Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
При увеличении количества воздуха, проходящего через фурму, увеличивается глубина окислительной зоны. Это показано на рис. 161, где приведен состав газа в горне при истечении дутья через фурмы диаметром 150 и 100 мм.
Так как в обе фурмы воздух подавался из одной кольцевой трубы и давление его было одно и то же, то скорости истечения дутья из фурм не могли значительно отличаться и, следовательно, отношение количеств дутья было около (150/100) = 2,25. Из рисунков видно, что глубина окислительной зоны при большем количестве дутья была около 1600 мм, а при меньшем — 1000 мм. Фокус горения в первом случае был удален от глаза фурмы на 850 мм, а во втором — на 400 мм, причем максимальное содержание углекислоты было соответственно равно 12,4 и 9,6%. Кислородная зона простиралась на 1250 и 600 мм.
Такие же выводы следуют и из исследования, проведенного на печи № 3 завода «Запорожсталь». Данные этого исследования приведены на рис. 164 и 165. В этом случае окислительные зоны изучались на одной фурме доменной печи, но в разное время, при изменяющемся от 3400 до 1200 м*/мин количестве дутья. Если при максимальном количестве дутья углекислый газ исчезал на расстоянии 2000 мм от фурмы, то по мере уменьшения количества дутья граница исчезновения СО2 приближалась к фурме, а при 1200 м3 находилась на расстоянии менее 800 мм от фурмы. Аналогичные данные получены и для кислорода, исчезающего в первом случае на расстоянии 1400 мм от фурм, а в последнем — на 500 мм (то же и с максимумом COa : 1000 и 500 мм). На печи № 1 Магнитогорского завода Н.З. Козловичем получены подобные же результаты.
Из рис. 165 видно, что углекислота при большом количестве дутья возрастает медленно и на значительном расстоянии остается почти постоянной, не имея ярко выраженного максимума. При уменьшении количества дутья резче вырисовывается максимум, приближающийся к фурме.
Другие исследования подтверждают эту закономерность, отвечающую обычным представлениям: чем больше воздуха вводится через фурму, тем больший объем горючего требуется для полного израсходования кислорода на сжигание углерода при неизменных размерах кусков горючего и межкускового пространства. Так как горение происходит на поверхности горючего, то для увеличенного количества кислорода требуется больше кусков, занимающих соответственно большее пространство перед фурмами.
Между двумя рассмотренными случаями есть существенная разница: если в магнитогорской печи (рис. 161) изучался состав газа в горне при вдувании воздуха через две фурмы разного диаметра, но при одной скорости истечения дутья, то на запорожской печи (рис. 164 и 165) через одну фурму в разное время давались разные количества дутья, и, следовательно, одновременно с увеличением количества дутья пропорционально возрастала и скорость его истечения. Значит, первый случай отражает влияние только количества дутья, а второй — совместное влияние и количества, и скорости. Во втором исследовании струя, сильнее разрыхляя кокс у фурм, дальше раздвигала куски кокса и увеличивала пространство между ними. Поэтому действие изменения количества дутья на протяженность зоны во втором случае должно быть резче, ощутимее. В самом деле, если в первом случае глубина зоны уменьшилась от 1600 до 1000 мм, то во втором — от 2000 до 800 мм при снижении количества дутья соответственно в 2 1/4 и 2 3/4 раза. То же относится и к исчезновению кислорода и расположению фокуса горения.
Значение только скорости дутья видно из рис. 162, где на а приведен состав газов в зоне перед фурмой, когда диаметр всех фурм был 200 мм, а на б — когда диаметр увеличился до 250 мм, причем количество дутья и его температура почти не изменились. При уменьшении скорости истечения от 111 до 75 м/сек сократилась окислительная зона примерно с 1500 до 1200 мм, кислородная зона — с 1300 до 850 мм, соответственно изменилось и удаление фокуса горения. Такие же результаты получены З.И. Некрасовым при исследованиях на других печах завода им. Дзержинского.
Аналогичные результаты получил А.П. Любан на заводе «Азовстать».
О том же свидетельствует исследование окислительной зоны, проведенное в Германии, когда дутье подавалось не только через обычные фурмы диаметром 210 мм, но и через фурмы меньшего диаметра (50 мм), вставленные в обычные фурмы. Дутье через меньшие фурмы подавалось под высоким давлением — от 1,4 до 3,2 ати. Обычное дутье нагревалось до 730°, а дутье высокого давления — до 400°. При условии, что в печь вдувалось нормально 100 м3 воздуха в минуту через каждую фурму, на добавочные фурмы (от одной до девяти на печь в разное время) подавалось по 40—50 м3 воздуха. Таким образом, скорость истечения через малые фурмы была в 7—9 раз больше, чем через обычные. Во время опытов общее количество дутья, получаемого печью, изменялось от 630 до 1400 м3/мин. При этом оказалось, что с увеличением давления дутья на добавочные фурмы от 1,75 до 3,2 ати граница кислородной зоны (1% O2) перемещалась от 900 до 1330 мм от фурмы, а граница окислительной зоны (1 % CО2) — от 1020 до 1550 мм от фурмы. Это подтвердило выводы советских исследований.
Таким образом, увеличение количества дутья при неизменной скорости, так же как и увеличение скорости при постоянном его количестве, вызывает увеличение зоны горения и отдаление всех характерных точек внутри зоны от глаза фурмы. Одновременное же увеличение количества и скорости дутья, действуя в одну сторону, вызывает особенно резкое распространение зоны и характерных точек к центру горна. Это дало основание 3. И. Некрасову и другим исследователям оценивать глубину зоны горения кинетической энергией дутья mv2/2.
К такому выводу пришли не сразу. Он был получен в результате многочисленных исследований, проведенных главным образом в России, а также в Германии и других странах. Первые исследования в США (Кинни) и в Германии (Ленингс) установили, что окислительная зона, распространяясь примерно на 0,9—1 м в глубь горна, не зависит от количества дутья в широких пределах. Эти исследования имели методологические погрешности, а вы воды были опровергнуты последующими работами. Тем не менее многие специалисты основывали (и до наших дней иногда основывают) на этих ошибочных выводах предложения о размерах и конфигурации профиля, а также о способах ведения доменных печей. М.А. Павлов, в 30-х годах возглавивший массовые исследования доменных печей, в том числе и исследования окислительных зон в них, опроверг эти взгляды.
Однако ряд последних исследований свидетельствует о возможных исключениях из общего положения об однозначном изменении глубины окислительной зоны в зависимости от количества дутья: бывают случаи, когда с уменьшением количества дутья зона, Еопреки закономерности, установленной выше, не сокращается.
Такие факты приводят А.П. Любан и В.Г. Манчинский: на заводе «Азовсталь» окислительная зона при малом количестве дутья (давление 0,1 ати вместо обычного 1,2—1,4 ати) уменьшилась всего на 200—300 мм. На печи Косогорского завода, выплавлявшей ферромарганец, также не обнаружено заметного уменьшения окислительной зоны при сокращении количества дутья более, чем в пять раз. В связи с этим можно вспомнить, что в исследованиях Кинни при многократном уменьшении количества дутья, когда давление его было всего 0,07 ати, зона горения тоже не сокращалась: углекислота перед фурмами распространялась, как и обычно, на 1000—1200 мм.
Приведенные факты можно объяснить ролью внешнего диффузионного сопротивления. В самом деле, при значительном уменьшении количества и скорости дутья и газов внешняя диффузия затрудняется, вследствие чего скорость реакции на поверхности контакта газов с углеродом горючего снижается, что требует увеличения поверхности контакта. Таким образом, хотя для малого количества дутья и требуется меньшая поверхность соприкосновения, но увеличение внешнего диффузионного сопротивления требует большей поверхности соприкосновения. Поэтому при значительном уменьшении количества дутья зона может не сокращаться, или уменьшаться не соответственно уменьшению количества дутья. Однако при увеличении количества дутья (в обычных пределах) зона, как указывалось, увеличивается. Это объясняется возрастанием потребной поверхности контакта. Уменьшение же внешнего диффузионного сопротивления ускоряет взаимодействие газов с твердым углеродом только до критической скорости газа, выше которой скорость горения уже остается неизменной.
Далее, с повышением количества и скорости дутья, а следовательно, и его кинетической энергии возрастает разрыхленность зоны, увеличиваются межкусковые пространства, вследствие чего в единице объема зоны поверхность кусков кокса уменьшается и требуется больше кокса для обеспечения той же поверхности. Скорость газов в межкусковых пространствах относительно сокращается и реакция замедляется.
Все сказанное дает основание заключить, что в большинстве случаев при увеличении количества дутья возрастает объем зоны горения; уменьшение же его количества до очень малых величин при некоторых условиях (диффузионный процесс) и в известных пределах может не вызвать существенного сокращения зоны.
Есть и другие примеры, относящиеся к ненормальной работе доменных печей, когда изменение количества дутья не отражается на зоне горения.
Так, по М.Я. Остроухову, если при неизменном дутье задерживается сход шихты, зона увеличивается, так как увеличиваются межкусковые пространства вследствие прекращения поступления свежих порций горючего сверху. При этом струя дутья, встречая меньше кокса, глубже проникает в горн. При внезапных обрушениях после застоя, наоборот, зона сокращается при неизменном количестве дутья. В таких случаях можно наблюдать значительные зоны при малом дутье и короткие зоны — при интенсивном дутье.
То же имеет место при изменении распределения газов по сечению печи. Я.М. Гольмшток и М.Я. Остроухов наблюдали, как при увеличенном сопротивлении движению газов на периферии окислительная зона соответственно продвигается глубже в горн, а при мелком коксе и скоплении его в центре — сокращается (по кислороду в одном случае на 350 мм и по углекислоте — на 150 мм).
Однако эти примеры относятся уже к случаям ненормальной работы и не могут изменить общего представления о влиянии количества и скорости дутья на окислительную зону при неизменных прочих условиях.