Бесконусное загрузочное устройство

Бесконусное загрузочное устройство (БЗУ) — это технологический агрегат, предназначенный для загрузки шихтовых материалов (агломерата, кокса, окатышей) в доменную печь, в котором отсутствует традиционный конусный распределитель. В отличие от классических двухконусных загрузочных аппаратов, БЗУ обеспечивает распределение материалов по сечению печи не за счёт изменения угла наклона конусов, а с помощью вращающегося лотка с изменяемым углом наклона. Основная функция БЗУ — точное и программируемое формирование слоёв шихты на колошнике для управления газодинамикой и ходом доменной плавки.

История

Первые попытки отказаться от конусных затворов в загрузке доменных печей предпринимались в середине XX века. Классические двухконусные аппараты имели существенный недостаток: они не позволяли гибко управлять распределением материалов по радиусу печи, что ограничивало возможности оптимизации газового потока и снижало производительность. В 1960-х годах в СССР и за рубежом начались разработки бесконусных систем.

Первый промышленный образец БЗУ был внедрён в 1972 году на заводе «Тиссен» в Германии (ныне ThyssenKrupp). Конструкция, разработанная компанией Paul Wurth (Люксембург), получила название «система с вращающимся лотком». В СССР первые бесконусные загрузочные устройства начали устанавливать на доменных печах в 1980-х годах, в частности на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК).

К началу XXI века БЗУ стали стандартом для крупных доменных печей (объёмом более 2000 м³). В России к 2020-м годам большинство современных доменных печей оснащены бесконусными загрузочными устройствами, а старые двухконусные системы постепенно заменяются.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

БЗУ состоит из следующих ключевых узлов:

• Приёмная воронка — верхняя часть, куда скиповый подъёмник или конвейер подаёт шихту.
• Затворы (шлюзовые клапаны) — герметичные заслонки, разделяющие атмосферу печи и внешнюю среду. Обычно используются два последовательных затвора (верхний и нижний), работающие в цикле для предотвращения выброса доменного газа.
• Вращающийся лоток — основной распределительный элемент. Представляет собой трубу с изменяемым углом наклона (от 0° до 90° относительно вертикали), которая может вращаться вокруг вертикальной оси со скоростью до 20 об/мин.
• Привод лотка — электромеханический или гидравлический механизм, обеспечивающий вращение и изменение угла наклона.
• Система управления — программируемый контроллер, задающий траекторию движения лотка в зависимости от заданной программы загрузки.

Принцип действия

Шихта через приёмную воронку и открытый верхний затвор поступает в промежуточную камеру. После закрытия верхнего затвора открывается нижний, и материал попадает на вращающийся лоток. Лоток, вращаясь и изменяя угол наклона, направляет шихту в заданную точку колошника. За счёт комбинации вращения и наклона формируется кольцевая или точечная выгрузка, что позволяет создавать многослойные структуры с различной газопроницаемостью.

Программа загрузки задаётся оператором и может включать до нескольких десятков циклов (так называемых «витков»). Типичный цикл: лоток делает несколько оборотов на одном угле, затем угол меняется — так создаётся «кольцо» из материала. Изменяя количество материала, подаваемого на разные радиусы, добиваются оптимального распределения газового потока.

Классификация

Бесконусные загрузочные устройства классифицируются по нескольким признакам:

• По типу привода лотка:
• Электромеханические (наиболее распространены) — привод осуществляется через зубчатую передачу или редуктор.
• Гидравлические — используются на печах большой мощности, где требуется высокая точность позиционирования.
• По способу герметизации:
• С двумя шлюзовыми затворами (стандартная схема).
• С тремя затворами (для печей сверхвысокого давления).
• По конструкции лотка:
• С жёстким лотком (фиксированная геометрия).
• С телескопическим лотком (возможность изменения длины, редко).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Гибкость управления распределением. Возможность создавать любые профили загрузки (кольцевые, спиральные, точечные) без остановки печи.
• Повышение производительности. Оптимизация газодинамики позволяет увеличить интенсивность плавки на 5–15% по сравнению с конусными системами.
• Экономия кокса. За счёт равномерного распределения шихты снижается расход кокса на 3–8%.
• Снижение износа футеровки. Чёткое управление газовым потоком уменьшает локальные перегревы и эрозию огнеупоров.
• Автоматизация. Система полностью программируема, что упрощает переход между режимами работы.

Недостатки

• Сложность конструкции. Наличие подвижных частей в зоне высоких температур и абразивного воздействия шихты требует частого обслуживания.
• Высокая стоимость. БЗУ значительно дороже конусных аналогов как при изготовлении, так и при монтаже.
• Чувствительность к качеству шихты. При попадании крупных кусков или посторонних предметов возможно заклинивание лотка.
• Необходимость квалифицированного персонала. Управление и настройка требуют специальных знаний.

Применение

Бесконусные загрузочные устройства применяются преимущественно на доменных печах объёмом от 1000 м³. В России БЗУ установлены на большинстве современных печей, в том числе на:

• ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК) — печи № 6, 7;
• ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК) — печь № 10;
• ПАО «Северсталь» (Череповец) — печи № 4, 5;
• ООО «Евраз ЗСМК» (Новокузнецк) — печь № 3.

За рубежом БЗУ широко используются в Китае (крупнейший производитель стали), Японии, Германии, Южной Корее. Например, на печи № 2 завода POSCO (Южная Корея) объёмом 6000 м³, одной из крупнейших в мире, установлено БЗУ.

Сравнение с конусными системами

Интересные факты

• Первое бесконусное загрузочное устройство в СССР было установлено в 1983 году на доменной печи № 5 Череповецкого металлургического комбината (ныне «Северсталь»).
• Современные БЗУ способны выполнять до 60 циклов загрузки в час, что соответствует производительности до 12 000 тонн шихты в сутки.
• Лоток БЗУ изготавливается из жаропрочной стали с наплавкой износостойкими сплавами; срок его службы составляет 1–3 года в зависимости от интенсивности работы.
• В 2010-х годах компания Paul Wurth разработала модификацию БЗУ с возможностью загрузки материалов в условиях сверхвысокого давления (до 0,5 МПа), что позволило увеличить производительность печей на 20%.

Критика и перспективы

Несмотря на широкое распространение, БЗУ подвергаются критике за высокую стоимость и сложность обслуживания. В условиях санкционного давления на российскую металлургию (после 2022 года) возникли проблемы с поставками импортных комплектующих, в частности приводов и систем управления. Это стимулировало разработку отечественных аналогов, например, на базе НПО «Тяжпромарматура» (г. Пенза) и ООО «Метмаш» (г. Екатеринбург).

Перспективным направлением считается внедрение систем искусственного интеллекта для автоматической оптимизации программ загрузки в реальном времени, что позволит снизить расход кокса ещё на 5–7%. Также ведутся работы по созданию БЗУ для печей объёмом более 7000 м³, которые пока не нашли широкого применения.

Источники

• Технология доменной плавки / под ред. Ю. С. Карабасова. — М.: Металлургия, 2005.
• Патент US 3,982,658 (Paul Wurth, 1976).
• Отчёты ПАО «НЛМК» о модернизации доменных печей (2018–2022 гг.).
• Материалы конференции «Доменное производство-2023» (Москва, НИТУ «МИСиС»).
• Справочник металлурга: в 3 т. — М.: Машиностроение, 2010.