Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Из предыдущего видно, что при загрузке шихты материалы должны распределяться на колошнике неравномерно: у стен — больше руды для лучшего использования периферийного газового потока, а у оси — больше кокса. Мелкой фракции руды у самых стен допускается сравнительно немного, а в центре печи должен быть сосредоточен только кусковой материал. Основное количество мелочи необходимо располагать между центром и периферией. Однако для торможения сильно периферийного газового потока небольшое количество мелкозернистой руды следует загружать и к стенкам печи.
Необходимо избегать чрезмерного сосредоточения мелких материалов у стен, а крупных — у оси, чтобы не вызвать центрального потока газов и замедленного опускания материалов у периферии. Отсюда задача такого неравномерного распределения материалов на колошнике, при котором движение газов было бы интенсивным и равномерным. Любая неравномерность загрузки шихтовых материалов может быть осуществлена современным засыпным аппаратом, если им умело пользоваться.
Большинство засыпных устройств на современных доменных печах имеет в своей основе аппарат Парри (рис. 11), состоящий из неподвижной воронки и подвижного конуса. При крайнем верхнем положении конус прижат к воронке. В пространство над воронкой и конусом засыпается материал. При опускании конуса материал высыпается в печь через кольцевую щель, образующуюся между воронкой и конусом.
Материал, ссыпаясь с конуса через щель, направляется к периферии печи, но, достигнув уровня ранее засыпанных материалов, перераспределяется в зависимости от места падения, характера поверхности слоя и от свойств (кусковость, шероховатость, влажность) самого материала.
При ссыпании с конуса куски материала падают в печь по разным кривым траекториям. Одни из них более пологие, другие крутые. Некоторые параболические траектории падения оказываются близкими к вертикальным прямым.
В момент опускания конуса из щели высыпаются небольшие порции мелкозернистого материала, расположенные в самом низу воронки или просыпавшиеся между крупными кусками. Они падают почти вертикально вниз или поднимаются встречным потоком газа и уносятся из печи. Упав, мелкие частицы располагаются под кромкой конуса по кругу. По мере увеличения размера щели между воронкой и конусом начинают ссыпаться в печь крупные куски, лежащие выше, не в самом низу кольцевого пространства.
При этом ссыпание материалов, расположенных близ воронки и конуса, происходит неодинаково. Как показали исследования на модели Н.С. Щиренко и наблюдения Б.А. Павленко на большой доменной печи, материалы образуют своды в кольцевой полости между воронкой и конусом, в начале опускания конуса, поддерживавшего в спокойном состоянии свод с одной стороны, давление материала на конус резко падает и передается воронке. В массе шихты появляется зона разрыхления, быстро распространяющаяся вверх. Через некоторое время в печь начинает высыпаться материал, который опирался на воронку.
Ссыпание материала, расположенного на конусе, начинается позже начала ссыпания с воронки и заканчивается ранее остановки конуса в нижнем положении. Высыпание с конуса происходит интенсивнее и равномернее, чем из воронки. Время высыпания руды в лабораторном опыте составляло 2,5 сек., а кокса — от 4 до 4,5 сек.
В начале открытия воронки материалы опускаются вместе с конусом, несколько смещаясь к. его штанге. Заметное высыпание из воронки начинается только тогда, когда ширина кольцевой щели превышает в 3—4 раза средний размер кусков. При этом поверхность кокса между воронкой и конусом выравнивается и становится горизонтальной, а при выгрузке руды — наклонной в сторону воронки.
Скорость движения материалов по мере опускания конуса возрастает. Куски при этом падают в печь по более пологим траекториям. Кривизна траектории также зависит от места и высоты расположения материала в воронке. Скорость ссыпания материала возрастает с увеличением высоты расположения кусков по образующей конуса и с уменьшением трения при их движении относительно друг друга. При качении кусков (что случается редко) скорость движения по конусу больше, чем при скольжении, так как трение качения меньше трения скольжения. Некоторое количество материала, не соприкасающееся с поверхностью конуса и воронки, ссыпается вместе со всей массой, и условия внешнего трения не отражаются на скорости его движения, но его физические свойства (например, размер и вес кусков) могут сказаться ка опережении им прочей массы. На траекторию падения материала в первый момент после оставления конуса влияет угол наклона образующей конуса к горизонту: чем больше этот угол, тем круче начальное направление скорости.
Поток газов, выходящих из слоя, может существенно изменить направление и конфигурацию тех кривых, по которым движутся материалы, ссыпаясь с засыпного аппарата (особенно для мелкозернистого материала).
Составлением и решением дифференциального уравнения движения. можно показать, что при скатывании с наклонной плоскости кусок движется по параболе (рис. 12) и падает на горизонтальную поверхность от проекции кромки наклонной плоскости на расстоянии:
Условия движения материала при ссыпании из засыпного аппарата гораздо сложнее. Однако место падения куска на ранее загруженный уровень тем дальше отстоит от проекции кромки конуса I, чем больше скорость v0 скатывания куска, чем меньше угол наклона образующей конуса к горизонту α и чем больше высота падения h. Сказанное подтверждается опытными данными, полученными М.Б. Позиным и Н.Л. Гольдштейном на простой лабораторной модели при ссыпании кусковых материалов с наклонной плоскости (рис. 13).
Как показал Г.Г. Орешкин, ссыпание шихты из засыпного аппарата происходит в условиях, отличных от свободного ссыпания с наклонной плоскости, где имеет место не только торможение в щели, но и взаимоторможение разных кусков.
Данные лабораторных исследований, наблюдения за падением материалов в печах, сведения о ссыпании руд при обогащении и о движении грунтов дают возможность сделать следующие заключения. Крупные куски при движении описывают более пологие кривые, чем мелкозернистый материал, потому что куски скатываются с конуса с большей скоростью. Таким образом, материал разделяется по размеру кусков. Независимо от удельного веса большие куски, имея более пологую траекторию, направляются к стенкам, а мелкие частицы, двигаясь по крутым траекториям или вертикально, располагаются ближе к центру.
Дифференциация материалов по размеру кусков при ссыпании их в печь приводит к нежелательному сосредоточению как мелочи, так и кусков там, где они не нужны. Отсюда видно, насколько велико значение сортировки материалов по размеру кусков.
Исключительно важно поведение материалов во время и после загрузки их в печь. Шихта может упасть на поверхность ранее засыпанного слоя или удариться о стенку колошника. При ударе о стенку куски отражаются от нее и попадают ближе к оси печи. Если же материал попадает на ранее образовавшуюся поверхность, он может остаться на том же месте, но может скатиться к стенке либо к оси печи. На этот процесс влияют разные условия, а именно:
1. Если поверхность, на которую падает материал, шероховата, неровна (например, кокс), первые порции материала заполняют впадины в неровностях, особенно при загрузке мелочи. После образования «гребня» на слое материалы распределяются более или менее равномерно к стенке и к оси печи. При относительно гладкой поверхности слоя большое количество кускового материала откатывается в стороны от места падения.
2. Если поверхность, на которую падает материал, близка к горизонтальной, первые порции загрузки задерживаются на ней, не откатываясь в стороны. Однако кусковой материал удерживается с трудом на гладкой поверхности, имеющей большой уклон.
3. Независимо от характера поверхности слоя, по накоплении большего или меньшего количества свеженасыпанного материала, на месте падения образуется «гребень» с двумя откосами (к стенке и к оси), и новые порции материала, ударяясь о «гребень» или об его откосы, скатываются в одну или другую сторону в зависимости от места падения.
Материал начинает распределяться по всему сечению колошника в зависимости от угла его откоса и условий падения. При этом условия, отмеченные в пп. 1 и 2, влияют на количество первой порции материала, задержавшейся на месте падения, а условия, отмеченные в п. 3, — на распределение по сечению колошника.
«Гребень» не всегда представляет собой возвышение слоя мелких материалов над более крупными. Иногда мелочь ссыпается с конуса быстрее кусков, а затем, перекрываясь последними, образует «скрытый гребень». Мелкие частицы сосредоточиваются в некотором кольце, удаленном от стенки, но по профилю засыпи не видно скопления материала: он укладывается от стенки до оси, скрывая в себе «гребень» мелкого материала.
4. Существенно влияет на распределение материала в печи и на образование «гребней» и откосов движение газа. Газовый поток может изменять форму траекторий падения материалов. Под его воздействием они могут стать более пологими, особенно для мелких частиц руды и легких кусков кокса. Газовый поток может также нарушать профиль материалов по колошнику, влияя на трение между кусками или захватывая с поверхности мелкие частицы.
Приступим к детальному рассмотрению факторов, влияющих на распределение. Таковыми являются: величина «зазора» на колошнике, глубина уровня засыпи, вес колоши, порядок следования материалов при их ссыпании из засыпного аппарата.