» » Значение горячего дутья в доменном процессе
16.06.2015

Горячее дутье, предложенное Нельсоном в 1828 г. и впервые примененное в начале 1829 г. в России (для вагранок на Александровском заводе в Петербурге) и в конце 1829 г. в Англии (завод Клайд), вызвало снижение расхода горючего и получило широкое распространение.
Тепло, внесенное в печь горячим дутьем, заменяет тепло, выделяемое при горении углерода на фурмах; поэтому расход горючего снижается. Однако экономия горючего не пропорциональна повышению температуры дутья и не во всех случаях одинакова при повышении нагрева на одно и то же число градусов. Большой фактический материал, подтверждающий сказанное, приводится в литературе.
Так, при одних условиях повышение температуры дутья от 500 до 600° может дать снижение расхода горючего на 8—13%, в других условиях только на 4—6%, а иногда и меньше. Так, если при нагреве дутья от 500 до 600° снижение расхода горючего составляет 8% и более, то при повышении температуры от 600 до 700° эта величина уменьшается до 6%, а от 700 до 800° — до 4%. После известного предела повышение нагрева дутья вовсе не вызывает снижения расхода горючего.
Значение горячего дутья в доменном процессе

Из рис. 188 видно, что чем выше начальный расход горючего, тем резче снижение расхода его, в особенности при повышении нагрева на первые сотни градусов. Примерные конкретные значения этих величин, полученные в результате статистической обработки данных по разным периодам работы доменных печей, приведены в литературе.
Объяснение причины неравномерной экономии горючего от нагрева дутья было дано Беллом, Грюнером и Окерманом в 1869—1877 гг., но обобщение этих объяснений и существенное дополнение к ним дано М.А. Павловым в 1894 г. Объяснение это исчерпывается формулой
Значение горячего дутья в доменном процессе

Отметим, что — абсолютное значение температуры дутья, если экономия исчисляется в сравнении с работой на холодном дутье; если же экономия исчисляется от повышения температуры дутья, то t0д — число градусов, на которое возросла температура.
Для выяснения причин снижения расхода горючего и установления относительной роли каждого фактора в разных случаях нужно иметь в виду следующее.
С повышением нагрева дутья и снижением расхода горючего температура колошниковых газов и количество уносимого ими тепла уменьшается.
Если сохранить прежнее количество дутья и, следовательно, прежнее количество сжигаемого в единицу времени горючего, то снижение расхода горючего на единицу чугуна означает большее количество чугуна, выплавляемого в то же время и при том же количестве горючего. Это значит, что увеличивается количество. рудной сыпи на то же, что и ранее, количество кокса и количество газов. Прежнее количество газов встречает больше руды, продуктов плавки и передает им больше тепла. Следовательно, газы при этом охлаждаются больше, температура их на колошнике становится ниже. Так как и температура газов ниже и количество их на единицу чугуна меньше, то унесенное ими количество тепла на единицу чугуна тоже уменьшается. Вместе с тем теряется меньше тепла с охлаждающей водой и в атмосферу в расчете на единицу чугуна, потому что потери эти в единицу времени остаются неизменными, а количество чугуна в ту же единицу времени больше соответственно увеличению количества проплавляемой в то же время руды. Так как уменьшаются обе статьи потерь тепла, то тепловой к. п. д. печи Kт возрастает.
Соответственно сказанному, количество дутья на единицу чугуна уменьшается прямо пропорционально снижению относительного расхода горючего; при этом в печь вносится с дутьем меньше тепла (Vд C0tд) при одном и том же возрастании температуры дутья. Тепло, внесенное в печь горячим дутьем, используется полностью, так как вносится непосредственно в горн и расходуется в нижней же части печи на восстановление элементов и удаление серы в шлак, на нагрев чугуна и шлака. Это тепло не может быть потеряно ни в колошник, ни с охлаждающей водой, ни в атмосферу, так как при нагреве дутья потери тепла не увеличиваются, а уменьшаются. Следовательно, коэффициент использования тепла горячего дутья составляет 100%. Между тем, тепло, получаемое в горне сжиганием добавочного количества С в CO, не используется полностью: часть тепла, выделяющегося при сгорании С в CO, уносится через колошник с образовавшимся газом, а связанное с этим увеличение относительного расхода кокса и уменьшение количества образующегося к единицу времени чугуна вызывают увеличение потерь тепла через стены печи — в расчете на единицу чугуна. Следовательно, полезно используемое тепло при сжигании углерода на фурмах меньше того количества тепла, которое выделяется при горении,— соответственно тепловому к. п. д. печи: чем меньше к. п.д. (Kт), тем меньше используется тепло.
Таким образом, если некоторое количество тепла вносится в печь горячим дутьем, то этому соответствует сокращение сжигаемого на фурмах углерода в таком количестве, которое при горении дает больше тепла, чем внесено горячим дутьем. Если тепловой к. п. д. печи Kт = 0,8, а горячим дутьем вносится дополнительно 100 ккал тепла, то сожженный углерод сократится на такое количество, которое выделило бы тепла 100/0,8 = 125 ккал. При снижении нагрева дутья расход углерода увеличится таким же образом.
Следовательно, «горячее дутье сберегает тепла больше, чем само его внесло» (Окерман).
Изменение нагрева дутья изменяет не только непосредственно связанные с ним статьи прихода тепла, увеличивая одну из них (например, приход тепла горячего дутья) и уменьшая другую (например, приход тепла от горения углерода в CO). Эти сдвиги вносят существенные изменения и в прочие статьи теплового баланса. Так, с уменьшением относительного расхода горючего уменьшается расход тепла, унесенного со шлаком, так как уменьшается количество шлака (меньше золы внесено с горючим). Кроме того, уменьшается тепло на испарение влаги и на шлакование серы, так как меньше их вносится коксом; меньше диссоциирует водяного пара (меньше вносится дутья на единицу чугуна) и меньше диссоциирует карбонатов (при меньшем количестве шлака и расход флюса меньше.) С другой стороны, при повышении нагрева дутья и соответствующей «концентрации жара» в горне при прочих неизменных условиях содержание кремния в чугуне несколько увеличивается, повышается температура чугуна и шлака на выпуске, увеличивается нагрев воды, охлаждающей фурмы и т. д. (М.А. Павлов). Таким образом, общий приход тепла от нагрева дутья должен быть скорректирован на величину Q, которая может быть и положительной, и отрицательной, в зависимости от того, какие из упомянутых дополнительных факторов (экономящие тепло или, наоборот, увеличивающие его расход) превалируют. Часто бывает, что при высоком расходе кокса и низком нагреве дутья положительные факторы превалируют над отрицательными и величина Q остается положительной. При нагреве же дутья выше известной границы, разной в разных случаях, наоборот, начинают превалировать отрицательные факторы, и величина Q, переходя через нулевое значение, становится отрицательной. Иногда ее отрицательное значение становится настолько велико, что приближается к значению первого члена VдС0t0д, обращая, таким образом, весь суммарный эффект от нагрева дутья в нуль.
Существенное увеличение отрицательного значения величины Q при сравнительно высоких температурах дутья объясняется следующими причинами.
Во-первых, с уменьшением расхода горючего, сопутствующим нагреву дутья, повышается процентное содержание CO2 в газе. Если сперва допустить, что степень непрямого восстановления останется неизменной, то общее количество CO2 в газе тоже будет неизменно, а при уменьшении общего количества газа на единицу чугуна процентное содержание CO2 в нем возрастет. Из предыдущего известно, что даже небольшое повышение содержания CO2 в газе ведет к резкому уменьшению степени непрямого и возрастанию прямого восстановления железа и, следовательно, в рассматриваемом случае степень прямого восстановления не останется неизменной, а возрастает и приведет к увеличению расхода тепла.
Степень прямого восстановления возрастает еще и по такой причине. Как видно из предыдущего, при повышении нагрева дутья снижается температура колошниковых газов, если при этом сокращается расход горючего. Ho при этом понижается и температура газов в шахте, следовательно, повышение нагрева дутья перераспределяет тепло по высоте печи, сосредоточивая его в горне и заплечиках и уменьшая его приток в шахту. Получается как бы «концентрация жара» в горне.
Многие считают, что при расширении в связи с «концентрацией жара» внизу области с умеренными температурами усиливается непрямое восстановление. Однако усиление непрямого восстановления возможно было только на первых стадиях нагрева дутья, при достаточно высоком еще удельном расходе кокса, когда понижение температуры газов в шахте было невелико, а расход горючего оставался достаточно высоким. Дальнейшее же смещение области высоких температур в нижнюю часть печи, снижение расхода кокса и количества газов на единицу руды и снижение температур в шахте вызывает замедление процессов непрямого восстановления и, следовательно, увеличение прямого восстановления.
Во-вторых, при повышении нагрева дутья возрастают объем и давление газов в горне, а иногда также сужаются окислительные зоны. Эти изменения оказываются, как отмечалось, существенными факторами, затрудняющими плавный сход шихты и вызывающими ухудшение газопроницаемости вышележащих ее слоев. Это способствует понижению температуры в областях первичного шлакообразования и усугубляет понижение температур в вышележащих горизонтах. Поэтому первичные шлаки, ранее подвижные, становятся гуще от снижения температуры и от усиленного восстановления из них FeO, отчего газопроницаемость еще больше ухудшается, а давление газов возрастает. К тому же, при достижении определенного температурного предела, ведет и усилившаяся возгонка моноокиси кремния с последующей ее конденсацией в верху заплечиков или в распаре. Следствием этого оказываются неровности хода, обрывы, осадки. В таком случае те или иные количества материалов, вместо плавного опускания и постепенного нагрева и восстановления, быстро перемещаются из участков с более низкими температурами в зоны высокого нагрева. Вследствие этого усиливается прямое восстановление.
Таким образом, одновременно со снижением расхода горючего начинают играть роль факторы повышения этого расхода (Н.А. Костылев), вследствие чего экономия кокса от введения тепла с нагретым дутьем (VдC0t0д) уменьшается все возрастающим отрицательным значением Q.
Достижение величиной Q такого отрицательного значения, при котором экономия горючего становится близкой к нулю, имеет место в разных случаях при разных температурах, в зависимости от условий, роль которых будет рассмотрена ниже.
Из предыдущего видно, почему эффект от нагрева дутья на одно и то же число градусов различен в разных случаях и почему та оптимальная температура дутья, выше которой нагрев дутья уже не дает снижения расхода горючего, также различна. Рассмотрим факторы, влияющие на расход горючего и на оптимальную степень нагрева дутья.
Прежде всего общий расход кокса до введения (или до повышения) нагрева дутья влияет на абсолютную и относительную экономию горючего. Как правило, высокий расход кокса, чем бы он ни был вызван, связан с более высокой температурой колошника, увеличенным количеством газа на единицу чугуна и пониженной производительностью печи. Как раз эти обстоятельства дают низкий Kt и, следовательно, большую экономию горючего при нагреве дутья. Чем менее экономно было использование тепла до нагрева дутья, тем эффективнее эта мера (М.А. Павлов, Окерман). Поэтому, например, влияние нагрева дутья при производстве ферросплавов много больше, чем при передельном чугуне, вследствие чего и оптимальная температура дутья при ферросплавах максимальная, какую могут обеспечить воздухонагреватели (800—1000°) до последнего времени.
Оптимальный нагрев дутья и эффективность его тем выше, чем больше теплопотребность нижней части доменной печи, где полностью используется тепло горячего дутья. Поэтому особенно благоприятствуют использованию дутья более высокой температуры следующие факторы:
1. Высокое развитие прямого восстановления железа, что имеет место при участии в шихте трудновосстановимых руд или руд и агломератов, содержащих известную часть железа в виде силикатов. При этом усиленное развитие прямого восстановления вызывает не уменьшение, а снижение расхода горючего, так как расход тепла на прямое восстановление покрывается не теплом горения углерода, а теплом дутья. Более того, как видно из предыдущего, оптимальная степень прямого восстановления, дающая минимальный расход горючего, тем выше, чем выше нагрев дутья.
2. Повышенное содержание в чугуне трудновосстановимых элементов — кремния, марганца, хрома и др., требующих увеличенного количества тепла в нижних частях печи. Это связано, кстати, и с отмеченной выше эффективностью нагрева дутья при выплавке ферросплавов.
3. Трудноплавкие шлаки, сернистые и зольные коксы.
4. Увлажненное дутье.
Условия, противоположные названным, не требуют высокого нагрева дутья, и потому зачастую определяют сравнительно низкий уровень оптимальной температуры дутья.
Низкий нагрев дутья объясняется преимущественно не так пониженной теплопотребностью горна (которая часто, по ходу печи, может быть увеличена утяжелением рудной нагрузки), как неровным ходом печи. Поэтому ровность хода очень часто определяет и степень нагрева дутья и влияет на эффективность повышения температуры. Это видно при рассмотрении роли следующих факторов ровного хода.
1. Газопроницаемость шихты обусловливается кусковостью, равномерностью кусковости, прочностью горючего и агломерата и т. д. Особенно затруднительно использование горячего дутья, если в шихте содержатся пылеватые руды и слабый кокс. Поэтому в связи со склонностью печей, потребляющих слабый кокс и мелкую руду, к неровному ходу и каналообразованию в течение многих лет на Юге, ММK и KMK использовали дутье, нагретое до температур не выше 500—600°. Улучшение шихты и кокса, особенно после 1948—1950 гг., было основным условием, обеспечившим повышение нагрева дутья. То же следует сказать и о большинстве печей США. Там, где основной составляющей доменной шихты была мелкая руда Месаби, нагрев дутья не превышал 500°; с вводом в шихту трудновосстановимых и кусковых руд значительно повысилась температура дутья и снизился расход горючего.
2. Профиль печи и состояние профиля: слишком крутая шахта или пологие заплечики, настыли на кладке затрудняют сход шихты и вызывают подстои, зависания и т. д.
3. Свойство и количество шлаков первичных, промежуточных и окончательных. Увеличенное количество шлаков отрицательно влияет на газопроницаемость в области распара и заплечиков, забивая зазоры между кусками кокса. Аналогично влияние и повышенной вязкости шлака. Уменьшенное количество шлака, его равномерное образование со значительным сокращением зоны пластичности (при офлюсованном агломерате), присутствие в первичном и промежуточном шлаках магнезии, закиси марганца и закиси железа создают условия для быстрого стекания шлаков и лучшей газопроницаемости, что играет особую роль, если твердые материалы недостаточно газопроницаемы.
То же следует сказать и об основности шлаков: чем шлаки кислее, т. е. чем в них меньше извести, тем они подвижнее. Следовательно, более кислые шлаки обеспечивают более успешное использование высокого нагрева дутья. В связи с этим следует особенно подчеркнуть важность термически устойчивого кокса: растрескивающийся и истирающийся кокс при нагреве примешивается в виде мелочи к шлаку, затрудняя его движение вниз. Одной из важнейших причин, обеспечивших эффективное повышение нагрева дутья в последние годы на Магнитогорском заводе, было значительное повышение термической прочности кокса при малом количестве малоизвесткового шлака, офлюсованном прочном агломерате и общей высокой кусковости шихты.
4. Вид горючего. Древесный уголь более порист, чем кокс; окислительная зона при нем меньше. Поэтому при коксе оптимальный нагрев дутья выше, чем при древесном угле. Коксу с более высокой реакционной способностью должно отвечать менее нагретое дутье. При крупных кусках кокса обеспечивается большая окислительная зона и допускается более высокий нагрев дутья.
5. Влажность дутья. При увлажнении дутья понижается температура в фокусе горения, уменьшается возгонка моноокиси кремния и имеется возможность повысить нагрев дутья в большей мере, чем нужно для компенсации расхода тепла на диссоциацию водяного пара. Этому способствует увеличенная газопроницаемость столба кокса в заплечиках вследствие уменьшения конденсированной хлопьевидной моноокиси кремния.
Между прочим, при выплавке ферросилиция, несмотря на высокую температуру в фокусе и усиленную возгонку SiO, нет надобности увлажнять дутье, потому что увеличенный расход кокса обеспечивает высокую газопроницаемость столба шихты, и этого вполне достаточно для ровного хода при эффективном использовании нагрева дутья при температуре его 800—900°. То же относится и к ферромарганцу, при котором высокая газопроницаемость слоя кусковых материалов сочетается с подвижными марганцовистыми первичными и окончательными шлаками.
6. Количество дутья в единицу времени. Опыт свидетельствует о том, что уменьшение количества дутья дает возможность использовать более высокий его нагрев. Это объясняется сокращением объема газов и, следовательно, уменьшением «подпора» шихты, а также усилением движения газов на периферии, исключающим задержки материалов у стен при сходе шихты. Часто небольшое уменьшение количества дутья дает возможность заметно снизить расход горючего, повысив температуру дутья. Однако чрезмерное увлечение такой мерой не оправдало бы себя, так как экономия горючего от повышения нагрева дутья была бы меньше перерасхода от плохого использования газа при периферийном ходе и от увеличения внешних тепловых потерь вследствие снижения производительности.
7. Газовые потоки. Регулируя системы загрузки или скорость истечения дутья изменением сечения фурм, можно усилить периферийный газовый поток за счет уменьшения потока в прочих участках печи. Такая мера увеличивает как бы «кажущуюся» газопроницаемость. Действительно, давление газов в горне при этом падает, но газы используются плохо, а шихта обрабатывается неравномерно. Такое мероприятие не может быть рекомендовано для систематического применения, а возможно лишь как временное, в небольших масштабах, только с целью восстановления нарушенного нормального движения и распределения газового потока.
До настоящего времени температура дутья не превышала 800—900°. Это тот нагрев, который обеспечивается современными воздухонагревателями с шамотной насадкой и ограниченным использованием насадки по высоте. Нижняя часть насадки при существующих режимах для нагрева используется мало. Однако и эти возможности воздухонагревателей раньше использовались недостаточно: часто нагрев дутья не превышал 500—650°.
Оптимальный уровень нагрева дутья определялся совокупностью всех отмеченных условий теплопотребности нижней части печи и ровности ее хода в их взаимосвязи. В последние годы, с применением увлажненного дутья и дутья повышенного нагрева, с улучшением подготовки шихты и применением офлюсованного агломерата, с улучшением качества кокса, с уменьшением количества и снижением вязкости шлаков, представилась возможность применить на большинстве заводов нагрев дутья 700—850° и выше. Таким образом, возможности воздухонагревателей почти полностью использованы. Между тем, дальнейшее улучшение шихты и кокса и совершенствование методов ведения печей дают основание полагать, что повышение нагрева дутья до 1100—1200° себя оправдает и будет способствовать снижению расхода кокса. Поэтому рассматриваются пути усиления воздухонагревательных средств: замена верхних рядов насадок и куполов более огнеупорным кирпичом, усиление горелок, подогрев газа и воздуха горения и т. п.
Правда, в дальнейшем эффект от нагрева дутья, как видно из предыдущего, будет меньше. Однако и впредь можно ожидать, что в большом числе случаев нагрев дутья на каждые 100° даст снижение расхода кокса на 2—3%.
Следует учесть, что чем ниже относительный расход кокса, тем меньше объемная доля самого газопроницаемого компонента — кокса в столбе материалов. Чтобы газопроницаемость столба при этом не уменьшалась, необходимо обеспечить более прочные кокс и агломерат; осуществить окускование мелочи, отсев мелких фракций, усреднение материалов, уменьшить количество шлака и увеличить его подвижность. Только при этих условиях дальнейшее повышение нагрева дутья окажется эффективным и оправдаются повышенный расход газа на нагрев дутья и дополнительные капитальные затраты на переоборудование воздухонагревателей.