Факторы, определяющие распределение материалов на колошнике

При данном засыпном aппapaтe распределение материалов на колошнике может меняться в зависимости от ряда факторов. Рассмотрим главнейшие из них.

Распределение материалов на колошнике в сильной степени зависит от следующих размеров профиля доменной печи: диаметра колошника, высоты цилиндрической части колошника; кроме того, существенное влияние оказывает также наличие или отсутствие расширения колошника в направлении к газоотводам (вентуриобразный колошник, т. е. расширяющийся кверху, или обычный).
Угол наклона шахты не влияет на распределение материалов в момент падения их на поверхность столба материалов, но существенно влияет на перераспределение их при опускании в доменной печи.
Величина диаметра колошника оказывает на распределение материалов следующее влияние. Так как материалы, ссыпаясь с большого конуса, направляются к периферийной части печи и уже оттуда передвигаются к оси печи, можно полагать, что всякое увеличение диаметра колошника должно вести к тому, что, при прочих равных условиях, к оси печи будет попадать меньше руды. Еще недавно высказывалось твердое убеждение, что чем шире колошник, тем больше должен получаться у оси печи круг, не покрытый рудой.
Считали, что лечи с большим диаметром колошника будут работать очень плохо вследствие чрезмерного развития осевого потока газа, вызванного наличием большого круга, не покрытого рудой.
Однако опыт работы больших доменных печей не подтвердил этого опасения и показал, что современные доменные печи с диаметром колошника 6 м и более не имеют чрезмерно развитого осевого потока газов, что свидетельствует о попадании некоторого количества руды к оси печи, но механизм этого процесса еще недостаточно ясен.
Несомненно, однако, что, всякое увеличение диаметра колошника, при прочих равных условиях, будет вызывать увеличение количества руды, остающейся при загрузке у периферии печи, и уменьшение количества руды, попадающей к оси.
Колошники с расширяющейся верхней частью (вентуриобразные) будут способствовать отходу гребня материалов от стен колошника, и тем самым усилению периферийного потока газов, в тех случаях, когда материалы, ссыпаясь с конуса, падают не на поверхность столба шихты, а на наклонную поверхность расширяющейся части колошника; скатываясь с этой поверхности, материалы будут попадать на поверхность столба шихты на некотором расстоянии от стен печи.
Различная высота цилиндрической части колошника имеет следующее значение:
а) при малой высоте материалы, ложащиеся вблизи стен при нормальном уровне засыпи, при понижении уровня засыпи не будут рикошетировать от стенок вследствие расширения стен шахты; благодаря этому создаются условия, способствующие относительно постоянному распределению материалов, следовательно, устойчивому газовому потоку;
б) при большой высоте во время опускания уровня засыпь ниже горизонта пересечения траекторий падающих материалов со стеной колошника крупные куски руды, отражаясь при ударе о стену колошника, распространяются по всему сечению, поэтому характер распределения материалов резко меняется, что вызывает неустойчивость газовых потоков.
При данном профиле доменной печи его влияние па распределение материалов при их загрузке в доменную печь остается постоянным. Ho если профиль доменной печи в процессе ее работы подвергается тем или иным искажениям, появляются дополнительные факторы, способные влиять тем или иным образом на распределение материалов.
Следующие искажения профиля способны оказывать влияние на распределение материалов;
а) потеря защитных колец, вызывающая значительное расширение колошника, ведет к усилению периферийного потока газов;
б) образование в нижней или средней части шахты настыли, препятствующей нормальному опусканию материалов. Если настыли являются кольцевыми, то материалы по периферии будут опускаться крайне медленно; это поведет к тому, что поверхность столба материалов будет иметь воронкообразный характер со сравнительно большой глубиной воронки. Если же настыли будут односторонними, то замедление в опускании материалов у периферии тоже будет односторонним и поверхность столба шихтовых материалов будет несимметричной;
в) потеря кладки шахты, вызывающая значительное расширение поперечных размеров, ведет к развитию периферийного потока газов.

При небольшой ширине зазора между кромкой большого конуса и стенками колошника гребень руды ложится непосредственно у самой стенки колошника, увеличивая здесь сопротивление проходу газов. При увеличении ширины зазора загружаемая в печь руда начинает располагаться кольцевым гребнем на некотором расстоянии от стенок колошника; от гребня идут скаты к оси печи и к стенкам колошника; крупные куски материалов при падении с большого конуса могут скатываться и к стенкам колошника и к оси печи. Газы при широком зазоре будут идти в весьма больших количествах вдоль стенок печи, т. е. печь будет иметь чрезмерно развитый периферийный ход.

К основным физическим свойствам шихтовых материалов, оказывающим существенное влияние на характер распределения материалов, относятся:
а) ситовой состав шихтовых материалов, т. е. соотношение между мелочью и крупными кусками и размеры кусков;
б) степень сыпучести материалов.
Физические свойства шихтовых материалов определяют прежде всего тот угол откоса, который материалы образуют, расположившись после ссыпания с большого конуса на поверхности столба шихтовых материалов в доменной печи.
Угол откоса, как указывалось выше, определяет в известной степени очертание поверхности столба шихтовых материалов. Ситовой состав шихтовых материалов влияет не только на угол откоса, но и на характер их распределения.
Для пояснения сказанного рассмотрим две возможные схемы размещения шаров одинакового диаметра в слое — плотную и рыхлую укладку. Схема наименее плотной (рыхлой) укладки показана на рис. 97.

Для подсчета объема, занимаемого материалом и пустотами, мысленно вырежем из 8 шаров, образующих куб со стороной, равной 2d, куб со стороной d. Тогда объем, занимаемый материалом по отношению ко всему объему, составит: (пd2/6:d3)*100 = 52,8% и соответственно объем пустот 100 — 52,8 = 47,2%.
Схема наиболее плотной укладки показана на рис. 98. В этом случае стороны куба перекашиваются, образуя ромб с острым углом 0 = 60 . Таким образом, куб превращается в ромбоэдр. Объем ромбоэдра в зависимости от стороны ромба (d) и острого угла 0 выражается формулой:

При загрузке шихты, состоящей из кусков различных размеров, мелкие куски будут располагаться в промежутке между крупными и объем пустот может оказаться ниже, чем яри самой плотной укладке. Поэтому для повышения газопроницаемости шихты следует загружать материалы, рассортированные по крупности, отдельно каждый класс с одинаковой кусковатостью. Раздельная по крупности загрузка необходима также и для того, чтобы максимально уменьшить не поддающееся регулированию явление сегрегации.
Сущность этого явления заключается в том, что при одновременной загрузке в доменную печь материалов, имеющих различную крупность, распределение каждой фракции по крупности будет происходить по разным законам, в результате чего возможно неравномерное сосредоточение отдельных фракций на различных участках поверхности, на которую выгружаются материалы. Например, мелкая и пылеватая часть руды при падении на поверхность шихты заполняет пустоты между кусками, вследствие чего большей частью остается лежать там, где упала. Наоборот, крупные куски способны откатываться по наклонной поверхности, отходя на то или иное расстояние от места падения. При переменном соотношении между количеством мелочи и крупных кусков в каждой подаче, что неизбежно бывает при загрузке рядовой руды, количество мелочи и кусков, попадающих в разные участки печи, постоянно меняется, вследствие чего доменный техник не имеет возможности регулировать соответствующим образом распределение газовых потоков.
Таким образом, работа на руде, не рассортированной по крупности, влечет за собой, во-первых, сосредоточение мелочи в сравнительно узком копыте, во-вторых, постоянные колебания в распределении материалов и в соотношении между мелочью и крупными кусками на разных участках колошника. По этой причине сортировка руды по крупности всегда дает положительные результаты, даже при большом количестве мелочи.
Влияние сыпучести руды заключается в том, что хорошо сыпучая руда будет в значительной степени ссыпаться по сторонам от места падения, в то время как плохо сыпучая руда будет оставаться преимущественно там, где упала.

Поверхность столба материалов, на которую ложится свежая порция шихты, может иметь различные очертания:
а) поверхность представляет собой воронку, обращенную основанием вверх, с тем или иным углом наклона;
б) она может быть почти горизонтальной;
в) поверхность имеет тот или иной уклон к стенкам печи;
г) поверхность не является симметричной, в некоторых местах у стен есть выемки.
Рассмотрим, как будет происходить распределение материалов для четырех приведенных случаев, исходя из того, что руда загружается на большой конус перед коксом.
Случай а. Руда будет откатываться от периферии в осевые зоны тем сильнее, чем больше угол откоса и чем больше руды идет в подачу. Куски будут откатываться сильнее, чем рудная мелочь. В больших доменных печах, как показали наблюдения за распределением материалов перед задувкой, обычно всегда остается у оси печи круг большего или меньшего диаметра, не покрытый рудой.
Случай б. Руда будет располагаться там, где она упала. Если руда ложится непосредственно у стен печи, то здесь будет наиболее толстый слой руды, выклинивающийся на некотором расстоянии от стенки. Heпокрытый рудой круг будет значительно больше, чем в первом случае.
Случай в. Руда будет откатываться к стенкам, концентрируясь у периферии в еще большей степени, чем в предыдущем случае.
Случай г. В местах выемок будут образовываться гнезда руды; там, где выемки нет, концентрация руды будет значительно ниже.

От величины коксовой колоши зависит количество руды, одновременно загружаемой в доменную печь. Чем больше коксовая колоша, тем больше загружается руды за один прием, что способствует большему распространению рудной сыпи к оси доменной печи. В силу этого относительно меньшее количество руды остается у стен печи, и создается благоприятные условия для развития периферийного потока газов.
При уменьшении величины коксовой подачи количество руды, попадающей в осевую зону печи, уменьшается; количество руды, остающейся у периферии, возрастает.
Таким образом, увеличение веса (и, разумеется, объема) коксовой колоши способствует развитию периферийного потока газов; уменьшение веса, наоборот, ведет к сокращению количества газа, проходящего у стен.
Таковы общие соображения о влиянии величины коксовой подачи и, значит, количества одновременно загружаемой руды. Однако следует иметь в виду, что различный гранулометрический состав руды по-разному сказывается на распределении материалов.
Выбор оптимальной величины подачи производится опытным путем, исходя из данных конкретных условий плавки.
Установленная опытом оптимальная по величине подача поддерживается постоянной более или менее продолжительное время.
Величину подачи необходимо изменять при следующих условиях:
а) при переводе печи с выплавки одного сорта чугуна на другой. Менять подачу необходимо таким образом, чтобы сохранить постоянным количество руды, одновременно загружаемой в печь. Так, при переходе к выплавки передельного чугуна на выплавку литейного коксовую подачу надо увеличивать, при переходе с литейного на передельный — уменьшать;
б) при замене более богатых руд более бедными; при введении агломерата или увеличении количества его коксовую подачу следует уменьшать, чтобы сохранить прежний объем руды.
На отечественных заводах вес коксовой подачи колеблется в широких пределах, в зависимости от размера печей и местных условий. Наименьший вес коксовой подачи 4 г (если не принимать во внимание малые печи объемом меньше 400 м3), наибольший—10 т. Чаще всего применяются подачи от 6 до 8—8,5 т.

Изменение уровня засыпи оказывает весьма существенное влияние на распределение материалов, поскольку от уровня засыпи зависит:
а) угол естественного откоса (с понижением уровня засыпи угол откоса уменьшается);
б) место падения кусков материала. При невысоком уровне засыпи куски падают на шероховатую поверхность столба материалов; это способствует концентрации кусков там, где они упали. При низком уровне засыпи куски падающих материалов, двигаясь по параболической траектории, ударяются о гладкую стенку колошника и рикошетируют в направлении к оси доменной печи;
в) скорость падения кусков. Чем ниже уровень засыпи, тем выше скорость кусков в момент встречи их с поверхностью столба материалов или стенкой печи. Чем выше скорость кусков, тем большую живую силу они имеют в момент удара о поверхность; это способствует более значительному перемещению кусков после падения. Следует иметь в виду, однако, что при одной и той же высоте уровня засыпи может быть различное распределение материалов при различной конфигурации колошниковой части печи.

При одном и. том же количестве материалов, одновременно загружаемых в печь, распределение материалов на колошнике будет меняться при изменении способов загрузки этих материалов на большой конус и с большого конуса в печь.
Существуют следующие способы загрузки материалов на большой конус и в печь.
1. Вся подача полностью набирается на большой конус и уже после этого загружается в печь (совместная подача).
2. На большой конус набирается только часть подачи, после чего большой конус открывается и загружает материалы в печь (раздельная подача). Обычно отдельно загружаются коксовая и рудная части колоши.
3. На свободный от материалов конус загружается сначала рудная часть подачи, затем коксовая.
4. На свободный от материалов конус загружается сначала коксовая часть подачи, затем рудная.
5. Руда и кокс загружаются на большой конус вперемежку друг с другом.
Рассмотрим влияние на распределение материалов каждой из вышеперечисленных систем загрузки.
1. Совместная подача (PK) способствует большему сосредоточению руды у периферии, так как поверхность засыпи во время удлиненной (в данном случае) паузы между опусканиями большого конуса из наклонной (к оси печи) делается почти горизонтальной вследствие ускоренного схода материалов на периферии.
2. При раздельной загрузке время между опусканиями большого конуса сокращается почти в два раза, по сравнению с совместной загрузкой, вследствие чего столб материалов еще сохраняет воронкообразную поверхность, способствуя распространению руды к оси печи. Таким образом, раздельная загрузка благоприятствует развитию периферийного потока г азов.
3. При загрузке на большой конус руды перед коксом большая часть руды остается у периферии. Наоборот, если кокс загружается перед рудой, значительная часть рудной сыпи отходит от стен, вызывая тем самым сильное развитие периферийного потока газов.
4. Смешанная загрузка. К этому типу относится загрузка типа PKPKK и PKKPK. Загрузки этого типа имеют своей целью, наряду с подачей руды к периферии, способствовать также попаданию руды в осевые зоны печи. При загрузке по первому из двух приведенных типов в осевую зону руды попадает меньше, чем при загрузке по второму типу.

Распределение материалов при загрузке их с большого конуса оказывает решающее влияние на распределение газовых потоков в шахте доменной печи; но в то же время установившийся в доменной печи газовый поток, в свою очередь, может оказывать значительное влияние на распределение шихтовых материалов при загрузке их в печь.
Например, наблюдениями установлено, что значительное количество пылеватой фракции железной руды вследствие большой разности в скоростях движения газа на периферии и в осевой зоне перебрасывается газовым потоком от периферии к оси.

Чем длинее кромка, выступающая за стенки воронки, тем большую скорость приобретают материалы в момент отрыва от большого конуса Вследствие этого траектория падающих материалов будет более пологой к гребень материалов, при прочих равных условиях, будет приближаться к стенкам колошника. Однако в наших условиях длина кромки большого конуса, выступающая за чашу, обычно никогда не меняется.

При быстром опускании большого конуса все материалы с него ссылаются почти одновременно, падая более сплошной массой и ложась в зависимости от уровня засыпи более концентрированно.
При замедлении опускания большого конуса рудная сыпь распределяется более широким кольцом, так как значительная часть материалов будет ссыпаться с большой высоты и описывать более длинную траекторию. В этом случае периферийный поток газов получит меньшее развитие. (Скорость опускания большого конуса можно менять только в том случае, если для маневрирования конусами установлены пневматические цилиндры.)