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

[38] кривых статического давления некоторые также -имеют подъем в конце окислительной зоны.

Д. В. Ефремов считает естественным повышение статичес­ кого давления по мере удаления от устья фурмы в связи с повы­ шением температуры газов и увеличением их объема по реакции

С + СО2 =--- 2СО.

Рис. 44. Изменение статического

венно границы разрыхленной зоны). Давление в соплах: у фурмы 3—909 мм, рт. ст. у фурмы 4 — 966 мм рт. ст.

Рис. 45. Диаграмма изменения статического давления в зоне горения до­ менной печи Ново-Липецкого завода

Он указывает, что это повышение давления газов, по-видимому,

компенсировалось в прежних исследованиях потерями на сопро­

тивление вследствие другого состояния материалов в окисли­ тельной зоне горна [22].

Действительно, необходимо иметь в виду, что превращение СО2 в СО происходит в очень ограниченном объеме (в 'слое кок-

60

са 200—300 мм), в том месте, где находится наиболее раскален­ ная оболочка сферы циркуляции. Увеличение объема газов (а следовательно и его давления), как показывают элементарные расчеты, может быть очень значительным,. Так, при повышении температуры с 1800 до 1900° объем газов увеличивается «а

—— =4,8%, а при переходе всего СО2 в окись углерода еще

было предложено Н. Н. Черновым [43]. Объяснение это основано на результатах измерения статического давления в модели, за­ полненной коксом размером 3—5 мм. Для имитации более плотного состояния материалов в ценпральной части столба шихты сердцевина модели диаметром 100 мм была заполнена колошниковой пылью. По замерам автора, статическое давление по мере приближения к оси горна падало, но перед границей между рыхлой и плотной зонами наблюдалось некоторое повыше­ ние давления; величина его была меньше величины давления перед фурмами. Кинетическая энергия струи дутья при ударе в экран из неподвижного кокса частично преобразуется в потен­ циальную энергию, повышая при этом величину статического

давления.

Объяснение Н. Н. Чернова менее вероятно. При наличии не­ прерывной 'циркуляции потока газов в окислительной зоне, не­ посредственного удара струи: дутья в экран из неподвижного кокса не происходит, струя дутья откланяется от своего перво­ начального направления задолго до соприкосновения со стеной

кокса и движется параллельно ей вверх. Только часть газов диф­ фундирует через слой кокса в глубь горна.

Состав жидких продуктов плавки в окислительной зоне

Условия горения кокса в доменной печи существенно отли­ чаются от условий горения углеродистого топлива в топке ко­

лосниковой решеткой или в газогенераторе. Опускание кокса к фурменным очагам горения сопровождается стеканием в горн чугуна и шлака. Попадающие в зону горения капли чугуна под­ вергаются частичному окислению кислородом дутья. Свидетель­ ством протекания этого процесса являются: уменьшение содер­ жания кремния, марганца и углерода в металле, значительное обогащение шлака окислами железа (до 40—60%) и понижение отношения О2 : N2 в газе из окислительной зоны.

Большое значение для получения достоверных проб жидких продуктов в соответствующей точке радиуса горна имеет спо­ соб их извлечения [44]. Применявшийся рядом исследователей

61

(Банзен [44], Айхенберг [45], первоначально И. 3. Козлович [38]) способ отбора проб посредством охлаждаемой трубки, на на­

ружной поверхности которой был сделан продольный желобок с перегородками, оказался дефектным. Способ этот не мог гаран­ тировать соответствия пробы чугуна или шлака тому месту ра­ диуса, на которое была введена ячейка желоба с перегородка­ ми. Как при вводе, так и при выводе трубки из печи в ячейку

могли попасть жидкие продукты плавки из других мест горна.

Более надежный способ отбора проб чугуна и шлака заклю­ чался в том, что пробы отбирались посредством охлаждаемой водой трубы с лодочкой внутри. Лодочка устанавливалась под отверстием в кожухе трубы и могла отводиться назад посред­ ством штока. При таком способе пробы чугуна и шлака могли отбираться со строго определенного места и продукты ив других точек радиуса не могли попадать в лодочку [46]. Этот способ применялся в последующем И. 3. Козловичем [38], Н. И. Кра­ савцевым и А. П. Любаном [24] и др.

Третий способ — также вполне надежный—состоял В том,, что водоохлаждаемая трубка, обычно применявшаяся для отбо­ ра проб газов, вводилась в горн на определенное расстояние и затем заливалась шлаком благодаря соединению внутреннего канала трубки с атмосферой (при исследованиях на Ново-Та­ гильском заводе [47] и ММК [38]).

Этот способ применялся также при исследовании доменной печи Ново-Липецкого завода [13]. Способ давал возможность отбирать пробы шлака и чугуна точно в заданной точке.

Из исследований следует, что наибольшее количество чугуна и шлака проходит через окислительную зону [45, 46]. Содержа­ ние окислов железа в шлаках, извлеченных из окислительной зоны, весьма высокое и составляет 30—70%. Представляет ин­ терес то расстояние, на котором пробы металла имеют наимень­ шее содержание кремния, марганца и углерода, а пробы шла­ ка— наибольшее содержание окислов железа. В табл. 6 приво­ дятся данные по этому вопросу, взятые из опубликованных ра­

бот.

При рассмотрении этих данных следует иметь в виду коли­ чество жидких продуктов плавки, проходящих через соответст­ вующую точку радиуса. Количество этих продуктов по радиусу

весьма различно. Это хорошо подтверждается данными рис. 46, составленного немецкими исследователями [46]. Наибольшее ко­

личество чугуна стекает в горн на расстоянии 600 мм от устья

воздушной фурмы, наибольшее количество шлака — на расстоя­ нии 400—500 мм\ наименьшее количество шлака и чугуна про­ ходит непосредственно у устья фурмы и у оси горна. Следует отметить некоторое возрастание количества стекающего чугуна

на расстоянии 1200 мм от устья воздушной фурмы, т. е. за пре­

делами окислительной зоны (СО2 исчезает из газовой фазы на расстоянии 800—1000 мм).

62

продуктами плавки преимущественно на расстоянии 800— 1000 мм. В пробах чугуна, взятых на этом расстоянии, содержа­ ние марганца было минимальным (~ 0,25%).

Приведенные данные позволяют предположительно обрисо­

вать характер движения потоков чугуна и шлака в окислитель­ ной зоне. Движение это связано с движением струи дутья и кус­ ков кокса. Основная масса чугуна и шлака движется вместе с кусками кокса, падающими сверху в струю дутья. Вблизи устья фурмы, где скорость воздушной струи настолько велика, что

Расстояние от устья фурмы, мм

Рис. 46. Количество металла и шлака, стекающих

вгорн по радиусу доменной печи:

/— чугун; 2—шлак

струю не могут пробить куски кокса, капли чугуна увлекаются

пограничными медленно движущимися слоями струи дутья, об­

текают ее и, теряя скорость на некотором расстоянии от устья фурмы, сливаются в один поток. В дальнейшем непрерывно ска­

пливающиеся здесь чугун и шлак (в этом месте чаще всего зали­ вает заборную трубку) диффундируют через расположенный ниже слой кокса в металлоприемник.

Движение струек чугуна и шлака можно представить в схе­

матическом виде (рис. 47). Струйки эти движутся наклонно сверху вниз, будучи увлечены кусками кокса и пограничными

слоями воздушного потока. Циркуляционное движение газов (и кокса) не позволяет отдельным каплям чугуна и шлака, рас­ положенным выше зоны циркуляции, стекать вниз. Струйки чу­

гуна и шлака обтекают внутреннюю полость окислительной зо­ ны, стекают по ее границам и скапливаются ниже потока дутья на расстоянии 600—1000 мм от устья фурмы. Схема показывает,

что часть струек чугуна и шлака движется вдоль задней стенки

зоны циркуляции.

В промежуточной между двумя потоками чугуна и шлака

области жидкий шлак и чугун заливают заборную трубку срав-

64

В отличие от диаграмм рис. 49, на диаграммах состава газа (см. рис. 21 и 48) не имеется никаких признаков повышения со­

держания углекислоты.

Внезапное уменьшение содержания окиси углерода в газе вблизи границы зоны циркуляции, по-видимому, связано с (по­

глощением некоторого количества окиси углерода жидкими про­ дуктами плавки, стекающими вдоль границы зоны.

Общая характеристика процесса горения кокса у фурм

Процесс горения кокса у фурм доменной печи на основании проведенных исследований может быть охарактеризован следу­ ющим образом.

Ссыпающиеся сверху в окислительную зону куски кокса под­ хватываются потоком дутья и совершают циркуляционное дви­ жение. Куски кокса, участвующие в циркуляции, движутся в по­ токе сильно окислительных газов (О2 и СО2). При этом проис­ ходит горение углерода с образованием в конечном счете толь­

66

ко одного продукта — СОг. Реакция окисления углерода кисло­ родом протекает исключительно на поверхности кусков кокса, имеющих, как правило, кмалое отношение поверхности к объему. Образовавшиеся при горении газы проникают в промежуточный слой на границе зоны циркуляции, фильтруются между кусками кокса вглубь горна. При этом остаточный кислород, окисляя уг­

лерод кокса, исчезает, а образовавшаяся углекислота восстанав­ ливается до окиси углерода в слое кокса толщиной 200—300 мм,

обрамляющем полость зоны циркуляции. Как следует из ана­ лиза кинетических условий, реакция С + СОг = 2СО происходит,

по-видимому, не в диффузионной, а в промежуточной области, где на скорость реакции оказывают влияние как температура, так и скорость газового потока. Этим можно объяснить факт полного протекания реакции восстановления углекислоты в та­ ком тонком слое. Именно у границы окислительной зоны разви­

ваются самые высокие температуры (порядка 1900—2000°), что

восстановительной областей содержание кислорода практически равно нулю (от 0 до 3%), а содержание углекислоты является

максимальным (8—14%).

В связи с наличием циркуляции распределение температур в окислительной зоне принимает совершенно иной характер по сравнению со слоевым горением. Место концентрации наивыс­ ших температур приурочено к границе кислородной области зо­ ны горения. Таким образом, фокус горения нельзя представить

в виде точки или шарообразного пространства, где сосредоточе­ ны максимальные температуры, как это предполагалось раньше: фокус горения следует представлять в виде сферического слоя вблизи границы уплотненного состояния кокса.

Можно полагать, что наличие вихревого движения газов и циркуляции кокса противодействует проникновению внутрь оки­ слительной зоны жидких продуктов плавки. Часть чугуна и

шлака вместе с кусками кокса пересекает струю дутья, подвер­ гаясь окислительному действию кислорода, и скапливается на расстоянии 600—900 мм от устья фурмы; остальная часть, доста­ точно значительная, стекает вдоль границ зоны циркуляции. Та­ кой характер движения жидких продуктов плавки подтверж­ дается наблюдениями.

55

ГЛАВА 5

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ НА РАЗМЕРЫ ЗОНЫ ГОРЕНИЯ

Вопрос о влиянии различных факторов доменной плавки на

протяженность зоны горения был предметом многочисленных исследований. Довольно полная сводка результатов этих иссле­ дований дается в труде акад. М. А. Павлова [5].

Развитие химической кинетики позволило пересмотреть ряд теоретических положений, господствовавших до последнего вре­

мени в теории доменного процесса по интересующему нас вопро­

су. Критика этих положений с позиций химической кинетики да­

ется в трудах А. П. Любана [37, 48].

Необходимость в пересмотре указанных положений была

обусловлена также изучением явления циркуляции кокса у фурм доменной печи, выявившего значительную роль механических факторов в формировании окислительной зоны.

Количество дутья

Американские и некоторые немецкие исследователи в ре­ зультате изучения процесса горения кокса у фурм доменной пе­ чи пришли к выводу, что глубина проникновения дутья от устья фурмы постоянна (порядка 1 м).

Такой вывод сделал, например, Кинни [2], сравнив кривые изменения состава газа на полном дутье (815 м^мин давление

0,985 ага — см. рис. 21) и очень слабо.м (0,07 ати—рис. 50). В

обоих случаях кислород расходуется практически полностью на расстоянии 400 мм, а углекислота — на расстоянии 1000 мм. Следует отметить, что получение Кинни такой диаграммы соста­

ва газа в окислительной зоне при 0,07 ати является трудно объя­

снимым.

Исходя из результатов собственного исследования и ссыла­

ясь на работы Ван-Флотена и Кинни, В. Ленингс также пришел к выводу о постоянстве длины окислительной зоны [3].

Интересные результаты были получены Айхенбергом и Айлендером [49] при исследовании окислительной зоны доменной печи на заводе Беккера. Они определяли не только протяжен-

68

ность зоны горения вдоль оси фурмы, но также распростране­ ние ее в стороны и вверх ('рис. 51). При увеличении числа оборо­ тов воздуходувной машины с 40 до 70 зона горения (по 1% СО2),

слегка увеличившись в поперечном направлении, по длине оста­ лась неизменной, равной приблизительно 800 мм. Таким обра­ зом, Айхенберг и Айлендер также не обнаружили влияния из­ менения количества дутья на длину окислительной зоны .*

Расстояние от устья фурмы, мм

Рис. 50. Изменение состава газа перед фур­ мами доменной печи по исследованиям Кинни (давление дутья 0,07 ати)

Считая утверждения американских исследователей относи­ тельно отсутствия влияния количества дутья на размеры оки­ слительной зоны опрометчивыми, М. А. Павлов высказал поло­ жение о том, что увеличение количества дутья при равных ка­ честве горючего, температуре и давлении дутья должно требо­ вать увеличения реактивной поверхности горючего, а следова­

тельно, объема, занимаемого им [5]. ■ Данные ряда советских исследователей подтвердили зависи­

мость величины окислительной зоны от количества дутья. Здесь прежде всего должны быть отмечены исследования,

осуществленные сотрудниками лаборатории акад. М. А. Павло­

ва [26, 27, 51, 52]. Первые приближенные опыты, произведенные

в 1934 г. на доменной печи ММК, показали зависимость длины

1 При первом взгляде на рис. 51 возникает представление о значительном расширении окислительной зоны при увеличении числа оборотов газовоздуходувки. Оно не соответствует действительности, так как для этого случая исследователи дали дополнительные изолинии для 0,3 и 0,4% СО2. Прим. авт.

69