Глава 11. Управление ходом доменной печи

Для успешного ведения доменной печи необходимо не только своевре­менно обнаруживать и правильно оценивать возникающие отклонения от нор­мального хода, но и уметь правильно воздействовать на ход печи различными приемами с целью устранения возникших отклонений.

Приемы воздействия на ход доменной печи условно подразделяются на приемы воздействия «снизу» и приемы воздействия «сверху». В нижней части печи важнейшим фактором, определяющим ее работу, является зона горения (фурменные очаги), располагающаяся по периметру верхней части горна, в верхней зоне - загрузка шихтовых материалов и их распределение по сече­нию и высоте печи.

11.1. Горение углерода и состав газов в горне

Важнейшим процессом в горне является горение углерода кокса и доба­вок у воздушных фурм, так как при этом выделяется необходимое для процес­са тепло, образуются восстановительные газы (СО и Н ) и освобождается объем, который заполняется находящимися выше материалами, обеспечивая движе­ние шихты в печи сверху вниз.

Н агретое до 1100-1250 °С дутье поступает через равномерно расположен­ные по окружности горна воздушные фурмы с выходными отверстиями диамет­ром 140-220 мм. Избыточное давление дутья при работе печи на повышенном

давлении газов составляет 2,5-3,5 ати (250-350 кПа), количество дутья на одну фурму 170-220 м³/мин, скорость дутья на выходе из фурмы 100-180 м/сек. При таких параметрах струя дутья, обладая соответ­ствующей кинетической энергией, вызыва­ет циркуляцию кусков кокса перед фурма­ми (рис. 11.1). В процессе вихревого дви­жения раскаленных кусков кокса в струе ду­тья происходит химическое взаимодействие кислорода дутья с углеродом кокса (горение углерода) с выделением тепла и образова­нием восстановительных газов. Вначале кислород дутья с углеродом кокса образует диоксид углерода, который по мере удале­ния от фурм в условиях высокой темпера­туры и избытка углерода взаимодействует с последним и превращается в оксид углерода. Горение углерода при воздушном осушенном дутье может быть представ­лено схемой:

С_к + О₂ + 3,76 N₂ → СО₂ +3,76 N₂+ 400, 428 МДж,

СО₂ + С → 2СО-165,197 МДж,

_________________________________________

2С + О₂ + 3,76 N₂ → 2СО + 3,76 N₂ + 234, 631 МДж,

где 3,76 - количество объемных единиц азота дутья, приходящихся на одну объемную единицу кислорода дутья, так как в осушенном дутье содер­жится 79% N₂ и 21 % О₂ по объему.

Азот дутья в реакциях горения участия не принимает и полностью пере­ходит в горновой газ, сильно уменьшая концентрацию оксида углерода в нем. Если перед фурмами вне доменной печи осушенное дутье состоит из азота и кислорода, то в горне, за пределами очагов горения, горновой газ со­стоит из азота и оксида углерода в количествах, согласно уравнению, приве­денному выше:

N₂=3,76∙100/5,76=63,3% и CO = 2∙100/5,76=34,7%

В действительности состав газа несколько иной, так как источником ок­сида углерода является не только реакция горения углерода, но и протекаю­щие в горне реакции прямого восстановления оксидов железа, марганца, крем­ния, фосфора и др. Кроме того, влага дутья, взаимодействуя в горне при высо­ких температурах с углеродом кокса, образует оксиды углерода и водорода:

Н₂О + С → Н₂ + СО - 124, 475 МДж.

При искусственном увлажнении дутья с целью интенсификации процесса содержание влаги в нем может достигать 3-4% по объему, что составляет 24-32 г/м³ дутья. Соответственно этому в горновом газе увеличивается и содержа­ние водорода. Так, например, при вдувании в горн природного газа содержа­ние водорода в продуктах сгорания достигает 8-15%, а содержание азота и оксида углерода уменьшается.

При обогащении дутья кислородом количество продуктов сгорания на единицу вдуваемого кислорода уменьшается вследствие уменьшения относи­тельного количества азота, вносимого в печь обогащенным дутьем. При этом содержание оксида углерода в горновом газе возрастает, а содержание азота уменьшается. Например, при обогащении дутья кислородом до 30%, в соот­ветствии с уравнением:

2C + О₂+70/30∙N₂ = 2CO + 70/30∙N₂,

на единицу объема вдуваемого кислорода образуется 4,33 объема горнового газа вместо 5,76 объемов при необогащенном дутье, а горновой газ будет состоять из 45,2% СО и 54,8% N₂ вместо 34,7% СО и 65,3% N₂ при необогащенном дутье.

Таким образом, продукты сгорания в горне доменной печи за пределами очагов горения состоят из оксида углерода, водорода и азота независимо от степени увлажнения дутья, количества вдуваемого природного газа и содер­жания кислорода в дутье. Изменяется лишь состав горнового газа и его объем на единицу вдуваемого кислорода.

О протекании реакций горения перед фурмами и о размерах зон горения судят по составу газа, извлекаемого из зоны горения при помощи интенсивно охлаждаемой трубы. Типичная диаграмма изменения состава газов перед фур­мами доменной печи по усредненным данным при воздушном дутье показана на рис. 11.2. По мере удаления от устья фурмы содержание кислорода в газо­вой фазе непрерывно уменьшается, и на расстоянии 800-1250 мм кислород полностью исчезает, расходуясь в реакции горения углерода. У самого устья фурмы в газовой фазе появляется диоксид углерода. Содержание его увеличи­вается, достигая максимума на расстоянии 500-800 мм от фурмы, а затем бы­стро уменьшается и на расстоянии 1200-1800 мм диоксид углерода полнос­тью исчезает вследствие его взаимодействия с углеродом. Оксид углерода в газовой фазе появляется на некотором (150-300 мм) расстоянии от устья фур­мы и содержание его возрастает по мере расходования кислорода и диоксида углерода.

З а пределами окислительной зоны по направлению к оси горна содержа­ние СО в газовой фазе продолжает возрастать в результате прибавления к газу СО, образующегося в реакциях прямого восстановления элементов. По количе­ству СО в горновом газе у оси горна можно судить о газопроницаемости осе­вой зоны печи (коксовой насадки) и об активности работы центрального учас­тка горна, а именно: чем выше содержание СО, тем менее газопроницаема осевая зона, вследствие чего в горн приходят менее восстановленные и менее нагретые материалы. Если теоретическое содержание СО в горновом газе, полу­чающееся в результате сгорания углеро­да кокса, равно 34,7% (при неувлажнен­ном дутье и без углеродсодержащих до­бавок), то при плохой газопроницаемос­ти осевой зоны содержание СО в газе из центра горна может достигать 55-60%. При выплавке передельного чугуна нор­мальным считается содержание СО у оси горна 40-46%.

В соответствии с изменением соста­ва газовой фазы в очагах горения изменя­ется и температура (см. рис. 11.2). Мак­симальная температура в зоне горения (са­мая высокая температура в доменной печи) соответствует максимальному содержанию диоксида углерода, т.е. наиболее полному протеканию экзотерми­ческой реакции. Точки максимумов на кривых содержания СО₂ и температуры в очаге горения совпадают. Это так называемый фокус горения с температу­рой 1800-2000 °С, а иногда и выше. По мере удаления от фокуса горения вглубь горна температура понижается вследствие протекания эндотермической реак­ции взаимодействия диоксида углерода с углеродом кокса, а за пределами окис­лительной зоны - вследствие прямого восстановления элементов, идущего с поглощением тепла.

На основании анализа диаграммы (см. рис. 11.2) можно дать более чет­кое определение окислительной зоны. Это сфероподобное пространство пе­ред фурмой в горне, характеризующееся наличием в газовой фазе диоксида углерода. В объеме окислительной зоны выделяют меньшую по размерам кис­лородную зону, в которой имеется свободный кислород. Схема окислительной зоны перед фурмой доменной печи со стороны горна показана на рис. 11.3.

На рис. 11.2 приведены усредненные кривые изменения состава газов и температуры в очаге горения. В действительности характер этих кривых по разовым замерам или так называемым мгновенным значениям компонентов газовой фазы резко колеблющийся, что объясняется наличием циркуляцион­ной зоны. Обычно зона циркуляции кокса по размерам соответствует кисло­родной зоне, а зона, содержащая диоксид углерода, распространяется за пре­делы зоны циркуляции и включает относительно уплотненную среду, грани­чащую с кислородной зоной.

При вдувании природного газа, горение которого начинается еще в фур­ме и заканчивается в начале окислительной зоны, по реакции:

СН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2Н₂О

о бразуются диоксид углерода и водяной пар, являющийся активным окислителем. В окис­лительной зоне водяной пар и диоксид угле­рода взаимодействуют с углеродом кокса, пре­вращаясь в водород и оксид углерода. Взаи­модействие водяного пара с углеродом при значительной его концентрации в очаге горе­ния протекает в большем объеме, чем взаи­модействие диоксида углерода с углеродом. В этих случаях размер окислительной зоны следует определять по исчезновению из газо­вой фазы не диоксида углерода, а водяного пара. Водяной пар может распространяться вглубь горна на 2-2,3 м, окисляя углерод кок­са и химические элементы из состава чугуна.