Дутьевой и газовый режимы. Регулирование снизу

Количество дутья

Необходимое условие ровного и экономичного хода доменной пета- -равномерное распределение газов по поперечным сечениям на всех горизонтах--зависит не только от характера распределения и качества шихтовых материалов» но и от относительного «количества образующихся газов. Для равномерного проникновения газов во все участки поперечных сечений печи необходимо, чтобы они имели соответствующий напор (давление), определяемый их количеством на единицу площади данного поперечного сечения. В свою очередь количество газов зависит от сожженного горючего и от количества дутья в единицу времени. При недостаточном количестве и слабом напоре газов проникновение их во все участки затруднится или даже станет невозможным, обработка шихтовых материалов будет неполной, а результаты плавки невысокими. Вот почему количество дутья должно быть по возможности большим, но не выше того предела, за которым начинается неровный и, следовательно, неэкономичный ход печи.

Предельное количество дутья не лимитируется пока процессами восстановления руды и теплообмена между шихтой и газами. Оно зависит в настоящее время главным образом от газопроницаемости столба шихтовых материалов, в свою очередь определяемой качеством шихты, вязкостью и количеством шлака, заполняющим промежутки между твердыми кусками, и выбранным режимом загрузки. Кроме газопроницаемости, на предельное количество вдуваемого воздуха в значительной мере влияет профиль печи, в частности углы наклона стен шахты и заплечиков. Чем меньше угол наклона стен шахты и больше угол наклона заплечиков, тем меньшее сопротивление они оказывают спускающемуся столбу шихтовых материалов и тем выше оптимальный предел дутья. Однако следует иметь в виду, что очень малый угол наклона стен шахты и очень большой угол заплечиков (в пределе равный 90°) приводят к сильно развитому периферийному ходу.

Совещание доменщиков еще в 1946 г. рекомендовало вдувать не менее 2,0 м³ воздуха в минуту на каждый кубический метр полезного объема печи при работе на неподготовленных рудах и 2,4 м³ на подготовленных. С тех пор условия доменной плавки значительно изменились. Большая часть доменных печей работает на повышенном давлении газов, на дутье высокого нагрева и постоянной влажности, на офлюсованном агломерате. Печи Центра и Юга работают с применением природного газа, а некоторые из них—с применением кислорода. Вошли в строй и успешно эксплуатируются мощные доменные печи объемом 1719 и 2002 м³. Фактический относительный объем дутья за последние годы (например, за 1961 г.) колеблется в широких пределах: от 1,8—2,0 м³/ м³ объема печи (самые большие печи) до 2,6— 2,8 м³/ м³ (малые печи Серовского комбината).

Постоянное максимально возможное количество дутья, так же как и постоянное высокое качество шихтовых материалов,— важнейшее условие экономичного хода доменной плавки. Оно устанавливается опытным путем и к его уменьшению (например, при ликвидации канального хода) на некоторых заводах прибегают в тех редких случаях, когда все другие меры (регулирование снизу и сверху) не дали положительного результата.

Диаметр и высов фурм

Диаметр и высов фурм являются средствами регулирования хода доменной лечи снизу. В тех случаях доменной плавки, когда центральная часть горна работает слабо, осевой поток газов развит недостаточно, а увеличение количества и давления дутья для активизации осевой части печи вызывает неровный ход, целесообразно углубить фурмы в печь или уменьшить их диаметр.

Наоборот, когда осевой газовый поток излишне развит, а уменьшение количества и давления дутья для создания лучших условий периферийного хода приводит к снижению производительности печи, полезно уменьшить высов или увеличить диаметр фурм. Обыкновенно к этим мерам прибегают тогда, когда приемы регулирования сверху не дают длительного положительного эффекта.

Большое значение для экономичного хода доменной печи имеет равномерное поступление дутья по отдельным фурмам. В настоящее время в СССР на нескольких доменных печах испытывается конструкция регуляторов и разрабатывается режим их автоматической работы. В 1962 г. подобная система регулирования внедрена на двух печах КМК. Разница расходов дутья между отдельными фурмами уменьшилась в 2—3 раза, производительность печи увеличилась на 1,68%, расход кокса снизился на 0,8%.

Температура и влажность дутья

Оптимальную температуру и влажность дутья устанавливают, как и объем дутья, практическим путем в соответствии с видом выплавляемого чугуна, качеством шихтовых материалов, количеством вдуваемого восстановительного газа. или жидкого топлива и мощностью воздухонагревателей. Вообще говоря, оптимальные значения температуры дутья, тем выше, а влажность дутья тем ниже, чем горячее выплавляется чугун, чем лучше подготовлены шихтовые материалы (чем выше их газопроницаемость) и чем больше вдувается в печь природного газа.

За последние годы температура горячего дутья заметно выросла и наметилась тенденция к значительному сокращению влажности дутья. Нагретое дутье вносит в печь до 20% тепла, и поэтому резкое изменение температуры его нарушает тепловой баланс печи. Поддержание постоянной температуры дутья так же важно, как и постоянство его количества. Межзаводская школа по применению высоконагретого дутья рекомендует (при необходимости) регулировать тепловое состояние печи снизу путем изменения влажности дутья при постоянной его температуре; температуру дутья следует снижать лишь в случаях, когда по влажности достигнут установленный для данной печи и условий оптимальный предел. К снижению температуры дутья приходится прибегать на печах, на которых в связи с применением природного газа вдувание пара прекращено.

Состав и количество газов

Горение углерода топлива в горне доменной печи происходит в конечном итоге до окиси углерода. Реакция горения в струе воздуха, состоящего из 21% (по объему) кислорода и 79% азота, может быть представлена в виде уравнения

2С + 0₂ + 3,76N₂ = 2СО + 3,76N₂

Отсюда следует, что в горновом газе содержится (2/5,76)*100 = 34,7% (округленно 35%) окиси углерода и (3,76/5,76)100 = 65,3% (округленно 65%) азота. Так как в дутье всегда содержится влага (естественная или вдуваемая), разлагающаяся при высоких температурах горна на водород и кислород, то в горновом газе имеется, кроме СО и N2, некоторое, сравнительно небольшое количество водорода. Более значительное его содержание получается при вдувании газообразных или жидких восстановителей.

По мере того как газ из горна поднимается в заплечики, распар и нижнюю часть шахты, его состав изменяется, а количество увеличивается в результате образования окиси углерода при прямом восстановлении железа, кремния, марганца, фосфора и при ошлаковании серы. Эти процессы протекают до тех пор, пока температура не снизится до 900—1000° С, после чего в газе, поднимающемся кверху, начинает появляться углекислота— продукт разложения флюсов, сидеритов и других карбонатных составляющих шихты. Еще выше, в области температур 900° С и ниже восстанавливается косвенным путем железо из FeO, отнимается кислород из высших окислов железа и марганца, в результате чего часть окиси углерода переходит в углекислоту. При этом количество газа не меняется. Затем к газу присоединяются углекислота как результат разложения гидратной воды, летучие вещества кокса (мало изменяющие состав газа из-за незначительного их количества) и, наконец, водяные пары шихты, не определяемые обычно анализом и учитываемые отдельно в граммах на 1 м³ газа. Колошниковый газ, кроме того, содержит небольшое количество (0,2—0,4%) метана СН₄, выделяющегося с летучими веществами кокса и образующегося в результате взаимодействия углерода с водородом.

Содержание углекислоты в шахтном газе по радиусу увеличивается не одинаково. Наименьшее количество ее содержится в газах, проходящих у стен и в центре печи, и наибольшее — в промежуточной области. Такой характер изменения содержания углекислоты сохраняется по всей высоте шахты до уровня засыпи.

В связи с этим возникает вопрос: из каких точек по радиусу брать пробы газа, чтобы иметь правильное представление о распределении газовых потоков? Для экономичного хода доменной печи периферийный и осевой потоки газов должны иметь ограниченное развитие и проходить по сравнительно небольшим площадям сечения печи. Чтобы судить, насколько широко кольцо периферийного и велик диаметр круга осевого потоков, какую площадь по отношению ко всему сечению колошника они составляют и сколько газов, энергия которых использована неполностью, уходит через периферийную и центральную части, пробы следует брать из точек, лежащих по границам равновеликих кольцевых площадей сечения колошника. В. К. Грузинов рекомендует следующие точки забора газа по радиусу с расстоянием от центра, равным: l₁ = 0; l₂ = 0,268 R; l₃ = 0,370 R; l₄ = 0,534 R; l₅ = 0,654 R; l₆ = 0,755 R; l₇ = 0,845 R; l₈ = 0,926 R и l₉ = R, _л где R — радиус колошника. При этом получается шесть колец и в центре круг радиусом 0,37 R, равновеликих по площади; центральный круг кроме того, делится на две равновеликие площади — кольцо и малый круг радиусом 0,268 /?. В каждом отдельном случае вопрос о количестве точек забора следует решать на месте, но их расположение необходимо выбирать по принципу равновеликих площадей сечения колошника. Изменение среднего состава газа и его количества по высоте для случая выплавки мартеновского чугуна с расходом кокса 1,0 в условиях Юга, рассчитанное М. А. Павловым, показано в табл. 2.

Таблица 2

 Количество и состав доменного газа по высоте печи

На окончательный состав колошникового газа оказывает влияние расход горючего и флюса, степень прямого восстановления и окисленности руды, содержание Si, Mn и Р в чугуне, развитие реакций распада окиси углерода и разложения гидратной воды. Чем выше расход горючего, степень прямого восстановления, содержание трудновосстановимых элементов в чугуне, тем больше будет в газе окиси углерода и меньше углекислоты. Наоборот, более высокая окисленность руд, большее развитие распада окиси углерода и разложения воды, больший расход флюса приводят к увеличению в газе углекислоты и к уменьшению окиси углерода.

Как результат рассмотрении проверенных расчетом анализов колошникового газа для различных случаев плавки М. А. Павлов дает пределы содержания отдельных составляющих газа при работе на коксе (табл. 3).

Таблица 3

Пределы содержания отдельных составляющих газа при работе на коксе

Таблица 4

Состав колошникового газа на Череповецком металлургическом заводе

А. Д. Готлиб расширяет предел суммы СO₂ + СО до 42%. В настоящее время при значительно меньшем расходе кокса обычное содержание СО₂ заметно повысилось, но сумма СO₂ + СО осталась в указанных выше пределах как при большом, так и при малом расходах кокса. В табл. 4 как пример приведен анализ колошникового газа печей Череповецкого металлургического завода.

Количество газов, приходящееся на 1 т кокса, как видно из табл. 2. равно 3905 м³. Оно колеблется для различных случаев плавки от 3700 до 4000 м³.

Между содержанием СО* и СО в колошниковом газе а тепловым состоянием горна существует определенная связь, подтвержденная анализом данных работы и наблюдениями, проведенными на доменных печах заводов им. Петровского, им. Дзержинского, «Азовсталь» и Криворожского. На основании этой закономерности разработана специальная инструкция для регулирования теплового состояния печи.