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

Предположения А. П. Любана основаны на чисто кинети­ ческих соображениях и совершенно не учитывают изменения

живой силы струи дутья с изменением температуры дутья. Кине­ тическая энергия дутья при повышении температуры возрастает, так как при этом скорость дутья (при прочих равных условиях) увеличивается в соответствии с отношением

где tH и tn —соответственно температуры низкая и повышенная. Например, при повышении температуры с 600 до 800° ско­ рость струи дутья возрастает в 1,23 раза, а кинетическая энергия

в 1,5 раза.

Поэтому при повышении температуры дутья можно ожидать расширения кислородной зоны и зоны горения в целом. Как отмечалось выше, реакция

СО2 4- С — 2СО

происходит в промежуточной области, в связи с чем повышение

температуры дутья может сказаться на скорости реакции вос­

становления СОг и в результате на размерах восстановительной области. Влияние это не может быть значительным, поскольку

ширина восстановительной области представляет собой неболь­ шую долю общей зоны горения.

Статистическая обработка большого числа данных, получен­

в направлении увеличения или сохранения длины зоны неизмен­

ной [8]. Использованные для составления графиков рио. 55 данные группировались по постоянному содержанию влаги (1,0; 4,2; 16,5; 30,2 и 35,8 г/м3). Во всех случаях (кроме одного, когда содержание влаги составляло 16,5 г/м3) длина зоны горения увеличивалась или оставалась неизменной. Уменьшение длины окислительной зоны при содержании влаги 16,5 г!м3 связано, по-видимому, с действием других причин.

На основании исследования окислительной области на одной из доменных печей завода «Азовсталь» Д. В. Гулыга также приходит к выводу, что повышение температуры дутья не вызы­ вает сокращения окислительной зоны [36].

Автор полагает, что размеры окислительной зоны определя­ ются не только скоростью горения углерода, но также скоростью

80

и кинетической энергией дутья. При трактовке вопроса о влия­ нии температуры дутья на процесс горения обычно исходят из

того, что повышение температуры дутья вызывает соответствую­ щее повышение температуры в фурменных очагах горения.

•Однако температура очага, как указывает Д. В. Гулыга, зависит

Температура дутья, ‘С

6

Рис. 55. Зависимость длины окислительной зоны доменой печи КМК от температуры и влажности дутья:

/—18,1; 2—27,0; 3- -44.4

также и от количества окислительных элементов, от теплообмена

с соседними областями горна, от количества тепла, забираемого проходящими через разрыхленную зону материалами. Можно целиком согласиться с соображением Д. В. Гулыги о том, что в практических условиях плавки стремятся иметь определенный нагрев горна для поддержания необходимой температуры шлака и получения чугуна желаемого состава, поэтому повы

шение температуры дутья сопровождается увеличением тепловой нагрузки горна. Если температура зоны горения оста­ нется неизменной, то нельзя ожидать в конечном счете какого-

либо изменения в зоне горения.

Таким образом, ряд экспериментальных данных показывает,

что повышение температуры дутья не вызывает сокращения

окислительной зоны, следовательно, трактовка этого вопроса в современной теории доменного процесса нуждается в пере­

смотре.

Увлажнение дутья

Влияние увлажнения дутья на работу доменной печи было предметом исследований многих советских ученых.

Врезультате исследований доменной печи КМК А. Н. Редько

иВ. Ф. Кабанов пришли к выводу, что при дополнительной подаче пара зона горения увеличивается [35]. Следует, однако,

иметь в виду, что в период подачи пара в доменную печь посту­ пало значительно больше дутья, чем в период, когда печь рабо­ тала на дутье естественной влажности. Таким образом, причиной возрастания объема окислительной зоны могло быть и не

действие пара, а увеличение количества дутья.

Работа А. Н. Редько и В. Ф. Кабанова дала повод некого

рым советским металлургам считать, что при увлажнении ду­ тья зона горения удлиняется. Положительное действие увлаж­ нения дутья на ход доменных печей связывалось с возраста­ нием объема окислительной зоны, а увеличение зоны объяс­

нялось замедлением процессов горения, которое вызывалось во­ дяным паром.

В. Т. Басов установил, что глубина распространения кис­ лорода и углекислоты при обычном и увлажненном дутье практи­ чески одинакова [59]. Длина зоны горения по 2% СОг в первом случае составляла 1200, во втором — 1000 мм, т. е. была короче.

В противоречии со сказанным находится утверждение В. Т. Ба­ сова о том, что кислород влаги дутья переносится и реагирует с

коксом только в конце зоны горения и, таким образом, углубляет зону горения.

К иному выводу на основании исследований окислительной зоны при различном содержании влаги в дутье в печах заво­ да им. Дзержинского пришел Н. Н. Чернов [60]. Он нашел, что зона горения при увлажнении дутья не удлиняется, и выска­ зал предположение, что протяженность окислительной зоны

увеличивается в том случае, когда тепло, затрачиваемое на

диссоциацию водяного пара, не компенсируется нагревом дутья. Отметим, что условия работы доменных печей завода им. Дзер­ жинского, на которых велись исследования, значительно меня­

лись в отношении количества дутья и содержания влаги: на одной печи, например, расход дутья колебался от 3200 до

82

3500 мл1мин (или на 9%), а влажность от 18 до 28,5 г/нм? (или на 30—50%).

При статистической обработке большего числа данных по ис­ следованию окислительной зоны на печах КМК было констати­ ровано некоторое, очень небольшое, увеличение длины зоны при

повышении содержания влаги в дутье [8]. Авторы указывают, что это увеличение длины зоны нельзя приписать только влия­ нию увлажнения дутья, так как одновременно повышалась и его

температура, а следовательно и кинетическая энергия.

Опыты на доменной печи завода «Свободный сокол» дали большой материал для установления влияния увлажнения дутья на протяженность окислительной зоны [61]. В отличие от прежних

методов исследования, когда изучение влияния увлажнения дутья производилось в два смежных периода большой длительности

(один с низким содержанием влаги в дутье, другой — с высоким), состав газа в окислительной зоне исследовался через короткие промежутки времени (30 мин.) при обычном и повышенном коли­ честве влаги в дутье. Содержание влаги менялось по сравнению с обычно принятым (20 или 30 г/«л3) на 10—20 г/м3. Преимуще­ ство такого метода исследования заключается в том, что можно получить хорошо сравнимые данные о влиянии увлажнения ду­ тья за близкие промежутки времени, когда условия плавки оста­ ются практически постоянными. Часть опытов была проведена без возмещения тепла, требуемого на разложение дополнитель­

но введенной влаги, часть опытов —с возмещением тепла за счет повышения температуры дутья.

Результаты исследования приводятся в табл. 8. Для оценки влияния увлажнения дутья на характер процессов, совершаю­ щихся в горне доменной печи, использованы протяженность зо­ ны горения по содержанию 2% СО2 и 2% О2, местоположение точки, в которой содержится 30% СО, и местоположение мак­

симума СО2.

При повышении влажности дутья зона горения по 2% СО2 в 46% случаев увеличивалась, в 36% осталась без изменения и н 18% уменьшалась.

Такие же результаты получены и при определении длины зо­ ны горения по содержанию 30% СО в газе. Изменение величины окислительной зоны, как правило, не превышало 200 мм

(рио. 56). Такое изменение длины зоны является обычным да­

же при постоянных условиях плавки.

Скорость процесса горения может быть в известной степени определена по близости точек с максимальным содержанием СО2 и 30% СО от устья фурмы. 18% серий проб газа, отобран­ ных при увлажнении дутья, дали повышение скорости горения кокса, 55% — замедление и в 27% случаев скорость горения не менялась. Ускорение горения связано с повышением температу­ ры дутья (серии 1 и 2 см. табл. 8). В серии 4, когда температу­

ра дутья была повышена с 680 до 740°, ускорение образования

Таблица 8

Влияние увлажнени я дутья на длину окислительной зоны и скорость горения

СО не наблюдалось. В остальных случаях, когда температура

дутья не менялась, скорость горения кокса уменьшалась, что

может быть поставлено в связь с понижением температуры в

зоне горения при разложении влаги.

Водород в газе появляется в том месте окислительной зоны,

где происходит активное восстановление СОг за счет углерода кокса с образованием окиси углерода. Степень обогащения га­ за водородом находится в зависимости от суммы окислитель­ ных газов Ог и СО2 (рис. 57). Наибольшее содержание водоро­ да приходится па самую границу окислительной зоны, где газ уже не содержит кислорода и углекислоты.

На основании проведенных опытов можно считать установ­ ленным, что величина зоны горения при увлажнении дутья

84

(10—20 г)нм3) практически не меняется. При отсутствии воз­ мещения тепла, необходимого для разложения водяного пара,

процесс горения несколько замедляется. При возмещении теп ла процесс горения ускоряется.

Рис. 56. Длина зоны горения на доменной печи завода «Свободный сокол» при различном увлаж­ нении дутья

Рис. 57. Содержание водорода в газе из окислитель­ ной зоны в зависимости от содержания суммы

*Ог + СОг

Механизм действия паров воды на процесс горения углеро­ да не ясен. При повышении температуры выше 1000° наблю­ дается понижение скорости реакции взаимодействия между уг­ леродом и Н2О [62]. Имеются также указания на то, что скоро­ сти реакций

СО2 + С и Н2О + С

при высоких концентрациях СО2 и Н2 близки по выходу окиси углерода в широком интервале температур. С другой стороны, при низких концентрациях скорость реакции Н2О + С больше, чем реакции СО2 + С [9]. 3. И. Чуханов высказал гипотезу, что восстановление СО2 углеродом идет не непосредственно, а через

Н2 -[-СО2^±СО + Н2О.

Если предположения 3. И. Чуханова отвечают действитель­ ности, то наличие влаги в дутье должно способствовать уско-

85

рению процесса восстановления углекислоты. В этом случае

восстановительная область зоны горения должна несколько

■сократиться.

Таким образом, имеющиеся теоретические соображения так­ же не дают оснований для вывода о том, что пары Н2О должны

замедлять горение и тем самым вызывать увеличение того про­ странства, где оно совершается.

В связи с этим можно предположить, что благотворное влия­

ние увлажненного дутья объясняется не возрастанием объема окислительной зоны [58] и не уменьшением количества газов на

1 т чугуна [60].

При постоянном в единицу времени количестве дутья (а

оно даже несколько увеличивается при добавке водяного пара) скорости газов в столбе шихты сохраняются и поэтому подпор газами материалов остается без изменений; с этой стороны ни­

каких благоприятных условий для установления ровного хода добавка водяного пара не создает.

Другое объяснение благоприятному действию пара на ход доменной печи предложил И. П. Семик [68]. Он считает, что при введении в дутье водяного пара происходит выравнивание тем­ пературы в окислительной зоне. В результате этого не наблю дается той интенсивной возгонки кремния и его соединений SiO

и SiOs, которая происходит при плавке на дутье нормальной влажности, когда распределение температур в окислительной зоне неравномерно. Возгоняющиеся окислы уносятся потоком газов в вышерасположенные горизонты, где конденсируются на

менее нагретых материалах. Конденсат забивает проходы для

газа в промежутках между кусками шихты, что и вызывает

подвисание материалов. При увлажнении дутья вследствие уменьшения возгонки окислов описанное явление закупорки проходов между кусками происходит в ограниченной степени.

Нам представляется, что объяснение И.П. Семика также не

отвечает действительному ходу процессов. Возгонка SiO и SiO2 в окислительной зоне происходит во всех случаях плавки, в том числе и при очень горячем ходе (например, при плавке на высо­

кокремнистые марки чугуна), не отражаясь на ровности хода

печи. Выравнивание температуры в окислительной зоне и, еле довательно, ее понижение при вводе пара в горн не может быть столь существенным, чтобы отразиться сколько-нибудь замет­ ным образом на интенсивности испарения окислов кремния и других металлов. Кроме того, возгоняющиеся окислы проходят через непрерывный поток шлака, поступающего в горн сверху, температура которого ниже температуры газов, и поэтому зна­ чительная часть испарившихся окислов должна поглотиться струями шлака.

Объяснение благоприятного действия увлажненного дутья,

видимо, следует искать в том охлаждающем действии, которое

проявляется при разложении водяных паров вблизи границы

86

окислительной зоны. Понижение температуры в этом месте способствует уменьшению объема и скорости газов. Это обусло­ вливает уменьшение подпора газами шихты, в результате чего устанавливается ровный ход доменной печи. Такое действие увлажнения дутья проявляется в том случае, когда необходи­ мое при разложении водяных паров тепло не возмещается пол­ ностью нагретым дутьем. Как показывает опыт КМК, при не­ полном возмещении расхода тепла на разложение влаги до­ стигается значительное повышение интенсивности доменной плавки, при этом относительный расход кокса несколько умень­ шается.

Кинетическая энергия дутья

Длина зоны циркуляции, как установлено выше (см. гл. 3),

зависит в, основном от величины кинетической энергии дутья. В практических условиях доменной плавки это влияние не всегда ясно выражено. В одной из недавно опубликованных ра­ бот [8] приводятся построенные на основании большого числа данных, полученных на доменных печах КМК, диаграммы, из которых следует, что изменение кинетической энергии не влияет

на длину окислительной зоны (рис. 58 а, б).

Для построения аналогичной диаграммы по данным 1955 г. уточнили показания контрольно-измерительных приборов, не­

обходимые для подсчета величины кинетической энергии дутья. Расположение полученных для печи А точек выявило некото­

рую тенденцию к расширению окислительной зоны с увеличе­

нием кинетической энергии дутья (рис. 58, в).

Авторы работы объясняют постоянство длины окислитель­ ной зоны при значительном (часто в два раза) изменении кине­ тической энергии дутья тем обстоятельством, что размеры фор­ мирующейся у фурмы зоны циркуляции зависят не только ос величины кинетической энергии дутья, но и от ряда других фак­ торов, например, от проницаемости столба шихты, распределе­ ния газового потока по поперечному сечению печи (наличия или отсутствия каналов) и т. п. Если путем сочетания известных технологических условий и воздействий на работу печи (режима

дутья, величины коксовой колоши, системы загрузки, уровня засыпи и т. д.) успешно поддерживается ровный ход доменной

печи, то размеры окислительной зоны практически не должны изменяться. При нарушениях же хода можно ожидать заметно­ го отклонения размеров окислительной зоны от обычных. Ав­ торы считают, что улучшение условий работы печи должно со­ провождаться, при сохранении размеров окислительной зоны,, уменьшением колебаний между минимальными и максималь­ ными значениями кинетической энергии. Для иллюстрации сво­

его мнения авторы указывают, что в 1950 г., когда условия ра-' боты печей были недостаточно постоянными, величина кинети­ ческой энергии дутья колебалась от 1700 до 3700 кгм!сек-,

87

Кинетическая энергия дутья, кгм/сек

Рис. 58. Длина окислительной зоны по СО2 (2%) ■в доменных печах КМК при различных значениях кинетической энергии дутья:

а печь А (1950 г., 72 опыта); б — печь Б (1950 г., 100

опытов); в — печи В и А (1955 г.)

в 1955 г., когда условия работы стали более постоянными, ин­ тервал колебаний сократился до 2300—3300 кгм!сек,. При этом

длина окислительной зовы практически не изменилась, остава­ ясь в пределах 1000—1250 мм, несмотря на значительный рост температуры дутья и его давления (в связи с переходом на повы­ шенное давление газов). Если один из этих факторов дейст­ вовал в сторону увеличения кинетической энергии дутья (по­ вышение температуры), то второй (рост давления дутья) спо­ собствовал ее уменьшению.

Рис. 59. Длина окислитель­ ной зоны при различных зна­ чениях кинетической энергии дутья (печь завода им. Дзер­ жинского) :

• — по 2% О2; Q — по 2% СО2

Кинетическая энергия дутья, кгм/сен

Данные, полученные в 1955 г. при исследовании окислитель ной зоны доменной печи завода им. Дзержинского ', дают бо­ лее определенную зависимость между длиной зоны горения и величиной кинетической энергии дутья по 2% О2 и менее опре­ деленную по 2% СО2 (рис. 59). Изменение кинетической энер­ гии дутья происходило в основном за счет изменения количе­

ства дутья. В этом случае можно ожидать увеличения кисло­ родной области окислительной зоны и уменьшения восстанови

тельной области. Поэтому общее изменение длины окислитель­

ной зоны по 2% СО2 при значительном изменении кинетической энергии (с 3500 до 5500 кгм!сек) оказалось небольшим.

В этой связи возникает представление, что действие кинети­ ческой энергии дутья на величину окислительной зоны зави­

увеличению кислородной зоны. Однако на величину восстано­ вительной области он может влиять различно, в зависимости от