Горение топлива в вагранке

Ваграночное топливо должно не только выделять необходимое количество теплоты для процесса плавки, но и выдержать вес столба материалов, находящихся в шахте. Топливо, соответствующее требованиям плавки в вагранке, должно обладать высокой механической способностью при нормальной и высоких температурах, определенной пористостью, которая не должна быть более 45%, низкой реакционной способностью и низким содержанием серы. Наиболее подходящее для этих целей топливо – литейный кокс. Размер кусков кокса определяет высокопроизводительную и экономическую работу вагранок. Применение крупных кусков одинакового размера создает условия для выплавки горячего чугуна. Исследования показали, что с увеличением диаметров кусков от 25 до 100 мм. (при сохранении всех прочих условий постоянными) температура чугуна повышается от 25 до 1450°С. Наиболее желательно применение кусков кокса диаметром 100-150 мм. Кокс в вагранке горит в холостой калоше. Воздух, поступающий через фурмы, встречается с раскаленными кусками кокса, в результате чего происходит интенсивное протекание реакций взаимодействия углерода и кокса с кислородом воздуха. Исследования горения кокса показывают, что в первом слое расходуется 50% всего кислорода, содержащегося в воздухе. В последующих двух -трех слоях расходуется остальной кислород.

Слой, в котором полностью усваивается кислород воздуха, называется кислородной зоной. Температура в кислородной зоне зависит от количества сгораемого кокса. Исследования процесса горения кокса в вагранке показало, что взаимодействие кислорода воздуха с углеродом кокса лимитирует диффузией кислорода и поверхности кокса. Поэтому количество сгораемого кокса определяется количеством воздуха, подаваемого в вагранку. Состав газов меняется по высоте вагранки. В вагранке под кислородной зоной расположена зона восстановления СО₂. Основной процесс в этой зоне - взаимодействие углекислого газа с углеродом кокса.

В результате протекания реакции: C+C0₂=2C0-Q

Содержание СО₂ постепенно уменьшается, а содержание СО возрастает. Концентрация СО и СО₂ резко изменяется на сравнительно небольшом участке, т.е. на участке с высокой температурой. Когда поднимающиеся газы охлаждаются до температуры 900-1000°С, взаимодействие газов с коксом практически прекращается. Об этом свидетельствует почти постоянное содержание в ваграночных газах СО и С0₂ В горн, расположенный ниже оси фурм, свежие продукты горения топлива практически не поступают, поэтому движение газов отсутствует и реакция восстановления С0₂ углеродом кокса протекает достаточно полно. Соотношение СО/СО₂ соответствует области чистого железа, необходимо непрерывно удалять из вагранки жидкий чугун и шлак, так как при накапливании чугуна и шлака в горне их уровень постоянно меняется, а следовательно, меняются условия восстановления оксидов металла в горне.

Заключение

Производство черных и цветных металлов, лежащее в основе развития современной техники, связано с протеканием высокотемпературных, весьма энергоемких процессов. Как развитие металлургии в целом, так и различных ее переделов всегда сопряжено с совершенствованием существующих или внедрением новых теплотехнических процессов. При выплавке чугуна в объеме доменной печи протекают сложнейшие теплофизические процессы. К ним относятся: горение кокса, гидродинамические и тепло-массообменные процессы в слое и др. Совершенствование работы доменных печей всегда связано с воздействием на протекание теплофизических процессов. Рассмотрение условий развития процессов производства стали в конвертерах, мартеновских и электропечах также убеждает в том, что и в этом переделе важную роль играют теплофизические процессы. Кислородно-конвертерный процесс основан на взаимодействии кислородной струи с расплавленным металлом - сложнейшим теплофизическим процессом, определяющим гидродинамику и тепломассоперенос в ванне расплавленного металла. Повышение производительности и качества работы мартеновских печей всегда связано с интенсификацией гидродинамических и тепло массообменных процессов. Осуществляемая в настоящее время в отдельных случаях перестройка мартеновских печей в двух ванные по существу продиктована теплотехническими требованиями. В электросталеплавильных печах гидродинамические и тепло массообменные процессы также являются основными. Важнейшая роль принадлежит теплотехническим процессам и в производстве и термической обработке проката. Качественный нагрев металла перед обработкой давлением - совершенно необходимое условие для нормальной работы прокатного и кузнечного оборудования. Термическая обработка прокатной продукции основана на соответствующих тепломассообменных процессах, осуществляемых в печах. специального назначения. Немало подобных примеров, подтверждающих положение о том, что теплофизические процессы - стержень современной металлургии, можно было бы привести и из практики работы заводов цветной металлургии и машиностроения. В современном понимании печь - это тепловой агрегат, в котором происходит получение теплоты из того или иного вида энергии и передача ее материалу, подвергаемому обработке. Подавляющее большинство процессов, протекающих в печах, совершается при высоких температурах и связано с большими затратами тепловой энергии. Высокая энергоемкость печных процессов делает металлургическую теплотехнику ответственной за энергетические показатели работы печей, на долю которых приходится очень большая часть всей энергии, расходуемой как в нашей стране, так и в мире в целом. Поэтому сфера приложения теплотехники металлургического производства как науки включает в себя не только теплофизические процессы, лежащие в основе работы металлургических печных агрегатов, но и важнейшие вопросы, сопутствующие работе этих агрегатов, такие как использование вторичных энергоресурсов, охрана окружающей среды и др. Благодаря своей роли в современном производстве теплотехника металлургического производства уже давно выделилась в самостоятельный раздел технической физики, широко использующий такие ее составные части, как теория горения, гидро- и аэродинамика, тепло- и массоперенос в твердых, жидких и газообразных средах.