» » Скорость опускания материалов и законы их движения от колошника к горну
08.06.2015

Ранее были рассмотрены факторы, определяющие среднее время пребывания материалов и газов в печи и, следовательно, среднюю скорость их движения. При расстоянии от фурм до уровня засыпи 20 м и времени пребывания материалов в печи 6—8 час. средняя скорость их движения составляет 3,33—2,5 м/час; при продолжительности нахождения газов в печи 2—4 сек. средние скорости газов составляют 10—5 м/сек.
Действительные же скорости значительно отличаются от приведенных величин. Это объясняется неравномерным распределением газов по сечениям: в отдельных местах печи газы двигаются с большей скоростью, а в других — с меньшей. То же относится к материалам: при средних скоростях 2,5—3,33 м/час реальные скорости их опускания в различных участках печи значительно отличаются от средних. Скорость опускания материалов изменяется:
а) на разных горизонтах печи, так как ее сечение на уровнях колошника, распара и горна неодинаково;
б) в одном сечении ввиду неравномерного сжигания кокса в горне;
в) для различных по удельному весу и крупности материалов; более тяжелые и мелкие кусочки быстрее просыпаются вниз; мелкие и легкие частицы шихты подхватываются восходящим потоком газов;
г) в зависимости от агрегатного состояния материалов; перейдя в жидкое состояние, они становятся подвижнее и опускаются быстрее.
Рассмотрим подробнее скорости опускания материалов. Сечение колошника меньше, чем других горизонтов печи, поэтому средняя скорость опускания материалов в верхней ее части самая большая. Если принять, что печь производительностью 1200 т чугуна в сутки имеет диаметр колошника 6 м и расходует 2,7 м3 материалов на 1 т чугуна, то скорость прохождения этих материалов через колошник составит:
Скорость опускания материалов и законы их движения от колошника к горну

а при диаметре колошника 6,3 м соответственно — 4,35 м/час. Эти величины больше рассчитаных средних скоростей опускания материалов для всей печи, но и они являются средними по сечению колошника. Неравномерная скорость опускания в одном сечении печи объясняется следующим.
Одна из причин опускания материалов в печи — горение углерода на фурмах в периферийной части горна.
При горении углерода на фурмах образуются пустоты, куда опускаются материалы из верхних горизонтов печи под влиянием собственного веса и давления расположенных выше материалов. Поэтому и скорости опускания над фурмами выше.
Другой причиной опускания материалов является плавление продуктов плавки и расходование углерода до фурм на восстановительные процессы. Как показал В.К. Грузинов, роль обеих причин движения материалов в печи приблизительно одинакова.
А.С. Саркисьянц сравнил опускание шихты по направлению к местам горения углерода с движением сыпучих материалов в коническом бункере с затвором внизу. Движение происходит неравномерно: у стенок материалы движутся медленнее, а непосредственно над затвором быстрее. В печи к области фурм материалы ссыпаются, сползают и стекают. Если из этой области провести наклонные линии, соответствующие углу откоса материалов, то получится картина, изображенная на рис. 43. В центре печи образуется конус из материалов, которые не попадают непосредствено к фурмам. Над конусом имеются области, откуда шихта движется по направлению к фурмам, II притом тем интенсивнее, чем ближе к вертикальной линии движения. Скорость опускания материалов на колошнике измерялась разными способами. В основном методика измерений сводится к следующему.
Скорость опускания материалов и законы их движения от колошника к горну

Выше уровня засыпи в печь через стенку по радиусу вводится труба. У трубы имеются отверстия, через которые проходят концы тросов с подвешенными грузами. Грузы лежат на поверхности материалов. Тросы проходят вдоль оси трубы, а по выходе, поворачиваясь на роликах, связываются с измерительными приборами.
При опускании материалов движутся грузы, расположенные по радиусу поверхности засыпи. Таким образом, фиксируется положение уровня засыпи в каждый момент и определяется скорость опускания материалов.
Иногда измерения скоростей опускания производились по методике Ä.и. Редько — фиксацией положения уровня засыпи в разные моменты и определением разницы положений.
Результаты измерений скоростей опускания на некоторых современных больших печах с диаметром горна 6—8 м приведены в табл.1.
Скорость опускания материалов и законы их движения от колошника к горну

Из табл. 1 видно, что более быстрое опускание (опережение) материалов происходит по периферии печи над фурмами и медленное — у оси. В доменной печи № 4 завода Южное Чикаго быстрее, чем на периферии, опускались материалы, расположенные на расстоянии 209 мм от стен, что свидетельствует об интенсивном горении углерода в горне на некотором расстоянии от стен. Над чугунной леткой шихта движется интенсивнее, чем с противоположной стороны. в некоторых случаях, при неровном ходе печи, когда опусканию шихты мешают настыли или иные препятствия на стенках кладки, скорости движения материалов могут иметь иной характер. Так, Д.В. Ефремов измерил на печи № 3 Магнитогорского завода следующие скорости опускания материалов (среднее из девяти наблюдений); на периферии над леткой — 50,8 мм/мин; с противоположной стороны — 66,1 мм/мин; у оси — 62,3 мм/мин. Небольшая разница в скоростях опускания шихты в различных местах печи, по-видимому, является результатом механических препятствий у стен шахты.
Во время выпуска чугуна скорость опускания увеличивается : если до выпуска она составляет 33,8 мм/мин. и 60,7 мм/мин с противоположных сторон печи, то при выпуске соответственно — 57,4 и 113,8 мм/мин.
Вообще же скорость опускания может изменяться от 20 до 140 ям/мин.
С увеличением диаметра горна, но при постоянном количестве дутья разница в скоростях опускания материалов на периферии и у оси должна возрастать. С другой стороны, чем больше количество дутья, тем шире область горения перед фурмами и, следовательно, ровнее ход печи из-за равномерного опускания шихты.
Размеры печи и ее поперечное сечение также влияют на опускание материалов. В старых печах с небольшим сечением горна и колошника процесс горения почти полностью распространялся на все сечение горна. Шихта достаточно интенсивно опускалась по всему сечению, задерживаясь лишь у стен (рис. 44, а).
Скорость опускания материалов и законы их движения от колошника к горну

В современных больших печах материалы опускаются с наибольшей скоростью над зоной горения, задерживаясь у стен и у оси (рис. 44, б). Картина, изображенная на рис. 44, повторяется в выше лежащих горизонтах: воронкообразные кривые скоростей опускания материалов у узких печей и волнообразные — у широких.
Следует учесть не только абсолютные размеры сечений горна и колошника, но и профиль печей. Старые печи имели не только узкий и высокий горн, но пологие и высокие заплечики (рис. 45).
Поэтому некоторое количество материалов в старых печах (рис. 45) долго находилось в уширенной части печи, в то время как материалы над горном быстро опускались (пунктирные линии). С течением времени вырабатывался новый профиль печи (сплошная кривая линия) за счет расширения горна и заплечиков и зарастания уширенной части (штриховка). Профиль современных печей — ближе к цилиндрической форме; у них шире горн и более крутые и низкие заплечики (рис. 44, б). Это обеспечивает равномерное опускание материалов. Выясним, плавает ли в жидком чугуне и шлаке столб материалов, нижняя часть которого представляет собою только массу кокса. После выпуска чугуна и шлака кокс заполняет горн, опираясь на лещадь печи.
Скорость опускания материалов и законы их движения от колошника к горну

Однако сила, с которой эта масса давит на лещадь, невелика. Образующиеся чугун и шлак размещаются в пустотах между кусками кокса. По накоплении определенного количества жидких продуктов кокс начинает «плавать» в них. Необходимое время для начала всплывания кокса зависит от активного веса шихтовых материалов на нижнем горизонте печи.
Расчетами можно определить погружение слоя кокса в жидкую ванну.
А.С. Саркисьянц, а позже И.Г. Половченко полагали, что кокс поступает в зоны горения перед фурмами лишь сверху только — непосредственно после выпуска чугуна и шлака. Когда кокс «плавает» в жидкой ванне, то часть его поступает в зоны горения также и снизу из центрального столба, погруженного в ванну (рис. 46). Это свидетельствует о том, что движение материалов в центральной части печи бывает достаточно интенсивным и осуществляется не только за счет расходования углерода кокса на восстановительные процессы, но и при передвижении кокса из нижележащих слоев чугуна к фурмам из нижней части зон горения. Процесс, по-видимому, протекает прерывно: после выпуска кокс поступает в зоны горения только сверху, а затем по мере накопления чугуна в горне и снизу. Иногда у больших печей скорость опускания материалов по оси приближается к скорости на периферии или превышает последнюю. Это является следствием процесса, описанного выше, либо связано с ненормальностями фактического профиля печи.
Скорость опускания материалов и законы их движения от колошника к горну

В описанных закономерностях движения материалов имеются некоторые исключения. Так, например, Д.В. Ефремов на примере печей Магнитогорского завода и «Запорожстали» тщательно изучил ненормальности опускания материалов и перераспределение их на пути от колошника к горну. Он установил большое влияние так называемых «тугих» ходов, зависаний и осадок на движение материалов и показал, что над очагами зависаний материалы движутся замедленно. При этом профиль материалов на уровне засыпи может значительно измениться в зависимости от условий оседания шихты. Если при загрузке печи профиль материалов на уровне засыпи представляет опрокинутый конус с вершиной у оси, то при уменьшении количества дутья (периферийное движение газов) и ровном ходе печи или же при осадках периферийного характера расположение материалов может стать куполообразным с вершиной у оси и со скатами к стенкам. Возможны и другие изменения профиля уровня засыпи при неровном ходе. Показано, что уменьшение количества дутья не надолго приводит к периферийному ходу и куполообразному профилю засыпи; при таком профиле засыпи следующие порции материалов сосредоточиваются у стен, а накопление мелочи на периферии печи через 4—5 час. приводит к зависаниям и осадкам у стен. При усилении осадок на периферии понижается уровень материалов у стен и снова образуется куполообразный профиль. Поэтому при работе больших доменных печей на уменьшенном количестве дутья часто ровный ход сменяется зависаниями и осадками.
Неравномерность опускания материалов, обусловленная процессами горения в горне и профилем печи, сказывается в том, что одни и те же материалы в разных частях печи, а также разные материалы в одном и том же месте печи опускаются с неодинаковой скоростью. Объясняется это тем, что, во-первых, горючее, руда, агломерат и флюс резко отличаются по насыпному и удельному весу. Во-вторых, размеры кусков кокса и известняка бывают от 25 до 100—150 мм, в поперечнике; в руде, куски которой не превышают 75 — 100 мм, часто содержится мелочь и пыль. Много мелочи содержится в агломерате. Поэтому руда (а агломерат и известняк — в меньшей степени) при опускании «опережает» кокс посредством просыпания мелких частиц между кусками, а также при некотором оттеснении крупных легких кусков кокса меньшими, но более тяжелыми кусками прочих материалов.
Оттеснение кокса сказывается не только в том, что он перемещается к стенам. Под давлением вышележащих материалов слой кокса меняет и угол откоса. Наблюдения показывают, что наклон поверхности кокса к горизонту под действием веса вышележащих материалов оказывается значительно меньше первоначального и уменьшается больше, чем угол откоса руды и известняка. Таким образом, кроме одновременного опускания вниз кокса с рулой, последняя еще опускается в толще кокса, причем куски руды, вклиниваясь между кусками горючего, как бы раздвигают их, принуждая перемещаться в горизонтальном направлении. Поэтому для уменьшения заклинивания материалов шахта расширена книзу.
Начиная с горизонтов плавления, наиболее плавкая часть шихты, переходя в жидкоподвижное состояние, еще энергичнее опережает горючее, проскальзывая между его кусками.
Таким образом, в процессе перераспределения материалов при их опускании кокс может иметь, кроме вертикального, и горизонтальные перемещения; руда же, как правило, — вертикальные. Однако при искажении профиля или неровном опускании шихты зуда может передвигаться и в горизонтальном направлении. Кроме того, некоторое горизонтальное перемещение руды возможно также на колошнике при «перевеивании» и при опускании по наклонным поверхностям к очагам горения («воронки» воображаемых «бункеров», см. рис. 43).
«Опережение» материалов при их опускании вниз подтверждается обследованием выдутых доменных печей, особенно старых: в уширенных их частях после выдувки имеется много кокса без руды.
В газе, отобранном из тех же частей печей во время их работы, обычно содержалось минимальное количество углекислоты.
Опережение кусков мелочью наблюдается также при загрузке в печь песка в случае необходимости получения более кремнеземистого шлака. В печь загружается именно мелкий песок, а не кусковой кварцит, для того, чтобы песок, опережая кусковую часть шихты, быстро приходил в горн и чтобы шлак скорее становился кремнеземистым. Если среднее время пребывания материалов в печи составляет, например, 8—9 час., то песок поступает в горн после загрузки через 5 час.
Однако не вся пылеватая и мелкая шихта просыпается между кусками. Часть мелочи выносится газовым потоком, часть же поддерживается потоком газа во взвешенном состоянии.
В результате описанных процессов на некотором расстоянии от уровня засыпи образуется как бы беспорядочная смесь всех материалов шихты. Но эта смесь лишь кажется беспорядочной; в действительности состав ее регулируется определенными условиями.
До тех пор пока состав и свойства шихтовых материалов и ход печи (например, количество дутья) остаются постоянными, опережение одних компонентов шихты другими остается незамеченным. Однако при изменении условий работы явление опережения материалов обнаруживается. Так, при переходе на чугуне другим содержанием какого-либо элемента, изменение состава чугуна происходит уже через 5 час., тогда как среднее время пребывания материалов в печи равно примерно 8 час.
Однако только примерно через 12 час. после изменения загрузки в составе чугуна устанавливается требуемое содержание элемента. Изменение состава чугуна во времени происходит постепенно. То же происходит при изменении соотношения руды и горючего в шихте: указанным порядком меняется содержание кремния в чугуне.
Рассмотренное явление может быть объяснено опережением одних компонентов шихты другими: марганцовистая или фосфористая руда в одной своей части быстрее проходит в горн и несколько изменяет состав чугуна; другая ее часть поступает позже остальной шихты, почему окончательное заданное содержание марганца или фосфора достигается позже среднего времени пребывания материалов в печи. При изменении веса руды в подаче с целью изменения содержания кремния в чугуне утяжеленная или облегченная сыпь руды в некоторой части, опережая коксовую колошу, поступает в горн с ранее загруженными коксовыми подачами и оказывает ранее влияние на состав чугуна. Завершается же это влияние лишь при приходе в горн всей новой руды, а это может быть и позже среднего времени пребывания материалов в печи.
Указанное выше явление, когда окончательное действие принятой меры сказывается не немедленно и даже не через столько часов, сколько соответствует среднему времени пребывания материалов в печи, называется инерцией печи и проявляется во многих случаях.
Инерция при разогреве или похолодании увеличивается с размерами печи. Инерция сказывается не только при изменении шихты, но и при нарушении режима печи, причем одни и те же изменения сказываются резче и быстрее на малых печах, чем на больших. Например, неполнота печи или течь в холодильниках, ведущие к похолоданию горна, могут быть незаметными на большой печи, но резко отражаются на работе печи небольших размеров.