Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Повышение эффективности работы воздушных фурм доменных печей

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 766578.01.99
Изложено применение газотермических и шликерных покрытий, а также теплоизоляционных материалов для повышения стойкости воздушных фурм доменных печей и снижения тепловых потерь через их поверхность. Представлены результаты моделирования тепловых и газодинамических процессов, а также напряженного состояния в воздушных фурмах с использованием современного программного обеспечения. Рассмотрены мероприятия по улучшению смешивания природного газа, пылеугольного топлива и горячего дутья для более полного сгорания топлива. Для инженерно-технического персонала металлургических предприятий, а также студентов металлургических специальностей.
Повышение эффективности работы воздушных фурм доменных печей : монография / А. Г. Радюк, А. Е. Титлянов, И. А. Левицкий [и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 216 с. - ISBN 978-5-9729-0581-2. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1833160 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВОЗДУШНЫХ ФУРМ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ



Монография





















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2021

УДК 669.18
ББК 34.22
      П42

Авторы:
А. Г. Радюк, А. Е. Титлянов, И. А. Левицкий, М. М. Скрипаленко, С. Д. Сайфуллаев







П42       Повышение эффективности работы воздушных фурм доменных
    печей : монография / [А. Г. Радюк и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 216 с.
           ISBN 978-5-9729-0581-2

    Изложено применение газотермических и шликерных покрытий, а также теплоизоляционных материалов для повышения стойкости воздушных фурм доменных печей и снижения тепловых потерь через их поверхность. Представлены результаты моделирования тепловых и газодинамических процессов, а также напряженного состояния в воздушных фурмах с использованием современного программного обеспечения. Рассмотрены мероприятия по улучшению смешивания природного газа, пылеугольного топлива и горячего дутья для более полного сгорания топлива.
    Для инженерно-технического персонала металлургических предприятий, а также студентов металлургических специальностей.

УДК 669.18
ББК 34.22








ISBN 978-5-9729-0581-2

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

            СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ....................................................8

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОТЫ
ВОЗДУШНЫХ ФУРМ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ...............................9
  1.1. Причины выхода из строя воздушных фурм...............9
  1.2. Продление срока службы фурм.........................10
  1.3. Уменьшение теплоотвода через поверхность дутьевого канала и рыльной части..........................................12
  1.4. Возможность замены кокса природным газом............13
  1.5. Замена кокса пылеугольным топливом..................14
  1.6. Выводы..............................................15

2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................16
  2.1. Газотермическое напыление...........................16
  2.2. Подготовка образцов для исследования................21
  2.3. Элементный и рентгеноструктурный фазовый анализ диффузионного слоя.......................................21
  2.4. Теплопроводность диффузионного слоя.................22
  2.5. Прочность сцепления покрытия с основой..............22
  2.6. Измерение толщины диффузионного слоя и микротвердости.......24
  2.7. Оценка износостойкости диффузионного слоя...........24
  2.8. Оценка жаростойкости образцов.......................26
  2.9. Контроль тепловых потерь и снижение расхода кокса...27
  2.10. Расчет толщины диффузионного слоя в системе «основа-покрытие»........................................28

3. НАПЫЛЕНИЕ АЛЮМИНИЕВОГО ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ВОЗДУШНЫЕ ФУРМЫ................................31
   3.1. Изучение структуры и элементного состава медно-алюминиевого диффузионного слоя......................................31
   3.2. Исследование свойств медно-алюминиевого диффузионного слоя.32
   3.3. Создание защитного слоя на воздушных фурмах с использованием алюминиевого покрытия для ДП-5 ПАО «Северсталь».........36
     3.3.1. Напыление покрытия методом электродуговой металлизации на опытную партию фурм...................36


3

     3.3.2. Исследование влияния покрытия на стойкость воздушных фурм   38
     3.3.3. Исследование тепловых потерь через поверхность воздушных фурм............................................40
     3.3.4. Нанесение алюминиевого покрытия на наружную поверхность и со стороны дутьевого канала.................42
   3.4. Повышение стойкости и снижение тепловых потерь на воздушных фурмах ДП-4 ПАО «Северсталь»...................45
   3.5. Выводы.................................................45

4. НАПЫЛЕНИЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА ВОЗДУШНЫЕ ФУРМЫ.............................................46
   4.1. Исследование влияния оксида алюминия на состав и свойства медно-алюминиевого диффузионного слоя.......................46
      4.1.1. Улучшение свойств медно-алюминиевого диффузионного слоя путем добавления к алюминию оксидов алюминия........46
      4.1.2. Распределение элементов в диффузионном слое.......47
      4.1.3. Рентгеноструктурный фазовый анализ поверхностного слоя.48
      4.1.4. Толщина диффузионного слоя........................49
      4.1.5. Теплопроводность и тепловое сопротивление.........49
      4.1.6. Износостойкость...................................50
      4.1.7. Жаростойкость.....................................51
   4.2. Создание диффузионных слоев на меди в защитной среде...52
      4.2.1. Микроструктура....................................52
      4.2.2. Микрозондовое исследование........................54
      4.2.3. Микротвердость....................................56
   4.3. Создание защитного слоя на воздушных фурмах и их испытание на ДП-6 ПАО «НЛМК»..........................................57
   4.4. Разработка технического решения по нанесению оксида алюминия на фурмы...........................................60
   4.5. Выводы.................................................60

5. НАПЫЛЕНИЕ НИКЕЛЕСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ВОЗДУШНЫЕ ФУРМЫ.............................................61
   5.1. Исследование диффузионных процессов в системе
   «Си основа - газотермическое покрытие, содержащее Al, Ni, Cr»....61
      5.1.1. Методика проведения исследований..................61
      5.1.2. Исследование структуры поверхности меди с газотермическими покрытиями............................62
      5.1.3. Влияние алюминия на диффузию никеля и хрома в медь при нанесении и термообработке газотермических покрытий.......63


4

      5.1.4. Расчет толщины диффузионного слоя в системе «Си основа - Al/Ni газотермическое покрытие»...........66
      5.1.5. Оценка адгезии поверхностного слоя на меди.....70
   5.2. Металлографические исследования поверхностного слоя на меди после напыления никельсодержащих покрытий на Cu-Al
   диффузионный слой........................................71
   5.3. Оценка влияния АД1/НП2 покрытий на время проплавления деталей из меди при попадании на них жидкого чугуна......72
   5.4. Практика эксплуатации фурм с никельсодержащими покрытиями в доменном цехе ПАО «Северсталь»...............74
   5.5. Практика эксплуатации фурм с никельсодержащими покрытиями в доменном цехе ПАО «НЛМК»....................76
   5.6. Выводы..............................................77

6. НАНЕСЕНИЕ ШЛИКЕРНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ АЛЮМОХРОМОФОСФАТНОЙ СВЯЗКИ..................................78
   6.1. Влияние покрытия на основе алюмохромофосфатной связки на диффузионные процессы между алюминиевым покрытием и основой.................................................78
   6.2. Улучшение свойств поверхностного слоя на меди с использованием АХФ покрытия.............................79
   6.3. Нанесение АХФ покрытия на Си-Al диффузионный слой....82
   6.4. Практика эксплуатации фурм с АХФ покрытием в доменном цехе ПАО «Северсталь».........................82
   6.5. Выводы..............................................84

7. НАНЕСЕНИЕ ШЛИКЕРНЫХ БОРСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ................85
   7.1. Свойства борсодержащих покрытий.....................85
   7.2. Лабораторные исследования диффузионного слоя на меди.86
   7.3. Варианты нанесения борсодержащих покрытий на фурмы...90
   7.4. Промышленные испытания фурм с борсодержащими покрытиями .... 91
   7.5. Выводы..............................................95

8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОЗДУШНОЙ ФУРМЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ.........................................96
   8.1. Расчет коэффициентов теплоотдачи поверхностям фурмы.96
   8.2. Методика расчета тепловых потерь и температуры внутреннего стакана воздушной фурмы..................................99
   8.3. Использования программного комплекса DEFORM-2D для моделирования теплового и напряженного состояния воздушной фурмы доменной печи...........................100


5

   8.4. Использования программного комплекса Ansys
   для моделирования теплового и напряженного состояния воздушной фурмы.......................................101

9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВСТАВКИ ИЗ УГЛЕРОДНОЙ ТКАНИ
В ВОЗДУШНУЮ ФУРМУ........................................103
   9.1. Расчет коэффициентов теплоотдачи поверхностям фурмы....103
   9.2. Расчет тепловых потерь для фурмы с муллитокорундовой массой................................................103
   9.3. Преимущества вставки из углеродной ткани с SiC-покрытием в дутьевой канал фурмы................................104
   9.4. Испытание вставки из углеродной ткани в промышленных условиях..............................................105
   9.5. Выводы...........................................107

10. РАЗРАБОТКА КЕРАМИЧЕСКОЙ ВСТАВКИ
В ДУТЬЕВОЙ КАНАЛ ВОЗДУШНОЙ ФУРМЫ.........................108
   10.1. Моделирование теплового состояния фурмы в среде Excel.108
   10.2. Компьютерное моделирование динамики нагрева воздушной фурмы в среде DEFORM-2D.....................114
   10.3. Учет реальных условий эксплуатации воздушных фурм с использованием среды Ansys..........................120
   10.4. Результаты моделирования и их анализ............123
   10.5. Изготовление керамической вставки для воздушной фурмы.128
   10.6. Испытания воздушных фурм с керамической вставкой в промышленных условиях...............................130
   10.7. Выводы..........................................136

11. ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ КЕРАМИЧЕСКОЙ ВСТАВКИ...................137
   11.1. Изготовление вставки из двух частей, с бандажом и шликерным покрытием.................................137
   11.2. Результаты моделирования и их анализ............141
   11.3. Установка вставки в дутьевой канал после сборки фурмы.145
   11.4. Приклеивание кремнеземистой ткани на наружную поверхность вставки...................................147
   11.5. Технические решения для повышения стойкости вставки...148
   11.6. Выводы..........................................150

12. УЛУЧШЕНИЕ СМЕШИВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ГОРЯЧЕГО ДУТЬЯ.........................................151
   12.1. Вывод трубочки для подачи природного газа до середины дутьевого канала......................................151


6

   12.2. Результаты моделирования и их анализ............153
   12.3. Ступенька в дутьевом канале.....................157
   12.4. Обсуждение результатов моделирования............159
   12.5. Использование выступа под газовым патрубком, бандажа и завихрителя.................................162
   12.6. Выводы..........................................168

13. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ФУРМЫ.............169
   13.1. Теплоизоляция торца рыльной части с использованием керамического диска...................................169
     13.1.1. Компьютерное моделирование теплообмена в DEFORM-2D.........................................169
     13.1.2. Разработка технического решения по теплоизоляции торца рыльной части.................................173
     13.1.3. Промышленные испытания фурм с теплоизоляцией торца рыльной части.................................174
   13.2. Приклеивание огнеупорной ткани к рыльной части..175
   13.3. Теплоизоляция наружного стакана и боковой поверхности рыльной части.........................................177
   13.4. Выводы..........................................186

14. СОВМЕСТНАЯ ПОДАЧА ПРИРОДНОГО ГАЗА И ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА..................................187
   14.1. Влияние параметров пылеугольного топлива на тепловой баланс в дутьевом канале..................187
   14.2. Влияние параметров конструкции фурмы на тепловой баланс в дутьевом канале..................193
   14.3. Выводы..........................................198

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................199
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................201


7

            ВВЕДЕНИЕ



    Воздушные фурмы являются одним из важнейших элементов конструкции доменной печи, определяющих эффективность ее работы; выход фурм из строя влечет за собой необходимость остановки печи для замены разрушенной фурмы. Простои печи по этой причине приводят к существенному снижению выплавки чугуна и увеличению расхода кокса.
    Известно, что на воздушные фурмы приходится 30% всех тепловых потерь в печи. При этом в обычных условиях работы доменной печи через рыльную часть, наружный и внутренний стаканы фурмы поступает соответственно 18, 36 и 46% [1], а по данным [2] - 60% суммарного теплового потока. Об этом свидетельствуют экспериментальные данные по работе доменных печей ПАО «Северсталь» и ПАО «НЛМК».
    Поэтому проблема повышения стойкости и снижение тепловых потерь через поверхность воздушных фурм является актуальной.
    В книге представлен опыт авторов по применению газотермических и шликерных покрытий, а также теплоизоляционных материалов в доменном производстве в условиях ПАО «Северсталь» и ПАО «НЛМК». Покрытия и теплоизоляцию использовали в доменном производстве для защиты от износа и прогара воздушных фурм, а также снижения тепловых потерь через их поверхность.
    Особое внимание уделено моделированию тепловых и газодинамических процессов, а также напряженного состояния в воздушных фурмах с использованием программных комплексов Excel, DEFORM—2D и Ansys.
    Предложены мероприятия по улучшению смешивания природного газа, пылеугольного топлива и горячего дутья для более полного сгорания топлива.
    Книга предназначена для инженерно-технического персонала металлургических предприятий, а также студентов вузов металлургических специальностей.

8

                Глава 1





            ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОТЫ ВОЗДУШНЫХ ФУРМ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ



        1.1. Причины выхода из строя воздушных фурм


     Известно, что передняя часть фурмы, находящаяся в рабочем пространстве доменной печи (рисунок 1.1), подвергается термическому, механическому и химическому воздействию газовой, жидкой и твердой фаз [3].


Рис. 1.1 - Условия работы воздушных фурм:
1 — холодильники печи; 2 — гарнисаж; 3 — воздушная фурма; 4 — фурменный холодильник; 5 — амбразура; 6 - сопло; 7 — кладка горна

9

    Основными причинами выхода воздушных фурм из строя являются: прогар рыльной части, трещины по сварке и износ наружного стакана. Если первая причина выхода определяется преимущественно нарушением технологии плавки, вторая - качеством сварного соединения, то последняя - износостойкостью материала фурмы, а именно износостойкостью поверхностного слоя.
    Прогар рыльной части является самой непредсказуемой причиной замены воздушных фурм и может произойти в любой момент времени их эксплуатации при попадании на поверхность фурм жидкого чугуна. Доля фурм, выведенных из эксплуатации по прогару, составляет в среднем 70-75% от общего числа замененных фурм. Механизм прогара фурм состоит в следующем. Жидкий чугун, попадая на охлаждающую поверхность, вызывает резкое повышение температуры стенки, а также образование устойчивой паровой пленки, изолирующей поверхность фурмы в месте контакта от массы воды. В результате резкого ухудшения теплообмена температура стенки в зоне контакта повышается до температуры плавления меди, и фурма прогорает [4].
    Трещины по сварным швам происходят преимущественно в начальный момент времени эксплуатации фурм при нарушении технологии сварки. Возможны трещины по внутреннему стакану, возникающие также в основном на начальной стадии работы фурм из-за использования некачественной меди.
    Износ наружного стакана является наиболее ожидаемой причиной замены фурм и возникает в зависимости от объема печи и условий ее работы через 3-6 месяцев их эксплуатации. Фурмы, находясь в зоне максимальных температур, подвергаются непрерывному истирающему действию шихтовых материалов, приводящему к их износу.
    При анализе посвященной воздушным фурмам литературы можно выделить два направления их модернизации: первое - увеличение срока службы, второе - снижение тепловых потерь. Кроме того, представляет интерес вопросы замены кокса природным газом и пылеугольным топливом.

        1.2. Продление срока службы фурм

    Среди разработок, повышающих стойкость фурм, можно отметить следующее [5].
    По износу:
    -  создание диффузионного слоя толщиной 0,5-2,0 мм на основе алюминиевых соединений на поверхности медной фурмы [6] с высокой степенью адгезии. Однако диффузионный метод создания защитных покрытий из порошковых смесей отличается низкой производительностью;
    -  нанесение газотермических покрытий на поверхность фурмы из жаростойких материалов, включая оксиды и их смеси [7]. Для увеличения толщины защитного покрытия газопламенным напылением наносят слой

10

      толщиной 5 мм из оксидов или их смесей с примесью 4±0,2% диоксида титана. Затем газопламенным напылением наносят слой диоксида циркония толщиной 0,2 мм. Однако такое покрытие характеризуется недостаточной адгезией, что может привести к его отслоению.
    По прогару:
    -  интенсификация охлаждения рыльной части фурмы: размещение сопла или сопел, из которых поступает вода в полость фурмы, как можно ближе к рыльной части, и завихрение водяного потока [8]; разделение полости фурмы на части таким образом, чтобы вода в первую очередь охлаждала наиболее теплонапряженные части фурмы [9, 10], включая разделительные винтовые ребра [11]; облицовка проволочной сеткой поверхности теплообмена для армирования огнеупора [12];
    -  создание защитного слоя на рыльной части фурмы. В этом случае важное значение приобретает решение проблемы прочности сцепления защитного слоя с основой. Предлагаются различные решения данной проблемы, например, изготовление пазов определенных размеров на поверхности фурмы, в которые укладывается защитное покрытие [13];
    -  установка внутри корпуса фурмы керамических вставок различной формы: выступающих за пределы водоохлаждаемого корпуса [14]; вместо рыльной части на наружной поверхности конического стакана меньшего диаметра выполнено огнеупорное покрытие в виде стакана, являющееся продолжением наружного конического стакана корпуса [15]; наклон дутьевого канала создают путем нанесения защитного покрытия эксцентрично оси корпуса с максимальным эксцентриситетом на срезе рыльной части фурмы, причем наибольшую толщину покрытия наносят со стороны подвода природного газа [16];
    -  утолщение рыльной части (толщина рыльной части достигает 30 мм). Для гашения тепловых концентрированных ударов жидких масс чугуна верх рыльной части может быть утолщен до 90 мм [17].
    Исследованию прогара воздушных фурм, как одной из основных причин их замены, также посвящены работы [18-20].
    В настоящее время данная проблема решается нанесением газотермических покрытий и теплоизолирующих материалов с низкой теплопроводностью на рабочую поверхность фурмы [21-24] и др.
    Трещины сварного шва:
    -  защита сварного шва вокруг патрубка для подачи природного газа слоем теплоизоляционной футеровки [25];
    -  защита сварного шва между рыльной частью и внутренним стаканом со стороны дутьевого канала при помощи цилиндрической выборки с теплоизоляционной футеровкой [26];

11

    -  для защиты сварного шва между рыльной частью и наружным стаканом наносят более толстое газотермическое покрытие, чем на остальную часть фурмы [27], или проводят плазменную наплавку защитного слоя определенных размеров [28].

        1.3. Уменьшение теплоотвода через поверхность дутьевого канала и рыльной части

    Предложены различные технические решения по созданию теплоизоляции, снижающей термические нагрузки на фурму со стороны горячего дутья и, соответственно, снижающие потери тепла с охлаждающей водой.
    По данным [29] уменьшение теплоотвода через поверхность дутьевого канала достигается путем повышения чистоты поверхности внутреннего стакана, обращенной в рабочий канал фурмы. Но в большинстве случаев эту задачу решают за счет использования материалов с низким коэффициентом теплопроводности в виде набивной массы, обмазки или установки вставки со стороны дутьевого канала.
    В работах [30, 31] предложено изготавливать облицовку внутреннего стакана и рыльной части из железохромоалюминиевого сплава толщиной 1-1,5 толщины стенки корпуса методом литья в песчаную форму.
    Уменьшение теплоотвода через поверхность дутьевого канала достигали также путем использования набивной муллитокорундовой массы с низкой теплопроводностью на стенках дутьевого канала [32].
    В работе [33] внутренняя поверхность фурмы была снабжена жаростойким экраном. В работе [34] уменьшение теплоотвода через поверхность дутьевого канала и рыльной части достигается с помощью экранирующей вставки из жаропрочного металла, между которой и внутренним стаканом создан вакуум, а в [35] также с помощью вкладыша в рыльную часть дутьевого канала. Предлагается использование жаропрочной кольцевой вставки в рабочем канале фурмы, через которую для подогрева поступает природный газ прежде, чем смешаться с дутьем [36].
    Для более значительного снижения тепловых потерь предлагается изготавливать внутреннюю часть вставки в воздушную фурму из материала, содержащего порядка 90% SiC и имеющего пористость 3-17%. Наружная часть вставки выполнена из монолитного огнеупора на основе Al2()₂ SiO2 с теплопроводностью < 5,82 Вт/(м-К) [37]. При этом суммарная толщина вставки и зазора между ней и стенкой канала соизмерима с толщиной стенки канала. Такие двухслойные вставки обладают относительно низкой теплопроводностью и высокими механическими свойствами. Карбид кремния химически инертен по отношению к большому количеству различных агентов, и, в частности, обладает хорошим

12

сопротивлением окислению до температур 1200 °C. При более высоких температурах слой на основе Al₂O₃-SiO₂ защищает слой из SiC от окисления [38].
    Учитывая допустимую толщину и низкую теплопроводность керамических материалов, вставку можно принять в качестве перспективного решения проблемы снижения тепловых потерь на воздушных фурмах.
    В настоящее время данная проблема решается футеровкой огнеупорами со стороны дутьевого канала [39-41].

        1.4. Возможность замены кокса природным газом

    Воздушные фурмы относятся к важнейшим элементам конструкции доменной печи, определяющим эффективность ее работы. Через них в доменную печь поступает природный газ и горячее дутье, обогащенное кислородом. Применение природного газа позволяет снизить количество кокса, необходимое для получения чугуна. При этом коэффициент замены уменьшается с увеличением количества подаваемого природного газа. Выполненные аналитические исследования показали, что величина коэффициента замены кокса природным газом при расходе последнего 90-100 м³/т и теоретической температуре горения 2100-2200 °C составляет около 1,0 кг/м³, а при расходе природного газа 180-200 м³/т и теоретической температуре горения 1900-2000 °C - снижается на 0,3 кг/м³ [42, 43].
    Значение коэффициента замены кокса природным газом зависит от эффективности его смешения с дутьем [44]. Лучшее, с энергетической точки зрения, использование природного газа в доменной печи может быть получено при неполном его сжигании до монооксида углерода и водорода в условиях предварительного перемешивания с кислородом, т. е. при организации диффузионнокинетического режима сжигания газа. При этом количество восстановительных компонентов в печи возрастает, а эффект охлаждения горна уменьшается до минимума. Для подготовленных метано-кислородных смесей продолжительность реакций окисления составляет около 3 • 10⁻³ с, что позволяет рассчитывать на окончание горения природного газа непосредственно у устья фурмы. По условиям взрывобезопасности возможна концентрация кислорода в газокислородной смеси до 40% при скоростях истечения 2,5-3 м/с и выше [45]. В обычной фурме природный газ прижимается к поверхности дутьевого канала потоком горячего дутья и плохо смешивается с ним, что приводит к неполному сжиганию природного газа и его пиролизу. Поэтому проблема полноты сжигания природного газа является актуальной [46]. Основным направлением решения данной проблемы является улучшение перемешивания природного газа и горячего дутья различными способами:
    -  подача природного газа в нескольких местах, например, по двум трубочкам [47, 48];


13

    -  установка завихрителя в дутьевом канале [49] или резкое изменение диаметра дутьевого канала [47, 50];
    -  воздействие акустических [51] или механических [52] колебаний на струю природного газа.
    Эффективным способом повышения роли применяемого природного газа оказался его предварительный подогрев [53, 54].
    Одним из способов улучшения перемешивания природного газа и горячего дутья является вывод газового патрубка в дутьевой канал [55]. Однако для этого варианта недостаточно изучены газодинамика и изменение теплового состояния фурмы; необходимо также учитывать возможность воспламенения природного газа уже внутри фурмы.

        1.5. Замена кокса пылеугольным топливом

    В условиях высоких цен на кокс вполне очевидна необходимость его частичной замены на иные источники теплоты.
    Одним из перспективных и эффективных технологических мероприятий при выплавке чугуна является применение пылеугольного топлива (далее ПУТ). В промышленных условиях доказана возможность вдувания до 250 кг ПУТ на одну тонну чугуна, а также замены им до 30-40% кокса без использования природного газа [56, 57]. По данным других источников, ПУТ позволяет снизить расход кокса на 150-200 кг/т чугуна [58].
    Для достижения оптимальных показателей при вдувании ПУТ необходимо улучшать процесс горения частиц пыли с обеспечением максимальной степени ее сжигания в фурменной зоне [59].
    Неполнота сгорания ПУТ, особенно при больших расходах, обусловливает снижение коэффициента замены им кокса и повышение содержания углерода в продуктах плавки. Кроме того, снижается интенсивность плавки в результате ухудшения газодинамических характеристик слоя шихты и, как следствие, снижения производительности печи [60-62].
    Вдувание ПУТ в горн доменной печи сопровождается ростом производительности, если выполнены мероприятия, способствующие полноте сжигания пылеугольного топлива в фурменной зоне печи (увеличение температуры дутья и расхода кислорода, улучшение качества шихтовых материалов и др.).
    Процесс выгорания частиц угля характеризуется наличием четырех стадий: разогрева частицы до начала выделения летучих веществ, выхода и горения летучих веществ, дальнейшего разогрева и воспламенения углерода, выгорания углерода [63, 64].
    Летучие вещества существенно облегчают процесс воспламенения топлива. Частицы пыли, попадая в канал фурмы, прогреваются, выделяют летучие вещества, которые, смешиваясь с окружающими газами, образуют горючую

14

смесь. Данная смесь воспламеняется и приводит к горению самих частиц. Температура воспламенения углей с высоким содержанием летучих веществ составляет порядка 500 К.
    Продолжительность процесса выделения и воспламенения летучих веществ зависит от их содержания в исходном угле для ПУТ, размера сжигаемых частиц и температуры окружающей газовой среды. Рост содержания летучих веществ и укрупнение частиц увеличивают продолжительность процесса дегазации; при повышении температуры окружающей газовой среды длительность выделения и сгорания летучих веществ уменьшается.
    С уменьшением содержания летучих веществ время воспламенения и выгорания углерода ПУТ увеличивается. Это вызвано тем, что, выделяясь, летучие вещества образуют микропоры, и углерод легче окисляется [65].
    С вдуванием ПУТ качественно изменяется тепловая работа доменной печи, главным образом из-за появления в фурменной зоне светящегося факела, возникающего в результате горения мельчайших частиц ПУТ с образованием облака плавящихся и расплавленных частиц золы, которые становятся источником интенсивного теплового излучения, что сказывается на увеличении тепловых нагрузок на воздушные фурмы, на их сроке службы, устойчивости газодинамического режима плавки и ее технико-экономических показателях [66-69].
    Для более полного сгорания ПУТ в фурменной зоне важно обеспечить более эффективный нагрев частиц, выделение и воспламенение летучих веществ уже в дутьевом канале фурмы.

        1.6. Выводы

    Для совершенствования работы воздушных фурм доменных печей необходимо разработать мероприятия, направленные на:
    -  увеличение их срока службы;
    -  снижение тепловых потерь через их поверхность;
    -  улучшение смешивания природного газа и горячего дутья;
    -  определение параметров рациональной подачи пылеугольного топлива.

15