Движение материалов и газов в доменной печи

Газовый поток

 

Высокопроизводительная и экономичная работа ДП в значительной мере зависит от того, как организовано движение и распределение газов и шихты в ее рабочем пространстве. Движение и распределение газов определяется множеством факторов, но основными являются гранулометрический состав шихты, ее распределение на колошнике во время загрузки и перераспределение при опускании в печи. Газовый поток также оказывает влияние на распределение шихты.

Под распределением шихты понимают количественное соотношение в слое крупных и мелких фракций и соотношение толщин слоев различных материалов. О распределении шихты судят косвенно, контролируя поддающиеся измерению параметры газового потока: химический состав, температуру и потерю напора. При отклонении этих параметров газового потока от оптимальных значений изменяют распределение материалов так, чтобы восстановить желаемое распределение газов. Таким образом, газовый поток в доменной печи выполняет не только роль рабочего тела, но и служит своеобразным индикатором, позволяющим контролировать работу печи и управлять ее ходом.

Газы в ДП движутся через столб шихты снизу вверх под действием, разности давлений, зависящей от величины сопротивления загружённой в печь шихты и количества воздуха, нагнетаемого в горн воздуходувной машиной. Проходя путь в 24–26 м в течение нескольких секунд (3-10 с), газовый поток должен выполнить тепловую и восстановительную работу и обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника к горну. Исходя из этих функций газового потока к распределению газов предъявляются противоречивые требования:

– для наиболее полного использования тепла и восстановительной способности газового потока газы по сечению печи должны распределяться равномерно, т.е., температура и состав газов по сечению доменной печи должны быть одинаковыми, а шихта – в равной мере нагретой и восстановленной;

– для обеспечения ровного схода шихты газовый поток по сечению печи должен распределяться неравномерно, проходя в большем количестве у стен и в осевой зоне печи, где чаще всего бывает меньше агломерата.

В доменной печи невозможно достичь равномерного распределения газов по сечению по следующим причинам.

1. Газы в доменной печи движутся по ряду параллельных каналов, имеющих неправильную форму, непостоянное сечение и различную шероховатость стенок. Распределяясь обратно пропорционально сопротивлению каналов, газы движутся преимущественно по каналам большего сечения и меньшей протяженности.

2. Более интенсивному движению газа у стен печи способствует то, что каналы здесь более гладкие и имеют меньшую протяженность. Кроме того, увеличение горизонтального сечения шахты за счет наклона стен по мере опускания материалов способствует оттеснению в периферийное кольцо хорошо газопроницаемого кокса более тяжелыми кусками агломерата.

3. Загрузка шихты в ДП осуществляется при помощи конуса и воронки так, что гребень мелких шихтовых материалов всегда располагается на некотором расстоянии от стен печи. Крупные куски шихты скатываются к стенкам и к оси печи, вызывая здесь усиленное движение газов.

4. Горение углерода кокса в горне происходит в узком (шириной 1,4–1,8 м) периферийном кольце. Поэтому образовавшиеся в зонах горения газы стремятся двигаться по периферии печи. С увеличением количества дутья увеличиваются и зоны горения. Газы в большем количестве проникают в центр печи, и их распределение становится более равномерным.

5. На распределение газов по сечению влияет перераспределение шихты при движении ее от колошника к горну из-за различных скоростей опускания шихты в разных сечениях и по диаметру печи.

Однако, несмотря на наличие факторов, обусловливающих неравномерное распределение газового потока, эта неравномерность должна быть не какой угодно, а вполне определенной.

Показателем, характеризующим распределение газового потока по сечению столба шихты, является сопоставление количеств газов, проходящих через равновеликие площади заполненного шихтой сечения печи в единицу времени.

О распределении газов и о степени использования их тепловой энергии и восстановительной способности судят по содержанию СО₂ в точках по радиусу или диаметру сечения, расположенного на 1,5–2,6 м ниже верхнего уровня шихты в доменной печи или по значениям температуры газов в тех же точках. Если в слое шихты определенного сечения печи относительное количество железосодержащих компонентов невелико, а преобладают куски кокса, обеспечивая высокую газопроницаемость, то здесь будет проходить много газа с высокой температурой и низким содержанием двуокиси углерода, т. е. использование тепла и восстановительной способности газа будет низким.

Наоборот, в слое шихты с преобладанием мелких железосодержащих компонентов газ будет проходить в меньшем количестве с более полным использованием тепла и восстановительной способности. Температура газа, выходящего из печи, будет низкой, а содержание СО₂ высоким.

Рациональное распределение газов - при котором в максимальной степени используется тепловая и химическая энергия газового потока без нарушения ровного схода шихтовых материалов.

Распределение газов, удовлетворяющее поставленным выше требованиям, зависит в каждом случае от конкретных условий работы печи: качества шихты, объема печи, состояния профиля, марки выплавляемого чугуна и др. Поэтому рациональное распределение газов в каждом конкретном случае определяется опытным путем.

На рисунке 21 приведено рациональное распределение газового потока по радиусу доменной печи. Содержание СО₂ в периферийном газе составляет 14, в точке максимума 19 и в центре 11%, а соответствующие значения температуры равны: 820, 520 и 910° С.

 

 

Рисунок 21 - Изменение содержания двуокиси углерода и температуры газа по радиусу в верхней части доменной печи при ровном ходе и низком расходе кокса

 

С повышением основности агломерата и снижением содержания мелочи в шихте разность между максимальными и минимальными значениями температуры и содержания двуокиси углерода в газе по радиусу должна уменьшаться. При равномерном распределении материалов и газов по окружности печи кривые распределения температур и содержания СО₂ в газе должны быть одинаковыми по всем радиусам.

В зависимости от степени неравномерности распределения газовые потоки могут быть периферийными, осевыми и канальными.

При периферийном газовом потоке значительное количество газов проходит вблизи стен. Газы периферийного кольца уходят из печи с высокой температурой и низким содержанием СО₂. Чрезмерное развитие периферийного потока газов, приводит к увеличению расхода кокса.

При осевом, или центральном, газовом потоке значительная часть газов движется в центральном круге. Осевой поток газа на расход кокса влияет менее значительно, чем периферийный, вследствие различной относительной доли площади сечения печи, занимаемой периферийным и центральным потоком газа, а следовательно, и различным количеством газов, проходящих в этих сечениях. Некоторое развитие центрального потока газов считается рациональным для обеспечения ровного хода и интенсификации процессов в центральной части печи.

Канальный ход газов во всех случаях является вредным и служит признаком нарушения ровного хода. Термин «канальный» ход газов условный. Под канальным ходом газа следует понимать чрезмерно интенсивный поток газа в одном или нескольких участках сечения печи.