8 Газодинаміка доменної плавки

8.1 Рух шихтових матеріалів

8.1.1 Причини опускання шихти

При нормальній роботі доменної печі шихтові матеріали безперервно опускаються по всьому перетину робочого простору, вивільнюючи об’єм на колошнику для нових порцій. Опускання матеріалів від колошника до горна відбувається під дією сили ваги у протитечії з газами, що піднімаються від горна вгору. Причинами вивільнення простору для опускання шихти є ряд наступних процесів:

1. Окислення вуглецю коксу киснем дуття і водяною парою, що містяться в дутті, а також киснем оксидів, котрі відновлюються вуглецем коксу.

2. Окислення вуглецю в реакції газифікації С + СО₂ = 2СО.

3. Перехід в нижній частині шахти, розпарі і заплечиках твердих залізорудних матеріалів, флюсів і золи коксу в рідкий і частково газоподібний стан. При цьому об’єм розплавів майже в 3,5 рази менше об’єму кускових матеріалів, з яких вони утворюються.

4.Механічна уминка сипучих матеріалів в шахті доменної печі в результаті перколяції дрібних фракцій агломерату і обкотишів в міжкускові проміжки нижче розташованих шарів крупнокускового коксу. Деяка уминка можлива також при зсипанні шихти на колошнику, при використанні конусних засипних пристроїв і великій масі подачі.

5. Витрата вуглецю коксу на навуглецювання заліза і утворення чавуну.

6. Випуск із печі продуктів плавки, в результаті чого в металоприймачі вивільнюється об’єм для опускання матеріалів.

Роль кожного із названих процесів у вивільненні робочого простору в нижній частині печі в забезпеченні за рахунок цього опускання матеріалів різна і безпосередньо пов’язана з умовами роботи печі. Але беззаперечним є те, що витрачання коксу на високотемпературних горизонтах печі і на фурмах є найбільш значущим фактором, що обумовлює рух шихти, оскільки кокс займає близько половини об’єму завантажуваної шихти і основна його частка (крім золи і витрат на навуглецювання) підлягає газифікації.

8.1.2 Сили, що діють на стовп шихти працюючої печі

Рух шихти здійснюється під дією сили ваги шихти Р, частково врівноваженої протилежно направленими силами тертя об стінки печі і кусків шихти між собою F₁, підйомною силою потоку газів F₂ та підйомною силою рідких продуктів плавки в горні F₃. Різницю цих сил, що викликає опускання шихти, прийнято називати «активною вагою» шихти:

Р_ав = Р – (F₁ + F₂ + F₃ ) (8.1)

Р_ав на печі, що працює нормально, складає 15-20% від Р. Під час руху величина F₁ складає 55-60% від Р, а на частку F₂ – біля 20-25% Р.

Сила ваги стовпа шихти в доменній печі орієнтовно може бути вирахувана як добуток інтегральної насипної густини шихтових матеріалів (ρ_м) по всій висоті печі – від рівня засипу до верхньої межі коксового тотерману на об’єм стовпа шихтових матеріалів (V_м) у визначених межах:

Р = ρ_м ·V_м (8.2)

Сила тертя F₁ може бути представлена у вигляді суми сил зовнішнього (об стінки печі) тертя F_с і внутрішнього тертя F_в сипучих матеріалів при їх опусканні:

F₁ = F_с + F_в (8.3)

В свою чергу сила зовнішнього тертя (F_с) визначається величиною бокового тиску (Q_б) і коефіцієнтом тертя сипучого матеріалу об стінки ( f₁ ):

F _c = Q_б · f₁ (8.4)

В свою чергу, сила тертя матеріалів об стінки впливає на величину і розподіл бокового тиску шихти на стінки печі. Розподіл бокового тиску шихти по висоті доменної печі №1 ВАТ «НТМК» (Росія) при виплавці ванадієвого чавуну показаний на рис. 8.1

В умовах працюючої печі підйомна сила газового потоку дорівнює добутку втрати тиску газу від фурм до колошника на еквівалентну площу перетину печі:

F₂ = (P_д – Р_к ) S_e (8.5)

де: S_e – частка від ділення об’єму доменної печі на її висоту в межах від рівня повітряних фурм до рівня засипу шихти; P_д, Р_к – тиски дуття і колошникового газу, відповідно.

Підйомна сила рідких продуктів плавки (Архімедова сила) має прояв на кожній доменній печі, перш за все перед випуском, коли знижується швидкість сходження шихти. Особливе значення F₃ має на печах з великою глибиною зумпфу, що працюють з «плаваючим» коксовим тотерманом. Схема балансу сил, що діють на коксовий тотерман в нижній частині печі (за Дж. Поверомо) приведена на рис. 8.2.

На стан коксового тотерману відносно лещаді значний вплив має відношення діаметрів горна і зовнішньої межі тороподібної зони прифурмених порожнин в горні.

Рис. 8.2. Схема балансу сил, що діють на плаваючий коксовий тотерман в нижній частині печі: 1 – сила ваги стовпа шихти; 2 – підйомна сила газового - потоку; 3 - підйомна сила рідких продуктів плавки;4 – шлак; 5 – метал; 6 – межа проникнення коксового тотерману в рідкі продукти плавки; 7 - чавунна льотка

Рис. 8.3. Стан коксового тотерману в горні в залежності від його діаметра: 1 – прифурмена порожнина (зона розпушення); 2 – шлак; 3 – метал

При приблизно однаковій протяжності прифурменої порожнини до центру горна відносна площа перетину кільцевої зони розпушення (по відношенню до площі горна) збільшується із зменшенням діаметра горна. В результаті на печах з невеликим діаметром горна підйомна сила газового потоку від фурм в більший степені протидіє опусканню коксового тотерману в центрі печі на лещадь – виникає «плаваючий» тотерман (рис.8.3).

На печах з великим діаметром горна підйомна сила газів в центральній зоні печі суттєво менше, ніж на периферії, це дозволяє коксовому тотерману сідати на лещадь, особливо при недостатній глибині зумпфу (мертвого шару). Для того, щоб коксовий тотерман на таких печах існував в «плаваючому» стані, а це необхідно з технологічних і експлуатаційних міркувань, висоту зумпфу h₃ слід поглиблювати пропорційно із зростанням діаметра горна. Вважають, що достатнім є співвідношення h₃ = 0,2d_г.