» » Температура и давление газов по сечению горна
09.06.2015

Температура по сечению горна тесно связана с изменением состава газа. Для того чтобы разобраться в важнейших закономерностях этих изменений, нужно иметь в виду следующее:
1. В пределах окислительной области температура тем выше, чем выше содержание СО2 в газе, так как углекислый газ в окислительной зоне является продуктом полного окисления углерода, при котором выделяется тепла в несколько раз больше, чем при сжигании в CO.
Температура в фокусе горения, т.е. в местах с максимальным содержанием СО2 достигает 1800—2000° и выше, а после фокуса снижается соответственно убыванию СО2 по реакции СО2+С→2СО.
2. За пределами окислительной зоны температура газа постепенно падает по направлению к центру горна. Интенсивность снижения температуры зависит от развития реакций прямого восстановления в восстановительных зонах и от количества газов, проникающих из окислительной зоны в центральные сферы горна: чем больше газов доставляется к центру, тем меньше изменяется температура по радиусу горна и тем выше температура в центре. При недостаточном проникновении газов к центру температура в серединных участках горна низкая, а падение температуры по радиусу — резкое.
Изменение температуры от окислительной зоны к центру, таким образом, тесно связано с содержанием CO за пределами зоны. Как видно из сказанного, чем быстрее возрастает содержание CO в этой области, тем резче падает температура; где выше CO, там ниже температура.
Очевидно, что в полном соответствии с изменением состава и температуры газа по радиусу горна должно находиться и статическое давление газов в тех же местах: давление достигает максимального значения на периферии горна и падает по направлению к центру, причем тем резче, чем меньше газа проникает к центру. Факторы, препятствующие проникновению газов в центр, способствуют и понижению статического давления газа в том же направлении.
Основными факторами проникновения газов из окислительной зоны к центру горна являются количество газов на единицу сечения горна и скорость истечения дутья. Так как количество газов пропорционально количеству дутья, то проникновение газов к центру пропорционально кинетическом энергии дутья mv2/2.
С другой стороны, чем больше диаметр горна, тем длиннее путь проникновения газов; поэтому в большую печь необходимо подавать дутье с большей кинетической энергией для обеспечения необходимой температуры в центре горна. Следовательно, при увеличении сечения горна через каждую фурму должно быть подано больше дутья и при более высокой скорости.
Температура и давление газов по сечению горна

Практически необходимо, чтобы в центре температура была не ниже той, при которой шлак и чугун сохраняются в жидком виде. Там, где такой температуры нет, неизбежно образуется неплавкая масса. Считается, что температура в центре должна быть не ниже 1350—1400° при передельном чугуне и несколько выше при более кремнистых чугунах. Это условие должно быть обеспечено соответствующим дутьевым режимом.
При непрочном коксе, образующем мелочь, которая скопляется в центре горна, и при вязких шлаках приходится особо заботиться о доставке необходимого количества горячих газов из окислительной зоны к центру.
На рис. 178 нанесены кривые температур по радиусу больших печей заводов «Запорожсталь» и Магнитогорского, а на рис. 179 — изменение давления газов в горне по радиусу магнитогорской печи. Давление и температура газов по радиусу дрересноугольной печи Ашинского завода приведены на рис. 180. Несмотря на малый диаметр горна доменной печи Ашинского завода, центр ее был прогрет плохо, между тем как в центре больших печей температура была удовлетворительна.
He менее наглядны данные о температурах в центре горна трех немецких печей по исследованиям Рейнлендера. Две первые печи работали в идентичных условиях на мартеновский чугун с расходом вестфальского кокса 0,85—0,86, но с почти одинаковым суточным общим его расходом, при нагреве дутья 620 и 520 и давлении — 0,8 ати.
Диаметр горна первой печи был 3,9 м, а второй — 5 м; третья печь выплавляла томасовский чугун на саарском коксе, расход которого составлял 1,2, при нагреве дутья 700—800° и давлении 0,43 ати; диаметр горна печи 4,5 м.
Температура и давление газов по сечению горна

Оказалось, что если у первой печи на расстоянии 1750 мм от глаза фурмы температура достигала 1400—1450°, то у второй печи на расстоянии 1250 мм от фурм температура составляла до 1100° и, следовательно, у центра, куда не могла проникнуть трубка с термопарой, была по-видимому, еще ниже. Так как в обе печи подавалось почти одно и то же количество дутья в единицу времени при одинаковом сечении фурм и при одинаковом давлении, то скорость истечения дутья из фурм обеих печей составляла 44,5—45,5 м/сек; следовательно, кинетическая энергия истечения была также в обоих случаях одинакова.
Однако расстояние от стены до оси горна у первой печи составляло 1,95 м, а у второй — 2,5 м. Если у первой печи при скорости истечения дутья 45 м/сек газы достигали центра горна и поддерживали в нем температуру 1400°. то у второй печи путь газов до центра был на 0,55 м длиннее; поэтому они распределялись менее равномерно, оставляя зону с большим диаметром в центре малодоступной для горячих газов и потому плохо прогретой. Таким образом, у второй печи образовался непрогретый твердый непроницаемый для газов «мертвый» столб материалов, получивший в немецкой литературе (а позже и в нашей) название «тотермана».
В третьей печи в серединной части горна температура оказалась еще ниже—1000—1100°, несмотря на то, что по периферии горна, распара и шахты температура была такая же, как и в печах с хорошо прогретым горном. Однако на этой печи при 15 фурмах типа Вентури диаметром 180 мм скорость истечения дутья была всего 21,4 м/сек, т.е. вдвое меньше, чем на первых двух печах и в три-четыре раза меньше, чем на большинстве современных печей. Столь низкой скорости истечения соответствовало и сравнительно низкое давление дутья в кольцевой трубе. У третьей печи условия для образования «мертвого» столба были особенно благоприятны, так как горн у нее был сравнительно велик, а скорость истечения дутья очень мала. Кроме того, шихта в этой печи, по сообщению исследователя, опускалась неравномерно и поступала в горн неподготовленной. Это еще более затрудняло доступ горячих газов к оси горна.
Таким образом, для небольшой печи диаметром горна 3,9 м скорость истечения дутья 45 м/сек была еще достаточна для обеспечения в горне температуры 1400—1450°; но при большем диаметре горна или меньшей скорости истечения дутья в центре горна образовывался «тотерман». Такой «мертвый» столб вреден, так как при этом в серединных участках печи газы не движутся. Это замедляет восстановительные процессы в застывшей массе, создает условия для похолодания всего горна, ограничивает объем пространств, вмещающих жидкие продукты плавки и обусловливает крайне неровное движение материалов и вообще неровный ход печи.
Поэтому интересно, какие обстоятельства способствовали тому, что в центральных частях больших печей заводов Магнитогорского и «Запорожсталь» с диаметрами горна, много большими, чем у рассмотренных немецких печей, температура достигала 1400° и выше, следовательно, исключалось образование «мертвого» столба (рис. 178). Оказывается, что в магнитогорских печах, когда в центре температура не опускалась ниже 1400—1425°, скорость истечения дутья из фурм составляла около 140 м/сек, причем количество дутья в единицу времени обеспечивало сжигание в час не менее 1000 кг кокса на 1 м2 сечения горна. При таких количествах и скорости дутья кинетическая энергия его была достаточна для проникновения газов из окислительных зон к центру горна в таком количестве, чтобы обеспечить температуру, при которой чугун и шлак находятся в жидком состоянии.
Аналогичное явление имело место на печах «Запорожстали», завода им. Дзержинского и других. Достаточно глубоко распространенным окислительным зонам, приведенным на рис. 161, с, 162, а, 164, 165, 166, соответствовала мощная струя дутья, так что при высокой интенсивности горения и больших скоростях истечения зоны горения распространялись на 1400—1800 мм в глубь горна при достаточно удаленных от глаза фурмы фокусах горения. Последнее обстоятельство, наряду с достаточной кинетической энергией, также способствует прогреву центральной части печи.
Наоборот, на древесноугольной печи Ашинского завода (рис. 180), несмотря на малый диаметр горна (3 м), в центре был «мертвый» столб, потому что интенсивность горения была в 1,5 раза меньше, чем на больших печах, а скорость истечения (26 м/сек) в 2,5—4,5 раза меньше. Кинетическая энергия струи была в 10—30 раз меньше.
Температура и давление газов по сечению горна

Кроме того, печь работала с непрерывными осадками после каждой загрузки колош, почему в горн опускались неподготовленные материалы, вызывавшие загромождение центральной его части, подобно тому, что было на одной из рассмотренных немецких печей.
Некоторые специалисты настаивали на неизбежности наличия «мертвого» столба в центре печей диаметром горна более 6 м. По их мнению, такой столб имеется в каждой доменной печи большого размера. «Тотерман» представлялся конусом, опирающимся основанием на лещадь и с внешней поверхностью, по которой медленно движется густая масса, состоящая из кокса, извести и соединений закиси железа с компонентами пустой породы.
Здесь углерод кокса расходуется только на реакции прямого восстановления или на науглероживание чугуна, вследствие чего «тотерман» представляет собой химический «холодильник», в котором температура не выше 1000—1100°. Этот «холодильник» непроницаем, вязок и вызывает охлаждение всех граничащих с ним зон печи.
Этим суждениям предшествовали исследования Ленингса (Германия), согласно которым окислительная зона не распространяется в глубь горна более, чем на 1 м, и Кинни (США), установившего эту величину в 915 мм. Утверждалось, что эта величина не меняется даже при существенном уменьшении количества и давления дутья (Кинни). Постоянная глубина зоны объяснялась тем, что при высоких температурах горна и господствующих там давлениях скорость реакций окисления углерода настолько велика, что только она и определяет глубину зоны, и никакие иные факторы на скорость реакции и глубину зоны якобы повлиять не могут.
Такая гипотеза подкреплялась результатами обработки большого количества статистических данных, показавших, что интенсивность горения уменьшается при увеличении сечения горна (Айхенберг и др.). Эго объяснялось тем, что с увеличением диаметра горна увеличивается только длина кольца шириной 1 м, а внутри горна растет сечение малоактивного столба. Поэтому количество сгорающего кокса возрастает пропорционально длине кольца, т.е. пропорционально диаметру горна в первой степени, в то время как сечение горна пропорционально квадрату диаметра, почему интенсивность горения, отнесенная к сечению горна, должна убывать. Ta же точка зрения подтверждалась якобы и данными Рейнлендера (см. выше) о наличии «мертвого» столба с температурой 1000—1100° у оси горна некоторых — даже сравнительно небольших — печей.
Неудовлетворительную работу самой большой в свое время в России магнитогорской доменной печи № 1 в пусковой период пытались объяснить присутствием в центре горна «мертвого» столба, «тотермана».
Однако окислительная зона может, как показано, простираться в глубь горна на расстояние вдвое большее, чем полагал Кинни, при соответствующем увеличении количества и скорости дутья. Следовательно, данные и обобщения Ленингса и Кинни неверны вследствие неточности методики, малого количества и случайности опытных данных Также неверно обобщение Рейнлендера: на печах, исследованных им, температуры в центре горна должны были быть низкими, что было обусловлено только дутьевым режимом. Это значит, что выводы Рейнлендера не могут быть распространены па все печи Что же касается результатов статистической обработки массовых данных, то они, как показал М.А Павлов, объясняются тем, что при расширении горнов старых германских печей в первые годы после войны 1914—1918 гг. и при строительстве новых печей с горнами большого сечения, не увеличивалась соответственным образом мощность воздуходувных машин, вследствие чего дутьевые средства не обеспечивали того количества и давления дутья, какие были необходимы для новых печей. Маломощные машины и были причиной недостаточной интенсивности горения на печах с увеличенными горнами.
Между тем, некоторые специалисты, признав мнимую неизбежность «тотермана» на печах с диаметром горна более 6 м, именно этим объясняли плохую работу больших печей и предложили сносить печи эллиптического сечения. В таком случае, как полагали они, не образуется «тотермана», так как эллиптический горн, имея большую площадь и обеспечивая соответственно большую производительность, может иметь малую ось не более 4—5 м, вследствие чего центральная часть такого горна будет всегда снабжена горячими газами, поступающими из окислительных зон, границы которых не удалены одна от другой так далеко, как это имеет место на печах круглого сечения и большого диаметра. В борьбе с такими представлениями, на основе тщательных исследований нескольких десятков разных печей и была разработана современная теория, согласно которой окислительная зона — управляема: ее объем и очертания могут меняться в зависимости от ряда условий, в том числе от дутьевого режима. При этом процессы в серединных участках горна также управляемы и зависят от тех же факторов.
Было показано, что эллиптическое сечение горна или печи не только не вызывается необходимостью, но и нецелесообразно: во время работы сечение печи вдоль большой оси сузится, а вдоль малой — расширится, вследствие чего профиль приблизится к круглому. При этом загрузка эллиптической печи затруднится, а обеспечение рационального использования газового потока станет намного труднее, чем у печи круглого сечения.
Сторонники теории «тотермана», убедившись в том, что и у большой круглой печи может быть достаточно прогретый центр горна, пытались отстоять свою точку зрения, выдвинув гипотезу о существовании «тотермана» в виде полого конуса (кольцевой «тотерман»). Полый конус, дающий в горизонтальном сечении на уровне фурм кольцо, якобы непроницаем для газов, а внутри его находится ядро с высокой температурой. Такая гипотеза опровергнута Я.M. Гольмштоком, показавшим, что в центре достаточно высокая температура возможна только вследствие проникновения туда горячих газов из периферии. Однако так как газы не могут проникнуть через непроницаемое кольцо, то, следовательно, нет и самого кольца.
Таким образом, наличие «тотермана» как явления, свойственного печам большого диаметра, было опровергнуто. Вместе с тем было отвергнуто и предложение о строительстве доменных печей эллиптического сечения.
Доменное производство России вступило на единственно верный путь строительства больших печей круглого сечения с диаметрами горна 8 м и выше. Эксплуатация таких печей показала, что при достаточных количествах дутья и скорости его истечения печи работают ровно, производительно и экономично.