Метод определения профиля М.А. Павлова

Определение размеров профиля

Газоотводы

Вертикальные газоотводы в верхней своей части соединяются симметрично в два наклонных газоотвода, нисходящих к одному или двум пылеуловителям. Сечение газоотводов в 3 – 4 раза больше сечения свечей. Уклон нисходящих газоотводов к горизонту не менее 30 – 370 в зависимости от физических свойств проплавляемого сырья, а также во избежание осаждения в них колошниковой пыли и их залипания.

Конфигурация газоотводов зависит от их числа, расстояния между печью и пылеуловителями, способа подвода к ним газа (снизу или сверху) и от крепления колошникового устройства – копер или соединительные балки между свечами. Для сохранения кожуха газоотводов их футеруют таким же кирпичом, как и свечи. Толщина стенки кожуха принимается обычно 10 – 12 мм.

По длине газоотводов в верхней их половине делаются люки для вентиляции и осмотра во время ремонтов. На поверхности газоотводов располагаются лестницы для наблюдения за их состоянием и для перехода с пылеуловителя на колошник

 

 

Длительное время принципы расчета профиля печей считалось секретом фирмы и материалы, касающиеся этого вопроса, не публиковались.

Немецкий металлург А. Ледебур в 1873 г. впервые рекомендовал рациональные, по его мнению, соотношение элементов профиля и установил методику определения их абсолютных размеров.

Оценку работы доменной печи он характеризовал коэффициентом использования объема, выражая его количеством тонн чугуна, выплавляемого за сутки в одном кубическом метре объема печи Q, необходимый для выплавки заданного количества чугуна в сутки, а затем и высоту печи

 

Н = 2,85 Q1/3 (1)

 

где 2,85 – коэффициент, соответствующий определенным соотношениям высоты печи и других частей ее профиля при условии, что все размеры (высоты и диаметры отдельных элементов) прямо пропорциональны высоте печи.

 

В частности, высота: горна hг=0,10Н; заплечиков hз=0,21Н; распара hр=0,04Н; шахты hш=0,65Н; диаметр горна: dг=0,17Н; распара D=Н:3,5=0,2857Н; колошника dк=0,2Н или dк=0,2·3,5=0,7 D.

При этом угол наклона заплечиков - неизменная величина 0,5(0,2857÷0,1700):0,21= ctg β (β=74037'). Угол наклона шахты также –неизменная величина для различных условий работы печи 0,5(0,2857÷0,2000):0,65= ctg α (α=86023'`).

Эти положения, как было установлено академиком Павловым М.А., являлись ошибочными, так как размеры отдельных элементов профиля по мере увеличения высоты печи растут неодинаково, что подтверждается как изменением размеров их на протяжении всего развития профиля, так и практикой строительства печей более позднего периода.

 

Установив несоответствие соотношения А.Ледебура для определения отдельных элементов профиля, академик М.А. Павлов предложил метод расчета, основанный на отрицании прямой пропорциональности между различными частями профиля и общей высотой печи. Зависимость ее от полезного объема печи V0, м3 М.А. Павлов выразил формулой

 

Н=nV01/3 (2)

 

где n – коэффициент, являющейся переменной величиной, тем больший 2,85, чем выше отношение Н:D.

 

В основу определения размеров профиля Павлов М.А., положил полезный объем печи, который при заданной производительности определяется через коэффициент его использования

 

V0= к.и.п.о.Р (3)

 

Коэффициент использования полезного объема печи (м3·сут/т), пропорционален ее объему, приходящемуся на 1т выплавленного чугуна.

 

К.и.п.о.= Vrt/24 (4)

 

где V – объем шихты без уминки, приходящийся на 1т чугуна, м3;

r – коэффициент уминки, равный 12,5% при работе на коксе и 25% на древесном угле, или соответственно 0,875 и 0,750;

t – время пребывания шихты в печи, определяется по времени аналогичных плавок, ч.

 

После определения полезного объема печи можно найти другие размеры профиля, используя его взаимосвязь с полной высотой печи и диаметром распара, установленную по методике Павлова на основании результатов изучения многих доменных печей различного объема. Эта зависимость выражается формулой

 

V0=КНD2 (5)

 

где К – коэффициент, связывающий полезный объем печи с полной высотой Н и диаметром распара D, и учитывающие отклонение профиля печи от цилиндра.

 

Значение коэффициента К может возрастать с увеличением угла заплечиков, высоты цилиндрического распара и отношение Н:D. Вычисленный в свое время Павловым для печей всевозможных объемов и отношения Н:D коэффициент К составлял в среднем 0,54, а в современных условиях 0,56-0,63.

 

При определении полной высоты печи и диаметра распара М.А. Павлов исходил из отношения Н:D, рекомендуя его для древесноугольных печей равным 5,0÷4,25, а для коксовых 4,25÷3,50 (последнее значение для печей, работающих на слабом коксе или имеющих предельную высоту). Задаваясь соответствующим отношением Н:D, можно определить значения

 

Н=nV01/3 (6)

 

и

 

D=mV01/2 (7)

 

где n и m – коэффициенты, величина которых при К=0,54 и различных отношениях Н:D, по методике Павлова, составляют величины приведенные в таблице 1.

 

Таблица 1

Н:D 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 4,75 5,00
n 2,85 2,99 3,12 3,25 3,37 3,50 3,62
m 0,81 0,79 0,77 0,75 0,74 0,72 0,71

 

Если существует возможность задать значения Н и V0, то вначале определяется диаметр

 

D= (V0:0,54 Н)1/2 (8)

 

а затем другие элементы профиля. При этом полезная высота печи принимается как разность полной высоты и расстояния от кромки большого конуса в опущенном состоянии до верха фланца его чаши, т.е. зависит от принятой конструкции засыпного аппарата.

Полезная высота доменных печей определялось средним для того времени показателем механической прочности кокса (300кг по барабану Сундрена). Рекомендовалось принимать полезную высоту 27 м с примерной градацией в зависимости от значения барабанной пробы: 20,0÷22,5 м (<280 кг), 23÷25 м (280-300 кг) и 25÷27 кг (>300 кг).

В настоящее время полезная высота печи при барабанной пробе кокса для стран бывшего СССР 320÷340 кг увеличена до 32,36 м на печах емкостью 3000 м3. До 33,5 м на печах емкостью 5037 [3]. В Японии полезная высота печи емкостью 4830 м3 составляет 32,1 м [3].

Полезную высоту печи можно определить также по разности

 

Н0= (V0 е/Кv)1/3-h0 (9)

 

где Кv – коэффициент, учитывающий отклонения профиля печи от цилиндра;

е – отношение H:D≈3,5 (по Павлову);

h0 – высота засыпного аппарата.

 

Для современных печей больших объемов коэффициент Кv и отношение е равны (таблица 2).

 

Таблица 2

Наименование Показатели
V0, м3
Кv 0,52 0,50 0,53 0,50 0,55 0,60
е 2,97 2,80 2,70 2,69 2,60 2,23

 

Диаметр горна и его сечение, возрастающие по мере увеличения количества дутья (м3/мин), Павлов определял в зависимости от интенсивности горения кокса у фурм и его количества, загружаемого в доменную печь в течение суток

 

К=IгF (10)

 

где К – суточный расход кокса, т, равный суточной производительности печи, умноженной на удельный расход кокса на 1т чугуна (к);

Iг – интенсивность горения кокса, равная расходу его на 1 м2 сечения горна, т/(м2·сут).

 

Интенсивность горения зависит от суточного расхода кокса (таблица 3).

 

Таблица 3

К, т/сут 800-950 950-1000 1100-1250 >1250
Iг, т/(м2·сут) 21,6 22,8 24,0 26,4

 

Площадь сечения горна

 

F=πd2г/4 (11)

 

Откуда

 

dг= (4F/π)1/2 (12)

 

Правильность расчета диаметра горна проверяется по отношению D:dг, которое по эмпирическим данным Павлова, должно быть равным 1,10÷1,15.

Для современных доменных печей это отношение равно: 1,11÷1,12 (СНГ), 1,07÷1,10 (Япония), 1,08÷1,13 (США). Отношение (V0/KvH0)1/2 м. Значения Кv в зависимости от полезного объема приведены выше.

Высота горна между осями чугунной летки и воздушных фурм определяется в зависимости от количества продуктов плавки, а не по отношению к общей высоте печи, и в целом до нижней кромки заплечиков составляет

 

hг=hф+а (13)

 

где а – конструктивный размер, равный 0,4÷0,5 м.

 

Высота шлаковой летки над чугунной принимается равной

 

hшл=(0,6÷0,67) hф (14)

 

при этом высота воздушных фурм над осью чугунной летки определяется из формулы, м

 

hф=РVг/F, (15)

 

где Vг – объем горна от оси чугунной летки до оси воздушных фурм на 1т суточной выплавки, м3·сут/т.

 

По методике Павлова, эта величина равна 0,07÷0,08. Для печей полезным объемом 2000÷5000 м3 она составляет 0,05÷0,07.

Высота заплечиков, практически постоянная (3,0÷3,5м), может корректироваться величиной угла наклона заплечиков, принимаемого для современных печей в пределах 79÷82. Высоту заплечиков можно определить по формуле

 

h3=(D-dг)/2ctg β (16)

 

где β – угол наклона заплечиков.

 

Она представляет собой разность полезной высоты и суммы высот других элементов профиля

 

h3=(H0-(hг+ hш+ hр+ hк), м. (17)

 

Высота распара принимается 1,5÷3,0 м. Высота шахты (конической ее части) и определяется в зависимости от угла наклона стен по формуле

 

hш=(D-dк) /2ctgα (18)

 

где α – угол наклона стен шахты.

 

Угол наклона стен шахты имеет большое значение схода шихты, распределение материалов и газового потока.

Высоту цилиндрической части колошника, установленную в пределах 2,3÷3,0 м, так же как и высоту распара, можно определить как разность общей полезной высоты печи и суммы высот других элементов профиля.

Полная высота печи

 

Н=Н0+h0, м (19)

 

или

 

Н=V0/(D2К) (20)

 

где V0 – полезный объем печи, м3;

Кv – коэффициент, зависящий от полезного объема печи.

 

Контрольный подсчет объемов отдельных участков профиля производится по соответствующим уравнениям.

Объем, м3 равен:

1 горна Vг=(3,14/4)dг2hг;

2 заплечиков Vз=(3,14/3)h3[(D/2)2+(D/2) (dг/2)+(dг)2/2];

3 распара Vр=(3,14/4) D2hр;

4 шахты Vш=(3,14/3) hш[(D/2)2+(D/2) (dк/2)+(dк)2/2];

5 колошника Vк=(3,14/4) d2к hк.

 

Полезный объем печи:

 

V0= Vг+ Vз + Vр + Vш + Vк, м3 (21)

 

Схема расчета, профиля доменной печи академика Павлова М.А. не потеряла своего значения и до настоящего времени. Однако, абсолютные значения коэффициентов и отношений основных размеров профиля (особенно Н:D) существенно изменились в связи со значительным увеличением полезного объема и усовершенствованием технологии доменной плавки.