» » Углы откоса и прочие факторы распределения материалов на колошнике
08.06.2015

Раньше считали, что угол откоса руды составляет 36—43°, а кокса — 26—28°. На этом строилась теория распределения материалов на колошнике, в частности, приведенное выше объяснение влияния веса колоши на распределение (Де-Ватер). Однако, если в ряде случаев эти предположения оправдываются (при уменьшении веса колоши сокращается периферийный поток газов и наоборот), то иногда изменение веса подачи не приводит к ожидаемым результатам. Это заставило заняться тщательным изучением углов откоса и определением влияющих на них условий.
Проверка старых представлений вызывалась еще и следующими соображениями. Если углы откоса руды всегда больше углов откоса кокса на 10—15°, то при увеличении диаметра колошника больший круг кокса не покрывается рудой, что приводит к центральному потоку газов.
Поэтому d США, опасаясь большого центрального круга, непокрытого рудой, d двадцатых годах при увеличении диаметра горна оставляли неизменным (или увеличивали недостаточно) диаметр колошника. Это приводило к неудовлетворительным результатам: при «бутылкообразном» профиле печи расход кокса на единицу чугуна увеличивался, а шахта быстро изнашивалась вследствие чрезмерно развитого периферийного газового потока (хотя ход печей был ровный).
Необходимость увеличивать диаметр колошника крупных доменных печей заставила заняться вопросом о подаче руды к центру. Этого можно было достигнуть, при прежних представлениях, значительным увеличением веса подачи либо применением новой конструкции засыпного устройства, при котором руда направлялась бы к оси. Однако при увеличении веса колоши руда скапливалась бы у периферии, а новая конструкция засыпного прибора потребовала бы значительных работ по переустройству верхней части существующих печей.
Между тем, опыт работы печей с большим диаметром колошника, построенных в России, показал, что при загрузке мелкозернистой руды в нормальных колошах обычным засыпным аппаратом Парри в центр попадает достаточное количество руды. Это было другой причиной пересмотра старых представлений об углах откоса материалов в печах. Схема (рис. 14, а) образования кучи при ссыпании материала с наклонной плоскости при небольшой высоте и свободном (нет ограничивающих стенок) скатывании материала по откосам не соответствует действительным условиям загрузки в доменную печь, в этом случае материалы располагаются по углу естественного откоса. В печи материалы падают с некоторой высоты и ударяются о ранее засыпанные куски или о стенку колошника. В этом случае углы расположения материалов не будут естественными углами откоса. Н.Л. Гольдштейн дал теоретический анализ этого явления и нашел опытное подтверждение своему анализу. Оказывается, что если угол откоса материала в печи равен а, то
Углы откоса и прочие факторы распределения материалов на колошнике

При малой высоте падения (h→0) или при отсутствии ограничивающих условий (R→∞) угол откоса а равен углу естественного откоса α0. При загрузке материалов в печь, где высота падения изменяется от 1 до 3 лг, а радиус колошника R = 2,0—3,5 м, tg α < tg α0; следовательно, угол расположения материалов в печи меньше естественного угла откоса.
Коэффициент К зависит от условий падения материалов, их свойств и вида. Он зависит также от направления касательной к траектории падения, проведенной в месте пересечения траектории с уровнем материалов или со стенкой колошника. Значение величины К возрастает с увеличением силы удара кусков о встречную поверхность, а следовательно, и от размера кусков.
Углы естественного откоса для крупнокусковых фракций превышают углы мелкозернистого материала, но крупные куски в печи в меньшей степени сохраняют свой угол естественного откоса, — они легко скатываются к подножию кучи; поэтому фактические значения реального угла откоса α на колошнике оказываются у мелочи больше, чем у крупных кусков. Кроме того, куски при ссыпании с конуса имеют пологую траекторию, поэтому удар их о стенку более упругий, что увеличивает коэффициент К. Так, например, угол естественного откоса криворожской железной руды с размером кусков 40—70 мм составляет 45°, а для фракции 5—12 мм — 36°; у агломерата кусками 40—70 мм = 40°30', а кусками 5—12 мм α0 = 36°30'; для кокса с размером кусков 40—70 мм α0 = 43°. Значения же коэффициента К (при уровне засыпи на 1,5 м ниже верхнего положения конуса, диаметре колошника 5 м и зазоре 650 мм) определены: для криворожской руды размером 40—70 мм К — 0,58, а для кусков 5—12 мм К — 0,29; для агломерата соответственно 0,34 и 0,32. Кокс крупностью 40—70 мм при той же высоте падения имеет К = 0,48.
С1едовательно, при увеличении размера кусков, высоты падения материалов, возрастании упругости удара и при меньшем радиусе колошника угол откоса материалов на колошнике уменьшается. При ударе материалов о стенку значение К больше, чем при падении на поверхность слоя. Поэтому при неполной печи (во время ее первоначальной загрузки перед задувкой или при значительной ее неполноте) материалы располагаются на колошнике почти горизонтально; это обусловливается большими значениями h и К.
Влияние уровня засыпи на углы откоса материалов Н.Л. Гольдштейн объясняет так: падая на поверхность ранее засыпанных материалов, куски продолжают движение по откосу, причем чем больше их скорость в момент падения, тем энергичнее и дальше они перемещаются по поверхности откоса. Скорость же движения материалов увеличивается с высотой падения. Поэтому чем глубже уровень засыпи, тем лучше скатываются куски с гребня по откосам и меньше угол откоса α.
При ударе о стенку, что имеет место при большой высоте падения, куски рикошетируют, падая ближе к центру колошника, что также уменьшает угол откоса.
Из рис. 24 видно, по опытным данным, что чем глубже засыпь (больше h), тем меньше угол откоса материала. Мелкая руда, хуже скатывающаяся по более пологому откосу, оставляет больший по сечению круг кокса, неперекрытый рудой.
Углы откоса и прочие факторы распределения материалов на колошнике

На угол откоса аналогичным образом влияет зазор между кромкой конуса и стенкой колошника: чем больше зазор, тем меньше кусков ударяется о стенку и большее количество материалов падает непосредственно на ранее засыпанный материал, меньше К и, следовательно, больше угол откоса α. При малом радиусе колошника и большом значении К (для кокса) угол откоса а небольшой. По мере увеличения поперечных размеров колошника величина K h/R становится меньше и, следовательно, α возрастает. При большом значении радиуса колошника и малой высоте уровня засыпи углы откоса кокса, агломерата и руды могут быть равны; с дальнейшим увеличением колошника и приближением к естественному откосу может оказаться, что угол откоса кокса превысит углы откоса руды. Так, например, на модели при радиусе колошника 1 м кокс с размером кусков 40—100 мм (при зазоре 650 мм и глубине уровня засыпи 2 м) располагался под углом 18°50', а руда крупностью 5—12 мм при тех же условиях — под углом 22°30'. При радиусе колошника 2,5 м угол откоса кокса увеличивается до 34°05', а для руды — всего лишь до 29°30'. Следовательно, если при малом колошнике угол откоса руды больше, чем для кокса, то при большем колошнике получается обратная картина. Примерно такие же выводы получаются и при вычислении углов откоса материала в печи по формуле (1, 4).
Н.Н. Бабарыкин установил, что при расположении уровня засипи близ места удара кусков материалов о стенку колошника угол откоса кокса превышает угол откоса руды вследствие несовпадения точек удара руды и кокса.
Как показал М.А. Стефанович, на углы откоса материалов работающей печи влияет также внутреннее трение шихты, меняющееся с изменением подпирающего действия газового потока. В действующей печи все углы откоса оказываются меньшими по сравнению с углами, полученными при загрузке шихты в печь перед задувкой, что объясняется большей подвижностью шихты.
При понижении уровня засыпи и уменьшении угла откоса руда и агломерат хуже скатываются по поверхности ранее засыпанного кокса. Происходит это потому, что на их перемещение по откосу влияют форма и шероховатость поверхности. Кроме того, поверхность кокса под тяжестью загружаемого материала деформируется и становится более пологой.
Мелкие материалы, расположенные в пустотах между кусками кокса, могут задерживаться в пустотах после падения, но иногда материал при падении просыпается между кусками кокса. На угол откоса руды, особенно пылеватой, влияет ее влажность. Так, криворожская руда с размером частиц менее 2 мм в сухом состоянии имеет угол естественного откоса 37° 30', а при 5% влажности — 45°.
Таким образом, при изображении схем распределения материалов на колошнике нельзя исходить только из веса колош и из углов откоса материалов. Необходимо учитывать следующее; поверхность, по которой перемещается материал; просыпание мелких кусочков между крупными с учетом подпора восходящего газового потока и «перевеивания»; задержки первых порций на сильно шероховатой поверхности кокса; деформацию поверхности кокса при загрузке кусковых материалов. Решающую роль во всем этом играет гранулометрический состав загружаемого материала.
Не всегда увеличение веса колоши усиливает периферийное движение газов, а уменьшение ее — приводит к центральному ходу. Следовательно, изложенные положения о влиянии веса колоши на распределение материалов на колошнике, основывающиеся на предположении, что углы откоса руды больше угла откоса кокса, являются частным случаем общей теории, справедливым, например, при загрузке мелкой руды в печь с малым колошником. В больших доменных печах, и если разница углов откоса агломерата, руды и кокса не так велика, изменение веса колоши может даже оказать влияние, противоположное тому, которое предсказывалось старой теорией.
В настоящее время мелкая руда в шихте заменяется кусковой или агломератом, и поэтому угол откоса руды в печи уменьшается. Руда не сосредоточивается только у стен, а скатывается к оси.
Следовательно, нет надобности, стремясь загрузить большую печь рудой по всему сечению колошника, значительно увеличивать вес колоши или конструировать такой засыпной прибор, который загружал бы руду к центру. Это достижимо с помощью аппарата Парри мерами, о которых говорилось выше.
В настоящее время сравнительно редко регулируют газовые потоки изменением веса подачи не только потому, что это не дает ожидаемых результатов. При современной механизированной подаче частые изменения количества кокса и прочих материалов, подаваемых в один прием, приводят к недостаточному использованию емкости скипов и нарушают налаженный ритм загрузки.
Поэтому вес подачи устанавливается постоянным на длительное время, причем ориентируются главным образом на то, чтобы кокс подавался целым числом скипов. Для текущего же регулирования потоков пользуются изменением порядка загрузки.