Введение

На сегодняшний день политика металлургических компаний в области промышленной безопасности сводится к утверждению, что аварии и чрезвычайные ситуации на производственных объектах могут быть предупреждены. Поэтому для предотвращения аварийных ситуаций на предприятиях активно внедряются и используются различные методики по проведению анализа опасностей и оценке риска аварий.

Несмотря на тенденцию уменьшения количества аварий, число инцидентов в металлургическом производстве остается на постоянно высоком уровне. Число аварий составляет от 4 до 9 в год, но распределение их по металлургическим производствам различно1 (рис. 1). Наиболее опасными являются доменное, кислородно-конвертерное, электросталеплавильное и коксохимическое производства.

К наиболее опасным видам аварий доменного производства относят: уход чугуна и (или) шлака из металлургических агрегатов; прорывы горна, холодильников, воздухопроводов доменных печей, а также взрывы в металлургических агрегатах из-за подачи сырой шихты и прогара фурм [1; 2].

По данным отчета ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК) за 2020 г. фурмы доменных печей выходили из строя более 200 раз (рис. 2). На рис. 3 представлена статистика отказов доменных фурм в процентном соотношении.

Типичными отклонениями от нормального распределения потока газа и шихтовых материалов бывают: периферийный, осевой, канальный ходы; перекос уровня засыпи; различной степени и вида подвисания шихты (в том числе так называемый «тугой» ход) [3; 4]. Вследствие этого происходит похолодание или излишний перегрев печи, перегруз ее осевой зоны минеральной шихтой, нарушение ровности хода. Возникают условия для загромождения горна с частым горением воздушных фурм. При длительных канальных ходах происходит неравномерный разгар профиля или застой шихтовых материалов с образованием настылей [5].

Загромождение горна доменной печи плохо сказывается на тепловом режиме, требуя сокращения рудных нагрузок. В горне при снижении температуры в большом количестве образуется графит [6]. Нагрев горна ухудшается из-за образования в нем периферийного хода, так как при загрузке неподготовленного шихтового материала наблюдается снижение нагрева [4]. На фурмах образуется холодный железистый шлак.

Попаданию водяного пара в горн посредством прогара холодильного оборудования также способствует перегрузка малоподвижной зоны при наличии малой кинетической энергии [7]. В результате этого отклонения возникает процесс загромождения в подфурменном поясе доменной печи. При расширении зоны загромождения активно начинается процесс горения фурменных приборов, как изображено на рис. 4.

Тяжелым расстройством технологического процесса плавки является загромождение горна [4; 8]. Оно способствует ухудшению газодинамики процесса и заметно сокращает рабочее пространство металлоприемника, способствует уменьшению перемещения жидкого чугуна в горне и загромождает пространство перед носком фурмы. При похолодании центра горна доменной печи кокс со шлаком начинают спрессовываться в монолит благодаря мелкой фракции шихтового материала [9; 10]. Это способствует плохой фильтрации горна, тем самым затрудняя стекание продуктов плавки в металлоприемник доменной печи.

Несмотря на большое количество разработанных и применяемых методик по оценке риска аварий в доменном производстве, необходима методика, которая смогла бы учесть специфику работы доменной печи с учетом образования в фурменной зоне тотермана и увеличения температуры в фурменной зоне с последующим прогаром фурм и пр. Поэтому совершенствование методики оценки аварийности доменных фурм с учетом образования тотермана в настоящее время является актуальной задачей.

Описание метода исследования

Большой вклад в исследование загромождения фурменной зоны внес НИТУ «МИСИС» в лице Жеребина Б.Н., Вегмана Е.Ф., Паренькова А.Е и др. [1; 11]. Известно, что доменные печи большого объема (доменная печь № 5 комбината «Криворожсталь») склонны к образованию крупных греналей в центральной части горна. Валунообразное образование (тотерман) с вершиной, которая достигает уровня заплечиков, состоит из тугоплавких карбидов и карбонитридов. Тотерман препятствует нормальному газораспределению и способствует образованию периферийного хода доменной печи [12; 13]. Дутье фурм отражается от поверхности тотермана на футеровку и гарнисаж доменной печи. Это приводит к ухудшению стойкости гарнисажа и способствует возникновению аварийной ситуации вследствие прорыва высокотемпературных продуктов плавки доменной печи.

В работе предложена методика оценки аварийности фурм доменной печи под влиянием тотермана.

В доменных печах реализуются два устойчивых гидродинамических режима продувки: струйный и пузырьковый [14; 15]. Струйный режим истечения характерен для нормального газораспределения доменной печи, а пузырьковый режим истечения потока способствует росту тотермана.

Значение критерия Глинкова Gn определяется по формуле

где ρг – эффективная плотность потока, кг/м3; wг – скорость газов на выходе из фурмы, м/с; ρж – плотность расплава в фурменной зоне, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; hж – расстояние от оси фурмы до распара, м.

Эффективная плотность потока вычисляется по формуле

где Qв , Qпг , Qуг – объемные доли «воздух + кислород», природного газа и пылеугольного топлива; ρгд , ρпг , ρуг – плотности горячего дутья, вдуваемого природного газа и пылеугольного топлива.

Плотность горячего дутья рассчитывается по формуле

где ρгд – плотность горячего дутья, кг/м3; ρ0 – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3; Р – давление горячего дутья, атм; Р0 – атмосферное давление воздуха, атм; Т0 – температура окружающей среды, К; Тд – температура дутья, К.

Плотность вдуваемого природного газа определяется по формуле

где \(\rho _0^{{\rm{}}}\) – плотность природного газа, кг/м3.

Если критерий Глинкова меньше единицы, то имеет место пузырьковый режим; если критерий Глинкова более трех, то режим истечения струйный. При промежуточных значениях имеет место переходной режим истечения.

Теплоотдача тотермана главным образом происходит за счет излучения и конвекции. Для расчета результирующего теплового потока на носок фурмы необходимо определить температуру внутренней зоны продувки и гидродинамический режим продувки доменной печи. Температура зоны продувки соответствует температуре поверхности тотермана [1].

Из уравнения теплового баланса температуру поверхности тотермана Tt можно вычислить по формуле [16]

где Tf  – теоретическая температура горения, °С; Vbost – объем газа в заплечиках, мм3/мин; dh – диаметр горна, м; B – расход топлива, кг/т; Tж – индекс жидкотекучести шлака; ηCO – содержание СО в центре печи (из шахты); dproke – диаметр частиц кокса в тотермане, мм.

Индекс жидкотекучести шлака (Tж ) рассчитывается по формуле

где Тжч – температура жидкого чугуна, °С; \(\left( {\frac{{{\rm{CaO}}}}{{{\rm{Si}}{{\rm{O}}_2}}}} \right)\) – основность шлака; (Al2O3) – концентрация Al2O3 в шлаке, %.

Размер зоны продувки, т. е. зоны, в которой располагается горизонтальный газожидкостный поток и реакционная зона, определяется по формуле

где lзп – длина зоны продувки, м; H0 – высота жидкой ванны, м; d0 – внутренний диаметр носка фурмы, м.

Эффективная степень черноты среза фурмы вычисляется по формуле

где εэф – эффективная степень черноты среза фурмы; εl – степень черноты срезы фурмы (принимаем равной 0,6); Sl – площадь внутренней поверхности зоны продувки, м; S – площадь металлической обечайки носка фурмы, м2.

Площадь металлической обечайки носка фурмы S определяется по формуле

где dн – внешний диаметр носка фурмы, м; d0 – внутренний диаметр носка фурмы, м.

Площадь внутренней поверхности зоны продувки Sl рассчитывается по формуле

где lзп – длина зоны продувки, м.

Результирующий тепловой поток q\(^p\) на срез фурмы [13] вычисляется по закону Стефана–Больцмана:

где εэф – эффективная степень черноты среза фурмы; σ – постоянная Стефана–Больцмана, равная 5,67·10\(^–\)8 Вт/(м2·К4); Tt – температура поверхности тотермана, К; Т1 – температура многофазного потока в сечении фурмы, К.

Проведенное исследование и анализ его результатов

Предполагается, что от колошника до заплечиков имеет место плотный слой, сквозь который осуществляется фильтрация восходящих газов. Барботажный слой располагается в зоне, которая находится между заплечиками и горном [15; 17]. Шихта в барботажном слое присутствует в жидком состоянии. Потоки дутья, помимо воздуха, кислорода и природного газа, несут в себе частички пылеугля [18]. По данным табл. 1 определен критерий Глинкова.

Используя формулы (3) и (4), определены значения ρгд = 0,61 кг/м3, ρпг = 2,08 кг/м3. Эффективная плотность потока по формуле (2) равна 0,79 кг/м3, а значение критерия Глинкова по формуле (1) составляет 0,27, что указывает на пузырьковый режим истечения газо-угольного потока в доменной печи.

Далее определена средняя температура поверхности тотермана. Исходные данные для расчета приведены в табл. 2.

По формуле (6) рассчитан индекс жидкотекучести Тж = 837 °C, а температура поверхности тотермана по формуле (5) Tt = 2331 °C, что на 231 °С превышает теоретическую температуру горения.

Для расчета результирующего теплового потока, который приходится на носок фурмы доменной печи, примем следующие допущения:

– зона продувки представляет собой цилиндрическую полость диаметром, равным внешнему диаметру фурмы;

– температура поверхности тотермана Tt = 2331 °С;

– выходные параметры фурмы, включая многофазный поток в этом сечении, имеют температуру T1 = 800 °С;

– газовый поток, находящийся в зоне продувки, заполнен частичками угля и каплями расплава [18]. Излучение в нем подчиняется законам излучения абсолютно черного тела.

Исходные данные для расчета теплового потока на носок фурмы приведены в табл. 3.Длина зоны продувки определена по формуле (7), она составила 1,43 м. Эффективная степень черноты среза фурмы, рассчитанная по формуле (8), равна 0,953. Площадь металлической обечайки носка фурмы S определена по формуле (9): S = 0,033 м2, площадь внутренней поверхности зоны продувки Sl по формуле (10) составила 1,123 м2. Результирующий тепловой поток q\(^p\) на срез фурмы, определенный по формуле (12), равен 2,3 МВт/м2.

При работе в стационарном режиме (нагрев фурмы) происходит локальный контакт рыльной части с чугуном. Допустимый результирующий поток на срез фурмы должен быть не более 2,1 МВт/м2 [19], что свидетельствует о том, что дальнейшее понижение температуры воды для охлаждения фурмы нерационально и приводит к температурным напряжениям. Это способствует уменьшению срока службы фурменного прибора и может спровоцировать массовый прогар фурм.

Увеличение температуры фурменной зоны для разных по объему доменных печей свидетельствует о необходимости дополнительных мероприятий по предупреждению прогара фурм. На рис. 5 представлена данная зависимость.

Таким образом, температура поверхности тотермана зависит от объема доменной печи. Повышение температуры отрицательно влияет на безопасный ход доменных печей большого объема, увеличивается вероятность взрыва газа и сокращается срок эксплуатации фурменных приборов.

Аварии при массовом прогаре фурм связаны с интенсивным парообразованием. Они сопровождаются попаданием в доменную печь большого количества воды [20]. Образующиеся прорывы водяного пара из-под слоя чугуна и шлака вызывают тепловой взрыв цепного характера.

Рекомендации по предупреждению прогара фурм

В работе предложены мероприятия по предупреждению прогара фурм в зависимости от объема доменной печи и температуры фурменной зоны.

Для доменных печей объемом до 2700 м3 при температуре фурменной зоны до 2100 °С:

– автоматизированный анализ по ретроспективным данным статистических свойств перепада расхода охлаждающей воды;

– анализ содержания кремния в чугуне.

Для доменных печей объемом 2700 – 3500 м3 при температуре фурменной зоны 2100 – 2300 °С:

– автоматизированный анализ по ретроспективным данным статистических свойств перепада расхода охлаждающей воды;

– анализ содержания кремния в чугуне;

– рыльную часть воздушной фурмы (носок фурмы) необходимо защищать огнеупорными материалами, в том числе плазменным напылением;

– внутренний стакан фурмы необходимо изготавливать из стального листа вместо медного с дополнительной футеровкой огнеупорными материалами.

Для доменных печей объемом 3500 – 5560 м3 при температуре фурменной зоны 2300 – 2400 °С:

– автоматизированный анализ по ретроспективным данным статистических свойств перепада расхода охлаждающей воды;

– анализ содержания кремния в чугуне;

– рыльную часть воздушной фурмы (носок фурмы) необходимо защищать огнеупорными материалами, в том числе плазменным напылением;

– внутренний стакан фурмы необходимо изготавливать из стального листа вместо медного с дополнительной футеровкой огнеупорными материалами;

– режим подачи охлаждающей воды в фурму:

а) скорость технической воды до 11,6 м/с (обычный расход воды 4 – 5 м/с);

б) расход воды 30 м3/ч (обычный расход воды 12 – 16 м/ч);

в) давление воды 15 ати (обычный расход воды 5 – 6 ати).

Такой режим требует установки насосов высокого давления и более прочной аппаратуры:

– толщина носка фурмы должна быть не менее 40 – 50 мм;

 – вязкость шлаков не более 4 – 5 пз, исключать загрузку кислых окатышей.

Выводы

Определено, что нарушение нормального газораспределения и загромождение горна приводит к образованию тотермана доменной печи, который провоцирует массовое горение фурменных приборов и холодильников.

Показано, что в доменных печах большого объема преобладает пузырьковый поток истечения газо-угольного потока, способствующий росту тотермана, который может привести к повышению аварийности фурменных приборов.

Предложенная методика (математическая модель) позволяет оценить максимальную температуру фурменной зоны и результирующий тепловой поток на носок фурмы при наличии тотермана.

На основании проведенного расчета температуры фурменной зоны предложены мероприятия по предупреждению прогара фурм в зависимости от объема доменной печи.