Закономерность теплопередачи в доменной печи основано на температурно-тепловом, зональный баланс.
Условия теплопередачи
Если условия теплопередачи в верхней и нижней зонах существенно различны, а на границах этих зон разность температур газов и материалов минимальна, то «верх» и «низ» представляют собой относительно независимые одна от другой в тепловом отношении зоны и, следовательно, тепловой баланс каждой из них следует рассматривать отдельно.
Раздельное рассмотрение балансов двух зон, однако, не исключает их взаимной связи. Газы, охладившиеся в нижней зоне, но имеющие еще температуру около 950—1050°, переходят в верхнюю и там, отдавая тепло, нагревают шихтовые материалы до 900—950°, испаряют влагу и разлагают гидраты и некоторые карбонаты.
Материалы, подогретые до 900—950° в верхней зоне и освобожденные там от влаги и частично от углекислоты, переходят в нижнюю зону. Зоны, внутренне независимые, оказываются связанными между собой последовательным течением процессов теплопередачи.
Первые авторы построения зонального баланса
- Купельвизер
- Джонсон
- Матезиус
- Н.A. Koстылев
Деление печи на зоны
Иногда предлагалось делить печь не на две, а на три, четыре и более зон. Основанием выделения третьей и других зон могут быть в каждом конкретном случае те или иные соображения о распределении температур в печи.
Так, автор, полагая, что тепло, внесенное нагретым дутьем, используется лишь в нижней части печи, где температура материалов и продуктов плавки превышает 1200°, строил трехзонный баланс, полагая, что в первой зоне (до 900°) идет простой теплообмен и удаление летучих, в третьей зоне (выше 1200°) увеличенная теплопотребность покрывается теплом горячего дутья, а во второй зоне (900—1200°) идут такие эндотермические процессы, теплопотребность которых не может покрываться нагревом дутья и, следовательно, компенсируется только теплом горения углерода.
Очевидно, что такое трехзонное деление имеет смысл именно при анализе влияния нагрева дутья на расход горючего. При решении иных вопросов может потребоваться выделение других зон, например, в верхней части печи для исследования влияния удаления летучих веществ и влаги на тепловые процессы и т.д. Ю.Р. Тишбейн пытался рассчитать зональный баланс из восьми зон.
Трудности при построении зонального баланса
При построении зонального баланса встречаются две трудности.
Во-первых, трудно точно очертить температурные границы каждой зоны. Так, границы прямого и непрямого восстановления или начала разложения карбонатов не лежат точно при температуре 900° (в действительности границы эти раздвинуты в некотором температурном интервале 800—1000° и выше). Нет уверенности в том, что тепло горячего дутья расходуется только в области температур выше 1200°.
Другая трудность при построении зонального баланса заключается в принятии определенного перепада температур между нагревающим и нагреваемым веществами в зонах и особенно на границах зон.
Так, на границе двух зон в разных случаях принимается минимальный перепад — 50, 100°, а иногда более и менее этих величин, но твердых оснований для принятия тех или иных перепадов нет. При этом тоже приближенным и, по-видимому, преувеличенным является перепад на границе «средней» и «нижней» зон 250° (Матезиус).
Эти трудности явились причиной отказа ряда авторов (М.А. Павлов, А.Н. Рамм) от рассмотрения баланса по зонам. Однако тот факт, что качественно зональный баланс может быть методом анализа и исследования тех или иных явлений в доменной печи, послужил основанием использования его для решения тех или иных вопросов (В. Матезиус, Н.А. Костылев, П. Райхардт, В.В. Кондаков, В.В. Михайлов, А.П. Любан. А.Д. Готлиб и др.).
При этом оказывается, что в некоторых случаях приближенный, но более или менее удачный выбор температурных границ зон и температурных перепадов может послужить основанием и для количественного расчетного решения тех или иных задач при условии постоянного контроля полученных результатов практическими данными и фактами.
Температурно-тепловая диаграмма зонального баланса
Наиболее обшей формой построения зонального баланса, наглядно изображающей соответствие расхода и прихода тепла по зонам, является температурно-тепловая диаграмма, предложенная П. Райхардтом.
Основой зонального баланса является общий баланс, рассчитанный по второму способу: приход тепла составляется из теплосодержания газов в горне, являющихся продуктами горения углерода в горячем дутье; расход тепла учитывает действительные потребности тепла на восстановление элементов, диссоциацию влаги и карбонатов, плавление чугуна и шлака, тепловые потери.
Построение баланса и температурно-тепловых диаграмм начинается с расчета потребности тепла по температурным зонам. Учитывая температурные условия течения процессов и имея все данные материального баланса, можно рассчитать, сколько тепла требуется в интервале температур.
Например, до и выше 900°, или, если составляется трехзонный баланс, до 900°, в интервале между 900 и 1200° и выше. Большей частью нетрудно учесть потребность тепла в том или ином температурном интервале.
Все процессы непрямого восстановления и процессы разложения гидратов, испарения влаги, разложения карбонатов магния, железа и марганца происходят при температурах до 900°. При этом некоторые процессы (например, непрямое восстановление) протекают с выделением тепла; поэтому в расчете потребности тепла в температурном интервале до 900° эти приходы должны быть вычтены из общей суммы расхода тепла.
Другие процессы, например прямое восстановление, происходящие главным образом при температурах выше 900°, в некоторой части происходят при более низких температурах, и это приходится учитывать. С другой стороны, прямое восстановление железа частично происходит до 1200°, а частично—при более высоких температурах; восстановление Si, Mn, P и удаление S в шлак может происходить частично в интервале температур 900—1200°, а частично — при более высоких температурах.
При расчете трехзонного баланса приходится расход тепла на эти процессы определенным образом делить между зонами. То же следует сказать о теплоте плавления, нагрева и перегрева чугуна и шлака и о тепловых потерях, которые тоже требуется делить между зонами.
Общий баланс
Следует отметить, что тепло, расходуемое на нагрев опускающегося кокса, обычно не учитывается при составлении общего баланса; тепло, поглощенное из газов коксом, приходит в горн в нагретом (например, до 1450—1500°) коксе и возвращается газу при сгорании углерода.
Процесс является круговым. Поэтому при составлении общего баланса тепло нагрева кокса не учитывается ни в приходе, ни в расходе, причем суммарный баланс от этого не изменяется.
Однако в зональном балансе, при котором учитываются не только количества тепла, но и температурные интервалы, где это тепло переходит от газов к материалам и продуктам плавки, приходится рассчитывать температуры в горне, а для этого нужно учесть тепло, вносимое нагретым коксом при горении углерода на фурмах, значительно влияющее на температуру газов в горне.
Кроме того, особо следует учесть тепло разложения карбоната кальция. Как известно, это тепло расходуется в основном при температурах 900°, без повышения температуры поглощающего его вещества: температура не изменяется в пределах 900°, пока не разложится известняк.
В результате всех этих вычислений и нанесения данных на диаграмму получается ломаная линия, примерное изображение которой дано на рис. 193.
Зная потребность тепла в интервале температур до 900° Q1, откладываем эту величину вправо от точки 900°, находим точку В. Точка А соответствует теплопотребности при 0°.
Линия AB предполагает равномерное (хотя это в действительности не совсем так) возрастание теплопотребности по мере повышения температуры.
