1.1.3. Особенности газодинамики столба шихты в реальных условиях доменной плавки

Реальный слой сыпучих материалов доменной плавки отличается от зернистого слоя из шаров большим разнообразием форм и размеров частиц и кусков. Во многом отличается и газодинамика этого слоя., вследствие изменения конфигурации и извилистости каналов, характера сужений и расширений локальных потоков и струек газа.

Несмотря на существенные различия указанных слоев сыпучих материалов, газодинамические характеристики реального слоя можно определить по формуле (1.10). При этом величина d_э.к., ε и Ψ будут другими. Эквивалентный диаметр шаров заменяют эквивалентным диаметром частиц. Для доменной шихты в печи, ε = 0,5, тогда из формулы (1.9) d_э.к.= 0,5Фd_э.ч./(1-0,5) = d_э.ч.Ф, т.е. размеры поровых каналов примерно соответствуют размерам частиц слоя. Фактор формы для реального слоя из агломерата и кокса величина переменная и его следует учитывать в комплексе всех переменных параметров, тогда d_э.ч.d_э.к.. Наиболее целесообразно для условий доменной шихты d_э.ч. определять с учетом объемных долей загружаемых фракций материалов [4, 8]

(1.13)

где V_i - объемная доля i -той фракции, доли ед., d_i - средний диаметр частиц i-той фракции, м.

Объемные доли различных фракций удобнее заменить массовыми долями (G, кг), тогда уравнение (1.13) после несложных преобразований можно записать в виде

(1.14)

где γ_i - насыпная плотность i-той фракции, кг/м³; G_i - масса i-той фракции, кг.

Коэффициент сопротивления реального слоя Ψ_c, зависит в основном от таких переменных величин, как коэффициент трения (λ), местных сопротивлений (Ψ"), степени извилистости каналов (l/Н), l - длина каналов, м, коэффициента их сужений и расширений (ζ), фактора формы (Ф)

Многочисленные попытки определить математическую зависимость влияния указанных факторов на Ψ_с, не увенчались успехом, поэтому его определяют из формулы (1.10):

. (1.15)

Из уравнения (1.15) порозность слоя (ε_с) отличается от порозности слоя из шаров. На рис. 1.4 представлено изменение ε_с от объемной доли мелочи (m). Для определения порозности при m < 0,4, т.е. практически для всех доменных шихт, применяют универсальную формулу [3]

(1.16)

где ε_max - максимальная порозность реального слоя 0,53-0,52 для нашего случая (рис. 1.4).

В уравнении (1.16) не учитывали влияние на порозность слоя других (кроме мелких и крупных частиц) фракций материалов. Это вполне допустимо, т.к. исследования показали, что даже большие изменения в фракционном составе сыпучих материалов (без мелочи) мало влияют на их порозность [3, 9, 10, 11]. На рис. 1.5 показано изменение Ψ_с, определенного из формулы (1.15). Видно, что при увеличении объемной доли мелких фракций до 0,2 значение Ψ_с. резко возрастает до максимума, который в 3-4 раза больше первоначальной величины (рис.1.5, а). Одновременно уменьшается порозность слоя, поэтому ∆Р увеличивается в 5-7 раз (рис.1.5, б) по сравнению с первоначальным (без мелочи). При дальнейшем добавлении мелочи Ψ_с снижается примерно с той же скоростью и почти до той же первоначальной величины. Порозность слоя при этом продолжает уменьшаться, поэтому ∆Р растет, но с меньшей интенсивностью. Если продолжать увеличивать долю мелочи сверх 0,4, то Ψ_с снова растет, но гораздо медленнее, поскольку одновременно увеличивается порозность слоя. При m > 0,6 влияние повышения порозности больше нежели роста Ψ_с и ∆Р снижается с увеличением m. При одинаковой порозности крупных и мелких частиц сопротивление слоя из крупных кусков в 13-15 раз ниже, чем в слое мелочи, т.к. примерно во столько же раз разнится для них Ψ_с.

В условиях расширяющейся шахты и противотока шихты и газов происходит значительное разрыхление материалов. Порозность слоя увеличивается и ∆Р снижается. Существуют различные точки зрения по поводу истинных размеров снижения ∆P в указанных условиях. Очевидно, главным является соотношение между крупными и мелкими частицами и величиной доли последних, а также скоростным напором газового потока и скоростью опускания шихты. Поэтому при неравномерном распределении материалов и газов по окружности и радиусу доменной печи, что более подробно будет рассмотрено в следующем подразделе, снижение ∆Р в противотоке колеблется в пределах от 18 до 32% [3, 12, 13].

В реальных условиях доменной плавки шихтовые материалы при загрузке перераспределяются, что во многом предопределяет потери напора по высоте печи. При этом распределение материалов и газов зависит не только от гранулометрического состава материалов, но и от конструктивных особенностей загрузочных устройств (ЗУ). В типовых ЗУ ссыпание шихты на колошник печи происходит с конуса (рис. 1.1) и материалы сначала попадают на периферию колошника, а затем по сужающейся поверхности засыпи пересыпаются в промежуточную и центральную зоны. Это способствует сегрегации шихты по крупности, а значит и изменению газопроницаемости столба шихты. Порозность слоя при загрузке с конуса (ε_к) можно определить по эмпирическим формулам [3]

(1.17)

(1.18)

Если подставить значения ε_к, в уравнение (1.15), то получим значения коэффициента Ψ_C.K. для зернистого слоя при загрузке сыпучих материалов с конуса

. (1.19)

Потери напора при загрузке с конуса можно определить из формулы (1.10), если подставить в нее значения ε_к и Ψ_с.к. из уравнений (1.17) и (1.19)

(1.20)

Потери напора определенные по формуле (1.20) значительно ниже, нежели ∆Р для слоя с равномерной загрузкой и определяемой по уравнению (1.10). Если к этому добавить снижение ∆Р еще на 18-32% из-за противотока шихты и газов, то станет ясным, почему в доменной печи в сухой зоне материалов потери напора намного ниже по сравнению с зернистым слоем для условий уравнения (1.10).