Процессы, протекающие в горне доменной печи

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 45Следующая ⇒

В горне доменной печи встречаются и взаимодействуют два потока: через фурмы в верхнюю часть горна поступает содержащее кислород дутье, а сверху в горн опускаются твердые, нагретые до высокой температуры куски кокса и жидкие чугун и шлак. Вблизи фурм происходит взаимодействие дутья, и газов с углеродом кокса и составляющими чугуна, т. е. совершаются процессы окисления (горения) углерода и составных частей чугуна. Эти процессы протекают в очагах горения, представляющих собой ограниченные пространства и называемых окислительными зонами. В горне совершаются и другие процессы–восстановления элементов, шлакообразования, науглероживания и десульфурации чугуна. Следствием этих процессов является формирование окончательного состава чугуна и шлака.

Горение углерода на фурмах

Важнейшим процессом в горне является горение углерода кокса у фурм, так как при этом выделяется необходимое для процесса тепло, образуются восстановительные газы и освобождается объем, который заполняется вышележащими материалами, способствуя движению шихты в печи сверху вниз.

Сжигание углерода кокса в области фурм обеспечивает:

- выделение тепла, необходимого для нагревания шихты и газов;

- расплавление чугуна и шлака;

- образование восстановительного газа;

- образование свободного объёма в результате газификации углерода кокса, что обеспечивает движение шихты сверху вниз.

Нагретое до 1000– 1200°С дутье поступает через равномерно расположенные по окружности горна фурмы с выходными отверстиями диаметром 160– 220 мм. Избыточное давление дутья при работе печи на повышенном давлении газов составляет 2,5–3,5 ат., количество дуться на одну фурму 170–220 м³/мин, скорость дутья на выходе из фурмы 140-240 м/сек. При таких параметрах струя дутья обладает огромной кинетической энергией, вызывая циркуляцию кусков кокса перед фурмами (рисунок 31).

В процессе вихревого движения раскаленных кусков кокса в струе дутья происходит химическое взаимодействие кислорода дутья и углерода кокса (горение углерода) с выделением тепла и образованием восстановительных газов. Вначале кислород дутья с углеродом кокса образует диоксид углерода, который по мере удаления от фурм в условиях высокой температуры и избытка углерода взаимодействует с последним и превращается в оксид углерода. Горение углерода при воздушном осушенном дутье может быть представлено схемой

C_K + O₂ + 3,76 N₂ → CO₂ + 3,76N₂ + 96000 ккал (88)

+

СО ₂ + С → 2СО – 39300 ккал (89)

2С + О₂ + 3,76 N₂ → 2СО + 3,76N₂ +56 700 ккал, (90)

Рисунок 31 - Схема циркуляции кокса у фурмы доменной печи

где 3,76 – количество объемных единиц азота дутья, приходящихся на одну объемную единицу кислорода дутья, так как в дутье содержится 79% N₂ и 21% О₂.

Таким образом, конечным результатом горения углерода в горне является СО.

Азот дутья в реакциях горения участия не принимает и полностью переходит в горновой газ, сильно уменьшая концентрацию окиси углерода в нем.

Источником СО являются не только реакции горения углерода кокса, но и протекающие в горне ПВ оксидов железа, марганца, кремния, фосфора и др. Кроме того, в дутье всегда содержится естественная влага, взаимодействующая в горне при высоких температурах с углеродом кокса, образуя оксид углерода и водород

Н₂О + С → Н₂ + СО - 29 730 ккал. (91)

При вдувании в горн природного газа содержание водорода в продуктах горения достигает 8 – 15%, а содержание СО и азота уменьшается. При обогащении дутья кислородом количество продуктов горения на единицу вдуваемого кислорода уменьшается вследствие уменьшения относительного количества азота, вносимого в печь обогащенным дутьем.

Таким образом, продукты горения в горне доменной печи за пределами очагов горения состоят из окиси углерода, водорода и азота независимо от степени увлажнения дутья, количества вдуваемого природного газа и содержания кислорода в дутьё. Изменяется лишь количественный состав горнового газа и его объем на единицу вдуваемого кислорода.

Изменение состава газов перед фурмами доменной печи при воздушном дутье показано на рисунке 32. По мере удаления от устья фурмы содержание кислорода в газовой фазе непрерывно уменьшается и на расстоянии 800 – 1250 мм полностью исчезает, расходуясь в реакции горения углерода (88). У самого устья фурмы в газовой фазе появляется диоксид углерода. Содержание его увеличивается, достигая максимума на расстоянии 500 – 800 мм от фурмы, а затем быстро уменьшается и на расстоянии 1200 – 1800 мм полностью исчезает вследствие протекания реакции (89). Оксид углерода в газовой фазе появляется на некотором (150 – 300 мм) расстоянии от фурмы и содержание его быстро возрастает по мере расходования кислорода и двуокиси углерода.

Рисунок 32 - Изменение состава и температуры газа в зоне горения у фурм доменной печи при воздушном дутье

За пределами окислительной зоны по направлению к оси горна содержание СО в газовой фазе продолжает возрастать в результате прибавления к газу СО, образующейся в реакциях прямого восстановления элементов.

В соответствии с изменением состава газовой фазы в очагах горения изменяется и температура (рисунок 32). Максимальная температура в зоне горения (самая высокая температура в доменной печи) соответствует максимальному содержанию двуокиси углерода, т.е. наиболее полному протеканию экзотермической реакции (88). Точки максимумов на кривых СО₂ и температуры в очаге горения совпадают. Это так называемый фокус горения с температурой 1800 – 2200° С, а иногда и выше. По мере удаления от фокуса горения вглубь горна температура понижается, вследствие протекания эндотермической реакции взаимодействия двуокиси углерода с углеродом кокса (89), а за пределами окислительной зоны – вследствие прямого восстановления элементов, идущего с поглощением тепла.

На основании анализа диаграммы (рисунок 33) можно дать определение окислительной зоны. Это сфероподобное пространство перед фурмой в горне, характеризующееся наличием в газовой фазе двуокиси углерода. В объеме окислительной зоны выделяют меньшую, по размерам кислородную зону, в которой имеется свободный кислород. Схема окислительной зоны перед фурмой доменной печи показана на рисунке 33.

1 – кислородная зона; 2 – углекислотная зона

Рисунок 33 - Схема окислительной зоны перед фурмой доменной печи

Окислительные зоны характеризуются окислительной атмосферой и этим они отличаются от других зон печи, имеющих восстановительную атмосферу.

Размеры и форма зоны горения (фурменного очага) определяются размерами окислительной зоны – ее глубины, высоты и ширины. От размеров зоны горения существенно зависит работа доменной печи. При ее уменьшении нарушается равномерность распределения газов и скоростей движения материалов по сечению печи. Сокращение глубины зоны горения, как правило, приводит к загромождению осевой зоны горна. С другой стороны, чрезмерное увеличение зоны горения также нежелательно, поскольку вызывает интенсивное окисление составных частей чугуна.

Размеры зоны горения не являются постоянными даже для одной и той же доменной печи и могут колебаться в широких пределах. При нормальном протекании доменного процесса в зависимости от условий работы печи кислородная зона может распространяться на глубину 800 — 1250 мм, а окислительная зона (по исчезновению СО2) — на глубину 1250 — 1800 мм.

Основными факторами, определяющими размеры на форму зон горения, являются: 1) качество и свойства кокса; 2) количество дутья; 3) скорость истечения дутья из фурм; 4) нагрев дутья; 5) давление дутья; 6) влажность дутья; 7) количество вдуваемых водородсодержащих добавок; 8) содержание кислорода в дутье.

Познавательные статьи:



Формы дистанционного обучения

Передача мяча двумя руками снизу

Значение правильной осанки для жизнедеятельности человека

Основные ошибки при выполнении передач мяча на месте