окатышей в ряде случаев
ниже, чем в случае повышения содержания железа в аrломерате. Уменьшение выхода
шлака на каждые 10 Kr/T чуrуна способствует экономии кокса 0,35 % и приросту
производительности 0,6 % независимо от общеrо ero количества и содержания желе
за в шихте.
Расход металлодобавки влияет на расход кокса через содержание железа в шихте
(количество шлака) (п. 1) и расход тепла и уrлерода на прямое восстановление, изме
няющийся под влиянием изменения степени металлизации, которая определяется как
отношение количества металлическоrо железа в шихте ко всему железу шихты. По
скольку учет содержания железа в шихте предусмотрен отдельной статьей (п.l), то
расходом чистых металлодобавок (п. 2) учитывается только изменение степени Me
таллизации шихты. При необходимости изолированной оценки влияния металлодо
бавок, коrда изменение количества шлака отдельно не учитывается, следует учесть
ero (3+5 Kr/T чуrуна шлака на каждые 1 О Kr/T чуrуна металлодобавок) в обшей вели
чине эффективности. Тоrда экономия кокса от повышения расхода чистых Me
таллодобавок (100 % Ре) на каждые 10 Kr/T чуrуна составит 0,6 %, а прирост произво
дительности 0,8 %. Для заrрязненных металлодобавок эффективность пропорцио
нальна содержанию в них железа (Kr/Kr).
Степень офлюсования шихты влияет на расход кокса и производительность через
содержание железа и расход cbIporo флюса. Первый фактор учитывается при подсче..
те изменения содержания железа в условно..самоплавкой шихте, второй следует учи..
тывать отдельно (п. 3). Изложенный способ учета характеристики шихты исключает
необходимость ввода TaKoro параметра, как "доля аrломерата и окатышей", так как
последний влияет на расход кокса через выход шлака (содержание железа), расход
флюса (п. 3) и содержание мелочи в шихте (п. 4).
Материальные характеристики кокса (п. 5, 6) и состав чуrуна (п.п. 10+ 13) влияют
на расход кокса как непосредственно через тепловой баланс и баланс уrлерода, так и
через изменения количества шлака и cbIporo флюса. Поскольку суммарное изменение
количества шлака (содержания железа) и cbIporo флюса учитывается отдельно (п.п. 1,
3), величины влияния факторов на расход кокса и производительность по п.п. 5,
6,10+ 13 включают только эффект непосредственноrо влияния факторов на тепловой
баланс и баланс уrлерода.
При необходимости оценить влияние каждоrо из рассматриваемых факторов в
изолированном виде, коrда суммарное изменение количества шлака и сыроrо флюса
отдельно не учитывается, следует учесть это изменение в общей величине влияния
каждоrо фактора на расход кокса и производительность (табл. 3.9; числитель при
отсутствии в шихте cbIporo флюса или постоянном ero расходе, знаменатель при
изменении количества СаО в шихте изменением расхода cbIporo флюса).
Влияние прочности (п. 7) и истираемости (п. 8) кокса приводится с учетом имею
щейся взаимной связи между показателями М 25 и М 10 . При необходимости изолиро
ванной оценки влияния каждоrо из этих показателей следует оценивать увеличение
на каждый 1 % показателя М 25 экономией кокса и приростом производительности
доменной печи 1,5 %, а показателя М 10 значениями, приведенными в табл. 3.8.
270
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Таблица 3.9. Изолированная оценка влияния факторов
на удельный расход кокса и производительность печи
+ увеличение, .. уменьшение
Факторы и единицы измерения расход кокса, производи
% тельность, %
Уменьшение содержания золы в коксе на 1 % 1 4/ 1 8 + 1,4/+ 1 ,8
, ,
Уменьшение содержания серы в коксе
на каждый 0,1 % при [S] == 0,05 % o 18/ 0 57 +0,18/+0,57
, ,
при [S] == 0,04 % ..о 22/..0 70 +0,22/+0,70
, ,
при [S] == 0,03 % 0,27 / 0,92 +0,27/+0,92
при [S] == 0,02 % o 38/ 1 36 +0,38/+ 1,36
, ,
при [S] == 0,01 % ..о 71/..2 66 +0,71/+2,66
, ,
Уменьшение содержания кремния в чуrуне на 0,1 % 1 2/ 1 О + 1,2/+ 1 ,0
, ,
Уменьшение содерж я MapraHua в чуrуне на О..] % Kr/T чуr. %
при 30 % Мп в выводимой Mn pyдe 1 17/ 1 66 +0,22/+0,33
, ,
при 20 % Мп в выводимой Mn pyдe ..1 76/..2 89 +0,35/+0,42
, ,
при 15 % Мп в выводимой Mn pyдe 2,27 / 3, 78 +0,44/+0,61
Повышение содержания серы в чуrуне: Kr/T чуr. %
в случае прихода серы с шихтой 1 О Kr/T
от 0,04 до 0,05 % 33/ 130 +0,6/+ 2,4
, ,
от 0,03 до 0,04 % ..5 5/..21 7 + 1,1/+4,3
, ,
от 0,02 до 0,03 % 11/ 43,3 +2,0/+7,19
от 0,01 до 0,02 % 33/ 130 О +6,5/+25,6
,
в случае прихода серы с шихтой 4 Kr/T
от 0,004 до 0,05 % 1 ,3/ 5, 1 +0,25/+0,99
от 0,003 до 0,04 % ..2 2/..8 7 +0,4/+ 1,58
, ,
от 0,002 до 0,03 % ..4 4/..1 7 4 +0,8/+3,15
, ,
от 0,001 до 0,02 % 13,3/ 52,4 +2,5/+9,85
Дупlьевые пapa.;J'leпlpbI
Влияние дутьевых параметров на удельный расход кокса и производительность
печи характерно большой нелинейностью и зависимостью от мноrих условий. По
этому коэффициенты пересчета даны по диапазонам значений параметров и в зави
симости от значений друrих параметров.
В наибольшей мере это относится к температуре дутья, расходу природноrо rаза и
кислорода.
Влияние концентрации кислорода в дутье на расход кокса неоднозначно и зависит
от исходных условий. При работе на холодном или слабонаrретом атмосферном дутье
добавка кислорода способствует экономии кокса. В условиях BbIcoKoHarpeToro дутья с
большой концентрацией кислорода и малым расходом уrлеводородов дополнительное
обоrащение дутья кислородом без добавления уrлеводородов приводит к перерасходу
кокса. Второй из указанных режимов характерен для большинства современных до..
менных печей, использующих кислород при HarpeBe дутья до 1 ooo 1300 ос. Некоторый
перерасход кокса (п. 16) имеет место на этих печах, несмотря на снижение удельных
теплопотерь при обоrащении дутья кислородом (без добавки природноrо rаза) при He
изменной (а в ряде случаев меньшей) степени прямоrо восстановления.
271
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
Коэффициенты замены (КЗ) кокса rазообразными и жидкими холодными ДYTьe
выми добавками зависят от всех параметров, определяющих характер температурно
ro поля в печи (п.п.14 19). В общем случае они тем больше, чем выше исходное зна
чение теоретической температуры rорения. Для значения этой температуры 2000 ос
К3 кокса природным rазом составляет 0,9..1,0 Kr/M 3 при небольших расходах, сни
жаясь до 0,7..0,3 Kr/M 3 при расходах 150 200 м 3 /т. Аналоrично К3 дЛЯ KOKCOBoro rаза
составляет 0,40 0,45 Kr/M 3 . К3 кокса мазутом мало зависит от общеrо расхода и со..
ставляет 1,4 Kr/Kr. КЗ кокса измельченным уrлем определяется, rлавным образом, ero
составом и равен для антрацита 1,0 Kr/Kr, а для rазовых и тощих уrлей 0,8 0,9 Kr/Kr.
Приведенные величины К3 кокса MorYT быть получены в случае полноrо превра
щения уrлеводородов и твердоrо уrлерода у фурм. При существующих способах их
ввода и распределения по фурмам часть уrлеводородов подверrается пиролизу с BЫ
делением сажи, а уrольные частицы сrорают не полностью. Учитывая это, практиче
ские величины КЗ кокса приняты на 15..20 % ниже предельных для природноrо rаза,
мазута и уrлей (п.п. 18, 19, 20). Для KOKCOBoro rаза указанное влияние незначительно
(п.17). Повышение интенсивности плавки при форсированном ходе процесса приво
дит к увеличению удельноrо расхода кокса. Величина перерасхода кокса от повыше
ния интенсивности плавки тем больше, чем ниже удельный расход кокса и меньше
ero прочность, больше мелких фракций в шихте и выше концентрация кислорода в
дутье, а также меньше время пребывания шихтовых материалов в печи.
В случае повышения интенсивности за счет факторов, снижающих удельный pac
ход кокса, например, отсев мелочи из шихты, совместное увеличение расхода кисло..
рода и природноrо rаза и др., перерасход кокса в явном виде не наблюдается, а
уменьшается общая величина экономии. В этом случае влияние интенсивности плав..
ки не требует отдельноrо учета, так как является компонентом суммарной величины
изменения расхода кокса от воздействия OCHoBHoro фактора. Отдельный учет влия"
ния интенсивности плавки требуется в случае изменений напряженности rазодина..
мическоrо режима, выражающихся в изменении перепада давления rазов в печи
(п. 25). Это происходит за счет изменений объема rазов в единицу времени при по
стоянной rазопроницаемости столба шихты, а также за счет изменений rазопрони
цаемости столба шихты при одинаковом объеме rазов в единицу времени. При этом
увеличение перепада давления и соответствующее увеличение интенсивности плавки
приводит к повышению производительности печи. Превышение HeKoToporo rранич
Horo значения перепада давления приводит к возрастанию расхода кокса и соответ..
ствующему замедлению роста производительности печи. rраничные значения пере..
пада давления для доменных печей разноrо объема ориентировочно составляют:
1000+ 1242 м 3 130 кПа;
1300+1800 м 3 140 кПа;
2000+2300 м 3 150 кПа:
2700+3200 м 3 160 кПа;
5000 м 3 180 кПа.
Для конкретных условий они должны быть уточнены по выражению:
о 450
ДРrр == др rp . ,
к
rде к расход кокса, Kr/T.
КОol1ебllНUЯ СОСПlава ШUХПlЫ U l1apaol'J1enlpOe l1011lleKU
Приведенные в табл. 3.10 данные предназначены для изолированной оценки каж..
272
3. ВЛllЯll11е 1lара"еnlров nleXllO..70llllllla 1l0казаnlеЛllllлавКll
доrо из факторов, коrда суммарное изменение количества шлака, содержания кремния
в чуrуне и перепада давления rазов в столбе шихты отдельно не учитывается. При
оценке влияния комплекса параметров (табл. 3.8), коrда влияние изменения количества
шлака (содержания железа в шихте), содержания кремния в чуrуне и перепада давле
ния в печи учитывается суммарно (независимо от определяющих факторов), отдельный
учет влияния колеблемости состава шихты и параметров плавки не требуется.
Таблица 3.10. Влияние колебаний параметров
на расход кокса и производительность печи
Снижение среднеквадратичноrо Экономия Прирост произво
отклонения факторов кокса, % дительности, %
Влажности кокса на 0,1 % 0,28 0,42
Поrрешности дозирования шихты на 0,1 % 0,28 0,42
Зольности кокса на 0,1 0,36 0,54
Содержания железа в шихте на 0,1 0/0 0,20 0,29
Основности шихты на 0,01 ед. О, 1 3..0, 1 9 '"
0,22 0,33
Температуры дутья на 10 0 С 0,08 0,13
Влажности дутья на 0,1 % 0,45 0,67
Расхода природноrо rаза на 1 м 3 /т чуrуна 0,42 0,63
Концентрации кислорода в дутье на 0,1 % .. 0,22
'"
Меньшие значения при выходе шлака 300..350 Kr/T чуrуна, большие при 450..
500 Kr/T чуrуна.
ОрzаНllзаЦllонные фаК/110рЫ
к орrанизационным факторам технолоrии относятся остановки и тихий ход дo
менных печей, ритмичность заrрузки шихты и выпуска продуктов плавки, а также
связанная с этими факторами стабильность хода процесса. Влияние этих факторов на
удельный расход кокса и производительность печи зависит от характера переходных
процессов, вызванных ими, и поэтому не всеrда однозначно. Пока указанное влияние
оценивается эмпирически, rлавным образом, на основе статистической обработки
производственных данных (п.п. 22..24).
06llJlle заиечаНllЯ
Влияние большинства рассмотренных выше факторов достаточно изучено и в
значительной мере поддается количественному анализу в рамках единой лоrической
схемы доменной плавки. Влияние некоторых из них, изученных недостаточно, пока
приходится рассматривать изолированно, на основе обобщения эмпирических дaH
ных. К ним относятся механические и физико химические свойства сырья и кокса,
rазораспределение в печи, особенности и динамика изменения элементов профиля
печи (и соответственно теплопотерь), процессы в ropHe, миrрация щелочей и сажи.
Указанные факторы, оказывая непосредственное влияние на удельный расход
кокса и производительность печи, находятся в тесной связи с друrими параметрами
плавки и MorYT изменять характер влияния этих параметров на показатели процессов.
Для достоверной их оценки требуется дальнейшее изучение и математическое описа..
ние процессов. На данном этапе используются лишь некоторые эмпирические дан..
ные (п.п. 4, 7, 8, 22..24).
273
4. КО.Нl1лексная .нетодика расчетнос'о анализа плавки
«Всякая 1110чная наука
основываеl11СЯ на прuБЛUЗUI11еЛЬНОСI11U»
Б. Россе.,', (1872 1970)
4. КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА Р АСЧЕтноrо АНАЛИЗА ПЛАВКИ
Используемые в настоящее время расчетные методики анализа и проrноза показа..
телей и процессов доменной плавки основаны на общих (реже двухзонных) матери..
ально тепловых балансах. Для уrлубления анализа и уточнения проrноза большин
ству из них недостаёт:
.. оценок надежности выводов и «смяrчения» влияния поrрешностей и искажений
исходных данных при анализе реальных доменных плавок, которые MorYT быть BЫ
полнены на основе балансовых расчетов;
расчёта параметров «BHYTpeHHero» состояния процессов в отдельных зонах печ
Horo объёма с учетом радиальной неравномерности распределения материалов во
взаимосвязи с общими балансовыми соотношениями (для раскрытия rлубоких при
чин изменения технолоrии в различных режимах работы и при проrнозе показателей
нетрадиционных технолоrий);
возможности комплексноrо анализа изученных и новых режимов и технолоrий
на основе взаимосвязанной оценки фактических и ожидаемых параметров и показа
телей доменной плавки.
Для преодоления трудностей, обусловленных изложенными недостатками, в ИЧМ
НАН Украины в различные rоды автором выполнены отдельные разработки, обоб
щение и развитие которых входит составной частью в комплекс задач настоящей pa
боты, общей целью которой является создание метода комплексноrо расчёта зональ..
ных и интеrральных характеристик доменной плавки для уrлубленноrо анализа про
цессов и проrноза показателей при разных режимах работы. Решению этой задачи на
основе описания тепло массообменных процессов и фазовых превращений по высоте
и поперечному сечению печи способствовало развитие в ИЧМ НАН Украины MeTO
дов количественной оценки распределения шихтовых материалов по площади KO
*
лошника .
Актуальность развиваемоrо подхода к анализу доменной плавки обусловлена
приближением процессов в ряде режимов к предельным состояниям и осложнением
поиска резервов сокращения расхода кокса и повышения производительности.
На основе системноrо подхода к анализу доменной плавки в Институте чёрной
металлурrии НАН Украины разработана автоматизированная система анализа (АСА)
показателей доменной плавки, включающая следующие расчётные модули:
1. Анализ показателей реальной технолоrии.
2. Проrнозная оценка показателей плавки на основе двухзонных балансов.
3. Мноrозонный анализ процессов по высоте и радиусу доменной печи с проrно
зом показателей.
Построенная на основе указанных расчётных модулей система содержит следую
щие проrраммные компоненты:
базу первичных технолоrических показателей работы доменных печей (суточ
ные, месячные, rодовые и др.), характеристик arperaToB и исходных материалов;
nporpaMMY компоновки и усреднения первичной информации;
* См. книrу: Большаков в.и. Технолоrия высокоэффективной энерrосбереrающей
доменной плавки. К.: Наукова думка, 2007. 411 с.
274
4. КО.Нl1лекеная .нетодика раечетнос'о анализа плавки
комплекс вычислительных проrрамм решения задач анализа и проrноза показа
телей процессов доменной плавки;
комплекс проrрамм формирования различных видов представления результатов
обработки, их накопления, анализа и передачи в друrие проrраммы.
Ниже приводится содержательная характеристика расчетных модулей мноrозон
Horo расчета и анализа процессов в объеме доменной печи, а также общая характери
стика системы. Модули анализа показателей реальной технолоrии и проrноза показа
телей на основе двухзонноrо баланса, сформированные на основе положений, изло
женных в rлаве 2, приведены в приложениях 2 и 3.
4.1. Мноrозонный анализ процессов по высоте и радиусу доменной печи
Протекание процессов теплопередачи и восстановления железа в кольцевых зонах
по высоте столба шихты описывается дискретно системой материально тепловых ба
лансов в 12 вертикальных зонах с интервалами температур шихты от начальной до
400 ос и далее через каждые 100 ос вплоть до температуры продуктов плавки. Каж
дая из вертикальных зон характерна своей спецификой протекания тепло и массопе
редачи, а также перехода материалов от твердой фазы к жидкой через тестообразное
состояние:
от температуры заrрузки шихты до 400 ос HarpeB и испарение влаrи;
400 900 ос HarpeB, rазовое восстановление Ре, леrковосстановимых элемен
тов, Мп02..МпО, диссоциация карбонатов и rидратов;
.. 900 1100 ос HarpeB и размяrчение материалов, rазовое восстановление Fe,
диссоциация карбонатов и взаимодействие С0 2 с уrлеродом, прямое восстановление
Ре, выделение летучих кокса;
.. ] 100 1300 ос HarpeB и плавление материалов, шлакообразование, rазовое
восстановление Ре, диссоциация карбонатов, взаимодействие С0 2 с уrлеродом (пря..
мое восстановление), восстановление трудновосстановимых элементов;
1300 ос температура продуктов плавки восстановление трудновосстанови
мых элементов и переrрев продуктов плавки.
В периферийной кольцевой зоне по всей высоте столба шихты (в 12 вертикальных
зонах) учитывается потеря теплоты через стенки печи.
Равновеликие по rоризонтальной площади вертикальные кольцевые зоны COOT
ветствуют 1 О положениям лотка бесконусноrо заrрузочноrо устройства и отличаются
друr от друrа соотношением компонентов шихты (в первую очередь кокса и железо..
рудной части), задаваемым заrрузочным устройством и вычисляемым в модели за..
rрузки. В соответствии с разной rазопроницаемостью кольцевых зон через каждую из
них проходит разное количество rаза, непрерывно перетекающеrо из зон с большим
rазодинамическим сопротивлением в зоны с меньшим rазодинамическим сопротив"
лением.
Таким образом, весь объем столба шихты разбит на 1 О х 12 == 120 «ячеек», для ка..
ждой из которых выполняется расчет зональноrо материально тепловоrо баланса,
увязанноrо с общим материально тепловым балансом печи. В уравнения балансов
входят расчеты восстановительноrо процесса для каждой зоны и температуры на
rраницах зон. При заданных кинетических характеристиках восстановления и тепло
передачи выполняется расчет высот каждой из зон и времени пребывания в них Ma
териалов, увязываемых с общей высотой и временем пребывания материалов в печи.
Высоты индексируются номерами вертикальных зон сверху вниз верхний индекс (с
l..ro по 12..й) и кольцевых зон от центра к периферии нижний индекс (с }..ro по 1 О..
й).
275
4. КО.Нl1лекеная .нетодика раечетнос'о анализа плавки
Для расчета процессов и сведения балансов в вертикальных зонах требуется знать
не только количественный и качественный состав материалов, заrружаемых в каждое
кольцевое сечение и определяемый по модели заrрузки шихты [366], но также коли
чество rаза, поступающеrо в каждое из этих сечений снизу (из фурменной зоны). По
следнее требует решения задачи распределения rаза между кольцевыми сечениями
разной rазопроницаемости. Трехмерное движение rаза в прифурменной области на
некотором расстоянии выше фурм переходит в двухмерное, а в области распара в
одномерное [138]. Одномерность движения rаза в шахте означает однонаправлен
ность скорости и относительное равенство ее значений по сечению шахты. Однако
количество rаза в различных участках поперечноrо сечения зависит от проницаемо
сти шихты. При этом изобары должны располаrаться перпендикулярно линиям схода
шихты, что не противоречит полученным в разных исследованиях эксперименталь
ным данным, если учесть возможные ошибки измерения и связанные с этим флук"
туации. Двух.. и трехмерное движение rазов в области заплечиков можно представить
как одномерное, если принять в качестве нижней rраницы столба шихты изобару,
проведенную из центра печи на уровне фурм, rде rоризонтальная составляющая CKO
рости достиrает нулевоrо значения, к точке периферии заплечиков с такой же вели
чиной статическоrо давления, как в центре ropHa на уровне фурм. Выше этой rрани
цы расход rаза через каждую из кольцевых зон будет пропорционален rазопроницае
мости материалов в зонах.
В соответствии с принятым положением изобар по радиусу столба шихты на раз
ных rоризонтах перпендикулярно линиям схода шихты, распределение rаза по
кольцевым сечениям определяется rазопроницаемостью кольцевых сечений и зав и..
сит, rлавным образом, от соотношения заrруженных в каждое кольцевое сечение ко..
личеств кокса и железорудных материалов, а также их rазодинамических характери..
стик, которые оценивают величинами порозности и поверхности кусков слоя или ли..
нейным размером пустот (аналоr rидравлическоrо диаметра). В основу расчетной
оценки распределения rаза по кольцевым сечениям положено уравнение потерь Ha
пора в форме, предложенной Н.М.Жаворонковым [122].
При заданной величине потерь напора и вычисляемых по известным характери
стикам материалов величинах порозности и линейноrо размера пустот слоя (или по
верхности кусков) из уравнения потерь напора может быть определена скорость по
тока, при умножении которой на площадь кольца получим количество rаза, прохо
дящеrо через это кольцевое сечение. Для решения указанной задачи на любом rори..
зонте (для любой вертикальной зоны) доменной печи требуется знать распределение
давления по высоте столба при известных значениях давлений дутья, колошниковоrо
rаза и на rоризонте середины шахты.
Исследованиями на современных доменных печах установлена типичная форма
кривой давления по высоте при нормальном ходе процессов [174, 367..370]. Её можно
аппроксимировать квадратичной функцией или ломаной линией, используя три по
стоянно измеряемых значения давления у фурм, на колошнике и в середине шахты.
Определив положение изобар по высоте печи и вычисляя последовательно высоты
зон, связываем в ходе итерационноrо расчета параметры rазомеханики (давления,
скорости, расходы и др.) с параметрами тепло и массопередачи (температуры, KOH
центрации, степени восстановления и др.) по высоте и сечению печи.
ОсобеllllоспlU распределенuя пlеllлопlЫ в JOllax
На верхней rранице столба шихты, кроме общих расходов компонентов шихты,
задаются их доли в каждой радиальной кольцевой зоне (РКЗ), устанавливаемые по
модели распределения шихты. Общее количество отходящих rазов, вычисленное на
276
4. КО.Нl1лекеная .нетодика раечетнос'о анализа плавки
основе общих материально тепловых балансов, их состав и температура дополняются
оценочными величинами (первое приближение) этих параметров по кольцевым зо
нам печи. Далее производится расчет материально тепловых балансов первой верти
кальной температурной зоны (ВТЗ) (tзаrр 400 ОС) дЛЯ каждой ркз. Расчет ведется на
1 т общеrо чуrуна (для увязки зональных и общеrо балансов) последовательно в Bep
тикальных зонах 2+ 12 с интервалом температуры шихты 1000. Распределение тепло
ты между отдельными ркз пропорционально количеству заrруженных в них MaTe
риалов и соответствующему количеству образованноrо чуrуна.
При расчете прироста физической энтальпии шихты принимается линейная зави
симость теплоемкости от температуры при условном разделении на следующие KOM
поненты (Kr/T чуr.): М металлообразующие, Ш шлакообразующие, С уrлерод
(твердый) шихты, О кислород шихты, ДУ диоксид уrлерода карбонатов шихты, В
влаrа шихты. На верхней rраниuе первой ВТЗ (уровень заrрузки) исходная энталь
пия шихты Э составляет (кДж/т чуr.):
Э == (0,5 + 0,2.t заrр .l 0 3)-tзаrр. М + (0,8 + 0,3.t заrр .l 0 3)-tзаrр- Ш +
+( 1,05 + 0,4.t заrp .l 0 3).tзаrр.С + (0,95 + 0,636.t заrр .l 0 3).tзаrр.0 +
+(0,83 + 0,32.tзаrр.10 3).tзаrр.ДУ + (1,19 + 0,175.tзаrр-l0 3).tзаrр.В. (4.1)
На нижней rранице первой ВТЗ (400 ОС) дЛЯ всех кольцевых сечений прирост эн
тальпии составляет (верхний индекс N2 втз, нижний.. N2 РКЗ):
дэ 1 j ==[0,5.( 400 tзаrр)+0,2.( 4002 (tзаrр)2).1 0 3)]. М+[0,8.( 400 t. arp)+0,3.( 4002 (tзаrр)2).1 0 3)].
. Ш+[ 1 ,05-( 400 tзаrр)+0,4.( 4002 (tзаrp)2).1 0 3)].c+[0,95.( 400 tзаrр)+0,636.( 4002 (tзаrр)2).1 0 3)].
.0+[0,83-( 400 tзаrp)+0,32-( 4002 tзаrp)2} 1 0 3)].ДY+[I, 19.( 400..t заrp )+0, 175-( 4002 tзаrp)2)-1 0 3)]. В,
(кДж/т). (4.2)
Для остальных зон на основе тождественноrо преобразования получены простые
выражения аналоrичной формы для дэ/ I ; дэ/ II ; .. ...дэ j ХII С учетом теплопотреб
ляющих процессов восстановления, диссоциации карбонатов, переrрева расплавов и
др.
Для периферийной ркз (N21 О) прирост энтальпии шихты уменьшается на величи..
ну потерь теплоты через стенку. При известной общей величине потери теплоты Qпот
(кдж/м 2 поверхности) распределение по зонам можно принять исходя из линейной
зависимости потерь от температуры rаза. Таким образом, для j й ВТЗ периферий
ной ркз (N210) энтальпия шихты уменьшается на величину:
. ..
дqJ 1о == а пот .TJ 10 . FJ 10 , кДж/т чуr., (4.3)
[де: а пот коэффициент потерь, характерный для данной системы охлаждения печи и
.. .
полученный из выражения а пот == Qпот/L(ТJIO'F J IO ), причем TJ 10 средняя температура
. 2
rаза в зоне (ОС), а FJ 10 поверхность охлаждения в зоне (м ).
Тепловые эффекты реакций rазовоrо восстановления железа, леrковосстановимых
оксидов друrих металлов, диссоциации карбонатов и испарения влаrи, рассчитанные
в целом для печи, привязываются к температурным диапазонам их протекания, а
внутри этих диапазонов равномерно распределяются между соответствующими тем..
пературными зонами. Ввиду малой доли теплоты этих реакций в общем расходе та..
кое допущение вполне приемлемо для упрощения процедуры расчета.
В нижележащих высокотемпературных зонах допущение о равномерном распре..
делении между зонами теплопотребности на восстановление леrирующих и диссо
циацию карбонатов с учетом взаимодействия выделившеrося диоксида уrлерода с
твердым уrлеродом шихты вносит в конечный результат несколько большую по
rрешность, чем в вышележащих зонах, но должно быть принято из за отсутствия
преимуществ альтернативных решений. Распределение теплоты прямоrо BOCCTaHOB
ления железа между ВТЗ N2 7 1 О может быть условно принято только для первоrо
277
4. КО.Нl1лекеная .нетодика раечетнос'о анализа плавки
приближения витерационном процессе, но, ввиду большой ero доли относительно
общеrо расхода теплоты, рассчитывается в ходе итерационной процедуры по кинети
ческим зависимостям.
ОСlJбеllllоспlU учепl0 IlрЯ..НlJZlJ восспl0lllJв..1еllUЯ же..1еЗll в ЗlJlIОХ
В соответствии с принятой схемой определения количества отнятоrо от шихты
кислорода путем rазовоrо и прямоrо восстановления и соответствующеrо распреде
ления поrлощенной шихтой теплоты между зонами для расчета в ВТ3 NQ 2 1 О ис
пользуется кинетическое выражение [18]:
* * ... 3
it R == [(СО CO).vco.kco+(H H).VH.kH].(VFOYi / [(VRYi+(VKYi] , м /(Kr.ceK), (4.4)
* *
rде: (СО СО), (Н Н) разности концентраций монооксида уrлерода и водорода
соответственно равновесной (*) и фактической, м 3 /м 3 ; Vco ,VH расход соответственно
СО и Н 2 на единицу восстанавливаемоrо материала, M 3 /(Kr сек); kco, k H константы
скорости окисления соответственно СО и Н ъ M 3 /(Kr сек), определяемые эксперимен
тально для каждоrо матери.ала с устаНОВI!ением их температурных зависимостей:
kco== f co(t); k H == fH(t); (VFOY/[(VRYi + (VKYi] относительный объем оксидов железа
(VFOYi в шихте, м 3 /м 3 . При этом В ходе пересчета общеrо объема материалов и объе
ма оксидов железа в зонах размяrчения и плавления учитывается изменение (замед
ление) скорости восстановления железа в этих зонах.
Количество отнятоrо rазами кислорода от шихты в каждой зоне вычисляется по
. 3 .
выражению: OR == i}R.Jt-\.GFс О , М /т чуrуна, rде: 'tJi .. время пребывания материалов в
зоне U .. NQ ВТЗ, i .. NQ РК3); GFe O количество восстанавливаемоrо материала (окси
дов железа), Kr/T чуrуна. В соответствии с этим пересчитывается состав rаза
(CO C02; Н 2 ..Н 2 О ) на rранице следующей зоны.
Общее количество отнятоrо от шихты кислорода на нижней rранице ВТЗ NQ 6 со..
ответствует сумме отнятоrо кислорода в зонах 2 6 (100 % rазовоrо восстановления).
Общее количество отнятоrо от шихты кислорода (Kr/T чуr.) по опытным данным уве..
личивается практически линейно с температурой. Поэтому в каждой из ВТЗ NQ 7 10
ero устанавливают по выражению:
OL == (Ош ORII VI).100 / (1300 900) == (Ош ORII VI) /4, (4.5)
rде: OL общее количество отнятоrо от шихты кислорода в каждой из зон 7 1 о; Ош
б О II VI
О щее количество кислорода шихты в кольцевом сечении печи; R количество
отнятоrо кислорода в зонах 11 VI.
Величина Od == OL OR (Kr/T чуr.) соответствует кислороду прямоrо восстановле..
ния для каждой из зон 7 10. Указанные величины для каждой из ВТЗ и РКЗ соrла..
суются с общими величинами для печи в целом путем пропорционирования и уточ
нения величин констант.
Состав rаза на rраницах зон и их количество формируются путем добавления ки
слорода rазовоrо восстановления к части СО и Н 2 С пересчетом их в С0 2 И Н 2 О, а
также добавления к общему количеству rаза величин CO d и CO L (м 3 ), образованных
кислородом прямоrо восстановления железа и трудновосстановимых элементов со..
ответственно, при соответствующей rазификации твердоrо уrлерода шихты C d и C L
(Kr). На основе расчета указанных величин составляется уравнение тепловоrо балан..
са каждой зоны, из KOToporo устанавливается температура rаза на её нижней rранице
т (она же температура верхней rраницы нижележащей зоны). На основе рассчи..
танных балансовых величин определяются параметры теплопередачи в зонах (тепло
емкости потоков шихты и rаза, отношение теплоемкостей), а также оценивается Be
личина объемноrо коэффициента теплопередачи <X v А . V др (Вт/(м 3 . О К)) (А KOH
станта). Величина <Хl' подставляется затем в выражение для определения времени
278
4. КО.Нl1лекеная .нетодика раечетнос'о анализа плавки
. .
пребывания материалов в зоне 't == q / {av.[(VRYi + (VKYi].(T .. t)}, сек. Для установле
ния указанной формы выражения величины av, зависящей от мноrих факторов, пред..
принято специальное аналитическое исследование.
АllаЛUnluческое иСС,,7едоваllие коэfjJфuцuеllnlа nlеll./lОllередачu
Сопоставим два известных выражения: потерь напора в слое P и объемноrо KO
эффициента теплопередачи a v , Вт/(м 3 .К) :
P == M.Wl,8.pO,8.T/(dl,2.E1.8.p), Па/м; a v == N.wo,6.po,6.To'3/(dU.4.Eu,6.p0.3), Вт/(м 3 .К), rде:
A,M,N константы; w, р, Т, р скорость и плотность (при нормальных условиях),
температура и давление rаза соответственно; d, Е линейный размер пустот (аналоr
rидравлическоrо диаметра) и порозность слоя соответственно.
Первое ( P) отвечает известному выражению Н.М.Жаворонкова [122], а второе
(a v ) вытекает из анализа, выполненноrо Б.И. Китаевым и рядом специалистов по теп
лопередаче в зернистом слое [30, 37, 123, 130, 371, 372] в форме взаимосвязи крите
риев Нуссельта (Nu) и Рейнольдса (Re): Nu == В.Rе П , причем n 0,6. Из выражений
следует, что основные влияющие факторы в них одни и те же, причем rлавные (ско"
рость, температура, линейный размер пустот) входят в выражение для a v в степени,
втрое меньшей, чем в выражение дЛЯ P. Что касается остальных факторов, то каче..
ственное их влияние аналоrично, но количественно оно в экспериментах не оценено.
Если положить, что порозность слоя И давление rаза входят в выражение для a v TaK
же в степени, втрое меньшей, чем в выражение дЛЯ P, то после объединения KOH
стант можно записать: а, ==А. V др .
Действительно, a v является объемной характеристикой интенсивности передачи
тепловой энерrии от rаза к материалам в ходе их движения в насадке, а P xapaKTe
ристикой потерь энерrии движения для тех же процессов. По этой причине они зави..
сят от одних И тех же параметров (w, р, Т, d, Е, Р), но ау отнесена к объему материа
лов насадки (Вт/(м 3 .К)), а p к линейному размеру насадки (Па/м). В силу этоrо при
известных линейных (L) и объемных (L 3 ) размерах насадки и одном и том же абсо..
лютном изменении энерrии (Е) отношение указанных параметров
clv / P == (E:L 3 ) / (E:L) == L /L 3 , Т.е. равно отношению линейных и объемных разме
ров насадки ау / P == L /L 3 . По видимому, экспериментальное изучение связей в фор
ме a v == А. V p даст более плодотворные результаты, чем изолированно для каждоrо
фактора, и позволит прояснить ряд неясных вопросов.
Указанная нетрадиционная форма выражения коэффициента теплопередачи явля
ется более универсальной, чем известные, и мобильной в использовании при под
стройке констант и MHoroKpaTHbIx расчетах.
Фазовые Ilревраlценuя ""tаnlерuалов
Процессы фазовых превращений шихтовых материалов с образованием продук"
тов плавки изучались на протяжении всей истории доменноrо производства, однако
системные представления о зоне размяrчения и плавления (ЗРП) сформировались
лишь в 70 80..x [одах ХХ века на основе анализа материалов охлажденных доменных
печей с последующим физическим и математическим моделированием ЗРП, а также
её экспериментальным изучением на действующих доменных печах [45,90, 184, 185,
367 370]. Построение моделей основано на ряде допущений о механизме формирова
ния ЗРП и задаваемых по данным экспериментальных исследований значениях TeM
ператур начала размяrчения, плавления и полноrо ожижения (в среднем для всей
279
4. КО.Нl1лексная .нетодика расчетнос'о анализа плавки
шихты), а также параметрах слоёв шихты, определяющих размеры «коксовых окон»
и характер движения через них rазовоrо потока.
Большинство разработанных моделей являются локальными и не вмонтированы в
общую модель процессов доменной плавки. В силу этоrо они не MorYT использовать
ся для проrнозирования влияния параметров ЗРП на конечные показатели плавки
(расход топлива, производительность ), что потребовало восполнения этоrо пробела.
Решение задачи определения температурных rраниц размяrчения, плавления и
полноrо ожижения выполнили на основе обобщения результатов известных экспери
ментальных исследований. При этом обратили особое внимание на зависимости TeM
ператур начала размяrчения, плавления и полноrо ожижения от степени BOCCTaHOB
ления материалов к моменту достижения указанных температур и от количества BHO
симых и циркулирующих В печи щелочных оксидов (K20+Na20), не учитываемые во
мноrих моделях.
Зависимость температур начала размяrчения, плавления и полноrо ожижения от
химическоrо состава шихты определяли, в отличие от известных моделей, для каж
дой РКЗ и рассчитывали по разработанной в ИЧМ обобщенной модели, основанной
на проrнозировании этих температур при помощи интеrральных критериев «CBepT
ки» химическоrо состава с учетом межатомноrо взаимодействия компонентов шла
ковой связки: химическоrо эквивалента и стехиометрии [373, 374].
Рассчитанные по указанной модели значения температур корректировали по CTe
пени восстановления материалов на основе результатов исследований, полученных в
работе [375], rде зависимости значений температур от степени восстановления уста..
новлены для трех видов сырья аrломерата, окатышей и сырой руды. Кривые ука..
занных зависимостей дают минимум температур в области степени восстановления
20..30 %, т.е. в зонах образования максимальноrо количества монооксида железа при
значениях температур, отличающихся от значений в исходном состоянии (О % вос"
становления) на 1 00..200 rрадусов для начала размяrчения и 50..120 rрадусов для на..
чала плавления, причем при дальнейшем увеличении степени восстановления темпе
ратура начала размяrчения меняется несущественно, а температура начала плавления
увеличивается, приближаясь к исходному уровню для невосстановленноrо материа
ла. Различие значений для аrломерата, окатышей и руды обусловлено, rлавным обра
зом, разными основностью и исходной окисленностью компонентов, а также распре
делением силикатной связки. Температура полноrо ожижения оказалась наиболее
существенно зависящей от контакта с уrлеродом и близкой по величине к значению
при 30 % степени восстановления во всем диапазоне степеней восстановления.
Существенное влияние щелочных оксидов K20+Na20 хорошо известно. В наибо..
лее обстоятельных исследованиях этоrо процесса [45, 90] установлено, что возrо..
няющиеся в высокотемпературных rоризонтах доменной печи оксиды K20+Na20
выносятся rазовым потоком тем больше, чем интенсивнее поток в соответствующей
радиальной зоне и насыщают в большей мере компоненты с большим содержанием
Si0 2 и меньшим СаО, MgO, А1 2 О з . Соответственно у этих компонентов температу
ры начала размяrчения, плавления и полноrо ожижения уменьшаются на 50 300 rpa
дусов в зависимости от количества поступающих K20+Na20.
Разработанный на этой основе алrоритм оценки значений температур начала раз
мяrчения, плавления и полноrо ожижения сводится к тому, что величины, опреде..
ленные по обобщенной модели, корректируются по степени восстановления и коли..
честву щелочных оксидов в каждой зоне печи. Учет рассмотренных факторов уточ"
няет параметры модели и приближает результаты расчета к реальным.
280
4. КО.Нl1лексная .нетодика расчетнос'о анализа плавки
rаJодuна.: ,uчеСl<.uе Xapal<.111epUCI11Ul<.U
Входящая в расчетные выражения величина насыпноrо объема материалов зоны
(VRYi + (VKYi , (м 3 /т чуrуна) определяется с учетом изменения arperaTHoro состояния
железосодержащих компонентов по мере повышения температуры. Для её оценки (в
варианте рассмотрения смеси рудных компонентов R и смеси коксов К) принято, что
. . .. .
насыпной объем железорудных материалов (VRYi == RJ i /( YR}\ (RJ i расход, Kr/T; (YRYi
насыпная плотность, Kr/M 3 ) уменьшается от величины в твердофазном состоянии при
температурах ниже температуры начала размяrчения до нуля при температурах выше
температуры жидкофазных продуктов в межкусковых пустотах кокса. Расчет ведется
на основе принятой оценки изменения насыпной и массовой плотностей материалов
в различных зонах с последующим расчетом порозности слоя Eji (м 3 /м 3 ) И поверхно..
с и кусков (м 2 /м 3 ) sj i. Линейные размеры кусков кокса f K j i и железорудноrо сырья
f R J i описываются эмпирическими функциями от температуры: в зонах 1 6 и 7 12.
Изменение указанных параметров формирует различие rазопроницаемости слоев
шихты, расположенных в разных кольцевых сечениях на разных rоризонтах столба, и
определяет количество проходящеrо в них rаза.
Из уравнения потерь напора в слое, преобразованноrо применительно к указан
ным параметрам в форму P == M.W I . 8 .pO.8. S I.2. T /(E 3 .P), Па/м, получаем выражение
для скорости rаза при нормальных условиях:
W == [ P.E3.p / (М.рО.8. S I.2. T )]0.555, м 3 /м 2 .с, (4.6)
При умножении скорости на площадь поперечноrо сечения столба шихты на за..
данной высоте (SH, м 2 ) получаем выражения для расхода rаза в равновеликих коль..
цевых сечениях, м 3 /с. Установленная по этому выражению величина расхода rаза ис..
пользуется в расчете тепловоrо баланса каждой зоны с определением времени пре
бывания материалов в зоне:
о о
't == q / {av.[(VRYi + (VKYi}(T.. t)}, сек. (4.7)
и последующим установлением высот и поперечных размеров каждой зоны.
Для установления rеометрических размеров зоны предварительно определяются
скорости потока материалов объемной (Уу) и линейной (VL):
о о 3
Уу == [(VR i + (VКУi}П, м/с; VL == Уу / SH, м/с, (4.8)
rде: П производительность по чуrуну, т/с.
о о о
Затем вычисляются высоты ВТЗ дЛЯ каждой РКЗ h\ == 'tJi.VCi (м) И суммированием
по выосотеоустаонавли ается ра стояние их верхних и нижних rраниц от уровня засы
пи: Н\ == h\ + 1Yi 1 + hJi 2 +...+ h J 1 . Этому расстоянию соответствует положение изобар
по высоте печи, устанавливаемое в рассмотренной выше форме. rеометрические па..
раметры и положение ВТЗ каждой РКЗ в зависимости от расстояния от поверхности
засыпи материалов в заданной точке радиуса колошника устанавливается по модели
заrрузки шихты.
Расчетные выражения модели формируются в форме отдельных приводимых ни..
же модулей.
Модуль заrрузки и распределения шихты (верхняя rраница ВТЗ l)
Предусмотрено 2 варианта задания распределения материалов в РКЗ на колошни
ке: распределение каждоrо компонента шихты и распределение рудных наrрузок.
ВариаНI1, раСllределенuя l<.аJlсдО20 I<.O.JIIlOlleHI11a IUUXl11bI
1. Расходы компонентов железорудной шихты (аrломераты Аl, А2.., окатыши
01, 02.., руды железные Р 1, Р2.., конвертерный шлак КШ, сварочный шлак СШ,
прочие добавки) берутся из проrноза с переходом в зональный расчет (Kr/T). Их до..
281
4. КО.Нl1лексная .нетодика расчетнос'о анализа плавки
ли по РКЗ относительно общеrо: All, Alъ ... АIIО...(задаются, причем All+
AI2+ ...+ Al10 == 1); A21, A22, ... А21О...(задаются, причем A21+ A22+
. ..+ A2IO == 1);. ....
Можно задавать меньше 10 (379) значений I с аппроксимацией остальных и де..
лением частных значений i на L i для соблюдения условия L i == 1.
Форма аппроксимации (квадратичная, кубическая и др.) выбирается пользовате
лем. При этом значения заданных точек в РКЗ 1 и 1 О фиксированы всеrда, а в друrих
РКЗ только, если их до 4 (Bcero до 6 вместе с РКЗ 1 и 1 О). Если общее число задан
ных точек более 6, фиксируют только заданные значения в РКЗ 1, 2, 5, 6, 9, 1 о; oc
тальные пересчитывают . Если заданы 1 О точек и L i "* 1, пересчитывают все точки,
кроме РКЗ 1 и 10.
Отдельный вариант равномерный в РКЗ 279 с заданием только I и IO И опре
делением 2 == з ==...== 9 == (1 I IO) / 8.
2. Расходы коксов (в т.ч. кусковый уrоль) LK L (из проrноза с переходом в зональ
ный расчет), включающие К1, К2 обычные коксы, КЦ кокс улучшенноrо качества
.. задается в центр; кусковый уrоль, задаваемый в коксовую часть, .. КУК и в железо
рудную часть КУР, причем LK == Кl+К2+КЦ+КУР+КУК; K L == Кl+ К2 + КУК; их
доли в смеси коксов d K1 +d K2 +d Ku +d KyP +d KYK == 1.
3. Кусковый уrоль, задаваемый в рудную часть, КУР == LK L . d KyP (Kr/T); задаются
также ero доли в РКЗ 1710 (как и для рудных компонентов): KYPl, KYPъ
. .. KYPIO.", причем KYP1+ KYP2+ .. .+ KYPIO == 1.
4. Кокс в центр КЦ == LK . d кз (Kr/T); задаются также ero доли в РКЗ 171 О (как и
для рудных компонентов): KЦ1, KЦъ "' КЦIO"., причем КЦI+ KЦ2+ ."+ КЦIО
== 1. Если КЦI, KЦъ .. . KЦI0 не заданы, то KЦ1== ()I; KЦъ== ()2 . .. KЦI0== ()10 , KO
торые определяются ниже (см. цикл итераций), причем в первом шаrе КЦI== KЦъ==
.. ' КЦIО== 0,1.
5. В таблицах исходноrо состава сырья и кокса содержатся величины:
насыпная плотность (кr/м З ): (Y)AI; (У)А2...; (Y)OI...; (Y)KI; (У)К2; (У)КЦ; (У)КУР; (У)КУК,
массовая плотность (кr/м З ): YAI; УА2...; У01...; YKI; УК2; Укц; УКУР; УКУК,
линейный размер кусков (M):f A1 ; [А2...; [01...; [Кl; f K2 ; [ кц ; f KyP ; f KyK ,
коэффициент формы кусков: ФАI; ФА2...; ФОI...; ФКI; ФК2; Ф кц ; Ф кур ; Ф кук .
Расчепlные величины насыпных объе.иов и рудных на?рузок
1. Насыпные объёмы железорудной шихты и кокса (мЗ/т чуr.):
1.1. Для каждоrо компонента
НАl == Al/(Y)AI; НА2 == А2/ (Y)AI;...HOl == 01/ (Y)OI;... НКУР == КУР/ (У)КУР;
НК] == Kl/(Y)KI; НК2 == К2/(У)К2; НКЦ == КЦ/(У)КЗ; НКУК == КУК/(У)КУК. (4.9)
1.2. То же в целом для слоев железорудных НЖР (с КУР) и кокса HK (с КУК) и в
среднем для каждой РКЗ (Нср):
НЖР == НАl +НА2+. ..НОl +Н02+.. .НКУР; HK L == НКl +НК2+НКУК;
Нср == (НА1+НА2+...НОl+Н02+...НКУР+НК1+НК2+НКЦ+НКУР+НКУК)/10. (4.10)
1.3. То же дЛЯ РКЗ I: насыпной объем слоев железорудной части
НЖР 1 == (HA1. Al1 + HA2. A21 +...HOl' 011 + H02. 021 +...HKYP. KYPI); (4.11)
насыпной объем слоев коксовой части HK l == Нср НЖР 1 .. НКЦ' КЦl.
Аналоrично дЛЯ РКЗ 2 7 РКЗ 1 о.
1.4. Насыпной объем 1 Kr слоя смеси коксов (смесь включает К 1, К2, КУК):
dIC: == [d K1 /(Y)KI+d K2 /(Y)K2 +dKYK/(Y)KYK]/(dKl+ d IO + d KyK ); (4.12)
1.5. Масса слоя кокса (смесь, Kr/T) в РКЗ i == 171 о:
K :} == НК l/dю:; K L2 == НК L2 /dю:;.. .K L10 == НКL1о/dю:. (4.13)
282