Совершенствование методики оценки риска аварийности доменных фурм

1.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ “МИСИС”
Институт экотехнологий и инжиниринга
Кафедра техносферной безопасности
Совершенствование методики оценки риска аварийности
доменных фурм
Аспирант гр. АТБ-19-ТБ: Т.С. Лазарева
Научный руководитель:
Москва 2023
А.Э. Филин
Е.П. Потоцкий

2.

Актуальность
Прогар
13%
Течи во фланцах и сварных
швах
11%
Отказ фурменных приборов –
распространенный вид
аварий и неполадок в
52%
24%
Естественный износ
доменном производстве,
вызванный различными
Прочие причины
причинами
По данным отчета ПАО НЛМК за последний год фурмы доменных печей вышли из
строя более 200 раз.
Большой вклад в исследовании этой проблемы внес НИТУ МИСИС в лице
Жеребина Б. Н., Вегмана Е. Ф., Похвиснева А.Н., Паренькова А.Е.
2

3.

Цель и задачи работы
Цель: совершенствование методических основ оценки риска аварийности
доменных фурм с учетом образования тотермана.
Задачи:
1) Проанализировать причины образования тотермана в фурменной зоне.
2) Оценить влияние тотермана на аварийность фурменных приборов.
3) Адаптировать методические основы оценки риска аварийности фурменных
приборов с учетом образования тотермана; реализовать их для доменных печей
различного объема.
4) Предложить мероприятия по предупреждению прогара фурм в зависимости от
объема доменной печи и температуры фурменной зоны.
3

4.

Объект и предмет исследования, идея работы
Объектом исследования настоящей работы является аварийность
фурм доменной печи, ее причины и последствия.
Предметом исследования является оценка аварийности фурм
путем определения температуры фурменной зоны в зависимости от
объема доменной печи (с учетом образования тотермана).
Идея работы заключается в адаптации методических основ оценки
риска аварийности фурм с учетом образования тотермана в
фурменной зоне.
4

5.

Апробация работы
Основные положения и результаты работы доложены на научных семинарах кафедры
«Техносферная безопасность» НИТУ МИСИС и на IX Международной научно-практический
конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии в промышленности.
Печные агрегаты. Экология».
Публикации:
Научные публикации по теме диссертации в журналах, индексируемых в Scopus:
Pototskiy E. P., Lazareva T. S. Investigation of factors affecting the safety of a blast furnace
operation. CIS Iron and Steel Review. 2022, vol. 23, pp. 15–18. DOI: 10.17580/cisisr.2022.01.03
Научные публикации по теме диссертации
Потоцкий Е.П., Лазарева Т.С. Анализ устойчивости и технологического процесса доменной
печи. //Труды IX Международной научно-практический конференции «Энергоэффективные и
ресурсосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология». — М.:
Изд. Дом МИСиС, 2018. — С. 169-173.
5

6.

Научная новизна
Научная новизна работы заключается в разработке методических основ
расчета перегрева фурменной зоны с отклонением эллипсоида разрыхления
доменной печи, приводящее в последующем к прогару носка фурменного
прибора и нарушению нормального хода доменной печи.
6

7.

Научные положения
1) Впервые разработаны методические основы (математическая
модель), которые позволят оценить температуру фурменной зоны при
наличии тотермана.
2) Результаты моделирования позволяют спрогнозировать аварийность
фурмы из-за прогара носка.
3) Разработанный комплекс мероприятий позволит снизить аварийность
фурм.
7

8.

Виды расстройств и неполадок в работе доменных печей
Нарушение нормального газораспределения в печи:
- развитие периферийного хода;
- образование канального хода;
- развитие осевого хода.
Нарушение нормального схода шихты:
- неровный ход;
- перекос уровня засыпи;
- зависание шихты.
8

9.

Дерево событий «Развитие периферийного хода доменной печи»
9

10.

Дерево событий «Прогар фурм»
10

11.

Виды расстройств в работе доменных печей с учетом
образования тотермана
Наличие тотермана приводит к следующим нарушениям
нормального схода шихты:
1) загромождению горна;
2) похолоданию и разогреву фурменной зоны;
3) прогару фурм и холодильного оборудования.
Эти виды расстройств создают условия взрыва доменной печи.
11

12.

Причины образования тотермана
Тотерман - это рудно-коксовый
спек, образующийся в фурменной
зоне доменной печи, в результате
похолодания ее центра.
Причины образования:
Шихта плохого качества;
Слабые воздуходувные средства;
Наличие в шихте тугоплавких
элементов.
12

13.

Методические основы.
Изменение гидродинамики фурменной зоны под влиянием
тотермана
Режим истечения газо-угольного потока в фурменную зону (критерий
Глинкова)
г wг2
Gn
ж g hж
где рг –эффективная плотность потока, кг/м3;
wг - рабочая скорость газов на выходе из фурмы, м/с;
pж – плотность расплава в фурменной зоне, кг/м3;
hж- расстояние от оси фурмы до распара , м;
g- ускорение свободного падения, м/с2.
В доменных печах реализуются два устойчивых гидродинамических
режима продувки: струйный и пузырьковый.
Если Gn<1, то режим истечения газо-угольного потока - пузырьковый.
Если Gn>1, то режим истечения газо-угольного потока - струйный.
13

14.

Методические основы.
Температурный режим фурменной зоны с учетом
образования тотермана
где
Tf – теоретическая температура горения, ºС;
Vbost – объем газа в заплечиках, мм3/мин;
dh – диаметр горна, м;
B – расход топлива, кг/т;
Tж – индекс жидкотекучести шлака;
ηсо – содержание СО в центре печи (из шахты);
dproke – диаметр кокса в тотермане, мм.
14

15.

Зависимость температуры фурменной зоны при
изменении объема доменной печи
15

16.

Методические основы.
Определение теплового потока на носок фурмы
Тепловой поток на носок фурмы под влиянием тотермана формируется из
разности теплового потока под воздействием тотермана и теплового
потока за счет охлаждения фурм
q эф 0 (Т Т )
p
4
2
4
1
где εэф - эффективная степень черноты среза фурмы;
σ0 - постоянная Стефана - Больцмана, равная 5,67·10-8 Вт/(м2·К4);
Т2- температура внутренней зоны продувки, К;
Т1- температура выходных параметров фурмы, К.
Под влиянием тотермана изменяется температурный режим работы
фурменного прибора, что ведет к образованию трещит носка фурмы.
16

17.

Основные результаты оценки риска аварийности фурм при
наличии тотермана
1) Ввиду образования тотермана повышается температура
фурменной зоны.
2) Изменение термодинамики фурменной зоны приводит к
образованию пузырькового режима истечения газо-угольного
потока.
3) Изменение температурного режима работы фурменного прибора
способствует образованию трещин носка фурмы.
4) Увеличение теплового потока, при наличии тотермана, приводит к
развитию периферийного хода доменной печи.
17

18.

Мероприятия по предупреждению прогара фурм
Объем
№
доменной
п/п печи, м3
Температура
фурменной
Мероприятия
зоны, 0С
1
До 2700
До 2100
2
2700 - 3500
2100 - 2300
1)
автоматизированный
анализ
по
ретроспективным
данным
статистических свойств перепада расхода охлаждающей воды;
2) анализ содержания кремния в чугуне.
1)
автоматизированный
анализ
по
ретроспективным
данным
статистических свойств перепада расхода охлаждающей воды;
2) анализ содержания кремния в чугуне;
3) рыльную часть воздушной фурмы (носок фурмы) необходимо
защищать огнеупорными материалами, в том числе плазменным
напылением;
4) внутренний стакан фурмы необходимо изготавливать из стального
листа вместо медного с дополнительной футеровкой огнеупорными
материалами.
18

19.

Мероприятия по предупреждению прогара фурм
при наличии тотермана
№
п/п
3
Объем
доменной
печи, м3
3500 - 5560
Температура
фурменной
Мероприятия
зоны, 0С
2300-2400
1) автоматизированный анализ по ретроспективным данным статистических
свойств перепада расхода охлаждающей воды;
2) анализ содержания кремния в чугуне;
3) рыльную часть воздушной фурмы (носок фурмы) необходимо защищать
огнеупорными материалами, в том числе плазменным напылением;
4) внутренний стакан фурмы необходимо изготавливать из стального листа
вместо медного с дополнительной футеровкой огнеупорными материалами.
5) режим подачи охлаждающей воды в фурму:
- скорость технической воды до 11,6 м/с (обычный расход воды- 4-5 м/с);
- расход воды - 30 м3/ч (обычный расход воды- 12-16 м3/ч );
- давление воды - 15 ати (обычный расход воды- 5-6 ати).
Такой режим требует установки насосов высокого давления и более прочной
аппаратуры.
6) толщина носка фурмы должна быть не менее 40-50 мм.;
7) вязкость шлаков не более 4-5 пуазов, исключать загрузку кислых окатышей.
19

20.

Выводы
1) Качественный анализ построенного дерева событий для аварийного события «Развитие
периферийного хода доменной печи» выявил 6 сценариев развития аварийной ситуации; самый
негативный – «Загромождение горна доменной печи».
2) Качественный анализ построенного дерева событий для аварийного события «Прогар фурм»
свидетельствует о 4 сценариях развития аварийной ситуации; самый негативный – «Взрыв
доменной печи».
3) Проведенный качественный анализ показал, что нарушение нормального газораспределения
и загромождение горна приводят к образованию тотермана в фурменной зоне, что провоцирует
массовое горение фурменных приборов и холодильного оборудования доменной печи.
4) Показано, что в доменных печах большого объема преобладает пузырьковый поток истечения
газо-угольного потока, способствующий росту тотермана, который может привести к
аварийности фурменных приборов.
5) Разработанные методические основы оценки аварийности фурм позволяют оценить
температуру фурменной зоны и результирующий тепловой поток на носок фурмы при наличии
тотермана.
6) На основании проведенного расчета температуры фурменной зоны предложены
мероприятия по предупреждению прогара фурм в зависимости от объема доменной печи.
20

21.

Спасибо за внимание
21