» » Механические процессы перед фурмами и их связь с составом газов в зонах
09.06.2015

Исследования последних лет показали, что картина, изображенная на рис. 161, 162, 164, 165, 166, лишь приближенно отражает действительные изменения состава газа в горне по оси фурм. Точки, по которым вычерчивались кривые состава газовой фазы, наносились в большинстве как средние из ряда наблюдений, почему отдельные значения скрадывались. Забор проб в разных точках одного радиуса производился в разное время и притом трубкой довольно большого диаметра (60—75 мм), часто не строго по оси фурмы, так как трубка, введенная по оси, провисала вследствие значительного веса. При этом уменьшалось живое сечение фурмы на 15—25%, а составы газов оказывались характерными для среды, расположенной ниже оси фурм и значительно уплотненной.
В методике, впервые примененной Д.В. Ефремовым, а позже И.П. Бардиным, М.Я. Остроуховым, Л.З. Ходаком и Л.М. Цылевым, эти недостатки были устранены.
Трубка диаметром 35—51 мм занимала всего 4,6—7,2% площади глаза фурмы и вводилась в горн строго по оси фурмы или даже несколько выше. Внутри трубки располагался шомпол для удаления из нее жидких продуктов. Длительность отбора всех проб была непродолжительной (3—20 минут), так как легкая трубка при слабом усилии входила в печь (при старом методе тяжелая трубка вдвигалась в горн лебедкой, что требовало много времени). Пробы в разных точках горна отбирались почти одновременно.
Исследования показали, что изменения концентрации кислорода, углекислого газа и окиси углерода в окислительной зоне по оси фурмы при новом отборе проб не столь плавны, как получалось при плотном и спокойно лежащем слое горючего или при прежнем отборе и усреднении данных многих определений.
На рис. 175 приведена типичная диаграмма состава газа перед фурмой одной печи; на ней показано, что свободный кислород убывает из газовой фазы не постепенно, а скачками: сначала резко, а на расстоянии 200—300 мм от фурмы даже возрастает, затем сохраняется на довольно высоком уровне (13—15%) на протяжении 500—600 мм и в конце зоны резко падает. Углекислый газ изменяется соответственно кислороду — возрастает с его падением и наоборот. Окись углерода в газе появляется при вторичном снижении углекислоты.
Этот пример соответствует нормальному ходу печи и обобщает данные многих сотен серий проб, отобранных на четырех печах.
Механические процессы перед фурмами и их связь с составом газов в зонах

При ненормальном ходе печи или переполнении горна чугуном и шлаком диаграммы имеют несколько иной характер, но в общем подтверждают неплавное изменение содержания кислорода и углекислоты в газе окислительной зоны. В большинстве случаев кислород, как и на рис. 175, не изменяется на протяжении значительного расстояния зоны от глаза фурмы. Иногда число максимумов CO2 увеличивается до трех (см. рис. 173). Это объясняется тем, что кокс перед фурмами не покоится неподвижно, как в газогенераторе или на колосниковой решетке, а находится во взвешенном разрыхленном состоянии, плавая («танцуя») у фурм на достаточном от них удалении. Это хорошо подтверждается общеизвестным фактом сравнительно легкого продвижения газозаборной трубки или лома на протяжении 0,8—1,5 м за глазом фурмы, после чего продвижение резко затрудняется, и требуются большие усилия для преодоления возникшего препятствия. Например, замер динамометром усилий для проталкивания газозаборной трубки к оси горна доменной печи № 3 Кузнецкого завода на нормальном ходу дал следующие результаты: первые 1000 ям трубка проходила без усилий, на расстоянии 1000—1750 мм требовалось усилие 0,75 т, на 2000—2250 мм — 1,0 т.
При тихом ходе, когда дутье и газы проникали на меньшую глубину, уже на расстоянии 500 мм для проталкивания трубки требовалось усилие в 1 т, а далее возрастало резче, чем при нормальном ходе.
Наблюдения Д.В. Ефремова за границей разрыхленной и плотной зон показали, что разрыхленная зона тем глубже, чем больше количество и скорость дутья, и в общем распространяется на 750—1100 мм от глаза фурмы. Протяженность разрыхленной зоны в каждом случае можно установить промером с помощью железного щупа, продвигающегося легко в зоне разрыхления и с трудом — вне ее.
Механические процессы перед фурмами и их связь с составом газов в зонах

Дальнейшие исследования, проведенные в США, Англии и на печах заводов центральной зоны России, сводились к высокоскоростной (до 3000 кадров в секунду) съемке движения кусков кокса у фурм — в зоне разрыхления. Эти наблюдения показали, что кокс в разрыхленной зоне, циркулируя, движется по окружности: отдуваемый дутьем, он совершает близкое к горизонтальному движение внизу зоны разрыхления, направляясь к противоположной ее стороне, ограничиваемой плотной массой кокса. Здесь движущиеся куски кокса поднимаются вверх, затем поворачивают назад, движутся над зоной разрыхления и заканчивают свой круговорот, опускаясь вниз перед глазом фурмы.
Рис. 176 дает схематическое представление о процессах в вертикальном и горизонтальном разрезах разрыхленной «циркуляционной» зоны. На рис. 177 представлено более подробное описание той же картины.
Этот процесс воспроизводился также в лаборатории на модели. В камеру, наполненную деревянными брусками, вдувался воздух. Через прозрачную боковую стенку камеры наблюдали за движением брусков, аналогичным изображенному на рис. 176 и 177. Подобные же эксперименты производились и с кусками кокса. Лабораторными исследованиями, в полном соответствии с данными Д. В. Ефремова, также установлена прямая связь диаметра области циркуляции с кинетической энергией струи дутья.
Зоной циркуляции можно объяснить характер изменения содержания кислорода по радиусу горна, приведенный на рис. 175. Кокс больше всего сосредоточивается близ глаза фурмы и на противоположном конце зоны циркуляции, у ее границы с уплотненной областью. Вот почему в этих участках окислительной зоны кислород взаимодействует с углеродом кокса наиболее интенсивно.
Следовательно, именно в этих местах резко уменьшается содержание кислорода и увеличивается концентрация углекислого газа.
Механические процессы перед фурмами и их связь с составом газов в зонах

Отсюда два максимума СО2 и два минимума О2 на рис. 175. В промежутке между этими участками (рис. 177, зона Б) кокса очень мало; здесь в газовой фазе сохраняется повышенное содержание кислорода и пониженное углекислоты (рис. 175). При исследованиях окислительной зоны в прошлом, когда заборная трубка проходила ниже оси фурмы, т. е. на границе с зоной циркуляции, изменение концентрации СО2 и О2 в газовой фазе было плавным (без максимумов и минимумов). Этот процесс был близок к генераторному (спокойный слой кускового кокса), так как газозаборная трубка погружалась в сравнительно уплотненную пограничную среду.
Завершающая стадия процесса перед фурмами — взаимодействие СО2 и С — происходит вне разрыхленной зоны, в пограничном слое кокса, окаймляющем зону циркуляции.
Новые представления о процессах перед фурмами не отрицают выводов, полученных в результате прежних исследований окислительной зоны, также предполагавших, что окислительная зона представляет собой область с разрыхленной массой кокса, между кусками которого свободно движутся массы газа. Последние исследования детальнее описывают окислительную зону и уточняют характер перемещения кусков кокса в ней: движение это оказывается не беспорядочным, а строго определенным — по кольцу, ось которого перпендикулярна оси фурмы. Установлено, что фактором, влияющим на опускание материалов из верхних горизонтов в нижние, является не так окислительная зона, как зона циркуляции, представляющая собой тот разрыхленный объем, над которым происходит наиболее интенсивное движение масс. Вместе с тем важнейшие параметры (количество и скорость дутья), от которых зависит объем окислительной зоны, влияют в ту же сторону и на зону циркуляции. Поэтому практические выводы из исследований 30-х годов остаются в силе. С другой стороны, также и циркуляцией кокса перед фурмами можно объяснить тот факт, что иногда при увеличении нагрева дутья окислительная зона не сокращается, а удлиняется. Это объясняется тем, что объем газов в горне возрастает, следовательно, увеличивается их кинетическая энергия, отчего циркуляционная зона должна не уменьшаться, а увеличиваться. С нею изменяется и окислительная зона. Такое объяснение закономерно, однако, только для некоторых случаев.