Доменная печь

Дутье всегда содержит немного  влаги, которая в горне разлагается  углеродом: HО + С = СО + Н₂ - 124870 Дж. Поэтому в горновом газе всегда есть немного водорода; например, при содержании в дутье влаги в количестве 1 % (объем.) (8,035 г/м²) в горновом газе находится 0,8 % Н₂ и соответственно снижается содержание азота и оксида углерода.

При вдувании в горн природного газа он не полностью сгорает по реакции: СН₄ + 0,502 = СО + 2Н₂ + 37250 Дж и в горновом газе заметно возрастает содержание Н₂ (до 8-15 % и более). Заметно увеличивается также объем горновых газов потому, что при сгорании метана на единицу углерода образуются три моля продуктов горения (СО и 2Н₂), а при сгорании кокса по реакции С + 0,502 = СО лишь один моль СО; объем продуктов сгорания на единицу углерода возрастает в 1,7 раз. Вдувание в горн мазута, состоящего как и природный газ из углеводородов, характеризуется теми же процессами, что и выдувание природного газа.

При добавке кислорода  к дутью объем продуктов сгорания V, как ранее отмечалось, уменьшается, что В соответствии с приведенной выше формулой вызывает повышение ТТ и температур в горне. Вдувание природного газа ведет  к увеличению объема продуктов сгорания V, и соответственно, к понижению ТТ и температур в горне; это снижение вызывается также тем, что при сгорании природного газа на один моль сгорающего углерода выделяется меньше тепла (37250 Дж), чем при сгорании углерода кокса(117940 Дж).

Во всех случаях температура газов в центре горна не должна быть ниже 1400 – 1450 ⁰С, так как при более низких температурах заметно понижается температура продуктов

плавки и ухудшается десульфурация чугуна.

Таким образом, добавка  влаги к дутью вызывает снижение температуры горновых газов и небольшое увеличение содержания в них водорода; обогащение дутья кислородом уменьшение объема гopновых газов, повышение их температуры и содержания в них СО; вдувание природного газа, так же как и других углеводородов, - увеличение объема горновых газов, снижение их температуры и существенное их обогащение водородом. Эти изменения оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на доменный процесс.

 

 

6.3 Движение газов в печи и изменение их температуры, состава, количества и давления

 

Из предыдущего раздела следует, что в горне образуется газ, состоящий из оксида углерода, водорода и азота, нагретый до высокой температуры и характеризующийся значительным давлением. При движении к колошнику этот газ отдает тепло движущимся навстречу материалам и охлаждается, при этом давление его вследствие преодоления сопротивления шихты понижается, а химический состав в результате процессов восстановления непрерывно изменяется и количество его увеличивается. Эти физические изменения приводят к понижению температуры газа примерно с 1600 до 250 – 300 ^ОС, давления на 0,1 – 0,2 МПа, к снижению содержания СО и Н₂ и повышению содержания СО₂. Ниже эти процессы рассмотрены подробнее.

Распределение газов по сечению печи. Время пребывания газов в печи составляет 3 – 12 с. Они движутся по сечению печи неравномерно. Естественно стремление газов двигаться вверх преимущественно над зонами горения, т.е. у стен печи, но в целом распределение газового потока определяется величиной сопротивления слоя шихты. Наибольшие количество газов и скорость их движения наблюдаются в участках с меньшим сопротивлением шихты, как правило там, где в шихте выше доля кокса и меньше рудная нагрузка (доля агломерата). Участки, где газы движутся с большими скоростями, характеризуются повышенными температурами и пониженным содержанием СО₂ в газе; в связи с этим о распределении газового потока по сечению печи судят по результатам замеров температуры газа и содержания в нем СО₂, производимых В колошнике над уровнем шихты, а также в слое шихты на расстоянии до: 7 – 12 м от уровня засыпки.

Замеры ведут с помощью  вводимых через отверстия в кожухе и футеровке печи и периодически перемещаемых от периферии к оси печи зондов; зонд представляет собой водоохлаждаемую трубу, в которой размещены термопара и трубка для отвода пробы газа; Характерные случаи распределения газового потока в шахте печи. Перемещение зоны пластичности вверх уменьшает объем печи, в котором идут процессы косвенного восстановления оксидов железа, что, как правило, вызывает увеличение расхода кокса.

Крайне неблагоприятным  случаем распределения газового потока является канальный ход газов (движение газов по отдельным каналам  в слое шихты), при котором мелкие куски шихты в каналах переходят  во взвешенное состояние, что нарушает ровный сход шихты в печи.

Важным показателем  хода доменной плавки является отношение СО₂/СО в газовой фазе; увеличение этого отношения(увеличение содержания СО₂) свидетельствует об улучшении

восстановительной работы газа (увеличении степени косвенного восстановления оксидов железа).

Изменение количества газа. По мере подъема газов вверх печи увеличивается их количество, главным образом, вследствие присоединения к ним кислорода шихты в виде СО и СО₂, Т.е. в результате протекания процессов восстановления. По отношению к количеству дутья количество горнового газа возрастает на 21 – 23 %, а количество колошникового газа - на 38 – 40 %. При обогащении дутья кислородом расход дутья и количество газа будут уменьшаться вследствие снижения содержания азота. Выход колошникового газа равен 120 – 200 м³ на 1 м³ объема печи в час или 1400 – 2000 м³/чугуна.

Изменение давления газа. Наибольшее статическое давление газа устанавливается в горне доменной печи около фурм, и движение газов вверх через слой шихтовых материалов происходит вследствие этого давления, создаваемого работой подающей дутье воздуходувной машины. По мере движения газов от горна к колошнику статическое давление газа убывает, так как происходит потеря давления (потеря напора) вследствие трения газов о куски шихты; иначе говоря, давление теряется на преодоление сопротивления слоя шихтовых материалов. Эта потеря давления или напора происходит неравномерно по высоте печи, что наиболее заметно в области пластичной зоны, где в результате размягчения слипания и плавления газопроницаемость рудной части шихты резко снижается.

Величина потери давления в столбе шихты, иначе говоря, перепад  давления между горном и колошником зависит от свойств шихты (газопроницаемости), высоты столба шихты, определяемой высотой печи, от скорости движения газов в печи. Влияние скорости движения газов проявляется в том, что при ее росте увеличиваются силы трения газов о шихту и возрастает величина потери давления.

Величина, которую контролируют, не должна превышать допустимого предела, называемого критическим перепадом давления. Этот предел на конкретной работающей печи, где высота слоя шихты и ее свойства (сопротивление) относительно постоянны, зависит от расхода дутья, который всегда стараются увеличить с целью повышения производительности печи. Увеличение расхода дутья ведет к росту скорости движения газов в печи, и при достижении определенной скорости силы трения возрастают настолько, что куски шихты переходят во взвешенное состояние, Т.е. перестают двигаться вниз, что нарушает ровный сход шихты и означает расстройство работы печи. Этим максимально допустимым значениям расхода дутья и скорости движения газов соответствует допустимый (критический) перепад давления.

Соответственно, расход дутья поддерживают таким, чтобы перепад давления не превышал критического значения. Использование давления, а не скорости в качестве критерия оценки движения газов объясняется тем, что скорость подъема газов сильно различается в разных участках поперечного сечения печи, поэтому проще измерять давление.

Для улучшения контроля за ходом плавки измеряют не только общий перепад давления между горном и колошником, но и верхний перепад (середина шахты колошник) и нижний (середина шахты - горн).

 

 

7. Интенсификация доменного процесса

 

Под интенсификацией  доменного процесса обычно понимают мероприятия по увеличению скорости его протекания (форсированию хода доменной плавки), Т.е. ведущие к повышению производительности печи, а также мероприятия по снижению расхода кокса. Ниже охарактеризованы наиболее существенные из них.

 

7.1. Нагрев дутья

 

Внедрение нагрева дутья  было важным этапом в развитии доменного  производства, обеспечившим существенное снижение расхода топлива и повышение производительности печей. Дутье, нагретое до 150 ⁰С, впервые было применено в 1829 г., что привело к значительному снижению расхода кокса, а главное, к существенному улучшению процессов в печи (более высокий нагрев продуктов плавки, лучшее отделение шлака от чугуна, повышение степени восстановления кремния и марганца). Высокая эффективность нагрева дутья обеспечила быстрое и широкое его распространение. Вскоре дутье стали нагревать до 350 – 400, а затем до 500 – 700 ⁰С. Еще в 40-х годах нашего столетия на многих заводах не удавалось поднять температуру дутья выше указанных пределов не потому, что не позволяли технические средства для такого нагрева, а вследствие того, что это вызывало нарушение процесса доменной плавки. Всем ясно было, что более высокий нагрев дутья обеспечивает дальнейшее размельчение расхода кокса. Но даже подъем температуры дутья на небольшую величину (около 20 ⁰С) к расстройству доменного процесса. Анализ этого явления позволил определить важнейшие факторы, обеспечивающие условия для повышения нагрева дутья, к числу которых относятся: замена неподготовленных и особенно пылеватых руд окускованными, т.е. агломератом и окатышами; применение повышенного давления газов в печи; вдувание в горн газообразных и жидких углеводородов; кондиционирование дутья по влаге.

Внедрение этих мероприятий создало условия, при которых подъем температуры дутья перестал сдерживаться технологическими особенностями процесса, а определялся техническими возможностями достижения высокой температуры дутья.

Это потребовало совершенствования  конструкций и оборудования воздухонагревателей, которые уже не обеспечивали необходимого нагрева дутья. В настоящее время нагрев дутья на многих печах доведен до 1100 – 1300 ⁰С и решается задача дальнейшего подъема температуры дутья до1350 – 1400 ⁰С. В частности, внедряют воздухонагреватели с выносной камерой горения, отличающиеся от широко используемых воздухонагревателей, имеющих встроенную камеру горения, большей поверхностью нагрева и более мощными горелками, рассчитанными на нагрев дутья до 1300 – 1400 ⁰С.

Анализ работы доменных печей при разном нагреве дутья  показывает, что его нагрев всегда приводит к снижению расхода кокса. Однако экономия расхода кокса не пропорционально повышению температуры дутья, т.е. не одинакова при повышении нагрева дутья на одно и то же число градусов, понижаясь с повышением нагрева дутья. Например, при температуре дутья 400 ⁰С повышение его нагрева на 100 ⁰С дает снижение расхода кокса на 11 – 16 %, а при температуре дутья 800 ⁰С - на 3,5 – 6,0 %. Однако даже при высоком нагреве дутья (1200 – 1300 ⁰С) эффективность от нагрева сохраняется значимой и обеспечивает сокращение расхода кокса на1,5 – 2,5 % на каждые 100 ⁰С повышения температуры.

Особо важно увеличивать  нагрев дутья при вдувании в горн печи углеводородов (природного газа и мазута), вызывающих понижение температур в горне.

 

 

7.2. Увлажнение дутья

 

Дутье (воздух) всегда содержит некоторое количество влаги, причем естественная влажность воздуха в разные периоды времени колеблется в широких пределах от 3 до 40 г на1 м³ воздуха (8 г/м³ соответствует 1 % по объему). Попадающая в горн влага разлагается углеродом: Н₂О + С = СО + Н₂ - 124870 Дж. При этом в горновом газе возрастает содержание СО и активного восстановителя Н₂О в связи с затратами тепла на разложение влаги снижается температура горна. Чтобы сохранить прежний температурный режим горна, надо повысить нагрев дутья на 5 – 6 ⁰С на каждый грамм влаги в 1 м³ дутья.

Колебания влажности  дутья вызывают колебания в температурном режиме горна и в ходе восстановления, что нередко приводит к расстройствам хода печи. Для устранения колебаний естественной влажности ранее за рубежом в небольшом масштабе применяли осушение дутья до содержания влаги 3 – 3,5 г/м³, а в нашей стране многие годы применяли увлажнение дутья до 25 – 30 г/м^З (3 – 4 % к объему дутья). При таком кондиционировании дутья по влаге достигается более ровный ход печи; кроме того, вследствие ровного хода, а также в результате интенсификации косвенного восстановления оксидов железа водородом обеспечивается повышение производительности печи (на 5 – 10 %) и снижение расхода кокса (на 2 – 5 %).

По мере перехода к  работе печей с вдуванием природного газа, обогащающего атмосферу печи водородом, столь значительное увлажнение дутья утратило свое значение. В настоящее время считают полезным поддерживать содержание влаги на постоянном уровне порядка 10 – 20 г/м³ за счет добавок к дутью водяного пара.

 

 

7.3. Повышенное давление газа

 

До 1950 г. отечественные  доменные печи работали без повышенного давления газов, Т.е. с давлением газа на колошнике не значительно (на 0,006 – 0,012 МПа) превышавшем атмосферное давление (0,1 МПа). Это небольшое превышение давления обеспечивало самопроизвольный выход газов из печи. В настоящее время практически все печи работают с избыточным (сверх атмосферного) давлением на колошнике, равным 0,1 – 0,23 МПа или с абсолютным давлением 0,2 – 0,33 МПа (давление в горне выше давления на колошнике).

О целесообразности повышения  давления газов в доменной печи впервые высказался инж. П.М.Есманский еще в 1915 г. Он считал, что увеличение давления газа в печи должно способствовать развитию процессов восстановления, так как при этом реакция СО₂ + С = 2СО сдвигается в сторону увеличения содержания СО₂, т.е. в сторону косвенного восстановления.

Однако более важным оказалось то, что повышенное давление позволило увеличить расход дутья и благодаря этому повысить производительность печей.

Работа доменных печей  с повышенным давлением газов  была освоена на Магнитогорском металлургическом комбинате в 1950 г., после чего печи всех заводов были переведены на такой режим. Повышение давления газов достигается установкой на газопроводе очищенного доменного газа специального дроссельного устройства, уменьшающего сечение газоотвода. Такое уменьшение сечения вызывает рост давления на всем пути движения газа до дроссельного устройства и в том числе на колошнике и в объеме всей печи.

Дроссельное устройство располагают после газоочистки (устройств, очищающих газ от пыли); чтобы  предотвратить его быстрый абразивный износ частицами пыли газа.

Чем вызвано повышение производительности печи при повышении давления газов? Поясняя это, следует напомнить, что доменные печи обычно работают с расходом дутья, близким к предельно допустимому. При его превышении вследствие роста скорости. движения газов в печи и их трения  шихты переходят во взвешенное состояние, нарушая ровный сход шихты, а показателем режима движения газов - перепад давления между горном и колошником (потеря давления на трение) становится больше критического.

Если увеличить давление в печи, то в силу известного соотношения  между давлением и объемом  газа РV = const объем газа уменьшается. Поэтому снижается скорость движения газов В печи и, соответственно, уменьшаются силы трения их о шихту, величина потери давления на трение. Иначе говоря, режим движения газов отдаляется от критического. Это позволяет при новом, большем давлении в печи увеличить расход дутья без нарушения при этом ровного схода шихты (расход можно увеличивать до тех пор, пока перепад давления не приблизится к прежнему ypoвню несколько ниже критического). При увеличении расхода дутья в единицу времени сгорает больше кокса и проплавляется больше шихты, т.е. повышается производительность печи.