Горение углерода в доменной печи и влияние газового режима на плавку

Кислород воздуха, реагируя с углеродом, образует двуокись углерода:

С + O2 = CO2.

При своем движении в печи двуокись углерода реагирует с коксом с образованием окиси углерода

CO2 + С = 2СО.

При этом часть тепла, выделившаяся при протекании первой реакции, поглощается и образуется газ, обладающий сильными восстановительными свойствами. В связи с присутствием в воздухе большого количества азота получающийся при сгорании кокса газ содержит 34,7% CO и 65,3% N2. Протекание реакции прямого взаимодействия между закисью железа и углеродом по уравнению FeO + С = Fe + CO способствует тому, что содержание окиси углерода в газах центральной части печи достигает 40%.

На рис. 66 представлено изменение температуры и состава газа по горизонтальному сечению в зоне горения доменной печи.

На расстоянии 500 мм от стенки, в так называемом фокусе горения, температура достигает 1850° и далее к центру печи снижается до 1400°. Содержание кислорода в газе снижается до О, содержание двуокиси углерода в момент поступления воздуха в печь возрастает, а далее в результате протекания второй реакции понижается, содержание же окиси углерода увеличивается.

По мере выгорания кокса в области фурм и расплавления шихты из шахты и заплечиков поступают новые частицы этих материалов, чем создается непрерывность плавки.

Раскаленные газы из области фурм устремляются в верхнюю часть печи, к колошнику, омывая и пронизывая частицы руды. Скорость газового потока весьма велика (газы проходят через печь за 3—4 сек.).

Газы прогревают шихту и химически взаимодействуют с ней, а сами охлаждаются (на колошнике их температура не превышает 200—300°).

Зона высоких температур (порядка 1100—1600°) ограничивается областью горна и заплечиков, а выше температура в печи постепенно снижается.

В настоящее время все доменные печи работают с подогретым дутьем.

Применение дутья, обогащенного кислородом, ведет к значительному повышению температуры в зоне горения и, соответственно, к ускорению реакций горения, уменьшается количество газов и растет содержание в них окиси углерода, улучшаются условия теплопередачи от газов к шихте и понижается температура колошника, понижается подпирающее действие газового потока. Кроме того, применение дутья, обогащенного кислородом, позволяет значительно форсировать ход печи.

Отрицательными сторонами применения обогащенного кислородом дутья следует считать сосредоточение жара в горне, так как оно способствует возникновению подвисаний шихты, а также уменьшение прихода тепла с дутьем. При уменьшении общего количества дутья уменьшается количество азота, с которым в печь вносится обычно больше тепла, чем удаляется с колошниковыми газами.

Наибольший эффект дает обогащение дутья кислородом при выплавке специальных чугунов, ферросилиция, ферромарганца и других.

При добавлении к дутью около 2% (по объему) пара и повышении температуры дутья (для возмещения тепла на разложение пара) на 50° производительность печей возрастает на 7—9%, а расход кокса снижается на 3—5%.

В современных доменных печах с закрытыми колошниками давление, с которым газы покидают печь, регулируется. Повышение давления до 5—7 ата могло бы способствовать лучшему восстановлению, но применение такого давления затруднительно и опасно.

Было показано, что повышение давления до 2 ата при сохранении количества подаваемого воздуха уменьшает скорость газа и вынос с ним пыли при одновременном понижении потери напора газа. Следовательно, не увеличивая потери напора, можно повысить количество дутья и производительность печи на 30%. При повышении давления газа выравнивается распределение газового потока по сечению печи, что в свою очередь улучшает ее работу. Такая практика находит в последнее время все большее применение.