3. Профиль доменной печи и его развитие

Рабочим пространством доменной печи называется объем, ограничен­ный огнеупорной футеровкой, а очертание его вертикального осевого сечения - профилем доменной печи. Он имеет симметричную конфигурацию (рис. 6). Горизонтальные сечения профиля современной печи представляют собой окружности переменного диаметра.

Для создания наиболее благоприятных условий протекания всех процес­сов, имеющих место в доменной печи, размеры и конфигурация профиля дол­жны обеспечивать:

равномерное опускание (сход) загруженных в печь шихтовых материа­лов;

заданное распределение материалов и газов по сечению и время их пребывания в печи;

интенсивный тепло- и массообмен в противотоке шихтовых материа­лов и горнового газа;

переход материалов из твердого состояния в жидкое без ухудшения условий опускания столба шихты и накопление продуктов плавки в нижней части печи;

обеспечение проектной производительности доменной печи и мини­мального расхода топлива;

получение чугуна и шлака заданного химического состава.

В соответствии с характером процессов, протекающих на различных горизонтах в доменной печи, ее профиль делится на пять частей, различаю­щихся конфигурацией и размерами. Нижняя, цилиндрическая, называется гор­ном. К горну примыкает расширяющаяся кверху коническая часть, называе­мая заплечиками. Наиболее широкая часть, имеющая форму цилиндра, назы­вается распаром. Сверху к распару примыкает наибольшая по объему часть -шахта, имеющая форму сужающегося кверху усеченного конуса. Наиболее узкая верхняя цилиндрическая часть, соединяющаяся с шахтой, называется колошником. Сумма объе­мов перечисленных частей профиля составляет объем рабочего пространства доменной печи.

Основным парамет­ром доменной печи явля­ется полезный объем - это объем рабочего простран­ства печи, ограниченный снизу горизонтальной плоскостью, проходящей через ось чугунной летки, а сверху горизонтальной плоскостью, проходящей через основание большого конуса засыпного аппара­та в опущенном положе­нии. Высоту этого объема называют полезной высо­той доменной печи*. Если печь оборудована бесконусным загрузочным уст­ройством, то тогда речь ведут о расстоянии до кон­чика распределительного лотка в вертикальной (90°) позиции.

Предельная полез­ная высота ограничивает­ся прочностью горючего (кокса). Поэтому рост по­лезного объема доменных печей за последние 50 лет прошлого столетия проис­ходил главным образом за счет увеличения поперечных размеров профиля. Так, если полезная высота доменной печи объемом 5000м³ по сравнению с печью первого типового про­екта увеличилась на 29%, то диаметр распара соответственно на 96%, а диаметр горна еще более - на 104%. Максимальная полезная высота современной работающей доменной печи достигает 34,8 м.

Полезная и полная высота печи являются важнейшими размерами про­филя доменной печи. Не менее важны высота горна, заплечиков, распара, шах­ты и колошника; диаметры горна, распара и колошника; углы наклона стен шахты и заплечиков. Высотные и поперечные размеры профиля и углы накло­на стен взаимосвязаны. Изменение одного из этих размеров вызывает измене­ние и других размеров.

Размеры профиля доменной печи имеют очень важное значение: 1) от них зависит полезный объем, а следовательно, и производительность печи; 2) от соотношения размеров зависит степень приближения профиля к опти­мальному, т.е. обеспечивающему наиболее благоприятное протекание домен­ного процесса.

Рассмотрим назначение каждого из элементов профиля и условия, кото­рыми определяются их размеры.

Колошник - цилиндрическая часть печи, форма и размеры которой обес­печивают:

прием периодически загружаемых в печь порций материалов и форми­рование столба шихты;

стабилизацию распределения шихтовых материалов при колебаниях уровня засыпи;

сохранение (за счет специальной футеровки или защитных плит) на длительный период эксплуатации (более 5 лет) технологического зазора меж­ду нижней кромкой большого конуса и футеровкой в пределах 900÷1200 мм, что обеспечивает стабильность характера распределения слоев кокса и железосодержащих материалов по сечению колошника.

В нормальном режиме эксплуатации печи колошник постоянно запол­нен (примерно на 2/3 его высоты) шихтовыми материалами и, являясь наибо­лее узкой частью печи, выполняет в том числе роль «газового затвора», что способствует более полному использованию восстановительного и теплового потенциала потока газов, поднимающихся из нижней части печи через столб шихты.

Диаметр колошника влияет на распределение материалов, загружаемых в доменную печь и на характер их движения в ней. Этот размер должен быть увязан с диаметром распара определенным соотношением. При чрезмерном уменьшении диаметра колошника по отношению к диаметру распара в печи будет развит периферийный поток газа (преимущественное движение газов вдоль стен печи), который приведет к повышению расхода кокса и усилению износа огнеупорной кладки печи. Увеличение диаметра колошника по отношению к диаметру распара сверх допустимых значений вызовет тугой сход шихты вследствие малого наклона стен шахты.

Диаметр колошника самой большой работающей доменной печи дости­гает 11,2 м, а отношение его к диаметру распара составляет 0,69.

Цилиндрическая форма колошника позволяет стабилизировать влияние постоянно изменяющегося уровня засыпи на распределение материалов. Не менее важное значение имеет и высота колошника, которая определяется амплитудой колебаний уровня засыпи (вследствие опускания шихты и загруз­ки новых ее порций в печь). Для печей различного объема высота колошника изменяется в пределах 1,9÷2,5 м.

В шахте совершаются процессы тепло- и массообмена в противотоке между кусковыми шихтовыми материалами и газовой фазой. Высота шахты находится в прямой зависимости от полезной высоты печи. Диаметр верхней части шахты определяется диаметром колошника, нижней — диаметром рас­пара. Конфигурация шахты в виде расширяющегося к нижней части конуса обусловлена термическим расширением материалов в процессе нагрева и дол­жна обеспечивать плавное опускание столба шихты под собственным весом (подъемная сила газового потока не должна превышать 50-60% веса столба шихты) и рациональное распределение газового потока. Расширение шахты книзу необходимо также для обеспечения газопроницаемости столба шихты, которая постепенно ухудшается вследствие термического расширения размяг­чающихся и измельчающихся при восстановлении железорудных материалов. Поэтому очень важное значение имеет угол наклона стен шахты, который оп­ределяется ее высотой и разностью диаметров распара и колошника. Угол на­клона стен шахты изменяется от 85°25' у печей малого объема до 82°35' у пе­чей большого объема. Для обеспечения полноты протекания восстановитель­ных процессов в шахте ее высота должна быть «избыточной» на 5-7 м.

В распар поступают шихтовые материалы, прогретые до температур 1100-1400 °С, при которых начинается их переход в вязкопластичное, а затем и в жидкое состояние. Размеры распара (высота и диаметр) должны соответ­ствовать высоте зоны, где увеличение объема материалов вследствие их на­гревания компенсируется уменьшением объема материалов, переходящих в жидкое состояние. Как было показано ранее (см. рис. 5), определение разме­ров этой зоны, ее конфигурации (V, W, Л) и положения по высоте печи затруд­нительно, поэтому высота распара и его положение определяются соотноше­нием высотных и поперечных размеров печи с тем, чтобы получить соответ­ствующие углы наклона стен шахты и заплечиков. Среди специалистов у нас в стране и за рубежом высказывалось мнение о том, что распар необходим чисто из конструкционных соображений, чтобы обеспечить плавный переход от шах­ты к заплечикам. В любом случае высота распара и его диаметр должны обес­печивать плавное (без кострения) движение шихты и рациональное распреде­ление газового потока. Высота распара современных доменных печей изменяется от 1,7 до 2,3 м, а его положение по высоте печи определяется высотой заплечиков. Диаметр распара самой большой доменной печи достигает 16,1 м, а отношение его к диаметру горна и колошника равно соответственно 1,10 и 1,49.

Высота заплечиков, как и высота распара, определяется горизонтом, на котором начинается уменьшение объема материалов вследствие перехода час­ти их в жидкое состояние. Чрезмерно высокие заплечики затрудняют сход ма­териалов, так как в этом случае сужение рабочего пространства происходит выше горизонта, на котором начинается уменьшение объема материалов приих плавлении. При малой высоте заплечиков их стены получаются пологими, что также препятствует нормальному опусканию материалов. У современных печей высота заплечиков колеблется от 3 до 3,7 м.

Угол наклона стен заплечиков определяется высотой заплечиков и раз­ностью диаметров распара и горна. Современные доменные печи имеют угол наклона стен заплечиков от 79 до 81°. При больших значениях угла их наклона отмечается чрезмерное развитие периферийного потока, что не только снижа­ет степень использования восстановительною и теплового потенциалов газа, но и приводит к разгару огнеупорной футеровки над зонами горения.

Таким образом, конструктивные параметры заплечиков должны обеспе­чивать равномерный сход вязкопластичных и стекание расплавленных мате­риалов в нижнюю часть печи без потери газопроницаемости столба шихты (состоящего на уровне заплечиков преимущественно из раскаленных кусков кокса).

Высота горна измеряется расстоянием от оси чугунной летки до ниж­ней части кромки заплечиков и должна соответствовать количеству продуктов плавки, накапливающихся между выпусками чугуна и шлака в нижней его части - металлоприемнике. В металлоприемнике происходит усреднение хи­мического состава жидких продуктов плавки, частичное удаление из чугуна серы и других вредных примесей, которые переходят в шлак. Здесь же распо­ложены чугунные и шлаковые летки.

В верхней же части горна, равномерно по окружности располагаются воздушные фурмы, через которые в печь подают нагретое дутье. Эта часть горна называется фурменной зоной. В фурменной зоне непосредственно пе­ред воздушными фурмами (фурменных очагах) происходит горение кокса и топливных добавок к дутью, имеют место процессы вторичного окисления Fe, Мn и других элементов, протекающие в окислительной зоне фурменного оча­га, размер которой составляет 0,9ч-1,2 м. При использовании топливных доба­вок к дутью - природного газа, пылеугольного топлива (ПУТ), мазута и обога­щении дутья кислородом - размеры окислительной зоны уменьшаются. Счи­тается, что в очагах горения у фурм вторичному окислению подвергается до 30-40% чугуна, а образовавшиеся оксиды, взаимодействуя с углеродом кокса, восстанавливаются повторно.

Уменьшение высоты горна приводит к учащению случаев прогара шла­ковых и воздушных фурм, а чрезмерное увеличение - понижению температу­ры в нижней части горна и охлаждению продуктов плавки. Тем не менее, не­обходимо отметить тенденцию к увеличению высоты горна, связанную со стрем­лением к увеличению производительности доменной печи в единицу времени. Высота горна современных доменных печей изменяется от 3,2 до 5,7 м.

Диаметр горна определяется производительностью печи и размерами профиля, мощностью воздуходувных машин и качеством шихтовых материа­лов. Условиями увеличения диаметра горна являются улучшение газопрони­цаемости шихты и создание мощных воздуходувных машин, что в последние годы дало возможность довести диаметр горна до 15,1 м при соответствую­щем увеличении и других размеров профиля. Результаты работы больших до­менных печей показывают, что достигнутый диаметр горна не является пре­дельным.

Расстояние от оси чугунной летки до низа огнеупорной футеровки печи - лещади - называется мертвым слоем. Назначение его состоит в пре­дохранении футеровки лещади от износа конвективными потоками чугуна, образующимися во время выпуска продуктов плавки, и в обеспечении нормаль­ного протекания процессов в горне. Высота мертвого слоя изменяется от 0,6 м на малых доменных печах до 1,75 м на больших.

Развитие профиля доменной печи началось с момента появления домен­ного производства и продолжается до настоящего времени. Профиль первых доменных печей представлял собой два усеченных конуса, сложенных боль­шими основаниями. Позже установили, что при разгаре огнеупорной кладки производительность печи повышалась, а расход горючего уменьшался, поэто­му начали увеличивать размеры рабочего пространства. В связи с тем, что уве­личению высоты печи, диаметров горна и колошника препятствовали низкая прочность горючего, малая мощность воздуходувных средств и ручная загруз­ка шихты, объем печи увеличивали преимущественно за счет расширения рас­пара (табл. 1)*. Из-за этого профиль печи постепенно приобретал уродливые формы с непропорционально широким распаром. Такие печи работали плохо вследствие частых подвисаний шихты.

С целью активизации работы горна при недостаточной мощности возду­ходувных средств в XVIII столетии в государствах Европы строили доменные печи с эллиптической формой профиля в горизонтальном сечении. С появле­нием первых воздуходувных машин объем доменной печи заметно возрос, в основном, за счет увеличения высоты. Первый метод расчета профиля печи был разработан Дж. Гиббсом в 1839 г. на основе изучения очертаний пространства печей, формировавшихся в процессе их эксплуатации. Применение в последующие годы минерального горючего вместо малопрочного древесного угля и более мощных воздуходув­ных машин привело к дальнейшему увеличению объема доменных печей, ко­торый повысился на порядок, полезная высота печи при этом выросла втрое. Так, уже в 80-х годах XIX в. сооружались доменные печи объемом 700-800 м³. Однако профиль их все еще был нерациональным. Диаметр горна был увели­чен почти до размеров диаметра распара, тогда как колошник оставляли узким из-за боязни ухудшить распределение материалов при загрузке в печь. Так по­явился бутылкообразный профиль доменной печи с узким колошником и пре­увеличенным диаметром горна. Опыт эксплуатации таких доменных печей показал несовершенство их профиля.

Под влиянием разработанных акад. М.А. Павловым основ профили­рования доменных печей в 20-х годах прошлого века Гипромезом был разра­ботан первый типовой проект доменных печей объемом 930-1033 м³, профиль которых отличался пропорциональными размерами отдельных элементов. Это обеспечило, наряду с другими мероприятиями, высокую производительность и низкий расход кокса. Позднее проф. А.Н. Рамм, используя статистические данные о работе доменных печей с лучшими технико-экономическими пока­зателями, предложил свой метод расчета профиля.

Вслед за первым типовым проектом был создан второй типовой проект доменных печей полезным объемом 1300-1386 м³. За последние пятьдесят лет в Украине, благодаря достигнутым успехам в области подготовки сырья, со­здания совершенного оборудования и накопления опыта строительства, пост­роены доменные печи объемом 1386, 1513, 1719, 2002, 2300, 2700, 3000, 3200 и 5000м³. Характеристики профилей доменных печей, работающих на метал­лургических предприятиях СНГ, приведены в табл. 1. Повышение полезного объема доменных печей, построенных за эти годы, сопровождается пропорци­ональным увеличением поперечных размеров профиля, а их отношение к вы­соте неуклонно растет. Это стало возможным вследствие повышения газопро­ницаемости шихты и применения мощных воздуходувных машин.

Методы определения размеров профиля доменных печей приведены в приложении 2 к первому разделу учебника.