способ регулирования хода доменной плавки

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:

K= - -m_к ,

где K -величина изменения массы кокса в подаче, кг;

Fe - количество железа в шихтовых материалах, кг/подача;

Z - заданное соотношение Fe / C ;

C - 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;

, - 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;

_CO , _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.

Описание изобретения к патенту

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 Z превышает показатель К, находящийся в пределах | 0,005 | - | 0,015 | , производят корректировку массы кокса в подаче, изменение которой определяют из следующего соотношения:

K = - - m_к, кг/под (1) где K - величина коррекции массы кокса в подаче, кг;

Fe - содержание Fe в шихтовых материалах, кг/подачу;

Z - заданное соотношение Fe/C;

C - 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;

, - 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;

_co , _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 Fe/ С, которое предполагает нормальное тепловое состояние печи.

При этом Fe/(ZC_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 Fe/(ZC_к) - m_c/C_к дает величину массы кокса в подачу с учетом изменений химсостава железорудного сырья ( Fe), 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_co+ 10802_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 _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 C 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.

С в новом способе состоит из углерода, поступающего в доменную печь с шихтой, и углерода, замененного топливной добавкой, и определяется из выражения

C = 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 Fe/C 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 Fe/C 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

Fe =Fe_i m_i;

С_ш = С_кm_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

С = С_ш + m_c, кг/под.

Для выплавки заданного качества чугуна устанавливают требуемое отношение количества железа в шихте к количеству условного углерода

Z = Fe/C, кг/кг.

Определяют фактическое соотношение Fe/ C и сравнивают его с заданным, при этом устанавливают и учитывают зону нечувствительности

Z = Z - Z_ф, если - K > Z > K, принимают решение о корректировке массы кокса.

Определяют массу коррекции кокса в подаче для стабилизации отношения Z из следующего выражения:

K = - - m_к .

Производят корректировку массы кокса в подаче, при этом если K положительно, увеличивают, а если отрицательно, уменьшают массу кокса в подаче на величину 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 = 1,077 м³/м³, = 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 Fe и С_ш

Fe = 240000,51 = 12240 кг/под

С_ш = 71000,85 = 6035 кг/под.

Производят анализ колошникового газа, контролируют расход дутья, кислорода, влажность дутья и определяют степень использования СО ( _CO) и Н₂ ( _H2 ), которые соответственно составляют _CO = 0,4; _H2 = 0,4.

По формуле (2) вычисляют количество углерода, замененного топливной добавкой (природным газом)

m_c = 848 кг/подачу.

Определяют

С = 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 Z = 0,022, Z > >0,015, принимают решение о корректировке массы кокса в подачу.

Определяют массу коррекции кокса в подаче, необходимую для поддержания заданного Z

K = - - 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 _H2 составляет 0,3.

Вычисляют количество углерода, замененного природным газом при _H2= 0,3

m_с = 732 кг/под.

Сравнивают фактическое и заданное значение Z.

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

Для новых условий изменение расхода кокса в подачу составляет

K = - - 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 Fe и С_ш

Fe = 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 ( _CO) и Н₂ ( _H2), которые соответственно составляют _CO = 0,42, _H2 = 0,4.

По формуле (3) вычисляют количество углерода, замененного топливной добавкой (пылеугольным топливом)

m_c = 334 кг/под

Определяют С

С = 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

| Z | = 0,022 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

K = - - 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.

Fe = 24000 0,53 = 12720 кг/под

С_ш = 7200 0,85 = 6120 кг/под

m_c = 417 кг/под

C = 6120 + 417 = 6537 кг/под

Z_ф = 12720/6537 = 1,946

| Z | = 0,046; Z > 0,015 таким образом, необходимо произвести корректировку расхода кокса

K = - - 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 Fe и C_ш

Fe = 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 ( _CO) и Н₂ ( _H2), которые соответственно составляют _CO = 0,4; _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

C = 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.

| Z |= 0,002, 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.

Fe = 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

| Z | = 0,039 Z > 0,015 K = - - 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.