1.3 Характеристика зон горіння

Область перед фурмою, в якій відбувається газифікація вуглецю, називається окислювальною зоною (ОЗ) або фурменим вогнищем.

ОЗ характеризується наявністю в газовій фазі горна і заплечиків вільниого О₂, чим відрізняється від всіх інших областей печі.

Межі ОЗ відповідає місце зникнення СО₂ із газової фази. ОЗ ділять на дві частини – внутрішню 1 (рис.1.2) в газовій фазі якої присутній у вільному вигляді О₂ і зовнішню 2, в котрій відбувається окислення вуглецю раніше утвореною СО₂. Наведені на рис.1.2 дані, отримані на малій печі в період роздувки. В залежності від умов роботи печі і її потужності внутрішня окислювальна зона може простягатися в горизонтальному напрямку на 800-1500 мм, а зовнішня до 2500 мм і більше. При вдуванні в горн доменних печей вуглеводнів водяна пара в помітній кількості також окислює вуглець, тому при визначенні довжини окислювальної зони слід приймати на увагу проникнення Н₂О до центру горна.

Рис.1.2. Дані про вертикальний (а) і горизонтальний (б) перетини окислювальної зони перед фурмою доменної печі діаметром горна 3,7 м, отримані під час задувки за допомогою водоохолоджуваних зондів

Місце, де вміст СО₂ досягає максильного значення називають фокусом горіння і характеризується найвищою температурою (1800-2000^оС і вище). Зазвичай фокус горіння знаходиться на відстані 400-1100 мм від торця фурми в залежності від потужності дуттьового струменя і газопроникності коксової насадки.

Фурмене вогнище в залежності від потужності дуттьового струменя може існувати в режимах шарового горіння і горіння з утворенням при фурменої порожнини, яку називають циркуляційною або турбулентною зоною.

Найбільш інтенсивно кисень витрачається поблизу торця фурми і в кінці

зони циркуляції (рис.1.1,б).

1.4 Механічні процеси у фурмених зонах

При малих витратах дуття і малих швидкостях його витоку із повітряної фурми потужності дуття недостатньо для такого динамічного впливу на шар коксу, за якого утворюється порожнина між кусками коксу. Нерухомий або малорухомий кокс перед фурмами спостерігається при задувці доменних печей, або при роботі їх на тихому ході. Такий режим горіння коксу носить назву шарового.

За нормального режиму роботи печі під дією потужного струменю дуття шар коксу перед повітряними фурмами розпушується із утворенням порожнин, які у вітчизняній літературі отримали назву «циркуляційні».

Д овгий час дослідники і практики вважали, що вихровий рух газу біля фурм обумовлює циркуляцію кусків коксу, що горить у порожнині (рис. 1.3). Цьому сприяли досліди на холодних моделях і вогневих стендах.

Сучасна уява про газомеханічні процеси перед фурмами склалася після появи досліджень дуттьової зони і коксової насадки за допомогою ендоскопа із застосуванням швидкісної кінозйомки та каротажних зондів великого діаметру (300 мм), що вводилися через фурму і фурмений отвір.

Ендоскоп – оптичний прилад, що являв собою систему лінз і відхиляючих призм, розміщених в трубі, охолоджуваної азотом, яку вводили у прифурмену порожнину через отвір в соплі фурменого приладу. Дослідження проводилися на доменній печі № 6 заводу в Дортмунді з діаметром горна 8,5 м при поданні дуття з температурою 1050°С із швидкістю 120 м/с через повітряну фурму діаметром 180 мм. Надмірний тиск дуття складав 137 кПа. Кінозйомка порожнини і її стінок проводилася як у напрямі осі фурми, так і перпендикулярно їй. Було встановлено, що порожнина має форму вигнутого і бік меншого тиску (на колошнику) рукава, діаметр якого із збільшенням глибини проникнення зростав (рис. 1.4, а).

Розширення рукава є реакцією сипучого середовища на підвищення внутрішнього тиску в порожнині до стійкого склепіння, утворюваного над нею. По суті, висхідна вітка вертикального перетину порожнини фурменого вогнища має форму дифузора із вигнутою догори віссю, газопроникними стінками із коксу, підтримуваного із середини протитиском фурменого струменя.

Кривоосний дифузор фурменого вогнища при нормальному ході печі має газопроникне склепіння коксу, що знаходиться в динамічній рівновазі із підпираючим склепіння фурменим струменем, де і відбувається згорання основної маси коксу.

Рис. 1.4. Конфігурація вертикального перетину фурменого вогнища (а) за даними М.Гройєля із співробітниками і схема потрапляння коксу у верхню зону його витрачання над при фурменою порожниною (б) з вірогідною траєкторією руху радіоактивного трасера в дослідженні І.Г.Половченка: І – верхня зона витрачання коксу; ІІ – окислювальна зона; 1 – нижнє нестійке склепіння; 2 – верхнє нестійке склепіння; 3 – стійке склепіння – зона евакуації основного об’єму фурмених газів

Склепіння біля фурменого отвору динамічно нестійке, оскільки статичний тиск дуттьового струменю на виході із фурми має мінімальне значення, а сила активної ваги шихти – найбільше. Як тільки сили вертикальної напруги, зростаючі в результаті руху шихти вниз, переважать силу опору потоку газодуттьового струменю, частина коксу із склепіння обрушується в порожнину і відкидається струменем в стійке склепіння.

Враховуючи взаємний вплив тисків сипучого середовища і дуттьового струменя повинні поперемінно утворюватися два нестійких склепіння – нижнє, вигнуте перед обрушенням коксу вниз і верхнє, випукле вгору – арка, що виникає відразу після обрушення (рис.1.4, б). Це арочне склепіння ендоскопом виявити важко внаслідок існування «екрану» із кусків коксу, що дискретно, але з малими перервами, витісняється в повітряно-газову порожнину із нижнього нестійкого склепіння. Якщо би періодично виникаючого верхнього нестійкого склепіння не існувало, кокс потрапляв би у прифурмену порожнину практично безперервно, а не дискретно. Слід зауважити, що тільки арочне склепіння має несущу здатність.

Простір, що періодично вивільняється (при обрушенні коксу) над прифурменою порожниною в зоні нестійких склепінь, швидко заповнюється коксом згори біля стін і коксом з боків, що виштовхується із стійкого склепіння, яке знаходиться під потужним впливом фурменого газу.

На короткий проміжок часу утворюється ситуація, східна з відомою схемою циркуляції коксу біля фурм (див. рис. 1.3), з тією лише різницею, що кокс із стійкого склепіння не повертається до фурми, а зависає в масиві коксу над нею до чергового обрушення. Як тільки «кишеня» між динамічно нестійкими склепіннями ущільнюється, вертикальний тиск шихти над ними стає більшим за тиск газу в прифурменій порожнині і нижнє склепіння руйнується.

Характер руху трассера-імітатора куска коксу в досліді І.Г.Половченка (див. рис.1.4, б) знаходився в повній відповідності з більш імовірною фізичною моделлю фурменого вогнища: трассер не обертався в порожнині, а переходив послідовно із порожнини в стійке склепіння, а затим в нестійкі і тільки після обрушення нижнього нестійкого знову опинявся в порожнині.

Питання з теми для самостійного вивчення та осмислення

1. Поясніть, яким чином відбувається горіння палива в горні доменної печі?

2. Який склад має горновий газ при роботіі печі на сухому атмосферному дутті?

3. Нарисуйте діаграму розподілу газу по радіусу горна перед фурмою доменної печі.

4. Поясніть, як впливає механіка руху коксу на розподіл газу по радіусу горна доменної печі.

5. Дайте визначення внутрішній і зовнішній окислювальним зонам доменної печі.