Нагрев дутья

Нагрев дутья впервые был осуществлен в 1829 г. Использование подогретого дутья несмотря на сравнительно низкую температуру его (149° С) оказало заметное влияние на улучшение хода печи. Температура чугуна и шлака повысилась, шлак сделался более текучим, печь стала нести значительно большую нагрузку, что привело к резкому сокращению удельного расхода горючего (на 30%) и повышению суточной производительности доменной печи. При этом было установлено, что расход угля на нагрев дутья (0,4 единицы угля на единицу чугуна) был значительно ниже полученной экономии топлива (2,9 единиц угля на единицу чугуна). В дальнейшем на всех печах, переводившихся на работу с подогревом дутья, наблюдалось значительное сокращение расхода горючего и увеличение суточной выплавки. Обычно нагрев дутья до 350—400° С на коксовых доменных печах давал экономию в расходе горючего от 15 до 35%.
Переход от примитивных воздухонагревателей с чугунными трубами к воздухонагревателям с кирпичной насадкой позволил значительно повысить нагрев дутья (до 600—700° С); при этом обнаружилось, что с повышением нагрева дутья экономия в расходе горючего с каждой сотней градусов уменьшалась.
Это обстоятельство, а также и тот факт, что нагрев дутья дает экономию тепла в виде горючего большую, чем то количество тепла, которое вносилось нагретым дутьем, долгое время не находили себе правильного объяснения.
Л. Белл дал объяснение понижению экономии в расходе горючего по мере подъема температуры дутья на каждую сотню градусов. Объяснение заключается в том, что по мере сокращения расхода горючего сокращается количество дутья на единицу чугуна, вследствие чего сокращается количество тепла, приносимого каждой сотней градусов нагрева. Иначе говоря, чтобы получить то же количество тепла в меньшем количестве дутья, нужно нагревать его до все более и более высокой температуры.
Объяснение экономии горючего, даваемой нагревом дутья, было дано Окерманом спустя более 40 лет после начала применения горячего дутья. Причина того, что экономия тепла в виде горючего, даваемая нагретым дутьем, превышает количество тепла, вносимого нагретым дутьем, заключается в том, что тепло, вносимое нагретым дутьем, полностью усваивается печью, в то время как теплота, развивающаяся при сжигании горючего в доменной печи, теряется в большей или меньшей степени с отходящими колошниковыми газами.
Другим неясным моментом в действии нагрева дутья являлся тот факт, что нагрев дутья до одной и той же температуры дает неодинаковую экономию горючего на разных заводах.
Для объяснения этого М.А. Павлов составил тепловые балансы двух древесноугольных печей, работавших в одинаковых условиях и имевших одинаковые размеры, причем одна из печей работала на холодном, а другая на горячем дутье. На основе этих балансов М.А. Павлов установил, что при нагреве дутья до 374° С экономия, даваемая нагретым дутьем, составила 21,1%. Анализируя расходные статьи теплового баланса обеих печей, М.А. Павлов установил обстоятельство, упущенное из виду Окерманом, Беллом и Грюнером: доменная печь, работающая на горячем дутье, не только получает больше тепла в дутье, но и расходует меньше тепла. Кроме того, он установил, что нагрев дутья, давая экономию по одним статьям баланса, вызывает увеличение расхода по другим (например, увеличиваются потери с охлаждающей водой, увеличивается расход тепла на перегрев чугуна и шлака, на восстановление кремния). Исходя из этих обстоятельств, М.А. Павлов пришел к следующим выводам:
1. Экономия горючего в доменной печи, получаемая при переходе от холодного дутья к нагретому или от менее нагретого к более нагретому, зависит от условий работы печи и не может быть одинаковой для всех случаев.
2. Экономия, даваемая применением горячего дутья, будет тем больше, чем меньше коэффициент полезного действия тепла в печи.
3. С увеличением температуры дутья коэффициент полезного действия тепла возрастает, экономия от дальнейшего нагрева дутья уменьшается.
4. При известных условиях может получиться, что дальнейший подъем температуры дутья не будет приносить пользы с точки зрения использования тепла.
Последнее положение справедливо только для случая выплавки химически холодных чугунов.
По этой причине при выплавке химически горячих чугунов даже при доведении температуры дутья до уровня, предельного для современных воздухонагревательных устройств, будет иметь место экономия горючего в той или иной степени. Поэтому практически не приходится говорить о предельном нагреве дутья при выплавке вышеуказанных сортов чугуна.
Повышение нагрева дутья вызывает уменьшение размеров окислительной зоны; кроме того, оно ведет к концентрации жара в горне и тем самым к понижению температуры по высоте печи, а последнее влечет за собой понижение горизонта шлакообразования. Это обстоятельство часто бывает нежелательным, так как вызывает подвисание или тугой ход. Одним из объяснений возникновения подвисания или тугого хода при понижении горизонта шлакообразования может служить следующее. Если переход в расплавленное состояние всей пустой породы руды или ее значительной части перемещается из распара в заплечики или из широкой части заплечиков в более узкую часть, то происходит заклинивание материалов вследствие увеличения их объема.
Наконец, повышение нагрева дутья, увеличивая температуру в зоне горения, влечет за собой увеличение объема образующихся газов, повышение их скорости и тем самым — увеличение противодействия опусканию шихты со стороны газового потока.
Уменьшение размеров окислительной зоны, понижение горизонта шлакообразования, увеличение газового подпора, — все эти факторы благоприятствуют возникновению подвисаний и тугого хода. Это и является причиной того, что предельный нагрев дутья при выплавке передельного чугуна практически не достигается.
Для того чтобы можно было повысить температуру дутья, А.Д. Готлиб предложил применять сильно оплавленный агломерат, о чем говорилось выше.
Окерман, давая объяснение действию нагретого дутья, высказал мысль о том, что экономия в горючем от введения нагретого дутья будет тем меньше, чем совершеннее расходуется теплота горючего материала внутри доменной печи. Это положение, не только правильное, но и плодотворное, как указывает М.А. Павлов, не было должным образом оценено металлургами — современниками Окермана — и вскоре забыто.
М.А. Павлов обратил внимание, что мысль, высказанная Окерманом в отношении горячего дутья, носит более общий характер и является применимой ко всякому средству, которое может менять расход тепла в доменной плавке. В связи с этим М.А. Павлов сформулировал следующее положение, имеющее очень важное значение с теоретической и практической точек зрения: «Всякая причина, уменьшающая расход тепла в доменной плавке, дает тем большее сбережение горючего, чем меньше был коэффициент полезного действия тепла в доменной печи». Это положение было названо им «принципом Окермана», в действительности же его следует называть «принципом Павлова», поскольку формулировка, данная Окерманом, не содержит никакого обобщения.