книги из ГПНТБ / Цылев Л.М. Процесс горения кокса в доменной печи

навливается интенсивный материальный обмен между газом и твердой фазой, что должно способствовать более быстрому про­ теканию реакции

СО2 + С = 2СО

и тем самым уменьшению восстановительной области. .

Когда скорость газового потока создается за счет повыше­

ния температуры дутья, нет таких благоприятных условий для ускорения восстановления углекислоты углеродом. В единице объема газа содержится меньше углекислоты, поэтому мате­ риальный обмен не может быть столь интенсивным, как в пер­ вом случае. Кроме того, в связи с охлаждением газа при проте­ кании указанной реакции скорость его должна падать. В ре­ зультате этого нет условий для заметного уменьшения протя­

женности восстановительной области.

Возвращаясь к факту постоянства зоны горения на печах КМК, несмотря на существенное изменение кинетической энер

гии дутья, необходимо отметить, что количество дутья в период исследования менялось сравнительно мало (около 10%), тогда как температура изменялась в гораздо большей степени (на 40—50%), причем повышение температуры дутья производи­ лось обычно при меньшем количестве дутья. Это обстоятельство также могло способствовать некоторой нивелировке величины окислительной зоны.

Физические свойства кокса

Вопрос о влиянии реакционной способности и пористости на процесс горения кокса был предметом многочисленных иссле­

дований.

Большинство исследований реакционной способности кокса проводили на мелком порошке при температурах не выше

1000°. Определение реакционной способности при относительно низких температурах (600—800°) дало сильно разнящиеся дан­ ные для различных видов углеродистого топлива. Кроме того,,

эти исследования показали, что с ростом температуры реакцион­ ная способность горючего очень быстро растет.

По данным Брохе и Недельмана [63], различия в реакцион­ ной способности, наблюдавшиеся при температурах 700—1000°, исчезали при температурах 1200—1300°. Эти результаты способ­

ствовали широкому распространению среди металлургов мне­

ния о том, что реакционная способность кокса выше 1000° не имеет никакого значения, так как скорость горения углерода

для любых видов топлива при более высоких температурах вы­ равнивается.

Рядом исследователей определение реакционной способно­ сти кокса производилось в крупных кусках в больших лабора­ торных печах. Например, Гейсер и Бестегорн [64] сжигали

90

кокс крупностью 70—90 мм в печи диаметром 0,6 м [68]. В про­ цессе опытов наблюдалось увеличение горючести кокса и через 45 мин. после начала опыта все виды испытываемого кокса име­

ли практически одну и ту же горючесть. Из отдельных опытов Гейсера и Бестегорна следует, что нет никакой зависимости между пористостью кокса и его горючестью. В то же время ими установлено большое влияние крупности кусков кокса на горю­ честь •— кокс в мелких кусках имел большую горючесть, чем в крупных.

Опыты по определению горючести кокса путем сжигания его в толстом слое, проведенные Шерманом и Близардом, так­ же не выявили связи между свойствами кокса и его горю­ честью [65].

Мотт и Уиллер произвели обширные исследования горючести

многих образцов кокса [66]. Они установили, что горючесть раз­ личных сортов кокса, взятого в кусках одинакового размера, при подаче постоянного количества воздуха, практически одна и та же. Они подтвердили вывод Гейсера и Бестегорна о том, что наибольшее влияние на процесс горения оказывает круп­

ность сжигаемого кокса.

Недостатком предыдущих работ по изучению горючести кок­ са является то, что исследователи не учитывали особенностей кинетики гетерогенных реакции, которая существенно меняет­ ся при изменении условий (температуры, скорости газового по­ тока и др.). Имея это в виду, А. П. Любан, Е. К. Белов и В. Г.

Манчинский произвели определение реакционной способности кокса при высоких температурах [67]. Опыты велись с коксом крупностью ~5 мм в слое высотой 10 и 20 мм. В результате опы­ тов исследователи сделали вывод, что существенное различие в

зался более реакционно способным по сравнению с менее по­ ристым (44,96%) кузнецким коксом, авторы высказали мнение,

что различие реакционной способности этих видов кокса свя­ зано с пористостью. Полагая, что реакционная способность кокса в процессе горения сказывается на температуре горения,

авторы рекомендуют применять плотный кокс для выплавки специальных чугунов.

Исследование окислительной зоны, произведенное М. Я. Ост­ роумовым на доменной печи Ново-Тагильского завода при ра­ боте на коксе различной плотности, показало, что зона горения для случая применения более плотного кокса (36%) заметно больше по сравнению с зоной горения при более пористом коксе (40%) [28]. Кроме того, в первом случае содержание углекисло­

ты в газе в фокусе горения (16%) гораздо выше, чем во втором

(11%). На этом основании автор высказал предположение, что более плотный кокс горит преимущественно с образованием угле­ кислоты, окись углерода образуется на более отдаленных от'

устья фурмы расстояниях и поэтому область высоких темпера­ тур в окислительной зоне расширяется. Этим обстоятельством автор объяснил склонность доменной печи к тугому ходу и под-

висаниям.

Влияние крупности кусков кокса на размеры окислитель­ ной зоны, как указывалось ранее, различно в зависимости от

менной плавки сильно затруднено в экспериментальном отно­ шении и может дать только ориентировочные данные, так как физические свойства кокса в окислительной зоне (крупность кусков, пористость и реакционная способность) иные, чем свой­ ства кокса, загруженного в доменную печь. Перед исследова­ телями тем не менее продолжает стоять задача выяснить влия­ ние основных физических свойств кокса на процессы доменной плавки.

Обогащение дутья кислородом

Повышение концентрации кислорода в дутье в связи с уменьшением количества дутья на единицу сжигаемого углеро­ да должно вызвать повышение температуры в окислительной

зоне. Действительно, опыты с сжиганием кокса крупностью

25—40 мм в лабораторной шахтной печи показали, что

средняя температура в слое повысилась при концентрации кис­

лорода в дутье 25% на 96° и при 30% на 131°, длина же окис­ лительной зоны уменьшилась в обоих случаях вдвое (на 60 мм) по сравнению с длиной окислительной зоны при атмосферном

дутье [69]. При подаче обогащенного кислородом дутья на од- ■

ну форму на доменной печи ММК были получены аналогичные ;

92

результаты [38]: температура в зоне горения существенно повы­ силась (рис. 61), а длина окислительной зоны по мере повыше­ ния концентрации кислорода в дутье сокращалась (рис. 62, 63).

Эти результаты находились в противоречии с исследования­ ми состава газов на доменной печи завода ДЗМО при плавке

ферросилиция на обогащенном и атмосферном дутье [70]. Полу­

ченные М. А. Шаповаловым данные показали отсутствие сколь­ ко-нибудь заметных различий в длине зон горения в обоих слу­

работе на обогащенном кислородом дутье глубина зоны горе­ ния не изменяется и температура не повышается [70]. Результа­ ты исследования окислительной зоны на доменной печи. Но во-Тульского завода приводятся на рис. 64 и 65. Обосновывая

93

эти выводы, М. А. Шаповалов ссылается на расчеты теоретиче­ ской температуры горения (на 1 кг углерода) при различных концентрациях кислорода в дутье и анализ уравнения

и--Ке *Г[С-О2],

где v—массовая скорость горения углерода;

К. — кинетическая константа реакции горения углерода;

е— основание натуральных логарифмов;

Е— энергия активации;

R — газовая постоянная; Т — температура горения;

С и Ог — концентрация реагирующих веществ (углерода и

кислорода).

Если в отношении расчетов теоретической температуры горе­ ния следует признать их обоснованность, то нельзя согласиться

с доводом М. А. Шаповалова относительно возможного влияния скорости горения при обогащении дутья кислородом на длину окислительной зоны. М. А. Шаповалов находит, что скорость го-

94

рения кокса не меняется вследствие постоянства кинетическом

константы К. Однако, как мы указали выше, длина зоны горе­ ния меняется преимущественно за счет кинетической энергии ду­ тья. При сохранении неизменными количества и температуры ду­ тья длина зоны горения не должна меняться, так как величина кинетической энергии дутья остается постоянной. Поэтому для данного случая не следует ожидать сокращения длины окисли тельной зоны при повышении концентрации кислорода в дутье. Противоречия между данными М. А. Шаповалова и других исследователей легко объясняются. Данные П. А. Щукина и

Л. В. Петушиной относились к горению кокса в слое.

И. 3. Козлович производил исследования только на одной фурме с малым диаметром (120 мм), что могло отразиться на характере циркуляции кокса. Процесс горения кокса и другие сопутствующие ему процессы на одной фурме в струе обогащен­ ного кислородом воздуха не вполне воспроизводят процессы,

происходящие в горне печи, работающей на обогащенном кис­ лородом дутье. Температурные условия, необходимые для полу­ чения чугуна требуемого состава, устанавливаются определен­ ным соотношением между приходом тепла от горения кокса и рудной нагрузкой. При работе одной фурмы это отношение зави­ село от процессов, протекавших на фурмах, работавших на ат­

мосферном дутье. Можно полагать поэтому, что фурма при ис­ следовании И. 3. Козловича работала более горячо, чем остальные.

ЛИТЕРАТУРА

Metallurg. Eng., 1923, p. 543. Реферат ЖРМО, 1926, ч. 2, 256—261; S. P. Kin­ ney, P. Royster, T. Joseph.—Iron Blast Furnace Reaction; Techn. Pa­

ter besonderer Beriicksichtigung der Verbrennungverhaltnisse vor den Blas- formen—Stahl und Eisen, 1928, № 32, Jg 48, S. 1077—1079. Archiv fur das

5.M. А. Павлов. Металлургия чугуна, ч. II. Доменный процесс. Изд. 6-е, Металлургиздат, 1949.

6.3. И. Некрасов. Влияние подвода дутья и количества его на окис­

лительную зону в горне доменных печей. — Теория и практика металлургии, 1936, № 7. К вопросу о дутьевом режиме доменных печей.—Теория и прак­ тика металлургии, 1939, № 4.

96

7.М. Я- Остроухой. Форсирование доменной плавки. Металлурпиз-

дат, 1956.

8. Б. Н. Ж ер е бин, В. М. Мишкин, И. Д. Никулинский, В. М. Об шаров, И. А. Сучков и М. Я. Остроухое. Влияние неко­

углерода. — Известия АН СССР, ОТ.Н, 1953, № 4.

46.X. И. Колодцев. Динамика газообразования в слое углерода,— ЖФХ, 1945, т. XIX, .вып. 9.

47.П. А. Щукин и Л. В. Пегушина. Влияние крупности кокса на

21.G. С. Gardner. Discussion of paper by J. B. Wagstaff, Journal of Metals, 1954, № 6 (11) ,p. 1307—1308.

22.Д. В. Ефремов. Горение кокса у фурм в доменных печах.— Сталь, 1950, № 12.

23.И. Тс Козлович. Исследование работы горна древесноугольной

доменной печи Ашинского завода. — Советская металлургия, 1936, № 9.

24.Н. И. Красавцев и А. П. Любая. Исследование работы горна доменной печи № 1 заводя им. Кирова.—Советская металлургия, 1937, № 5.

25.Д. С. X орун о в и А. П. Афанасьев. Исследование горна до­

менной печи № 3 Кузнецкого завода. — Советская металлургия, 1937, № 2.

26.И. 3. Козлович. Исследование работы горна доменной печи № 1 Магнитогорского завода.—Советская металлургия, 1936, № 9.

27.И. 3. Козлович, Я. М. Гольмшток, В. Т. Басов и И. П. С е-

ми к. Исследование работы шахты и горна доменной печи № 1 Магнитогор­

ского завода. — Советская металлургия, 1935, № 5—6.

28. М. Я. Остроух о в. Поведение плотного кокса в доменной печи.— Сталь, 1947, № 8.

29. Я. М. Гольм шток и М. Я. Остроухое. Влияние физических свойств кокса на распределение газов и размеры окислительных зон в до­ менной печи.—Сб. трудов Ленинградского Политехнического института «Металлургия чугуна», 1955, вып. 179, стр. 85—104.

30. И. М. Г а л е м и н.—Сб. трудов Днепродзержинского вечернего ме­ таллургического института, 1955. вып. 1, стр. 24—36.

97

31.В. П. Ижевский. Зависания доменной шихты. — Сб. технических «статей Горнозаводского листка, 1903, № 3; 1904, № 2 и 11.

32.И. 3. Козлович, Н. М. Я к у б ц и и ер и И. А. Горелик. Тем­ пературы, состав газа, чугуна и шлака на уровне фурм в горне доменной пе­

35.А. Н. Редько и В. Ф. Кабанов. Сб. научно-технических ста­ тей Кузнецкого металлургического завода, 1939, № 4, стр. 22—40.

36.Д. В. Гулыга. Горение кокса в большой доменной печи. — Сб.

Доменное производство. Металлургиздат, 1957.

37.А. П. Люб ан. Исследование доменного процесса. Металлургиздат,

1943.

38.И. 3. Козлович. Процессы восстановления и окисления в мощ­

ных доменных печах. Металлургиздат, 1951.

39.Г. Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика, изд. II, Гостехтеоретиздат, 1953.

40.И. А. Соколов. Доменный шроцесс, ГОНТИ, 1938, стр. 273—2

41.В. А. Сорокин. Устройство, оборудование и эксплуатация совре­ менных доменных цехов, ч. 3 и 4. Металлургиздат, 1944, стр. 227.

42.С. М. Волосов и 3. И. Панова. Термопары для измерения тем­ ператур выше 1500°С. —- Сб. Исследование процессов горения натурального топлива. Госэнергоиздат, 1948.

43.Н. Н. Чернов. Изучение на модели распределения газового пото­

ка в доменной печи. — Известия АН СССР, ОТН, 1954, № 1.

47.M. M. Л e й б о .в и ч. Сб. Доменный процесс по экспериментальным данным. — Труды Ленинградского политехнического института им. М. И. Ка­ линина, 1949, № 2, стр. 330—333.

48.А. П. Любая и В. Г. М а ачин с к и й. Зоны горения в доменных

Windtemperatur auf die Oxydationzone im Hochofengestell.—Stahl und Eisen, 1933, № 39.

50.A. Michel. EinfluB der Windfiihrung auf den Hochofengang.—Stahl und Eisen, 1933, № 42.

51.И. 3. Козлович. Изучение хода восстановительного процесса в до­ менной печи № 1 Магнитогорского завода. — Труды Ленинградского инду­ стриального института, 1938, № 6, выл. 2.

52.И. 3. Козлович. Исследование работы доменной печи № 3 «За­

порожстали».— Сталь, 1939, № 4—5, № 6.

53.Moglichkeit zur Beeinfliissung der Oxydationzone des Hochofens.— Stahl und Eisen, 1947, № 17—18, August, S. 587—592.

54.В. Д. Саттон. Ракетные двигатели. ИЛ, 1952.

55.К. В. Мес сер ле, Б. М. Носовицкий и И. О. Шатунов­ ский.^ К вопросу о влиянии теплового состояния печи на глубину окисли­

тельной зоны в горне. — Труды Донецкого индустриального института, 1940. выл. 5.

56. В. П. Щербаков. Освоение работы доменных печей на повышен­ ном давлении. — Сталь, 1954, № 10.

98