Газодинамический режим доменной плавки
Высокие технико-экономические показатели доменной плавки могут быть достигнуты при выполнении ряда условий, одним из которых является ровный сход (скорость опускания шихтовых материалов остается практически постоянной) шихтовых материалов.
Движение шихты определяется образованием свободного объема вследствие горения кокса, плавления рудной составляющей и периодического выпуска продуктов плавки. Тепло, необходимое для получения чугуна заданного состава генерируется за счет горения кокса на фурмах и вносится дутьем, нагретым до температуры 1200-1250 оС. Количество кокса, обеспечивающего выделение требуемого количества тепла, задается отношением массы рудной составляющей к массе кокса в порции (рудной нагрузкой). Чем больше в единицу времени будет газифицировано кокса, тем больше будет производительность печи. Следовательно, производительность печи определяется минутным количеством кислорода, подаваемого в печь с дутьем.
Движение газов происходит за счет разности давления, которое создается воздуходувной машиной и под колошником.
Шихта в доменной печи опускается за счет силы тяжести, которая определяется по уравнению
Препятствуют движению материалов сила трения шихты о стенки, которая определяется профилем печи и свойствами материала, и сила взаимодействия шихты с газовым потоком, которая выражается через перепад давления ( 
) и сечение шахты (s).
В практике доменной плавки считается, что ровный сход шихтовых материалов достигается, когда степень уравновешивания ( 
).
Перепад давления в слое описывается известным уравнением Эргона, которое устанавливает взаимосвязь между перепадом давления 
,гранулометрическим составом шихты и параметрами комбинированного дутья.
Значение эквивалентного диаметра кусков рудного материала и кокса рассчитывается по уравнению:
где gi - содержание i -ой фракции в материале, % (масс.)
di - средний диаметр i -ой фракции материала, мм.
Порозность шихты связана с насыпной массой ( 
) и кажущейся плотностью материалов ( 
) следующим соотношением
Учитывая послойную загрузку рудных материалов и кокса порзность шихты в верхней зоне печи можно определить по уравнению
.
В нижней зоне доменной печи порзность слоя определяется позорностью кокса и удельным количеством первичного шлака (Ш). Для расчета ( 
) используется следующее уравнение
.
Общий перепад давления можно определить как сумму верхнего и нижнего перепада. При этом допускается, высота верхней зоны печи составляет 70 %, а нижней 30 %. Уравнение для расчета суммарного перепада можно упрощено записать
Порозность слоя определяется гранулометрическим составом шихты. На рис.8 представлена схема, которая поясняет влияние соотношения диаметров мелких и крупных частиц на порозность слоя.
Рис. 8. К расчету оценки влияния соотношения мелких и крупных частиц на
порозность слоя.
В зависимости от качества агломерата его порозность изменяется в пределах 0, 30 – 0,40, а порозность кокса - 0,35-0,45.
Порозность слоя материалов определяется не только порозностью агломерата и кокса, но и рудной нагрузкой. Влияние рудной нагрузки на газопроницаемость слоя шихты можно выразить через удельное газодинамическое сопротивление шихты в верхней зоне доменной печи, которое вычисляется по уравнению
.
Зависимость удельного газодинамического сопротивления от рудной нагрузки при использовании в шихте агломерата и окатышей приводится на рис. 9.
Рис.9. Зависимость удельного газодинамического сопротивления от рудной
нагрузки.
Приведенные на рисунке данные показывают, что основным фактором определяющим газопроницаемость слоя является распределение рудной нагрузки по радиусу печи, которая формируется при загрузке шихты на колошнике. Поскольку рудная нагрузка распределена неравномерно, газопроницаемость слоя в кольцевых сечениях существенно различается. Газа идет больше там, где больше кокса и меньше рудных материалов, которые необходимо восстановить. Поэтому выравнивание рудной нагрузки по радиусу доменной печи способствует улучшению использования восстановительного потенциала газов, а, следовательно, и снижению энергозатрат на производство чугуна.
В тоже время выравнивание рудной нагрузки по радиусу печи приводит к ухудшению условий движения газов в зоне вязкопластичного состояния. Кокс и железорудные материалы загружаются в печь слоями. Упрощено процессы шлакообразования можно представить следующей схемой (рис. 10).
При неравномерном распределении рудной нагрузки по радиусу печи количество газа теплоносителя будет больше там, где меньше рудная нагрузка. В этих кольцевых сечениях прогрев шихты происходит быстрее. Следовательно, процессы шлакообразования начинаются на меньшем расстоянии от уровня засыпи. В тоже время в зонах с повышенной рудной нагрузкой процессы шлакообразования протекают ближе к уровню фурм. В результате чего формируется неравномерная по радиусу печи зона вязкопластичного состояния (рис.11). В пределах этой зоны газы двигаются через «коксовые окна».
Газопроницаемость слоя в зоне первичного шлакообразования определяется размером «коксовых окон», диаметром кусков кокса (зависит от горячей прочности кокса) и количеством шлака на один кубический метр коксовой насадки. Повышение неравномерности распределения рудной нагрузки по радиусу печи создает благоприятные условия для движения газов, а, следовательно, способствует повышению производительности печи. В тоже время повышение неравномерности приводит к тому, что газы двигаются преимущественно там, где много кокса и мало рудных материалов. В этих зонах восстановительный потенциал газов используется менее эффективно. Следовательно, косвенное восстановление оксидов железа развивается в меньшей степени. Это приводит к развитию процессов прямого восстановления увеличению потребности в тепле и повышенному расходу кокса.
Резюмируя сказанное выше необходимо отметить, что задача организации распределения рудной нагрузки по радиусу печи является задачей оптимизации.
Рис.11 Распределение зоны вязкопластичного состояния по радиусу доменной
печи