«Состав и выход колошникового газа, как один из важнейших параметров хода доменной плавки»

«Теория и практика проиводства чугуна: Сборник научных трудов ІІ международной конференции доменщиков»
— 25 мая, 2004, с. 518-521.
«Состав и выход колошникового газа, как один из важнейших параметров хода доменной плавки»

Косолап Н.В. (ОАО Мариупольский меткомбинат им. Ильича), Михайлец С.Н. (ООО «ЦФТИ «Аналитик»).

В современном доменном производстве количество контролируемых параметров процесса составляет от 800 до 1200. Многие из них лишь косвенно отражают ход доменной плавки. В то же время, состав и выход газа, его окружное и радиальное распределение, в наибольшей мере характеризующие ход и совершенство процесса доменной плавки на Украине, зачастую контролируются лишь периодически. Несмотря на важность этих параметров, до середины 80-90-х гг. XX века надежных средств их непрерывного контроля не было.

О характере окружного и радиального распределения газов до сих пор судят по температуре периферии и в газоотводах, лишь косвенно отражающих окружное газораспределение, а также по дискретным (разовым) отборам проб газа по диаметру колошника и содержанию диоксида углерода в них. В те же годы на меткомбинатах «Запорожсталь», им. Ильича, Енакиевском и Донецком метзаводах были опробованы и эксплуатировались в экспериментальном порядке стационарные неохлаждаемые термозонды консольного типа с измерением температуры газов над профилем засыпи в 6-7 точках каждого из радиусов колошника и непрерывной регистрацией показаний датчиков на самописцах. Однако из-за отсутствия специализированного предприятия-изготовителя этот метод дальнейшего развития не получил, хотя необходимость в этом методе контроля радиального распределения газов и материалов становится все более острой, в особенности в доменных цехах СНГ, где основное количество печей оборудовано конусными загрузочными устройствами. В этой связи особую актуальность приобретает непрерывный контроль состава общего колошникового газа. До недавних времен состав газа определяли путем химического анализа разовых проб (1-2 в смену и даже в сутки). Для металлургических предприятий Украины этот способ контроля является основным и поныне. Связано это с отсутствием в доменных цехах автоматических газоанализаторов по причинам в основном экономического характера. В условиях нестабильности состава, качества и количества шихтовых материалов и высоких ценах на энергоносители, отбросивших доменное производство к уровню 70-х годов, для улучшения технико-экономических показателей плавки использование таких газоанализаторов не только целесообразно, но и необходимо. Обусловлено это следующим. Недостаточно полная и достоверная информация о количестве дутья, дошедшего до фурм — поскольку измеряется лишь расход холодного дутья до клапана (Снорт), а потери его на тракте от измерительного устройства до выхода из клапана горячего дутья воздухонагревателя неизвестны — не позволяет технологическому персоналу объективно оценивать ход и эффективность процессов восстановления в печи, прогнозировать последствия и необходимость параметров комбинированного дутья, теплового режима плавки и т.п. без надежных средств непрерывного контроля состава колошникового газа.

В то же время в СНГ разработаны, изготавливаются для анализа газа практически всех видов, в том числе доменного, природного и отходящих газов, используемых и образующихся в производстве. Разработанный ЗАО «ЦФТИ Аналитик» (г. Санкт-Петербург) газоаналитический комплекс (Гранат) успешно эксплуатируется на 10 доменных печах российских меткомбинатов, на печи завода «Пакстил», а также на предприятиях металлургического комплекса России в кислородно-конвертерных цехах и коксовом производстве.
Принцип действия системы состоит в следующем:

Из точки отбора пробы через газоотборное устройство анализируемый газ поступает в шкаф пробоотбора. В нем производится предварительная очистка газа от крупных фракций пыли и капельной влаги, после чего газ по импульсным трассам поступает в помещение, где расположены шкаф газоанализатора «Гранат», шкаф управления и шкаф пробоподготовки, к которому и подводится анализируемый газ. В этом шкафу он окончательно очищается от мелких фракций пыли и остаточной влаги.
Очищенный газ поступает в шкаф газоанализатора, где через систему автокалибровки и ввода газов попадает в масс-анализатор. В качестве последнего применяется времяпролетный масс-спектрометр типа «масс-рефлектрон». Принцип действия масс-анализатора основан на разделении по времени пролета пространства камеры анализатора ионами разных атомных масс. Напуск газа в нее осуществляется при помощи управляемого натекателя. Обновление газа в камере производится путем откачки его магниторазрядным насосом. Электронная пушка формирует пучок электронов, который ионизирует молекулы анализируемого газа. Образовавшиеся ионы электрическим полем выталкиваются из ионного ускорителя в пространство камеры анализатора. Пролетая это пространство, ионы разделяются по времени прихода их на блок приемника. Первыми приходят ионы легких масс, последними -тяжелых.

Электрические импульсы с блока приемника ионов через широкополосный усилитель (ШПУ) подаются на вход системы регистрации. Каждому компоненту анализируемой газовой смеси соответствует свой электрический импульс, величина которого пропорциональна концентрации этого компонента в смеси. Импульсный сигнал преобразуется в постоянный ток, оцифровывается и принимается управляющим компьютером. Управляющий компьютер производит математическую обработку поступающих сигналов, преобразуя их в процентный состав анализируемого газа, производит управление газоанализатором и системой пробоотбора и пробоподготовки, а также передает данные в систему АСУ ТП.

Для сравнения и определения достоверности анализов газа с использованием комплекса «Гранат», оптико-акустического газоанализатора и химического анализа по методике ВТИ были выполнены расчеты материально-тепловых балансов плавки в доменных цехах меткомбинатов им. Ильича, «Запорожсталь» и Енакиевского метзавода, а также оснащенной комплексом «Гранат» доменной печи одного из меткомбинатов России. Доменные печи и цеха в анализируемые периоды работали в различных шихтовых и технологических условиях, с отличающимися расходами природного газа, технологического кислорода, а две печи «Запорожстали» работали практически без вдувания природного газа: из них две на паровоздушном дутье (до 4-6 % влаги) и одна обогащенном азотом дутье.

Выполненные по отчетным данным расчеты показали: — по меткомбинату им. Ильича расчетный состав колошникового газа отличался от отчетного. Так, содержание водорода по расчету оказалось меньшим более чем на 1,0 % абс., а содержание СО: и СО, соответственно, большим и меньшим на 2 % абс., по сравнению с отчетными данными. В то же время было выявлено существенное отличие в расчетном расходе дутья и выходе газа, соответственно, на 9,3 % меньше и 33,2 % больше, а разница в содержании СО₂ и СО может быть объяснена завышенным приходом кислорода с дутьем и Ош, поскольку значения СО: и СО в отчетных данных в большей мере соответствуют условиям плавки; по меткомбинату «Запорож-сталь», где пробы общего газа анализируются по методике ВТИ, сходимость отчетных и расчетных значений содержания водорода вполне удовлетворительна и укладывается в величину допустимых погрешностей анализа. В то же время, различия в содержании СО: и СО, как и для меткомбината им. Ильича, достаточно существенны. Близкая картина наблюдается и для расхода дутья и выхода колошникового газа; — расчеты для Енакиевского метзавода также показали аналогичные предыдущим результаты; для доменной печи российского предприятия различия расчетных значений содержания компонентов газа от отчетных составляют по СО: меньше на 0,02 % абс., по СО — на 0,11 % абс., по водороду — на 0,02 % абс., по азоту — больше на 0,15 % абс. Такая сходность обусловлена, на наш взгляд, высокой достоверностью анализов, выдаваемых комплексом «Гранат». Другим подтверждением надежности данных служит и тот факт, что в ходе расчетов было выявлено существенное (на 31 м³/т чугуна) — завышенное в отчетных данных значение расхода кислорода на обогащение дутья. Заключение.

Как показывают расчетно-аналитические исследования, достоверная информация о составе колошникового газа, в том числе и по радиусам колошника позволяет:

• с высокой точностью контролировать восстановительной и газодинамический режимы плавки и оперативно воздействовать на них при различных колебаниях, тем самым, обеспечивая стабильность процесса доменной плавки;
• контролировать параметры комбинированного дутья непосредственно в фурменной зоне;
• контролировать эффективность использования вдуваемых в печь топливных добавок и оперативно регулировать их расход для достижения максимального эффекта;
• по содержанию метана контролировать степень готовности используемого кокса.
• Исследованиями на меткомбинате им. Ильича было показано, что превышение содержания метана в колошниковом газе свыше 0,5 % свидетельствует о незавершенности процесса коксования в коксовых печах, обуславливающем ухудшение его металлургических свойств;
• прогнозировать на длительную перспективу с учетом экономических возможностей предприятия наиболее эффективные, реалистичные варианты доменной плавки.

Исследования также показали, что наиболее перспективным для доменщиков Украины средством контроля состава колошникового газа является масс-спектрометрический комплекс «Гранат» Санкт-Петербургского ЗАО «ЦФТИ» Аналитик\», по своим параметрам не уступающий, а по ряду — и превосходящий зарубежные аналоги. К преимуществам этого комплекса следует отнести и возможность оперативного участия разработчика-изготовителя в ликвидации возможных неполадок в ходе эксплуатации.