» » Особенности теплопередачи в доменных печах
09.06.2015

Приведенные приемы анализа тепловой стороны доменного процесса основывались на тепловом балансе, рассчитанном по начальному и конечному состоянию системы, т. е. с учетом общего количества выделяющегося тепла, но без учета того, при каких условиях и при каких температурах происходит передача тепла от газов к материалам. Рассмотренный тепловой баланс, независимо от предложенных способов его расчета, базируется на «первом начале», т. е. на обеспечении соблюдения только баланса тепла в доменном процессе в целом. Согласно этому балансу, равные количества тепла, например, на испарение воды и на диссоциацию влаги, учитываются равным числом калорий и одинаково отражаются на расходе кокса. Между тем, фактическое влияние этих факторов на расход кокса неодинаково.
Соблюдение «второго начала», согласно которому тепло может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, обычным балансом не контролируется.
Пользуясь только обычным балансом, можно допустить, что при сушке влажной руды снижается расход кокса. Между тем, известно, что испарение влаги происходит в верхних горизонтах печи при низких температурах за счет тепла отходящих газов, в то время как тепло горения кокса выделяется в горне при высоких температурах и не связано с теплом, расходуемым вверху. Нельзя представить себе, чтобы для усиления притока тепла в горне, например, для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния или при увеличении расхода тепла на диссоциацию влаги, достаточно было бы только сэкономить тепло в верхних участках печи.
Эти рассуждения свидетельствуют о недостаточности обычного теплового баланса как средства анализа процесса. Можно обратить внимание и на то, что при составлении обычного баланса формально можно было бы в расчет принять любую высокую температуру дутья или любую низкую температуру колошника, в то время как фактически нельзя подавать в печь дутье с температурой, выше оптимальной в данных условиях, и нельзя никакими мерами снизить температуру колошника ниже определенного уровня.
Примером обусловленности температуры колошниковых газов существом процесса и невозможности ее снижения ниже некоторого уровня является то, что при увеличении высоты печи и, следовательно, пути газов почти вдвое не было достигнуто существенного понижения температуры колошниковых газов, несмотря ка то, что контакт шихты и газов при этом значительно удлинился. В подтверждение сказанного можно указать на следующий пример, приведенный М.А. Павловым: если сравнить две печи, из которых одна имела высоту 14,33 м и объем 170 м3, а вторая соответственно 24,38 м и 440 м3, то температура колошника у первой оказалась 390°, а у второй — 336°, т. е. изменилась незначительно. При сравнении печей объемом 328, 440 и 722 м3, производительностью соответственно 37, 50 и 80 т в сутки при работе их с одним расходом кокса и при одинаковом времени пребывания материалов в печи температуры колошника были 321, 312 и 308°, т. е. отличались незначительно.
Можно отметить также, что невысокие печи небольшого объема, работающие на влажной лимонитовой рудеминетт, имеют часто температуру колошника 60—70°, а печи Магнитогорского завода объемом 1386 м3, работающие на офлюсованном агломерате, при незначительном количестве летучих в шихте имеют температуру колошника 350—400°, причем использование углерода в последних неизмеримо выше, чем у первых.
Таким образом, температура отходящих газов не зависит от высоты и размеров печи, а определяется главным образом потреблением тепла в верхних горизонтах печи. Она зависит также и от количества тепла, выделенного в результате экзотермических реакций верхней части печи. Доказательством этого является весьма высокая температура колошниковых газов при выплавке ферромарганца из руды, содержащей пиролюзит (MnO2), в связи с выделением большого количества тепла при восстановлении от MnO2 до Mn2O3. При применении агломерата такой руды, в котором MnO2 переведена в низшие окислы, существенно снижается температура колошника.
He приходится говорить о том, что «низкотемпературное» тепло, теряемое в колошник с газами, нагретыми до 400—300°, не может быть использовано в печи, так как в других местах печи температура еще выше. Для снабжения нижних горизонтов нужным теплом необходимо, как известно, подвести это тепло в соответствующие участки печи, причем теплоноситель должен иметь соответственно более высокую температуру; тепло должно быть «высокотемпературным» и доставляться путем увеличения количества сжигаемого углерода либо повышением нагрева дутья.
Попытки улучшения использования тепла отходящих газов увеличением высоты печи, как видим, существенных результатов не дали. He приведут к успеху и попытки увеличения количества руды, обрабатываемой газами.
При увеличении количества руды, приходящейся на прежнее количество кокса, возможно снижение температуры отходящих газов; но в нижних частях печи, где избытка тепла нет, неизбежен тепловой «перегруз» — похолодание печи. В результате пришлось бы увеличить расход горючего, а это вызвало бы увеличение теплосодержания газов в шахте и на колошнике и, следовательно, повышение температуры отходящих газов.
Таким образом, возрастание количества неиспользованного тепла, уносимого газами в колошник, может быть следствием либо экзотермических реакций в верхних частях печи, либо следствием малого потребления тепла в шахте на удаление летучих (H2O, CO2) и испарение влаги, либо результатом возросшей потребности «высокотемпературного» тепла в нижних частях печи, вызывающей больший расход углерода. С этим связано образование большего количества газов, которые, переходя в шахту, не могут найти потребителя содержащегося в них тепла. Поэтому часто производственники, желая предохранить железные конструкции колошника от действия высоких температур, намеренно увлажняют руду, искусственно охлаждая этим газы. При этом, кстати, уменьшается скорость газов на колошнике и снижается вынос руды в виде пыли.
Все приведенные факты и основанные на них рассуждения заставляют предположить, что условия теплопередачи в нижних и верхних частях печи различны: внизу «высокотемпературное» тепло утилизируется полностью, причем приход тепла от горения топлива в горячем дутье без избытка покрывает потребность в нем нижней части печи; вверху же печи «низкотемпературного» тепла, принесенного сюда газами, пришедшими снизу, оказывается часто больше, чем необходимо для процесса, поэтому колошниковые газы выходят из печи с повышенной температурой. Количество неиспользованного тепла может увеличиться, если в шахте происходят экзотермические реакции (восстановление Mn2O3 из MnO2, восстановление Fe3O4 из Fe2O3, реакция 2СО→СО2 + С), поскольку тепла этих реакций использовать нельзя. С другой стороны, температура колошниковых газов снизится, если в шахте появится «местный» низкотемпературный потребитель, например, разложение гидратов или карбонатов, испарение влаги. Из этого следует, что при переходе с влажных руд на сухие или на офлюсованный агломерат повышается температура колошниковых газов.
Рассмотрим подробнее условия теплопередачи в верхней и нижней областях доменной печи, предположив вначале, что в шихте не содержится влаги. Оценим раздельно теплопередачу в областях с температурой ниже 900°, где не происходит разложения карбонатов и прямого восстановления, и в областях с температурой выше 900°, где, кроме разложения карбонатов и прямого восстановления Fe, Si, Mn, P и других элементов и перевода серы в шлак, происходит еще плавление чугуна, шлака, их перегрев и диссоциация водяного пара. Таким образом, в первой области имеет место обычный теплообмен, при котором газы отдают тепло, соответственно понижая температуру, а твердые материалы нагреваются.
В нижней же части печи, кроме обычного теплообмена, есть еще теплопередача, при которой газы, как и вверху, охлаждаясь, понижают температуру, а встречные твердые и жидкие вещества, воспринимая тепло, температуры не повышают. Именно такое явление имеет место при разложении карбонатов, плавлении, прямом восстановлении. На эту существенную разницу потребления тепла в верхней и нижней частях печи впервые в 1910 г. указал А.С. Саркисьянц, а позже — Дипшлаг, Н.А. Костылев, В. Матезиус, Б.И. Китаев и др.
Рассмотрим баланс тепла в верхней части печи. Принимаем следующие обозначения:
P — вес сухих материалов;
р — количество газов;
T0 и T — температуры материалов в начале верхней зоны, т. е. при загрузке на колошнике, и в конце верхней зоны;
t0 и t — температуры газов при входе и выходе из верхней зоны;
С и с — теплоемкости материалов и газов.
Так как количество тепла, отданного газами, охладившимися от t0 до t, равно теплу, воспринятому материалами, нагретыми от T0 до T, то баланс тепла выразится так:
Особенности теплопередачи в доменных печах

Произведения рс = Wg и PC = Ws принято называть водяными эквивалентами. Нетрудно видеть, что рс > РС Так, например, при расходе сырых материалов P = 3,2 кг на 1 кг чугуна, теплоемкости их C = 0,22 ккал/кг °С, величина PC=Ws = 3,2*0,22 = 0,7. При выходе газа на 1 кг чугуна р = 3,5 м3 и его теплоемкости с = 0,33 ккал/м3 °C получим
рс = Wg = 3,5 * 0,33 = 1,15.

Отношение pc/PC = 1,15/0,7 = 1,65. При всех возможных изменениях значений Р, р, С и с отношение это всегда превышает единицу, откуда следует, что T-T0/t0-t > 1, т. е. материалы нагреваются в большей степени, чем охлаждаются газы.
Действительно, материалы в верхней зоне нагреваются от 0 до 900°, а газы на соответствующем участке охлаждаются примерно на 550°. Если в той зоне, где материалы нагрелись до 900°, температура газов составляет 950—1000°, то температура газа при выходе из печи будет 400—450°. Именно такой и бывает температура колошника при отсутствии влаги в шихте. В действительности температура колошника несколько ниже вследствие расхода тепла на удаление влаги и на некоторые эндотермические процессы (разложение некоторой части карбонатов до 900°), протекающие в шахте.
Из сказанного видно, что температура «сухого» колошника может быть снижена только в результате изменения соотношения водяных эквивалентов, т. е. вследствие снижения расхода горючего на единицу чугуна. Это следует из приведенного выражения. Если положить T0 = 0, то
Особенности теплопередачи в доменных печах

Температура колошника t, таким образом, тем ниже, чем выше отношение водяных эквивалентов шихты и газа Ws/Wg = PC/pc или выше P/p, т. е. чем больше отношение количества шихтовых материалов к количеству газов или чем ниже расход кокса. Температура колошника зависит также от t0 и Т, но эти величины, как видно из предыдущего, изменяются мало.
Формула показывает, что с повышением нагрева дутья, вызывающим снижение расхода кокса, или с обогащением дутья кислородом снижается температура колошника: в обоих случаях снижается количество газов на единицу чугуна, т. е. увеличивается Р/р.
Рассмотрим баланс тепла в нижней зоне. Здесь тепло газов лишь частично используется для дальнейшего нагрева материалов и продуктов плавки; значительная же часть этого тепла используется на «скрытые» расходы. Обозначим сумму этих расходов через Q. Тогда получим, подобно предыдущему,
Особенности теплопередачи в доменных печах

Уравнения (VI, 35), (VI, 36), (VI, 38), (VI, 39) условно отражают действительное течение процесса: ведь количества введенных и вышедших продуктов изменяются от начала к концу каждой зоны, так как в зонах происходят восстановительные и иные процессы, изменяющие значения P и P'. То же следует сказать и о количествах газа и теплоемкостях, в каждом расчете принимаемых приблизительно постоянными. Эти неточности не изменяют, однако, качественной стороны выводов.
Из уравнения (VI, 39) нетрудно заключить, что в нижней зоне, в противоположность верхней, отношение T'-T0'/t0'-t' меньше единицы. В самом деле, если p'c'/P'C' и в этом случае больше единицы, но меньше двух, то член Q/P'C'(t0'-t') всегда равен или больше единицы, почему вся левая часть, а с ней и правая меньше единицы.
В том, что второй член левой части уравнения (VI, 39) больше единицы, нетрудно убедиться при любом подсчете, если подставить в это выражение конкретные величины.
Следовательно, в нижней части печи вследствие значительного увеличения теплопотребления шихты («скрытые» расходы тепла) температура твердых и жидких веществ изменяется всегда меньше, чем температура газов.
Сопоставляя закономерности изменения температур верхней и нижней зон печи и предполагая, что газы охлаждаются равномерно, получим схематическую картину, изображенную на рис. 190.
Особенности теплопередачи в доменных печах

Прямая наклонная линия относится к газам, а ломаная — к материалам и жидким продуктам плавки. Разность температур, как это следует из выражений (VI, 36), (VI, 39) и рис. 190, будучи максимальной в низу печи, уменьшается к середине; здесь (при 900—1000°) перепад температур достигает минимального значения, а затем вновь возрастает. Заметная разность температур вверху соответствует тому, что газы уходят из печи при сравнительно высокой температуре.
В важнейших точках диаграммы буквами обозначены температуры, соответствующие входящим в формулы (VI, 36) и (VI, 39), причем очевидно, T = T0' и t0 = t', так как газ, оставляющий нижнюю зону, переходит в верхнюю с той же температурой, а материалы из верхней — в нижнюю с той же температурой. Из рис. 190 видно, что в верхней зоне изменение температур материалов больше, чем газов (VI, 36), а в нижней — наоборот (VI, 39).
Б.И. Китаев рядом расчетов и экспериментальных исследований показал, что область T, Т0' и t0, t' не фиксируется на одном горизонте, а распространяется на некоторую высоту печи. Сказанное иллюстрируется рис. 191, согласно которому печь по высоте делится не на две (как на рис. 190), а на три зоны, причем средняя зона, где разность температур газа и материалов незначительна, названа «холостой» высотой, а верхняя и нижняя области, соответствующие верхней и нижней зонам рис. 190, названы первой и второй ступенями теплообмена. Нетрудно видеть, что закономерности теплообмена, вытекающие из предыдущих рассуждений и отраженные на рис. 190, имеют место и на рис. 191: уменьшение разности температур между газами и продуктами плавки по мере движения газов снизу вверх во второй ступени (нижняя зона) и возрастание разности в первой ступени (верхняя зона). Искривление линий на рис. 191 объясняется учетом некоторых деталей, опущенных при схематическом построении рис. 190. В частности, на рис. 191 учтено, что в первой ступени, кроме простого теплообмена, имеет место и некоторый «скрытый» расход тепла — на испарение влаги, разложение гидратов и легкоразложимых карбонатов (FeCO3, MgCO3), — чему соответствует сравнительно более резкое падение температуры близ колошника.
Особенности теплопередачи в доменных печах

Соображения Б.И. Китаева критиковались А.П. Любаном и другими, причем указывалось на то, что температуры измерялись термопарами, опущенными в печь через шомпольные отверстия, т. е. на периферии; поэтому незначительные изменения температур в «холостой» части печи характерны не для всего объема печи, соответствующего холостой высоте, а только некоторой небольшой периферийной части объема, содержащей мало руды и много шлака.
Б. И. Китаев, считая, что холостой является значительная часть объема доменной печи по высоте, поставил вопрос об уменьшении высоты печей.
Такой вывод вызвал серьезные возражения, основанные на том, что если даже и есть холостая высота, то она является результатом не конструкции (чрезмерной общей высоты) печи, а существа доменного процесса. Что это действительно так, доказывается измерением температур в модели доменной печи (1/20 нормальной высоты), полезной высотой 1225 мм. И.Ф. Коваль показал, что даже на такой маленькой печи при протекании в ней обычного процесса тоже имеется холостая высота, составляющая около 30% всей высоты. Следовательно, при уменьшении высоты печи холостой участок останется.
Особенности теплопередачи в доменных печах

Ослабленный теплообмен на определенной высоте печи объясняется существенным изменением характера теплопередачи при 800—950°, которая не может осуществиться мгновенно или в небольшом участке пространства ввиду малой разности температур нагревающихся и охлаждающихся тел. Это изменение условий теплообмена как раз характеризуется незначительной разницей температур газа и материалов. Следует учесть, что восстановительные процессы при температурах 800—950° (область холостой высоты) идут с выделением тепла, а разложение карбонатов в той же области — с поглощением. Это способствует некоторой стабилизации температуры на известной высоте.
Резкое изменение температур в верхней и нижней зонах печи и слабое их изменение в средних подтверждается не только исследованиями, упомянутыми выше, но и более ранними измерениями температур газов по высоте печен США, проведенными Кинни (рис. 192).