» » Окисление составных частей чугуна и их повторное восстановление в горне
09.06.2015

При рассмотрении состава газовой фазы в окислительных зонах оказывается, что в газах кислорода всегда меньше, чем вносится с дутьем через фурмы.
Если отношение кислорода к азоту в сухом дутье составляет 21/79 = 0,2658, а при 2% влаги в дутье достигает 0,2785, то в любой точке окислительной зоны оно ниже указанных величин. Рассмотрим, например, газ, отобранный из магнитогорской печи (см. рис. 161, а) на расстоянии 850 мм от фурмы: CO2 = 12,5%; CO = 2,5%, O2=3% и, следовательно, N2 = 82,0%. Всего в газе содержится 12,5+0,5*2,5+3 = 16,75% кислорода, а отношение О2/N2 = 16,75/82,0 = 0,204. В окислительной зоне это отношение всегда ниже 0,2658, а вне ее — выше. Так, например, на расстоянии 1800 мм от фурмы содержание CO достигает 39 %, H2 = 1% (рис. 182) и, следовательно, N2 = 60%. Тогда
О2/N2 = 19,5/60 = 0,325.

На рис. 182 приведен состав газа в окислительной зоне печи Макеевского завода, а вверху нанесена кривая отношений содержания кислорода и азота в газовой фазе для всех точек перед фурмой. Из этой кривой видно, что наибольший недостаток кислорода в сравнении с внесенным дутьем наблюдается в середине окислительной зоны, а в начале и конце ее он близок к нулю. За пределами окислительной зоны избыток кислорода против внесенного дутьем постепенно возрастает соответственно возрастанию содержания CO в газе. Это может быть объяснено тем, что свободный кислород и кислород углекислоты может окислять близ фурм не только углерод горючего, но и железо, кремний, марганец, углерод и фосфор, содержащиеся в чугуне. Таким образом, в окислительной зоне часть элементов чугуна окисляется и переходит в шлак и газ. За пределами окислительной зоны, в восстановительной среде, все окисленные ранее и перешедшие в шлак элементы повторно восстанавливаются твердым углеродом с образованием CO, которая присоединяется к газу окислительной зоны, вследствие чего увеличивается содержание кислорода (в виде CO) в газе восстановительной зоны горна. Кислород из газовой фазы окислительной зоны как бы переносится в фазу восстановительной зоны, причем его поступление должно быть больше убыли его из газовой фазы окислительных зон, потому что в восстановительной среде восстанавливаются элементы не только из окислов, поступивших туда из окислительных зон, но и из окислов, прибывших в горн из вышележащих областей печи.
Поскольку эта закономерность состава газа в окислительной и восстановительной среде повсеместна и не знает исключений, сделанное заключение не может вызывать сомнений.
Окисление составных частей чугуна и их повторное восстановление в горне

Окисление составных частей чугуна у фурм подтверждается многочисленными исследованиями, выполненными за границей и в России. Для этого пробы продуктов плавки отбирались по оси горна с помощью специальных охлаждаемых трубок, вводившихся в горн через фурмы. Эти трубки иногда были подобны обыкновенным газозаборным, описанным выше. Иногда же пробы отбирались трубкой, имеющей сверху вогнутую часть, куда собирались пробы чугуна и шлака из горна. Иногда внутрь трубки вводилась лодочка, сперва отверстием вниз, но поворачивающаяся на 180° в тот момент, когда нужно было отобрать пробу.
Окисление составных частей чугуна и их повторное восстановление в горне

На рис. 183, по исследованию Мунда, Штеккера и Айлендера, приведены данные о содержании углерода, марганца и кремния в чугуне по мере удаления от глаза фурмы доменной печи диаметром горна 3,9 м, выплавлявшей томасовский чугун. При этом линия 1 показывает содержание элементов в чугуне, пробы которого отобраны на продолжении оси работающей фурмы; линия 2 — по оси неработающей фурмы, т. е. в восстановительной среде между двумя соседними окислительными зонами; линия 3 — по оси шлаковой фурмы, т. е. ниже окислительной зоны. Горизонтальные прямые на рис. 183 означают содержание С, Mn и Si в чугуне из выпуска.
Из рассмотрения диаграмм можно заключить, что перед работающей фурмой содержание углерода, марганца и кремния в чугуне меньше, чем в восстановительной зоне или на выпуске. Правда, кремния в зоне неработающих фурм также меньше, чем на выпуске, что объясняется низким содержанием Si в томасовском чугуне. В других случаях, когда в чугуне много кремния, он энергично окисляется на фурмах, но тогда менее энергично окисляется углерод.
Представление об окислении железа на фурмах в примере рис. 183 можно составить по рис. 184, на котором нанесено содержание FeO в шлаке на разных расстояниях от глаза работающей фурмы Из рисунка видно, что в окислительной среде железо горит энергично. Количество закиси железа в шлаке здесь составляет почти половину всего количества шлака. Уже на расстоянии 400 мм от фурмы FeO шлака убывает; за пределами окислительной зоны оно гораздо ниже, хотя и выше, чем на выпуске. Следовательно, железо окончательно восстанавливается из шлака ниже горизонта шлаковой фурмы.
Окисление составных частей чугуна и их повторное восстановление в горне

Сера может также выгорать в окислительной зоне; но в между-фурменном пространстве и на оси шлаковой фурмы содержание ее намного выше, чем на выпуске. Следовательно, удаление серы происходит при взаимодействии окончательного шлака с чугуном, по-видимому, при прохождении его капель через толщу шлака, а частично на поверхности соприкосновения чугуна со шлаком.
Многочисленные исследования состава металла перед фурмами и вне окислительных зон были проведены на ряде заводов России. Все работы подтвердили интенсивное выгорание составных частей чугуна в окислительных зонах, главным образом, до фокуса горения. Хотя за пределами окислительной зоны содержание кремния и марганца наиболее высокое, оно все же меньше, чем в окончательном чугуне. Это свидетельствует о том, что значительное количество кремния и марганца восстанавливается ниже горизонта фурм из шлака.
Советские исследования также показали, что при кремнистых чугунах кремний горит в окислительных зонах в сравнительно небольших количествах. Фосфор окисляется тем в больших количествах, чем больше в шлаке FeO. Известь на уровне фурм часто еще не полностью входит в состав шлака и окончательно растворяется в нем уже ниже горизонта фурм.
Окисление составных частей чугуна и их повторное восстановление в горне

На рис. 185 приведены данные исследования на печи № 1 Магнитогорского завода в 1936 г., подтверждающие сказанное.
Что касается содержания окислов железа (FeO и Fe2O3) в шлаке, то в позднейших исследованиях их находили больше, чем указано выше: до фокуса горения в пробах шлака их содержалось более 50%, иногда сумма FeO + Fe2O3 достигала 60—77%, а за пределами окислительной зоны опускалась до нескольких процентов.
Восстановление железа из образовавшихся у фурм окислов происходит в восстановительной области с исключительной быстротой. Как показали исследования Н.И. Красавцева, при взаимодействии жидкого чугуна с железистым шлаком и при температурах горна ниже фурм скорость восстановления настолько велика, что процесс заканчивается почти полностью в течение нескольких минут. Вот почему в шлаке вне окислительных зон содержится немного FeO, а на выпуске — ничтожные ее количества.
Исследования показали также, что именно над окислительными зонами происходит образование и перемещение наибольших количеств чугуна и шлака. Количества того и другого, приходящиеся в единицу времени на единицу поверхности сечения горна на разных расстояниях от фурм и между ними, приведены на рис. 186 (для печи с диаметром горна 3,9 м). Линия 1 показывает количество продуктов плавки против фурм, а линия 2 — количество продуктов между фурмами. О том же свидетельствуют и данные А.П. Любана по одной из печей «Азов стали» (1939 г.): если принять за единицу количество жидких продуктов плавки, протекающих у оси горна в расчете на единицу сечения горна, то в окислительной зоне количество продуктов составило 7,1, на расстоянии 1500 мм от глаза фурмы — 5,9, а на расстоянии 2500 мм — 1,9.
Окисление составных частей чугуна и их повторное восстановление в горне

Обнаружив интенсивное окисление составных частей чугуна близ фурм, Копперс и Вюст предположили, что это явление вредное: весь доменный процесс сводится к восстановлению элементов, а в окислительных зонах значительная часть элементов окисляется, причем вне зон, рядом с ними и под ними, происходит повторное восстановление элементов, поглощающее тепло. Чем больше объем окислительной зоны, тем больше окислится железа, кремния и марганца, тем больше придется израсходовать тепла в восстановительных зонах для повторного восстановления, тем больше якобы будет расход горючего.
Этот вывод наталкивал на мысль вести процесс так, чтобы окислительные зоны занимали возможно меньший объем. В связи с этим предлагалось, например, осушать дутье, строить конические доменные печи или осуществлять подвод дутья не радиально, а по касательной (Бюст) с тем, чтобы окислительные зоны возможно меньше простирались в глубь горна.
Такая оценка роли окислительных процессов в горне неверна. В этом можно убедиться, если учесть, что углерод горючего должен расходоваться возможно более равномерно по всему сечению горна, чтобы обеспечить равномерное опускание шихты и равномерную ее обработку. Между тем, углерод вне окислительных зон не может ни гореть за счет кислорода дутья, ни окисляться за счет углекислоты газов, потому что вне окислительных зон не содержится ни О2, ни СО2. Для лучшего опускания вышележащих слоев материалов за пределами окислительных зон углерод кокса должен окисляться за счет восстановления. Однако сверху в горн приходит сравнительно мало невосстановленных окислов. Следовательно, углерод вне окислительных зон в горне может расходоваться только на повторное восстановление железа, кремния, марганца, находящихся в шлаке, пришедшем из окислительных зон, и на дополнительное науглероживание чугуна, потерявшего часть своего углерода при окислении близ фурм. Поэтому оказывается, что окислительная работа в зонах далеко не всегда вредна, а в известной мере — полезна: только благодаря ей и возможно движение над восстановительными зонами горна. Чрезмерно малые окислительные зоны как раз часто могут оказаться вредными не только потому, что спуск шихты в них и над ними будет затруднен, но и потому, что вне их, при слабом окислении у фурм, углерод будет расходоваться недостаточно, отчего опускание шихты и в серединных зонах печи будет медленным.
Следовательно, признание окислительных процессов вредными неверно, а поиски средств доведения окислительных зон до минимума нецелесообразны. Наоборот, окислительные зоны в печи должны быть развиты в достаточной мере — настолько, чтобы процессы окисления и соответствующие им процессы повторного восстановления совершались в должной мере и находились бы между собой в некотором оптимальном количественном отношении. Конечно, также плохо, если окислительные зоны чрезмерно велики, при недостаточном развитии зон восстановительных. Это может быть при холодном ходе, когда элементы, окислившиеся близ фурм, не могут полностью восстановиться вне окислительных зон. Тогда чугун получается малокремнистый или маломарганцовистый, многосернистый, а шлак — железистый.
Обратный случай — недостаточное развитие окислительных зон — встречается чаще и имеет следствием центральный холодный столб неподвижных материалов в результате недостаточного его нагрева. При этом даже незначительное развитие эндотермических процессов уже здесь вызывает сильное охлаждение центрального столба, «замерзание» шлака и даже чугуна, ограничивающее дальнейшее течение реакций и движение в этом месте.
При нормальном течении процессов окисления и восстановления в горне имеет место как раз такое развитие окислительных зон, которое обеспечивает приток в центральную часть горна горячих газов, шлака и чугуна из периферии, причем газы приносят тепло, расходуемое в дальнейшем на эндотермические процессы повторного восстановления в центральных частях горна, восстановительных областях между фурмами и под ними.
Эти процессы вместе с отмеченными ранее механическими процессами опускания центрального столба кокса (и дальнейшего всплывания кокса в области фурм снизу) обеспечивают плавное опускание материалов во всем поперечном сечении печи. Нарушение этого процесса возможно только вследствие недостаточного или чрезмерного развития окислительных зон.
Отсюда ясно, что два крайних вывода — о вредности восстановительных зон и необходимости их относительного сокращения у больших печей, так же как и о вредности окислительных зон — неверны. Каждая из этих точек зрения придает чрезмерное значение одному из двух противоположных, но единых в своей противоположности процессов. При ведении доменных печей необходимо не уменьшать объем окислительных зон, не сокращать объем восстановительных зон во что бы то ни стало, а устанавливать в каждом случае оптимальное соотношение между ними. Нормально, производительно и экономично работающие доменные печи имеют в должной мере развитые окислительные и восстановительные процессы, а нужное их соотношение и развитие является основным условием ровного хода и получения качественного чугуна.
Сторонники максимального сокращения окислительных зон указывали также на вредность процессов повторного прямого восстановления, расходующих якобы большие количества тепла.
М.А. Павлов показал, что в печи в целом от этого тепло не теряется: если какой-нибудь элемент восстанавливается в восстановительной зоне повторно, то в окислительной он окислился; следовательно, сколько тепла расходуется на диссоциацию окисла в восстановительной зоне, столько же его выделяется при окислении элемента в окислительной зоне. Так как из окислительной зоны в восстановительную притекают горячие газы именно оттуда, где тепло при окислении выделилось, то на повторное восстановление не требуется дополнительного тепла. Более того, так как это процесс не диссоциации (МeO → Ме + 1/2О2), а восстановления (MeO + C → Мe + CO), то он потребляет тепла меньше, чем выделяется в окислительной зоне. Следовательно, окисление элементов у фурм и их повторное восстановление вне окислительных зон есть один из видов окисления углерода на горизонте фурм (в конечном счете С + 1/2O2 → СО), идущий в общем с выделением тепла.
Однако из сказанного не следует, что глубокая и широкая окислительная зона всегда соответствует быстрому ходу печи, а ограниченная зона — тугому ходу. И.А. Сучков и Н.Н. Чернов, а до них — Я.М. Гольмшток и M.Я. Остроухов показали, что иногда значительное распространение окислительной зоны в глубь горна может оказаться следствием плохой газопроницаемости столба вышележащих материалов и связано, таким образом, с неровным ходом печи и неравномерным газораспределением.
Чрезмерно большая окислительная зона может оказаться следствием и похолодания печи, например, при канальном ходе или перегруженном рудой центре. Тогда в горн приходят малоподготовленные материалы, усиливается прямое восстановление железа, поглощается большое количество тепла, а от этого увеличивается размер зоны в разных направлениях.
Таким образом, неровный ход печи может наблюдаться как при больших, так и при малых окислительных зонах, а то или иное простирание зоны по сечению горна может оказаться не фактором ровности хода и газораспределения, а их следствием.
Из предыдущего видно, что при ведении печей следует заботиться об определенной организации процессов горения, окисления и восстановления в горне. Окислительные и циркуляционные зоны должны быть достаточно, но не чрезмерно велики для того, чтобы материалы из вышележащих горизонтов опускались более равномерно и чтобы газы распределялись по горизонтальным сечениям печи в соответствии с требованиями.
Имеется много примеров, подтверждающих соответствие работы горна, шахты и колошника в указанном смысле-
Так, Михель показал, что при увеличении глубины зоны горения содержание СО2 в газе у стен, несколько ниже уровня засыпи, увеличивается, т. е. газ распределяется по радиусу колошника более равномерно, ход становится менее периферийным.
В случае применения дутья двух давлений, описанном выше, распределение газов также становилось более равномерным: при дутье более высокого давления (и скорости) увеличивалась глубина зоны и соответственно усиливался газовый поток в участках печи, сравнительно удаленных от стен.
Подтверждающие ту же закономерность факты содержатся и в работе В.П. Оноприенко и приведены выше при рассмотрении влияния количества дутья на распределение газовых потоков: уменьшение количества дутья (следовательно, и глубины зоны) неизменно вызывает периферийный поток газов в шахте.
Наконец, упомянутые исследования работы при повышенном давлении показали, что при уменьшении глубины зоны ход газов в шахте становится периферийным. Нельзя, однако, утверждать, что объем окислительных зон всегда определяет процессы в горне и шахте, что именно от него зависит распределение газов по сечениям, что, следовательно, всегда, влияя на глубину зоны, технолог может уверенно регулировать ход печи. В ряде случаев очертания и размер окислительных зон являются не фактором хода, а, наоборот, следствием изменения потоков в печи.