Практика доменного производства

Чернобривец Б.Ф., Капорулин В.В., Завидонский В.А

Металлургия, 1992 г.

ТЕПЛООБМЕН И ВЛИЯНИЕ НА НЕГО ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Непостоянным фактором являются виды затрат тепла на прямое восстановление железа. Изменение этих затрат в условиях нормального хода доменной печи определяется практическим непостоянством всех входящих (шихтовых и дутьевых) характеристик процесса и всех вариаций в организации противотока, как зависящих, так и не зависящих от технологического персонала. Такое изменение вынуждает вести доменную печь с некоторым резервом тепла.

Все это относится и к периоду задувки, за исключением нескольких часов в его начале, когда первые порции железорудных материалов, движущиеся вниз, еще не встретились с перемещающейся вверх условной поверхностью с температурой газа ~ 900 °С. После такой встречи в пусковой доменной печи создается зона прямого восстановления, резко возрастает кажущаяся теплоемкость шихты, находящейся в этой зоне, что оказывает существенное влияние на скорость ее прогрева. При составлении схемы развития теплообменных процессов при задувке в начале главы мы уже касались этого вопроса. Необходимо отметить, что успех задувки доменной печи - во многом определяется объемом прямого восстановления железа.

Особенно необходимо подчеркнуть опасность незавершенности восстановления железа до расплавления. В этом случае процесс прямого восстановления продолжается из расплава, а поскольку скорость вертикального перемещения расплава выше, чем у твердой шихты, то высока вероятность распространения прямого восстановления не только на верхнюю коксовую насадку, но и на нижнюю. Очевидно, что получение или недополучение прогретых продуктов плавки, качественного чугуна, условий беспрепятственной отработки чугуна и шлака, "чистых" верхней и нижней коксовых насадок определяются тем, в какой мере при задувке печи удастся избежать значительно большего, чем при нормальной работе, развития прямого восстановления и, особенно тем, в какой мере восстановление железа произойдет до расплавления.

Ход восстановления железа из железорудных материалов определяется рядом условий [10, 11], важнейшими из которых являются температура и концентрация восстановителей. Степень восстановления железа из реальных железорудных материалов зависит, кроме названных условий, от времени пребывания материалов в температурных условиях активного восстановления и от восстановимости, т.е. совокупности свойств материала, позволяющих ему быстрее или медленнее восстанавливаться в определенных условиях.

Необходимо проанализировать изменение в ходе задувки расположения по высоте печи температурных полей, соответствующих началу активного восстановления (500 °С), смена типа восстановления  косвенного на прямое (900 °С) и расплавлению материалов (1200 °С) и изменение времени пребывания материалов в температурных условиях активного восстановления. Полагая, что количество и концентрация восстановителей и восстановимость материалов при задувке не хуже, чем при нормальной работе, можно утверждать, что в любой период задувки полнота восстановления железосодержащих материалов будет не хуже, чем на нормально работающей печи, если время пребывания их в температурном интервале активного восстановления будет не меньше, чем на нормально работающей печи.

Для анализа использовали простейшую схему перемещения температурных полей и некоторых характерных горизонтов столба шихты по высоте печи во времени (рис. 3). Схему составили на основании общих представлений о ходе теплообмена и формировании температурных полей в пусковой доменной печи. Она использовала в простейшем виде результаты анализа влияния на теплообмен изменения параметров комбинированного дутья и в некоторой мере - данные наиболее успешных задувок доменных печей НЛМК по традиционной технологии. В целом же при разработке схемы нельзя было использовать экспериментальные данные о положении температурных полей при задувке, так как имеющиеся исследования при задувках не дают сколько-нибудь достаточного материала. Таким образом, схема имеет пояснительный характер. Однако результаты анализа схемы дали основание для изменения самого принципа составления задувочной шихты, что и было сделано уже при первом опыте задувки по новому, а исследования, выполненные при этой задувке, и результаты задувки подтвердили правильность самой схемы, анализа ее и решений по результатам анализа.

Проекция отрезков линий движения шихты, заключенных между точками их пересечения с линиями температур, на ось времени показывает время пребывания шихты в определенном температурном интервале. Поскольку соотношение высот температурных интервалов 500-900 °С и 900-1200 °С во времени и при различных вариантах теплообмена сохраняется примерно одинаковым,, схему и анализ не усложняли определением времени пребывания раздельно по температурным интервалам косвенного и прямого восстановления.

При рассмотрении схемы видно, что при низком расположении первых порций железорудных материалов в шихте первого объема время пребывания в условиях активного восстановления составляет 2 ч и не изменяется, учитывая округление до полного часа, от интенсификации теплообмена. В таких условиях невозможно достаточно полное восстановление первых железорудных материалов шихты и неизбежно образование железистых шлаков, охлаждающее действие которых (реакция FeO + С = Fe + СО) и создает основные трудности задувки: физически холодные, плохо разделяемые чугун и шлак; высокое содержание серы в чугуне; трудности вскрытия леток и подготовки желобов к последующим выпускам. Низкие рудные нагрузки, также традиционно применяемые в задувочной шихте, не затрагивают сущности происходящих явлений: уменьшение количества железорудных материалов лишь сокращает, но не устраняет образование железистых шлаков, восстановление железа из расплава с охлаждением продуктов плавки. В табл. 1 приведен анализ затрат тепла на восстановление оксидов железа при задувке а совмещенной зоне: зоне горения и восстановления.

Развитие восстановления оксидов железа на нижних горизонтах противоточной части доменной печи, при котором создается совмещенная зона горения - восстановления, оказывает заметное влияние на характеристики вступающего в противоток газа даже при малой доле кокса, газифицируемого оксидами. Анализируя влияние дутьевых параметров на теплообмен, отметили, что увеличение количества газа на единицу потока шихты обеспечивает увеличение протяженности по высоте печи.