» » Соотношение сил в доменной печи при ровном ее ходе
08.06.2015

В работающей печи материалы опускаются под действием своего веса. Однако их опусканию противодействуют реакция опоры заплечиков, силы трения и противодавление газов, равное разности давления газа у фурм и на уровне засыпи.
Чем больше газов на единицу сечения печи и чем выше их температура, тем больше их скорость и больше их давление в горне. Подпираюшая снизу сила представляет собою произведение противодавления на сечение. Пока сила, направленная сверху вниз, больше подпирающей силы, опускание материалов происходит нормально. При форсировании печи или чрезмерном повышении температуры дутья возрастает противодавление газов и при некотором значении превышает вес материалов. В этом случае нормальное движение материалов нарушается, а форсирование доменной печи или повышение нагрева дутья становится невозможным.
Иногда при загрузке в печь материалов, содержащих мелочь, предел форсирования достигается при сравнительно небольшом количестве дутья в связи с образованием каналов в слое и чрезмерным или неровным выносом колошниковой пыли. При подготовленной шихте такие ненормальности невозможны и максимальное количество дутья устанавливается соотношением вертикальных сил в печи.
Рассмотрим конкретно это соотношение.
Доменная шихта на передельный чугун содержит, например, в расчете на единицу кокса, 1,6 рудных единицы и 0,4 единицы известняка. Если принять насыпной вес кокса 0,45 т/м3, руды —2,3 т/м3 и известняка — 1,5 т/м3, то 1 всей шихты будет весить:
Соотношение сил в доменной печи при ровном ее ходе

Для материалов, имеющих другой насыпной вес или расходуемых в иных количествах, суммарный объемный вес шихты будет отличаться на небольшую величину. Так, при офлюсованном агломерате в шихте увеличивается вес агломерата, но уменьшается вес флюса.
Произведение насыпного веса материалов на высоту 20—25 м от уровня засыпи до горизонта фурм представляет собою давление шихты на горизонтальную площадку фурм. При отсутствии трения и подпора снизу оно составляет 20—25 т/м2 или 2—2,5 ат.
Однако в доменной печи насыпной вес шихты изменяется по мере опускания, так как удаляются летучие вещества и плавкие составляющие шихты. Б нижних горизонтах печи в твердом виде остается лишь кокс, т. е. самый легковесный компонент, но уплотненный вследствие более тесной укладки.
В работающей печи давление шихты на уровне фурм меньше двух атмосфер, так как при движении материалов возникают силы трения о стенки, а в области заплечиков присоединяется реакция опоры.
Некоторые исследователи, например Н.Г. Маханек и др., измеряли в лаборатории «активный вес» шихты, т. е. давление столба материалов, загруженных в сосуд формы печи, на чашу весов. Опыты велись при отсутствии газового потока. Оказалось, что давление в области фурм составляет около 10% той величины, которая бывает при свободном расположении материала. Условия описанного опыта существенно отличаются от реальных; поперечное сечение печи во много раз больше модели; в печи материалы движутся, а шихта, начиная от распара, смачивается жидкими продуктами плавки, имеющими иной удельный вес. Поэтому результаты лабораторных исследований нельзя полностью переносить в реальные условия.
М.Ф. Кочин, в.А. Сорокин и Н.Н. Попов исследовали на моделях доменной печи потерю веса шихты. В опытах в.А. Сорокина и Н.Н. Попова исследование проводилось при движении шихты, а в опытах М.Ф. Кочина шихта была неподвижна.
При движении шихты потеря ее веса на трение о стенки печи составляет 55—60%, т.е. величину меньшую, чем получал Н.Г. Маханек, так как трение движения меньше трения покоя. Потеря веса зависит от диаметра колошника и диаметра горна таким образом, что возрастает с увеличением первого и уменьшением второго.
Выводы о потере веса порядка 55—60% находятся в соответствии со следующими рассуждениями.
Потеря давления газов между горном и колошником для печи среднего размера составляет менее 1 ат и 1,2—1,3 ат для современных больших печей. При большем давлении возникают задержки схода шихты. По-видимому, при этом давлении сила подпора превышает тот «активный вес», под действием которого происходит нормальное опускание материалов в печи. Разность давлений газов в горне и на колошнике составляет около 50% того давления, которое оказывала бы шихта на уровне фурм при отсутствии сил трения и реакций опор. Таким образом, из двух с лишним атмосфер, которые характеризуют давление шихты на горизонтальную площадку в плоскости фурм, около половины поглощается трением и реакциями опор (заплечиков и лещади); остальное компенсируется потерей напора газов в печи таким образом, что давление газов не покрывает полностью остаточного давления, необходимого для опускания шихты.
При форсировании печи, превышающем известный предел, возрастает разность давлений газов в горне и на колошнике, и равнодействующая, направленная сверху вниз, может стать меньше силы, направленной снизу верх. В этом случае наступают неровности и задержки схода шихты, недопустимые при правильном ведении процесса.
Таким образом, доменщик должен вдувать в печь возможно большее количество воздуха, обеспечивая при ровном ходе и рациональном распределении газов и материалов перепад давлений газов в горне и на колошнике, не достигающий того «критического» предела, при котором начинается тугой ход или зависание.
Максимально допустимое количество дутья возрастает с уменьшением вредных сил, направленных снизу вверх, каковыми являются трение о стенки и реакции опор, которые уменьшаются при меньшем угле наклона шахты и большем угле заплечиков. Однако, «критический» предел дутья может быть достигнут при тем большем его количестве, чем лучше газопроницаемость столба материалов в печи.
Давление сыпучего материала на дно сосуда при условии, что материал продувается газом снизу вверх, определяется выражением:
Соотношение сил в доменной печи при ровном ее ходе

Коэффициент ξ зависит от внешних (трение материала о стенки) и внутренних сил (между кусками), возрастая при уменьшении последних. Форма сосуда (профиль печи), а именно отношение высоты к диаметру H/D также влияет на величину ξ, которая уменьшается почти вдвое при увеличении в два раза.
Приближение величины Р к нулю недопустимо; для нормального движения материалов давление шихты должно быть положительным. При убывающем значении H/D и, следовательно, возрастающем ξ, можно сохранить неизменным Р при увеличении ΔР. Это значит, что при убывании H/D можно вдувать в печь больше дутья, не рискуя достигнуть «критического» значения разности давлений газов в горне и на колошнике. Однако не следует считать, что нет предела уменьшению высоты печи и увеличению ее диаметра. Чрезмерное H/D уменьшение приведет к неравномерному распределению газов по сечениям печи, поэтому значение H/D можно снижать только до 2,2-2,3.
Более тяжелая шихта также увеличивает значение Р, так как увеличивается γ. Однако при более высоком расходе кокса, когда γуменьшается, работа печи все же не ухудшается, так как одновременно увеличивается газопроницаемость слоя. Поэтому печи, выплавляющие ферросплавы при весьма высоком удельном расходе кокса, редко зависают при увеличении количества дутья или повышении его температуры.
На значение ξ, кроме отношения H/D, влияет внутреннее и внешнее трение. Внутреннее трение может быть уменьшено подготовкой шихты и подбором достаточно подвижных шлаков, внешнее — устройством более пологой шахты и крутых заплечиков. Эти меры, при постоянном значении Hγ, дают возможность вдувать в печь больше воздуха.
Таким образом, формулой (I, 32) учитывается то, что газопроницаемость столба материалов, высота и сечение печи, углы наклона шахты и заплечиков влияют на количество дутья, которое можно дать в печь в единицу времени. Именно указанными обстоятельствами устанавливалась в прошлом «предельная» продолжительность пребывания материалов (8—9 час.) или газов (3—5 сек.) в печи.
Из предыдущего видно, что уменьшить среднее время пребывания материалов в печи, например, с 8 до 4 час. можно, дав печи вдвое больше дутья в единицу времени и увеличив примерно в том же отношении производительность.
Известно, что для восстановления железа из руды и получения качественного чугуна достаточно, чтобы продолжительность контакта восстановителя с рудой составляла 4 час. Однако, наши печи (на коксе) не работают со столь малым временем пребывания материалов, потому что возросшее давление газов в горне приобретает такие высокие значения, которые оказываются уже выше «критического».
В древесноугольных доменных печах, где столб материалов ниже и более газопроницаем, чем в коксовых, удается доводить время пребывания до 4—5 час., получая нормальный чугун. На одной малой печи, работавшей на кислородном дутье, удавалось сократить продолжительность пребывания материалов до 3 час., потому что количество газа, вследствие низкого содержания в нем азота, было небольшим.
Если в больших коксовых печах увеличить газопроницаемость столба путем выбора надлежащего профиля печи, подготовки шихты, применения прочного кокса, подвижных шлаков и других мер, то при наличии мощных воздуходувных машин можно довести среднюю продолжительность пребывания материалов до величины, меньшей 6—8 час.
Имеются и другие меры, дающие возможность форсировать работу печей.