Профиль доменной печи
Доменный процесс является сложной совокупностью разнообразных физико-химических, механических и аэродинамических явлений. Он протекает в условиях движения твердых и плавящихся масс сверху вниз и встречного движения газов снизу вверх. Успешное осуществление этого сложного непрерывного процесса тесно связано с правильным выбором внутренней конфигурации рабочего пространства печи или ее профиля.
Доменная печь представляет собой шахтную печь, для которой характерно развитие рабочего пространства в высоту. Шахта заполняется газопроницаемыми материалами.
Это обеспечивает их тесное взаимодействие с поднимающимся кверху газовым потоком. Профиль доменной печи, т. е. вертикальное осевое сечение ее внутреннего контура, характеризуется диаметрами, высотами и углами наклона отдельных элементов. Размеры каждой части печи должны быть увязаны между собой и находиться в определенных соотношениях с размерами других частей печи для создания оптимальных условий доменной плавки. Иными словами, печь должна иметь рациональный профиль. При таком профиле обеспечиваются следующие важнейшие условия доменного процесса:
плавное и устойчивое опускание шихтовых материалов;
выгодное распределение встречного газового потока;
успешное развитие процессов восстановления и образования чугуна и шлака.
Верхняя цилиндрическая часть рабочего пространства печи-колошник предназначен для распределения загружаемых в печь материалов. Материалы попадают в колошник на площадь одного и того же сечения с приблизительно постоянной высоты, что позволяет обеспечить устойчивость начального распределения. Кроме того, с колошника отводятся поднимающиеся газы. Распределение газового потока в печи связано с начальным расположением материалов на колошнике.
Высота колошника h5 выбирается с учетом организации загрузки и скорости опускания шихты и должна быть достаточной для указанных выше целей. На современных печах она составляет 2400—2900 мм. Диаметр колошника d1 взаимосвязан с диаметрами распара D и горна d. Соотношение d1 и D влияет на конусность шахты. Соотношение d1 и d служит одним из основных при выборе поперечных размеров рабочего пространства.
Профиль шахты доменной печи на долю которой приходится большая часть общей высоты и объема печи, обеспечивает равномерное опускание шихтовых материалов, их необходимое разрыхление и некоторое перемещение начинающих плавиться масс от стен в нижней части шахты. Значительная высота шахты позволяет осуществить тепловую и химическую обработку материалов поднимающимися газами, в первую очередь восстановление окислов железа. Угол наклона стен шахты α определяется указанными выше требованиями и является вместе с высотой h4 основной характеристикой ее размеров. С увеличением объема печей проявляется тенденция к некоторому уменьшению α (83—84°) и росту высоты шахты.
Средняя цилиндрическая часть рабочего пространства — распар — создает некоторое дополнительное увеличение объема печи и устраняет возможные задержки шихтовых материалов. Большой диаметр распара по сравнению с горном позволяет уменьшить разгар футеровки, отдаляя от стен поток поднимающихся горячих газов. Диаметр распара D современных печей составляет 10,2— 12,3 м, а высота сохраняется 2200 мм.
Обратная конусность расположенных ниже заплечиков соответствует уменьшению объема проплавляемых материалов при образовании чугуна и шлака.
Конфигурация заплечиков при разработке проектов печей увеличенного объема сохраняется приблизительно постоянной. Их поперечное сечение определяется диаметрами распара и горна, угол наклона β выдерживается в пределах 79—80°, высота h2 сохраняется постоянной и составляет 3400 мм.
В нижней цилиндрической части печи—горне осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки: горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, газом и раскаленным коксом, накопление жидких продуктов плавки (чугуна и шлака). Накопленные в горне жидкие продукты периодически выпускают из печи.
Конфигурация горна по мере развития профиля доменных печей за длительное время претерпела наибольшие изменения. Узкие горны в старых доменных печах со слабыми дутьевыми средствами заменялись более широкими. К настоящему времени практикой подтверждена возможность успешной работы мощных печей с горнами большого диаметра — до 9—11 м. В то же время высота горна крупнейших сооружаемых печей остается практически без изменений, составляя 3200—3900 мм (до уровня чугунной летки). Чрезмерная высота горна вредна, так как в этом случае температура в его нижней части понижается и продукты плавки (чугун) в нижних горизонтах горна оказываются сильно охлажденными.
Основными величинами, характеризующими размеры рабочего пространства в целом, являются полезная высота и полезный объем доменной печи. Они включают высоту и объем, заполненные перерабатываемыми материалами и продуктами плавки. Поскольку верхний уровень шихтовых материалов в связи с периодическим пополнением шихты и непрерывным ее опусканием вниз несколько меняется, при определении полезной высоты за верхний уровень берется отметка нижней кромки большого конуса засыпного аппарата в опущенном положении, являющаяся строго фиксированной. Нижним уровнем является уровень оси чугунной летки, так как располагающийся ниже этого уровня чугун не выпускается из печи.