4. Обогащение дутья кислородом

О целесообразности обогащения дутья кислородом еще в 1869 г. высказывался Д.И.Менделеев, а в 1876 г. – Г.Бессемер. Практическая реализация этой идеи стала возможной лишь в 30–40-х годах нашего столетия, когда появились достаточно крупные машины для разделения воздуха на кислород и азот. Полупромышленные опыты по применению кислорода в доменном производстве были проведены в 1932-1933 гг., а промышленные- в 1939-1941 гг. Современный способ получения газообразного кислорода описан во II части учебника (§ 3, гл. 2).

В настоящее время при выплавке передельного чугуна применяют обогащенное дутье с содержанием кислорода не

132

более 24-26%, а в сочетании с вдуванием углеводородов -до 30-35 %. Такое ограничение содержания кислорода в обогащенном дутье объясняется тем, что его применение сопровождается как положительными, так и отрицательными последствиями для доменного процесса.

При увеличении содержания кислорода в дутье наблюдаются следующие изменения в доменном процессе:

1. В связи со снижением доли азота в обогащенном дутье, уменьшается объем дутья на единицу сжигаемого у фурм углерода кокса и, соответственно, объем образующихся при этом горновых газов.

2. Значительно возрастает температура в горне (в связи с уменьшением объема продуктов горения, на нагрев которых расходуется тепло сгорания топлива).

3. В горновых газах вследствие уменьшения доли азота заметно повышается концентрация газа восстановителя СО.

4. Благодаря уменьшению количества горновых газов уменьшается перепад давления между горном и колошником.

5. Происходит перераспределение температур по высоте печи – охлаждение ее верха при росте температур в горне.

Для иллюстрации сказанного выше приведем результаты расчета показателей горения кокса (на 1 кг углерода) в горне при температуре дутья 1000 °С (примеры выполнения подобных расчетов приведены в п. 2, § 7):

Содержание кислорода в дутье, % 21 25 30 40 Потребность в дутье, м³ ... 4,38 3,70 3,09 2,33 Выход горновых газов, м³ . . 5,33 4,66 4,04 3^27 Теоретическая температура горе ния, °С 2120 2280 2480 2860

Содержание СО в газе у фурм, % 35,0 40,0 46,2 57,1

Основным преимуществом обогащенного дутья является то, что благодаря уменьшению объема горновых газов и перепада давления между горном и колошником, можно увеличить расход дутья в единицу времени, т.е. сжигать в единицу времени больше кокса и, соответственно, повысить производительность печи. При содержании кислорода в дутье в пределах от 21 до 24-25 % каждый дополнительный 1 % О₂ в дутье может дать повышение производительности на 2–3 %. Кроме того, повышение концентрации СО в газах увеличивает сте-

133

пень косвенного восстановления оксидов железа, способствуя снижению расхода кокса.

Вместе с тем, чем выше степень обогащения дутья, тем сильнее проявляются отрицательные последствия его применения, связанные^ прежде всего с перераспределением температур по высоте печи. При повышении температур в горне, в нем, как ранее отмечалось, восстанавливается больше кремния и марганца, сильнее также нагреваются материалы, т.е. избыточное тепло в значительной степени расходуется в самом горне. Благодаря этому, а также из-за уменьшения объема горновых газов они уносят в верх печи меньше физического тепла, т.е. возникает перераспределение температур в печи– охлаждение верха при повышенной температуре горна. В результате шихта поступает в нижние горизонты печи менее нагретой, ниже располагается зона размягчения шихты и шлакообразования, и в сужающиеся заплечики приходят твердые и слаборазмягченные массы, что может привести к заклиниванию материалов, их подвисанию и последующим осадкам. Подвисаниям способствует также снижение газопроницаемости шихты, вызываемое тем, что при повышенных температурах в горне происходит возгонка монооксида кремния SiO, который конденсируется в зонах с температурами ниже 1600 °С, заполняя пустоты между кусками шихты и препятствуя проходу по ним газов. По этим причинам уже при содержании кислорода в дутье 23–25 %, как правило, начинаются нарушения ровного схода шихты. Это не позволяет вести плавку передельного и литейного чугуна на дутье, обогащенном кислородом выше 24–25 % без использования других добавок к дутью.

Указанные недостатки обогащения дутья кислородом можно значительно уменьшить, если в печь дополнительно вдувать газообразные или жидкие углеводороды (см. ниже).

Эффективным оказалось применение обогащенного кислородом дутья на печах, выплавляющих ферромарганец. При его выплавке на воздушном дутье наблюдается перегрев верха печи (см. п. 2 § 3), и для восстановления марганца необходимо много тепла и высокие температуры в горне и в районе горна. Обогащение дутья кислородом вызывает необходимое в этом случае перераспределение температур – верх печи охлаждается, а тепло концентрируется в горне. При обогащении дутья кислородом до 30–35 % достигается увели-

134

чение производительности печи примерно в два раза и снижение расхода кокса на 15-25 %.