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

мощью измерительных диафрагм и регулировался кранами, вели­ чина давления регистрировалась ртутными манометрами. Для расчетов принималось, что давление внутри струи, выходящей из фурмы, приблизительно равно давлению воздуха в фурме. Длина

зоны циркуляции определялась непосредственными замерами через стекло по линии оси фурмы.

Высота слоя кокса над уровнем фурмы (И) устанавливалась от 150 до 300 мм. При высоте слоя 300 мм и выше > 3^

происходило распирание кокса на стены и образовывался свод. При этом давление слоя кокса становилось стабильным.

Основная серия опытов была выполнена при высоте слоя

250 мм. Дутье подводилось через фурмы диаметром 10, 20 и 30 мм. Расход дутья на одну фурму изменялся в пределах ог

50 до 206 нм^/час-, средняя температура дутья составляла 20°.

Давление на фурмах изменялось от 0,02 до 0,82 ати и зависело главным образом от давления воздуха внутри модели, которое создавалось посредством дросселирующих кранов. В процессе циркуляции кокс в модели значительно измельчался. Это могло отразиться на результатах последующих экспериментов и поэто­ му для каждого опыта загружали свежую порцию исследуе­ мой фракции кокса.

В табл. 4 приводятся предельные значения применявшихся в

процессе моделирования кинетической энергии дутья, скоростей

его истечения из фурмы и величины критерия Рейнольдса в за­

висимости от диаметра фурмы и размера кусков кокса, загру­ женных в модель.

Таблица 4

Диапазон изменений кинетической энергии струи, скоростей ее истечения из фурмы и величины критерия Рейнольдса в процессе моделирования

1 Длина зоны циркуляции — от 40 до 120 мл..

I

29

Рис. 16. Зависимость длины зоны циркуляции L от кинетической энергии струи дутья Е, диаметра фурмы

Результаты определений размеров зоны циркуляции для кусков кокса различных размеров приведены на рис. 16. Разброс точек на этих диаграммах связан с некоторым изменением раз­ меров кусков кокса, происходящим от истирания в процессе цир­ куляции. Кроме того, при анализе данных было обнаружено, что

влияние высоты слоя кокса на размеры зоны циркуляции оказа­ лось значительно слабее влияния других переменных парамет­ ров и поэтому им можно было пренебречь. Для обработки были использованы данные опытов, проведенных с различной высотой слоя. Это обстоятельство также объясняет разброс точек на диаграмме рис. 16.

Увеличение размеров кусков кокса при постоянстве кинети­ ческой энергии и диаметра фурмы вызывает сокращение зоны

циркуляции, особенно резкое в интервале - =3—1. Эта об-

ратная зависимость между величиной зоны циркуляции и диа­ метром кусков кокса согласуется с результатами наблюдений,

произведенных непосредственно на доменных печах [29], и проти­ воречит результатам, полученным в лабораторных условиях при изучении протяженности зон горения [17].

Для объяснения этой зависимости используем уравнение квадратичного закона сопротивления, которому подчиняется ис­ течение воздуха из фурмы модели, а также и доменной печи:

(14)

где рх—• давление воздушной струи, выходящей из фурмы, кг/м2-,

р2— давление внутри среды, кг/м2; f—коэффициент гидравлического сопротивления;

р— плотность воздуха, кг • сек2/м^;

w— скорость истечения воздуха из фурмы, м/сек-, I—толщина слоя, м;

d — средний диаметр пустотного канала в слое, м.

Куски кокса, лежащие вначале неподвижным слоем перед фурмой, испытывают на себе давление выходящей из фурмы воздушной струи pi. Струя дутья до возникновения циркуляции разбивается на отдельные струйки и фильтруется через слой

кокса, создавая внутри его давление р2-

Сумма сил, действующих на слой кокса толщиной I, равна

Р1 Рг , и чем больше будет разность pi — р2, тем с большей си­

лой куски будут отталкиваться от фурмы и тем большая будет возможность возникновения циркуляции.

32

давления прямо пропорционален кинетической энергии струи и

обратно пропорционален диаметру каналов. При большом раз­ мере кусков величина канала в слое будет также больше [30]. Из этого следует, что при постоянной величине кинетической энергии с уменьшением размера кусков кокса перепад Ар будет возрастать, и, следовательно, будет увеличиваться сила, от ко­ торой зависит размер зоны циркуляции.

Возрастание отношения диаметра фурмы £>ф к диаметру куска DK способствует увеличению размера зоны циркуляции

(рис. 17). При постоянстве Е и DK увеличение диаметра фурмы ведет к увеличению размеров зоны циркуляции, уменьшение диаметра, наоборот, сокращает зону циркуляции. Вызывается это тем, что при одинаковой величине кинетической энергии струя большего сечения является более устойчивой и поэтому способной образовать зону большой протяженности. Уменьше­ ние диаметра фурмы при сохранении постоянства расхода воз­

\DФг

ОФв — уменьшенный диаметр фурмы.

Условия образования зоны циркуляции в доменной печи

Опыты на модели показали, что одним из важнейших факто­ ров, влияющих на начальную стадию образования зоны цирку­ ляции, является упаковка частиц перед фурмой. Отмечается,

что образование зоны циркуляции в-свежезагруженном слое про­ исходит при большем количестве дутья и сопровождается более резким толчком, чем когда перед фурмой лежат частицы, нахо­ дившиеся ранее в циркуляционном движении. Объясняется это более свободной упаковкой частиц в слое в этом случае, особен­

но если уменьшение дутья происходило медленно.

В доменной печи плотная упаковка кокса перед фурмами

может иметь место сравнительно редко, например, при неровном ходе печи или после принудительных осадок шихты. Кроме того, следует учесть действие процесса горения, который должен сам по себе способствовать разрыхлению слоя кокса у фурмы, если

ностью распределения дутья по фурмам, довольно частой в прак­ тике производства, вопрос о том, всегда ли возникает циркуля­ ционное движение кокса, представляет большой интерес. При рассмотрении результатов исследований зоны горения, выпол­

ненных в различное время, можно отметить, что состав газа из­ меняется по кривым, характеризующим слоевое горение. Однако

в ряде случаев в ходе кривых состава газа наблюдаются неоп­

Скорость движения кусков кокса в зоне циркуляции

Произведенные Институтом металлургии АН СССР скорост­ ные киносъемки движения кокса на фурмах доменных печей по­ зволили приближенно установить скорость движения кусков кок­

34

са в зоне циркуляции в зависимости от их величины. Результаты обработки кинокадров по двум печам Ново-Тульского металлур­ гического завода, оборудованным каждая 12 фурмами диамет­ ром 120 и 180 мм соответственно, приводятся на диаграммах рис.

Рис. 18. Диаграмма скорости движения кусков кокса в за­ висимости от их среднего диа­ метра (доменная печь НовоТульского завода, выплавля­ ющая литейный чугун)

Средний диаметр кусков кокса, мм

Рис. 19. Диаграмма скорости движения кусков кокса в зависимости от их среднего диаметра (доменная печь Ново-Тульского завода, выплав­ ляющая передельный чугун)

18 и 19. Одна печь выплавляла литейный чугун, другая — пере­

дельный. Длина зоны горения на первой печи составляла 700 мм при кинетической энергии дутья 1560 кгм1сек, на другой печи — 1020 мм при кинетической энергии 3175 кгм/сек,. Заштрихован­ ные на диаграммах области соответствуют скоростям движения

кокса в струе дутья. Ниже заштрихованных областей распола-

'это более низкой температурой горения в лабораторной печи, вследствие чего реакция

СО2 + С = 2СО

не может идти активно и до конца. Отношение СО: СО2 в про­ дуктах горения зависит от температуры; чем выше температура, тем больше отношение СО : СО2. При высоких температурах,

развивающихся в доменной печи, восстановление углекислоты углеродом происходит в ограниченном пространстве.

Такой же характер имеют диаграммы изменения состава га­ за в окислительной зоне доменных печей по исследованиям Ле­

А. П. Любана [24] и др. На основании этих диаграмм можно сде­ лать вывод, что процесс горения кокса в горне доменной печи протекает аналогично процессу горения в слое. Между тем, в до­ менных печах при подаче большого количества дутья создаются

другие физические условия для протекания процесса горения, чем в слое при малом количестве дутья.

Большинство исследователей отмечало, что процесс горения кокса сильно изменчив во времени.

При исследовании доменной печи ММК было установлено

значительное рассеивание точек на диаграмме изменения соста­ ва газа в окислительной зоне. При этом, как отмечают исследова­ тели, рассеивание наблюдалось «не только в разное время, но и

водно и то же время, когда в одной и той же точке бралось под­ ряд до восьми проб» [32]. Авторы работы объясняют рассеива­ ние точек прохождением различного количества кокса и жидких продуктов плавки через отдельные участки окислительной зоны

водинаковые промежутки времени.

На основании результатов исследования окислительной зоны

на доменной печи Ново-Липецкого завода Л. М. Цылев [33] при­

шел к выводу о том, что рассеивание точек, характеризующих содержание того или другого компонента, бывает столь велико, что невозможно усмотреть в этом рассеивании какой-либо зако­

номерности.

Подробный анализ возможных причин значительного рассе­ ивания точек на диаграмме состава газ дается Н. И. Красавце­

вым и А. П. Любаном [24]. Они считают причинами такого рас­

сеивания следующее:

1)различная степень разрыхленности окислительной зоны, вследствие чего дутье встречает на своем пути различное коли­ чество кусков кокса;

2)неодновременный отбор проб газа по радиусу горна, зани-; мавший обычно 10—15 мин., в течение которых при неустойчивом ходе печи характер процесса горения мог значительно меняться;-

3)изменение во времени количества дутья, поступающего в

фурму, что должно было сказаться на величине окислительной

38

зоны и составе газа в соответствующих точках окислительной

зоны; 4) искажение состава проб газа (особенно у устья фурм)

вследствие смешения основного потока дутья с побочным и изме­ нения количества стекающих в горн жидких продуктов плавки, с которыми кислород и углекислота могли реагировать.

Отмеченные колебания состава газа в одних и тех же точках

окислительной зоны связаны в первую очередь с наличием цирку­ ляции кокса. Размеры зоны циркуляции и насыщенность цирку­ лирующего потока кусками кокса могут меняться во времени от ряда причин, в особенности при неровном ходе доменной печи.

Необходимо иметь в виду, что диаграммы изменения состава

газа в окислительной зоне были получены усреднением данных многих экспериментов. Некоторые исследователи считали, что в связи с весьма неустойчивым характером горения только усред­ ненные данные могут дать правильное представление о характе­

ре изучаемого процесса. В то же время многие исследователи обратили внимание на ряд аномалий в протекании процесса го­ рения у фурм доменных печей.

Пиррот и Кинни обнаружили у самого устья фурмы 6,6% СОг,

причем на расстоянии 200 мм содержание СО2 уменьшалось до 6,2%. Появление СО2 в таком количестве исследователи объяс­ няли увлечением струи дутья газа сбоку устья фурмы [2].

В. Ленингс указывает, что в пробах газа вблизи устья фурмы содержание СО2 колебалось от 0 до 14% [3]. По свидетельству самого Ленингса, он отбросил ряд данных при обработке мате­ риалов, на которых была построена диаграмма, характерная для горения кокса в слое.

Н. И. Красавцев и А. П. Любан, получившие при исследова­ нии горна такую же диаграмму (по средним данным), отмечали, что при отборе проб газа в непосредственной близости от глаза фурмы были случаи, когда получались пробы с повышенным со­

Единичные диаграммы горения кокса в доменной печи, опуб­ ликованные некоторыми исследователями, не имеют обычно та­ кого характера, какой получается при усреднении многих дан­ ных. Например, в работе Л. ”М. Цылева приводится диаграмма

гизменения состава газа на одной печи Ново-Липецкого завода с двумя максимумами СО2 [33]. Опубликованные Д. С. Хоруновым

иА. П. Афанасьевым диаграммы, полученные в отдельные дни

исследований, в большинстве случаев ничем не напоминают те «классические» диаграммы, которые были ими вычерчены на ос­ новании усреднения данных единичных проб газа [34].

А. Н. Редько и В. Ф. Кабанов в 1939 г. опубликовали ряд ди­ аграмм с двумя максимумами СО2 (рис. 22), полученными при исследовании работы доменной печи на увлажненном дутье [35].

39