Параметры безопасности в доменном производстве

Доменный процесс протекает в замкнутом пространстве доменной печи, объем которого определяет массу перерабатываемых шихтовых материалов, скорость их передвижения и время нахождения в печи. Доменная печь состоит из колошника, распара, заплечиков и гор­на. Поскольку определяющим фактором сохранения физико-химических безопасных параметров является нормальное осуществление процесса в доменной печи, то для каж­дого участка печи в зависимости от ее объема и режима работы ха­рактерны свои нормальные и безопасные значения массы шихтовых материалов для продуктов плавки, объемов газа, скоростей их дви­жения и развиваемых ими давлений на стенки доменной печи, а так же температурные условия

При нормальных параметрах работы время пребывания шихто­вых материалов в доменной печи составляет 5—6 ч, газов — около 3 с. Процесс выплавки чугуна в доменной печи заключается в вос­становлении оксидов железа углеродом, оксидом углерода и водо­родом. Углерод в доменную печь поступает в составе кокса, пылевид­ного топлива, вдуваемых газов, водород – в составе природного га­за, мазута и других добавок Доменная печь является плавильным агрегатом непрерывного действия с периодическим удалением продук­тов плавки. Непрерывность процесса обеспечивается своевременной подготовкой и подачей в печь железорудного сырья, флюсов, топлива и дутья. Предварительная подготовка шихтовых материалов, дутья и интенсификаторов необходима для протекания процессов в заданных физико-химических параметрах, поскольку их изменения приводят к снижению безопас­ности процесса.

Нормируемыми показа­телями являются не только химический состав, но и раз­меры шихтовых материалов, их прочностные свойства, в частности устойчивость раздавливанию, истиранию. Эти показатели влияют на распределение материалов в печи и их газопроницаемость, что связано с рациональным распределением газа, его скоростью и теплоотдачей.

Температура и состав газов по сечению печи характеризуют газопроницаемость шихты и полноту теплообменных и химических процессов. Рационально такое распределение газов, при котором максимально используются их теплосодержание и восстановительная способность без нарушения ровного схода шихтовых материалов. Повышение основности агломерата и снижение содержания мелочи в шихте приводят к уменьшению разности между максимальными и минимальными зна­чениями температуры и содержания диоксида углерода в газе по радиусу печи. Равномерное распределение шихтовых материалов и газа по окружности печи дает одинаковые кривые распределения температур и содержания СО₂ в газе.

Шихтовые материалы по мере опускания и нагревания претерпевают ряд изменений: удаляется гигроскопическая и гидратная вла­га, разлагаются карбонаты с выделением углекислого газа, разви­ваются процессы горения топлива, косвенного и прямого восстанов­ления оксидов железа.

По температурным параметрам объем доменной печи по высоте условно делят на три области. В верхней области печи температуры ниже 800 °С, здесь протекают реакции непрямого восстановления при взаи­модействии с СО и Н₂. В средней области с интервалом температур 800— 1100°С наряду с реакциями непрямого идут реакции прямого вос­становления железа. В нижней области, где температуры выше 1100° С, протекают реакции прямого восстановления железа углеродом кокса. Действительная область распространения и скорости реакций прямого и косвенного восстановления зависят от температуры среды, состава, давления и скорости газов, химических и физических свойств материалов и могут изменяться с изменением влияющих факторов.

Температурные области характеризуют также тепловое влияние процесса на элементы конструкции доменной печи — футеровку, ко­жух, состояние которых частично определяет безопасность процес­са, а также вероятность экстремальных его отклонении от нормальных условий

Зона наиболее высоких температур расположена в нижней час­ти доменной печи, где давление шихтовых материалов и газов максимальное. Поэтому нижняя часть шахты, заплечики, распар и горн находятся в наиболее неблагоприятных условиях, и, как показывает практика, в этих местах наиболее часто возникают экстремальные отклонения технологических процессов по параметрам безопасности.

Горение кокса происходит у фурм, через которые в доменную печь поступает воздух, нагретый до 1000—1200 °С, с избыточным давлением от 147,1 до 392,3 кПа и линейной скоростью 140—200м/с. Температура горения кокса в окислительной зоне составляет 1000— 2100° С Окислительная зона простирается от фурм примерно на 1200—1800 мм к направлению вертикальной оси печи и на 800— 1200 мм от оси фурмы. Содержание кислорода в газах по направлению к оси печи уменьшается; содержание СО₂ возрастает, а затем уменьшается в результате взаимодействия с углеродом; с учетом содержания азота в дутье состав газа в горне составляет 347% СО и 65,3% N₂.

Зона горения имеет очень большое значение для хода домен­ного процесса и делится на две нечетко выраженные области ки­слородную, границу которой составляет область с содержанием кислорода 1—2%, и окислительную, границу которой составляет область с содержанием СО₂ 1—2%. Размеры кислородной области определяются в основном величиной кинетической энергии струи дутья, а размеры окислительной области — тепловым состоянием горна: при понижении температуры окислительная область возрастает, а при повышении – сокра­щается.

Зона горения не должна быть слишком вытянутой к оси печи, так как это приводит к развитию центрального хода, что является нарушением параметров безопасности. Вместе с тем зона горения должна распространяться на такое расстояние от фурм, при котором в осевой части горна температура была бы не ниже 1350— 1400° С и обеспечивала сохранение чугуна и шлака в жидком состоянии, так как повышение их вяз кости или затвердевание являются серьезными нарушениями технологического процесса и параметров безопасности.

В последние годы широко применяют вдувание в горн доменной печи природного газа, а в некоторых случаях мазута или пылевидного топлива, что резко увеличивает объем газообразных продуктов в печи, так как при сжигании метана продуктов сгорания на 1 кг углерода кокса получается примерно в 1,7 раза больше. Увеличение количества газа затрудняет опускание плавильных материалов в доменной печи и меняет физико-химические параметры процесса, а следовательно, и его безопасность. Безопасность доменного процесса зависит от скорости и характера опускания шихтовых материалов, скорости проплава шихты, дутьевого режима, теплового состояния доменной печи и характера распределения газов по ее сечению.

Таким образом, нормируемыми параметрами безопасности до­менного процесса являются масса, состав и скорость движения шихтовых материалов, давление, состав и температура дутья. Протекание физико-химических процессов при оптимальных параметрах соответствует наиболее высокому уровню безопасности, т. е. ровному ходу печи или нормальным условиям ее работы Для обеспечения нормального хода печи в зависимости от условий плавки устанавливают оптимальные технологические параметры: количество и качество дутья, интенсивность горения кокса, основность шлака, расход при родного газа, содержание кислорода в дутье, давление газа на колошнике

На современных доменных печах резко повысились газодинамические и температурные напряжения, что повлияло на параметры безопасности доменного процесса В настоящее время максимальное избыточное давление на колошнике больших доменных печей составляет 147,1—245,2 кПа, в отдельных случаях до 392,3 кПа. Фактичес­ки доменная печь представляет собой огромный сосуд, работающий под большим давлением, что резко повышает требования к конструк­ции кожуха и кладки печи для сохранения заданных параметров безопасности по давлению.

При ровном ходе печи опускание материалов идет плавно, без застоев и провалов; скорость опускания шихты максимальная для тех условий, в которых работает печь, при наиболее полном исполь­зовании химической и физической энергии газов.

Снижение уровня безопасности при нарушениях технологического процесса.

На практике в доменном процессе постоянно возникают отклонения от нормальных параметров, снижающие уровень безопасности про­цессов и приводящие к возникновению опасных производственных факторов. В доменном производстве свыше 41% несчастных случаев от общего их числа происходит во время плавки чугуна и выпуска чугуна и шлака.

При анализе аварии в доменных цехах установлено, что на ко­жух доменной печи приходится в среднем 12% аварий, на охлади­тельную арматуру доменной печи 44%, на оборудование и устрой­ства печи, обеспечивающие выпуск продуктов плавки, 7%.

Основными отклонениями от нормальных параметров (видами расстройства хода печи), вызывающими снижение уровня безопас­ности, являются похолодание, подогрев, тугой ход, подвисание ших­ты, периферийный ход, канальный ход, односторонний ход, загро­мождение горна тугоплавкими массами.

Похолодание или колодный ход печи. — это нарушение тепловых параметров процесса, когда расход тепла в печи превышает его приход. Причинами похолодания могут быть: снижение качества кокса, увеличение рудной нагрузки, изменение состава агломерата, неправильное распределение материалов на колошнике, снижение основности шлака, плохое использование энергии газов при неров­ном ходе печи, длительная недогрузка печи, попадание в печь воды и др. , т. е. целая совокупность физических и связанных с ними химических факторов. Первым признаком похолодания печи является уменьшение яркости свечения фурм и понижение температуры чугу­на и шлака. Холодный шлак стекает по канавам почти без выделения газов.

При похолодании печи повышается вязкость шлака, что затруд­няет его стекание в горн. В результате шлак накапливается у воз­душных фурм, начинает их заливать и может вызвать прогар фурм, попадание воды в печь и взрыв при контакте воды с расплавленным чугуном, или шлаком. Экстремальные отклонения от нормальных фи­зико-химических параметров могут привести к групповому несчаст­ному случаю. Большую опасность представляет также прогар воз­душных фурм, который может произойти при подвисании шихты из-за недостатка тепла и при произвольных или принудительных ее осадках. Таким образом, холодный ход печи снижает безопасность процесса.

Начало похолодания печи устанавливают по показаниям конт­рольно-измерительных приборов- снижается давление дутья, периодически оно самопроизвольно увеличивается, скорость опускания шихты растет, снижается температура периферийных газов и в газо­отводах. Однако если похолодание вызвано чрезмерным развитием периферийного потока газов, то их температура может и не пони­зиться. Основными мерами по предупреждению и ликвидации похо­лодания являются: снижение рудной нагрузки, подача дополнитель­ного количества кокса, уменьшение количества дутья, что приводит к увеличению времени пребывания шихты в печи и повышению сте­пени восстановления железа и других элементов газами. При силь­ных похолоданиях до прихода в горн холостых подач кокса прек­ращают подачу природного газа на несколько часов.

Перегрев или горячий ход печи. — это нарушение тепловых пара­метров процесса, при котором расход тепла в печи меньше прихода, т. е. нарушение теплового баланса печи. Причинами перегрева могут быть уменьшение рудной нагрузки, улучшение качества и изменения количества подаваемого кокса. Основными признаками перегрева пе­чи являются яркое свечение фурм и высокая температура чугуна и шлака. Чугун во время выпуска светится ярче, чем обычно; почти отсутствует искрение у передельного чугуна и полностью у литейного при выпуске их из печи. Шлак течет по канавам с обильным выделе­нием газов. В чугуне увеличено содержание кремния, марганца и понижено содержание серы. Перегрев сопровождается повышением вязкости и основности шлака в связи с восстановлением кремния из кремнезема.

Начало горячего хода устанавливают по показаниям контроль­но-измерительных приборов: давление дутья растет медленно, расход его самопроизвольно уменьшается, давление газа на колошнике пе­риодически резко возрастает, шихта опускается медленно, часто с подвисаниями и обрывами, температура периферийных газов и ко­лошникового газа повышается.

Изменение газодинамических параметров процесса (количество дутья не соответствует качеству шихты (увеличение мелочи), давле­нию газа на колошнике) приводит к таким нарушениям процесса, как провалы и обрывы шихты, которые могут возникать также при быстром повышении температуры в печи Подвисания и последующие обрывы шихты приводят к тому, что шлаком, а иногда чугуном за­ливает фурмы|, что вызывает прогары их и попадание воды в печь.

Тугой ход. — это нарушение процесса, вызванное ухудшением ка­чества сырья и повышением вязкости шлаков. Признаками тугого хода являются: уменьшение количества подачи и заметное снижение ско­рости движения раскаленного кокса, наблюдаемое в фурмах; возра­стание содержания кремния в чугуне. Приборы, регистрирующие уровень шихты, показывают медленное, плавное или с подстоями опускание шихты. Давление дутья может быть ровным, но несколько выше, чем при нормальном ходе. Температура колошниковых газов изменяется от подачи к подаче на 100—150°С

Тугой ход печи сопровождается подвисаниями и обрывами ших­ты. Часто для возобновления движения шихты производят прину­дительную ее осадку, иногда несколько раз подряд, что создает опасность заливки воздушных фурм шлаком. Колебания температур в горне и увеличение содержания кремния в шлаке приводят к ин­тенсивному разрушению кладки, что может вызвать серьезную ава­рию.

Наиболее частыми нарушениями доменного процесса являются периферийный, осевой и канальный ход печи, которые регистрируются приборами по изменению распределения газового потока по ра­диусу печи.

Периферийный ход. — это нарушение процесса, которое возника­ет в результате длительной работы печи со слабой загрузкой пери­ферии рудной шихтой, а также при работе печи с недостаточным количеством дутья. Основными признаками периферийного хода являются повышенные температуры колошникового газа (на 40—60° С выше нормальной) и периферийных газов, одностороннее повышение температуры футеровки печи, снижение на периферии содержания диоксида углерода в газе по радиусу колошника.

При периферийном ходе резко ухудшается использование тепловой и химической активности газов, периферийный поток газа приводит к преждевременному разгару футеровки печи, перегреву и выходу из строя холодильников, перегреву кожуха печи. Резко снижается безопасность процесса, в результате прорыва кожуха печи и выброса шихтовых материалов на литейный двор возникают экстремальные отклонения.

Канальный ход. — это наруше­ние процесса, при котором основ­ная масса газов движется в од­ном секторе печи, сопротивление шихты в котором минимальное. Канальный ход возникает вследст­вие увеличения содержания мело­чи в шихте, неправильного распре­деления материалов на колошни­ке, неравномерного распределения дутья по фурмам.

Основными приз­наками образования канала являются: различие температур колош­никового газа на отдельных газоотводах, резкие колебания давле­ния дутья, понижение содержания углекислого газа по радиусу ко­лошника в районе канала. Канальный ход сопровождается неравно­мерным опусканием шихты с подстоями и провалами.

Загромождение горна.—это нарушение процесса, связанное с обильным выделением графита при неустойчивом нагреве или скоп­лении больших количеств коксовой мелочи. Причиной загромождения горна могут быть также продолжительная работа печи с периферий­ным газовым потоком, охлаждение горна в результате длительной работы печи с частыми осадками и применение чрезмерно большого расхода природного газа, попадания воды в печь и т д.

Основным признаком загромождения горна является снижение скорости опускания шихты перед выпуском чугуна: в период выпус­ка чугуна шихта опускается быстрее обычного, возрастают давле­ние дутья и перепад давлений между фурмами и колошником, снижается физический нагрев чугуна, увеличивается выход графита и коксовой мелочи во время выпуска чугуна. При загромождении гор­на шихтовыми материалами уровень чугуна в горне повышается, что приводит к прогару шлаковых и воздушных фурм. В связи с тем, что фурмы охлаждаются водой, прогар, как правило, сопровождается взрывом, в результате чего резко повышается опасность травмирования обслуживающего персонала.

Нарушения доменного процесса, связанные с изменениями фи­зико-химических параметров, приводят к изменению технологии плав­ки, влияют на техническое состояние агрегата и безопасность обслуживающего персонала. Следствием нарушений являются обра­зование гарнисажа, разгар кладки шихты, прогар холодильников, разрыв кожуха печи, перегрев засыпного аппарата, загромождение горна, горение фурменных приборов, заливка фурм шлаком, горение шлаковых леток. Это приводит к выделению через неплотности клад­ки и кожуха доменного газа, попаданию в печь воды, сокращению длины чугунной летки, аварийным прогарам фурм и шлаковых фурмочек, выбросам раскаленных масс через разрывы кожуха, засоре­нию канала летки коксовым мусором во время выпуска чугуна. Все эти явления могут явиться причиной несчастных случаев.

Устранение нарушений.

Для устранения нарушений доменного процесса принимают разно­образные меры. Как правило, максимальный эффект получают в том случае, если расстройство хода доменной печи выявлено в началь­ной стадии и принимаемые меры воздействуют на факторы, вызвав­шие нарушение нормального хода процесса

Основные меры ликвидации канального хода — перераспределе­ние материалов на колошнике, обеспечивающее равномерное распре­деление дутья по фурмам. При канальном ходе в район канала с помощью распределителя загружают увеличенное количество руд­ных материалов. Для выравнивания грузового потока используют также метод загрузки материалов на большой конус при открытом малом. Куски шихты, попадая на наклонную поверхность прием­ной воронки, скатываются по параболам, направленным в сторону скипового подъемника, и основная масса материала сосредоточива­ется на большом конусе в той его части, которая находится на про­тивоположной стороне от места высыпания шихты из скипа. Если указанные меры не дают результатов, производят глубокую осадку печи с выдержкой 3—5 мин при давлении дутья 19,6—29,4 кПа. Та­кую осадку делают в конце выпуска или сразу после выпуска чу­гуна. При осадке происходит перераспределение материалов и ка­нал засыпается. Иногда в период ликвидации канального хода закрывают одну или две фурмы со стороны канала, а после вырав­нивания хода открывают.

При сильном развитии канального распределения газов возни­кают подвисания, провалы и обрывы шихтовых материалов. При подвисаниях шихты прекращают подачу кислорода и уменьшают расход природного газа, снижают количество дутья, а при повы­шенном и нормальном нагреве печи понижают температуру дутья и увеличивают его влажность. Если движение шихты не возобнов­ляется, делают принудительную ее осадку, иногда несколько раз подряд. Перед осадкой выпускают верхний шлак, а при снижении давления дутья наблюдают за состоянием воздушных фурм и при­нимают меры по предотвращению заливки их шлаком.

В результате осадок в горн приходят плохо подготовленные материалы, причем после каждой последующей осадки значитель­но снижается уровень засыпи. Поэтому для поддержания нор­мального нагрева печи загружают холостые подачи кокса, количест­во которых определяют в зависимости от теплового состояния печи. После восстановления отхода шихты в течение 30—40 мин увели­чивают расход дутья до нормального.

Для выравнивания хода печи, если провалы и обрывы вызваны ухудшением качества сырых материалов, временно разгружают пе­риферийную зону печи путем изменения системы загрузки, умень­шают расход дутья. При «запущенном» ходе печи с провалами и об­рывами шихты иногда производят осадку шихты путем резкого снижения давления до 29,4—19 МПа.

При выявлении периферийного потока газов на ранней стадии постепенно увеличивают рудную нагрузку на периферии путем со­ответствующего изменения системы загрузки, уменьшения коксовой подачи или понижения уровня засыпи.

Для предотвращения загромождения горна при работе на коксе с низкой механической прочностью принимают меры по поддержа­нию ровного нагрева печи, хорошего распределения газового пото­ка, устанавливают тщательный контроль за охлаждением печи, не допускают попадания воды в печь. Рекомендуется периодически по установленному графику производить «промывку» горна путем загрузки в печь марганцевой руды или сварочного шлака. Печи, выплавляющие литейный чугун, периодически один раз в 3—4 месяца переводят на несколько суток на выплавку передельного чугуна.

При выпуске чугуна хорошо продувают печь через чугунную летку. Если принимаемые меры не предотвращают загромождения горна, то, кроме загрузки промывочной шихты, понижают основность шлака, повышают содержание кремния и марганца в чугуне, уменьшают содержание кислорода в дутье и увеличивают его коли­чество, сокращают расход природного газа. Для ускорения расплавления и удаления из печи тугоплавких масс повышают температуру в осевой части горна, что достигается при некотором развитии центрального хода процесса путем уменьшения величины подачи и применения систем загрузки, увеличивающих шихтовую нагрузку на периферию печи.

При устойчивой тенденции к разогреву печи повышают рудную нагрузку. Снижению нагрева способствует повышение содержания влаги в дутье. Однако при высокой основности увеличение влажно­сти дутья может привести к загустению шлаков и подвисанию ших­ты на горячем ходу. В этом случае, как показывает практика, целесообразно снизить температуру дутья.

В начале похолодания печи уменьшают содержание влаги в дутье, понижают рудную нагрузку и дают холостые подачи, стре­мясь сохранить подвисание шихты. Этого достигают путем развития периферийного потока газов. Если похолодание усиливается и ход печи становится неровным, постепенно уменьшают расход дутья, снижая его порциями по 50—100 м³/мин с соответствующим сокра­щением расхода природного газа. Для сохранения в горне хороше­го дренажа жидких продуктов плавки понижают основность шла­ка. Появление шлака на фурмах при значительных похолоданиях является опасным явлением, которое может привести к прогару воздушных фурм. При такой ситуации принимают меры по обеспече­нию максимального выпуска шлака через шлаковые и чугунные летки, исключают принудительные осадки, так как при наличии шлака это неизбежно приведет к прогару воздушных фурм и сопел и возникновению экстремальных отклонений процесса.

Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 311; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!