1.4.3. Влияние фильтрации жидких продуктов плавки на газодинамику низа печи

Как уже отмечалось, зона первичного шлакообразования является наиболее труднопроницаемой и во многом определяет общие потери напора газа по высоте печи. Применение офлюсованного агломерата с более высокой восстановимостью уменьшает количество FeO в первичном шлаке, а при меньшем содержании монооксида железа снижается возможность их вспенивания. Это значительно улучшает газопроницаемость низа печи, этому же способствует и применение добавок жидкого и газообразного топлива, вдуваемых вместе с дутьем. Например, в условиях МК «Азовсталь» при вдувании природного газа и дутья обогащенного до 30% кислородом, первичные шлаки уже не содержали монооксид железа. Следовательно подбором комбинированного дутья можно влиять на состав первичного шлака, т.е. на газодинамику низа печи.

После расплавления капли шлака через коксовую насадку стекают в горн печи. Большое значение при этом имеет жидкоподвижность шлака. Если скорость движения шлака выше скорости опускания кокса, то шлак занимает примерно 0,013-0,014 м³/м³, что составляет 3-4% межкускового объема пустот. В первом приближении гидравлическое сопротивление орошаемого слоя предложено рассчитывать с использованием коэффициента сопротивления и удельной поверхности неорошаемого слоя, а влияние орошения учитывать уменьшением порозности слоя на количество жидкого шлака, находящегося в межкусковом пространстве насадки; вместо порозности ε в формулы (1.10), (1.20), (1.38) и (1.39) подставляют (V_пустот – V_ж, где V_пустот = V_{насадки}^.ε). Объем насадки, занимаемый шлаком (V_ж, м³) можно определить из формулы [3,59]

(1.136)

где S₀ – удельная поверхность слоя, м²/м³; Re_г – число Рейнолдса для газа (); Re_ж – число Рейнолдса для жидкости (); U_0г, U_0ж – скорости газа и жидкости на полное сечение слоя, м/с; ρ_г и ρ_ж – плотность газа и жидкости, кг/м³; ε – порозность коксовой насадки, м³/м³, ν_г – кинематическая вязкость газа, м /с; η_ж – коэффициент динамической вязкости жидкости, Нс/м²; Fr_ж – число Фруда для жидкости (); g – ускорение силы тяжести (9,81 м/с²); d_к – диаметр куска насадки, м; G_0г/G_0ж – отношение массовых скоростей газа и жидкости в расчете на пустое сечение слоя.

Данная зависимость (1.136) справедлива при изменении чисел подобия в пределах, соответствующих условиям работы нижней части доменных печей

Reг	Reж.10-4	Frж.10-10	G0г/G0ж
450-750	100-140	160-300	4,14-6,9

Удельную поверхность слоя можно определить по ситовому составу материалов, т.е.

(1.137)

где ν_i – объемная доля фракции размером d_i; К – коэффициент, определенный М.А. Стефановичем для руды 7,7, для агломерата 7,8 и для известняка 7,65.

При определении числа Фруда следует вместо d_к применять диаметр коксовой насадки (d) поскольку большое значение здесь приобретает влияние зоны разрыхления. Величины предельных скоростей однофазной фильтрации газа и шлака составили: для зоны разрыхления (индекс 1) 6,5 и 60^.10^-4 м/с, а для центральной зоны (индекс 2) соответственно 4,2 и 15^.10^-4 м/с. Отношение эквивалентных диаметров насадки в указанных зонах составило -2,2, а зависимость величины d от d_к и порозности слоя

(1.138)

Можно доказать, что ε₁ и ε₂ связаны приближенным уравнением

(1.139)

За последнее время встречаются работы, в которых рассматриваются случаи «захлебывания» коксовой насадки жидкими продуктами плавки в заплечиках и распаре печи. Если это так, то весовая скорость газа G_г кг/(ч.м² ) в точке «захлебывания» должна быть равна весовой скорости удерживаемого шлака (Z). С учетом физических свойств насадки, шлака и газа весовую скорость газа можно определить из формулы [3, с, 126]

(1.140)

где а и с – константы зависящие от физических свойств жидкости (шлака), газа и насадки; Q_ш – количество шлака в насадке, удерживаемого в точке «захлебывания», кг/(ч^.м²).

Гидродинамические условия в инверсионной точке характеризуются турбулентным движением жидкости и газов (см. формулу (1.20))

(1.141)

скорости движения жидкости и газа в этом случае равны

(1.142)

(1.143)

где F_с – свободное сечение насадки, м²; V_ж – объемная доля шлака, м³/м³.

Если принять, как это делают обычно, свободное сечение насадки численно равным свободному межкусковому объему, то уравнения (1.142) и (1.143) принимают вид

(1.144)

Можно определить отношение перепада давления в двухфазном потоке в точке «захлебывания» к перепаду давления газового потока

(1.145)

Заменив в уравнении (1.145) скорости газа через их весовые скорости, коэффициенты сопротивления для турбулентного потока из формулы (1.11) =3,1/Rе^0,1, уравнение (1.145) примет вид

(1.146)

Если в формулу (1.146) подставить соответствующие данные, то в инверсионной точке подпор газа должен быть в 25-26 раз выше, чем при прохождении газов через сечение (ε – V_ж). Поэтому газ всегда будет свободно проходить через коксовую насадку, частично занятую стекающим вниз жидким шлаком. Например, при значительно меньшем подпоре газа на колошнике печи все количество доменного газа проходит через небольшое сечение в дроссельной группе. Следовательно, при разрыве потока газа шлаком на каком-то участке увеличивается скорость газа в соседних поровых каналах и «захлебывание» не произойдет. Это полностью подтвердилось прн исследовании потерь напора в опытной установке с имитацией зоны размягчения шихты, противоточного движения жидкости и газа в коксовой насадке диаметром >30 мм.

За последние годы при выплавке чугуна в доменных печах значительно сократился расход кокса. Тепловые потребности процесса и необходимое количество восстановительных газов будет и в дальнейшем обеспечиваться комбинированием с дутьем топливных добавок различных видов. Применяемые в настоящее время и в будущем топливные добавки не могут разрыхлять столб шихты и поддерживать необходимый дренаж жидких продуктов плавки в горне печи. Минимальный расход кокса будет определяться, в первую очередь, необходимостью транспортировки газов из нижних зон печи, а также чугуна и шлака из распара и заплечиков в горн печи. Согласно теоретическим расчетам, выполненным с учетом газодинамических условий, нижний предел расхода кокса можно определить из уравнения [60]

(1.147)

где К_ф – количество кокса, доходящего до фурм, кг/кг чуг.; ρ_н – насыпная плотность кокса, г/см³, А_к – зольность кокса, % от массы кокса; ρ_ш –плотность шлака, г/см³; К_ш – количество кокса в шихте, кг/кг чугуна.

Из формулы (1.147) видно, что минимальный расход кокса зависит от количества шлака, т.е. лимитируется дренажными и газодинамическими условиями в горне печи. Расчеты показывают, что при выходе шлака 500-596 кг/т чуг. такой расход кокса составляет 440-490 кг/т чуг. Если выход шлака снизить до 250-300 кг/т чуг, то минимальный расход кокса составляет 200-300 кг/т чуг., снижаясь до 160-220 кг/т чуг. при выходе шлака 160-165 кг/т чуг. Принимая во внимание расход кокса и выход шлака на доменных печах, работающих с наиболее высокими показателями, можно отметить, что коксовая насадка работает далеко не в нагруженном режиме.

На газодинамику низа печи большое влияние оказывает тепловое состояние горна, которое во многом определяется скоростью накапливания жидких продуктов плавки и регулярностью выпуска чугуна и шлака. При их выпуске через чугунную летку поверхность к концу выпуска приобретает форму, подобную депрессионной воронке с наклоном в сторону летки. Количество остающегося шлака в горне в момент прорыва горновых газов через чугунную летку зависит от его горизонтальной скорости фильтрации через коксовую насадку, которую можно определить по формуле [41, 61]

(1.148)

где W – горизонтальная скорость фильтрации шлака в горне печи, кг/(м^2.мин); g_ш – количество шлака, профильтровавшегося из объема V₂ в объем V₁ за время Т, кг; W₁ – скорость уменьшения уровня шлака условно в выделенном объеме V₁, м/мин; W₂ – то же, в условно выделенном объеме V₂, м/мин; r₁ и r₂ – расстояния от стенки горна со стороны чугунной летки до линии пересечения образующейся условно выделенных соответственно объемов V₁ и V₂ с поверхностью депрессионной воронки шлака в момент времени Т, м; R – радиус горна, м.

Уровень шлака в горне контролируют по изменению характера электрического напряжения на кожухе печи. При этом определяют застойные зоны шлака по окружности горна и сокращают расход природного газа на близлежащие воздушные фурмы. Применение такой системы в значительной мере снижает прогар фурм.