Температуры в окислительной зоне и в фокусе горения

Как отмечалось, при обычном дутье температура в фокусе достигает 1800—2000°, а вне фокуса — ниже, например, 1450—1600° на границе окислительной зоны. Температура в фокусе и на границе зоны зависит от нагрева дутья и содержания CO2 в газах в любой точке. Содержание же СО2 определяется размером кусков, пористостью и реакционной способностью горючего. На температуру в зоне горения и вне ее существенно влияет также и нагрев кокса, приходящего к фурмам, а это зависит от общего теплового состояния печи.
На температуры в окислительной зоне, а также на состав газа в зонах и вне их, влияет также содержание в дутье кислорода и водяных паров. Если влияние ранее отмеченных условий ясно само собою, то последние два фактора требуют особого пояснения хотя бы потому, что они стали играть существенную роль только в последние годы при работе печей на дутье, обогащенном кислородом, и на дутье повышенной влажности.
Обогащение дутья кислородом способствует уменьшению перепада давления между горном и колошником. Это дает возможность интенсифицировать ход печи, сжигая большее количество углерода в единицу времени. Такое преимущество объясняется тем, что на единицу кислорода приходится меньшее количество сопровождающего его азота. Это же обстоятельство позволяет существенно изменить состав и температуру газов в горне.
Если при атмосферном сухом дутье процесс образования горнового (генераторного) газа на границе окислительной зоны представляется уравнением

то при дутье обогащенном кислородом на единицу объема кислорода приходится n объемов азота, где n < 3,76. При этом процесс выражается так:

а содержание CO в газе — 2/2+n 100%. Так как n < 3,76, то содержание CO ≥ 34,7%, a N2 < 65,3%. В крайнем случае при чистом кислороде (n = 0) в газе содержится 100% CO и 0% N2.
Теоретическая температура горения углерода в CO в дутье, состоящем только из азота и кислорода, т. е. температура газа на границе окислительной зоны, может быть исчислена по формуле

Формула представляет собой преобразованное выражение баланса тепла в процессе горения: все тепло, содержащееся в горючем и дутье, и тепло горения равны теплу, перешедшему в продукты горения.
При обогащении дутья кислородом величины wгор, wк и PCO не изменяются; величина wд несколько снижается, так как количество дутья в связи с уменьшением содержания в нем азота уменьшается, величина же PN, существенно уменьшается, a C0 — несколько увеличивается. Так как уменьшение wд и увеличение C0 незначительны в сравнении с уменьшением Pn2, то в общем с обогащением дутья кислородом величина t° значительно возрастает.

Температура внутри зоны, где присутствует СО2, при этом еще выше, так как в числителе приведенной формулы резко возрастает wгор (углерод сгорает не только в CO, но и в СО2); в фокусе горения она достигает максимума, который оказывается намного выше максимума при обычном дутье.
В табл. 21 приводятся рассчитанные А.Н. Раммом количества дутья и газа, а также теоретическая температура горения при разных содержаниях кислорода в дутье. Содержание CO в газах и температура горения рассчитаны для газов на границе окислительной зоны, т. е. содержащих CO только от горения углерода в дутье.
Из табл. 21 видно, как резко уменьшается объем дутья и газов и как возрастают содержание CO в газах горна и температура последних при обогащении дутья кислородом.
Вследствие резкой разницы между температурой в зоне горения и вокруг зоны имеет место значительный переход тепла в окружающую среду и на нагрев продуктов плавки, в результате чего действительная температура при кислородном дутье ниже расчетной. По этой причине кладка горна при кислородном дутье сохраняется, несмотря на близость области с высокой температурой.
Высокая температура, развивающаяся в горне печи, способствует лучшему и более полному восстановлению трудновосстановимых элементов, дает возможность переводить в чугун обычно невосстановимые элементы и делает подвижными те шлаки и чугуны, которые при обычных условиях весьма вязки и нетекучи.
Вот почему при кислородном дутье в большей мере, чем при обычном, восстанавливается кремний, марганец и хром. Поэтому в печах можно получать высокопроцентный ферросилиций и более экономично выплавлять ферромарганец.
Можно также получать в жидком виде обычно неплавкие высокоглиноземистые и высокоизвестковые шлаки, нужные для цементной промышленности.
Однако наряду с положительными особенностями кислородного дутья применение его может дать отрицательные результаты: при высокой температуре горна уменьшается объем и сечение окислительных зон, увеличивается возгонка некоторых веществ и резко перераспределяются температуры по высоте доменной печи. Поэтому кислородное дутье раньше применялось только для выплавки ферросплавов в доменных печах.
В настоящее время начинается его использование при производстве передельных и литейных чугунов.
Выше говорилось о влиянии увлажнения дутья на ровность хода печи и скорость восстановления, указывалось также, что при увлажнении дутья изменяются размеры зон горения. Теперь рассмотрим влияние увлажнения дутья на состав газов в горне и на температуры в окислительной зоне.
Состав горнового газа, если в дутье содержится влага, несколько отличен от газа при сухом дутье.
Эти изменения видны из табл. 22.

Состав дутья в табл. 22 рассчитан в предположении диссоциации влаги по реакции: H2O—»Н2 + 1/2O2. Поэтому с повышением содержания влаги в дутье увеличивается не только содержание H2, но и O2. Соответственно снижается содержание N2. Так, например, при разложении 2% влаги на 100 объемов первоначального дутья получится два объема H2 и один объем O2, причем общий объем газов увеличится до 101. Таким образом, в дутье будет содержаться:

Отношение О2/N2 в дутье неизменно возрастает, а на единицу кислорода в последнем случае приходится азота 76,65/21,37 = 3,59 (вместо 3,76 при сухом дутье). Состав газа при полном переходе С в CO (но без реакций прямого восстановления) изменяется также в сторону повышения в нем содержания CO и H2 и понижения N2- Поскольку из одной молекулы O2 получается две молекулы CO, то в газе из 100 объемов дутья станет 21,37*2 = = 42,74 объема CO, а всего газа 121,37. Таким образом, в газе будет

Фактически влага в печи не диссоциирует; в ней сжигается углерод по реакции H2O + С → H2 + CO.
На практике количество влаги в дутье исчисляется не в процентах по объему, а в граммах на 1 м3. Переходе объемного исчисления на весовое сводится к умножению объемного процента на 8, например, 1% влаги по объему означает, что в 1 м3 дутья содержится 8 г влаги.
В настоящее время часто дутье увлажняют до содержания H2O 3—4% и больше (30—35 г/м3 и выше).
Кроме отмеченных преимуществ, при увлажнении дутья обеспечивается ровный ход доменных печей в тех случаях, когда причины неровного хода были в нижней части печи. Это часто дает возможность повысить нагрев дутья больше, чем необходимо для компенсации тепла диссоциации водяного пара, в то время как до увлажнения повышение нагрева дутья было невозможно: печь шла неровно и имела склонность к подвисаниям. Дальнейшее повышение нагрева дутья дает экономию кокса.
Существует несколько объяснений более ровного хода доменных печей при увлажнении дутья. Полагают, что увлажнение дутья расширяет окислительные зоны и как бы облегчает сход шихты в уширенные устья воображаемых «бункеров». При этом ссылаются на то, что некоторое обогащение дутья кислородом уменьшает количество газов на единицу горючего, уменьшает их подпор и потому способствует ровному ходу.
Однако все эти объяснения не выдерживают критики, как показал И.П. Семик. Последний выдвинул наиболее убедительное объяснение влияния увлажнения дутья, исходящее из нового представления о механизме тех подвисаний в нижней части печи, которые связаны с чрезмерно высокой температурой в горне. Как известно, окислы кремния могут испаряться при весьма высоких температурах. Так, моноокись SiO, являющаяся согласно исследованиям последнего времени неизбежным промежуточным окислом при восстановлении кремния, имеет при 1860° упругость паров 760 мм рт. ст., т. е. при этой температуре кипит при атмосферном давлении; при давлении же 2,5 ата (имеющемся в современной большой доменной печи при работе на обычном давлении) кипение наступает при 1970°.
Измерения температур в фокусе горения современных печей дают: при мартеновском чугуне — 1890—1900°, при ферромарганце и ферросилиции — 2000°; при обогащении дутья кислородом (чугун передельный) до 28% — 2000°, при 33,6% — 2040°. Температура в фокусе горения при этом оказывается тем выше, чем сильнее нагрето дутье, чем менее реактивно и более плотно горючее. Следовательно, в зависимости от тех или иных условий и их сочетаний температура в фокусе может оказаться ниже или выше той, при которой начинается интенсивное испарение моноокиси кремния.
Увлекаемые газовым потоком вверх эти пары остывают, конденсируются, причем окись углерода при 1200—1300° может окислить SiO до SiO2.
Уже в заплечиках твердая мелкая SiO оседает на кусках кокса и в промежутках между ними. Кажущийся удельный вес этого вещества очень мал — около 0,2. Поэтому оно занимает сравнительно большой объем и при заметных количествах полностью или в значительной части заполняет межкусковые пространства в виде легких хлопьев. Это ухудшает газопроницаемость в соответствующих местах, вызывает скопление газов ниже этих мест, повышение давления, подвисание. Это явление усугубляется при вязких шлаках и большом их количестве, при мелком коксе (меньший размер межкусковых пространств) и при коксовом мусоре (примешивающемся к шлаку и сгущающем его).
Любая причина, понижающая температуру в фокусе или улучшающая газопроницаемость слоя кокса в заплечиках, ведет к ровному ходу. Вот почему снижение нагрева дутья, приход в горн менее нагретых кокса и шлаков, прочный и кусковой кокс, подвижные первичные шлаки и уменьшение количества шлака уменьшают угрозу тугого хода и подвисаний. Приведенные соображения подтверждены опытными данными: на заводе Синиго (Италия) при работе на дутье, обогащенном кислородом, произошло подвисание печи и ее пришлось остановить. При выгребании выше фурм был обнаружен свод из руды и горючего, сцементированный белой массой — продуктом конденсации паров окислов кремния; в этой массе содержалось 65% SiO2.
При увлажнении дутья окислительная зона, определяемая по углекислоте, может расшириться только в том случае, если расход тепла на диссоциацию пара не компенсируется нагревом дутья. При компенсации объем зоны, как показывают исследования, не меняется. Поэтому объяснить более ровный ход печи при увлажнении и компенсации изменением объема зоны горения нельзя. Однако более ровный ход объясняется изложенными выше представлениями о механизме подвисаний. Если до увлажнения печь была склонна к подвисанию, то это значит, что в фокусе горения температура была настолько высока, что происходила заметная возгонка моноокиси кремния.

Как видно из рис. 181 (данные исследований И.П. Семика и Н.Н. Чернова на печи № 7 завода им. Дзержинского в 1952 г.), разложение водяных паров начинается как раз близ фокуса, т. е. в тех местах, где уже исчезает (или остается в малых количествах) из газовой фазы свободный кислород. Это понятно, так как трудно представить себе горение углерода за счет связанного кислорода пара (Н2О + С → H2 + CO), если он может гореть за счет свободного кислорода (С + О2 → СО2 или C+1/2O2 → СО). Поэтому пока есть свободный кислород, водяной пар не диссоциирует. Только после исчезновения свободного кислорода близ фокуса горения, а именно там, где при перегреве возможно достижение температур усиленной возгонки SiO, начинается выделение свободного водорода, т. е. интенсивное течение эндотермической реакции H2O + C → H2+ CO, снижающей здесь температуру. Это и оказывается причиной ровного хода, так как прекращается возгонка окиси кремния и ликвидируется основная причина тугого хода или подвисания. При этом, если расход тепла на разложение пара компенсируется нагревом дутья, общий баланс окислительной зоны не изменяется: понижению температуры (и убыли тепла) близ фокуса соответствует повышение температуры (и увеличение количества тепла) в начале зоны, до фокуса, близ фурм, — вследствие более высокой температуры дутья. Таким образом, увлажнение дутья, компенсируемое его нагревом, несколько выравнивает кривую изменения температур в зоне горения: температура повышается в начале зоны и снижается близ фокуса, изменяясь более плавно. «Пик» температур близ фокуса снимается именно настолько, что температура становится ниже опасной.
Такова же роль увлажнения дутья и при кислородном дутье. Последнее еще в большей мере, чем чрезмерно нагретое, вызывает тугой ход и подвисания вследствие чрезмерно высоких температур в фокусе и концентрации «жара» в горне.
В зависимости от сочетания всех прочих факторов (кокс, шлаки, распределение потоков и т. п.) «опасная» температура в фокусе может наступить при разных нагревах дутья. Поэтому в одних случаях уже при нагреве дутья 500° печь идет туго, в других — обеспечен ровный ход и при нагреве 800—900°. В частности, легко объяснить ровный ход при нагреве дутья 800° и выше при плавке ферросилиция: большой относительный расход кокса обеспечивает высокую газопроницаемость столба, почему восстановление и возгонка даже в большом количестве SiO не вызывает полной «закупорки» всех проходов для газа. При ферромарганце тугой ход и зависания бывают чаще, несмотря на то, что температуры ниже. Это объясняется тем, что марганцевая руда мельче обычно применяемой при ферросилиции бедной кусковой железной руды, а также неустойчивостью марганцовистого первичного шлака, резко меняющего физические свойства при меняющейся с изменением температуры степени восстановления марганца.
Увлажнение дутья, таким образом, требует не только повышения нагрева дутья (9° на 1 г/м3), но позволяет также повысить его сверх требуемого балансом тепла. Такое повышение нагрева дутья ведет к дальнейшему снижению расхода кокса.
Впрочем, снижение расхода горючего при увлажнении дутья объясняется не только указанной причиной. Оно имеет место даже и тогда, когда нагрев дутья не превышает требуемого; а иногда экономия горючего достигается даже в том случае, если нагрев дутья несколько ниже требуемого.
Это объясняется тем, что увеличившаяся производительность печи вызывает уменьшение тепловых потерь в расчете на единицу чугуна, и тем, что при ровном ходе газы равномернее и лучше обрабатывают шихту при умеренных температурах. Последнее, а также и увеличение содержания водорода в газах шахты ведет к увеличению непрямого восстановления и к сокращению прямого. Этим и можно объяснить, что осушение дутья, давно предлагавшееся и проверявшееся, не получило распространения. Положительные особенности осушения следующие: экономится тепло, расходуемое обычно на диссоциацию водяного пара, и обеспечивается стабильность баланса тепла в печи вследствие исключения неровностей содержания влаги в дутье, неизбежных при изменениях погоды (температуры воздуха и направления ветра). Недостатком же осушения дутья является снижение содержания водорода в газе и возможность тугого хода при чрезмерно высокой температуре в фокусе горения. Эти недостатки часто превалируют перед достоинствами осушения. Поэтому оно не получило распространения.
Метод работы на дутье постоянной и повышенной влажности, применяемый в России, исключает недостатки осушенного дутья, сохраняя его преимущества: газы обогащаются водородом, ход печи становится ровнее, постоянная влажность обеспечивает стабильность теплового баланса, а достаточный нагрев дутья исключает перерасход горючего на компенсацию тепла диссоциации пара.
Применяемое иногда за границей (США) кондиционирование дутья (осушением, если естественная влажность выше средней и увлажнением, если она недостаточна) не оправдало себя, так как дает только некоторые преимущества — стабильность расхода тепла на диссоциацию и обеспечение некоторого содержания водорода в газе-восстановителе. Однако часто оно не обеспечивает ровного хода печи, так как исключает дальнейшее увлажнение сверх установленного среднего значения, если печь склонна к зависанию. Кондиционирование, связанное в некоторых случаях с осушением, оказывается экономически невыгодным, так как процесс осушения дутья дорог.
Увлажнение дутья способствует ровному ходу только в том случае, если неровный ход до увлажнения имел причины, кроющиеся в перегреве нижней части печи. Если неровный ход является следствием обстоятельств, связанных с процессами в шахте или в колошниковой части печи (неправильное распределение или перераспределение материалов, неровности профиля и др.), или следствием неправильной организации процессов в горне (недостаточная или чрезмерная энергия истечения дутья, «мертвый» столб в центре горна и др.), то увлажнение дутья пользы не принесет. Этим объясняются имевшие иногда место разочарования при неудачном применении увлажнения дутья.

---

• Температура и давление газов по сечению горна
• Механические процессы перед фурмами и их связь с составом газов в зонах
• Влияние разных факторов на распространение зон вверх и в стороны от фурм
• Влияние разных условий на интенсивность изменения состава газа в зонах
• Влияние физических и физико-химических свойств кокса на зоны горения