Конструкция БЗУ с расположением распределительного устройства в рабочем пространстве печи была предложена в 1958 г. Е.Ф. Вегманом и А.А. Вагиным. В этой конструкции, модернизированной в 1963 г., были предусмотрены две направляющие воронки с загрузочными клапанами, работающими как герметизирующие клапаны. Малый конус и распределительный желоб опираются на три опорных ролика, расположенных через 120 градусов. Поворот желоба осуществляется с помощью этих роликов, имеющих индивидуальный привод.

В 1972 г. фирма "Поль Вюрт" (Люксембург) разработала ЗУ, использующее тот же принцип распределительного желоба внутри печи.

1 - приемная воронка; 2, 4 - газоуплотнительные клапаны; 3 - газовый затвор; 5 - центральный неподвижный ствол; 6 - вращающийся наклонный желоб.

Рисунок 2 - Бесконусное загрузочное устройство

Устройство состоит из подвижной приемной воронки 1, направляющей шихты в правый или левый шлюзовой бункер, имеющий верхний и нижний газоуплотнительные клапаны 2; 4 и грузовой затвор 3. В доменную печь шихта загружается через центральный неподвижный ствол 5 и вращающийся наклонный желоб б. Изменением угла наклона желоба (лотка) можно регулировать распределение материалов по радиусу печи. При разгрузке шихты с конвейера газоуплотнительный клапан 2 открывается и материал в бункере удерживается грузовым затвором 3. После заполнения шлюзового бункера клапан 2 закрывается и в бункер подается получистый доменный газ из скруббера под большим давлением, несколько ниже давления газа на колошнике. Перед разгрузкой шлюзового бункера открывается клапан 4, а затем грузовой затвор. Газоуплотнительные клапаны выполняют только функцию уплотнения и не соприкасаются с шихтой. Это увеличивает срок их службы.

Принципиальные решения бесконусной распределительной части отличаются многообразием (рисунок 3). Они обеспечивают более широкий диапазон активного регулирования радиального распределения и менее металлоемки по сравнению с конусными аппаратами.

1 - стационарная воронка; 2 -- труба с круговым качанием; 3 - вращающаяся воронка; 4 -- наклонно-поворотный лоток; 5 - подвижная воронка; 6 - вращающаяся односкатная воронка с тарельчатым дозатором; 7 -вращающаяся труба; 8 -- вращающаяся воронка с боковым выгрузочным отверстием; 9 - вращающиеся лотки разной длины: 10 - вращающийся конический склиз; 11 - вращающаяся тарель.

Рисунок 3 - Принципиальные схемы распределителей шихты бесконуского загрузочного устройства [4].

2. Параметры и режимы загрузки засыпных аппаратов

2.1.1 Конструкция и принцип работы

Наиболее распространенным в настоящее время является двухконусное загрузочное устройство (рисунок 4). Оно состоит из следующих основных частей: приемной воронки, воронки ВРШ, малого конуса, газового затвора (межконусного пространства), большого конуса и его чаши (воронки). Уплотняющими узлами служат малый и большой конусы, плотно прилегающие к соответствующим воронкам, распределителем шихты является большой конус. Оба конуса подвешены на штангах (штанга малого конуса полая) и посредством балансиров с контргрузами и стальных тросов соединены с электролебедкой. Конструкция лебедки позволяет опускать и поднимать отдельно каждый конус.

1 - скип; 2 - рельсовый путь; 3 - приемная воронка; 4 - воронка распределителя шихты; 5 - малый конус; 6 - межконусное пространство; 7 - чаша большого конуса; 8 - большой конус.

Рисунок 4 - Двухконусное загрузочное устройство

Основная часть высыпающихся из скипа материалов поступает в приемную воронку, а затем на закрытый малый конус. Воронка этого конуса обычно вмещает содержимое одного скипа, причем вследствие односторонней разгрузки высота слоя материалов по ее окружности неодинакова. Чтобы избежать перекоса поверхности шихты в доменной печи, малый конус совместно с воронкой делают вращающимся. Поворот их на определенный угол сразу после опорожнения очередного скипа позволяет заполнить печь сырьем и топливом равномерно по окружности. Загрузку на большой конус содержимого нескольких первых скипов, входящих в состав подачи (колоши), осуществляют без вращения ВРШ, а всех последующих подач - с поворотом 60, 120, 180, 240 и 300°. Иногда применяют режим работы ВРШ с большим количеством станций, но он не всегда эффективен.

Подача представляет отдельную порцию шихты, содержащую железорудные материалы (железную руду, агломерат, окатыши) и кокс в соотношении, необходимом для выплавки заданной марки чугуна. В зависимости от объемов печи и межконусного пространства масса всей подачи составляет 20-60 т, для ее набора обычно требуется 4 скипа. В каждый скип принято загружать только один вид материалов (смешивание не рекомендуется во избежание снижения порозности шихты). Очередность загрузки сырья и топлива на большой конус и в печь не регламентирована, но чаще других первым опускают железосодержащие компоненты, а потом кокс.

Ввиду небольшой вместимости воронки ВРШ малый конус обычно опускают после разгрузки каждого скипа, большой - после набора всей подачи. Загрузку материалов в печь осуществляют автоматически по импульсу от двух уровнемеров (зондов), следящих за положением поверхности шихты и поднимаемых выше кромки чаши большого конуса только на время ссыпания очередной подачи.

Подавляющее большинство отечественных доменных печей работает с повышенным давлением колошниковых газов. Чтобы избежать повреждений загрузочного устройства, давление над конусом перед опусканием подачи уравнивают с давлением в печи посредством наполнения межконусного пространства получистым доменным газом, а перед первым опусканием малого конуса после закрытия большого - выравнивают с атмосферным. С целью повышения срока службы конуса и печи наклон контактной поверхности увеличивают до 60-63°, а саму поверхность наплавляют твердым сплавом и шлифуют.

Производительность ЗУ составляет 11-12 подач в час.

Благодаря простоте конструкции двухконусное ЗУ успешно применялся на протяжении XX в. и применяется сегодня. Основными его недостатками являются: абразивный износ мест контакта обоих конусов с воронками; увеличение массы большого конуса и чаши пропорционально квадрату диаметра колошника. Первый недостаток проявился после перехода на работу с повышенным давлением колошникового газа, второй при сооружении печей объемом более 2000 м³. Быстрый рост массы конуса и чаши в условиях их совместного подъема и опускания в период ремонта потребовал существенного увеличения грузоподъемности монтажной тележки и прочности металлоконструкций копра.

На некоторых печах среднего объема в кольцевой зазор между кромкой конуса и колошниковой защитой вводят подвижные плиты (рисунок 5) в количестве до 20 штук или вертикально перемещаемое металлическое кольцо (радиальный распределитель).

Благодаря этому можно повысить гибкость регулирования распределения загружаемых материалов.

1 - подвижная плита; 2 - поток шихты; 3 - подвижное кольцо

Рисунок 5 - Схема действия подвижных плит и радиального распределителя.

При наличии этих устройств удар ссыпающихся материалов о препятствие происходит ближе к кромке конуса с образованием удаленного от стенки колошника гребня. Загрузку компонентов шихты ведут раздельно, сочетая с различным положением плит или кольца. Когда упомянутые устройства занимают рабочую позицию, часть газового потока в момент ссыпания шихты проходит через зазоры между колошниковой защитой и кромкой устройств, благодаря чему начальная часть траектории падения материалов не претерпевает существенного изменения в сравнении с загрузкой без участия плит или кольца. [5].

2.1.2 Распределение материалов при загрузке в печь

Рациональное распределение материалов, а следовательно, и газового потока по радиусу печи во многом зависит от выбора уровня засыпи и величины подачи.

При ссыпании с нижнего конуса шихта движется по параболам, конфигурация которых зависит от угла наклона конуса, коэффициента внутреннего и внешнего трения и гранулометрического состава материалов, а также от количества и скорости движения газа на периферии.

Рисунок 6 - Зависимость расположения гребня шихты от уровня засыпи

Из рисунка 6 видно, что расстояние гребня шихты от стенок колошника меняется в зависимости от уровня засыпи. Чем ниже уровень засыпи, при прочих равных условиях, тем большее количество мелочи попадает к стенам. С уменьшением высоты падения материалов их гребень отходит от стен, а значит, и все меньшее количество мелких частичек попадает непосредственно к стенам колошника. В точке К ссыпающиеся с конуса материалы достигают колошника. Имеющие более крутые параболы падения мелкие частицы достигают стены колошника ниже, например, в точке n.

Ниже точек К и n поток сыпучих материалов будет двигаться вдоль стен. При ударе о стену куски не отражаются и не попадают ближе к оси печи (как это иногда утверждается [6]), так как энергия отражения отдельных кусков на участке К -- n гасится потоком движущейся шихты.

Следовательно, регулировать газовый поток по радиусу печи уровнем засыпи можно только на участке от кромки опущенного конуса до места встречи потока материалов со стенами колошника (точка К).

Изменяя уровень засыпи, в большинстве случаев можно получить желаемое распределение газового потока по радиусу печи. Уменьшение высоты падения шихты всегда способствует увеличению потока газов в периферийной зоне. Это связано со снижением количества мелких материалов у стен колошника, что способствует увеличению здесь газового потока. Обычно это объясняют смещением рудной составляющей шихты к центру, вследствие чего в центре печи уменьшается газопроницаемость столба материалов. Однако это противоречит действительности, так как при уменьшении уровня засыпи величина смещения гребня к центру незначительна, а газовый поток при этом изменяется существенно.

Большое влияние на радиальное распределение шихты в доменной печи оказывает характер поверхности столба плавильных материалов на колошнике. Скорость опускания материалов на периферии несколько выше скорости их опускания в центре печи. Поэтому глубина воронки перед загрузкой имеет меньшую величину, чем после ссыпания в печь очередной подачи. В этом случае сначала первые порции шихты заполняют все неровности поверхности засыпи в районе их падения, а затем уже образуется гребень. Угол откоса гребня шихты зависит от радиуса колошника, рода материала и степени его кусковатости, а также от скорости и величины газового потока у стен печи.

С увеличением поперечных размеров доменных печей значительно увеличились диаметры колошников и влияние стен печи на углы откоса плавильных материалов уменьшилось.

На действующей печи глубина воронки шихтовых материалов меньше, чем в печи перед задувкой. Но и в этом случае для колошников больших диаметров глубина воронки увеличивается. Значительное влияние на угол откоса шихты в печи оказывают скорости газовых потоков в осевой и периферийной областях. Чем ниже общая скорость движения газового потока в печи, тем глубже воронка загружаемых материалов. Поэтому с увеличением давления газа на колошнике возрастает глубина воронки шихты.

Глубина воронки на колошнике во многом зависит также и от скорости опускания шихты. Если сход материалов в центре больше, чем у стен, то глубина воронки перед загрузкой очередной подачи увеличивается. Если же скорость опускания шихты больше на периферии, то глубина воронки перед опусканием очередной порции уменьшается. Чем больше разница указанных скоростей, тем больше изменяется глубина воронки.

При всех случаях уменьшения воронки периферийную область печи следует догрузить рудой. Загрузка шихты в глубокую воронку способствует большему смещению рудной части в промежуточную и даже осевую зоны печи. Перераспределение более плотной рудной составляющей шихты по радиусу печи вызывает соответствующее изменение в распределении газового потока по радиусу.

По радиусу печи может осуществляться саморегулирование газораспределение самим газовым потоком. Если, например, по каким-либо причинам в печи увеличился газовый поток на периферии, то в результате этого здесь увеличится и скорость опускания шихты. Это приведет к уменьшению глубины воронки засыпи материалов и к большему попаданию на периферию железной руды или агломерата. В результате газопроницаемость столба шихты в этой зоне уменьшится, а следовательно, станет уменьшаться и количество проходящего газа. Такое саморегулирование существует до определенных пределов. В случае развития чрезмерного потока газов на периферии начнется частичное перебрасывание им мелких частичек руды и агломерата с периферии в промежуточную и осевую зоны печи. Это будет способствовать развитию еще большего потока газов на периферии. В таких случаях для ликвидации периферийного хода газов необходимо соответственно изменить параметры программной загрузки шихты.

На распределение материалов по радиусу печи оказывает влияние и степень их разрыхленности газовым потоком. Каждая новая порция ссыпаемых материалов «сминает» поверхность шихты в печи, т. е. частично внедряется в разрыхленный слой ранее загруженных материалов. Коэффициент уплотнения составляет обычно 10--15%. Степень уплотнения возрастает с увеличением расстояния от кромки конуса до поверхности шихты, так как при падении с большей высоты возрастает кинетическая энергия потока падающей шихты.

Если разрыхленность столба материалов больше у стен печи, то и деформация поверхности здесь будет большей. В результате газовый поток здесь будет слабее, вследствие чего уменьшится и разрыхленность материалов. Таким образом, происходит частичное саморегулирование хода печи, как и в случае изменения глубины воронки на поверхности засыпи.

Большое влияние на распределение материалов по радиусу печи оказывает также расстояние между кромкой конуса и стеной колошника.

1,3 - размещение крупных фракций; 2,4 - размещение мелочи.

а) без ограничения; б) ограничение стенкой на большом расстоянии; в) ограничение стенкой на малом расстоянии;

Рисунок 7 - распределение материалов при ссыпании их с наклонной плоскости.

Как видно из рисунка 7, а, при образовании естественной пирамиды самый мелкий материал располагается наверху. Крупные куски скатываются по откосам -- больше по откосу, параллельному наклонной поверхности, и меньше по противоположному (на рисунке 7 откосы условно показаны прямыми линиями; в действительности при неоднородной кусковатости шихты эти откосы будут вогнутыми).

В случае образования пирамиды, ограниченной с одной стороны стеной (например, на колошнике доменной печи), распределение материала в ней меняется. Если стена расположена сравнительно далеко от поверхности скатывания, то сегрегация материалов происходит по схеме, изображённой на рисунке 7, б. Мелочь по-прежнему располагается на гребне, но он образуется сравнительно далеко от стены и поэтому часть крупных кусков попадает непосредственно к ней, а остальная часть размещается на противоположном откосе.

В случае, когда гребень пирамиды образуется у самой стены (рисунок 7, в), вся мелочь будет располагаться непосредственно у нее, а в центральной зоне (под конусом) окажутся наиболее крупные куски.

Таким образом, как большое, так и малое расстояние между конусом и стенкой колошника нежелательно. В первом случае образуется чрезмерно развитый периферийный, а во втором -- осевой поток газов.

Для современных доменных печей полезным объемом 1000-- 4000 м³ расстояние между конусом и стенами колошника должно быть равным 800--1000 мм (меньшее расстояние для печей меньшего объема и наоборот). При этом следует учитывать степень подготовки шихтовых материалов и угол наклона поверхности конуса к горизонтали.

Следует отметить, что отклонение расстояния между конусом и стенами колошника от оптимального значения даже на 50--70 мм приводит к нежелательному нарушению радиального потока газа. Это нарушение нельзя устранить не только изменением уровня засыпи, но и соответствующими изменениями порядка загрузки и величины коксовой колоши.

Регулирование газового потока по радиусу печи изменением уровня засыпи возможно только в том случае, когда расстояние от стен колошника до конуса имеет оптимальные размеры.

На радиальный газовый поток оказывают также некоторое влияние скорость опускания и высов конуса в печь (за чашу). При увеличении скорости опускания конуса или уменьшении его высова в печь гребень материалов перемещается от стен к центру. Если же уменьшить скорость опускания конуса или увеличить его высов, то параболы падения материалов станут более пологими и гребень шихты расположится ближе к стенам колошника. Однако влияние этих факторов на распределение шихты в современных условиях незначительно [2].

Принципиально загрузка двухконусным аппаратом осуществляется сплошными кольцами, образующимися при ссыпании шихтовых материалов с большого конуса, и ее можно отнести к технологии кольцевых загрузок [7].

2.2 Загрузочное устройство с лотковым распределителем