» » Зональный баланс доменного процесса и его применение
09.06.2015

На указанной закономерности теплопередачи в доменной печи основано построение зонального теплового баланса. Ecли условия теплопередачи в верхней и нижней зонах существенно различны, а на границах этих зон разность температур газов и материалов минимальна, то «верх» и «низ» представляют собой относительно независимые одна от другой в тепловом отношении зоны и, следовательно, тепловой баланс каждой из них следует рассматривать отдельно. Раздельное рассмотрение балансов двух зон, однако, не исключает их взаимной связи. Газы, охладившиеся в нижней зоне, но имеющие еще температуру около 950—1050°, переходят в верхнюю и там, отдавая тепло, нагревают шихтовые материалы до 900—950°, испаряют влагу и разлагают гидраты и некоторые карбонаты. Материалы, подогретые до 900—950° в верхней зоне и освобожденные там от влаги и частично от углекислоты, переходят в нижнюю зону. Зоны, внутренне независимые, оказываются связанными между собой последовательным течением процессов теплопередачи.
Основываясь на этих положениях, строили зональные балансы первые их авторы — Купельвизер, Джонсон, Матезиус и Н.A. Koстылев.
Иногда предлагалось делить печь не на две, а на три, четыре и более зон. Основанием выделения третьей и других зон могут быть в каждом конкретном случае те или иные соображения о распределении температур в печи. Так, автор, полагая, что тепло, внесенное нагретым дутьем, используется лишь в нижней части печи, где температура материалов и продуктов плавки превышает 1200°, строил трехзонный баланс, полагая, что в первой зоне (до 900°) идет простой теплообмен и удаление летучих, в третьей зоне (выше 1200°) увеличенная теплопотребность покрывается теплом горячего дутья, а во второй зоне (900—1200°) идут такие эндотермические процессы, теплопотребность которых не может покрываться нагревом дутья и, следовательно, компенсируется только теплом горения углерода. Очевидно, что такое трехзонное деление имеет смысл именно при анализе влияния нагрева дутья на расход горючего. При решении иных вопросов может потребоваться выделение других зон, например, в верхней части печи для исследования влияния удаления летучих и влаги на тепловые процессы и т.д. Ю.Р. Тишбейн пытался рассчитать зональный баланс из восьми зон.
При построении зонального баланса встречаются две трудности. Во-первых, трудно точно очертить температурные границы каждой зоны. Так, границы прямого и непрямого восстановления или начала разложения карбонатов не лежат точно при температуре 900° (в действительности границы эти раздвинуты в некотором температурном интервале 800—1000° и выше). Нет уверенности в том, что тепло горячего дутья расходуется только в области температур выше 1200°. Другая трудность при построении зонального баланса заключается в принятии определенного перепада температур между нагревающим и нагреваемым веществами в зонах и особенно на границах зон. Так, на границе двух зон в разных случаях принимается минимальный перепад — 50, 100°, а иногда более и менее этих величин, но твердых оснований для принятия тех или иных перепадов нет. При этом тоже приближенным и, по-видимому, преувеличенным является перепад на границе «средней» и «нижней» зон 250° (Матезиус).
Эти трудности явились причиной отказа ряда авторов (М.А. Павлов, А.Н. Рамм) от рассмотрения баланса по зонам. Однако тот факт, что качественно зональный баланс может быть методом анализа и исследования тех или иных явлений в доменной печи, послужил основанием использования его для решения тех или иных вопросов (В. Матезиус, Н.А. Костылев, П. Райхардт, В.В. Кондаков, В.В. Михайлов, А.П. Любан. А.Д. Готлиб и др.). При этом оказывается, что в некоторых случаях приближенный, но более или менее удачный выбор температурных границ зон и температурных перепадов может послужить основанием и для количественного расчетного решения тех или иных задач при условии постоянного контроля полученных результатов практическими данными и фактами.
Наиболее обшей формой построения зонального баланса, наглядно изображающей соответствие расхода и прихода тепла по зонам, является температурно-тепловая диаграмма, предложенная П. Райхардтом.
Основой зонального баланса является общий баланс, рассчитанный по второму способу: приход тепла составляется из теплосодержания газов в горне, являющихся продуктами горения углерода в горячем дутье; расход тепла учитывает действительные потребности тепла на восстановление элементов, диссоциацию влаги и карбонатов, плавление чугуна и шлака, тепловые потери.
Построение баланса и температурно-тепловых диаграмм начинается с расчета потребности тепла по температурным зонам. Учитывая температурные условия течения процессов и имея все данные материального баланса, можно рассчитать, сколько тепла требуется в интервале температур, например, до и выше 900°, или, если составляется трехзонный баланс, до 900°, в интервале между 900 и 1200° и выше. Большей частью нетрудно учесть потребность тепла в том или ином температурном интервале. Так, например, все процессы непрямого восстановления и процессы разложения гидратов, испарения влаги, разложения карбонатов магния, железа и марганца происходят при температурах до 900°. При этом некоторые процессы (например, непрямое восстановление) протекают с выделением тепла; поэтому в расчете потребности тепла в температурном интервале до 900° эти приходы должны быть вычтены из общей суммы расхода тепла. Другие процессы, например прямое восстановление, происходящие главным образом при температурах выше 900°, в некоторой части происходят при более низких температурах, и это приходится учитывать. С другой стороны, прямое восстановление железа частично происходит до 1200°, а частично—при более высоких температурах; восстановление Si, Mn, P и удаление S в шлак может происходить частично в интервале температур 900—1200°, а частично — при более высоких температурах. При расчете трехзонного баланса приходится расход тепла на эти процессы определенным образом делить между зонами. То же следует сказать о теплоте плавления, нагрева и перегрева чугуна и шлака и о тепловых потерях, которые тоже требуется делить между зонами.
Следует отметить, что тепло, расходуемое на нагрев опускающегося кокса, обычно не учитывается при составлении общего баланса; тепло, поглощенное из газов коксом, приходит в горн в нагретом (например, до 1450—1500°) коксе и возвращается газу при сгорании углерода. Процесс является круговым. Поэтому при составлении общего баланса тепло нагрева кокса не учитывается ни в приходе, ни в расходе, причем суммарный баланс от этого не изменяется. Однако в зональном балансе, при котором учитываются не только количества тепла, но и температурные интервалы, где это тепло переходит от газов к материалам и продуктам плавки, приходится рассчитывать температуры в горне, а для этого нужно учесть тепло, вносимое нагретым коксом при горении углерода на фурмах, значительно влияющее на температуру газов в горне.
Кроме того, особо следует учесть тепло разложения карбоната кальция. Как известно, это тепло расходуется в основном при температурах 900°, без повышения температуры поглощающего его вещества: температура не изменяется в пределах 900°, пока не разложится известняк.
В результате всех этих вычислений и нанесения данных на диаграмму получается ломаная линия, примерное изображение которой дано на рис. 193.
Зная потребность тепла в интервале температур до 900° Q1, откладываем эту величину вправо от точки 900°, находим точку В. Точка А соответствует теплопотребности при 0°. Линия AB предполагает равномерное (хотя это в действительности не совсем так) возрастание теплопотребности по мере повышения температуры.
Зональный баланс доменного процесса и его применение

Участок BC соответствует потреблению тепла на разложение известняка, происходящему при постоянной температуре. Условно принимаем, что эта температура 900°, хотя в действительности разложение может происходить при несколько более высокой температуре и в некотором температурном интервале. При полностью офлюсованном агломерате, исключающем расходование известняка в доменную шихту, этой горизонтальной площадки не должно быть; но в действительности даже и в этом случае небольшое количество известняка все же идет в шихту (для текущего регулирования состава шлака), вследствие чего небольшая горизонтальная площадка остается. Таким образом, точка С на диаграмме соответствует значению расхода тепла (Q1 + Q2), где Q2 — расход на разложение карбоната кальция; все прочие расходы тепла на разложение других карбонатов, имеющие место при температурах ниже 900°, учтены в величине Q1.
Далее учитывается расход тепла в интервале свыше 900° до точки E, соответствующей количеству тепла Q3. Таким образом, сумма Q1 + Q2 + Q3 = Q соответствует всей потребности тепла. Если составляется трехзонный баланс, отдельно учитывается потребность до 1200° (точка D), а затем — свыше 1200° (точка Е). Точка E соответствует температуре, до которой нагревается в горне наиболее горячий жидкий продукт плавки, т. е. температуре выпуска шлака из печи.
На диаграмме с началом координат О абсциссы, читаемые слева направо, соответствуют потребности тепла в интервале температур от 0° до определенной температуры. При этом абсцисса Q — вся потребность тепла на получение чугуна и шлака от 0° до максимальной температуры, соответствующей точке Е. Если же перенести начало координат в точку O1, то значения, откладываемые влево от O1, будут представлять собой, потребности тепла на процесс при температурах выше данной. Так, при температуре выше 800° требуется Q4 тепла, а выше 1400° — Q5.
Рассмотрим количества тепла, необходимые для покрытия указанных потребностей.
При сгорании 1 кг углерода на фурмах в CO выделяется 2340 к кал. При этом теплосодержание нагретого до 1450° углерода — 566 ккал. Количество дутья, соответствующее 1 кг углерода, — 4,44 м3, а его теплосодержание — 4,44 Ct°д, где С — теплоемкость воздуха, t° — нагрев дутья. Следовательно, теплосодержание газов — продуктов горения 1 кг углерода
q = 2340 + 566 + 4,44Ct°д = 2906 + 4,440°.

Количество этих газов (в предположении сухого дутья) 5,37 м3 их теоретическая температура горения
Задаваясь той или иной температурой дутья, можно подсчитать значения q и t°гор при разных температурах дутья.
Если количество углерода, сгорающего на фурмах, на 1000 кг чугуна составляет Сф кг, то количество тепла, которое содержится в газах, равно
Q' = q * Сф.

На рис. 194, координаты которого те же, что и на рис. 193, точка F характеризует температуру t°гор и теплосодержание Q'
газов, образовавшихся в горне. Нетрудно видеть, что чем больше сгорает углерода,тем правее точка F на диаграмме. Чем выше температура дутья (и температура горения), тем ниже расположена точка F.
При движении вверх газ отдает тепло встречаемым твердым и жидким веществам, теплосодержание и температура его падают. При этом теплоемкость и количество газа несколько изменяются. Допуская в качестве первого приближения, что теплоемкость и количество газов неизменны, можно считать изменение температуры и теплосодержания пропорциональными, т. е. линию FG прямой. Абсцисса, считая началом координат О, соответствует теплосодержанию газа при данной температуре. Если же за начало координат принять, подобно рис. 193, точку О', то на абсциссе точка, отсчитанная от O' влево, показывает количество тепла, которое дадут газы, охладившись от температуры горения до данной температуры. Так, при охлаждении до температуры 1200° будет передано тепла Q'1, а до 900° — Q'2.
Зональный баланс доменного процесса и его применение

Таким образом, количества тепла, требуемые процессом в температурном интервале выше той или иной температуры, выражаются отрезками абсцисс от точки O1 на рис. 193, а количества тепла, отдаваемые газами в температурном интервале выше той или иной температуры, — отрезками абсцисс от точки O' на рис. 194. Чтобы теплопотребность каждого температурного интервала была покрыта, в любом интервале количествомогущего быть отданным тепла должно быть больше потребного. Сопоставляя линии ABCDE (рис. 193) и FG (рис. 194) так, чтобы начала координат O1 и О' рис. 193 и 194 совпадали, можно проверить, обеспечены ли потребности тепла во всех температурных интервалах. Если потребности тепла обеспечены, то линия FG расположится левее и ниже АВСЕ; в противном случае линии пересекутся. Там, где потребности тепла не обеспечены, отрезок линии ABCE окажется левее и ниже соответствующего участка линии FG. На рис. 195 сплошная линия FG соответствует нормальному балансу, пунктирная (F'G') отвечает случаю, когда в области с температурами 650—900° тепла не хватает.
Два примера, изображенные на рис. 195, свидетельствуют о том, что не всегда при соблюдении общего баланса тепла гарантируется обеспеченность теплом всех температурных областей печи. При теплопотребности ABCE в обоих случаях общая потребность тепла изменяется длиной отрезка АО, причем общий приход тепла (GO или CO) больше потребного. Однако в зоне 650—900° во втором случае тепла не хватает. Нарушение теплового баланса в этой зоне отражается на ходе печи: плохо прогретые материалы опускаются из этой зоны в область более высоких температур, охлаждают ее, вследствие чего шлаки сгущаются, печь идет ненормально.
Зональный баланс доменного процесса и его применение

Отрезки GA или G'A, отвечающие теплу, уносимому в колошник, неизбежны в обычных условиях работы печи. Второй случай, когда это тепло очень невелико (CA), отвечает дефициту тепла при температурах 800—900°.
Расположением линий FG и FG' можно объяснить, почему при высоконагретом дутье или при дутье, обогащенном кислородом, понижается температура отходящих газов и уменьшается уносимое ими тепло и почему при этом возможен неровный ход. При повышении нагрева дутья точка F опускается вниз ввиду повышения температуры газа в горне (например, в положение F'), а точка G смещается вправо в положение G', потому что снижается расход кокса и уменьшается горизонтальная проекция линии FG вследствие снижения общего количества тепла Q' = qCф. При кислородном дутье значительно возрастает температура газов, но теплосодержание их уменьшается вследствие уменьшения количества тепла, внесенного горячим дутьем. Поэтому даже при прежнем расходе углерода Сф и прежнем нагреве дутья теплосодержание газов Q' = qСф меньше, чем при обычном дутье, так как меньше q.
Из рис. 195 видно, что зоной, определяющей потребность тепла, оказывается область близ 900°: именно здесь линия ABCD имеет выступ, мимо которого (не пересекаясь) должна проходить линия FG. Это находится в соответствии с конфигурацией линии T0 TT'0T' на рис. 190 и линии ABCDE на рис. 193 и связано с разными соотношениями водяных эквивалентов шихты и газов в верхней и нижней зонах печи. Таким образом, в большинстве случаев расход тепла и, следовательно, расход горючего определяются теплопотребностью печи при 900° и выше.
Исключение может быть только в случае чрезмерно больших потребностей тепла в верхней зоне. Это случается тогда, когда в шихте содержится много гидратов или карбонатов, разлагающихся при температуре до 900°. Тогда отрезок AB (рис. 193) становится весьма пологим, его горизонтальная проекция — очень длинной, наклон линии AB становится меньше, чем линии CE. В этом случае расположение линии FG (рис. 195) мимо (но близ) точки В еще не гарантирует того, что линия FG не пересечется с AB. Тогда линии FG приходится придать больший уклон, удалив ее от AB. Это значит, что требуется увеличить расход кокса, и в данном, исключительном, случае расход горючего будет определяться теплопотребностью не нижней, а верхней зоны.
Во всех других случаях зоной, определяющей расход углерода, оказывается нижняя зона печи. Особенно резко это обнаруживается при выплавке ферросплавов, содержащих трудновосстановимые элементы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром).
В этих случаях расход углерода определяется созданием необходимых температурных условий и расходом тепла на восстановление трудновосстановимых элементов, а при феррохроме — еще и расходом тепла на расплавление и перевод в жидкоподвижное состояние продукта плавки. Тогда особенно четко обнаруживается несоответствие теплопотребностей «низа» и «верха», о чем свидетельствует высокая температура колошниковых газов. Наоборот, при низкой температуре колошниковых газов (около 100°) баланс «верха» приближается к соответствию с балансом «низа»; во всех же остальных случаях этого соответствия нет.
Отсутствие данных о температурах перехода из одной зоны в другую, а также температурного перепада между газом и шихтой или продуктами плавки в разных зонах не дает пока возможности использовать зональные балансы для расчетного точного решения многих задач, например, задачи об определении расхода кокса на выплавку чугуна.
Принятие некоторых заданных условий позволило автору вывести приближенную формулу расхода кокса, исходя из потребности тепла «нижней» зоны. В большинстве случаев по формуле получаются результаты и зависимости, близкие к практике. Учитывая, однако, спорность исходных данных, нельзя категорически утверждать, что формула может быть использована во всех случаях практики. С другой стороны, она может быть использована не только для предварительного определения расхода кокса, но во многих случаях по ней можно выяснять влияние разных факторов на расход кокса.
При выводе формулы предположено: граница верхней и нижней зон 950°, температура газов на этой границе 1000°; все прямое восстановление железа совершается в нижней зоне.
Приводим формулу
Зональный баланс доменного процесса и его применение

При выплавке мартеновского чугуна на Магнитогорском комбинате и на заводах Юга (в скобках) имеем:
Зональный баланс доменного процесса и его применение

Полученные результаты сходны с практическими, получаемыми при соответствующих условиях.
Известную трудность представляет выбор величин rd и n. Все прочие величины, входящие с формулу, обычно бывают известны или определяются несложными приближенными расчетами (например, CO2(CaCO2), Ш, b). Величины rd и n приходится выбирать, ориентируясь на данные расчетной обработки результатов исследований и учитывая восстановимость руд и агломератов, кусковость и пористость ручных материалов и известняка и показатели доменной плавки. В подавляющем большинстве случаев n изменяется в пределах от 0,3 до 0,7, a rd — от 0,45 до 0.55.
Формула дает сходные с практикой результаты при определении влияния на расход кокса изменений температуры и влажности дутья, количества шлака, перехода на офлюсованный агломерат и т. д.
Если расход горючего определяется теплопотребностью не нижней, а верхней зоны (шихта с очень большим количеством летучих, особенно влаги), приведенная формула непригодна. Для этого случая должна быть выведена другая формула, основанная на балансе верхней зоны.