Методы определения размеров профиля

Длительное время принципы расчета профиля печей считали секретом фирмы и материалы, касающиеся этого вопроса, не публиковали. Только немецкий металлург А. Ледебур в 1873 г. впервые рекомендовал рациональные, по его мнению, соотношения элементов профиля и установил методику определения их абсолютных размеров.

Оценку работы доменной печи он характеризовал коэффициентом использования объема, выражая его количеством тонн чугуна, выплавляемого за сутки в одном кубическом метре объема печи (т·сутки/м³). Используя этот коэффициент, А. Ледебур определял объем печи Q, необходимый для выплавки заданного количества чугуна в сутки, а затем и высоту печи:

Н= 2,85Q^1/3,

где 2,85 — коэффициент, соответствующий определенным соотношениям высоты печи и других частей ее профиля при условии, что все размеры (высоты и диаметры отдельных элементов) прямо пропорциональны высоте печи. В частности, h_г = 0,1 Н; H_з = 0,21 Н; h_р = 0,04 Н; h_ш = 0,65 Н; d_г = 0,17H; D = H/3,5 = 0,2857H; d_к = 0,2H; d_к = 0,2·3,5 = 0,7 D. При этом остаются неизменными для различных условий работы печи углы наклона заплечиков, т. е. 0,5 (0,2857 — 0,1700)/0,21 = ctg β (β = 74°37'), и шахты 0,5 (2857 - 0,2000)/0,65 = ctg α (α = 86°23').

Эти положения, как было установлено акад. М. А. Павловым, являлись ошибочными, так как размеры отдельных элементов профиля по мере увеличения высоты печи растут неодинаково, что подтверждается как изменением размеров их на протяжении всего развития профиля, так и практикой строительства печей более позднего времени.

Метод М. А. Павлова.

М. А. Павлов предложил метод расчета, основанный на отрицании прямой пропорциональности между различными частями профиля и общей высотой печи. Зависимость ее от полезного объема печи М. А. Павлов, в отличие от А. Ледебура, выразил формулой:

Н= nV₀^1/3,

в которой n, являющийся переменной величиной, тем большей 2,85, чем больше отношение H/D.

В основу определения размеров профиля М. А. Павлов положил полезный объем печи, который при заданной производительности Р определяется через коэффициент его использования: Vо = КИПО·Р. Коэф­фициент использования полезного объема печи представляет собой отношение полезного объема к суточной производительности и опреде­ляется условиями плавки. Зная полезный объем печи, можно рассчи­тать отдельные размеры профиля.

В результате анализа работы до­менных печей с разными профилями М. А. Павлов установил зависи­мость между полной высотой, диаметром распара и полезным объемом:

V₀ =k¢×H ×D².

В этой зависимости k' — коэффициент, учитывающий отклонение профиля печи от цилиндрического. Значение k' может возрастать с увеличением угла заплечиков, высоты цилиндрического распара и отношения H/D. Вычисленный в свое время М. А. Павловым для печей всевозможных объемов и отношения H/D,

коэффициент k' составлял в среднем 0,54, а в современных условиях 0,56—0,63, причем величины 0,60—0,63 предпочтительны, поскольку величина k' растет с увеличением объемов доменных печей. Пользуясь этой зависимостью и задаваясь полезной высотой печи (исходя из прочности кокса, на котором будет работать проектируемая печь), можно опре­делить диаметр распара:

D = (V₀/ k¢×H)^1/2

Для определения диаметра горна находится площадь его сечения, которая рассчитывается в зависимости от интенсивности горения:

K = I _г ×F_г,

где K — расход кокса в сутки, т; I _Г — интенсивность горения на 1 м² площади горна, т/(м²- сутки); F_г— площадь сечения горна, м².

Интенсивность горения кокса выбирается в зависимости от суточного расхода кокса (данные М. А. Павлова).

Расход кокса, Интенсивность горения

т/суткикокса, т/(м² • сутки)

550—600 19,2

600—800 20,4

800—950 21,6

950—1100 22,8

1100—1250 24,0

>1250 26,4

Для определения суточного расхода необходимо задаться удель­ным расходом кокса, зависящим от условий плавки. Правильность рассчитанного значения диаметра горна проверяется величиной от­ношения диаметра распара к диаметру горна, которое для современ­ных доменных печей составляет 1,09—1,14. Диаметр колошника сле­дует принимать равным 0,67—0,75 диаметра распара.

Высота горна определяется из условия, что на 1 т суточной про­изводительности необходимо 0,09—0,14 м³ объема горна. Высота остальных частей профиля расчетом обычно не определяется, а выби­рается на основании опытных данных.

Схема расчета профиля доменной печи акад. М. А. Павлова не потеряла своего значения и до настоящего времени. Но абсолютные ввеличины некоторых коэффициентов и отношений между основными размерами профиля (особенно H₀/D) существенно изменились. Так, значительно снизилась величина угла наклона шахты до 80—82° вместо предложенных для всех профилей М. А. Павловым (85—86°), что благоприятно сказывается на ровности хода печей и сохранности их футеровки.

Сыпучие тела, к которым можно условно отнести минеральное сырье и кокс, передают давление верхних слоев к нижним не по вертикали, а в виде «расклинивания» под углом. Вследствие этого между шихтой и стенками шахты возникает трение, связанное с молекулярным взаимодействием на поверхности соприкосновения двух тел при их относительном движении или в состоянии покоя.

Образующееся при этом боковое давление на стенки профиля составляет:

р_бок = Ра·α,

где Ра - активный вес шихты; α — коэффициент бокового давления, зависящий от коэффициента внутреннего трения шихты и трения ее о стенки шахты. Оно возрастает по мере увеличения горизонтальных размеров шахты и высоты столба шихтовых материалов.

Боковое давление увеличивается еще и за счет термического расширения шихты, а также вследствие специфических свойств шихтовых материалов. Некоторые из шихтовых материалов в процессе восстановления ведут себя не одинаково. Так, гематитовые руды и окатыши подвергаются сильному вспучиванию, связанному с перестройкой их кристаллической решетки, оказывая заметное влияние на величину бокового давления. Агломерат и магнетитовые руды вспучиванию не подвергаются, поэтому их влияние на увеличение давления можно не учитывать.

Высокий уровень бокового давления является главной причиной разгара футеровки шахты доменной печи. Он способствует «тугому» ходу и подвисаниям. Низкий уровень, наоборот, стимулирует развитие периферийных потоков газа, истирающих своим абразивным действием кладку печи. Оптимальный уровень давления, минимально изнашивающий футеровку, связан таким образом с расположением в печи эллипсоидов разрыхления и движения шихтовых материалов, расстояние которых от стен определяется углом наклона шахты (α_ш). имеющим прямую связь с диаметром распара, установленную эмпирическим путем статистической Обработка многочисленных данных показала, что угол наклона шахты, обеспечивающий оптимальный уровень давления может быть определен по формуле:

α_ш= 87,673 – 0,324D

где D — диаметр распара, м.

В связи с этим после вычисления диаметра распара по формуле Павлова: величина угла α_ш должна быть уточнена по приведенной выше зависимости. После этого делают поправки в конфигурации профиля в соответствии с качеством шихты и специфики технологии плавки.

Важным вопросом является определение полезной высоты доменной печи. Как указывал акад. М. А. Павлов, преуменьшение высоты дает печь меньшей производительности, чем наивыгоднейшая, что удорожает впоследствии производство. Преувеличение ведет к частым расстройствам хода, которые снижают среднюю производительность и дают большое количество продукта низкого качества. Эти расстройства во многом связаны с силами трения, рассмотренными выше, и недостаточным активным весом столба шихтовых материалов:

Ра = Рш-(р_г + F),

где Ра — активный вес шихты; Рш — вес шихтового столба; р_г — противодавление восходящего газа; F— суммарная сила трения, которая зависит от скорости движения газового потока, сечения кусков шихты и плотности газа.

Условием ровного схода шихты является Ра > 0. Как видно из уравнения, только часть веса шихты способствует ее опусканию. Повышение Ра наблюдается лишь до определенной высоты столба шихтовых материалов, выше которой он уменьшается благодаря силам возрастающего трения, а затем постепенно стабилизируется.

Если силы трения начинают превалировать над активным весом, создаются условия для образования сводов. При Ра<0 создаются условия верхового подвисания шихты. Отсюда следует, что плавный сход шихты возможен только при приращении активного веса (Ра) больше приращения сил трения (F), а рабочая высота печи должна быть всегда меньше предельной.

Это требование обязательно при определении максимальной высоты рабочего объема любого профиля. Поэтому полезную высоту печи необходимо определять не только намеченным объемом и производительностью, но и допустимой высотой рабочего пространства шахты.

Зависимость высоты рабочего пространства от прочностных характеристик кокса может быть значительно уменьшена при работе на коксе, рассортированном на классы по крупности в пределах 25—60—80 мм.

Метод М. А. Павлова является эмпирическим, основанным на практическом анализе работы доменных печей.

Метод А. Н. Рамма. Сопоставив размеры профиля совре­менных доменных печей, А. Н. Рамм показал, что размеры находятся в степенных зависимостях от величины полезного объема печи. Эти зависимости выражаются формулами:

d_r = 0,32×V_пол^0,45 ; h_Г = 0,115×H_пол ;

Dр = 0,5×V_пол^0,40; h₃ = 3,0м;

d_к =0,5× V_пол^0,36; h_р = 0,08×H_пол;

H_пол = 6,44×V_пол^0,22; h_ш =0,69×H_пол –3,0 м;

h_к = 0,115×H_пол.

Метод А. Н. Рамма также эмпирический, основанный на статистических данных работы доменных печей.

Эмпирические методы расчета профиля не учитывают качества ших­товых материалов и технологии выплавки чугуна. Между тем размеры элементов профиля зависят как от ка­чества шихтовых материалов, так и технологии выплавки чугуна.

Интенсивность доменной плавки в основном лимитируется газо­динамическими условиями в печи. Потеря напора газов может быть сведена к минимуму, если эффективное сечение столба материалов по всей высоте одинаково. Эффективное сечение определяется как гранулометрическим составом материалов, так и размерами элементов профиля. Поэтому представляет интерес расчет раз­меров профиля доменной печи с учетом равенства эффективного сечения по высоте печи (метод А. М. Лапы). Однако для такого расчета необходимо знать гранулометрический состав материалов в горне, распаре, в шахте печи и ряд других величин, эксперименталь­ное определение которых затруднено. Это усложняет использование такого метода в практических целях.

1.5. О рациональном профиле. Изменения проектных размеров профиля

в процессе эксплуатации и конфигурация разгара его всегда стимулировали поиски оптимальных параметров, характеризующих так называемый рациональный профиль. Представление о нем связывается с быстрым выходом печи на проектную мощность, постоянным уровнем производства и стабильностью очертаний на протяжении всей кампании печи, не подвергаясь обычному разгару, характерному для печей не только с толстостенной кладкой шахты, но и с так называемой среднестенной (575 мм).

Основными причинами разгара являются:

• истирание кладки абразивным действием шихтовых и газовых по-

потоков с пылью;

• воздействие высоких температур и давлений, размягченных и жид-

жидких продуктов плавки, сажистого углерода, цинкита (ZnO) и ще-

щелочных соединений;

• боковое давление столба шихты на кладку, значительно усиливающее влияние механических и физико-химических процессов, протекающих в печи. В верхней части шахты действуют в основном силы трения; в средних и, особенно, нижних горизонтах технологические факторы. Но для всех горизонтов с наличием твердых и полурасплавленных масс влияние сил трения остается преимущественным, достигающим своего максимума в нижней части шахты. Характер и размеры связанного с этим разгара обусловливаются толщиной кладки, системой и интенсивностью охлаждения, определяемого глубиной проникновения его в кладку печи. Практически оно составляет не более 300—350 мм, что подтверждается исследованием эффективности различных систем охлаждения доменных печей.

При кладке, превышающей указанный размер, происходит быстрый износ футеровки. Увеличение поперечных размеров печи понижает скорости газов, уменьшает их противодавление, нередко улучшает газораспределение, устраняя ошибки проектного профиля. Однако такой профиль не имеет ничего общего с рациональным, поскольку его задают не проектом, а неуправляемым процессом разгара кладки. В связи с этим стабильности профиля, изменяющегося только в пределах толщины гарнисажа, можно достичь сооружением тонкостенной кладки шахты (230—345 мм), находящейся полностью в сфере влияния охладительной системы. Устойчивость его может быть увеличена за счет уменьшения сил трения устройством дополнительных углов наклона шахты, величина которых должна уменьшаться по мере приближения к колошнику. Такой профиль, создаваемый по принципу «огненного перста Гиббонса» и приближающийся своим очертанием к овалу (границам естественного разгара), получивший название «жесткого» профиля, следует считать рациональным. В отличие от типового он имеет большие высоту заплечиков и диаметр распара, перемещенного вверх за счет уменьшения высоты шахты (он может отсутствовать совсем). Отношение его к диаметру горна увеличивается с уменьшением отношения H/D и d_к/ D. Тонкостенные печи такого профиля получили свое признание в мировой практике и, в том числе, в бывшем Советском Союзе и, по словам акад. М. А. Павлова, «они сохраняются среди современных печей, будучи в особенности пригодны для выплавки специальных чугунов». После применения в 50—60-е годы на Кузнецком металлургическом комбинате эти печи хорошо зарекомендовали себя при работе на цинксодержащих рудах.

С большим успехом этот опыт был использован на Новолипецком металлургическом комбинате, где доменные печи с тонкостенной кладкой (345 мм) показали в течение длительного времени хорошие эксплуатационные качества в обычных условиях работы.