Развитие профиля доменной печи

История развития профиля доменной печи имеет свое начало от домниц XIV в., рабочее пространство которых представляло собой два усеченных конуса, сложенных широкими основаниями (рис. 2.2). Первые доменные печи XV в. мало чем отличались от домниц, за исключением несколько большей высоты - от 4, 5 до 6, 5 м при диаметре распара 2-3 м и горна 0, 7-0, 8 м.

Увеличение производительности печей и уменьшение расхода топлива благодаря улучшению использования газов по мере разгара кладки привели к необходимости увеличения рабочего пространства. Развитие профиля печи шло главным образом по пути расширения средних по высоте поперечных его размеров

Слабость воздуходувных средств, отсутствие нагрева дутья и малая прочность древесного угля, единственного для того времени вида топлива, препятствовали увеличению высоты печи. Увеличение диаметров колошника и горна сдерживали из-за отсутствия механизированных средств загрузки и уборки продуктов плавки, которые производились исключительно вручную.

Рис. 2.2 - Профиль домницы (XIV в.)

 

Повышение температуры в горне считалось нежелательным из опасения выплавки чугуна с излишне высоким содержанием кремния. Появившаяся впоследствии возможность увеличения количества дутья и его нагрева, лучшее использование при этом газа благодаря улучшению газораспределения и теплообмена вследствие разгара профиля при освоении выплавки более холодных передельных чугунов оставались неиспользованными.

До середины XIX в. объемы печей увеличивали главным образом путем увеличения диаметра распара. Производительность оставалась крайне низкой и не превышала 1, 6 т/сут.

В этот период характерной была немецкая печь (рис. 2.3) завода «Фекерхаген» (1838 г.), по профилю которой можно отчетливо определить причины ее малопроизводительной работы.

 

Рис. 2.3 - Профиль древесно-угольной печи полезным объемом 28 м³ завода «Фекерхаген» (Германия, 1838 г.)

 

Заметное несоответствие диаметров горна и колошника и особенно распара обусловило плохое использование газов, омывающих преимущественно центральную часть печи и недостаточно обрабатывавших шихтовые материалы на периферии.

Отношения главных размеров профиля составляли: H₀/D = 1, 5, D/d_г = =13, 2; d_к/D = 0, 361. Чрезмерно узкий горн являлся причиной низкого выхода чугуна на единицу объема печи. Объем печи постепенно увеличивался по мере разгара кладки, обеспечивая возможность вдувания большего количества воздуха. Для печей начала XIX в. отношение D/d_г уменьшалось до 3-5 при d_к/D = 0, 25¸ 0, 6. При этом существенно увеличивались углы наклона шахты и заплечиков соответственно до 80-86 и 55-65°. Такие печи, появившиеся на немецких и французских металлургических заводах в начале 40-х годов XIX в., выгодно отличались от печей завода «Фекерхаген» профилем с уменьшенными поперечными размерами и увеличенной высотой, максимальной для того времени, при работе на древесном угле.

Другим путем шло развитие доменного производства на Урале в России. Основное отличие этих печей от западноевропейских - не только большой (примерно в 3, 0-3, 5 раза) полезный объем печей, но и значительная разница соотношений главных размеров профиля. Отношение диаметра распара к диаметру горна было меньшим, диаметра колошника к диаметру распара большим (до 0, 75) при одном и том же отношении к нему общей высоты. Так, еще в 1740 г., т.е. за 100 лет до создания такого несовершенного профиля как печь завода «Фекерхаген», на Невьянском заводе (Урал) была построена печь высотой 12, 8 м (рис. 3.3). Ее размеры примерно на 25% превышали размеры печи Рейнского завода (Германия), а полезный объем в 3, 5 раза больше печи завода «Клерваль» (Франция) (рис. 2.4, 2.5). По сравнению с печью Рейнского завода печь Невьянского завода имела расширяющийся к верху горн, образующий широкое сечение в месте стыка с более крутыми заплечиками. Печь Невьянского завода была первой в мире по высоте при плавке на древесно-угольном топливе и долго сохраняла первенство по производительности благодаря своим размерам и конфигурации профиля. Изобретение в 1765 г. И. Ползуновым паровой машины с цилиндрическими мехами, испытанными на Нижнетагильском заводе (Урал), позволило увеличить высоту печей, избежав нерациональных профилей, существующих на печах Западной Европы.

 

Рис. 2.4 - Профиль печи полезным объемом 72 м³ Невьянского завода (Урал, 1740 г.)

Рис. 2.5 - Профиль древесно-угольной печи полезным объемом 32, 3 м³; суточная выплавка 4 т чугуна Рейнского завода (Германия, начало 40-х годов XIX в.)

 

Уральские печи имели соответственно и передовые в мире технико-экономические показатели. Выплавка превышала производительность лучших коксовых доменных печей Англии. Это можно объяснить тем, что осуществленная впервые в Англии в 1740 г. коксовая доменная плавка долгое время велась в таких же печах, как и для работы на древесном угле. Увеличение размеров происходило медленно из-за недостатка дутья. Оно стало возможным в Англии после появления паровой машины Уатта в 1776 г. В 1839 г. английский металлург Дж. Гиббоне в работе «Практические заметки о конструкции доменных печей Страффордшира» высказал предложения по определе нию профиля доменной печи. Обратив внимание на характер и величину износа огнеупорной кладки печей, производимого «огненным перстом, пишущим на их стенах», в то время он счел нецелесообразным проектный профиль, как заранее подвергающийся большому изменению в процессе эксплуатации.

 

Рис. 2.6 - Профиль древесно-угольной печи полезным объемом 21, 9 м³; суточная выплавка 3 т передельного чугуна завода «Клерваль» (Франция)

 

Внутреннее очертание рабочего пространства, по мнению металлурга, заранее должно иметь форму, получаемую в результате разгара, для предотвращения интенсивного разрушения стен печи в первые же месяцы работы. При этом общая продолжительность кампании печи значительно увеличится.

Построенная по этому принципу печь (рис. 2.6) имела увеличенный диаметр горна, более крутые и высокие заплечики и расширенный колошник. Ее проектная производительность была достигнута значительно раньше обычного, производство намного превышало достигаемый ранее уровень, а продолжительность кампании в 7 лет была рекордной для того времени.

Но предложенный Дж. Гиббонсом принцип проектирования не получил распространения, и мысль о применении «естественного» профиля не была осуществлена. Только спустя много времени ее использовали в предложениях по созданию рационального, так называемого «жесткого» профиля при строительстве доменных печей с тонкостенной шахтой в СССР и за рубежом.

Дальнейшее увеличение до 24-27 м высоты коксовых печей на Западе в 60-х годах XIX в. осуществили на заводе «Кларенс» в Кливленде (Шотландия) на печах с «вытянутым» профилем Белла. Этому способствовали высокая механическая прочность кокса и усиление воздуходувных и воздухонагревательных средств.

Рис. 2.7 - Профиль Дж. Гиббонса (1839 г.); полезный объем 141 м³; суточная выплавка 15 т чугуна в среднем

 

Целесообразность увеличения высоты впоследствии была обоснована Л. Грюнером (Франция) в опубликованных им в 1876 г. исследованиях по истории доменной плавки. Он изучил значение отношения высоты печи к диаметру распара и показал, что чем оно выше, тем эффективнее использование полезного объема и меньше расход кокса. Наилучшие результаты получали при узком или вытянутом профиле с отношением H₀/D = 4, 0 для коксовых и 4, 33 для древесно-угольных доменных печей. Подобные печи были построены на заводе «Кларенс» (рис. 2.7). Отношение Н₀/D этих печей находилось в пределах от 3, 7 до 4, 6.

Рис. 2.7 - Печь полезным объемом 570 м³ завода «Кларенс» (Шотландия, 1874 г.)

 

Таким образом, рекомендация Л. Грюнера при незначительных высотах печей и широком профиле практически заключалась в увеличении их высоты без изменения диаметра распара. В результате при доведении высоты печи до 27-30 м отношение ее к диаметру распара стабилизировалось на уровне 4, 0-4, 5, а непрерывное расширение горна обусловило увеличение угла и снижение высоты заплечиков до 3, 0-3, 5 м. Это способствовало улучшению схода шихты и распределению газового потока по сечению печи.

Полезный объем печей за период 1880-1920 гг., особенно в США, резко возрос до 700-800 м³ (при отношении Н₀/D ~ 4, 0). При установив-шемся диаметре колошника 5, 18 м угол наклона заплечиков увеличился от 73-76 до 80-83°; а угол наклона шахты снизился от 87-86 до 83-85°. При этом считали, что увеличение диаметра горна, достигшего за указанный период 4, 5-6, 5 м, является главным условием увеличения производительности печи независимо от других элементов профиля.

Такое мнение, получившее в свое время широкое распространение в США, было причиной создания так называемого «бутылкообразного» профиля доменной печи (рис. 2.8) с низким для того времени значением отношения dк/D = 0, 63¸ 0, 65.

Рис. 2.8 - Американский профиль доменной печи а- 1930 г.; б - 1940-1960гг.

 

Данные по работе этих печей, отличавшиеся повышенными расходом кокса и выносом пыли, подтвердили, что увеличение площади поперечного сечения горна не сопровождается пропорциональным повышением производства. Одностороннее расширение сечения горна приводит к сокращению времени пребывания газов в печи. Узкий колошник лимитирует их прохождение, ухудшает распределение, увеличивая расход кокса и снижая производительность. Развитие профиля рассмотренных доменных печей, начиная с домницы, приведено в табл. 2.1.

Дальнейшее развитие профиля доменных печей характеризовалось отходом от бутылкообразного профиля и постепенным увеличением диаметра колошника до 5, 8 м при сохранении относительно постоянных отношений: dк/D = 0, 68-0, 72; D/dг = 1, 10-1, 12; H₀/D = 3, 00-2, 60. Последующий рост полезного объема печей до 1500-1550м³ и свыше 1800м³ в период 1940-1960 г. сопровождался увеличением высоты до 33, 6, диаметра горна до 9, 23, распара до 10, 14 и колошника до 7, 0 м (рис 2.9). Соотношение основных размеров, установившееся в предыдущий период, не менялось.

 

Таблица 2.1 - Развитие профиля доменных печей конца XIX-начала XX вв.

Для профилей коксовых доменных печей дореволюционной России характерны недостатки, свойственные большинству европейских печей того времени: малый диаметр горна, высокие и пологие заплечики. Эти недостатки были устранены в период общей модернизации и перестройки печей со значительным увеличением производительности (1924-1930 гг.).

Рис. 2.9 - Профили современных доменных печей (проект Гипромеза)

 

Первые два типовых проекта были созданы Гипромезом соответственно для печей полезным объемом 930 (1930 г.) и 1300-1386 м³ (1936 г.). В дальнейшем развитие типовых профилей доменных печей СССР (рис. 2.10) шло по пути уменьшения отношения Н₀/D (от 2, 83 до 2, 56), угла наклона стен шахты (до 83°30') и повышения угла заплечиков (до 79°00'). Соотношения диаметров колошника и распара, а также распара и горна изменились мало из-за преимущественного увеличения полезного объема печей за счет поперечных размеров и относительно небольшого увеличения полезной высоты.

Экономическая целесообразность строительства печей большого объема обусловила дальнейшее его увеличение. Были созданы печи объемом 3000, 3200, 5000, 5500 м³, причем по мере роста V₀ отношение H₀/D, а также V₀/F (полезного объема к площади сечения горна) уменьшается (рис. 3.11). Так, отношение H₀/D для печей объемом 2000 м³ снизилось с 2, 70 до 2, 52-2, 45 для печей объемом 3000-3200 м³ и до 2, 28-2, 11 для печей объемом 5000-5580 м³; еще большее снижение зафиксировано на печах Японии: принятое для большинства мощных печей равным 2, 11-2, 01, на заводе «Оита» (печь № 1) оно составляет 1, 97. В США на вновь строящихся печах отношение Н₀/D = 2, 24 с тенденцией снижения его до 2, 15. В Канаде, ФРГ, Франции, Англии, Бразилии, Нидерландах Н₀/D = 2, 17-2, 30.

Рис. 2.10 - Зависимость между отношением полезной высоты печи к диаметру распара и полезным объемом печи

 

Рекомендованные ранее величины отношения Н₀/D, равные 4, 0 (Грюнер), 3, 5 (Павлов и Ледебур), 2, 59 (Рамм) и в свое время способствовавшие выравниванию газового потока, в настоящее время утратили свое значение, так как условия форсирования плавки требуют в первую очередь обеспечения ровного хода печи, что достигается снижением указанного отношения.

Изменения в технологии доменной плавки привели к усовершенствованию и других элементов профиля (см. рис. 2.11). Так, снижено соотношение диаметров колошника и распара, величина которого в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом считается оптимальной в пределах 0, 65-0, 67, что связано с изменением условий работы широкого распара. Условия протекания обычных для распара процессов при его расширении улучшаются: меньше влияние вязкости первичных шлаков, разрушение кокса. Большее чем 0, 65-0, 67 значение dк/D нерационально, поскольку аэродинамическая пропускная способность печи при этих условиях и повышенном давлении газа на колошнике увеличивается.

Расширение распара при умеренном увеличении высоты печей и при относительно постоянном соотношении диаметров распара и горна привело к уменьшению угла наклона шахты. Тем самым предупреждается излишнее развитие осевых потоков газа.

a - России; б - США (пунктирная линия), Японии (сплошная линия)

 

Рис. 2.11 - Зависимость между диаметром горна (7), распара (2), колошника (3) и полезным объемом доменных печей

 

При рассмотрении профилей наиболее крупных современных печей полезным объемом 3200, 5000, 5580 м³ (рис. 2.12) видно, что углы наклона их шахт уменьшены по сравнению с типовой печью 2000 м³ и при увеличенных соответствующим образом диаметрах колошника. Аналогично происходило развитие профилей японских доменных печей. При уменьшении величины угла наклона шахты и увеличении колошникового зазора на этих печах улучшена газопроницаемость периферии, особенно для шихтовых материалов мелких фракций. Так, угол наклона шахты печи объемом 4830 м³ и колошником 10500 мм (завод в Тиба) составляет 81°. На печах № 3, 4, 5 завода «Нипон Кокан» (Фукуяма) при колошниках диаметром 9000, 10500, 10700 мм углы наклона шахты составляют 83°17', 82°07', 80°18', а на заводах «Сумитомо Киндзоку Коге» и «Кимицу» на доменных печах при колошниках 11200 и 9500 мм - 81°22' и 80°22' соответственно (рис. 2.13).

 

Рис. 2.12 - Сверхмощные доменные печи Гипромеза

 

а - «Тиба» (Япония); б - «Швельгерн» (ФРГ); в - Гамильтон (Канада);

г - «Армко» (Аманда, США)

 

Рис. 2.13 - Доменные печи

 

С увеличением диаметра горна угол заплечиков не уменьшают для предупреждения образования застойных зон на периферии и лучшего схода шихты в центральной зоне, что приобретает особое значение на печах с большими поперечными размерами профиля. Угол заплечиков современных печей России и Японии составляет в среднем 79-80°. Печи Франции, Бразилии, США, ФРГ имеют углы заплечиков 80-84°; исключением являются одна из печей на заводе «Тиба» (Япония) - 76° и печь объемом 3600 м3 завода «Швельгерн» (ФРГ, 1973 г.) - 78°.

При широких горне и распаре печи СССР характеризуются в среднем несколько большим значением отношения D/dг, а следовательно, и более крутыми заплечиками, угол наклона шахты примерно одинаков.

Печи США и Англии отличаются от печей России и Японии по указанным параметрам. В отличие от нашей отечественной практики строительства типовых печей за рубежом печи сооружают по индивидуальным проектам. Эти печи значительно отличаются как профилем, так и конструкцией. Например, из печей с переменным углом наклона шахты особенно интересным является профиль печи Аманда, имеющий высокие заплечики, низкий горн и шахту с двойным утлом наклона стен. Очертание ее рабочего пространства приближается к овалу, близкому к тому, который имеет печь после разгара. Такие профили рассчитывают на шихту с высоким содержанием окатышей (до 100 %).

Доменные печи с переменным углом наклона шахты (а) в последние годы постепенно внедряются в практику доменного производства России.

 

 

Конструкции доменной печи

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: