Распределение материалов по окружности колошника

Шихтовые материалы загружаются в приемную воронку засып­ного аппарата двумя скипами, перемещающимися параллельно по сторонам от оси наклонного моста. В приемной воронке при этом происходит неравномерное распределение шихты по коли­честву и кусковатости. Со стороны подъемника образуется более толстый слой шихты с сосредоточением мелких фракций в вершине гребня, на противоположной же стороне приемной воронки шихта располагается менее толстым слоем, состоящим преимущественно из крупных кусков. Неравномерность распре­деления шихты, возникающая в приемной воронке, в значитель­ной мере сохраняется при загрузке ее на большой конус и в печь. Если не принять специальных мер для выравнивания распреде­ления материалов по окружности колошника, то одна сторона печи постоянно будет загружаться мелкой шихтой и более тол­стыми слоями, а противоположная сторона — крупными ку­сками, образующими менее толстые слои. Такая загрузка приве­дет к нарушению противотока шихты и газов в печи вследствие перераспределения количеств газа по секторам печи соответственно их со­противлениям.

В секторе с мелкой ших­той будет проходить мало газа, а шихта будет плохо прогретой и восстановлен­ной. Противоположный сектор газы бу­дут покидать с высокой температурой и плохим использованием восстанови­тельной способности.

В применяемых в настоящее время засыпных аппаратах воз­никающую в воронке малого конуса неравномерность распределения мате­риалов устраняют вращающимся рас­пределителем шихты. Он позволяет в строгой последовательности равномерно перемещать по окружности печи гребень материалов и место сосредоточения мелких и крупных фракций. В систему вращающегося распре­делителя шихты входят вращающаяся воронка, подвешенный на вращающейся полой штанге и имеющий возможность вращаться вместе с воронкой малый конус и зубчатая передача, при по­мощи которой от электродвигателя через редуктор воронка полу­чает вращение. Внутри полой штанги малого конуса помещена сплошная штанга большого конуса. Автоматическая система управления работой вращающегося распределителя (программа работы) настроена так, что угол вращения приемной воронки является постоянным для всех загружаемых скипов данной по­дачи и последовательно изменяется на постоянную величину от подачи к подаче.

Рассмотрим загрузку печи при шести станциях (остановках) вращения распределителя шихты, т. е. через каждые 60° окруж­ности. Все скипы с шихтой первой подачи загружают на большой конус без вращения распределителя шихты, поэтому гребень материалов, обозначенный знаком +, на рис. 2, располагается в печи со стороны подъемника, а крупные фракции, обозначае­мые знаком —!, располагаются с противоположной стороны. При загрузке на большой конус второй подачи шихту каждого скипа, набранную в приемную воронку, вместе с воронкой и конусом перед опусканием на большой конус поворачивают против ча­совой стрелки на 60°, т. е. неравномерность второй подачи сме­щают на большом конусе и в печи по отношению к неравномер­ности первой подачи на угол 60° (+₂, —₂)- При наборе третьей подачи вращение воронки с материалом каждого скипа этой подачи перед загрузкой на большой конус производят на угол 120°. Неравномерность третьей подачи на большом конусе и в печи уже будет смещена на угол 120° по отношению к неравномерности первой подачи и на угол 60° по отношению к неравномерности второй подачи (+₃, —₃). Четвертую подачу набирают после по­ворота воронки с материалом каж­дого скипа на угол 180° (+4, —4), а пятую и шестую —соответствен­но на углы 240 и 300° или для уменьшения пути пробега механиз­мов на 120 и 60^е по часовой стрелке (+5. —5 )Шестой пода­чей замкнулся первый виток вра­щения. При наборе седьмой пода­чи повторяется неравномерность распределения первой подачи пре­дыдущего витка. Таким образом, благодаря применению вращ

83. Опишите и зарисуйте совместные диаграммы перепадов статического давления газа при ровном и неровном ходе доменной печи.

84. Опишите и зарисуйте диаграммы уровня засыпи материалов при измерении зондовым уровнемером.

Распределение газов по окружности печи контролируют путем определения содержания СО₂ в периферийном газе под уровнем засыпи или путем измерения его температуры при помощи термо­пар, заложенных в кладку верхней части шахты заподлицо через равные промежутки по окружности печи. Число термопар соот­ветствует числу станций вращения распределителя. Обычно устанавливают 6, 8 или 12 термопар в один или два ряда по вы­соте шахты.

Повышение температуры периферийного газа в какой-либо точке окружности и соответствующее ему уменьшение содержания С0₂ в той же точке свидетельствуют о возрастании газопроница­емости и увеличении интенсивности движения газов на этом пери­ферийном участке. Нормальным считается такое распределение газа, когда содержание СО₂, в пробах газа, отобранных в различ­ных точках периферии под уровнем засыпи, не выходит за пре­делы 14—16%, а температура верхнего ряда термопар, располо­женного на 2 м ниже уровня засыпи, — за пределы 800—850° С.

85. Влияние количества дутья. С увеличением количества дутья возрастает скорость его истечения из фурмы, а так как кине­тическая энергия струи пропорциональна квадрату скорости, то дутье и газ, содержащие окислители 0₂, С0₂ и Н₂0, проникают на большую глубину, увеличивая протяженность зоны сгорания. При увеличении количества дутья увеличиваются также высота и ширина зоны горения, хотя и в меньшей степени, чем глубина. Уменьшение количества дутья вызывает сокращение размеров зоны горения. .

86. 3. Влияние скорости истечения дутья из фурм. Скорость исте­чения дутья из фурм при постоянном его количестве зависит от диаметра фурм и их числа. Поскольку число фурм на печи постоянное, то изменить скорость истечения дутья при постоянном количестве можно лишь изменением диаметра фурм. При умень­шении диаметра фурм скорость истечения, а следовательно, и кинетическая энергия струи дутья возрастают, вызывая увеличение глубины зоны горения и сокращение ее высоты и ширины. Таким образом, если увеличение скорости истечения достигается увеличением количества дутья, то зона горения увеличивается по всем направлениям. Если же скорость истечения дутья увеличи­вается вследствие уменьшения диаметра фурм при неизменном количестве дутья, зона горения увеличивается вглубь и сокра­щается в поперечных размерах. При увеличении диаметра фурм и неизменном количестве дутья сокращается протяженность зоны горения, но зато увеличиваются ее высота и ширина. Изменение диаметра фурм, так же как и изменение их высова в глубь горна,

87. является технологическим фактором воздействия на ход печи и используется для достижения оптималь­ного соотношения коли­честв газа, проходящих у стен и в осевой зоне печи.

88. 4. Влияние нагрева дутья. В зависимости от условий работы печи на­грев дутья может по-раз­ному влиять на размеры зоны горения. При относи­тельно низком нагреве дутья (до 900° С) или при похолодании горна повы­шение температур дутья вызывает увеличение ско­рости сгорания углерода, т. е. скорость химической реакции. Увеличение скорости сгорания отражается не на количестве сжи­гаемого углерода в единицу времени (оно строго соответствует количеству поступающего кислорода), а на объеме, в котором совершается процесс горения. Поэтому повышение температуры дутья, когда процесс горения находится в кинетической области, всегда вызывает сокращение зоны горения. При температуре дутья 1000° С и выше и при нормальном нагреве горна, когда процесс сгорания углерода кокса находится в диффузионной области, по­вышение температуры дутья не вызывает уменьшения размеров зоны сгорания. Наоборот, вследствие увеличения объема дутья возрастают скорость истечения и кинетическая энергия струи дутья и размеры зоны сгорания в этих условиях могут увеличиться.

89. 5. Влияние давления дутья. Увеличение давления дутья на размеры зоны горения проявляется по-разному в зависимости от того, что явилось причиной изменения давления. Если, например, давление дутья возросло вследствие увеличения количества дутья, то протяженность зоны горения увеличится соответственно увеличению кинетической энергии струи. Если же увеличение давления дутья произошло вследствие повышения давления газа на колош­нике без соответствующего увеличения количества дутья, то объем дутья, скорость его истечения из фурм и кинетическая энергия струи уменьшатся, что приведет к сокращению зоны горения. Повышение давления дутья, связанное с ухудшением газопрони­цаемости шихты, может привести к изменению глубины зоны горе­ния в зависимости от того, где расположен источник ухудшения газопроницаемости: если он у периферии —зона удлинится, если у оси — сократится. При уменьшении давления дутья в результате уменьшения количества и скорости дутья зона сокращается и вы­тягивается вверх у торца фурмы.

90. 6. Влияние влажности дутья. Реакция взаимодействия содер­жащегося в дутье водяного пара с углеродом кокса сопровождается поглощением тепла. В результате температура в окислительной зоне понижается и зона горения увеличивается. Следовательно, увеличение влажности дутья, если оно не сопровождается соответ­ствующим повышением нагрева дутья для компенсации затрат тепла на диссоциацию влаги, всегда приводит к увеличению зоны горения, и наоборот. Чтобы компенсировать расход тепла на диссо­циацию водяного пара нагревом дутья, необходимо повышать тем­пературу дутья из расчета 9° С на каждый 1 г пара на 1 м³ дутья. При соблюдении этого условия изменение влажности дутья почти не влияет на размеры зоны горения.

91. Учитывая, что реакция углерода с водяным паром протекает медленнее, чем с диоксидом углерода, повышение влажности дутья увеличивает размеры зоны горения.

92. 7. Влияние количества вдуваемых углеводородсодержащих добавок. В качестве таких добавок используют природный газ, ПУТ и мазут. Влияние этих добавок на размеры зоны горения аналогично влиянию увлажненного дутья, но прояв­ляется более резко. Природный газ частично сгорает в фурме и в самом начале окислительной зоны, образуя СО, С0₂ и Н₂0. Количество образовавшейся Н₂0 в окислительной зоне при вду­вании природного газа значительно больше, чем при обычном ув­лажнении дутья, поэтому и диссоциация водяного пара заканчи­вается на большем удалении от торца фурмы . Однако основной причиной понижения температуры в окислительной зоне при вдувании углеводородсодержащих добавок является увели­чение количества горнового газа, на нагрев которого требуется больше тепла. Вдувание природного газа и других углеводородсодержащих добавок увеличивает размеры зоны горений и в том случае, когда тепловые затраты на нагрев увеличенного количества горнового газа компенсируются соответствующим повышением нагрева дутья. Размер окислительной зоны может не измениться или даже уменьшиться, если вдувание природного газа сопровождается значительным сокращением количества дутья. Это может быть при плохом качестве шихтовых материалов, обладающих низкой газопроницаемостью.

93. 8. Влияние содержания кислорода в дутье.

94. При обогащении дутья кислородом на единицу вдуваемогого в горн кислорода приходится меньше азота и соответствии уменьшается количество горновых газов при сжигании единицы горючего. Следовательно, выделяющееся при сгорании углерода кокса тепло нагревает образующиеся газы до более высокой температуры, т. е. возрастает температура сгорания и соответственно уменьшается зона горения. В то же время с увеличением температуры газов увеличивается их объем, что должно увеличить зону горения. В зависимости от того, какой фактор превалирует при увеличении содержания кислорода в дутье размеры зоны горений могут либо увеличиться, либо уменьшиться, либо остаться неизменными. Важную роль в этом играет режим сгорания углеродц топлива.

95. Из других факторов, влияющих на размеры зоны горения, большое значение имеет распределение материалов на колошнике при загрузке в печь.

Устройство для измерения уровня подачи шихты

97. Уровень материалов в печи между загрузкой двух смежных подач фиксируется специальным устройством. Фиксация уровня произво­дится в двух (и более) диаметрально противоположных точках гори­зонтального сечения колошника двумя способами: механическим при помощи зондов или так называемых шомполов, приводимых в движе­ние зондовыми лебедками, и при помощи радиоактивных изотопов, излучение которых фиксируется счетчиком с последующим отраже­нием на светофоре.

98. При механическом способе замер производят круглыми стержнями (же­сткие зонды-шомпола) диаметра 50—60 мм, длиной 9 м или цепными и канатными зондами, которые, касаясь материала и опускаясь вместе с ним, фиксируют уровень шихты в печи (рис. 1 и 2).

99. Рисунок 1- Схема установки механического уровнемера шихты

101. Уровнемеры шихты сблокированы с засыпным аппаратом так, что новая порция материалов может быть загружена в доменную печь только при условии достижения заданного уровня материалов.

102. Механический уровнемер шихты (рис 1) представляет собой цепной зонд /, соединенный при помощи каната 2 и блоков 3 с зондовой лебедкой 4, которая установлена в машинном зале. В ра­бочем положении груз зонда находится на поверхности шихты и постепенно опускается вместе с шихтой. Движение зонда, а сле­довательно, и шихты в печи передается через канат 2 барабану 5 лебедки, который связан с датчиком угла поворота и дисковым переключателем 6. Датчик угла поворота электрически связан с прибором 7, записывающим уровень материалов, а дисковый переключатель — с ламповым светофором 8, указывающим поло­жение зонда на поверхности шихты. Для того чтобы груз зонда не был присыпан шихтой, на время опускания большого конуса с шихтой зонд автоматически убирается под купол печи, а после срабатывания большого конуса снова опускается на поверхность

103. шихты. На печи устанавливают по два зонда, расположенные по диаметру

104. колошника.

105. 

106. Рисунок 2- Кинематическая схема цепного зонда

107. 1- зонд; 2- люк; 3- барабан; 4- камера; 5- клапан

109. Недостатком механических уровнемеров является измерение уровня материалов только в двух точках. Кроме того, при неровном ходе печи грузы зондов могут погружаться в шихтовые материалы, искажая показания действительного их уровня в печи.

110. Этих недостатков лишен бесконтактный радиометрический уровнемер. Во втором случае вместо зондов в колошниковой части печи уста­навливают позиционный уровнемер (рис.3). На уровне верхних защитных плит колошника диаметрально противоположно установлены два источника радиоактивного излучения /. Приемник излучения 2 пе­ремещается в водоохлаждаемых трубах посредством привода 3. Когда приемник находится ниже уровня шихты, у-излучение в него не попа­дает, а когда выше, то под действием у-излучения в приемнике выра­батывается электрический сигнал, воздействующий на привод 3. Приемники начинают перемещаться до тех пор, пока не установятся против поверхности шихты. Положение приемников регистрируется потенциометрами 4. Автоматическая система управления перемещением приемника зависит от величины его облучения или сигнала, посылаемого приемником в измерительную схему, а величина сигнала зависит от того, насколько приемник закрыт шихтой. Система не реаги­рует на положение приемника, если он, например, на половину закрыт шихтой (нейтральное положение). При опускании шихты облучение приемника возрастет, а следовательно, возрастет и его сигнал, что вызовет разматывание кабеля и опускание прием­ника до тех пор, пока он снова не займет нейтральное положение. При опускании новой порции материалов уровень их резко под­нимется и закроет приемник от облучения.

111. В этом случае сигнал счетчика уменьшится, что вызовет нама­тывание кабеля и подъем счетчика до нейтрального положения.

112. Таким образом, перемещение приемника синхронно связано с перемещением уровня материалов. Положение уровня материалов фиксируется регистрирующим прибором 4. На каждой домен­ной печи устанавливают четыре радиометрических уровнемера, равномерно расположенных по окружности колошника.

115. 

116. Рис. 3- Позиционное радиометрическое следящее устройство

120. Перечислите признаки, по которым судят о ходе доменной плавки. Дайте им краткую характеристику.

Ведение доменной печи

Протекание доменного процесса характеризуется рядом признаков, имеющих внешнее проявление, по которому судят о ходе доменной печи. Такими признаками являются:

1) химический состав и температура чугуна и шлака;

2. внешний вид чугуна и шлака в жидком и твердом состоянии;

3. яркость свечения фурм;

4. скорость схода подач шихтовых ма­териалов;

5) вынос колошниковой пыли;

6) показания контрольно-измерительных приборов.

Содержание кремния и серы в чугуне и FeO в шлаке, а иногда и основность шлака, как правило, зависят от теплового состоя­ния печи. Чем выше нагрев печи, тем благоприятнее условия для перехода кремния в чугун, а серы в шлак. Поэтому увеличение содержания кремния и уменьшение содержания серы в чугуне свидетельствуют о повышении нагрева доменной печи и, наоборот, уменьшение содержания кремния и возрастание содержания серы в чугуне указывают на похолодание доменной печи.

Показателем теплового, состояния печи является содержание FeO в шлаке. Чем выше нагрев печи, тем меньше железа пере­ходит в шлак в виде FeO. При нормальном нагреве печи содержа­ние FeO в шлаке передельного чугуна не превышает 0,5—0,7%. Увеличение этого значения указывает на снижение нагрева печи.

Основность шлака также зависит от нагрева печи. Чем выше нагрев печи, тем больше кремнезема расходуется на восстановле­ние кремния и тем выше должна быть основность шлака. Похоло­дание печи сопровождается снижением основности шлака, так как при уменьшении содержания кремния в чугуне уменьшается и расход кремнезема на его восстановление. Однако в современ­ных условиях работы доменных печей основность шлака в значи­тельно большей мере зависит от колебаний химического состава и соотношения загружаемых в доменную печь шихтовых материа­лов, чем от нагрева печи.

Физический нагрев жидких чугуна и шлака также характери­зует тепловое состояние печи. Чем выше температура чугуна и шлака, тем выше нагрев печи. Измеряют температуру жидких продуктов плавки во время выпуска их из печи специальными термо­парами погружения.

О нагреве печи можно судить по внешнему виду выпускаемых из печи чугуна и шлака, а также по их виду в холодном состоянии. Показателем содержания кремния в чугуне служат количество и вид искр над желобом во время выпуска чугуна.

При содержании кремния в чугуне менее 0,5% над поверх­ностью чугуна возникает сноп мелких искр, поднимающихся на высоту 0,2—0,3 м, а ход чугуна сопровождается выделением большого количества бурого дыма. Излом холодной пробы такого чугуна имеет белый цвет с отчетливо выраженными крупными лучеобразными кристаллами. По мере увеличения содержания кремния в чугуне сверх 0,5% количество искр над поверхностью чугуна в желобе уменьшается, а сами искры становятся крупнее и поднимаются на большую вы­соту. При содержании кремния в чугуне более 1,0% выделяются отдельные только крупные искры на большую (1,0—1,5 м) вы­соту. Ход такого чугуна сопровождается выделением графита, который в виде мелких блестящих чешуек распространяется по всему литейному двору и вокруг доменной печи. Химически горя­чий чугун с содержанием кремния более 1,5% не искрит и выде­ляет большое количество графита. Излом холодной пробы чугуна с высоким содержанием кремния характеризуется мелкозернистой структурой темно-серого цвета с явно выраженными включениями графита.

По внешнему виду жидкого чугуна в желобе определяют и содержание серы. Появление на поверхности чугуна характерных жирных пятен указывает на высокое содержание серы.

По виду шлака определяют тепловое состояние печи и основ­ность шлака, что особенно важно в условиях постоянного коле­бания качества шихтовых материалов. Ярко светящийся шлак, свободно вытекающий из летки, свидетельствует об удовлетвори­тельном нагреве печи. Такой шлак выделяет большое количество газа с сильным запахом горящей серы. Излом пробы остывшего шлака при нормальном и повышенном нагреве всегда имеет чистый тон, а цвет зависит от основности. Сильно основный шлак быстро застывает в белую с голубоватым оттенком плотную камневидную массу. При полном остывании иногда рассыпается и превращается в тонкую пудру белого цвета.

Кислый шлак застывает медленно и может вытягиваться в длинные нити. Излом кислого шлака блестящий стекловидный темноватого цвета.

Нормальный по основности и нагреву шлак передельного чу­гуна в изломе примерно наполовину стекловидный с полупрозрач­ной и блестящей поверхностью, а наполовину камневидный с ма­товой поверхностью белого цвета. Такой шлак называют половин­чатым.

При понижении нагрева печи яркость свечения и подвижность вытекающего из летки шлака уменьшаются. Выделение газа почти полностью прекращается. Цвет застывшего шлака всегда грязных тонов

Яркость свечения фурм позволяет судить о нагреве печи и о равномерности работы печи по окружности. Яркое свечение всех фурм и отсутствие темных кусков перед ними являются признаком ровного хода и нормального или повышенного нагрева печи. По тускнение фурм или появление перед ними темных кусков агло­мерата свидетельствует о нарушении ровного хода и снижении нагрева печи. Иногда перед фурмами появляется жидкий шлак. Это уже признак серьезного расстройства хода доменной печи. При значительном уменьшении скорости схода материалов куски кокса перед фурмами движутся медленнее, чем при нор­мальной работе, а при подвисании шихты кокс лежит перед фур­мами почти неподвижно.

Скорость схода шихтовых материалов определяется числом подач, загружаемых в печь в течение 1 ч, а равномерность движе­ния шихты — интервалами времени между загрузкой смежных подач. Для каждой доменной печи число загружаемых в печь за 1 ч подач устанавливается опытом, исходя из условий режима ра­боты печи, и должно быть постоянным, а промежутки времени между опусканием подач — равномерными. Увеличение скорости схода подач является, как правило, признаком начинающегося похолодания печи и, наоборот, уменьшение скорости схода подач свидетельствует об увеличении нагрева печи, что часто сопрово­ждается тугим ходом. Нарушение равномерности интервалов между опусканиями подачи — признак неровного хода печи.

Вынос колошниковой пыли из печи газовым потоком зависит от качества шихтовых материалов и ровности хода печи. Обычно с увеличением количества мелких фракций в шихте нарушается распределение газового потока в печи, ход печи становится не­ровным и большое количество пыли выносится в пылеуловители. Поэтому вынос пыли за определенный промежуток времени харак­теризует качество шихты и ровность хода печи. Большой вынос материалов может привести к горячему ходу, сопровождающе­муся понижением производительности и увеличением расхода кокса. Определяют вынос путем взвешивания выпущенной из пылеуловителей колошниковой пыли.

В связи с тем, что пыль из пылеуловителей на многих заводах выпускают обычно один раз в сутки, этот признак хода доменной печи не может быть использован должным образом. Поэтому сей­час разрабатываются и испытываются автоматические устройства для непрерывного контроля выноса колошниковой пыли.

Вынос колошниковой пыли из печи газовым потоком зависит от качества шихтовых материалов и ровности хода печи. Обычно с увеличением количества мелких фракций в шихте нарушается распределение газового потока в печи, ход печи становится не­ровным и большое количество пыли выносится в пылеуловители. Поэтому вынос пыли за определенный промежуток времени харак­теризует качество шихты и ровность хода печи. Большой вынос материалов может привести к горячему ходу, сопровождающе­муся понижением производительности и увеличением расхода кокса. Определяют вынос путем взвешивания выпущенной из пылеуловителей колошниковой пыли.

В связи с тем, что пыль из пылеуловителей на многих заводах выпускают обычно один раз в сутки, этот признак хода доменной печи не может быть использован должным образом. Поэтому сей­час разрабатываются и испытываются автоматические устройства для непрерывного контроля выноса колошниковой пыли.

Рассмотренные выше признаки являются большей частью чисто внешними. Они свидетельствуют об уже происшедших измене­ниях в протекании доменного процесса и поэтому недостаточны для управления ходом доменной печи. Чтобы своевременно пред­отвратить отклонения от нормального хода печи, необходимо по­лучать сигналы о самом начале нежелательных изменений. Эти сигналы на современных доменных печах получают при помощи контрольно-измерительных приборов. Анализ показаний прибо­ров позволяет установить самое зарождение изменений задолго до их появления в рассмотренных выше внешних признаках и своевременно применять соответствующее воздействие на ход печи.

Движение шихтовых материалов

Опускание шихтовых материалов в доменной печи с колошни­ка в горн происходит под действием силы тяжести в противотоке с поднимающимися из горна газами - продуктами горения топлива в фурменных зонах и газообразных продуктов реакций прямого восста­новления железа и трудновосстановимых элементов, протекающих за пределами фурменных зон. Опускание загружаемых на колошник шихтовых материалов происходит в связи с освобождением простран­ства в нижней части печи вследствие следующих основных процессов:

1. Окисление углерода кокса кислородом дутья и содержавшихся в нем паров воды, а также кислородом оксидов железа, кремния, мар­ганца и некоторых других элементов, которые восстанавливаются уг­леродом кокса.

2. Окисление углерода в реакции газификации С + С0₂ — 2СО.

3. Расход углерода на науглероживание железа и образование чугу­на.

4. Расплавление железорудных материалов, флюсов и золы кокса с образованием чугуна и шлака, объем которых почти в 3,5 раза меньше объема материалов, из которых они образуются.

5. Механическая уминка сыпучих материалов в шахте доменной печи в результате перколяции* мелких фракций агломерата и окаты­шей в свободные межкусковые промежутки в нижележащих слоях крупнокусковых материалов, преимущественно кокса. (Перколяция — просачивание, проникновение шихтового материала в низлежащие слои.)

Роль каждого их этих процессов в освобождении пространства в нижней части печи и в обеспечении за счет этого опускания материа­лов различна и непосредственно связана с условиями работы печи и характеристикой шихтовых материалов. Так, влияние процесса окис­ления кокса в реакциях горения и восстановления железа на скорость опускания материалов уменьшается пропорционально расходу вдуваемого

в фурмы топлива и коэффициенту замены этим топливом кок­са. Особенно сильно влияет на уменьшение скорости опускания мате­риалов вдувание пылеугольного топлива с низким содержанием золы и летучих веществ, а также мазута. В минимальной степени влияет на скорость опускания материалов вдувание коксового газа, имеющего минимальный коэффициент замены кокса.

Уменьшение реакционной способности кокса и повышение его горячей прочности уменьшают роль второго фактора.

Уменьшение удельного расхода кокса и повышение содержания углерода в чугуне вследствие различных причин повышают значи­мость третьего фактора. Одновременное уменьшение удельного рас­хода кокса приводит к увеличению объемной доли железорудных ма­териалов в шихте и повышает роль их плавления в опускании шихты. Однако повышение содержания железа в офлюсованной шихте и уменьшение выхода шлака вследствие этого действуют в противопо­ложном направлении на скорость опускания шихты в печи.

Уменьшение объема шихтовых материалов в печи в результате ме­ханической уминки может достигать 12—16% в зависимости от соста­ва доменной шихты и гранулометрического состава ее компонентов. Например, при работе печи на 100% окатышей, диаметр которых со­ставляет 9—16 мм, а средний размер кусков кокса — 50—55 мм, состав шихты можно считать двухкомпонентным по размеру. Порозность* двухфракционных смесей сыпучих материалов сферической формы экстремально уменьшается при приближении доли мелкого компо­нента к 30-35% ( Порозность слоя — отношение объема пустот в слое к объему слоя; являет­ся аналогом понятия «пористость куска».)

В зависимости от расхода вдуваемого топлива рудная нагрузка ( Рудная нагрузка на кокс (или рудная нагрузка) — отношение массы загру­жаемых в печь рудных материалов к массе загружаемого кокса) на такой печи может составлять 3,5—5,2, а объемная доля окатышей (мелкого компонента) - 45-60%. В результате перколяции окатышей в нижележащие слои кокса порозность таких смесей может умень­шиться на 20—25%.

Агломерат — основной компонент в шихте большинства доменных печей — сам является многофракционньм материалом, но средняя крупность кусков агломерата меньше крупности кусков кокса, и агло­мерат также может, просачиваясь в нижележащие слои кокса, образо­вывать промежуточные слои с пониженной порозностью.

Рассмотрим основные факторы, влияющие на сход шихтовых мате­риалов в доменной печи, с использованием схематичного изображения структуры столба шихты в печи от уровня засыпи до лещади (рис. 1). Силе тяжести, под действием которой происходит опускание ших­товых материалов в доменной печи, противодействуют по меньшей мере три силы, противоположно направленные: сила трения шихто­вых материалов о стенки печи; подъемная сила газового потока, про­низывающего столб шихты и теряющего свою потенциальную энер­гию на противодействие опусканию шихты; подъемная сила жидких продуктов плавки (Архимедова сила). Схема баланса сил, действующих на ко­ксовый тотерман в нижней части печи , приведена па рис. 2.

На положение коксового тотермана относительно днища лещади значительное влияние оказывает отношение диаметров горна и внеш­ней границы торообразной зоны циркуляции в горне. При примерно одинаковой протяженности зоны циркуляции в глубь горна относи­тельная площадь поперечного сечения кольцевой зоны циркуляции (по отношению к площади горна) увеличивается с уменьшением диа­метра горна. Уменьшение давления газа от фурм к центру печи умень­шает подъемную силу газов в направлении от границ зоны циркуля­ции к центру печи. В результате на печах с меньшим диаметром горна действие этой силы в большей мере противодействует опусканию ко­ксового тотермана в центре печи на днище лещади. На печах с боль­шим диаметром горна подъемная сила газов в центральной зоне печи

существенно меньше, чем на периферии, и это позволяет ко­ксовому тотерману опускаться на днище лещади, особенно при недостаточной глубине зумпфа

Рисунок 1- Схематичная структура столба и основные зоны в домен­ной печи при двух различных кон­фигурациях зоны когезии 1 – W-образная зона когезии; 2- V-образная зона когезии; 3 — чугун; 4 — шлак; 5 — зона неподвижного слоя кок­са (коксовый тотерман); 6 - зона под­вижного слоя кокса (подвижная коксо­вая насадка); 7- зона когезии; 8- зона кусковых материалов («сухая» часть шахты); 9 — слои железорудных матери­алов в пластичном состоянии в зоне ко­гезии; 10— слои кусковых железорудных материалов в сухой части шахты; 11 -слои кокса в сухой части шахты; 12 -слои кокса в зоне когезии («коксовые окна»); 13 — зона циркуляции

По мере накопления проду­ктов плавки в горне после окончания очередного выпуска на печах с «плавающим» тотерманом величина подъемной силы жидких продуктов плав­ки, действующая на коксовый тотерман, возрастает, что при­водит к его подъему. В резуль­тате скорость опускания мате­риалов в печи заметно умень­шается не только за счет этой ротиводействующей силы, но и за счет того, что в фурменных очагах при этом начинает сгорать часть кокса, поступающего в них из коксо­вого тотермана снизу. Это приводит к уменьшению сгорания в фур­менных очагах кокса, поступающего в них сверху.

На печах с малой глубиной зумпфа и большим диаметром горна (с «сидящем на лещади» тотерманом при любом.уровне жидких продук­тов в горне) или на печах с большой глубиной зумпфа (с «плавающим» тотерманом), но работающих с незначительными временными интер­валами между выпусками (практически с непрерывным выпуском), данная сила почти отсутствует.

В результате взаимодействия указанных сил опускание или сход шихты происходит только тогда, когда сила тяжести столба шихты превышает сумму всех трех перечисленных выше сил. Разность меж­ду силой тяжести столба шихты Р и суммой указанных трех сил полу­чила название «активный вес шихты»:

Рисунок 2-Схема баланса сил, дей­ствующих на «плавающий» коксо­вый тотерман в нижней части печи

/ — сила тяжести столба шихты; 2 -подъемная сила газового потока; 3 — подъемная сила жидких продуктов плав­ки; 4 - шлак; 5 — металл; 6 - граница проникновения коксового тотермана в жидкие продукты плавки; 7 - чугунная летка

p_a =p-(F₁ + F₂ + F₃ )

где Р — активный вес шихты; F₁ - сила трения шихтовых материалов о стенки печи; F₂— подъемная сила газового потока; F₃— подъемная сила жидких продуктов плавки (Архимедова сила).

Сила тяжести столба шихты в доменной печи (Р) ориентировочно может быть вычислена как произведение интегральной насыпной плотности шихтовых материалов (р_м) по всей высоте печи - от уров­ня засыпи до верхней границы коксового тотермана на объем столба шихтовых материалов (V_м) в указанных пределах:

Р= р_м V_м

В свою очередь, сила трения материалов о стенки оказывает реша­ющее влияние на величину и распределение бокового давления ших­ты на стенки печи. В условиях работающей печи подъемная сила газового потока равна произведению потери да­вления газа от фурм до колош­ника на эквивалентную площадь поперечного сечения печи:

F₂ =( Рд - Рк )Sэ

Sэ-частное от деления объема доменной печи на ее высоту в пределах уровня воздушных фурм до уровня засыпи шихты

Рд-давление дутья

Рк-давление колошникового газа

При относительном постоянстве сил F₁ и F₃ активный вес шихты зависит исключительно от подъемной силы газового потока. При постоянных параметрах дутья и вдуваемого топлива подъемная сила газового потока определяется интегральной порозностъю или газопроницаемостью столба шихтовых материалов в пе­чи, т.е. она зависит от двух комплексных факторов — распределения шихтовых материалов по радиусу и окружности печи и качества ших­товых материалов, т.е от их исходного гранулометрического состава, холодной и горячей прочности. Последние характеристики шихтовых материалов и кокса влияют на изменения гранулометрического соста­ва и средней крупности кусков материалов при их движении в печи от колошника до зоны плавления и горна.

Таким образом, перепад давлений (Р_д — Р_к), определяющий подъ­емную силу газового потока, при постоянстве параметров газового

потока в печи зависит от распределения шихтовых материалов по се­чению печи и их гранулометрического состава, изменяющихся по вы­соте печи.

Движение жидких продуктов плавки в печи

Образование жидких продуктов плавки — чугуна и шлака — происходит в зоне когезии, из которой шлак и чугун под действием силы тяжести стекают в горн по извилистым каналам в коксовой на­садке. При этом чугун, обладающий большей плотностью (7,8 т/м³) по сравнению со шлаком (2,6 т/м³) и меньшей вязкостью, стекает бы­стрее шлака. Первичный железистый шлак, стекая по каналам между кусками кокса, при контакте с ними реагирует с углеродом кокса. На пути от зоны когезии до металлоприемника происходит окончатель­ное восстановление железа из оксидов шлака.

Скорость стекания жидких продуктов плавки в металлоприемник определяется порозностью коксового тотермана и вязкостью шлака. В металлоприемнике движение продуктов плавки происходит только во время их выпуска из летки и траектории движения потоков чугуна и шлака при этом зависят от степени погружения коксового тотерма­на в жидкие продукты плавки.

Режим выпусков продуктов плавки, их свойства и проницаемость коксового тотермана оказывают большое влияние на характер выпус­ков. Основными факторами, которые определяют дренаж шлака че­рез коксовый тотерман во время выпуска, являются: крупность кусков кокса (d_к) и порозность слоя кокса (е_к) в тотермане; высота слоя шлака (Н_ш)оставшегося в горне после предыдущего выпуска; вязкость и плотность шлака (р_ш); скорость движения потока шлака (К_ш) во время выпуска; диаметр горна (D_г).

Следует, что легкому выходу шлака из печи во время выпуска способствуют: максимальная порозность слоя и крупность кусков кокса в коксовом тотермане, максимальные высота слоя и плотность шлака, минимальная вязкость шлака, а также мини­мальная скорость движения потока шлака во время выпуска. С увели­чением диаметра горна выход шлака из печи затрудняется.

Газопроницаемость столба шихты и движение газов в печи

Газопроницаемость столба шихты

Движение газов в печи происходит в противотоке с опускаю­щимся столбом шихты через множество каналов сложной конфигура­ции в этом столбе, образуемых пустотами между отдельными кусками шихтовых материалов различной крупности. Столб шихты в домен­ной печи имеет довольно сложную структуру в нем на­ходятся зоны с разным агрегатным состоянием шихтовых материалов.

Газопроницаемость слоя в этих зонах определяется различными фак­торами.

Верхняя часть столба шихтовых материалов, занимающая макси­мальный объем, включает сыпучие материалы, находящиеся только в твердом состоянии.

При послойном расположе­нии двух фракций различного диаметра относительные поте­ри давления в столбе шихты линейно увеличиваются с уве­личением объемной доли мел­кой фракции, что связано с увеличением суммарной по­верхности частиц и, соответст­венно, с увеличением работы газа на преодоление сил тре­ния при прохождении потока газа через слой.

Газопроницаемость столба шихтовых материалов в доменной печи, определяется не только газодинамическими характеристиками шихтовых материа­лов (гранулометрический состав, крупность и порозность слоя), в большей мере она зависит от расположения слоев этих материа­лов, т.е. от структуры столба шихты, которая, в свою очередь, за­висит от расположения по высоте печи и толщины зоны когезии. Малый интервал тем­ператур размягчения железорудных материалов в данном случае со­кращает длину «коксовых окон», что также способствует повышению газопроницаемости зоны. Преимуществом такой формы и размеров зоны когезии является также отдаленность от стен высокотемпера­турных газовых потоков, что сокращает потери тепла с охлаждающей водой и снижает расход кокса.

Движение газов и контроль за их распределением по сечению печи

В зоне сухой шихты газ движется в противотоке с опускаю­щимся столбом шихтовых материалов, проходя сквозь него через многочисленные узкие каналы сложной конфигурации, образующие­ся в дискретно движущемся слое шихтовых материалов.

Пронизывая столб шихты, газ нагревает шихтовые материалы и осу­ществляет работу по восстановлению оксидов железа. Объем этой работы определяется объемом сухой зоны материалов в печи и характером их рас­пределения по радиусу, те формой зоны когезии. Таким образом, эффек­тивность противоточного теплообмена и противоточного массообмена в сухой зоне доменной печи определяется характером распределения газов по радиусу печи, который полностью зависит от структуры столба шихты. В связи с этим контроль за распределением газов по радиусу и окружно­сти печи имеет первостепенное значение для оптимизации хода домен­ной печи.

Для контроля за распределением газов и шихтовых материалов по радиусу и окружности доменной печи современное мировое домен­ное производство имеет в наличии достаточно большой арсенал спе­циальных средств контроля и измерений, разработанных как в Рос­сии, так и за рубежом. На рис. 1 представлена высокооснащенная средствами контроля и измерений доменная печь № 1 завода в Швельгерне (фирма «Тпузкеп Кшрр 8гаЫ»); схема отражает современ­ную концепцию контроля для оценки распределения материалов, по­токов газов и температуры по радиусу и окружности доменной печи.

Кроме представленных, на некоторых доменных печах в целях пе­риодического контроля распределения параметров газового потока и отбора проб используют зонды в середине шахты и в распаре печи, а также средства контроля температуры газа в фурменных очагах.

Для периодических разовых измерений используются зонды для контроля температуры и состава газа по оси воздушных фурм и гиб­кие вертикальные зонды для измерения температуры и определения состава газа по высоте печи в различных радиальных сечениях, опус­кающиеся вместе с шихтой. Такие зонды позволяют эксперименталь­но определять положение и форму зоны когезии.

Рисунок 1-Специальные средства контроля и измерений для оценки рас­пределения материалов, параметров газового потока и температуры по высо­те, радиусу и окружности д.п. № 1 завода в Швельгерне

/ - температура лещади; 2— зонд для отбора проб и измерения температуры газа по оси воздушной фурмы; 3 — параметры дутья: расход, давление, состав, температура; 4 -распределение давления по высоте шахты, состав периферийного газа; 5 — температу­ра периферийных газов по окружности печи; 6 - распределение температуры газа по радиусу над уровнем засыпи (стационарный зонд); 7- вертикальный зонд для контро­ля температуры по высоте печи; 8 - контроль массы, химического и гранулометриче­ского составов шихтовых материалов; 9 - анализ колошникового газа; 10 — лотковый распределитель шихты; // - инфракрасная камера для измерения распределения тем­пературы на поверхности шихты; 12 — контроль скорости опускания шихты;

13 — магнетометр (стационарная балка для контроля слоев железорудных материалов);

14 — зонд для отбора проб газа и измерения температуры; 75- система контроля потерь тепла с охлаждающей водой; 16 - контроль температуры огнеупорной кладки; 17 -контроль температуры плитовых холодильников; 18 - контроль расхода дутья по фур­мам; 19 - состав и температура чугуна и шлака

42

119