Теоретические основы доменного производства чугуна

 

 

 

Внутреннее пространство доменной печи соответственно можно разделить на три условные зоны (рис. 3):

- зона твердых кусковых материалов, в которой происходят их нагрев и частичное восстановление железорудной части шихты;

- зона размягчения и плавления железорудных материалов («зона когезии»);

- зона дренажа жидких продуктов плавки, газификации и разрушения кокса, окончания процессов образования чугуна и шлака.

 

 

 

Рис. 3. Расположение зон, в которых происходят основные физико-химические превращения во внутреннем пространстве доменной печи:

                       - потоки жидких металла и шлака, проходящие сквозь раскаленные слои кокса («коксовую насадку») в нижнюю часть печи (горн);

                          - потоки газов, образующихся в результате газификации кокса в струе нагретого дутья у фурм.

Четкой границы между названными зонами не существует, а их конфигурация и размеры на разных доменных печах могут существенно отличаться, что обусловлено целым рядом технологических факторов. Однако представление об основных процессах, происходящих в этих зонах, позволяет более эффективно организовать доменный процесс и сформулировать основные технологические требования к шихтовым материалам, порядку их загрузки в печь и многие другие. Так, например, с увеличением производительности и размеров доменных печей одним из наиболее важных параметров оказалась горячая прочность кокса, по кускам которого стекают в горн жидкие металл и шлак (см. рис. 3).

Все перечисленные процессы протекают в едином пространстве доменной печи, оказывая взаимное влияние. Изучение отдельных звеньев доменного процесса позволяет описать его более простыми методами.

Развитие теории доменного процесса тесно связано с практикой доменного производства. В настоящее время доменный процесс изучается различными приемами:

- теоретический  анализ на основе законов теории  металлургических процессов;

- лабораторные  эксперименты и моделирование;

- непосредственное  исследование закономерностей процесса  на работающих доменных печах.

 

1.2 Профиль доменной печи и его развитие

 

Рабочим пространством доменной печи называется объем, ограниченный огнеупорной футеровкой, а очертание его вертикального осевого сечения - профилем доменной печи. Он имеет симметричную конфигурацию (рис. 4). Горизонтальные сечения профиля современной печи представляют собой окружности переменного диаметра.

Для создания наиболее благоприятных условий протекания всех процессов, имеющих место в доменной печи, размеры и конфигурация профиля должны обеспечивать:

- равномерное опускание (сход) загруженных в печь шихтовых материалов;

- заданное распределение материалов и газов по сечению и время их пребывания в печи;

- интенсивный тепло- и массообмен в противотоке шихтовых материалов и горнового газа;

- переход материалов из твердого состояния в жидкое без ухудшения условий опускания столба шихты и накопление продуктов плавки в нижней части печи;

- обеспечение проектной производительности доменной печи и минимального расхода топлива;

- получение чугуна и шлака заданного химического состава.

 

 

 

Рис. 4. Основные характеристики профиля современной доменной печи:

Н-полная высота; Но-полезная высота;h-высота "мертвого" слоя (зумпфа); h3-высота заплечиков; hp-высота распара; hш-высота шахты; hк-высота колошника; dr-диаметр горна; dк-диаметр колошника; D-диаметрраспара; ά-угол наклона шахты; β-угол наклона заплечиков.

 

В соответствии с характером процессов, протекающих на различных горизонтах в доменной печи, ее профиль делится на пять частей, различающихся конфигурацией и размерами. Нижняя, цилиндрическая, называется горном. К горну примыкает расширяющаяся кверху коническая часть, называемая заплечиками. Наиболее широкая часть, имеющая форму цилиндра, называется распаром. Сверху к распару примыкает наибольшая по объему часть-шахта, имеющая форму сужающегося кверху усеченного конуса. Наиболее узкая верхняя цилиндрическая часть, соединяющаяся с шахтой, называется колошником. Сумма объемов перечисленных частей профиля составляет объем рабочего пространства доменной печи.

Основным параметром доменной печи является полезный объем - это объем рабочего пространства печи, ограниченный снизу горизонтальной плоскостью, проходящей через ось чугунной летки, а сверху горизонтальной плоскостью, проходящей через основание большого конуса засыпного аппарата в опущенном положении. Высоту этого объема называют полезной высотой доменной печи. Если печь оборудована бесконусным загрузочным устройством, то тогда речь ведут о расстоянии до кончика распределительного лотка в вертикальной (90°) позиции.

Предельная полезная высота ограничивается прочностью горючего (кокса). Поэтому рост полезного объема доменных печей за последние 50 лет прошлого столетия происходил главным образом за счет увеличения поперечных размеров профиля. Так, если полезная высота доменной печи объемом 5000м3 по сравнению с печью первого типового проекта увеличилась на 29%, то диаметр распара соответственно на 96%, а диаметр горна еще более - на 104%. Максимальная полезная высота современной работающей доменной печи достигает 34,8 м.

Полезная и полная высота печи являются важнейшими размерами профиля доменной печи. Не менее важны высота горна, заплечиков, распара, шахты и колошника; диаметры горна, распара и колошника; углы наклона стен шахты и заплечиков. Высотные и поперечные размеры профиля и углы наклона стен взаимосвязаны. Изменение одного из этих размеров вызывает изменение и других размеров.

Размеры профиля доменной печи имеют очень важное значение: 1) от них зависит полезный объем, а следовательно, и производительность печи; 2) от соотношения размеров зависит степень приближения профиля к оптимальному, т.е. обеспечивающему наиболее благоприятное протекание доменного процесса.

Рассмотрим назначение каждого из элементов профиля и условия, которыми определяются их размеры.

Колошник- цилиндрическая часть печи, форма и размеры которой обеспечивают:

- прием периодически загружаемых в печь порций материалов и формирование столба шихты;

- стабилизацию распределения шихтовых материалов при колебаниях уровня засыпи;

- сохранение (за счет специальной футеровки или защитных плит) на длительный период эксплуатации (более 5 лет) технологического зазора между нижней кромкой большого конуса и футеровкой, что обеспечивает стабильность характера распределения слоев кокса и железосодержащих материалов по сечению колошника.

В нормальном режиме эксплуатации печи колошник постоянно заполнен (примерно на 2/3 его высоты) шихтовыми материалами и, являясь наиболее узкой частью печи, выполняет в том числе роль «газового затвора», что способствует более полному использованию восстановительного и теплового потенциала потока газов, поднимающихся из нижней части печи через столб шихты.

Диаметр колошника влияет на распределение материалов, загружаемых в доменную печь и на характер их движения в ней. Этот размер должен быть увязан с диаметром распара определенным соотношением. При чрезмерном уменьшении диаметра колошника по отношению к диаметру распара в печи будет развит периферийный поток газа (преимущественное движение газов вдоль стен печи), который приведет к повышению расхода кокса и усилению износа огнеупорной кладки печи. Увеличение диаметра колошника по отношению к диаметру распара сверх допустимых значений вызовет тугой сход шихты вследствие малого наклона стен шахты.

Диаметр колошника самой большой работающей доменной печи достигает 11,2 м, а отношение его к диаметру распара составляет 0,69.

Цилиндрическая форма колошника позволяет стабилизировать влияние постоянно изменяющегося уровня засыпи на распределение материалов. Не менее важное значение имеет и высота колошника, которая определяется амплитудой колебаний уровня засыпи (вследствие опускания шихты и загрузки новых ее порций в печь). Для печей различного объема высота колошника изменяется в пределах 1,9-2,5 м.

В шахте совершаются процессы тепло- и массообмена в противотоке между кусковыми шихтовыми материалами и газовой фазой. Высота шахты находится в прямой зависимости от полезной высоты печи. Диаметр верхней части шахты определяется диаметром колошника, нижней — диаметром распара. Конфигурация шахты в виде расширяющегося к нижней части конуса обусловлена термическим расширением материалов в процессе нагрева и должна обеспечивать плавное опускание столба шихты под собственным весом (подъемная сила газового потока не должна превышать 50-60% веса столба шихты) и рациональное распределение газового потока. Расширение шахты книзу необходимо также для обеспечения газопроницаемости столба шихты, которая постепенно ухудшается вследствие термического расширения размягчающихся и измельчающихся при восстановлении железорудных материалов. Поэтому очень важное значение имеет угол наклона стен шахты, который определяется ее высотой и разностью диаметров распара и колошника. Угол наклона стен шахты изменяется от 85°25' у печей малого объема до 82°35' у печей большого объема. Для обеспечения полноты протекания восстановительных процессов в шахте ее высота должна быть «избыточной» на 5-7 м.

В распар поступают шихтовые материалы, прогретые до температур 1100-1400 °С, при которых начинается их переход в вязкопластичное, а затем и в жидкое состояние. Размеры распара (высота и диаметр) должны соответствовать высоте зоны, где увеличение объема материалов вследствие их нагревания компенсируется уменьшением объема материалов, переходящих в жидкое состояние. Как было показано ранее (см. рис. 4), определение размеров этой зоны, ее конфигурации и положения по высоте печи затруднительно, поэтому высота распара и его положение определяются соотношением высотных и поперечных размеров печи с тем, чтобы получить соответствующие углы наклона стен шахты и заплечиков. Среди специалистов у нас в стране и за рубежом высказывалось мнение о том, что распар необходим чисто из конструкционных соображений, чтобы обеспечить плавный переход от шахты к заплечикам. В любом случае высота распара и его диаметр должны обеспечивать плавное (без кострения) движение шихты и рациональное распределение газового потока. Высота распара современных доменных печей изменяется от 1,7 до 2,3 м, а его положение по высоте печи определяется высотой заплечиков. Диаметр распара самой большой доменной печи достигает 16,1 м, а отношение его к диаметру горна и колошника равно соответственно 1,10 и 1,49.

Высота заплечиков, как и высота распара, определяется горизонтом, на котором начинается уменьшение объема материалов вследствие перехода части их в жидкое состояние. Чрезмерно высокие заплечики затрудняют сход материалов, так как в этом случае сужение рабочего пространства происходит выше горизонта, на котором начинается уменьшение объема материалов приих плавлении. При малой высоте заплечиков их стены получаются пологими, что также препятствует нормальному опусканию материалов. У современных печей высота заплечиков колеблется от 3 до 3,7 м.

Угол наклона стен заплечиков определяется высотой заплечиков и разностью диаметров распара и горна. Современные доменные печи имеют угол наклона стен заплечиков от 79 до 81°. При больших значениях угла их наклона отмечается чрезмерное развитие периферийного потока, что не только снижает степень использования восстановительного и теплового потенциалов газа, но и приводит к разгару огнеупорной футеровки над зонами горения.

Таким образом, конструктивные параметры заплечиков должны обеспечивать равномерный сход вязкопластичных и стекание расплавленных материалов в нижнюю часть печи без потери газопроницаемости столба шихты (состоящего на уровне заплечиков преимущественно из раскаленных кусков кокса).

Высота горна измеряется расстоянием от оси чугунной летки до нижней части кромки заплечиков и должна соответствовать количеству продуктов плавки, накапливающихся между выпусками чугуна и шлака в нижней его части - металлоприемнике. В металлоприемнике происходит усреднение химического состава жидких продуктов плавки, частичное удаление из чугуна серы и других вредных примесей, которые переходят в шлак. Здесь же расположены чугунные и шлаковые летки.

В верхней же части горна, равномерно по окружности располагаются воздушные фурмы, через которые в печь подают нагретое дутье. Эта часть горна называется фурменной зоной. В фурменной зоне непосредственно перед воздушными фурмами (фурменных очагах) происходит горение кокса и топливных добавок к дутью, имеют место процессы вторичного окисления Fe, Мn и других элементов, протекающие в окислительной зоне фурменного очага, размер которой составляет 0,9-1,2 м. При использовании топливных добавок к дутью - природного газа, пылеугольного топлива (ПУТ), мазута и обогащении дутья кислородом - размеры окислительной зоны уменьшаются. Считается, что в очагах горения у фурм вторичному окислению подвергается до 30-40% чугуна, а образовавшиеся оксиды, взаимодействуя с углеродом кокса, восстанавливаются повторно.

Уменьшение высоты горна приводит к учащению случаев прогара шлаковых и воздушных фурм, а чрезмерное увеличение - понижению температуры в нижней части горна и охлаждению продуктов плавки. Тем не менее, необходимо отметить тенденцию к увеличению высоты горна, связанную со стремлением к увеличению производительности доменной печи в единицу времени. Высота горна современных доменных печей изменяется от 3,2 до 5,7 м.

Диаметр горна определяется производительностью печи и размерами профиля, мощностью воздуходувных машин и качеством шихтовых материалов. Условиями увеличения диаметра горна являются улучшение газопроницаемости шихты и создание мощных воздуходувных машин, что в последние годы дало возможность довести диаметр горна до 15,1 м при соответствующем увеличении и других размеров профиля. Результаты работы больших доменных печей показывают, что достигнутый диаметр горна не является предельным.