1.1.5. Газодинамика слоя по радиусу печи

Для реальной доменной плавки большое значение имеет управление радиальным потоком газов.

Как уже отмечалось, распределение материалов по радиусу печи зависит от конфигурации большого конуса и его чаши. В настоящее время образующая конуса по линии контакта с чашей имеет угол наклона 62-63⁰, а в остальной части конуса 53⁰. Чаши применяют почти цилиндрические, что влияет на характер ссыпания шихты с конуса.

На рис.1.9 видно, что в начале ссыпаются материалы, находящиеся непосредственно в кольцевой щели между конусом и чашей (первый период), затем от вертикальной стенки чаши (второй период) и только после этого материалы находящиеся на образующей конуса (третий период). Скорость с которой материалы покидают конус (W, м/с) можно определить по формуле [18, 3]:

(1.30)

где l - путь движения шихты по конусу, м; f - коэффициент трения материалов о конус; σ - коэффициент, учитывающий сопротивление кромки чаши и равен 0,7-0,9; α_k - угол поверхности конуса к горизонту, град; W₀ - начальная скорость движения материалов, м/с.

Начальную скорость находят из уравнения

(1.31)

где λ = 0,4-0,5 коэффициент истечения шихты, причем большее значение относится к хорошо текучим материалам; φ - коэффициент внутреннего трения; R_г - гидравлический радиус, м; τ₀ - начальное сопротивление сдвига, кг/м²; γ_н - насыпная масса шихты, кг/м³.

После подстановки в формулу (1.31) R_г = 0,5hcosα_k для засыпногo аппарата, коэффициента внутреннего трения φ = tg α_к и

получим:

(1.32)

где h - координата нижней кромки большого конуса (ход конуса), м; h₀ - высота свободно стоящей стенки шихтовых материалов, м.

Высоту линии встречи материалов со стенками колошника (h_у, м) можно определить в зависимости от зазора между кромкой конуса и защитными плитами колошника (I) по формуле:

(1.33)

В первые два периода ссыпания шихты с конуса на колошник печи на W большее влияние оказывает коэффициент внутреннего трения, который и подставляется в формулу (1.30) вместо коэффициента трения материала о конус f. Но в третий период шихта движется по поверхности конуса и в формулу (1.30) вводится коэффициент f (шихта по стали). Параметры σ; h, h₀, α_k являются переменными для разных периодов ссыпания и учитываются поэтапно по мере опускания нижнего конуса.

Материалы за конусом падают по траекториям соответствующим рассчитанным по формуле (1.33). Встречный поток газов отклоняет только самые мелкие частицы агломерата менее 3 мм, траектория падения которых будет более пологой по сравнению с расчетной. На рис. 1.9 видно, что расположение гребней шихты по радиусу колошника зависит не только от очередности ссыпания, но и от положения поверхности столба шихтовых материалов. Расстояние от нижней кромки конуса в опущенном состоянии до поверхности шихты называется уровнем засыпи и замеряется механическими или другими радиальными зондами. Обычно указанные зонды устанавливаются на расстоянии 600-700 мм от стен колошника. Изменяя уровень засыпи на высоте от низа конуса в опущенном состоянии до места встречи материалов со стенками колошника, можно регулировать поток газов по радиусу печи. При этом чем ближе гребень шихты к стенкам колошника (т.е. чем ниже уровень засыпи), тем меньше периферийный поток газов и наоборот, чем дальше гребень шихты отстоит от стенок колошника тем больший поток газов на периферии. Этим пользуются для регулирования газового потока по радиусу печи, который в отличие от окружного потока должен быть неравномерным - умеренно развитым на периферии и в осевой зоне и значительно меньшим в промежуточной между ними зоне (см. 1.1.1).

Распределение материалов по радиусу зависит также во многом от величины их откоса, рельефа поверхности засыпи в результате схода шихты и деформации ее при падении очередных порций. На колошнике углы откоса меньше, чем соответствующие углы естественного откоса материалов. Это зависит от влияния стен и противоположного откоса материалов, а также от различной скорости опускания шихты по радиальным зонам. Следовательно, характер ссыпания материалов с конуса, их сегрегация по крупности в радиальном направлении от стенок к центру, уровень засыпи и величина подачи в значительной мере определяют поток газов по радиусу печи. Кроме того, значительное влияние на распределение материалов и газов в радиальном направлении оказывает порядок загрузки рудной и коксовой составляющих подачи.

В современной доменной плавке объем рудной части и объем кокса примерно равны. Если скип с агломератом обозначить одной буквой А, а скип кокса К, то обычно применяемые подачи запишутся в виде AAKK↓ (прямая подача); KKAA↓ (обратная подача); КААК↓ (подача одним коксом вперед). Стрелкой в конце подачи обозначено опускание нижнего конуса. Можно с уверенностью утверждать, что для прямых и обратных подач распределение рудных нагрузок (ΣА/ΣК, т/т) по радиусу печи будет различным. Установлено, что порозность и коэффициент сопротивления при загрузке прямых подач (A₂K₂↓^* )можно определить по уравнениям [3, 19]

(1.34)

(1.35)

где ε_с и Ψ_с – порозность и коэффициент сопротивления определенные соответственно по формулам (1.16) и (1.15).

Во время загрузки обратных подач (К₂А₂↓) и Ψ_к находят по формулам:

(1.36)

(1.37)

Если значения порозности и коэффициентов сопротивления из формул (1.34), (1.36), (1.35) и (1.37) подставить в уравнение (1.10), то

(1.38)

(1.39)

На рис. 1.10 представлена зависимость потерь напора и симплекса (1-ε)/ε³ для различных условий загрузки шихты в доменную печь. Видно, что до содержания объемной доли мелочи 0,1 потери напора изменяются мало для условий равномерной укладки слоя и загрузки с конуса какого-то определенного сыпучего материала, а также при загрузке с конуса подач прямых, обратных и одним коксом вперед. При дальнейшем увеличении m происходит резкое увеличение ΔР при равномерной укладке слоя (рис. 1.10, а, поз. 1), а затем и при различной очередности в загрузке агломерата и кокса. Наиболее низкий ΔP_к получается для загрузки с конуса подач обратных и одним коксом вперед. Например, для m = 0,3 при загрузке К₂А₂↓ и КА₂К↓ ΔP_к составило 4 кПа/м, а для прямых подач 6,5 кПа/м. Еще более разнится ∆Р_с для равномерной укладки слоя (16 кПа/м), т.е. в три раза выше, чем для условий загрузки шихты с конуса. Из практики управления ходом доменных печей известно, что с увеличением мелочи в шихте увеличивают долю подач К₂А₂↓ и КА₂К↓, а долю прямых подач уменьшают. На рис. 1.10, б видно, что симплекс (1-ε)/ε³ мало изменяется для различных систем загрузки с конуса, но резко отличается для слоя с равномерным распределением шихты.

Рассмотренные выше закономерности изменения ε_к, Ψ_к, ΔΡ_к и симплекса (1-ε_к)/ε³_к при загрузке подач А₂К₂↓, К₂А₂↓, КА₂К₂ справедливы, если угол наклона поверхности засыпи (α_з) не превышает 30-32⁰, т.е. для большинства доменных печей. Однако при высоких давлениях газа на колошнике или при больших скоростях схода шихты в осевой зоне угол наклона поверхности засыпи перед опусканием очередной подачи может быть больше 30-32⁰. В этом случае ссыпаемый первым с конуса материал скатывается по крутому наклону поверхности засыпи и в большем количестве попадает не на периферию, а в промежуточную и центральную зоны. При загрузке прямых подач в этом случае большее количество газов будет идти на периферии, в центре газовый поток будет уменьшаться. Подачи коксом вперед, наоборот, будут подгружать периферию рудной составляющей и поток газов здесь будет снижаться. С достаточной точностью в указанном случае можно воспользоваться для определения ΔР_к теми же формулами, но только наоборот, т.е. для прямых подач ΔР_к нужно определять по формуле (1.39), а для подач коксом вперед (1.38).

Распределение межкусковых пустот и ΔР_к в слое имеют весьма сложные зависимости от послойной (подачи AAAA↓КККК↓) или смешанной (ААКК↓; ККАА↓; КААК↓ и др.) загрузки шихты.

В технической литературе встречаются однозначные утверждения [20, 21] о большей газопроницаемости послойной укладки, а в других работах утверждается обратное [22, 23, 24] (т.е. большая газопроницаемость слоя при смешанной загрузке). На рис. 1. 11 видно, что при d_m/d_k = 0,08 и равномерной загрузке смеси фракций в слое ΔР_к выше (2), чем при послойной загрузке этих же материалов (1). При загрузке с конуса прямых и подач коксом вперед (3, 4) до содержания в шихте мелочи m < 0,2. ΔР_с примерно равны для смешанной и послойной загрузки агломерата и кокса. При дальнейшем увеличении доли мелких частиц в смеси (m > 0 2) ΔР_с становиться выше, чем при послойной укладке отдельных фракций. Если грузить материал с конуса коксом вперед (4), то ΔР_с в смеси до m=0,45 на 10-20 % ниже по сравнению с послойной укладкой агломерата и кокса. При увеличении m > 0,45 ΔР_c для смешанной загрузки коксом вперед становятся выше, чем при послойной загрузке этой же шихты.

На рис. 1.11 видно также, что с уменьшением разности в размерах крупных и мелких частиц (d_m/d_k= 0,16) потери давления газа в слое значительно снижаются при любом способе загрузки. При этом полностью сохраняются все рассмотренные выше особенности газопроницаемости слоя при смешанной и послойной укладках агломерата и кокса. Во время загрузки материалов с конуса в диапазоне крупности доменных шихт ΔР_с в смеси на 8-15% ниже по сравнению с послойной укладкой. Если же количество мелочи в слое увеличивать (m > 0,4), то при смешанной загрузке ΔР возрастают с большей скоростью, чем при раздельной загрузке фракций.

Следовательно в реальных условиях доменной плавки переход на послойную загрузку агломерата и кокса не увеличивает газопроницаемость столба материалов, а в некоторых случаях ΔР по высоте печи несколько возрастают. Если учитывать и возможности регулирования ходом печи путем изменения очередности загрузки агломерата и кокса, то их совместная загрузка в печь является предпочтительней.

Кроме загрузки печи подачами прямыми, обратными и одним коксом вперед в некоторых случаях применяют также подачи АККА↓, КАКА↓, АКАК↓, АА↓ КК↓. О воздействии указанных подач на газопроницаемость слоя можно судить по величине симплекса:

Система загрузки	ААКК↓	ККАА↓	КААК↓	АККА↓	КАКА↓	АКАК↓
Порозность,εк	0,472	0,490	0,487	0,476	0,471	0,465
	5,02	4,33	4,44	4,86	5,06	5,32

Наиболее газопроницаемым является слой шихты при загрузке подач коксом вперед. Для подач АККА↓ и КАКА↓ газопроницаемость слоя близка к таковой при загрузке прямых подач. Наиболее плотный слой шихты имеет место при загрузке АКАК↓.

Указанный порядок загрузки доменных печей производят по разным причинам. Смешанные подачи типа КАКА↓ и АКАК↓ чаще всего применяют в случае неполадок в работе коксовых грохотов или коксовых затворов какой-то одной стороны. Например, вышел из строя коксовый грохот левой стороны, тогда загрузят (здесь П- правый скип, Л - левый скип) вместо подач KAAK↓ и вместо прямых подач. Такую систему, как правило, сохраняют на время ремонта левого грохота. Можно грузить за указанный период времени и нормальными подачами только с перегоном пустого (П) левого скипа, когда по программе должен грузиться кокс ААПКПК↓ или КААПК↓, ПКААПК↓.

В большинстве случаев при указанной загрузке не хватает резерва времени скипового подъемника и во избежание опускания меры шихты на колошнике и переходят на смешанную загрузку.

Систему АККА↓ применяют обычно при глубоких воронках засыпи (угол наклона > 32⁰), чтобы избежать периферийного хода газов. Агломерат из первого скипа попадает в промежуточную зону, а из четвертого скипа - на периферию. Кокс в этом случае попадает в осевую и частично в промежуточную и периферийную зоны Таким образом, система АККА↓ при наклоне поверхности засыпи > 32⁰ примерно аналогична распределению шихты системой ААКК↓ при наклоне засыпи < 30⁰.

Раздельные подачи АА↓КК↓ применяют чаше всего для большей подгрузки периферии рудной составляющей шихты, т е для снижения периферийного потока газов Этот эффект можно достигать и за счет уменьшения рудной и коксовой составляющих подачи (уменьшение массы подачи), но при этом скипы недогружаются агломератом и коксом и создается напряженная работа всей линии загрузки При этом часто упускают меру в печи, а “догнать” ее при малых подачах практически невозможно Приходится увеличивать массу подачи, т.е. уходить от того эффекта, который хотели достичь. В этих случаях и ставят раздельные подачи.