» » Определение количества и диаметра фурм
09.06.2015

Количество фурм выбирается с условием, чтобы малоактивные участки между окислительными зонами по окружности горна не были велики. Некоторые предлагали эти участки вовсе исключить, объединив окислительные зоны на периферии в сплошное кольцо. Приведенные выше соображения и опыт опровергают это: по соседству с окислительной зоной должна быть обеспечена восстановительная среда, причем на только под фурмами и в центре горна, но и между зонами горения. Расстояние между фурмами должно быть таким, чтобы окислительные зоны не соединялись одна с другой и чтобы между ними не было значительных «мертвых» восстановительных участков.
В предположении, что ширина зон постоянна, Райс рекомендовал формулу для расчета фурм, исходя из того, что зоны должны касаться одна другой. В этом случае расстояние между носками фурм должно быть 1,22 м. Такой метод расчета неприемлем, так как соприкосновение зон нежелательно, а их ширина непостоянна.
Больше согласуется с теорией методика расчета, по которой расстояние между осями фурм по окружности горна принимается разным в зависимости от подготовленности шихты: 1,3—1,6 м при большом содержании мелочи в шихте и 1,6—1,8 м при подготовленной шихте. Обобщение данных о расстояниях между фурмами по 30 печам США и 50 немецким (в 1939—1942 гг.) показало, что в США, где в шихте часто содержится много мелочи, это расстояние приближается к первым пределам, а в Германии — при лучше подготовленной шихте — ко вторым. О том же свидетельствует довоенный опыт изменения числа фурм на печах № 1 ДЗМО, № 6 и № 7 завода им. Дзержинского: при увеличении количества фурм и доведении расстояния между ними до 1,3 и 1,4 м, но при значительном содержании мелочи в шихте работа печей улучшилась.
При выборе числа фурм приходится учитывать и абсолютные размеры печи: чем больше диаметр горна, тем больше должно быть расстояние между фурмами. Это объясняется тем, что при большем горне нужна, как известно, более глубокая окислительная зона, что обусловливает большее количество дутья, проходящего через фурму. Количество же дутья на каждую фурму как раз оказывается тем больше, чем меньше число фурм. Кстати, современные большие доменные печи работают на подготовленной шихте, следовательно, и этим условием определяется выбор меньшего количества фурм.
Полученное таким расчетом число фурм по конструктивным соображениям может быть скорректировано — уменьшено или увеличено на одну, в зависимости от числа и расположения опорных колонн. Весьма удобна рекомендованная M.А. Павловым эмпирическая формула определения числа фурм
 Определение количества и диаметра фурм

где d — диаметр горна (м), а свободный член означает отсутствие пропорциональности между диаметром горна и числом фурм. Сопоставляя расчеты по формуле и по приведенным выше исходным данным о расстоянии между фурмами, видим, что подсчитанное и выбранное число фурм отличаются незначительно (табл. 23).
При желании выбрать четное число фурм (пропорциональное количеству колонн), вводя соответствующие коррективы, получим для первого случая 8 фурм, для второго 8 и для третьего 16.
Определение сечения фурм находится в непосредственной связи с задачей обеспечения достаточно высокой температуры в центре горна и создания оптимального соотношения между восстановительными и окислительными зонами близ фурм. Это соотношение, как и температура в центре горна, определяются кинетической энергией дутья или скоростью истечения его из фурм.
 Определение количества и диаметра фурм

З.И. Некрасов, сопоставив большое число практических данных для печей, работающих с нормально прогретым горном и имевших при этом ровный ход, исчислил для всех случаев кинетические энергии дутья и сопоставил их с диаметрами горна. Результат этих сопоставлений приведен на рис. 187. Диаграмма отражает установленную закономерность: чем больше диаметр горна, тем больше должна быть окислительная зона, тем большая энергия должна быть затрачена для транспортирования горячих газов от периферии к центру горна. С другой стороны, недопустимо чрезмерное развитие окислительных зон. Это может вызвать недостаточное развитие повторных восстановительных процессов, шлаки станут железистыми и, следовательно, чугун будет «холодный», малокремнистый и сернистый. Недопустимо также чрезмерное распространение окислительных зон к центру горна (например, за счет больших скоростей истечения дутья). Это ослабит движение газов у стен, необходимое для обеспечения ровного схода шихты.
Поэтому в каждом случае требуется некоторая определенная кинетическая энергия; существенные отклонения, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, недопустимы.
 Определение количества и диаметра фурм

Кривая рис. 187 может быть выражена уравнением
E = 86,5d2 — 313d + 1160,

где E — кинетическая энергия (в кгм/сек);
d — диаметр горна (в м).
Кинетическая энергия истечения дутья в каждом случае рассчитывается по формуле
 Определение количества и диаметра фурм

Так, для печи с горном диаметром 7 м, потребляющей дутья 2200 м3/мин при давлении 1,2 ати и температуре 600° и при 12 фурмах, имеем:
 Определение количества и диаметра фурм

Чтобы определить необходимый диаметр фурм, найдем приведенную (при температуре 0° и атмосферном давлении) скорость w0:
 Определение количества и диаметра фурм

В современных условиях (при более высоких давлении и температурах дутья) в расчете соответственно должны быть увеличены давление дутья и температура, вследствие чего общий результат w изменяется мало.
Метод расчета по кинетической энергии не всегда дает удовлетворительные результаты. Так, при увеличении нагрева дутья, но без одновременного перехода на повышенное давление, при подсчете по этому методу получаются приведенные скорости менее 70 м/сек, что для печи диаметром 7 м явно недостаточно.
Далее, если расчет по кинетической энергии дает удовлетворительные результаты при прочном коксе и газопроницаемой шихте, то при неудовлетворительном их качестве требуется меньшая кинетическая энергия (по сравнению с той, которая получается по формуле), чтобы больше прогреть периферию, так как при плохой газопроницаемости столба над фурмами окислительная зона стремится глубже к центру горна.
Иногда формулу З.И. Некрасова можно заменить нормой, предложенной И.А. Астаховым и M.И. Горячко: исходить из кинетической энергии 100 кгм/сек на 1 м2 сечения горна на одну фурму при кусковатости шихты 50—60%. Указанная норма зависит от физических свойств шихты. Этот прием учитывает, таким образом, газопроницаемость шихты и годится в качестве контрольного к расчету по формуле З.И. Некрасова. Нормы И.А. Астахова и M.И. Горячко были выведены только для печей завода им. Дзержинского. При проверке они не всегда дают результаты, согласующиеся с практикой. Эти нормы не учитывают необходимости изменения сечения фурм с изменением нагрева дутья.
К выбору диаметра фурм в ряде случаев можно подойти проще, если обобщить практические данные и ориентироваться только на приведенные скорости истечения (w0), которые должны учитывать диаметр горна, нагрев дутья и физические свойства материалов. Это дает возможность избежать чрезмерно больших или чрезмерно малых приведенных скоростей истечения, получаемых иногда при формальном применении метода кинетической энергии, так как по методу приведенных скоростей приходится задаваться скоростями, а не рассчитывать их.
Примерные скорости дутья, как показывает анализ практического материала, могут находиться в пределах 60—70 до 115—140 м/сек; они колеблются, следовательно, относительно средней величины, составляющей 90—100 м/сек. На практике, учитывая указанные факторы, приходится задаваться большими скоростями, например, 100—130 м/сек при больших горнах (7 м), невысоком нагреве дутья (400—600°) и при горючем средней прочности.
Малые скорости истечения (60—80 м/сек) принимаются для малых горнов; средние скорости (до 110 м/сек) соответствуют горнам размеров 5—7 м при высоком нагреве дутья, непрочном горючем и плохо проницаемой шихте.
Нагрев дутья учтен в расчете диаметров фурм весьма приближенно: чем выше нагрев дутья, тем большим выбирается диаметр фурм. Однако для влияния этого одного фактора нельзя дать точного числового выражения, вследствие чего рекомендация носит качественный характер. Изменения диаметра фурм при изменении нагрева дутья не должны быть значительными. Объясняется это следующим.
Повышение нагрева дутья влияет на процессы в горне по-разному: с одной стороны, ускоряется горение, что уменьшает окислительную зону и приближает фокус к глазу фурм; с другой стороны, увеличение скорости истечения (от увеличения фактического объема дутья) и кинетической энергии должно привести к обратным результатам. Расчеты показывают, что когда возрастание линейной скорости истечения превышает увеличение скорости окисления С и CO, тогда объем зоны с повышением нагрева дутья может возрастать и фокус горения отдалится от фурмы. Когда же возрастание скорости истечения меньше возрастания линейной скорости окисления углерода, зона сокращается, и фокус приближается к фурме. Иногда же нагрев дутья может вовсе не повлиять на смещение характерных точек зоны.
Подсчет скорости химической реакции горения в конкретных случаях затруднителен, а еще труднее рассчитать скорость смещения конца зоны и фокуса. Ho из сказанного видно, что эти смещения ввиду противоречивого действия обоих факторов не могут быть настолько велики, чтобы вызвать необходимость существенного изменения диаметра фурм. В последнее время, в связи с переходом доменных печей на дутье с повышенными нагревом и влажностью, тем более нет необходимости существенно изменять диаметры фурм, так как оба фактора действуют на зону в противоположных направлениях. Массовая обработка данных по печам России показала, что в большинстве случаев изменение скорости истечения дутья меньше изменения линейных скоростей горения, вследствие чего часто при повышении нагрева дутья сокращается зона, а фокус приближается к фурме. Однако изменения эти невелики. Между тем повышение температуры дутья и газов в зоне увеличивает объем газов и их подпирающее действие. Поэтому с увеличением диаметра фурм, например, на 5—10 мм, уменьшится скорость, расширится зона, движение газов будет более периферийным, что ослабит их подпирающее действие. Это конечно, приведет к дальнейшему понижению температуры в центре горна, и потому мера эта не должна быть сильной. При газопроницаемой шихте и прочном коксе повышение нагрева дутья вовсе не требует расширения фурм.
В прошлом сечения фурм рассчитывали формально — без учета существа дела. Так, предлагалось определять размер фурм в зависимости от диаметра горна, исходя из того, что сечение фурм должно быть тем больше, чем больше горн, т.е. в полном противоречии с тем, что требуется в действительности.
Предлагалось рассчитывать сечение фурм, исходя из постоянных скоростей, независимых от размеров горна и условий работы, и т.д. В последнее время специалисты стали на верный путь (Рич, Дипшлаг, В.А. Сорокин, З.И. Некрасов, И.А. Астахов, M.А. Павлов), но еще и в 1916 г. Леонтьев-Левин справедливо рекомендовал выбирать количество и сечение фурм древесноугольных печей по кинетической энергии дутья.