Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Нагрев дутья и кокса, содержание кислорода и водяных паров в дутье влияют на температуру газов в зоне, следовательно, и на скорость окисления углерода.
Количество углерода, окисляемого в единицу времени дутьем или углекислотой в окись углерода, зависит только от количества кислорода, вводимого в печь. Так как при окислении углерода в конечном счете образуется окись углерода (2С + О2 + 3,76N2 → 2СО + 3,76N2), сопровождаемая азотом дутья, то на каждые 24 кг углерода приходится 22,4 м3 кислорода и 84,2 м3 азота, а всего 106,6 м3 воздуха, а на 1 кг углерода — 4,44 м3 воздуха. При увеличении или уменьшении количества дутья в единицу времени пропорционально изменяется и количество сжигаемого горючего.
Процессы изменения концентраций О2 и СО2 в газе могут протекать более или менее интенсивно, хотя количество реагирующих в единицу времени веществ зависит только от количества вдуваемого воздуха и ни от каких иных факторов зависеть не может. При этом факторы, определяющие интенсивность стадий горения, сказываются не на количестве сгорающего в единицу времени углерода, а на объеме, в котором совершаются эти процессы.
Так, в рассмотренных выше процессах, только при увеличении скорости истечения дутья и неизменном его минутном количестве зона горения углублялась без изменения скорости схода шихты и количества сгорающего в единицу времени углерода. Факторы, влияющие на скорость горения, могут изменить в ту или иную сторону объем зоны: если скорость горения увеличивается, то все процессы, совершающиеся в окислительной зоне, протекают в более ограниченном пространстве. Так как при повышении температуры газов в зоне увеличивается скорость горения, то факторы, способствующие росту температуры горения, — нагрев дутья, более высокая температура приходящего сверху к фурмам кокса, обогащение дутья кислородом и понижение содержания водяного пара в дутье — сокращают зону горения и приближают ее характерные точки к глазу фурмы. Одновременное действие разных факторов в одном или противоположных направлениях при разных сочетаниях условий может привести к суммированию действий или, наоборот, к ослаблению действия одного противоположным действием другого фактора.
Опытные данные подтверждают это.
На рис. 166 нанесены кривые изменения концентрации О2, CO и СО2 в газе на уровне фурм при повышении нагрева дутья от 500 до 700°. Из рисунка видно, что распространение окислительной зоны, кислородной зоны и фокуса горения изменилось от 1600, 600, 1200 мм соответственно до 1200, 400 и 600 мм, а при нагреве дутья свыше 700° окислительная зона простиралась всего на 1000 мм. Исследования на доменных печах фирм «Беккер» и «Маннесман» также показали, что распространение окислительной зоны и отдаление фокуса горения от фурм сокращаются с повышением нагрева дутья.
Однако не всегда удается уловить резкое изменение окислительной зоны с нагревом дутья. Это объясняется несколькими причинами.
Во-первых, влияние нагрева дутья на зону противоречиво, так как при повышении температуры интенсифицируются реакции и, следовательно, сокращается зона, а с другой стороны, увеличивается объем газов, их скорости, кинетическая энергия и, следовательно, зона углубляется. В зависимости от обстоятельств тот или другой фактор может превалировать или же оба фактора могут уравновешиваться. Тогда зона горения, несмотря на повышенный нагрев дутья, может не измениться или даже несколько углубиться.
Во-вторых, не всегда температура дутья столь резко влияет на скорость горения. Это влияние резко в кинетической области и ослабляется по мере перехода в переходную и диффузионную области. С повышением температуры горение переходит в переходную или диффузионную области и, следовательно, зона может и сократиться, и углубиться в зависимости от роли прочих условий.
Наконец, не меньшее влияние на очертания зоны оказывает нагрев приходящего к фурмам кокса и общее температурное состояние горна. Если ход печи горячий, то кокс опускается к фурмам при температуре порядка 1500°, в холодной печи — при 1400°. Температура в фокусе горения зависит также и от нагрева кокса. Если нагрев дутья повышается вследствие похолодания печи, то окислительная зона может не уменьшиться с повышением нагрева дутья, так как одновременно проходит в горн кокс с пониженным нагревом, и общая температура газов, влияющая на зону, может вовсе не повыситься, а даже понизиться. Поэтому, например, З.И. Некрасов не наблюдал на печи № 1 завода им. Петровского и на печи № 7 завода им. Дзержинского (при задувке последней) существенных изменений зоны при изменении нагрева дутья. То же имело место при исследовании А.П. Любаном печи № 2 Косогорского завода при плавке ферросилиция и ферромарганца.
Характер зоны изменяется при обогащении дутья кислородом подобно нагреву дутья; так как в обогащенном дутье на единицу кислорода приходится меньше азота и соответственно уменьшается объем газов при сгорании горючего, то температура горения возрастает и соответственно уменьшается зона.
Исследования И.З. Козловича показали, что при переходе на кислородное дутье окислительная зона сокращается от 1100 до 700—900 мм (рис. 167).
Аналогичные результаты получены при лабораторных исследованиях. С другой стороны, по данным М.А. Шаповалова, зона при обогащении дутья кислородом не меняется. И.З. Козлович проводил исследование на одной из магнитогорских печей при изменении концентрации кислорода от 23,6 до 33,6% на одной фурме, a M.А. Шаповалов исследовал работу печей, выплавлявших ферросплавы и чугуны на дутье, содержавшем 26—35% кислорода, при подаче обогащенного дутья на все фурмы. М.А. Шаповалов объясняет стабильность зоны тем, что фактические температуры в зоне и в фокусе горения при кислородном дутье повышаются мало. Вопрос о влиянии кислородного дутья на размеры зоны остается пока спорным. Различные результаты могут быть объяснены тем, что процесс в рассматриваемых случаях мог протекать в разных кинетических условиях, отличающихся характером диффузионных сопротивлений.
Изменение содержания влаги в дутье вызывает соответственное изменение температуры зоны, поскольку на диссоциацию водяного пара расходуется значительное количество тепла. В этом можно было убедиться при работе на осушенном дутье, а в настоящее время — на дутье постоянной влажности. Расчет показывает, что расход тепла на диссоциацию пара должен компенсироваться соответствующим нагревом дутья: 9° на каждый 1 г пара на 1 м2 дутья, или 72° на каждый 1 % пара по объему в дутье. При соблюдении этого условия увлажнение дутья не приводит к перерасходу горючего, а наоборот, обеспечивает стабильность баланса тепла в печи и даже способствует некоторому сокращению расхода кокса за счет восстановительной работы водорода при умеренных температурах.
В этом случае, согласно исследованиям, окислительная зона и при увлажненном дутье остается неизменной. Наоборот, при увлажнении дутья, не компенсированном его нагревом, неизбежно увеличивается глубина зоны и смещаются характерные точки зоны в глубь горна соответственно понижению температуры во всех местах зоны. Именно таковы были результаты исследований печей, работающих в Канаде и в Англии при добавлении в дутье влаги.