СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ШАХТНОЙ ПЕЧИ, В ЧАСТНОСТИ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
METHOD FOR OPERATION OF SHAFT FURNACE, IN PARTICULAR, BLAST FURNACE

Изобретение относится к способу эксплуатации шахтной печи, в частности доменной печи, причем в печь заводят, по меньшей мере, один газ. Шахтная печь – это печь с шахтообразной геометрической формой. Как правило, высота шахтной печи намного превышает ее ширину и глубину. Основная форма шахтной печи соответствует часто полому цилиндру, полому конусу или сочетанию этих двух форм. В шахтной печи осуществляют обычно процессы сжигания, восстановления и плавления, причем образующиеся в печи газы поднимаются вверх. Шахтные печи используют либо для отопления, либо в качестве металлургических установок для производства чистых металлов из руды, последующей переработки металлов или для производства других материалов.
Особой формой шахтной печи является доменная печь, в которой из руды путем непрерывного процесса восстановления и плавления производят жидкий металл, обычно доменный чугун. К доменным печам по сравнению с шахтными печами из-за специфических требований к переплавке руды предъявляют особые требования к типу их конструкции и, в частности, к их внутренней облицовке и охлаждению.
Доменные печи обычно используют в качестве части полностью интегрированных металлургических комбинатов. Кроме самой печи доменный цех включает, например, транспортные сооружения для заполнения («загрузки») доменной печи исходными материалами (например, железной рудой и заполнителями) и средствами восстановления или энергоносителями (например, коксом), а также устройства извлечения или вывода образующихся в доменной печи материалов (например, доменного чугуна, шлаков, отработанных газов). Во многих шахтных печах и, в частности, в доменных печах газ заводят в печь извне, чтобы обеспечить происходящие в печи реакции или повлиять на них. Газом может быть, например, воздух или чистый кислород. Устройства вдувания газа включают обычно обегающие печь кольцевые трубопроводы с несколькими заведенными вовнутрь печи воздушными фурмами или форсунками и с дополнительными ведущими вовнутрь печи кислородными фурмами.
Из DE 101 17 962 В4 известен, например, способ термической обработки исходных материалов и устройство для осуществления этого способа. Описанное устройство – это вагранка. Вагранки – это тоже шахтные печи, в которых плавят металл. В отличие от доменных печей вагранки предназначены обычно для производства литейного чугуна из доменного чугуна и металлолома, поэтому они отличаются от доменных печей соответствующим типом эксплуатации конструкцией.
В DE 101 17 962 В4 предложено дополнительно к вдуванию воздуха попеременно подавать в печь газы с различным содержанием кислорода. Этими газами может быть воздух, а также чистый кислород. Для этого вокруг печи устанавливают два отдельных кольцевых трубопровода. Первый трубопровод постоянно заполнен воздухом, а второй трубопровод попеременно заполняют различными газами (например, кислородом). Посредством целенаправленной подачи газов с различным содержанием кислорода управляют реакциями и, в частности, температурой в печи. Недостатком описанного в DE 101 17 962 В4 технического решения является сложная конструкция с несколькими параллельными кольцевыми трубопроводами. Кроме того, техническое решение в DE 101 17 962 В4 ограничено вагранками.
Из ЕР 1 948 833 В1 известен способ эксплуатации шахтной печи. Этой шахтной печью может быть вагранка или доменная печь. В описанном в ЕР 1 948 833 В1 техническом решении также предложено вдувание процессного газа, например кислорода, в печь. Вдувание газа модулируют пульсацией. Это означает, что исходя из  невысокого базового давления на временных отрезках давление вдуваемого газа кратковременно повышают. Этот прием должен обеспечить улучшенную газопродуваемость печи.
Недостатком описанного в ЕР 1 948 833 технического решения является то, что вне «Raceway» (зоны циркуляции) не обеспечено или только слабообеспечено улучшение реакций.
Поэтому задачей настоящего изобретения является организация вдувания газов в печь таким образом, чтобы обеспечить ускорение процессов реакций в печи, в частности, включая т.н. зону «мертвяка».
В способе согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения эту задачу решают путем направления в печь ударных волн.
Ударная волна – это газодинамический феномен, при котором фронт компрессионной волны образован скачком уплотнения. На фронте волны величина перепадов его состояния, температуры и давления, так велика, что начинаются значительные молекулярные транспортные процессы. Молекулярные транспортные процессы необратимы, т.е. происходит повышение энтропии захваченного волной газа. Исходят из непостоянного скачка в изменении состояния, так как молекулярные транспортные процессы ограничены несколькими длинами свободного прохождения. Ударная волна распространяется с прогрессирующей скоростью, которая больше скорости звука находящейся в спокойном состоянии перед ударной волной среды. В случае сильных ударных волн с высоким числом Маха удара возникают нарастающие эффекты, например диссоциация, возбуждение электронов и ионизация.
Ударные волны значительно способствуют обеспечению термодинамических или термических условий, необходимых для протекания химической или физико-химической реакции. Это обеспечивает даже активирующую энергию для реакций в печи с реакционно инертными углеродными фазами, например фазами с высокой степенью графитизации,  или с фазами самовоспламенения горючих смесей.
Удары уплотнения или ударные волны воздействуют и массивно усиливают локальные проявления турбулентности. Это положительно влияет на образование способных вступить в реакцию смесей, а также на необходимое транспортирование веществ для соответствующих химических реакций в шахтных печах. Особое значение это имеет, в частности, для происходящих гетерогенных реакций газ-вещество или для транспортирования веществ между состоянием твердого вещества и газообразной фазой.
За счет структуры поверхности и пористости частиц рефракция и отражение ударных волн вызывают внутри частиц высокие давление и температуру, даже перепады давления и температуры. В зависимости от величины частиц или их структуры и твердости возникающие напряжения разрушают поверхностные слои частиц или частицы целиком. Этот процесс обеспечивает для химических реакций значительно большую поверхность эффективной реакции.
Примером служат частицы кокса, внешние слои которых содержат вследствие ранее произошедших реакций высокую долю золы или покрыты шлаком и содержат вдутую угольную пыль и ее частично поляризованные остатки (например обугленные остатки). Кроме того,  происходит улучшение кинетики реакций, если в качестве газа для производства ударной волны («рабочий газ») применяют и так необходимый для химических реакций газ («процессный газ»), например кислород или другой химически активный газ.
Взаимодействие ударных волн с мелкими частицами значительно улучшает дисперсию частиц в газообразной фазе и ускоряет их химическое превращение. В первую очередь это относится к вдуванию шихтового материала, главным образом, с мелкими частицами. Это имеет особенное значение, если их пневмоподачу осуществляют по принципу плотного потока. Примером служит вдувание угольной пыли в шахтных или доменных печах.
Подводя итоги, инициирование ударных волн в шахтной печи ускоряет процессы реакций или повышает их интенсивность.
Ударные волны вызывают, например, взрывы, удары молнии или летящие объекты. Для создания ударных волн в научных целях и для других исследований применяют импульсные каналы или импульсные трубы. Ударные волны в этом случае создаются за счет превышения взрывного давления мембраны, разделяющей зону высокого давления, камеру рабочего газа, от зоны низкого давления. Взрывание мембраны обеспечивает резкое повышение давления, необходимое для создания ударной волны. В одном из вариантов выполнения изобретения ударные волны создаются при открывании клапанов, которые затем снова закрывают. Преимущество этого вида создания ударных волн в отличие от взрывной мембраны состоит в возможности создания любого количества ударных волн с быстрой последовательностью без необходимости замены детали. Однако ударная волна образуется только на очень быстро открывающихся клапанах, освобождающих за очень короткое время все поперечное сечение трубопровода. Особенно предпочтительно применение в качестве рабочего газа для ударных волн газа, и так необходимого для эксплуатации шахтной печи, т.е. для процессов реакций (например кислорода). В этом варианте выполнения изобретения предложено открывание клапана  менее чем за 6 мс, в частности менее чем за 4 мс, полное открывание клапана предпочтительно  за несколько миллисекунд обеспечивает резкое возрастание давления, необходимого для производства ударной волны. За счет короткого времени открывания особенно хорошо зарекомендовали себя клапаны со скользящим золотником. Медленное открывание клапана в отличие от этого обуславливает за счет возникающего выравнивания давления отсутствие ударной волны.
В усовершенствованном варианте выполнения изобретения клапан выполнен с пневмоуправлением. Для необходимых для данного изобретения клапанов с очень коротким временем открывания требуется высокоскоростной привод и управление, отвечающее этим требованиям. Особенно хорошо зарекомендовал себя пневмопривод. Возможно применение и альтернативных видов привода, отвечающих этим требованиям (например электродвигатели, в частности сервоприводы).
В другом варианте выполнения изобретения для создания ударных волн применяют источник давления, в частности напорный резервуар, с давлением, по меньшей мере, 10 бар, в частности, по меньшей мере, 20 бар. Давление в печи или давление напора только незначительно превосходит атмосферное давление (т.е. от 0,2 до 1 бар). В зависимости от типа шахтной печи или от вида ее эксплуатации обычно необходимо более высокое давление напора от 1 бар до 5 бар. Так как для производства ударных волн необходим очень высокий перепад давления, то предпочтительно используют напорный резервуар с внутренним давлением указанного диапазона.
В другом техническом решении по данному изобретению в качестве газа для создания ударных волн применяют необходимый для осуществления реакций в печи процессный газ. Другими словами необходимый для создания ударных волн рабочий газ является одновременно процессным газом или необходимым для осуществления реакций в печи газом. Поэтому клапан оставляют открытым на более длительное время, чем исключительно для создания ударной волны.
Поэтому в другом варианте выполнения изобретения клапан открывают на временной промежуток от 0,05 сек. до 0,7 сек. Количество зазоров клапана и время открытого состояния определяют количество процессного газа, подаваемого в шахтную печь. Соответствующую настройку осуществляют в зависимости от типа шахтной печи и вида ее эксплуатации.
Создание ударных волн или периодическая подача газа в печь не исключает одновременно постоянную подачу в печь того же или другого газа. Другими словами  в печь подают постоянный «основной поток» (например, основной поток кислорода) с создаваемыми ударными волнами или с периодическим увеличением объема газа. Этим основным потоком можно, например, регулировать количество подаваемого в печь процессного газа. Это обеспечивает также постоянное необходимое охлаждение фурм или мест подачи.
И наконец, в другом варианте выполнения изобретения в качестве газа применяют газ с окисляющим действием, в частности кислород. Используемый газ может быть двуокисью углерода, воздухом или другим газом, в частности кислородом. Для процессов в шахтных печах или в определенных зонах реакций необходимы условия восстановления или восстанавливающие газы. В качестве процессных газов здесь применяют, например, двуокись углерода или водород. Применяют также газовые смеси восстанавливающего действия и газовые смеси, обеспечивающие после дополнительной промежуточной реакции восстанавливающее действие.
Ниже изобретение более подробно описано на примере чертежа, отображающего только один предпочтительный вариант его осуществления. На чертеже изображено:
Фиг. 1 – схема устройства установки для осуществления способа по данному изобретению.
На Фиг.1  показана схема устройства установки для осуществления способа по данному изобретению. Печь 1 в виде доменной печи включает несколько выполненных по ее периметру кислородных фурм 2, посредством которых инициируют ударные волны или осуществляют подачу процессного газа извне в печь 1. Предпочтительно применение кислородных фурм 2 в местах фурм вдувания или воздушных фурм. Для воздействия на другие реакционные зоны  шахтной  или доменной печи или для их оптимизации в этих местах выполняют соответствующие впускные отверстия.
К каждой кислородной фурме 2 или впускному отверстию подключают отдельную установку 3 для создания ударных волн или для подачи процессного газа. В зависимости от необходимого объема процессного газа, интенсивности ударных волн и величины или объема печи устройство 3 обеспечивает работу нескольких кислородных фурм 2 или нескольких мест заведения. Возможен также вариант обеспечения работы всех кислородных фурм 2 или мест заведения одним устройством 3 посредством выполненного по периметру печи 1 кольцевого трубопровода. Необходимо учитывать, что место создания ударных волн и место их заведения в печь 1 должны быть расположены рядом друг с другом, так как интенсивность ударных волн снижается в зависимости от пройденного пути.
Установка 3 подключена к подающему трубопроводу 8, обеспечивающему установку 3 необходимым количеством газа и давлением газа. Давление газа источника давления, выполненного в виде напорного резервуара 6 с соответствующим трубопроводом, составляет, например, 10 бар, в частности, по меньшей мере 20 бар или более.
Создание ударных волн или периодическую подачу газа обеспечивают посредством быстрооткрывающегося клапана 9. В частности, для обеспечения необходимого количества рабочего газа перед клапаном 9 в предпочтительном варианте подключают напорный резервуар 6 предпочтительно с регулировкой определенным давлением. Для этого применяют регулятор 7 давления либо непосредственно в питающей линии 10 перед напорным резервуаром 6, в подающем трубопроводе 8 или в трубопроводе снабжения нескольких таких установок 3. Установка 3 оборудована также участком 5 регулирования, установленным в байпасной линии 11, предназначенным для дополнительной постоянной подачи процессного газа. Необходимый расход газа устанавливают с помощью регулирующей арматуры. В альтернативном варианте для постоянной подачи газа – не как по Фиг. 1 – применяют иной газ, чем для создания ударных волн. В этом случае необходима дополнительная питающая линия.
Установка 3 соединена с соответствующим трубопроводом 4 и кислородными фурмами 2 или местами инициирования таким образом, чтобы заводить создаваемые ударные волны или периодический поток газа, а также постоянный поток газа в печь 1.
Установка 3 оборудована также электронным блоком 12 управления. При применении нескольких установок 3, если, например, для каждой отдельной кислородной фурмы 2 или места подвода применяют отдельную установку 3, то предпочтительно устанавливают дополнительный центральный блок управления.
Список условных обозначений:
1 - печь
2 – кислородная фурма
3 - установка
4 - трубопровод
5 – участок регулирования
6 – напорный резервуар
7 – регулятор давления
8 – питающий трубопровод
9 -  клапан
10 – питающая линия
11 – байпасная линия
12 – блок управления.