Основные методы исследований процессов доменного производства

Доменное производство занимает особое место среди других металлургических переделов в современной индустрии. Это процесс, который требует большого количества энергии и составляет до 50% всего используемого топлива в черной металлургии.
В связи с повышением требований к качеству чугуна, а также строжайшими экономическими и экологическими нормами, необходимо постоянно повышать эффективность доменной плавки. Исследование альтернативных технологий получения чугуна, которые могут заменить доменную плавку, показало, что автономные агрегаты, представляющие собой фрагменты доменных печей, не имеют преимуществ в производстве массового металла.
Важно отметить, что развитие технологий и постоянное совершенствование процесса доменной плавки позволят улучшить качество получаемого продукта и снизить негативное воздействие на окружающую среду. Исследования в области разработки новых материалов и технологий, а также применение современных методов управления и контроля, помогут достичь более эффективной и экологически безопасной доменной плавки.







1 Система доменного производства

Доменное производство относится к сложным и распределенным системам. Оно является важным, трудным энергоемким и эффективным технологическим модулем в процессе производства черных металлов. Доменная плавка определяет облик всего металлургического комплекса.
Современная технология доменной плавки включает в себя комплекс технических методов и средств, которые обеспечивают выплавку требуемого количества чугуна заданного состава в доменных печах. Они оснащены специальным оборудованием и аппаратурой для бесперебойной подачи шихты, уборки продуктов плавки и эффективного управления процессами. Такая технология должна обеспечивать стабильную работу и высокую сохранность доменных печей, при этом достигая максимальной экономичности и соблюдая экологические ограничения.
Данные фирмы "Хэтч" свидетельствуют о том, что в мире ежегодно выплавляется около 600 млн тонн металла с использованием доменных печей, в то время как методы, не связанные с доменной плавкой, пока что используются только для производства 30 млн тонн[1]. Ведущие отечественные и зарубежные ученые и производители считают, что будущее массовой металлургии связано именно с доменным процессом и интегрированной классической схемой "подготовка руды - доменная плавка - выплавка металла". Это подтверждает важность и значимость доменного производства в современной металлургии.
Таким образом, доменное производство остается ключевым элементом в процессе производства черных металлов, и его дальнейшее развитие будет способствовать совершенствованию массовой металлургии, обеспечивая высокое качество продукции и соблюдение экологических норм.

1.1 Устройство и работа доменной печи

За XX век доменные печи значительно выросли в размерах. В начале двадцатого века доменные печи имели диаметр горна 4–5 м и производили около 100 000 тон чугуна в год, в основном из кусковой руды и кокса. В конце ХХ века крупнейшие доменные печи имели диаметр пода 14–15 м и производили 3–4 млн тон чугуна в год. С середины 1980-х годов объем доменной печи оставался более или менее неизменным, на оптимальном уровне (3000–5000 м3).
Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом(см. рис.1). Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.


Рис.1 – Схема доменной печи

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен.
Современная доменная печь (домна) – грандиозное сооружение высотой до 40 м, весом до 35 000 тонн и рабочим объемом до 5500 куб. м, выдающее за одну плавку до 6000 тонн чугуна. Обеспечивают работу домны сотни систем и агрегатов, занимающих площадь в десятки и сотни га. Устройство доменной печи современного образца включает в себя десятки вспомогательных систем, управляемых мощными компьютерами.

 
2 Основные методы исследований процессов доменного производства

Значительное количество весомых факторов, влияющих на эффективность
плавки, а главное - недоступность внутреннего пространства печи для наблюдения и
прямых измерений при исследованиях, не позволяет контролировать ряд важных
параметров, характеризующих особенности протекания процессов, а, следовательно,
использовать их для управления работой агрегата.
Значительное количество весомых факторов, влияющих на эффективность
плавки, а главное - недоступность внутреннего пространства печи для наблюдения и
прямых измерений при исследованиях, не позволяет контролировать ряд важных
параметров, характеризующих особенности протекания процессов, а, следовательно,
использовать их для управления работой агрегата.
Значительное количество весомых факторов, влияющих на эффективность плавки, а главное - недоступность внутреннего пространства печи для наблюдения и прямых измерений при исследованиях, не позволяет контролировать ряд важных параметров, характеризующих особенности протекания процессов, а, следовательно, использовать их для управления работой агрегата[2].

2.1 Способ оценки стабильности опускания шихты на колошнике печи

Известно, что эффективность доменной плавки в значительной степени
определяется распределением шихтовых материалов на колошнике доменной печи
[2]. Для реализации рационального распределения шихты необходимо знание
зависимостей формирования поверхности засыпи от изменения параметров
распределения материалов и хода печи, скоростей опускания шихты по сечению
колошника, формы и положения в печи основных элементов структуры столба
шихтовых материалов, определяющих газодинамические процессы в печи. До
создания современных средств измерения профиля его оценка осуществлялась лишь
расчетным путем при большом количестве упрощающих допущений.
Известно, что эффективность доменной плавки в значительной степени
определяется распределением шихтовых материалов на колошнике доменной печи
[2]. Для реализации рационального распределения шихты необходимо знание
зависимостей формирования поверхности засыпи от изменения параметров
распределения материалов и хода печи, скоростей опускания шихты по сечению
колошника, формы и положения в печи основных элементов структуры столба
шихтовых материалов, определяющих газодинамические процессы в печи. До
создания современных средств измерения профиля его оценка осуществлялась лишь
расчетным путем при большом количестве упрощающих допущений.
Известно, что эффективность доменной плавки в значительной степени
определяется распределением шихтовых материалов на колошнике доменной печи
[2]. Для реализации рационального распределения шихты необходимо знание
зависимостей формирования поверхности засыпи от изменения параметров
распределения материалов и хода печи, скоростей опускания шихты по сечению
колошника, формы и положения в печи основных элементов структуры столба
шихтовых материалов, определяющих газодинамические процессы в печи. До
создания современных средств измерения профиля его оценка осуществлялась лишь
расчетным путем при большом количестве упрощающих допущений.
Работа печи во многом зависит от режима распределения газа, который, в свою очередь, зависит от профиля поверхности шихты, а также от организации газораспределения. Таким образом, загрузка материалов в печь является одним из наиболее важных фактов управления. Измерение профиля шихты было сложной задачей из-за суровых условий внутри печи. Для этой цели изобретен радар с фазированной решеткой, он не имеет движущихся частей; однако это создает свои проблемы[3]. Система спроектирована таким образом, что антенна