Расчет показателей, характеризующих газодинамические процессы в доменной печи. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Теория и техноло

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра металлургии

Расчет показателей, характеризующих газодинамические процессы в

доменной печи

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к курсовой работе

по дисциплине «Теория и технология доменной плавки»

В.Н. Титов

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

УДК 669.16 (07)

Т 454

Рецензент – В.Г. Михайлов, канд. техн. наук, доц.

Титов, В.Н.

Т454 Расчет показателей, характеризующих газодинамические процессы в доменной печи [Текст]: методические указания к курсовой работе по дисциплине «Теория и технология доменной плавки» / В.Н. Титов. –

Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета. - 2014. – 44 с.

Рассмотрены методики расчета показателей, характеризующих газодинамические процессы в доменной печи.

Методические указания предназначены для студентов 4 курса металлургического института направления 150400 «Металлургия»,

обучающихся по профилю «Металлургия черных металлов», изучающих дисциплину «Теория и технология доменной плавки».

Табл. 1. Ил. 8. Библиогр.: 4 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический

университет», 2014

2

3

1.Движение шихтовых материалов и жидких продуктов плавки в печи

1.1.Движение шихтовых материалов

Опускание шихтовых материалов в доменной печи с колошника в горн происходит под действием силы тяжести в противотоке с поднимающимися из горна газами — продуктами горения топлива в фурменных зонах и газообразных продуктов реакций прямого восстановления железа и трудновосстановимых элементов, протекающих за пределами фурменных зон.

Опускание загружаемых на колошник шихтовых материалов происходит в связи с освобождением пространства в нижней части печи вследствие следующих основных процессов:

1.Окисление углерода кокса кислородом дутья и содержащихся в нем паров воды, а также кислородом оксидов железа, кремния, марганца и некоторых других элементов, которые восстанавливаются углеродом кокса.

2.Окисление углерода в реакции газификации С + СО2 = 2СО.

3.Расход углерода на науглероживание железа и образование чугуна.

4.Расплавление железорудных материалов, флюсов и золы кокса с образованием чугуна и шлака, объем которых почти в 3,5 раза меньше объема материалов, из которых они образуются.

5.Механическая уминка сыпучих материалов в шахте доменной печи в результате перколяции мелких фракций агломерата и окатышей в свободные

межкусковые промежутки в нижележащих слоях крупнокусковых материалов,

преимущественно кокса.

Роль каждого их этих процессов в освобождении пространства в нижней части печи и в обеспечении за счет этого опускания материалов различна и непосредственно связана с условиями работы печи и характеристикой шихтовых материалов. Так, влияние процесса окисления кокса в реакциях горения и восстановления железа на скорость опускания материалов уменьшается пропорционально расходу вдуваемого в фурмы топлива и коэффициенту замены этим топливом кокса. Особенно сильно влияет на

4

уменьшение скорости опускания материалов вдувание пылеугольного топлива с низким содержанием золы и летучих веществ, а также мазута. В минимальной степени влияет на скорость опускания материалов вдувание коксового газа,

имеющего минимальный коэффициент замены кокса.

Уменьшение реакционной способности кокса и повышение его горячей прочности уменьшают роль второго фактора.

Уменьшение удельного расхода кокса и повышение содержания углерода

вчугуне вследствие различных причин повышают значимость третьего фактора. Одновременное уменьшение удельного расхода кокса приводит к увеличению объемной доли железорудных материалов в шихте и повышает роль их плавления в опускании шихты. Однако повышение содержания железа

вофлюсованной шихте и уменьшение выхода шлака вследствие этого действуют в противоположном направлении на скорость опускания шихты в печи.

Уменьшение объема шихтовых материалов в печи в результате ме-

ханической уминки может достигать 12-16% в зависимости от состава доменной шихты и гранулометрического состава ее компонентов. Например,

при работе печи на 100% окатышей, диаметр которых составляет 9-16 мм, а

средний размер кусков кокса – 50-55 мм, состав шихты можно считать двухкомпонентным по размеру. Порозность двухфракционных смесей сыпучих материалов сферической формы экстремально уменьшается при приближении доли мелкого компонента к 30-35% (см. рис. 1).

В зависимости от расхода вдуваемого топлива рудная нагрузка на такой печи может составлять 3,5-5,2, а объемная доля окатышей (мелкого компонента) – 45-60%. В результате перколяции окатышей в нижележащие слои кокса порозность таких смесей может уменьшиться на 20-25%.

Агломерат – основной компонент в шихте большинства доменных печей – сам является многофракционным материалом, но средняя крупность кусков агломерата меньше крупности кусков кокса, и агломерат также может,

просачиваясь в нижележащие слои кокса, образовывать промежуточные слои с

5

пониженной порозностью. По данным В.П. Тарасова, проводившего эксперименты по определению порозности слоя из смесей агломерата и кокса,

минимум порозности таких смесей приходится на объемную долю агломерата в них, равную 45-50%. Такая доля агломерата отвечает значениям рудной нагрузки 3-3,2, характерной для печей, работающих на относительно бедном агломерате с низким расходом вдуваемого топлива.

Рис.1. Зависимость порозности слоя двухфракционной смеси сыпучих материалов от объемных долей и отношения диаметров кусков мелкой и крупной фракций

В нижней части шахты после нагрева и частичного восстановления железорудных материалов от гематита до магнетита они разрушаются с образованием мелких фракций, которые также способны благодаря процессам перколяции уменьшать порозность слоя материалов, обеспечивая их механическую уминку. По результатам зондирования доменной печи завода в

6

Фос-сюр-Мер (фирма Sollac), проведенного ИРСИДом, на расстоянии 14 м под уровнем засыпи, в пробах, извлеченных из печи, при массовой доле агломерата

80% (включая кокс, руду и окатыши) 40% агломерата было представлено фракциями <2 мм, 25% — фракциями 2-5 мм и почти 15% — фракциями

5-10 мм. При общей доле окатышей в шихте около 8% больше половины их представлены фракциями >10 мм. Куски кокса крупностью >40 мм на этом горизонте составили только около 1/3 общей массы кокса. Этот эксперимент подтверждает сложный механизм уминки шихтовых материалов в доменной печи при их опускании от колошника до зоны плавления.

Рассмотрим основные факторы, влияющие на сход шихтовых материалов в доменной печи, с использованием схематичного изображения структуры столба шихты в печи от уровня засыпи до лещади (см. рис. 2).

Силе тяжести, под действием которой происходит опускание шихтовых материалов в доменной печи, противодействуют по меньшей мере три силы,

противоположно направленные: сила трения шихтовых материалов о стенки печи; подъемная сила газового потока, пронизывающего столб шихты и теряющего свою потенциальную энергию на противодействие опусканию шихты; подъемная сила жидких продуктов плавки (Архимедова сила).

Последняя всегда присутствует на доменных печах с большой глубиной зумпфа, работающих с большими временными интервалами между выпусками

(печи с «плавающим» коксовым тотерманом). Схема баланса сил, действующих на коксовый тотерман в нижней части печи (по Дж. Поверомо), приведена на рис. 3.

7

Рис. 2. Схематичная структура столба и основные зоны когезии:

1 – W-образная зона когезии; 2 – V-образная зона когезии; 3 – чугун; 4 – шлак; 5 – зона неподвижного слоя кокса (коксовый тотерман); 6 – зона подвижного слоя кокса (подвижная коксовая насадка); 7 – зона когезии; 8 – зона кусковых материалов («сухая» часть шахты); 9 –

слои железорудных материалов в пластичном состоянии в зоне когезии; 10 – слои кусковых железорудных материалов в сухой части шахты; 11 – слои кокса в сухой части шахты;

12 – слои кокса в зоне когезии («коксовые окна»); 13 – зона циркуляции

8

Рис. 3. Схема баланса сил, действующих на плавающий коксовый

тотерман в нижней части печи:

1 – сила тяжести столба шихты; 2 – подъемная сила газового потока;

3 – подъемная сила жидких продуктов плавки; 7 – чугунная летка

На положение коксового тотермана относительно днища лещади значительное влияние оказывает отношение диаметров горна и внешней границы торообразной зоны циркуляции в горне. При примерно одинаковой протяженности зоны циркуляции в глубь горна относительная площадь поперечного сечения кольцевой зоны циркуляции (по отношению к площади горна) увеличивается с уменьшением диаметра горна. Уменьшение давления газа от фурм к центру печи уменьшает подъемную силу газов в направлении от границ зоны циркуляции к центру печи. В результате на печах с меньшим диаметром горна действие этой силы в большей мере противодействует опусканию коксового тотермана в центре печи на днище лещади. На печах с большим диаметром горна подъемная сила газов в центральной зоне печи существенно меньше, чем на периферии, и это позволяет коксовому тотерману опускаться на днище лещади, особенно при недостаточной глубине зумпфа

(см. рис. 4).

9

Рис. 4. Положение коксового тотермана в горне в зависимости от его диаметра:

1 – зона циркуляции; 2 – шлак; 3 – металл

По мере накопления продуктов плавки в горне после окончания очередного выпуска на печах с «плавающим» тотерманом величина подъемной силы жидких продуктов плавки, действующая на коксовый тотерман,

возрастает, что приводит к его подъему. В результате скорость опускания мате-

риалов в печи заметно уменьшается не только за счет этой противодействующей силы, но и за счет того, что в фурменных очагах при этом начинает сгорать часть кокса, поступающего в них из коксового тотермана снизу. Это приводит к уменьшению сгорания в фурменных очагах кокса,

поступающего в них сверху.

На печах с малой глубиной зумпфа и большим диаметром горна

(с «сидящим на лещади» тотерманом при любом уровне жидких продуктов в горне) или на печах с большой глубиной зумпфа (с «плавающим» тотерманом),

но работающих с незначительными временными интервалами между выпусками (практически с непрерывным выпуском), данная сила почти отсутствует.

10