2. Особенности движения шихты в доменной печи

Шихта в доменной печи опускается под действием силы тяжестиF (рисунок 48). В противоположном направлении (снизувверх) на шихту воздействует подъемная сила газового потокаF_г и сила трения опускающихся материалов о стенкипечи и малоподвижную шихту в осевой частиF_тр.Очевидно, что шихта может опускаться только при условииF>F_г+F_тр илиF-(F_г+F_тр)>0. Разность ΔF=F—{F_г+F_тр)получила название активного веса. Одной из наиболее распространенных ошибок при изучении этого раздела курса является представление, что скорость опускания шихтызависит от активного веса. Поскольку шихтовые материалы заполняют весь объем доменной печи и в нижней части они опираются на жидкий шлак и чугун, то активный вес не влияет на скорость опускания шихты. Последняя будет определяться только скоростью образования свободного пространства в нижней части печи. Анализ показывает, что свободное пространство в печи образуется в результате трех процессов: 1) газификации углерода, т.е.превращения твердых кусков кокса в газ (вследствие горения кокса перед фурмами, а также прямого восстановления железа и других элементов); 2) плавления рудной части шихты, при котором объем образующихся расплавов (чугун, шлак) меньше объема шихты, из которой они получились; 3) выпуска из горна доменной печи жидких продуктов плавки (чугуна и шлака) .

Рисунок 48. Схема действия сил на шихту в домен­ной печи.

Результаты приведенного ниже расчета показывают, что в большой доменной печи каждую минуту образуется до 10 м³ свободного пространства, в которое опускается находящаяся выше шихта.

Пример. Расчет скорости образования свободного пространства в доменной печи в результате газификации углерода и плавления рудной части шихты. Исходные данные: доменная печь объемом 3000 м³ имеет суточную производительность 7000 т чугуна; насыпная масса кокса 500 кг/м³, агломерата и известняка 1800 кг/м³; удельная масса расплавленного чугуна 7000 кг/м³, шлака 2800 кг/м³; удельный выход шлака 403 кг/т чугуна; удельный расход кокса 500, агломерата 1710 и извест­няка 60 кг/т чугуна.

Решение. .Минутная производительность доменной печи 7000 : (24·60)=5 т чугуна, 5000 кг чугуна. Выход шлака 5·0,203=2 т/мин, 2000 кг/мин. Объем, занимаемый жидкими продуктами плавки: (5000:7000) + (2000:2800) = 1,4 м³. Каждую минуту в печи плавится (1710 + 60) ·5 = 8800 кг агломерата и известняка. Это количество материалов занимало объем 8800:1800=4,9 м³. Таким образом, в результате плавления рудной части шихты образуется в минуту 4,9—1,4=3,5 м³ сво­бодного пространства. Каждую минуту в печи газифицируется кокса 5·0,5=2,5 т. Это количество кокса занимало объем 2500:500=5 м³. Общая скорость образования свободного пространства составляет 3,5+ 5,0=8,5 м³/мин.

Таким образом, первая особенность движения шихты в доменной печи заключается в том, что скорость ее опуска­ния зависит не от активного веса, а только от скорости обра­зования свободного пространства в нижней части печи. Влияние активного веса проявляется только при снижении его ниже определенного критического значения. В этом слу­чае опускание шихты становится неустойчивым, резко уве­личивается вероятность ее подвисания, т. е. прекращения ее движения.

Второй особенностью движения материалов является то, что скорость их опускания неодинакова как в поперечном сечении доменной печи, так и по ее высоте. Образование свободного пространства происходит неравномерно в ее по­перечном сечении. Наибольший объем свободного простран­ства образуется перед фурмами, так как в них газифициру­ется большая часть кокса, над ними плавится основная мас­са шихты. Моделью движения шихты в нижней части печи является разгрузка сыпучего материала из круглого бункера через ряд отверстий, расположенных по периферии днища. Наиболее разрыхленный материал в этом случае распола­гается над выпускными отверстиями; в доменной печи — над зонами горения. На этих вертикалях печи скорость опус­кания материалов является наибольшей.

Третья особенность движения шихтовых материалов со­стоит в том, что в нижней части печи в твердом состоянии остается только кокс, а рудная составляющая шихты (вме­сте с известняком) движется в виде капель или струй чугу­на и шлака. Капли чугуна, благодаря высокой плотности и хорошей жидкоподвижности, быстро стекают в горн по меж­кусковым каналам слоя кокса. Поведение жидкого шлака более неопределенно. Плотность шлака в несколько раз ни­ же плотности чугуна, а вязкость шлака в несколько раз больше, чем вязкость чугуна.

Предполагается, что шлак занимает значительный объ­ем пустот между кусками кокса, удерживается в них и дви­жется вниз вместе с коксом. Шихтовые материалы от мо­мента загрузки в печь и до выхода из нее в виде чугуна и шлака находятся в доменной печи 5—7 ч.