Схема ваграночного процесса

Общая схема ваграночного процесса при работе с закрытым копильником или без копильника представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. – Общая схема ваграночного процесса (при работе с закрытым копильником).

На левой половине диаграммы показано изменение состава газовой фазы, на правой – изменение температуры нагревающегося металла t_м и охлаждающихся газов t_г.

Как видно из схемы, высоту вагранки можно разделить на пять зон: I – шахта вагранки; II – зона плавления; III – редукционная зона холостой колоши; IV – кислородная зона холостой колоши и V – горн вагранки. Изменение состава газовой фазы показано на основании приведенного анализа горения топлива в вагранке.

При питании вагранки холодным воздухом с обычным содержанием кислорода газовая фаза на уровне фурм (граница между зонами IV и V) содержит кислорода 21% и азота 79%, среднегодовая температура ее будет примерно равна нулю.

Двигаясь вверх по кислородной зоне IV холостой колоши, газовая фаза теряет кислород, в конце этой зоны его содержание снизится практически до нуля. Вместо кислорода в газовой фазе появится сначала СO₂, а в конце зоны немного СО. Температура газовой фазы в конце зоны достигнет максимума, зависящего от соотношения количества газов СО и СO₂.

Проходя вверх редукционную зону III, газ немного охлаждается вследствие протекания эндотермической реакции между СO₂ и углеродом кокса (СО₂ + С = 2СО + ΔН). При этом чем выше реакционная способность ваграночного топлива, чем меньше раз­мер его кусков, чем больше относительный расход топлива и чем меньше питание вагранки воздухом, тем большая доля СО₂ превратится в СО и тем сильнее понизится температура газов за время прохождения зоны III. Однако несмотря на снижение температуры газов в конце этой зоны, их температура все же превышает температуру плавления чугуна.

В зоне II газы омывают плавящийся металл, передавая ему необходимую для плавления теплоту. Температура газов продолжает снижаться.

В зоне I газы движутся навстречу твердым шихтовым материалам, нагревая их. Состав газов в этой зоне при применении качественного малореакционного топлива почти не изменяется, так как реакция СО₂ + С = 2СО при температурах этой зоны малоэффективна. Эта реакция начинается при 725…750°С, но лишь при температуре выше 1000°С развивается достаточно интенсивно.

Когда в вагранках применяли древесный уголь, эта реакция энергично развивалась и в зоне I, что отрицательно влияло на весь ход ваграночного процесса. При применении качественного кокса эта реакция в зоне I развивается очень слабо. Состав газов в этой зоне незначительно изменяется за счет выделения углекислого газа при диссоциации известняка. Температура газов в конце зоны I снижается до 600…400°С.

В зоне IV вагранки сера кокса сгорает в основном в SO₂. Приблизительное содержание SO₂ в ваграночных газах можно рассчитать по содержанию серы в коксе: 1% серы в коксе дает 0,1% SO₂ в ваграночных газах.

В зоне V, расположенной ниже фурм (горн вагранки), при работе с закрытым копильником или без него состав газов различен на разной высоте этой зоны. Немного ниже фурм, куда поступает вдуваемый воздух, в газовой фазе кроме азота находится кислород и СО₂. Чем ниже рассматриваемое сечение вагранки от уровня фурм, тем меньше в него проникает свежего воздуха и меньше содержание кислорода. В связи с этим СО₂ начнет восстанавливаться до СО. У самой подины вагранки (если вагранка с закрытым копильником или без него, но из горна выпущены металл и шлак) кислород отсутствует, количество СО₂ незначительно и кроме азота в основном содержится СО. Никакого движения газов нет. Температурные кривые газовой фазы в этой зоне характеризуются сначала некоторым подъемом на небольшом расстоянии ниже фурм, а затем снижением, как и в зоне III, вследствие эндотермической реакции восстановления СO₂.