Металлургическое производство в Украине было и остается базовой отраслью промышленности, ориентированной, в основном, на собственные сырьевые и топливно-энергетические ресурсы, а доменная плавка остается основным способом получения чугуна. В то же время, в Украине доменные печи в значительной степени изношены и требуют проведения капитальных ремонтов. Поэтому целесообразно сосредоточить внимание, в первую очередь, на проблемах реконструкции и модернизации парка доменных печей Украины. В этом направлении в мировой практике существуют разные подходы. Наиболее радикальный – полное уничтожение старых печей и строительство совершенно новых, как это осуществили на одном из металлургических заводов Европы, взорвав 12 старых доменных печей и построив 3 современных (рис.1).

Рис.1. Радикальное решение проблемы реконструкции доменного цеха.

В Украине из-за отсутствия свободных площадей на металлургических предприятиях и отсутствия достаточных инвестиций проблему модернизации доменных печей решают в условиях действующего производства, не изменяя расположения бункерной эстакады, шихтоподачи и доменной печи, что вносит определенные трудности.

Основной задачей модернизации доменного производства в Украине является восстановление и совершенствование производственных мощностей, уменьшение энергозатрат и себестоимости производства. При реконструкции обращается также внимание на ликвидацию «узких мест» действующего производства и решение экологических задач.

Эффективность доменной плавки определяется в значительной степени качеством и уровнем подготовки шихтовых материалов к доменной плавке. В Украине сегодня качество сырья хуже, чем на зарубежных печах, но эффективность доменной плавки может быть существенно увеличена, если качество сырья будет соответствовать следующим требованиям по железорудным материалам: содержание кремния < 3 %; содержание железа > 56%; содержание серы min; содержание фосфора min; по коксу: CSR > 60%, CRI < 30%, I40(500 об) > 50%, I10 < 19%, M40 > 82,5%, M10 < 8%, зольность < 10,0%, сернистость < 0,75%, летучие < 1,0%, влажность < 5,0%, щелочи < 0,3%.

Работа доменных печей на таком сырье позволяет при существующей технологии плавки уменьшить расход кокса на 30-50 кг/т или использовать до 200 кг/т чугуна угольной пыли и получить удельный расход кокса < 350 кг/т чугуна.

Одним из важнейших участков оборудования системы загрузки доменных печей является шихтоподача. Наиболее современная из всех конструкций шихтоподачи является конвейерная, позволяющая решить многие вопросы подготовки, дозирования и формирования порций шихтовых материалов для доменной плавки. Схема современной конструкции системы шихтоподачи для печи со скиповым подъемником представлена на рис.2. Такая система обеспечивает отсев мелочи, формирование требуемых порций шихты и отражает современные тенденции – отказ от вагон-весов, применение конвейеров и концентрацию бункеров над скиповой ямой.

Шихтоподача представляет собой комплекс технологического оборудования, предназначенного для реализации важнейших операций подготовки шихтовых материалов к загрузке в доменную печь, к ней предъявляются следующие технологические и технические требования:

• поддержание требуемого запаса шихтовых материалов;
• эффективное грохочение основных компонентов шихты;
• точное дозирование и взвешивание порций шихтовых материалов;
• формирование порций с заданным расположением материалов;
• обеспечение для догонки меры пропускной способности на 25 % большей, чем необходимо для проектной производительности печи;
• доставка материалов на колошник в рамках заданной продолжительности цикла загрузки;
• контроль процессов и диагностика состояния оборудования.

Рис.2. Реконструированная система шихтоподачи доменной печи со скиповым подъемником.

К сожалению, на металлургических предприятиях при проведении реконструкции доменных печей сталкиваются со значительными трудностями из-за недостаточного использования имеющегося научного и производственного опыта. В качестве примеров укажем проекты реконструкции ДП-8 «Криворожстали», где предполагается сохранить конусное загрузочное устройство (ЗУ), ДП-5 Енакиевского завода, где планируется установка конусного ЗУ с подвижными плитами и ДП-6 НТМК, где при проектировании шихтоподачи допущены ошибки, требующие существенных затрат на повторную реконструкцию. Дополнительные затраты на исправление недостатков проекта после их реализации многократно превышают затраты на проведение научной экспертизы и исследования.

Пример современной системы загрузки, включающей шихтоподачу, конвейер для подачи и подъема шихтовых материалов и бесконусное загрузочное устройство, представлен на рис.3. Такая система загрузки рассчитана на работу доменной печи в нормальном режиме оптимальной производительности, обладает достаточным резервом пропускной способности и широкими возможностями формирования порций шихтовых материалов. Применение такой системы загрузки открывает широкие возможности решения новых задач технологического и экономического плана, разработка и реализация которых будет эффективной при сотрудничестве ученых, проектировщиков и производственников.

Рис.3 Система загрузки доменной печи с конвейерной подачей и подъемом шихтовых материалов: І – шихтоподача; II – конвейер; III – бесконусное загрузочное устройство (1-9 – его узлы); a – угол наклона лотка.

Устойчивой мировой тенденцией в доменном производстве является использование бесконусных загрузочных устройств (БЗУ). Наиболее широкое применение получили БЗУ фирмы «Пауль–Вюрт» (рис.4).

Рис.4. БЗУ фирмы «Пауль–Вюрт».

Основным преимуществом БЗУ является неограниченная возможность регулирования распределения материалов на колошнике доменной печи, что позволяет обеспечить снижение расхода кокса при различных режимах работы печи. Однако, не менее важным моментом является обеспечение надежной работы загрузочного устройства на протяжении всей кампании печи, т.е. около 20 лет. Следует еще раз подчеркнуть, что БЗУ является прогрессивной конструкцией, возможности которого еще даже не оценены в полной мере. Использование БЗУ перспективно, учитывая тот факт, что создаваемые сегодня доменные печи будут работать еще через 20 лет. В условиях, когда интенсивно совершенствуется технология доменной плавки и появляются новые методы 5 управления ходом доменной печи, возможность регулирования распределения шихты по радиусу и по окружности печи является важнейшим параметром управления.

Известны несколько конструкций БЗУ, в т.ч. БЗУ конструкции ГипромезАзовмаш (рис.5) , а также роторное БЗУ (рис.6).

Роторное БЗУ, которое может поставлять российская фирма «Тотем», сегодня работает на доменных печах ЗСМК и Индии и его использование для печей малого и среднего объема представляется нам даже более целесообразным, т.к. оно дешевле в изготовлении и эксплуатации, обладает широкими возможностями управления распределением шихты.

Ранее Институт черной металлургии НАН Украины производил оценку использования БЗУ на доменных печах Украины. Тогда возникали некоторые проблемы с охлаждением редуктора БЗУ, работающего в области повышенных температур. Сегодня эта проблема решена – новая конструкция редуктора БЗУ использует для охлаждения химически очищенную воду и требует в 20 раз меньше азота, что повышает экономичность эксплуатации БЗУ (рис.7). Немаловажное значение имеет и меньший вес современного БЗУ, поскольку оно работает на колошнике доменной печи.

Рис. 7. Современная конструкция редуктора БЗУ фирмы «Пауль–Вюрт».

Одним из важных элементов БЗУ является распределительный лоток. В последние годы конструкция лотка претерпела коренные изменения. Натурные испытания лотка БЗУ показали, что при загрузке в доменную печь материалы движутся с большой скоростью по сложной траектории, происходит их подъем на боковую стенку лотка. Конструкция, конфигурация и футеровка лотка имеют большое значение для траектории движения шихты. Гладкий конец лотка позволяет укоротить длину лотка, уменьшает нагрузки на опорный подшипник редуктора БЗУ и, тем самым, повышает долговечность БЗУ. Длина лотка и конструкция его футеровки оказывают существенное влияние на эффективность распределения шихты (рис.8.).

Рис.8. Конструкции лотка БЗУ.

Институт черной металлургии НАН Украины разработал и опробовал методику расчета длины лотка. Испытания показали, что длинный лоток (5 м) не нужен для нормального распределения шихты даже на ДП объемом 5580 м³. Более короткий лоток обеспечивает требуемые параметры загрузки, а методика расчета длины лотка позволяет для конкретной печи определить при проектировании наиболее целесообразную конструкцию лотка БЗУ.

Исследования, проведенные Институтом черной металлургии, показали, что расчет параметров загрузки шихтовых материалов, определений траекторий их движения является весьма сложной и трудоемкой задачей (рис.9). Поэтому при реконструкции доменных печей необходимо проводить предпусковые исследования загрузочных устройств, поскольку каждая печь имеет свои конструктивные особенности и особенности шихтовых условий. Измерение характеристик потока шихты во время загрузки, определение траекторий ее движения, ширины и однородности потока шихты, точек пересечения шихты с футеровкой – все это имеет принципиальное значение для обеспечения эффективного управления доменной плавкой, для расчета оптимальных программ загрузки шихты. Опыт таких исследований Института черной металлургии НАН Украины свидетельствует о принципиальном значении указанных параметров для управления работой доменной печи во время ее эксплуатации.

Рис.9. Схема изучения траекторий движения шихты в колошниковом пространстве доменной печи во время предпусковых исследований.

Для оценки особенностей распределения шихты на колошнике доменной печи с использованием БЗУ необходима информация о распределении шихты и газов, о состоянии поверхности засыпи шихты. Необходимо выбрать минимум измерительной техники для получения полного объема информации. При этом необходим индивидуальный подход к каждой доменной печи с учетом возможностей оснащение ее измерительной техникой. Важно также правильно использовать получаемые при измерениях результаты и представлять их в удобном для персонала виде.

Сегодня имеется достаточно большой арсенал измерительной техники, однако получаемые результаты пока далеки от совершенства. Вполне очевидно, что научный поиск и исследования в этом направлении должны быть продолжены, поскольку получаемые результаты приносят большую практическую пользу для доменного производства. На рис.10 показаны примеры измерительной техники, используемой в доменном производстве для анализа загрузки и работы печи.

Одним из эффективных устройств контроля на колошнике доменной печи является профилемер. С помощью профилемера возможно изучать и контролировать взаимосвязи изменения профиля и распределения скорости 8 схода шихты с параметрами технологии плавки, что имеет принципиальное значение для формирования программ загрузки доменной печи.

Рис.10. Некоторые образцы измерительной техники для доменной печи.

Испытания стационарного радиолокационного профилемера конструкции ИЧМ, проведенные на ДП–9 меткомбината «Криворожсталь», показали принципиальную возможность использования его показаний для управления процессом доменной плавки (рис.11).

Следует отметить, что процессы, происходящие в доменной печи, несмотря на длительное изучение доменной плавки, исследованы пока недостаточно. Поэтому необходимо постоянное и планомерное проведение исследований процесса плавки, что позволит получать новые знания и с большой эффективностью использовать их на практике для управления ходом печи (рис.12).

Следует отметить, что при реконструкции доменных печей необходимо использовать имеющиеся технические решения, позволяющие повысить эффективность доменной плавки

Сегодня в мире современные печи устойчиво работают на показателях замены кокса пылеугольным топливом до 200 кг/т кокса. Однако для Украины использование ПУТ требует решения ряда проблем. Главным, на наш взгляд, является выбор соответствующей угольной базы для приготовления ПУТ и проведение Технико-экономической оценки возможных результатов. К сожалению, высокое содержание серы и высокая зольность углей Украины усложняет их использование в качестве ПУТ.

Рис.11. Расположение датчиков профилемера на колошнике доменной печи и зоны, представляющие интерес для контроля загрузки и хода печи.

Рис.12. Иллюстрация взаимосвязи физико-химических процессов доменной плавки со структурой столба шихты в печи и распределением газового потока.

Необходимо активизировать проведение дальнейшего научного поиска для использования альтернативных видов топлива, заменяющих кокс. Исследования альтернативных видов топлива, проведенные в Институте черной металлургии, показывают принципиальную возможность использования газифицированных видов топлива и жидких заменителей кокса, производящихся из недефицитных видов угля. Однако, для практического их использования необходимо проведение промышленных и полупромышленных исследований на экспериментальных установках, на создание которых пока нет соответствующих инвестиционных средств.

При реконструкции доменных печей большое внимание уделяется увеличению длительности кампании доменных печей. Поскольку определяющим показателем длительности эксплуатации печи является состояние футеровки горна, то разработки в этой области ведутся по трем направлениям:

• совершенствуется конструкция горна и система его охлаждения;
• разрабатываются и применяются новые огнеупорные материалы – микропористые углеродистые блоки, корундовые огнеупоры и керамические стаканы (чаши);
• разрабатываются системы автоматизированного контроля разгара горна, позволяющие непрерывно следить за разгаром футеровки и принимать оперативные и долговременные меры по продлению срока эксплуатации печи и предотвращению аварий;
• создаются и применяются на доменных печах системы контроля шлакового режима, которые позволяют оперативно контролировать химсостав продуктов плавки, обеспечивать поддержание заданного состава чугуна и предотвращать агрессивное воздействие шлаков на футеровку горна.

Разработанные в ИЧМ системы автоматизированного контроля шлакового режима и разгара горна установлены и эксплуатируются на ДП-9 ”Криворожстали”.

Увеличить эффективность реконструкции и модернизации оборудования, технологии доменной плавки и применения новых систем автоматизированного контроля и управления технологическим процессом и работой оборудования можно путем привлечения отечественных ученых для подготовки или экспертизы технологического задания и проектов реконструкции. Необходимо проводить предпусковые испытания нового и модернизированного оборудования систем загрузки доменных печей. Важным этапом обеспечения эффективной эксплуатации нового и модернизированного оборудования является обучение технологического и обслуживающего персонала. Применение новых средств и систем контроля работы оборудования и хода печи требует правильной организации обработки, представления и хранения информации, чтобы обеспечить возможность анализа работы и выбора рациональных технологических приемов и программ загрузки доменных печей шихтой. Подготовка проектов реконструкции должна сопровождаться технико-экономическим анализом и оценкой эффективности принимаемых технических и проектных решений с участием отечественных ученых, проектировщиков и ведущих специалистов металлургических предприятий.

Заключение

Обеспечить высокий технический уровень проектов реконструкции и строительства металлургических агрегатов сегодня можно совместными усилиями отечественных ученых, проектировщиков, технических руководителей и специалистов доменных цехов и комбинатов, которые могут путем обсуждения и рецензирования существенно улучшить качество проектов, обеспечить научно-техническое сопровождение, освоение агрегатов и вывод их на проектные показатели с высокими технико-экономическими параметрами. Реализация этих мероприятий может быть осуществлена на основе использования научно-технического потенциала, которым сегодня обладают наши ученые и проектировщики.