2. Закономерности движения материалов

   1. Причины движения материалов

Доменный процесс характеризуется плавным и непрерывным движением шихты. Загрузка шихтовых материалов осуществляется периодически. Каждые 10 мин срабатывает большой конус засыпного устройства загрузочного аппарата и шихтовые материалы подаются в печь. Выпуск продуктов плавки это тоже периодический процесс. По мере накопления продуктов плавки, приблизительно 1 раз в час, чугун и шлак выпускаются из печи через чугунную летку. (Проем огнеупорной кладки, забитый огнеупорной массой; бурильная машина для вскрытия чугунной летки; рассверливает отверстие диаметром 30-40 мм).

Шлак отделяют от чугуна в главном желобе. Перевал и разделительная плита играют роль гидравлического затвора. Чугун, имеющий высокую плотность, проходит в зазор под разделительной плитой, а более легкий шлак отводится в боковой желоб.

Чем это обеспечивается плавное и непрерывное движение шихты?

Рассматривая процесс горения топлива, мы отмечали, что при сжигании углерода кокса высвобождается пространство, в которое опускаются вышележащие слои шихтовых материалов. Процесс горения – непрерывный процесс, приводящий к уменьшению объема материалов, является первым по значимости фактором, обеспечивающим плавное и непрерывное движение шихтовых материалов.

Какие еще процессы приводят к уменьшению объема материалов?

Плавление ЖРМ. При плавлении ЖРЧ шихты образуются чугун и шлак, Плотность продуктов плавки выше, чем насыпная масса ЖРМ. Следовательно, при плавлении происходит уменьшение объема материала. Процесс плавления также непрерывный процесс – является вторым по значимости процессом, обеспечивающим плавный, непрерывный характер движения материалов.

Другие непрерывные процессы, связанные с уменьшением объема материалов - это восстановление железа, разложение гидратов, карбонатов, испарение влаги.

Количественно оценим влияние основных факторов на процесс движения материалов.

Расход кокса на получение тонны чугуна составляет 0,45 т/т.

Насыпная масса кокса - 0,45 т/м³.

Объем кокса на 1 т чугуна - 1м³.

Для получения 1 т чугуна необходимо 1,7 т ЖРМ.

Насыпная масса ЖРМ -1,7 т/м³.

Объем ЖРМ - 1м³.

Таким образом, для получения 1 т чугуна необходимо 2м³шихты.

Один из материалов - кокс, практически полностью сгорая, превращается из твердого вещества в газ. При этом объем материалов уменьшается на 1 м³или в 2 раза.

Объем плавильных материалов составит 50%.

Плотность чугуна − 7 т/м³.

Плотность шлака − 2,6 т/м³, выход шлака 0,4 кг/т чугуна.

Объем, занимаемый продуктами плавки − 1/7+0,4∙1/2,6 = 0,3.

За счет плавления объем материалов уменьшается в 3 раза и составит 0,3 м³.

Следовательно, в результате горения топлива и плавления ЖРМ Общее изменение объема 1,7м³/т.

2. Характер движения материалов.

Сложности движения материалов в доменной печи начинаются уже при их загрузке на колошнике.

На большинстве доменных печей установлены двухконусные загрузочные устройства.

В обычном положении оба конуса прижаты к воронке и чаше и надежно изолируют внутренне пространство от атмосферы. После загрузки скипа в приемную воронку малого конуса последний опускается, и в образовавшуюся щель шихта ссыпается на большой конус. Малый конус закрывается. Аналогично производится загрузка материалов на большой конус еще из 2-3 скипов. Теперь при закрытом малом конусе опускается большой конус, и порция шихты (подача) высыпается в печь. Сразу после освобождения от материалов большой конус закрывается.

Шихтовые материалы, ссыпаясь по опущенному конусу, падают к стенке и от нее по откосу ссыпаются к оси печи.

Падение материалов происходит в присутствии восходящего потока газов. Из-за разного веса кусков, различно воздействие этого восходящего потока. Более легкие куски кокса в большей степени уравновешиваются движущимся снизу газом, чем более тяжелые куски рудных материалов. Это приводит к следующему расположению материалов на колошнике.

Угол откоса, образуемый рудными материалами, несколько больше угла откоса, образуемого коксом. Это приводит к выкливанию слоев рудных материалов к оси печи.

В месте расположения гребня, образующегося при ссыпании материалов с конуса, скапливается мелочь, а к основанию откосов скатываются более крупные куски.

При движении материалов распределение их несколько меняется.

Движение шихтовых материалов в печи имеет ряд особенностей.

Учитывая, что движение в основном происходит за счет горения топлива, материалы движутся в направлении зон горения, в которых непрерывно сгорает кокс и освобождается пространство.

Скорости движения материалов по мере приближения к фурменному очагу возрастают. Рост скорости вызывает разрыхление движущейся массы кусков. Ту область над фурмами, в которой происходит увеличение скорости движения материалов, называют эллипсоидом разрыхления.

С этой точки зрения зоны горения можно в какой-то степени уподобить отверстиям, через которые из печи как бы “высыпаются” материалы. При этом надо иметь в виду, чем больше в доменную печь вдувается дутья, тем больше в единицу времени сгорает кокса и быстрее опускается шихта.

Принимая во внимание тот факт, что движение шихты происходит за счет плавления рудных материалов, необходимо отметить неравномерность скорости движения материалов по сечению печи. Скорость движения шихты в различных точках сечения определяется значением рудной нагрузки в данной точке.

Рудная нагрузка - это отношение количества ЖРМ к количеству кокса.

Рудная нагрузка по сечению печи - величина переменная (определяется многими факторами: системой загрузки, уровнем шихты в печи, величиной подачи и другими факторами, определяющими характер загрузки печи).

Там, где больше ЖРМ, где больше рудная нагрузка, там имеет место большее уменьшение объема и, следовательно, большие скорости движения материалов.

Траектории рудных материалов и кокса при движении их в осевой части печи одинаковы и близки к вертикальным линиям.

В периферийной части печи траектории движения кусков из-за расширения шахты и под действием давления лежащих в осевой части печи кусков отклоняются к стенке. Отклонение от вертикальной линии у легких кусков кокса значительно больше, чем у тяжелых кусков рудных материалов. Поэтому по мере опускания слои рудных материалов в какой-то степени выклиниваются по направлению к стенке.

В связи с указанным, в нижней части шахты и в распаре у стенок скапливаются относительно большее количество кокса.

Нижнюю часть печи (нижнюю часть шахты, распар, заплечики и горн) рудные материалы проходят в виде жидких продуктов плавки − чугуна и шлака, которые стекают каплями и струйками по межкусковым каналам опускающегося кокса.

Тяжелый жидкоподвижный чугун стекает довольно быстро, заполняя при этом малую часть объема межкусковых каналов. Шлак легче и вязкость его значительно выше. Поэтому стекает он со сравнительно небольшой скоростью, заполняя значительную часть объема межкусковых каналов. Скорость стекания его и степень заполнения им межкусковых пространств меняется с изменением вязкости. Чем больше вязкость шлака, тем медленнее стекает он и в большей степени заполняет межкусковые каналы.

Высота зоны печи, в которой имеется жидкий шлак, зависит от температуры шлакообразования. Чем более легкоплавок первичный шлак, тем больше высота этой зоны.

В среднем шихтовые материалы проходят доменную печь за 5-7 часов.