Глава 1.1. Газодинамика доменного процесса

Раздел I. Теория доменной плавки

Глава 1.1. Газодинамика доменного процесса

1.1.1. Противоток шихтовых материалов и печных газов в доменной печи

Доменная печь является противоточным агрегатом. В нижнюю ее часть подается дутье (воздух), необходимое для сгорания горючего. Образовавшийся газ движется вверх, а навстречу ему опускаются шихтовые материалы, которые загружаются в верхнюю часть печи. Материалы опускаются под собственным весом, а дутье подается воздуходувками под давлением, достаточным для преодоления сопротивления столба шихты и зоны когезии. В этой зоне твердые частицы через различные стадии размягчения переходят в жидкое состояние (чугун и шлак).

В нормально работающей печи сумма сил, направленных вверх, меньше сил тяжести шихтовых материалов. Разность этих сил называют активным весом шихты Р_а, который равен [1]:

Р_а = Hγ_н – (∆P + F₁ + F₂), (1.1)

где Н - высота столба шихты, м; γ_н - насыпной вес сыпучих материалов в исходном и переходном состояниях по высоте столба шихты, Н/м²; ∆Р - потери давления газового потока, Н/м²; F₁ - полное сопротивление сил трения, Н/м²; F₂ - давление выталкивания столба шихты, частично погруженного в слой чугуна и шлака, Н/м².

Полное сопротивление сил трения состоит из силы внешнего трения сыпучих материалов. Рассчитать Р_а, по формуле 1 практически невозможно, но он зависит от ∆Р, т.к. при неизменных шихтовых условиях и установившейся работе печи значения Hγ_н, F₁, и F₂ практически постоянные или изменяются незначительно. Следовательно движение шихты происходит до определенной величины ∆Р. Превышение некоторого критического значения ∆Р обуславливает приближение активного веса к нулю, при этом плавное опускание материалов нарушается, возникают подстои и подвисания шихты. Для устранения подстоев и подвисаний материалов снижают дутье, количество горновых газов уменьшается и снижается ∆Р.

Дутье подается в периферийную зону печи, что обуславливает большую возможность движения газового потока вдоль стен печи. Этому же способствует и меньшее сопротивление потоку газов гладкой поверхности стен по сравнению с сопротивлением зернистого слоя шихтовых материалов. Кроме того, при переходе твердых материалов в жидкие продукты плавки значительно уменьшается объем. Дальнейшее снижение объема твердой шихты происходит при сгорании кокса.

Все указанные особенности доменной плавки обусловили сложный профиль печи, представленный на рис. 1.1. Верхнюю цилиндрическую часть 1 называют колошником, он предназначен для загрузки шихты загрузочным устройством 2. Кроме того, на колошнике через газоотводы 3 отводятся печные газы. Коническая шахта 4 облегает опускание шихты при расширении кусковых материалов в результате нагрева. Ниже располагается цилиндрический распар 5, в котором происходит дальнейший нагрев кокса (расширение объема шихты) и плавление рудной составляющей (уменьшение объема шихты). Поскольку объем коксовой части шихты примерно равен объему рудной части, то общий их объем в распаре практически не меняется. За распаром располагаются сужающиеся книзу заплечики 6, так как продолжается переход твердых материалов в жидкие продукты и происходит горение кокса 7 в верхней части горна 13, а также образование чугуна и шлака на горизонтах 8 и 9. Углы наклона шахты и заплечиков строго определены для различных условий плавки и составляют для современных печей соответственно 83-84⁰ и 79-80⁰. Подачу дутья осуществляют через воздушные фурмы 10, и выдачу жидких продуктов плавки через соответствующие летки чугунную 11 и шлаковую 12.

Конфигурация указанного на рис. 1.1 профиля доменной печи обеспечивает ровный сход шихтовых материалов в условиях их нагрева и расширения объема в шахте, а затем уменьшения объема шихты при переходе в распаре и заплечиках из твердого в жидкое состояние и сгорание кокса в верхней части горна. Из рисунка видно, что сужающиеся книзу заплечики снижают газовый поток вдоль стен печи, этому же способствует напор дутья на фурмах и большая газопроницаемость шихты в центральной зоне. Дутье предварительно нагревают до 1100-1350 ⁰С и часто обогащают кислородом и водородсодержащими добавками. При сгорании кокса и водородсодержащих добавок температура печных газов возрастает до 1700-1800 ⁰С, а в фокусе горения кокса до 2000-2200 ⁰С. При движении вверх газовый поток нагревает сначала жидкие продукты плавки и кокс, а затем твердые железорудные частицы. Наряду с теплообменом между материалами шихты и газом происходит и восстановление оксидов железа и других металлов. Использование тепловой и восстановительной способности печных газов, а следовательно и экономичность процесса, во многом зависит от степени рациональности распределения материалов и газов по сечениями печи. Существенную роль при этом играют различные конструкции загрузочных устройств, а также технология загрузки коксовой и рудной составляющих шихты. Очень часто доменные печи одинаковой мощности, работающие в одинаковых сырьевых и дутьевых условиях, имеют существенные различия в производительности, качестве чугуна и в расходе кокса на единицу выплавляемой продукции.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, куда также входят кремний, марганец, сера, фосфор и др. металлы, если их оксиды имеются в шихте. Различают три основных вида чугуна: передельный, перерабатываемый в сталь; литейный - для отливки готовых изделий; ферросплавы - используются для раскисления стали. Наряду с полезными окислами в шихтовых материалах содержатся также балластовые оксиды (пустая порода) СаО; MgO; Al₂O₃, SiO₂, которые в зоне когезии переходят в расплавленное состояние - шлак. Для снижения температуры плавления шлака в шихту добавляют флюс - известняк или доломитизированный известняк. Очень редко при основной пустой породе (избыток CaO и MgO) в качестве флюса используют речной песок или бедные железные руды с большим содержанием SiO₂.

Таким образом, продуктами доменной плавки являются жидкие чугун и шлак, а также колошниковый газ, в котором содержатся монооксид и диоксид углерода, водород, азот и водяной пар.

В связи с большой сложностью газодинамических, восстановительных, массо- и теплообменных процессов, а также физико-механических условий распределения и движения твердых материалов в печи, перехода их в жидкое и газообразное состояние, изучение всего комплекса вопросов в совокупности, как это имеет место в реальных условиях плавки, невозможно. Поэтому в настоящем учебнике теория и технология доменного процесса представлены для изучения в виде отдельных разделов процесса. При этом указанные отдельные разделы, например газодинамика доменной плавки, в свою очередь также являются весьма сложными и их изучение начинается с самых простых задач с усложнением их по мере усвоения элементарных понятий.