Способ регулирования хода доменной плавки

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано для регулирования рудной нагрузки в доменной печи. Сущность изобретения: при определении количества углерода поступающего в печь, дополнительно учитывают массу условного углерода, замененного топливной добавкой, определяют фактическое соотношение железо,углерод и сравнивают с его с заданным, величина которого устанавливается в пределах 1,6 - 2,3 кг/кг. Приведены математические расчеты углерода в случаях использования в качестве топливной добавки восстановительного газа, твердого или жидкого топлива. Предложенный способ позволяет снизить уровень колебания температуры чугуна, содержание в нем кремния, серы и удельный расход кокса. 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к регулированию теплового состояния доменного процесса.

Известен способ регулирования рудной нагрузки на кокс в зависимости от изменения содержания железа в шихте и влажности кокса. При изменении содержания железа в шихте более чем на 0,4% или влажности кокса более чем на 0,3 абс. % от заданных изменяют рудную нагрузку на 0,012-0,016 от ее значений перед изменением параметров, причем при увеличении параметров рудную нагрузку уменьшают, а при уменьшении увеличивают.

Однако данный способ не позволяет стабилизировать весовое отношение железо/углерод в загружаемых шихтовых материалах и коксе, так как не учитываются изменения содержания серы и углерода в коксе, влажности рудной части шихты. Вследствие этого не всегда достигается стабилизация теплового состояния печи и качества чугуна.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ, в котором процесс регулирования включает загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, контроль состава, количества шихтовых материалов и кокса, определение фактического количества железа и углерода, поступающих в печь, контроль параметров колошникового газа, комбинированного дутья и топливной добавки.

При использовании в доменной плавке топливных добавок данный способ не позволяет с достаточной степенью точности производить стабилизацию теплового состояния и качества чугуна. Это связано с тем, что коэффициент замены кокса топливной добавкой в ходе процесса может изменяться во времени в довольно широких пределах. Например, для природного газа он колеблется от 0,65 до 1,0 кг кокса на 1 м³ газа. При расходе природного газа на доменной печи объемом 1754 м³ в количестве 12000 м³/ч это вызывает изменение количества замененного кокса от 12000 ˙ 0,65 = 7800 кг/ч до 1200 ˙1 = 12000 кг/ч, т.е. разница составляет 4200 кг/ч. Учитывая, что в печь загружают в среднем 10 подач шихтовых материалов и кокса, эта разность соответствует изменению массы кокса в подаче на 400 кг. Если ее не скомпенсировать изменением рудной нагрузки на кокс, то существенно изменится тепловое состояние процесса, качество чугуна и удельный расход кокса.

Таким образом, недостатком способа-прототипа является то, что он не учитывает изменения количества замененного кокса топливной добавкой, которое приводит к изменению теплового состояния процесса и качества чугуна.

Целью изобретения является повышение качества чугуна и снижение удельного расхода кокса.

Способ включает контроль химического состава и количества загружаемых в печь шихтовых материалов и кокса, определение количества железа и углерода, поступающих в печь, и стабилизацию заданного весового отношения железо/углерод на заданном уровне.

Новым в изобретении является то, что при определении количества углерода, поступающего в печь, дополнительно учитывают массу углерода, замененного топливной добавкой, и при этом с периодичностью по меньшей мере 1 раз в 1 ч контролируют химсостав колошникового газа, расходы топливной добавки, технологического кислорода и дутья, влажность дутья и затем определяют фактическое соотношение железо/углерод и сравнивают его с заданным, величина которого устанавливается в пределах 1,6-2,3 кг/кг, и, если разница между ними Δ Z превышает показатель К, находящийся в пределах | 0,005 | - | 0,015 | , производят корректировку массы кокса в подаче, изменение которой определяют из следующего соотношения: ΔK = - - m_к, кг/под (1) где Δ K - величина коррекции массы кокса в подаче, кг; ΣFe - содержание Fe в шихтовых материалах, кг/подачу; Z - заданное соотношение ΣFe/ΣC; ΣC - количество углерода, поступающего в печь с коксом и замененного топливной добавкой; C_к - содержание углерода в коксе с коррекцией по влаге, доли массы; m_с - масса углерода, замененного топливной добавкой, кг/подачу.

При использовании в качестве топливной добавки восстановительного газа расчет углерода, замененного топливной добавкой, осуществляют по формуле m_с= V_g ,кг/под (2) где q_г - приход тепла от горения природного или другого восстановительного газа в горне, кДж/м³; μ , γ- количество водорода и окиси углерода, образующихся в горне печи из 1 м³ природного (или другого восстановительного) газа, м³/м³; V_д - количество топливной добавки м³/ч;
η_co , η_H2- степень использования окиси углерода и водорода, доли единиц;
5250 - тепловой эффект образования СО, кДж/м³;
10808, 12648 - тепловые эффекты образования Н₂О и СО₂ из СО, кДж/м³;
1,866 - количество образуемой окиси углерода из 1 кг углерода, м³/сг С;
n - количество подач в 1 ч.

При использовании в качестве топливной добавки твердого или жидкого топлива расчет углерода, замененного топливной добавкой, осуществляется по формуле
m_c= ,кг/под где C^p, H^p, W^p - содержание в твердом или жидком топливе соответственно углерода, водорода и влажности, кг/кг;
23605 - тепловой эффект образования СО₂ или СО, кДж/кг углерода;
121000 - тепловой эффект образования Н₂О, кДж/кг водорода;
13400 - тепловой эффект образования Н₂О, кДж/кг влаги;
q_т(ж) - приход тепла от горения твердого или жидкого топлива в горне доменной печи, кДж/кг.

Выражение (1) позволяет рассчитать количество кокса, которое необходимо добавить (или снять) в подачу, чтобы выдерживалось заданное соотношение ΣFe/ ΣС, которое предполагает нормальное тепловое состояние печи.

При этом ΣFe/(Z˙C_к) представляет собой количество кокса в подачу, которое необходимо загрузить в печь, чтобы выдержать соотношение Z, в том случае, если бы топливная добавка не подавалась в печь.

m_c/C_к - количество кокса, которое заменяется топливной добавкой;
m_к - количество кокса в подачу, которое загружается в доменную печь в данный момент.

Разность ΣFe/(Z˙C_к) - m_c/C_к дает величину массы кокса в подачу с учетом изменений химсостава железорудного сырья ( ΣFe), содержания углерода в коксе (С_к), расхода топливной добавки и степени ее использования.

Сравнивая существующий расход кокса m_к с полученным по расчету, определяют величину корректировки массы кокса.

В выражении (2) числитель X = q_г+12648˙γ˙η_co+ 10802˙μ˙η_H2 - это приход тепла от горения в доменной печи 1 м³восстановительного газа в кДж/м³, выражение в знаменателе формулы (2) Y = 1,8667 (5250 + 12648 ˙ η_CO ) - это приход тепла от горения 1 кг углерода кокса в доменной печи в кДж/кг, отношение X/Y - отражает коэффициент замены углерода кокса восстановительным газом (кДж/м³)/(кДж/кг)= кг/м³. Выражение X/Y - отражает количество замененного углерода кокса топливной добавкой за 1 ч, так как V_д измеряется в м³/ч (кг/м³ ˙ м³/ч = кг/ч). Выражение (X/Y)˙(Vд/n) - отражает количество замененного углерода кокса топливной добавкой в расчете на одну подачу шихты, так как
n - количество подач за 1 ч.

В итоге формула (2) отражает количество замененного восстановительным газом углерода кокса, кг/подачу.

В формуле (3) числитель отражает приход тепла от горения в доменной печи 1 кг жидкого или твердого топлива. Остальные величины аналогичны формуле (2). В итоге формула (3) отражает количество замененного углерода мазутом или твердым топливом в кг/подачу.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что ΣC в прототипе представляет собой количество углерода, поступающего в доменную печь с шихтой, и определяется из выражения
C_ш = С_к ˙ m_к, (4) где m_к - масса кокса в подаче, кг.

ΣС в новом способе состоит из углерода, поступающего в доменную печь с шихтой, и углерода, замененного топливной добавкой, и определяется из выражения
ΣC = С_ш + m_с. (5)
Основной отличительной особенностью предлагаемого способа является постоянный контроль с определенной периодичностью количества углерода, замененного топливной добавкой, и коррекция на основе этих данных количества кокса, загружаемого в доменную печь. При этом коррекция осуществляется таким образом, чтобы соотношение ΣFe/ΣC поддерживалось на определенном уровне. То есть суть процесса регулирования рудной нагрузки сводится к увеличению или уменьшению массы кокса в подаче в зависимости от понижения или повышения соответственно эффективности использования топливной добавки.

Вполне естественно, что оценка эффективности топливной добавки требует постоянного контроля технологических параметров процесса и на основе этих данных сложных материатических расчетов с использованием вычислительной техники.

Интервал соотношения ΣFe/ΣC задается с учетом реальных условий, в которых протекает процесс доменной плавки. Нижний уровень 1,6 свойственен для доменных печей, на которых используется сырье с низким содержанием Fe, и уровень технологии не отвечает современным требованиям. Верхний предел 2,3 был рассчитан для условий функционирования отечественных и зарубежных доменных печей, имеющих наиболее высокие технико-экономические показатели.

При реализации предлагаемого способа показатель К предварительно задается в зависимости от объема доменной печи и условий ее эксплуатации, ее диапазон составляет |0,005 | - |0,015 |. При этом меньшее значение |0,005 | приемлемо для доменных печей большого объема, большее значение |0,015 | соответствует условиям работы доменных печей малого и среднего объемов. На величину заданного значения К также оказывает влияние точность взвешивающих устройств, применяемых при дозировке загружаемого в доменную печь кокса. При использовании устройств с повышенной точностью пределы показателя К сокращаются и его численные значения уменьшаются, стремясь к минимальному значению указанного предела. Указанная величина пределов показателя К установлена расчетным путем.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Контролируют количество и химсостав шихтовых материалов, кокса и определяют количество загружаемого в печь железа и углерода
Σ Fe =Fe_i ˙ m_i;
С_ш = С_к˙m_к, где Fe_i - содержание железа в i-ом компоненте рудной части шихты с учетом содержания влаги, доли массы;
С_к - содержание углерода в коксе с учетом содержания влаги, доли массы;
m_i - масса i-го компонента шихты в подаче, кг;
m_к - масса кокса в подаче, кг;
Контролируют расходы дутья, топливной добавки, технологического кислорода, содержание в колошниковом газе СО, СО₂ и H₂, влажность дутья.

Определяют массу удельного углерода, замененного топливной добавкой, m_с. Если в качестве топливной добавки используют природный или другой восстановительный газ, то расчет производят по уравнению (2)
m_с= , кг/подачу
При этом приход тепла q от горения природного газа (или другого восстановительного газа) в горне доменной печи, кДж/м³ определяется известным способом (см. А. Н. Рамм. Современный доменный процесс. М.: Металлургия, 1980, 384 с).

Например, для природного газа
q = 1658 СН₄ + 6050 С₂Н₆ + 10115 С₃Н₈ + + 13796 С₄Н₁₀ + 18053 С₅Н₁₂ - 12648 СО₂ - 10802 Н₂О, кДж/м³, где СН₄, С₂Н₆ и т.д. - содержание соответствующих компонентов в природном газе, доли единицы объема;
1658, 6050 и т.д. - теплота сгорания (или разложения) в горне печи соответствующих компонентов природного газа, кДж/м³.

Если в качестве топливной добавки используют твердое или жидкое топливо, то используют расчетное уравнение (3)
m_c= ,
При этом q_т(ж) определяется также в соответствии с расчетом, изложенным в работе А.Н.Рамма.

q_т(ж) = Q_Н^р - 121000˙ Н^p - 12140 ˙ S^p - - 13400 ˙W^p - 23605 ˙C^p, кДж/кг, где Q_Н^р - полная теплота сгорания жидкого или твердого топлива;
S^р - содержание серы в жидком или твеpдом топливе, кг/кг.

Определяют суммарное количество условного углерода, состоящего из углерода кокса С_ш и условного углерода, замененного топливной добавкой m_c
ΣС = С_ш + m_c, кг/под.

Для выплавки заданного качества чугуна устанавливают требуемое отношение количества железа в шихте к количеству условного углерода
Z = ΣFe/ΣC, кг/кг.

Определяют фактическое соотношение ΣFe/ ΣC и сравнивают его с заданным, при этом устанавливают и учитывают зону нечувствительности
Δ Z = Z - Z_ф, если - K > Δ Z > K, принимают решение о корректировке массы кокса.

Определяют массу коррекции кокса в подаче для стабилизации отношения Z из следующего выражения:
ΔK = - - m_к .

Производят корректировку массы кокса в подаче, при этом если Δ K положительно, увеличивают, а если отрицательно, уменьшают массу кокса в подаче на величину Δ K.

П р и м е р. В качестве исследуемого объекта принята доменная печь ДМК им. Дзержинского объемом 1754 м³, на которой выплавляют передельный чугун. В качестве топливной добавки используют природный газ с параметрами γ = 1,077 м³/м³, μ = 2,06 м³/м³.

Исходные данные:
Fe_i = 51%
С_к = 0,85
V_ПГ = 10000 м³/ч
m_i = 24000 кг/под
m_к = 7100 кг/под
q_г = 1958 кДж/м³
n = 10
Для данных условий исследуемого объекта задают соотношение железо/углерод - Z = 1,8 кг/кг.

Вычисляют значения ΣFe и С_ш
ΣFe = 24000˙0,51 = 12240 кг/под
С_ш = 7100˙0,85 = 6035 кг/под.

Производят анализ колошникового газа, контролируют расход дутья, кислорода, влажность дутья и определяют степень использования СО ( η_CO) и Н₂ ( η_H2 ), которые соответственно составляют η_CO = 0,4; η_H2 = 0,4.

По формуле (2) вычисляют количество углерода, замененного топливной добавкой (природным газом)
m_c = 848 кг/подачу.

Определяют
ΣС = 6035 + 848 = 6883 кг.

Определяют фактическое Z и задают K = ±0,015
Z = 12240/6883 = 1,770.

Сравнивают фактическое и заданное значение Z, с учетом K Δ Z = 0,022, Δ Z > >0,015, принимают решение о корректировке массы кокса в подачу.

Определяют массу коррекции кокса в подаче, необходимую для поддержания заданного Z
ΔK = - - 7100 = - 98 кг/под
Производят корректировку расхода кокса, в данном случае снимают 100 кг кокса в подачу.

Через 1 ч после произведенной корректировки производят выполнение всех операций вновь. В результате при неизменности всех остальных параметров установлено, что η_H2 составляет 0,3.

Вычисляют количество углерода, замененного природным газом при η_H2= 0,3
m_с = 732 кг/под.

Сравнивают фактическое и заданное значение Z.

Δ Z = -0,0318, Δ Z < - 0,015 и находится вне пределов показателя K. Производят корректировку массы кокса в подаче.

Для новых условий изменение расхода кокса в подачу составляет
ΔK = - - 7000 ≈ 139 кг/под
Производят корректировку расхода кокса - в данном случае с учетом округления добавляют в подачу 100 кг кокса.

П р и м е р 2. В качестве исследуемого объекта принята доменная печь объемом 1386 м³, на которой выплавляют передельный чугун. В качестве топливной добавки используют пылеугольное топливо со следующими параметрами, % :
W^p - 0,38; A^p - 11,0; S_общ^p - 1,71; С^p - 76,49; H^p - 0,46; Q_H^p - 25121,0 кДж/кг.

Исходные данные
Fe_i = 51%
C_к = 0,85
G_м = 2000 кг/час
m_i = 24000 кг/под
m_к = 7100 кг/под
q_тв = 25121 кДж/кг
n = 10.

Для данных условий объекта задают соотношение железо/углерод - Z = 1,9 кг/кг.

Вычисляют значения ΣFe и С_ш
ΣFe = 24000 ˙ 0,51 = 12240 кг/под
С_ш = 7100 ˙ 0,85 = 6035 кг/под.

Производят анализ колошникового газа, котролируют расходы дутья, кислорода, влажность дутья и определяют степень использования СО ( η_CO) и Н₂ ( η_H2), которые соответственно составляют η_CO = 0,42, η_H2 = 0,4.

По формуле (3) вычисляют количество углерода, замененного топливной добавкой (пылеугольным топливом)
m_c = 334 кг/под
Определяют ΣС
ΣС = 6035 + 334 = 6369 кг/под
Показатель K для печи данного объема 0,015.

Определяют фактическое значение
Z_ф = 12240/6369 = 1,022.

Сравнивают фактическое и заданное значение Z, при этом учитывают K
|Δ Z | = 0,022 Δ Z > 0,015, таким образом соотношение Z (железо/углерод) в настоящее время выше заданного и находится вне пределов показателя K.

Производят корректировку массы кокса в подаче
ΔK = - - 7100 = 86 кг/под.

С учетом округления повышают расход кокса на 100 кг/под.

Установлено, что содержание железа Fe_i в шихте повысилось до 53%, кроме того, увеличился расход пылеугольного топлива до 2500 кг/ч.

Производят стабилизацию рудной нагрузки при новых условиях доменной плавки.

ΣFe = 24000 ˙ 0,53 = 12720 кг/под
С_ш = 7200 ˙ 0,85 = 6120 кг/под
m_c = 417 кг/под
ΣC = 6120 + 417 = 6537 кг/под
Z_ф = 12720/6537 = 1,946
|Δ Z | = 0,046; Δ Z > 0,015 таким образом, необходимо произвести корректировку расхода кокса
ΔK = - - 7200 ≈ 185 кг/под С учетом округления увеличивают расход кокса на 200 кг/под.

П р и м е р 3. В качестве исследуемого объекта принята доменная печь ДМК им. Дзержинского объемом 1386 м³, на которой выплавляют передельный чугун. В качестве топливной добавки используют мазут с параметрами, %:
C^p - 86,0; H^p - 1,28; S^p - 1,00; A^d - 0,2; Q_н^р - 40612,0 кДж/кг; W^p- 5,0
Исходные данные
Fe_i = 51%
C_к = 0,85
G_м = 3000 кг/час
m_i = 24000 кг/под
m_к = 7100 кг/под
q_ж = 40612 кДж/кг
n = 10.

Для данных условий исследуемого объекта задают соотношение железо/углерод - Z = 1,8 кг/кг.

Вычисляют значения ΣFe и C_ш
ΣFe = 24000 ˙ 0,51 = 12240 кг/под
С_ш = 7100 ˙ 0,85 = 6035 кг/под. Производят анализ колошникового газа, контролируют расход дутья, кислорода, влажность дутья и определяют степень использования CО ( η_CO) и Н₂ ( η_H2), которые соответственно составляют η_CO = 0,4; η_H2= =0,35.

По формуле (3) вычисляют количество углерода, замененного топливной добавкой (мазутом).

m_c = 722 кг/под.

Определяют количество углерода, поступающего в печь с коксом и замененного топливной добавкой
ΣC = 6035 + 722 = 6807 Показатель K для печи данного объема 0,015.

Определяют фактическое значение соотношения железо/углерод (Z_ф) Z_ф= 12240/6807 = 1,798.

Сравнивают фактическое и заданное значение Z и при этом учитывают K.

|Δ Z |= 0,002, Δ Z < 0,015, таким образом, соотношение Z в настоящее время находится в заданных пределах.

Через некоторое время было установлено, что содержание железа в шихте возросло до 52%, кроме того, отмечено снижение содержания углерода в коксе до 0,82. Увеличен расход мазута до 4000 кг/ч. Остальные параметры остались без изменения.

Согласно приведенному ранее расчету (в той же последовательности) определяют величну корректировки расхода кокса.

ΣFe = 24000 ˙ 0,52 = 12480
С_ш = 7100 ˙ 0,82 = 5822
m_c = 963 кг/под
С = 5822 + 963 = 6785
Z_ф = 12480/6785 = 1,839
|Δ Z | = 0,039 Δ Z > 0,015 ΔK = - - 7100 ≈ 181
Для нормального режима работы печи (для обеспечения заданного соотношения Z = 1,8 кг/кг) необходимо добавить с учетом округления 200 кг кокса в подачу.

Таким образом, приведенные примеры свидетельствуют, что при управлении доменным процессом учет углерода, замененного топливной добавкой, и постоянный контроль степени использования восстановительных газов дают возможность своевременно и оперативно и на более высоком уровне производить регулирование рудной нагрузки. Это способствует снижению уровня колебания температуры чугуна, содержания в нем кремния, серы и экономии кокса.

Формула изобретения

1. СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ХОДА ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ, включающий периодическую загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, непрерывный контроль состава, количества шихтовых материалов и кокса, определение фактического количества железа и углерода, поступающих в печь с шихтой, контроль параметров колошникового газа, комбинированного дутья и топливной добавки, отличающийся тем, что, с целью повышения качества чугуна и снижения удельного расхода кокса, дополнительно определяют количество углерода, замененного топливной добавкой, с периодичностью, не менее одного раза в час контролируют химсостав колошникового газа, расходы топливной добавки, технологического кислорода и дутья, а также влажность дутья, определяют фактическое соотношение железо/углерод, сравнивают его с заданным, и если разница между ними превышает 0,005 - 0,015, производят изменение количества кокса в подаче, которое определяют из следующего соотношения:
ΔK= - -m_к ,
где Δ K -величина изменения массы кокса в подаче, кг;
ΣFe - количество железа в шихтовых материалах, кг/подача;
Z - заданное соотношение ΣFe / ΣC ;
ΣC - количество углерода, поступавшего в печь с коксом и замененного топливной добавкой, кг/подача;
С_к - количество углерода в коксе с коррекцией во влаге кг/подача;
m_с - количество углерода, замещенного топливной добавкой, кг/подача;
m_к - количество кокса в подаче, кг/подача.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве топливной добавки используют восстановительный газ, при этом количество углерода, замененного топливной добавкой определяют по формуле
m_с= V_g,
где q_г - приход тепла от горения природного (или другого восстановительного) газа в горне, КДж/м³;
μ , γ - количество водорода и оксида углерода, образующихся в горне печи из 1 м³ природного (или другого восстановительного) газа, м³/м³;
V_q - количество топливной добавки, м³/ч;
η_CO , η_H2 - степень использования окиси углерода и водорода, доли единиц;
5250 - количество теплоты при образовании CO, КДж/м³;
10802, 12648 - количества теплоты при образовании H₂O и CO₂ из CO, КДж/м³;
1,8667 - количество образуемой окиси углерода из 1 кг углерода, м³/кгс;
n - количество подач в 1 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве топливной добавки используют твердое или жидкое топливо, при этом количество углерода, замененного топливной добавкой, определяют по формуле
m_c= ,
где C^р, H^р, W^р - количество в твердом или жидком топливе соответственно углерода, водорода и влаги, кг/кг;
23605 - количество теплоты при образовании CO₂ из CO, КДж/кг углерода;
121000 - количество теплоты при образовании H₂O, КДж/кг водорода;
13400 - количество теплоты образования H₂O, КДж/кг влаги;
q_г(ж) - приход тепла от горения твердого или жидкого топлива в горне доменной печи, КДж/кг.