9. Изменение температуры, давления и состава газа по высоте печи

Газ проходит в доменной печи путь от горна до колошника в течение 2,5 - 3 сек. Чем более извилист путь газа, тем лучше омываются отдельные куски руды или агломерата, тем экономичнее работает доменная печь, так как лучше используется восстановительная способность и тепловая энергия газов.

Столб шихтовых материалов в доменной печи под действием собственного веса опускается навстречу раскаленным газам. При этом происходит нагрев, плавление и восстановление окислов шихты. Температура и давление газа по мере продвижения вверх снижаются, химический его состав изменяется.

Наивысшие температуры (1800 - 2000°С) развиваются в окислительной зоне, где происходит горение углерода кокса.

Давление газов в горне (так же как и температура) к центру печи снижается. Среднее давление в горне зависит от количества дутья, размеров печи, температуры дутья, свойств шлака и физического состояния проплавляемых материалов. Чем больше сопротивление в горне для прохода газов, тем больше в нем среднее давление. Следует указать, что неравномерность давления и температуры по сечению горна сохраняется по всем сечениям печи, вплоть до колошника.

В верхних горизонтах печи (распар, шахта) между температурой и составом газа наблюдается взаимосвязь: с увеличением содержания углекислоты (в результате реакций косвенного восстановления) температура газа снижается. Естественно, что наибольшее количество углекислоты будет образовываться при взаимодействии газа с большим количеством руды. Поэтому газ отдает и большее количество тепла шихтовым материалам.

Температура за окислительной зоной резко снижается в связи с тем, что затрачивается тепло на прямое восстановление. На большом участке по высоте шахты температура газа изменяется мало, так как реакции косвенного восстановления больших затрат тепла не требуют.

В верхних горизонтах печи температура газа опять снижается в связи с затратой тепла на нагрев холодной шихты и испарение влаги. Поэтому температура выходящего из печи колошникового газа может лишь частично характеризовать экономичность работы печи.

Вдуваемый в горн воздух создает в нем давление, которое обусловливает движение газов вверх. Поднимаясь, газ теряет часть своего напора на преодоление сопротивления столба материалов. Потеря напора - разность давлений - происходит неравномерно по высоте. Наибольшая часть его расходуется при прохождении газа через зону плавления и меньшая часть - в шахте. По высоте печи при равномерном опускании шихтовых материалов (ровный ход печи) обычно теряется от 98 до 137 кн/м² (от 1 до 1,4 ат). Перепад между давлением дутья и газа на колошнике служит важным показателем хода печи (рис. 82).

Рис. 82. Изменение статического давления газов по высоте печи: а - давление в воздухопроводе горячего дутья

По мере продвижения газа вверх сильно изменяется его химический состав. При выходе из верхней части горна он содержит Со, Н₂ и N₂. В результате процессов прямого восстановления газ обогащается окисью углерода. Если в шихте содержится сырой известняк, то в результате его разложения в состав газа входит углекислота.

В зонах, где развиваются реакции косвенного восстановления (шахта), в газе увеличивается содержание углекислоты и уменьшается содержание окиси углерода.

При неравномерном распределении газов среди шихтовых материалов в одних местах материал будет хорошо восстановлен, в других хуже. Газ уйдет из печи, не израсходовав всей тепловой и химической энергии. Материал придет в горн плохо подготовленным, что вызовет увеличение расхода кокса и снижение производительности.

Поток газов в печи распределяется в зависимости от сопротивления шихты. Там, где будет сосредоточено большее количество крупных кусков, сопротивление будет меньше. Сюда и устремится основной поток газа. У стен печи сопротивление проходу газа всегда меньше, так как стенка представляет собой почти гладкую поверхность.

Поскольку газ является основным переносчиком тепла, то в местах его интенсивного прохода материалы будут нагреваться сильнее. Это обусловливает неравномерность распределения температур по горизонту печи.

Сопротивление проходу газов или обратная величина - газопроницаемость - для различных шихтовых материалов различны. Это значительно затрудняет достижение равномерного распределения газов в печи.

Итак, от характера движения газов зависят процессы теплообмена между ними и шихтой по всей высоте печи, распределение температур и давлений по сечению и высоте, а также протекание восстановительных процессов. Движение газов прямо зависит от их давления, скорости и температуры, а также сопротивления, оказываемого шихтой на отдельных горизонтах и вызывающего потерю напора. Поэтому шихту надо загружать в доменную печь так, чтобы агломерат (руда) располагался там, где наиболее интенсивно движется газовый поток.