Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Многочисленные исследования состава газов перед фурмами, проведенные в России и за границей, сводились к забору проб газа из разных точек очагов горения специальными трубками.
Так как температура близ фурм в отдельных местах достигает выше 2000°, то газозаборные трубки должны быть с охлаждением. Последнее также необходимо для предупреждения протекания реакций в трубке, например, 2СО → СО2 + С. Устройство для забора проб состоит из трех трубок разного диаметра, вставленных одна в другую так, что через наименьший канал забирается газ, а в кольцевых сечениях между трубками циркулирует вода (рис. 160). Все устройство вводится через гляделку во фланце воздухоподводящего колена и через сопло и фурму вдвигается в печь, часто с помощью специальной лебедки. Останавливая трубу в том или ином месте, забирают пробу газа из этого места, причем проба поступает через центральную трубку в специальный сосуд (аспиратор). Для измерения температур или давлений в горне применяются другие, аналогичные по устройству, трубки, в которых по среднему каналу проходит термопара, или же этот канал соединяется с манометром.
На рис. 161 и 162 приведен состав газа по мере удаления от глаза фурмы по оси сопла к центру горна. При этом на рис. 161 приведены данные исследования при разном количестве дутья, поступающего через одну фурму, а на рис. 162 исследования на одной печи при фурмах разного диаметра.
Как видно из рисунков, состав газов перед фурмами изменяется так, как указывалось выше. По мере удаления от фурмы содержание кислорода падает до нуля; углекислоты возрастает до максимума, а затем падает; окись углерода возрастает, особенно резко после того, как начнет убывать углекислота. Такое резкое возрастание CO объясняется тем, что при развивающейся реакции СО2 + C → 2СО выделяется два объема окиси углерода вместо одного объема прореагировавшего углекислого газа. Это, кстати, вызывает увеличение общего объема газа, вследствие чего процентное содержание азота, остававшееся ранее неизмененным (79%), падает с возрастанием окиси углерода и притом тем резче, чем больше образуется CO.
Зоны у фурм, содержащие кислород или углекислоту, отличаются от всех остальных участков в печи тем, что в них возможно окисление углерода и других элементов за счет чистого кислорода либо за счет кислорода углекислоты. В этих зонах окисляется не только углерод горючего, но и железо, кремний, марганец, углерод, фосфор, входящие в состав чугуна. Именно этот факт наряду с энергичным окислением углерода горючего отличает зоны близ фурм от прочих участков в печи. Поэтому зоны горения у фурм, содержащие О2 или СО2, называют окислительными в отличие от всех прочих мест печи,
где господствует восстановительная атмосфера. Окислительные зоны характеризуются избытком кислорода, а восстановительные — недостатком его.
Таким образом, границей окислительной зоны является место, где исчезает углекислота.
Внутри окислительной зоны нужно отличать внутреннюю область, где имеется кислород, от наружной, содержащей еще углекислоту. Границей «кислородной» зоны, очевидно, является то место, где исчезает из газовой фазы кислород. Схематическое изображение окислительных областей перед фурмами с указанием примерных очертаний и границ внутренней и внешней зон приведено на рис. 163. В случае, изображенном на этой схеме, «глубина» окислительной зоны составила 1250 мм, а кислородной — 1000 мм.
Как видно из той же схемы, окислительная и кислородная зоны распространяются не только в направлении к центру горна («глубина» зоны), но и вниз и вверх («высота» зоны). Зона распространяется и по бокам оси фурмы («ширина» зоны).
Характер кривых изменения содержаний О2, СО2 и CO в газах свидетельствует об интенсивности того или иного процесса перед фурмами: чем линия круче, тем быстрее исчезает или нарастает концентрация того или иного газа и наоборот.
Место, где углекислота достигает максимума, характеризуется самой высокой в окислительной зоне (и вообще в печи) температурой: до этого места температура нарастает вследствие горения углерода в CO и в СО2; за ее пределами температура снижается, так как протекает эндотермический процесс по реакции СО2 + С → 2CО. Места максимальных значений СО2 и температур представляют собой совокупность точек (на рис. 161, 162, 163 нанесена точка, потому что на этих фигурах разрез зоны приведен в одном направлении, по оси фурмы). Эти места называются фокусом горения.
Температура в фокусе горения зависит от температуры дутья, «нагрева горна», свойств горючего и других факторов. Измерения температур в фокусе показали, что они достигают 1800°, а иногда 2000° и выше.
На рис. 161, 162 показано изменение содержания в газах перед фурмами О2, СО2 и CO. Между тем, в газе содержатся еще азот и водород. Водород поступает в газ прежде всего из органической массы кокса; поэтому он присутствует в газе в начале зоны горения близ фурм. Однако в газе имеется и тот водород, который освобождается в процессе диссоциации водяного пара, содержащегося в дутье. Этот водород появляется в газе после исчезновения свободного кислорода и прекращения нарастания в нем концентрации углекислоты, т.е. в местах, соответствующих расположению фокуса горения.
Из рис. 161 и 162 видно, что окислительная или кислородная зоны, как и расстояние фокуса горения от глаза фурмы, распространяются на разную глубину. Окислительная зона может иметь 500—800 мм и меньше в глубину, но может распространяться на 1500—1600 мм и далее от глаза фурмы. Фокус горения может отстоять от глаза фурмы на 400—1000 мм.
Поскольку важнейшей величиной, характеризующей окислительную зону, является ее глубина, рассмотрим влияние на нее различных факторов. К этим факторам относятся: количество воздуха в единицу времени и скорость его истечения из фурмы, температура дутья, содержание в нем кислорода и водяного пара, размер кусков горючего, его пористость и реактивная способность.