1. Стан питання та завдання досліджень
1.1 Розвиток конструкцій завантажувальних пристроїв
Доменна піч є агрегатом безперервної дії, і все її обладнання має бути простим за облаштуванням, надійним у роботі, довговічним та невибагливим в експлуатації. Особливо це стосується обладнання засипного апарату, який працює в умовах високих температур і запиленості навколишнього середовища. Завантажувальний пристрій доменної печі повинен забезпечити надійне, безпечне завантаження та керований розподіл шихтових матеріалів по всій поверхні колошника. Основні можливості керованого завантаження шихтових матеріалів закладаються в конструкцію безпосередньо завантажувального пристрою.
Історично в доменному виробництві набули розвитку два типи завантажувальних пристроїв, що відрізняються принципово за видом розподільника шихтових матеріалів на колошнику: конусний (КЗУ) і лотковий (БЗУ) [4].
1.1.1 Розвиток конусних завантажувальних пристроїв (КЗУ)
Спочатку як газовий затвор намагалися використовувати частину стовпа шихтових матеріалів. Однак відведення колошникового газу нижче поверхні шихти як по периферії (газовідведення Фабер дю Фора), так і в центрі печі (труба Дербі) не дало позитивних результатів [1].
Найбільш вдалим виявився газовий затвор, що складається з кришки-ковпака зі спеціальними каналами для виходу та збирання газу (рис. 1.1).
Рис.1.1 Найпростіший газовий затвор доменної печі:
1-колошник; 2-кільцеве відведення газу; 3-кришка-ковпак; 4-балансир
Такий затвор мав значний недолік – під час завантаження печі газ вирушав в атмосферу. Для зменшення втрат газу прискорювали завантаження, але це призводило до розладу газового потоку і ускладнення його регулювання. Необхідний був апарат, що поєднує одночасно функції газового затвора тарозподільника шихти. Вперше такий апарат запропонував у 1850р. англієць Паррі. Його газовий затвор (рис.1.2) складався з вирви та конуса. Конус при підйомі лебідкою контрвантажу балансира опускався під дією власної ваги та ваги, що знаходяться на ньому матеріалів, які попередньо у лійці розподіляли в ручну. І хоча в початковій конструкції апарату Паррі зберігся такий недолік, як втрата газу при відкриванні конуса, час завантаження скоротився, а умови розподілу шихти по колу печі при закритому конусі значно покращилися.
На відміну від Паррі, який розробив апарат з рухомим конусом, Джеймс запропонував апарат з нерухомим конусом, розташованому на металевих балках, і телескопічною лійкою, нижня частина якої має механізм для підйому і опускання (рис 1.3). Під час підйому телескопічної частини вирви матеріали зсипалися по конусу на колошник печі.
Рис.1.2 Засипний апарат Паррі:
1-конус; 2-воронка; 3-балансир
Рис.1.3 Засипний апарат Джеймса:
1 - несучі балки; 2-стаціонарний конус; 3 - нижня частина вирви;
4-верхня частина вирви; 5-тяги; 6-свічка; 7-газовідведення.
Але апарат Джеймса не набув поширення через порівняльну складність конструкції та частого жолоблення опорних балок. Крім того, при зсипанні шихти з конуса відбувається абразивне зношування цих балок і порушення розподілу матеріалів на колошнику.
Різновидами апарату Паррі є пропозиція фон Гоффа (рис. 1.4) (Німеччина, 1861) аналог з центральним відведенням колошникового газу; Лангера з рухомим дзвоном і нерухомою лійкою (рис.1.5); апарат Толандера (Швеція, 1880 р.), вирва з дефлекторами Кеннеді та модернізована М. К. Курако (Україна, 1893 р.)з урахуванням її завантажувальний пристрій Никополь - Маріупольського металургійного заводу, прилад Нееланда (1896 р) та інших.
Рис 1.4 Засипний прилад фону Гоффа:
1-воронка; 2-конус з порожнистою центральною трубою;
3-водяний або пісочний затвор; 4-центральне газовідведення;
5-свічка; 6-горизонтальне газовідведення.
Рис 1.5 Дзвін Лангера:
1-воронка; 2-ущільнююче кільце; 3-дзвін;
4-труба для відведення колошникового газу; 5-водяний затвор.
Дзвон Лангера з центральним газовідведенням і той же дзвін у комбінації з підйомними кільцями при периферійному відводі газу, а також апарат Толандера дозволяють отримувати розподіл, газового потоку по радіусу печі, близьке до оптимального значення, але такий же результат дає і апарат Паррі, що відрізняється більш простою конструкцією.
Важливою перевагою апарату Паррі є також найкраща його герметичність та нескладність встановлення другого газового затвора. Це стало необхідним внаслідок збільшення обсягу доменних печей, форсування їх ходу та необхідності повного усунення втрат колошникового газу, який набував дедалі більшої цінності. На американському заводі «Юнгстаун» було встановлено засипний апарат із подвійним конусом Паррі. Верхній конус стали називати малим на відміну великого - нижнього. У вирву малого конуса завантажували шихту з одного скіпу (самоперекидної вагонетки), після чого конус відкривався, і шихта зсипалася на нижній конус, де набиралася вся подача. Малий і великий конуси працювали асинхронно і втрати газу атмосферу майже повністю усувалися. Завантаження печі за допомогою скіпових та бадьєвих витягів не виключило можливості розподілу шихти по колу печі ручним способом. Для усунення цього недоліку Кеннеді [1, 2]запропонував робити вирву високою з вузькою середньою частиною, що значно згладжувало нерівномірність одностороннього завантаження (рис 1.6). У деяких випадках і верхню частину вирви робили вузькою, щоб зменшити сегрегацію матеріалів крупно. Така вирва значно зменшувала, але повністю не усувала об'ємну нерівномірність у розподілі матеріалів по колу колошника. За розрахунками В. К. Грузінова [3], навіть у кращому випадку в одній половині вирви виявлялося на 30-40% шихти більше, ніж в іншій. Тому на доменних печах із такою лійкою відбувався односторонній розпал кладки. До того ж велика висота падіння матеріалів у вирві призводила до утворення дрібниці, особливо при низькій міцності палива. Через зазначені недоліки вирва Кеннеді широкого поширення не набула.
Рис 1.6 Розподільна вирва Кеннеді
У 1906р. американський інженер Мак-Кі з метою зниження нерівномірності розподілу завантажуваних шихтових матеріалів запропонував доповнити апарат Паррі конструкцією вирви – розподільника шихти (ВРШ), що обертається, закритою малим конусом. У такому вигляді (рис. 1.7) класична конструкція конусного завантажувального пристрою (КЗП) першого типу з ВРШ набула у XX столітті широкого поширення на доменних печах світу та має до теперішнього часу велику кількість удосконалених модифікацій на доменних печах обсягом до 3500м. куб.
Для усунення істотних недоліків у частині керованого розподілу шихти по радіусу та колу колошника розроблені пропозиції щодо встановлення на колошнику рухомих по горизонталі плит-пластин та/або приводних по вертикалі додаткових конусів та розподільних кілець.
Рис 1.7 Сучасний засипний пристрій типової конструкції:
1 чаша;2 великий конус; 3-конус жорсткості;
4 - захисний кожух; 5- клинове кріплення штанги; 6- газовий затвор;
7- розподільник шихти; 8 малий конус; 9 - штанга великого конуса;
10 - штанга малого конуса; 11 - траверса штанги малого конуса;
12 - тяги малого конуса; 13-приймальна лійка; 14 - скіп;
15 - захисні кільця штанги малого конуса.
1.1.2 Розвиток безконусних завантажувальних пристроїв (БЗП)
Завантажувальні пристрої другого типу отримали у світі назву безконусних (БЗП). За конструкцією БЗП з лотковим розподільником шихти у вигляді жолоба, лійки, склізу або ротора поділяються на дві групи: з установкою лотка на центральному до осі печі приводному валу з розташуванням приводу поза печі та подачею шихтових матеріалів на лоток збоку; установкою лотка на кільцевому підшипнику, що охолоджується, всередині печі з подачею шихтових матеріалів на лоток по осі печі через встановлену співвісно центру печі трубу, течку або лійку.
Рис.1.8 Розподільний лоток Броуна
Запропонований в 1886 р. Броуном варіант лоткового завантажувального пристрою (рис. 1.8) отримав подальший розвиток у вигляді лотка-жолоба, що обертається, з газовідсікаючими і шихтовими клапанами. А.І. Верхотуров та Н.В. Малиновський (СРСР,1926 р.) модернізували керовану систему завантаження шихти лотком Броуна, що дозволяло забезпечити завантаження порцій рудної частини шихти і коксу будь-яку точку по колу.
З 1891 по 1959р. розвиток вузлів та механізмів завантажувального пристрою другого типу з лотковим розподільником, включало модернізацію: розподільного пристрою подачі шихтових матеріалів; збірного (дозувального) бункера шихти; завантажувальних шихтових клапанів з дозуючим пристроєм та центральною течкою; газовідсікаючих та шихтових клапанів тазатворів; футерованого лотка-жолоба, що обертається, різних форм з регульованим кутом нахилу; незалежних приводів руху лотка-жолоба з можливістю його обертання із заданою швидкістю навколо вертикальної осі та позиційною зміною кута нахилу; систем охолодження приводів лотка чистим газом з перевищенням його тиску над доменним газом у печі для усунення влучення пилу в кожух приводу і т.д. [6].
У СРСР 1926 р. А. Л. Дуткевич запропонував як лотковий розподільник використовувати циліндр із конічним дном. Така односхилий вирва була згодом застосована у варіантах сучасних БЗУ з розподільником шихти, що швидко обертається, на колошнику. Була реалізована і його ідея про суміщення функцій розподільника шихти та газового затвору. Оригінальність такого технічного рішення дозволяла конструктивно зменшити висоту завантажувального пристрою і відповідно подрібнення шихтових матеріалів, що завантажуються в піч.
У 1954 р. А. С. Аюков запропонував застосувати для поліпшення розподілу шихти відбивач зміни напрямку руху шихтових матеріалів із приймальної лійки в лоток-жолоб. При різних положеннях лотка струмінь шихти може збігатися з напрямними лотка, може бути полярним або займати будь-яке положення під кутом.
У 1957 р. А. П. Любимов і Є. П. Тихомиров запропонували конструкцію багатолоткового (2 або 4 жолоби), що обертається, розподільника шихти доменної печі з тарілчастими газоущільнювальними клапанами і шихтовим затвором із захищеним протитиском і охолоджуваним (азот, озот) обертання лоткового розподільника БЗП.
У 1959р. В. С. Патрікеєв і А. А. Целіков розробили конструкцію БЗУ з приймальним розподільчим пристроєм у вигляді вирви, збірним бункером з верхнімнижнім тарілчастими клапанами, з регулюючим (дозуючим) шихтовим затвором секторного типу в зоні розвантажувальної воронки бункера, розподільного лотка-жолоба, що обертається і гойдається, зі зміною кута його нахилу по позиціях, незалежних виносних приводів лотка поза печі через дві. Вперше над газовідсікаючими клапанами запропоновано систему дозування потоку шихтових матеріалів.
У 1965р. А. Г. Кошелевським запропоновано варіант роторного розподільника (рис. 1.12) у вигляді касети складових жолобів-лотків різної довжини та конфігурації з широкою можливістю горизонтального та вертикального управління розподілом шихтових матеріалів на колошнику. Над багатолотковим ротором розташована поворотна односхилий воронка, що обертається з можливістю збігу і неузгодження швидкостей її обертання щодо поверхні лотків. До односхилим воронці, що обертається, сходяться тракти подачі шихти від двох, розташованих симетрично осі, бункерів-шлюзів, завантажувані через вирву з перекидним розсікачем-шибером зміни напрямку подачі шихти зі скіпів в будь-який з шихтових бункерів.