Глава 1.4. Процессы в горне

Глава 1.4. Процессы в горне

1.4.1. Горение углерода у фурм и состав газа в горне

В предыдущих главах принималось, что распределение дутья по воздушным фурмам и газового потока по сечениям горна равномерное или близкое к оптимальным параметрам. Однако эти параметры являются величинами переменными и зависят от многих факторов. Причем распределение газа в горне доменной печи, в свою очередь, влияет на распределение газового потока в шахте и в верхней части печи. При неблагоприятных условиях распределения газового потока в нижней части, это может стать определяющим газодинамику печи в целом.

Таким образом, наряду с управлением ходом печи сверху, о чем подробно изложено в первой главе, существует также управление ходом печи снизу, за счет изменения конфигурации окислительной зоны, регулирования расходом комбинированного дутья по фурмам, количества, формы и выходного сечения фурм и др. Следует отметить, что оперативных средств такого управления меньше, чем при управлении распределением газов сверху. При этом более эффективным может быть управление сверху или снизу в зависимости от условий доменной плавки. Распределение газового потока снизу должно быть равномерным по окружности горна с умеренно развитыми потоками газа в осевой зоне и на периферии. В этом отношении распределение газов снизу и сверху, примерно, идентично.

Важнейшим процессом, протекающим в горне печи, является горение углерода горючего в фурменной зоне [1, 2, 38, 53]

С + O₂ → СО₂ + 398,3 кДж; (1.115)

2С + О₂ → 2СО+ 220,0 кДж; (1.116)

СО + 0,5O₂ → СО₂ + 282,6 кДж. (1.117)

При избытке углерода на фурмах, образовавшийся ранее диоксид углерода, восстанавливается за окислительной зоной

CO₂ + С → 2СО - 178,3 кДж. (1.118)

Влага дутья и метан природного газа реагируют соответственно с углеродом горючего

Н₂О + С → СО+ H₂ - 124,4 кДж, (1.119)

СН₄ + 1/2O₂ → СО + 2Н₂. (1.120)

Горение углерода вдуваемой в горн каменноугольной пыли идет по реакциям (1.115), (1.116), (1.118). Процесс горения топлива является гетерогенным и протекает на границе двух фаз – твердой и газообразной. В соответствии с современными представлениями газ окислитель адсорбируется на реакционной поверхности горючего, образуя с углеродом сложные кислородные комплексы C_xO_y, распадающиеся затем на СО и СО₂, десорбирующие и вновь переходящие в газовую фазу. Монооксид углерода может окисляться до СО₂ (1.117), а диоксид углерода восстанавливается затем до монооксида (1.118). Конечным продуктом горения углерода является СО, а углеродсодержащих добавок СО и Н₂ (1.119), (1.120).

Дутье подается через фурмы со скоростью до 200 м/с и с кинетической энергией 65-80 кДж/с. Струя дутья разрыхляет перед фурмами слой кокса, куски которого циркулируют в вихревом потоке газа, увеличивая тем самым плотность подпора вышележащих слоев. По мере сгорания кокса, указанный подпор уменьшается и в какой-то момент становится меньше веса неподвижного над ним слоя. Происходит обрушение очередной порции кокса, куски которого вовлекаются в циркуляцию, подпор увеличивается и поступление кокса в фурменную зону прекращается до сгорания очередной порции. Таким образом поступление кокса в окислительную зону является дискретным, что подтверждено соответствующими исследованиями [53, 54].

На рис. 1.42 представлены схемы окислительной зоны с циркуляцией газа и кусков кокса перед фурмами (а) и изменение состава газа по оси фурмы (б). Окислительная зона состоит из внутренней части, в газовой фазе которой имеется свободный кислород (~1200 мм от устья фурмы) и внешней, в которой окислителем является ранее образованная СО₂ (1400-1600 мм от устья фурмы). Наиболее интенсивно кислород расходуется в начале и в конце циркуляционной зоны (два max на кривой О₂ и два max на кривой CO₂). Это связано с тем, что благодаря циркуляции кокса большее его количество сосредоточено вблизи торца фурмы и у границы с уплотненной областью.

Продольные и поперечные размеры окислительной зоны определяются скоростью истечения дутья из фурм, нагревом и влажностью дутья, содержанием кислорода и добавок, газопроницаемостью столба шихты над зоной и т.д. В свою очередь размеры окислительных зон у фурм определяют характер и скорость схода шихтовых материалов. Увеличение количества дутья однозначно увеличивает длину окислительной и циркуляционной зон. Однако в практике доменного производства дутье поддерживается на максимальном уровне и добавка его даже в небольшом количестве приводит к потере ровного схода шихты.

Ограничение количества дутья сложившимися условиями плавки, не позволяет использовать в полной мере максимально допустимую форсировку хода печи. Причин ограничения дутья много, снижение количества кокса, увеличение мелочи в железорудном сырье, значительные колебания в нагреве и т.д. Наиболее часто это зависит от периферийного хода газов. Перегруз осевой зоны рудной составляющей шихты (>10-14% СО₂) приводит к нехватке здесь нагрева и вязкие шлаки плохо дренажируют через коксовую насадку в горн. Несвоевременное принятие мер для увеличения центрального потока газов приводит в лучшем случае к выплавке некондиционного чугуна, в худшем случае к загромождению горна и массовому горению фурм.

Кинетическая энергия истечения дутья из фурм во многом зависит от их количества и диаметра выходного сечения. Опыт работы доменных печей в различных условиях показал, что число воздушных фурм (n) зависит от диаметра горна. Отношение площади горна (F_г) к площади выходного сечения всех фурм (nf_ф) равно 115-120 для передельного и 100-110 - для литейного чугунов. При этом соблюдается сплошность окислительной зоны по всей окружности горна.

Таким образом число фурм определяют по эмпирической формуле

n = F_г/120f_ф, (1.121)

где площадь выходного сечения фурмы (f_ф) выбирают с таким расчетом, чтобы кинетическая энергия дутья составляла 65-80 кДж/с. Обычно диаметр фурм мало изменяется и составляет 160-180 мм в зависимости от мощности печи.

Во время прохождения капель чугуна через окислительную зону железо, марганец и др. элементы частично окисляются О₂, СО₂ и Н₂О:

Fe(Si, Mn) + 1/2О₂ → FеО(SiO₂, MnO), (1.122)

Fe(Si, Mn) + СО₂ → FeO(SiO₂, MnO) + СО, (1.123)

Fe(Si, Mn) + Н₂О → FeO(SiO₂, MnO) + H₂. (1.124)

Образующиеся оксиды элементов (кроме СО) в виде капель жидкого шлака попадают за окислительной зоной в раскаленный кокс и сразу же восстанавливаются прямым путем до Fe, Si, Mn, Р и т.д. В тепловом отношении баланс не изменяется, т.к. при прямом восстановлении поглощается столько тепла, сколько его выделилось при окислении Fe до FeO, Si до SiO₂, Мn до МnО, Р до Р₂О₅ и т.д. На рисунке 1.42 видно, что отношение O₂/N₂ в окислительной зоне меньше, по сравнению с таким же отношением в дутье, поскольку часть кислорода переходит в жидкую фазу в виде FeO, SiО₂, МnО, P₂O₅ и др. оксиды. В конце окислительной зоны O₂/N₂ увеличилось до первоначального значения за счет повторного перехода кислорода из жидкой фазы (шлак) в газовую фазу:

FeO + С → Fe + СО, SiО₂ + 2С → Si + 2СО, (1.125)

MnO + С →Мn + СО, Р₂О₅ + 5С → 2Р + 5CO. (1.126)

Кроме того соотношение О₂/N₂ в газовой фазе за окислительной зоной возрастает за счет прямых реакций восстановления оксидов металлов из шихты и ошлакованной ее части

FeO_т + С → Fe + СО, (1.127)

FeO_ш + С → Fe + СО, (1.128)

SiО_2ш + 2С → Si + 2СО, (1.129)

МnО_ш + С → Mn + СО. (1.130)

Таким образом, происходит кругооборот части кислорода дутья, который в зоне горения расходуется на окисление ранее восстановленных элементов и в виде FeO; SiO₂; MnO переходит в жидкую фазу, а за пределами окислительной зоны снова переходит в газовую фазу в результате повторного восстановления оксидов металлов. Между окислительными и восстановительными процессами в фурменных зонах должно сохраняться оптимальное соотношение.