Кинетика движения и характер горения кокса в доменной печи

Автор: Фиалков Б.С. Плицын В.Т.

Теги: фейерверки пиротехника автоматизация теория автоматического управления издательство металлургия коксование твердое топливо

Похожие

Бескоксовая металлургия железа

Автоматизация процессов производства окатышей

Металлургия олова

Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования

Текст

Б.С.ФИАЛКОВ, В.Т. ПЛИЦЫ Н
КИНЕТИКА ДВИЖЕНИЯ
И ХАРАКТЕР ГОРЕНИЯ КОКСА
В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Б. С. ФИАЛКОВ, В. Т. ПЛИЦЫН
КИНЕТИКА ДВИЖЕНИЯ
И ХАРАКТЕР ГОРЕНИЯ
КОКСА
В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МЕТАЛЛУРГИЯ»
МОСКВА 1971
УДК 662.162.16’61 : 531.3
Кинетика движения и характер горения кокса в доменной
печи. Фи а л ко в Б. С., Плицы н В. Т. Изд-во «Ме-
таллургия», 1971, с. 288.
Рассмотрены закономерности движения шихтовых материа-
лов в доменной печн. Дано описание механизма истечения
сыпучих материалов и поступления кокса в зоны циркуля-
ции, структуры зоны горения и влияния ее расположения
на работу доменной печн. Подробно рассмотрен вопрос о
распределении скоростей движения кусков в столбе шихты.
Приведены результаты исследования влияния движения слоя
на его структуру. Показана роль организации движения
столба шихты над отдельными фурмами в управлении газо-
распределением. Рассмотрены вопросы контроля и автома-
тического управления.
Предназначается для научных и инженерно-технических
работников, специализирующихся в области исследования
и автоматизации доменного процесса, горения твердого топ-
лива, механики сыпучих материалов. Может быть полезна
студентам и аспирантам соответствующих специальностей.
Илл. 89. Табл. 2. Бнбл. 399 назв.
ФИАЛКОВ Борис Соломонович
ПЛИЦЫН Виталий Тихоиович
КИНЕТИКА ДВИЖЕНИЯ и характер горения кокса
В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Редактор издательства Л. А. Левченкова
Технический редактор Л. В. Добужинская
Переплет художника Е. Н. Волкова
Сдано в набор З/Ш 1971 г. Подписано в печать 20/VII 1971 г.
Бумага типографская № 2. 84х108‘/аа—4,5 бум. л. 15,12 печ. л-
(усл.) Уч.-изд. л. 15,57 Изд. № 5429 Т-11582 Тираж 1300 экз.
Заказ 250 Цена 1 р. 69 к.
Издательство «Металлургия»
Москва, Г-34, 2-й Обыденский пер., 14
Владимирская типография Главполиграфпрома
Комитета по печати прн Совете Министров СССР
Гор. Владимир, ул. Победы, д. 18-6.
—10—2
12—71
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие......................................... . 5
Раздел первый
ПОСТУПЛЕНИЕ КОКСА В ЗОНУ ГОРЕНИЯ
I. Источники движения шихты в доменной печи .... 7
II. Давление сыпучих материалов и их истечение из отвер-
стий ................................................. 10
Давление столба шихты в доменной печи................ 10
Истечение сыпучих материалов из отверстия............ 23
Уравнение истечения сыпучего материала из отверстия . 32
Условие устойчивости выпуска сыпучих материалов . . 40
Контроль истечения сыпучих материалов................ 44
III. Поступление кокса в зону циркуляции доменной печи и
условия ее образования ................................. 48
Движение кокса у фурм доменной печи . .......... 48
Поступление кокса в зону циркуляции.................. 49
Размеры зоны циркуляции.............................. 53
Влияние различных факторов на протяженность зоны цир-
куляции ............................................. 64
IV. Колебания давления дутья как источник информации
о ходе доменного процесса............................... 72
Дискретность поступления кокса в зону циркуляции и
колебания давления дутья ............................ 72
Вторичные явления, связанные с дискретностью поступ-
ления кокса........................................ 76
Амплитудно-частотный спектр колебаний давления дутья
и расположение источников их возникновения .... 81
Система контроля движения столба шихты в нижней ча-
сти доменной печи.................................. 97
Влияние технологических факторов на колебания давле-
ния дутья............................................101
V. Исследования динамики процесса горения кокса у фурм
доменной печи безынерционными методами .... 119
Дискретность поступления кокса — источник возмущения
процесса горения.................................... 119
Некоторые вопросы методики исследования динамики
процесса горения в доменной печи.................... 122
Электронно-ионные явления, возникающие при горении 128
Зонды для исследования электронно-ионных явлений, воз-
никающих при горении................................ 133
1*
3
О природе электрического шума, возникающего при
горении.......................................... 139
Динамика горения кокса у фурм доменной печи .... 154
* Разделвторой
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ШИХТЫ
VI. Исследования движения шихты на доменных печах и
моделях ............................................. 178
VII. Распределение скоростей движения в столбе шихты 187
Характер перемещения частиц при их движении к выпуск-
ным отверстиям .................................. 187
Уравнение скорости движения частицы в произвольной
точке при выпуске из одного отверстия............. 195
Уравнение скорости движения частицы в произвольной
точке при выпуске из нескольких, симметрично располо-
женных относительно общего центра, отверстий ... 200
VIII. Влияние движения слоя на его структуру............214
IX. Влияние изменения структуры шихты при ее движении и
колебаний параметров газового потока на газодинами-
ку, теплообмен и восстановление . ..............225
Распределение газового потока в столбе шихты .... 225
Неравномерность разрыхления движущегося столба ших-
ты и профиль печи................................. 232
Влияние движения столба шихты на его газопроницае-
мость ............................................ 237
Влияние изменения структуры движущегося слоя на теп-
лообменные процессы............................... 244
Влияние колебаний параметров газового потока на теп-
лообмен и восстановление.......................... 248
Применение колебаний параметров газа как интенсифика-
тора доменного процесса ... ....... 259
Заключение..............................................268
Литература . ......................................... 275
ПРЕДИСЛОВИЕ
Рост объемов доменных печей, интенсификация до-
менного процесса требуют опережающего развития тео-
рии, призванной определять направления дальнейшего
его совершенствования. Мероприятия, способствующие
росту производительности печей и снижению расхода
кокса, вызвав кардинальные изменения отдельных со-
ставляющих доменного процесса, привели к необходи-
мости переосмысливания сложившихся представлений о
их закономерностях. Об этом свидетельствуют прошед-
шие на протяжении последних десяти-пятнадцати лет
дискуссии о профиле и дутьевом режиме печей, о при-
емах управления их ходом и т. д.
Потребность в познании кинетики процесса, законо-
мерностей отдельных его составляющих, последствий
воздействия тех или иных возмущений на процесс в це-
лом и на промежуточные его стадии особенно явно про-
является в связи с работами по автоматизации управле-
ния доменным процессом. Здесь «термодинамического»
подхода, учитывающего только начальное и конечное
состояния, недостаточно для решения общей задачи, по-
скольку специфика такой сложной системы, как домен-
ный процесс, определяется суммой индивидуальностей
отдельных его составляющих и в особенности характе-
ром связей между ними. В свою очередь характер связи
определяет динамику системы, а автоматика и призвана
управлять ею. Необходимо в связи с этим познание за-
кономерностей всех составляющих доменного процесса.
Однако хотя положение о их неразрывной связи в силу
единства времени и места прохождения достаточно три-
виально, тем не менее на фоне успехов в описании мас-
со- ц гтеплообмена представления о ходе и характере
движения шихты и газа в доменной печи выглядят значи-
тельно менее развитыми.
. : Движение сыпучих материалов в бункерах во многом
может служить моделью механических процессов в до-
менной печи. Но и в его описании преобладают эмпири-
ческие соотношения. Причиной этого является отсутст-
вие обоснованной физической модели и не всегда оправ-
5
данный перенос положений механики грунтов, в особен-
ности ее аналитической части, основывающейся на тео-
рии предельного равновесия, на движение кусковых сы-
пучих материалов.
Предлагаемая вниманию читателя книга является
попыткой обобщения вопросов теории движения сыпу-
чих материалов в замкнутом объеме при истечении их
из отверстия и приложения ее к описанию движения
шихты в доменной печи.
Установление единой закономерности истечения и пе-
ремещения сыпучих материалов в объеме позволило
дать непротиворечивое, как нам представляется, описа-
ние этих процессов. Основанный на нем анализ поведе-
ния шихты в доменной печи согласуется с результатами
экспериментов и наблюдений и позволяет в сочетании
с известными закономерностями теплообмена и восста-
новления проанализировать влияние различных воздей-
ствий на процесс. Как показала проверка в лаборатор-
ных и производственных условиях, полученные в резуль-
тате этого описания соотношения достаточно точно опи-
сывают количественную сторону явлений.
Придавая большое значение взаимодействию различ-
ных составляющих доменного процесса, авторы в то же
время, естественно, были не в состоянии охватить иссле-
дованием все их многообразие. Более подробно, исходя
из значения процесса горения кокса как одного из ос-
новных источников движения шихты в доменной печи,
рассмотрено взаимодействие процессов поступления кок-
са в фурменную зону и его окисления здесь.
Надеясь, что данная книга окажется полезной читате-
лям, авторы отдают себе отчет в том, что она не может
претендовать на полноту рассмотрения вопросов, связан-
ных с движением шихты, и будут благодарны за крити-
ческие замечания.
Авторы глубоко признательны работникам Нижне-
Салдинского, Карагандинского и других металлургиче-
ских заводов за помощь в проведении эксперименталь-
ных исследований и сотрудникам по работе, в первую
очередь В. П. Тихонову, Г. В. Колбину, Я- И. Магуну,
Г. П. Сенкевичу, В. А. Домрачевой, внесшим большой
творческий вклад в ее выполнение.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ПОСТУПЛЕНИЕ КОКСА В ЗОНУ ГОРЕНИЯ
I
ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ шихты
в доменной печи
Организация оптимального в данных условиях рас-
пределения газового потока в столбе шихты издавна
была одной из основных задач доменщиков-технологов и
исследователей.
В большинстве ранних исследований основная роль в
достижении этой цели отводилась совершенствованию
профиля печи и распределения шихты на колошнике. Но
уже И. А. Соколов [1] констатировал, что состав колош-
никового газа и в целом, и по радиусу печи зависит как
от распределения шихты на колошнике, так и от работы
фурменной зоны.
Работы М. А. Павлова [2], И. П. Бардина [3],
А. Д. Готлиба [4], 3. И. Некрасова [5], Б. Н. Жереби-
на [6], Н. И. Красавцева [7], М. Я. Остроухова [8] и дру-
гих подтвердили этот вывод и показали, что, по крайней
мере, распределение шихты существенно влияет на со-
стояние и работу зон горения. Значительное внимание
вопросам рационального использования газового пото-
ка и соответствия его движения распределению шихты
уделено А. Н. Раммом [9], Н. К- Леонидовым [10, 11],
В. К. Грузиновым [12] и др.
Одновременно было показано, что тепло- и массооб-
менные процессы, в особенности скорость и полнота их
прохождения в различных участках горизонтальных се-
чений и высоты доменной печи, существенно зависят от
параметров газового потока [13—16]. В связи с этим
значительный интерес вызывает распределение скоро-
стей газового потока, в большой степени определяющее
полноту использования его теплового и восстановитель-
ного потенциалов. Очевидно, что скорость потока газа
7
в слое сыпучих материалов не может быть определена
только начальными параметрами потока, так как рас-
пределение порозности слоя может существенно влиять
на газораспределение. Роль движения шихты состоит не
только в ее перераспределении по сечению печи и изме-
нении гранулометрического состава, ведущих обычно к
ухудшению газопроницаемости столба шихты, но и в
разрыхлении его. Так, И. Г. Половченко [17] и Л. Г. Шу-
маков [18] отметили значительное снижение сопротивле-
ния столба движущейся шихты газовому потоку и со-
ответственное увеличение количества дутья, подававше-
гося на работающую печь, по сравнению с продувкой
неподвижного столба шихты.
Более того, если в ряде исследований 1 [4, 19—22], по-
священных изучению газопроницаемости столба шихты
в доменной печи, предполагалось постоянство порозности
его в горизонтальном сечении и по высоте, то эксперимен-
тальными работами Г. М. Малахова [23, 24], В. Блоха и
Г. Чайки [25], Д. Л. Тартаковского [26] и С. И. Минаева
[27] показано, что при выпуске сыпучих материалов из
отверстия над ним образуются области увеличенного
разрыхления, а между объемом последних и скоростью
выпуска существует определенная зависимость. По-ви-
димому, нет оснований предполагать, что движение ших-
ты в доменной печи подчиняется иным закономерностям,
чем движение сыпучих материалов при выпуске их из
отверстия.
Движение шихты в доменной печи является в основ-
ном результатом сокращения ее объема за счет горения
кокса в фурменной зоне и плавления железосодержа-
щей части шихты. Относительное значение каждого из
этих факторов по мере совершенствования технологии
доменного производства изменяется. Замена сырой ру-
ды агломератом с меньшей плотностью, проведение дру-
гих мероприятий, направленных на снижение удельного
расхода кокса, привело к росту влияния сокращения
объема материалов за счет их расплавления. Использо-
вание вместо агломерата окатышей, по-видимому, вызо-
вет повышение роли горения кокса в ряду причин, обус-
ловливающих движение шихты в доменной печи. Движе-
1 Черня тин А. Н. Влияние характера шихтовых материалов
на аэродинамику и теплообмен в слое. Кандидатская диссертация.
Свердловск, УПИ, 1958.
8
ние столба шихты определенным образом зависит от
выпуска чугуна и шлака, от уминки прилегающих к по-
верхности засыпи слоев при ссыпании на них материа-
лов с большого конуса, от окисления кокса в области
прямого восстановления. Однако относительное влияние
этих факторов на состояние столба шихты, по-видимому,
невелико.
Таким образом, можно указать на две области, в
которых протекают процессы, способствующие движе-
нию шихты. Первая из них, зона плавления, по вертика-
ли ограничена определенными изотермами, так как пол-
нота расплавления куска с точки зрения внешних усло-
вий определяется температурой и скоростью нагрева.
В горизонтальном сечении она ограничивается площа-
дью сосредоточения железосодержащей части шихты.
Зона плавления может быть уподоблена выпускному от-
верстию лишь с определенными оговорками, но происхо-
дящее при плавлении и шлакообразовании исчезновение
определенного объема твердых частиц вызывает в вы-
шерасположенной области явления, подобные наблю-
дающимся при выпуске сыпучего тела. Можно говорить
о «размытости», этой области, но несомненно существо-
вание повышенного и неравномерного разрыхления над
зоной плавления.
Вторая область интенсивного сокращения объема свя-
зана с окислением кокса у фурм. Даже в настоящее вре-
мя на долю кокса приходится свыше 50% объема домен-
ной шихты, и окисление его определяет движение шихты,
по крайней мере, в нижней части доменной печи.
Л. Г. Шумаков [18], Н. Н. Круглов [37], М. А. Стефанович
[122] и др. уподобляли зоны горения кокса у фурм домен-
ной печи воронкам, через которые проходит основная
масса кокса. Последнее тем более оправдано, что иссле-
дованиями Эллиота, Бьюкенена, Вэгстаффа, Бернса,
Холмена [28—30] в США и Англии и И. П. Бардина,
М. Я. Остроухова, Л. 3. Ходака и Л. М. Цылева. [31] в
СССР установлено образование у фурм в современных
условиях зон циркуляции. При локализации области го-
рения кокса правомерно предположение о сходстве влия-
ния на вышележащие слои шихты зон горения и выпуск-
ных отверстий, т. е. об отсутствии принципиальных раз-
личий между последствиями истечения кокса через от-
верстия и горения его в доменной печи.
9
II
ДАВЛЕНИЕ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
И ИХ ИСТЕЧЕНИЕ ИЗ ОТВЕРСТИЙ
Давление столба шихты в доменной печи
Общепринято вес сыпучего материала в бункере или
шихты в доменной печи рассматривать как силу, под
действием которой происходит их опускание. В литера-
туре, посвященной доменному процессу, ее обычно име-
нуют «активным весом».
P = QM-(PC + PK + Pr), (1)
где QM— вес столба материалов;
Рс — вертикальная составляющая силы трения ма-
териалов о стены печи;
Рк — вертикальная составляющая силы трения,
возникающей при относительном перемеще-
нии отдельных частей столба материалов, на-
пример периферийных по отношению к менее
подвижной центральной части1;
Рг — сила, противодействующая опусканию шихты
и возникающая в результате взаимодействия
последнего с газовым потоком.
Оценка роли отдельных сил, определяющих активный
вес, и величины самого активного веса в проведенных
исследованиях различна. В большой степени это зависит
от специфики методик проведения экспериментов.
Так, В. А. Сорокин и Н. Н. Попов [40] проводили со-
ответствующие исследования на моделях при движении
материалов, тогда как М. Ф. Кочин [41], Н. Г. Маха-
нек [42] и др. — при неподвижной шихте. Естественно,
что в первом случае из-за меньших значений коэффици-
ентов трения материалов о стены модели при движении,
1 В отдельных работах Рк представляется «как сила трения кус-
ков материала о другие куски при относительном их перемещении»
[12]. Как будет показано ниже (VI. Исследование движения шихты
на доменных печах и моделях), относительное перемещение кусков
происходит во всем объеме сыпучего материала при его движении к
выпускным отверстиям в бункере или зонам циркуляции в доменной
печи. Возникающие при этом силы трения должны рассматриваться
как внутренние и не могут изменить ни состояния системы, ни рав-
нодействующей внешних по отношению к столбу шихты сил, опре-
деляющих активный вес».
10
нежели в состоянии покоя, активный вес составил боль-
шую (40—45%) часть веса столба материалов, чем при
неподвижной шихте (10—20%).
Измерения величины активного веса при загрузке до-
менной печи одного из уральских заводов, проводившие-
ся с помощью установленной на уровне фурм весовой
платформы, показали [43], что он составлял 18,2% от ве-
са шихты, т. е. близок к значениям, полученным на мо-
делях. Однако это совпадение, по-видимому, говорит лишь
о подобии явлений в модели и печи при неподвижном
столбе материалов, но отнюдь не о действительном со-
отношении сил в работающей доменной печи.
Анализ экспериментальных данных В. А. Сорокина и
Н. Н. Попова [40] показывает, что с уменьшением угла
наклона стен шахты и при увеличении угла наклона за-
плечиков к горизонту сила трения должна уменьшаться.
Аналогичные результаты получены В. К. Грузиновым
[12], анализировавшим работу сил трения в различных
частях печи. В. К. Грузинов показал, что наибольшая ра-
бота сил трения производится в шахте печи, а посколь-
ку эта работа, как было им установлено, уменьшается
с увеличением конусности шахты, то этим обосновывает-
ся целесообразность увеличения диаметра распара.
Для аналитического определения собственно величи-
ны вертикального давления или активного веса обычно
используют формулу Янсена [44] и в особенности мето-
дику ее получения после внесения тех или иных изме-
нений, не касающихся, впрочем, ее существа. Вывод фор-
мулы Янсена основывается на разделении столба мате-
риалов на горизонтальные дискообразные элементы
бесконечно малой толщины и рассмотрении равновесия
системы сил, действующих на такой элемент. Н. К. Лео-
нидов [10, 11] и вслед за ним К. Польтир [45] записыва-
ют соответствующее дифференциальное уравнение как
dPF = h-%]Fdh-lt„Р ,Udh, (2)
\ ah /
где PndP — соответственно давление шихты, кГ/мг, и
приращение его по высоте dh элемента
слоя;
F — сечение элемента, лг2;
у — насыпной вес шихты в данном элементе
объема, кГ/м3-,
11
dPr
—5-----падение давления газа по высоте эле-
dh
мента объема, кГ/(м2-м)-,
kPnh — разность давлений газов между осью
фурм и колошником, кГ/м2, и высота
столба шихты, ж, соответственно;
р» — коэффициент трения шихты о стены печи;
Р&— боковое давление шихты на стены, кГ/м2-,
U — периметр элемента слоя, м.
Различные допущения в отношении функции =
dh
= <р (h), и тем более ее линейности, как это делает
ДР
Л. к. Леонидов, полагая ф (/г) = —- ,=const, в значи-
Н
тельной степени обесценивают результаты интегриро-
вания уравнения (2), обусловливают то, что этот член
обычно опускают, рассматривая закономерности измене-
ния предельного значения вертикального давления при
отсутствии газового потока. Уравнение (2) в этом случае
приобретает вид:
dPF = yFdh — рш Ps Udh. (3)
Однако и при его интегрировании делают весьма
серьезные допущения. Предполагают постоянство коэф-
фициента трения о стены по высоте столба материалов,
что лишено достаточных оснований, тем более примени-
тельно к трению о стены доменной печи. Боковое давле-
ние шихты обычно рассматривают как постоянную, не
изменяющуюся с высотой часть вертикального давления
[44], хотя И. Плейснер [46] установил, что отношение бо-
кового давления к вертикальному может колебаться в
значительных пределах, а работами [47, 48, с. 32; 531 и
др.] показано, что как абсолютная величина вертикаль-
ного давления, так и его отношение к боковому претер-
певают значительные изменения при движении материа-
лов по сравнению с давлением в состоянии покоя. Поло-
жение о постоянстве этого отношения взято из механики
сплошных сред и предполагает, по крайней мере, изот-
ропность столба сыпучих материалов. Последнее же на-
ходится в противоречии с опытом, говорящим об уплот-
нении сыпучего материала под действием веса вышеле-
жащих слоев, а следовательно, и об изменении структуры
12
столба материалов, которая в конечном счете и обуслов-
ливает распределение сил в слое.
Характерно, что Бовэ [48, с. 32], Люфт [48, с. 54] и др.
отмечают зависимость величины вертикального давле-
ния от режима загрузки, высоты падения материалов и
т. д. Однако введенные Янсеном представления о пере-
даче давления в сыпучих средах и основанная на них
методика расчета пользуются широким распростране-
нием, а применительно к механическим процессам в до-
менной печи являются или, по крайней мере, являлись до
недавнего времени той базой, на которой основываются
все последующие рассуждения.
Способы нахождения величины отношения бокового
давления к вертикальному, при допущении его постоян-
ства, достаточно подробно рассмотрены Р. Л. Зенковым
[49]. Интегрирование уравнения (3) в случае принятия
этого отношения и величины коэффициента трения ших-
ты о стены, постоянными1 не представляет трудностей
и его результат известен под названием формулы Ян-
сена:
Р = yD
\
——уг—h 1
1-е D (4)
где п — отношение бокового давления к вертикальному.
Уравнение (4) получено для цилиндрического сосуда.
По данным В. К. Грузинова [12], поправка на конусность
составляет +11,2% для шахты и 4,6% для заплечиков.
К. Польтир [45] после проведения расчетов в целом для
печи установил, что эта поправка колеблется в пределах
от 2,4 до 3,1 %'.
Из формулы Янсена следует, что вертикальное давле-
ние стремится к пределу
^max = 4^7Г ’ <4а)
достигаемому при бесконечной высоте столба материа-
1 В последнее время Изаксон и Бойд [50] и др. откорректирова-
ли вывод формулы Янсена с учетом непостоянства отношения боко-
вого давления к вертикальному в различных участках столба мате-
риалов. Однако при этом неопределенность соответствующей функ-
ции, так же как и в случае попыток учесть сопротивление газового
потока, приводит к тому, что интегрирование в общем виде оказыва-
ется невозможным.
13
лов с тем большей скоростью, чем больше отноше-
ние h/D.
Уравнения (2) и (3) составлены без учета трения,
возникающего в результате перемещения периферийной
части столба материалов относительно центральной, как
это предусматривается уравнением (1). Если обозначить
через рк коэффициент внутреннего трения материалов,
через D\ и D2 внешние диаметры соответственно пери-
ферийной и центральной частей столба материалов и
ввести в уравнение (3) соответствующий член, то легко,
сохраняя прежнюю логику рассуждений, получить вы-
ражение, характеризующее величину вертикального дав-
ления в этом случае:
р = у (Di — Д2)
4(МШ+Нк)п
—4п
1 — е
Мю + Вк
£>,—О2
(5)
, = у (Di — Д2)
тах 4(Иш + Ик)п-
(5а)
Уравнения (4) и (4 а) являются частным случаем
уравнений (5) и (5 а) при отсутствии относительного пе-
ремещения отдельных частей столба материалов, что,
вообще говоря, соответствует условиям экспериментов
[41—43], результаты которых удовлетворительно согла-
суются с формулой Янсена.
Эксперименты М. Ф. Кочина [41], Н. Г. Маханека [42],
В. К. Грузинова [43] и др., исследовавших на моделях
влияние на величину активного веса профиля печи, по-
казали существенную роль последнего и, в частности, что
заплечики, воспринимая значительную часть веса шихты,
способствуют снижению активного веса. Это послужило
основанием для увеличения угла наклона заплечиков на
нескольких малых печах. Однако практика работы до-
менных печей с чрезмерно крутыми заплечиками как в
СССР [51], так и за рубежом [52] показала, что харак-
терным для них являлся неровный ход с частыми под-
стоями и резко выраженным периферийным потоком
газов.
Характерно, что и вывод М. Ф. Кочина [41] о том, что
превышение рабочей высотой печи границы наращива-
ния активного веса, соответствующей началу монотон-
ного участка кривой по уравнению (4), делает плавный
14
и устойчивый сход шихты невозможным, не получил под-
тверждения на практике.
В отмеченных экспериментах и при выводе формулы
Янсена не учитывалось уменьшающее активный вес
влияние газового потока [53]. Действительно, если сы-
пучий материал рассматривается как сплошная среда
или, во всяком случае, как нечто подобное ей при пере-
даче усилий, то и действие распределенной силы может
быть заменено ее равнодействующей. Тогда ак-
тивный вес должен быть уменьшен на величину
потерь давления газа между горном и колошни-
ком. Но исследования Н. Г. Маханека и О. П. Оно-
рина [54] показывают, что уравновешивание до
70%' веса материалов не оказывает заметного влия-
ния на активный вес. Такая высокая степень уравно-
вешивания веса без уменьшения активного веса не со-
гласуется с данными о том, что последний составляет
10—40% от веса шихты. Расчет, по литературным дан-
ным [4,40,45], показывает, что даже при отнесении по-
терь напора газа в столбе шихты к общему его весу,
а не к активному весу шихты, что было бы бесспорно
более правильным, газовый поток вызвал бы уменьше-
ние активного веса более чем на 50%, что превышает
критические значения, указываемые Н. Г. Маханеком,
Н. Н. Бабарыкиным и др. По данным А. М. Лапы [55],
активный вес шихты в доменной печи всегда близок к
нулю.
В этом случае при рассмотрении активного веса как
основной силы, побуждающей шихту к движению, ших-
та оставалась бы неподвижной.
Вопрос о влиянии активного веса шихты на ее дви-
жение, так же как и о допустимости использования при-
менительно к сыпучим материалам положений механики
сплошных сред, остается спорным даже в тех случаях,
когда воздействием газового потока можно пренебречь.
В основе приложения упомянутых положений к сыпу-
чим материалам лежат, по крайней мере, следующие до-
пущения:
1) сыпучий материал рассматривается как сплошная
среда, поскольку его частицы исчезающе малы по срав-
нению с размерами вмещающего их сосуда; 2) в соот-
ветствии с первым допущением в массе сыпучего мате-
риала допускается возникновение напряжений сжатия и
15
среза; 3) те или иные перемещения в сыпучем материа-
ле возникают в результате превышения действующими
напряжениями некоторых предельных значений; 4) столб
сыпучего материала изотропен.
М. М. Протодьяконов [56], констатируя отсутствие
сплошности горных пород и полемизируя со сторонника-
ми применения к сыпучим материалам модели сплош-
ной среды, писал: «Указанное обстоятельство имеет са-
мое решающее значение в вопросе о том, можно ли к
давящим на крепь породам применять законы сплошных
упругих тел... Можно разломить кусок, затем сложить
его по-прежнему настолько плотно, что трещину трудно
будет заметить, но такой разломанный кусок потеряет
свойства сплошного тела — на растяжение работать он
совсем не может, на изгиб — тоже; при сдвигании будет
сопротивляться только силе трения и т. д.». Напомним,
что приведенная цитата относится к горным породам,
которые все же ближе к сплошным телам, нежели куско-
вые сыпучие материалы. Успешность же применения мо-
дели сплошной среды к объяснению поведения грунтов,
по-видимому, объясняется как раз тем, что по мере из-
мельчения частиц возрастают силы сцепления между ни-
ми, а силы трения все сильнее приближаются к каса-
тельным напряжениям среза.
М. М. Протодьяконов показал независимость давле-
ния материала на дно сосуда или плоскость отверстия
от высоты и объяснил это явление сводообразованием,
когда образующийся устойчивый параболический свод
воспринимает нагрузку от вышележащих слоев. Давле-
ние на плоскость отверстия радиусом г определяется ве-
сом лежащего под сводом сыпучего материала с коэффи-
циентом внутреннего трения р и объемным весом
у, кГ/мъ\
Р=~у~. (6)
2 р
Характерно, что Робертс [57], исследовавший на мо-
делях силосов давление сыпучих материалов и опубли-
ковавший свою работу на 15 лет раньше Янсена, уста-
новил, что при достижении высоты столба материалов,
равной двум диаметрам днища, дальнейшего увеличе-
ния вертикального давления не происходит и его наи-
большее значение равно
1в
P = 1,03^-vr3, (6а)
т. е. значению, определяемому формулой Протодьяко-
нова при р, =0,97.
К результатам, аналогично полученным Робертсом,
М. М. Протодьяконовым, пришли также С. В. Донсков
П. Н. Николаев1 2, Ф. А. Ценз [58]. Н. Г. Маханек в послед-
них своих работах [54] отметил постоянство активного ве-
са при уровне засыпи выше 0,7—0,8 диаметра сосуда.
Подтверждением гипотезы М. М. Протодьяконова о
сводообразовании как причине независимости давления
сыпучего материала на днище сосуда или плоскость от-
верстия от высоты слоя является обнаруженное Бовэ
[48, с. 32] неравномерное распределение этого давления
вдоль радиуса дна. В. С. Ким [59], а затем С. Г. Тахтамы-
шев и М. И. Хаймович показали, что вертикальное давле-
ние по краям дна в 2—5 раз выше, чем в центре, а при
выпуске оно резко снижается. Этими исследователями
также наблюдались значительные пульсации горизон-
тального давления. Н. Г. Маханек и О. П. Онорин [54]
нашли, что с увеличением скорости выпуска сыпучего ма-
териала из отверстия давление его на дно уменьшается,
оставаясь в то же время выше создаваемого неподвиж-
ным столбом. Разноречивость экспериментальных дан-
ных, по-видимому, в первую очередь объясняется разли-
чием методик проведения опытов. Чем больше было в
исследуемом объекте отношение высоты к поперечному
размеру слоя, тем нагляднее проявлялось постоянство
вертикального давления по достижении некоторой, крат-
ной размеру весовоспринимающей площади, высоты.
Вопрос же о действительной картине изменения дав-
ления материалов, в частности в доменной печи, и осо-
бенно в случае движения шихты, оставался открытым.
Здесь, помимо общих с бункерами зависимостей, можно
было ожидать и специфических закономерностей, обус-
ловленных сложной конфигурацией профиля стен.
Подробно рассмотренный в исследованиях М. Ф. Ко-
чина, Н. Г. Маханека, В. К. Грузинова, В. А. Сорокина и
1 Донсков С. В. Давление сыпучих материалов в бункерах.
Канд, диссертация. МЭИ, 1958 г.
2 Николаев П. Н. Движение сыпучих материалов. Канд, дис-
сертация, МИХМ, 1959 г.
2—250
17
др., этот вопрос возник вновь в связи с тем, что ими рас-
сматривалось давление столба материалов на всю пло-
щадь днища модели (или сечения горна в натурных экс-
периментах Н. Г. Маханека [43]), тогда как введение по-
ложения о преимущественном движении материалов че-
рез зоны горения внесло существенные коррективы в
сложившиеся представления. Если вертикальная состав-
ляющая веса шихты действительно является активной.
Рв,кГ рб<кГ
Рис. 1. Изменение вертикального (Рв) и бокового (Pg)
давления столба шихты по высоте модели доменной печи:
а — вертикальное давление на днище при малом трении
о стены модели; б — то же, при увеличенном трении о
стены; в — давление иа выпускное отверстие; 1 — покоя-
щийся столб шихты; 2 — состояние при выпуске; APg — от-
носительное изменение бокового давления при переходе
столба шихты в движение
вызывающей движение силой, то в этом качестве она
должна проявляться над зонами горения, а вне послед-
них — в виде усилий, воспринимаемых лещадью или оп-
ределяющих глубину погружения кокса в шлак и металл.
Необходимость выявления особенностей передачи давле-
ния шихты над зоной горения, и в частности, как изме-
няется это давление при движении материалов через от-
верстия, служащие аналогом зон циркуляции, потребова-
ла проведения экспериментов на малых [51, 60] и на
больших [61] моделях доменных печей как круглых, так
и с плоской стеклянной стенкой, проходящей через цент-
ры двух диаметрально расположенных отверстий. Была
также выполнена серия контрольных опытов на сосудах
различной конфигурации. Методика экспериментов под-
робно описана в работах [60, 61].
Исследование показало, что вертикальное давление на
днище (рис. 1, кривая а) с ростом уровня засыпи изменя-
18
ется в соответствии с закономерностями, установ-
ленными ранее [23, 24]. При выпуске материа-
лов давление на днище интенсивно возрастает по мере
увеличения высоты разрыхленной области, достигая наи-
большего значения в момент начала опускания уровня
засыпи. При увеличении коэффициента трения между
шихтой и стенками модели рост давления с началом дви-
жения уменьшается.
Было показано, что вертикальное давление на днище
зависит от характера загрузки материалов. Так, если при
быстром высыпании порции активный вес шихты к мо-
менту заполнения модели составлял 15% от общего веса
столба материалов, то при непрерывном и равномерном
ее высыпании он достигал 22%. Известно, что плотность
укладки сыпучего материала при засыпке «дождем» на
10—15% больше, чем при засыпке струей [59]. Сопостав-
ление этих данных показывает, что исходная структура
столба материалов зависит как от энергии, приобретае-
мой частицами к моменту встречи с поверхностью засы-
пи, так и от возможности реализовать энергию, приобре-
тенную отдельными частицами для заполнения пустот и
создания наиболее плотной, а следовательно, и обладаю-
щей наименьшей потенциальной энергией структуры слоя.
П. Н. Платонов и А. П. Ковтун [62] показали, что плот-
ность укладки частиц и коэффициент внутреннего трения
зависят от способа формирования сыпучего тела и изме-
няются по высоте слоя в соответствии со следующими
эмпирическими уравнениями:
К = аКга,[1-е-«+""], (7)
+ (8)
Ашах — А
где р0 — коэффициент внутреннего тре-
ния сыпучего материала в нена-
груженном состоянии;
К, Kmin, Атах — соответственно коэффициент
плотности укладки, равный от-
ношению объемного и удельно-
го весов сыпучего тела, и его
максимальное и минимальное
значения;
Н — высота слоя, м\
2*
19
a, b,c,d — некоторые постоянные для дан-
ного сыпучего материала.
Рассматривая совместно уравнения (7) и (8), прихо-
дим к соотношению
p=p0 + d(ecH — 1), (8а)
из которого следует, что коэффициент внутреннего трения
возрастает с увеличением глубины слоя. Последнее отно-
сится к неподвижному столбу материалов. При движении
материала в результате его выпуска из отверстия струк-
тура слоя изменяется в зависимости от градиента скоро-
сти движения кусков, образуя так называемые эллипсои-
ды разрыхления над отверстиями. В этом случае зависи-
мость коэффициента внутреннего трения от высоты слоя
будет более сложной, чем это предполагается уравнением
(8а). Уравнение (8а) применимо для материалов, нахо-
дящихся над эллипсоидами разрыхления, а в области
этих эллипсоидов в соответствии с уравнением (8) долж-
но наблюдаться уменьшение коэффициента внутреннего
трения. Иными словами, кривая, характеризующая изме-
нение коэффициента трения в зависимости от расстояния
до выпускных отверстий, должна иметь перелом на гра-
нице эллипсоидов разрыхления.
Исследование давления сыпучих материалов на моде-
лях доменных печей показало отсутствие влияния или, по
крайней мере, незначительную роль расположения выпу-
скных отверстий на величину вертикального давления на
днище.
Давление на стены модели при отсутствии движения
материалов (рис. 1) достигает наибольшего значения на
уровне дна. По мере подъема к колошнику это давление
вплоть до уровня, соответствующего середине шахты, по-
нижается. Затем оно остается практически постоянным.
Во время выпуска материала боковое давление по высоте
изменялось в направлении уменьшения его значений на
нижних горизонтах и увеличения на верхних.
Сопоставление изменения бокового и вертикального
давления при различной высоте столба материала над
горизонтом измерения подтверждает положение о том,
что коэффициент, характеризующий отношение этих ве-
личин, не может быть принят постоянным. Если кривая
изменения вертикального давления не имеет особых то-
чек, то, как следует из рис. 1, соответствующая кривая
20
для бокового давления имеет перелом. Тем более это
характерно для движущейся шихты *.
Отметим также, что увеличение объемного веса сы-
пучего материала понижает точку пересечения кривых
изменения бокового давления в покоящейся шихте и при
ее движении. Так, если при загрузке в модель коксика
соответствующая точка располагалась внизу цилиндри-
ческой части колошника, то при загрузке более тяжелой
шихты она смещалась до середины шахты.
В ходе описываемых экспериментов отмечались также
колебания бокового давления при выпуске, по-видимому,
впервые описанные Бовэ [48, с. 32], а затем наблюдавшие-
ся другими исследователями, например В. С. Кимом [59],
С. .Г. Тахтамышевым и М. И. Хаймовичем.
Наибольший интерес представляло с точки зрения
выявления роли вертикального давления в движении ма-
териалов и поступления кокса в зоны горения его изуче-
ние над выпускными отверстиями. Показано, особенно
наглядно на малых моделях [51, 60], где точность измере-
ния была выше, что при заполнении модели вертикаль-
ное давление вначале, пока столб материалов не достиг-
нет высоты, равной 2—3 диаметрам отверстия (середина
заплечиков), повышается, а затем после некоторого сни-
жения, начиная с высоты, соответствующей верху распа-
ра, остается постоянным. Также установлено, что харак-
тер изменения давления на стены с высотой столба и
абсолютная величина этого давления не зависят от рас-
положения отверстия относительно стен (за исключением
случаев непосредственного расположения отверстий у
стен). При этом соответствующие величины имели те же
значения, что и в цилиндрическом сосуде при значитель-
ном удалении выпускного отверстия от стен (рис. 1, кри-
вая в). Это позволяет утверждать, что профиль печи и, в
частности, заплечиков не влияет на величину активного
давления на плоскость выпускного отверстия (зоны го-
рения).
В начале выпуска активный вес над выпускным отвер-
стием резко снижается, вплоть до предела чувствитель-
ности весоизмерительного устройства. Затем в течение
выпуска амплитуда колебания активного веса составляет
1 Н. Г. Дубининым [63] получен аналогичный характер измене-
ния горизонтального динамического давления по высоте слоя.
21
всего несколько процентов от величины его в состоянии
покоя. Небольшая величина отклонения весьма убеди-
тельно свидетельствует о том, что давление материалов
вообще не оказывает влияния на истечение из отверстия,
а следовательно, и не является фактором, обусловлива-
ющим их движение в сосуде.
Проведенные эксперименты подтверждают гипотезу
М. М. Протодьяконова о сводообразовании над днищем,
впоследствии развитую П. Н. Платоновым с сотрудника-
ми [62, 64, 65], рассматривающим сыпучее тело как конст-
рукцию, состоящую из сводов, нагруженных собственным
весом. По П. Н. Платонову, устойчивое сводообразование
в сосуде диаметром D наблюдается при высоте слоя сы-
пучих материалов с коэффициентом внутреннего трения
р большей
tfi = Dtgp, (9)
а высота стрелки образующихся сводов, передающих на
стенки собственный вес сыпучего тела, определяется
уравнением
«/ = Ytg(90-arctgp)- 0°)
Эти соотношения относятся к состоянию покоя сыпу-
чего тела. Ниже будет показано, что при выпуске из от-
верстия в объеме сыпучего тела образуются динамически
неустойчивые кинематические цепи из частиц, в совокуп-
ности создающие эллипсоидоподобные сводчатые струк-
туры [23, 24, 51, 60, 66], распространяющиеся по мере вы-
пуска вплоть до уровня засыпи. По мере их развития, до
момента соприкосновения со стенами, вес сыпучего мате-
риала передается на окружающую отверстие опорную по-
верхность. После же соприкосновения со стенами, вес той
части этих структур, которая находится выше точки со-
прикосновения, воспринимается стенами. Очевидно, что
чем дальше отверстия расположены от последних, тем
большая доля веса сыпучего материала будет передана
на днище. Характерно, что Люфт [48, с. 531], проводивший
свои исследования задолго до наших ученых, отмечает
зависимость вертикального давления от расположения
выпускных отверстий. Динамическая неустойчивость
структуры предопределяет пульсирующий характер на-
грузок на с4ены и днище [48, 59, 60]. Г. Е. Панкратова
22
[67] отмечает, что наибольшее деформирование стен под
действием подобных нагрузок имеет место в средней по
высоте части стенки зернового силоса, а величина этих
деформаций больше, чем от кольцевых растягивающих
усилий.
Различие механизмов передачи усилий в покоящемся
столбе сыпучего материала и при выпуске объясняет пе-
рераспределение бокового давления по высоте столба при
его движении. По мере выпуска материала из одного от-
верстия происходит (см. стр. 192) непрерывное увеличе-
ние развивающихся над ним эллипсоидоподобных струк-
тур. Этим обусловливается постепенное увеличение бо-
кового давления по высоте от нижней точки соприкосно-
вения подобной структуры со стеной до той, являющейся
предельной, которая принадлежит структуре, достигшей
поверхности засыпи, после чего начинается образование
воронки выпуска и снижение бокового давления. При
выпуске из нескольких отверстий расположение эллип-
соидоподобных структур стабилизируется в пространстве
и времени, а выше некоторого, определяемого условиями
выпуска, горизонта эти структуры наблюдаются лишь
в момент движения' частиц к одному из отверстий [66].
Таким образом, верхние из образующихся эллипсоидо-
подобных структур воспринимают давление вышележа-
щих слоев, распределение усилий от которых происходит
при отсутствии движения, и передают его на стены, что
увеличивает боковое давление на эти участки стен.
Истечение сыпучих материалов из отверстия
Внимание, которое привлекло к себе изучение распре-
деления сил в сыпучем теле, в значительной степени объ-
ясняется тем, что здесь, по аналогии со сплошными сре-
дами, предполагалось влияние вертикальной составляю-
щей веса сыпучего материала на скорость его истечения.
Однако, как было показано выше, давление на выпускное
отверстие не зависит за исключением небольшого на-
чального участка от высоты столба материала; с нача-
лом выпуска давление на выпускное отверстие резко
уменьшается до столь малых значений, что сама возмож-
ность истечения, если бы оно определялось этой силой,
становится проблематичной. Характерно, что даже в тех
случаях, когда в качестве основополагающей предпосыл-
23
ки для вывода соответствующих зависимостей принима-
ют влияние вертикального давления, как это, например,
делают Р. Л. Зенков [49] и вслед за ним Р. Квапил
[68], в результате более или менее искусственных прие-
мов оно из окончательного решения исключается, а для
согласования полученного уравнения с опытом вводится
эмпирический коэффициент, определяемый как отноше-
ние фактической скорости истечения к теоретической.
Анализ экспериментальных и аналитических исследо-
ваний истечения сыпучего материала [44—117] показыва-
ет, что наблюдаются существенные различия в оценке
влияния тех или иных параметров выпуска на его ско-
рость. В явном виде высота слоя присутствует лишь в
эмпирических формулах Хагена [84] и Ньютона [87],
а та или иная степень влияния этой высоты предпо-
лагается Р. Л. Зенковым [49], Р. Квапилом [68] и другими.
Исследованиями же Г. И. Покровского и А. И. Арефьева
[70], И. П. Линчевского [71], Ф. Е. Кенемана, Н. Г. Зало-
гина и их сотрудников [72:—74], Д. Л. Тартаковского [26],
Г. М. Малахова [23, 24], Б. С. Фиалкова и В. К- Грузино-
ва [60, 66, 75], Харменса [76], Я. Циборовского и М. Бонд-
зыньски [77], Франклина и Иогансона [78], специально по-
священными этому вопросу, установлено, что высота слоя
материалов над отверстием не влияет на скорость исте-
чения. По-разному оценивается влияние на эту скорость
гидравлического диаметра или ширины щелеподобного
выпускного отверстия. Многими исследователями [49, 71,
72, 75—77, 79, 81, 84, 88, 93, 95—99, 102, 106] констатиру-
ется пропорциональность скорости истечения квадратно-
му корню из этого размера. В ряде случаев [100, 103,105]
влияния размера отверстия не наблюдали. В то же время
ряд предложенных эмпирических соотношений [70, 78,
80, 82, 87, 94, 101] предполагает линейную (или при-
ближающуюся к ней) зависимость скорости истечения от
размера отверстия. Показательно, что, хотя некоторые
исследователи не обнаружили связи скорости истечения
с физико-механическими свойствами частиц сыпучего ма-
териала [82—86, 90] или ограничили эту связь либо раз-
мером частиц [81, 98], либо коэффициентом внутреннего
трения [71], либо удельным весом частиц [70, 72, 97], во
многих из предложенных соотношений отражается суще-
ственное влияние комплекса свойств частиц на эту ско-
рость. В то же время разные исследователи наблюдали
24
принципиально различный характер этого влияния. Так,
в зависимостях, приведенных в работах [49, 71, 75, 76, 91,
92, 98, 101, 105], показатель степени при соответствующих
величинах положителен, тогда как по другим данным [77,
78, 88, 89, 96, 102, 103, 106] он отрицателен.
Несмотря на отсутствие в подавляющем большинстве
результатов экспериментов влияния таких параметров,
как высота столба материалов или напряжения, возни-
кающие в нем, во многих случаях при поисках аналити-
ческих зависимостей их включают в рассмотрение [49, 68,
69, 102, 107, 108]. Причиной этого является отсутствие
достаточно ясной и непротиворечивой физической модели
истечения. Естественно при этом стремление использовать
ранее разработанные аппарат1 и теоретические предпо-
сылки механики сплошных сред и, в частности, теории пре-
дельного равновесия слоя, а известные расхождения пос-
ледних с опытом объяснить достаточно быстрым дости-
жением вертикальной составляющей веса столба матери-
алов предельных значений, после чего высота слоя уже
не может оказывать влияния на силу, обусловливающую
скорость выхода частиц из отверстия.
Однако проведенные авторами исследования [60] по-
казали, что если вертикальная составляющая давления
на площадь отверстия достигает максимума при дости-
жении высоты слоя, равной 2—3 диаметрам отверстия,
то скорость истечения практически не зависит от высоты
столба материалов над отверстием, стабилизируясь при
значениях последней в пределах 0,25—0,5 диаметра от-
верстия. Как показали исследования Ф. Е. Кенемана и др.
[73], при выпуске мелкодисперсных сыпучих материалов,
которые в наибольшей степени приближаются к сплош-
ным средам, расход оказался зависящим от высоты стол-
ба материалов, но вопреки ожидаемому — не увеличи-
вался, а уменьшался с ней.
Работы авторов и других исследователей показали,
что на производительность выпускного отверстия соотно-
шение диаметров сосуда и отверстия при его значениях,
больших 2—3, влияния не оказывает, а определяющими
скорость истечения величинами являются диаметр выпу-
1 В последнее время появились исследования [109, с. 51], в ко-
торых сыпучее тело рассматривается как статистический коллектив
зерен, а процесс истечения описывается в терминах теории вероят-
ностей.
25
скного отверстия и коэффициент внутреннего трения сы-
пучего материала.
Рядом работ показано, что на скорость истечения сы-
пучего материала влияет наклон стен к горизонту [69, 76,
77 и др.]. Однако Н. Г. Залогин, Ф. Е. Кенеман и В. И. Во-
робьев [74] установили, что изменение расхода по сравне-
нию с моделью, имеющей плоское днище, наступает лишь
после того, как угол наклона стен начинает превышать
55—60°. Более того, было показано, что влияние наклона
стен проявляется при условии, что они непосредственно
примыкают к выпускному отверстию или, по крайней ме-
ре, их расстояние от краев последнего не превышает его
диаметра. В экспериментах авторов [60] на моделях до-
менных печей и сосудах различной конфигурации влия-
ние стен также наблюдалось лишь при касании ими кра-
ев отверстия.
Г. И. Покровский и А. И. Арефьев постоянство скоро-
стей истечения при различной высоте слоя объясняют
тем, что при истечении сыпучего тела в его толще около
отверстия образуется некоторая своеобразная структура,
которую можно назвать динамически разгружающим
сводом. В отличие от обычных, естественно образующих-
ся в сыпучих телах разгружающих сводов, в этом случае
нет статического равновесия. Отдельные частицы все
время выпадают с нижней стороны свода и новые вступа-
ют на их место. Несмотря на это движение, свод все же
воспринимает вышележащую нагрузку, которая может
изменяться в широких пределах [70]. Гипотеза Г. И. Пок-
ровского и А. И. Арефьева получила развитие в работах
И. П. Линчевского [71], П. Н. Платонова и Е. А. Банита
[ПО, 111], Н. Г. Залогина, Ф. Е. Кенемана [72—74] и др.
Отмечая трудности непосредственного установления
формы свода и полагая, что последняя не оказывает су-
щественного влияния на истечение, авторы этой гипотезы
принимают, что разгружающий свод ограничивается па-
раболоидом вращения, опирающимся на край отверстия,
и описывается уравнением
(га \
1—Н (И)
где h0 и h — возвышение над плоскостью отверстия со-
ответственно центра свода и произвольной
его точки, находящейся на расстоянии г от
26
вертикальной оси, проходящей через центр
отверстия радиуса Л?о.
С учетом свободного падения частиц с нижней сторо-
ны свода выражение для объемной скорости истечения
после несложных преобразований будет иметь вид:
= 0,59 л/’5 -р см? [сек, (12)
где R— радиус кривизны параболоида у его вершины,
представляющий собой особую константу,' свя-
занную с размером, формой, характером по-
верхности частиц сыпучего материала.
Расчеты, выполненные по уравнению (12) или его мо-
дификациям, удовлетворительно согласуются с результа-
тами экспериментов.
В то же время сама гипотеза об образовании над от-
верстием сводчатой структуры, воспринимающей давле-
ние вышележащих слоев и тем самым разгружающей от-
верстие, при сохранении подвижности составляющих ее
частиц весьма противоречива.
Действительно, восприятие нагрузки вышележащих
слоев предполагает, что в пределах этой структуры части-
цы неподвижны, а силы, на них действующие, уравнове-
шены. Данному условию отвечает свод статического рав-
новесия (М. М. Протодьяконова), но в силу его устойчи-
вости и стационарности при этом исключается возмож-
ность самопроизвольного возобновления движения частиц
или непрерывного их движения сквозь свод. Выпол-
нение второго условия (подвижность частиц) лишает эту
структуру возможности восприятия давления и устойчи-
вости. Если допустить, что такая гипотетическая конст-
рукция образовалась и выполняет эти в естественных ус-
ловиях несовместимые требования, то она должна распо-
лагаться под сводом статического равновесия, так как в
противном случае истечение вообще невозможно. Причем
истечение может продолжаться лишь до тех пор, пока
не будет выпущен объем, находящийся под сводом стати-
ческого равновесия.
Таким образом, гипотеза Г. И. Покровского и
А. И. Арефьева нуждается в дополнении механизмом, уп-
равляющим прекращением и возобновлением движения
частиц, проходящих через предполагаемую ею сводчатую
27
структуру. Это является одним из ее существенных недо-
статков; даже при условии введения подобного механизма
данная гипотеза, предполагая стационарность динамиче-
ского свода, не объясняет природы наблюдаемых много-
численными исследователями пульсаций давления при
выпуске. Пульсации же эти, согласно исследованиям
П. Н. Платонова и В. Г. Лебединского [112], обусловлены
условиями истечения, а их частота — его скоростью.
Однако сама по себе мысль о естественном, самопро-
извольном регулировании скорости истечения сыпучего
материала с помощью разгружающих сводов является
безусловно плодотворной.
Гипотеза о динамическом своде, который не стацио-
нарен, периодически образуется и разрушается [60, 75],
становится непротиворечивой, объясняет широкий круг
сопровождающих истечение явлений. В момент образо-
вания такого свода,- названного нами динамически неус-
тойчивым, движение частиц прекращается, а силы, на них
действующие, уравновешиваются. В это время свод вос-
принимает нагрузку от вышележащих, находя-
щихся под сводом устойчивого равновесия, ма-
териалов, преобразуя ее в распорные усилия,
передаваемые через опорные частицы на днище
или стены сосуда. При разрушении свода распор-
ные усилия от него прекращают действовать, а частицы
выходят из отверстия со скоростью свободного падения с
контура свода. Соответственно истечение оказывается не
непрерывным, а дискретным, порционным. В связи с тем,
что опорные частицы оказываются общими как для свода
устойчивого равновесия, так и для динамически неустой-
чивого, при обрушении последнего разрушается и первый,
чем обеспечивается подход новых порций сыпучего мате-
риала в зону выпуска.
Многие исследователи [72, 100, 113—116] отмечают
влияние на скорость истечения величины и направления
перепада статического давления газа в выпускном отвер-
стии, а Ф. Е. Кенеман [72] наблюдал эжектирование газа
при выпуске весьма мелкого сыпучего материала. Поми-
мо очевидного тормозящего или ускоряющего действия
газового потока на выходящие частицы, это явление с
точки зрения высказанных положений можно объяснить
следующим образом. Между вновь построившимся сво-
дом и выходящей после обрушения предыдущего группой
28
частиц возникает увеличивающийся по мере приближе-
ния ее к наружной плоскости отверстия свободный объем.
Поскольку газопроницаемость этой группы конечна, а
при выпуске очень мелких частиц может ока-
заться весьма низкой, и ею перекрывается зна-
чительная часть площади отверстия, то этот
объем оказывается под пониженным по сравне-
нию с окружающей средой давлением. Этим и
обусловливается, с одной стороны, эжектирование возду-
ха из слоя и, с другой стороны, торможение вылетающей
группы частиц силой сопротивления устремляющегося
снаружи через выпускное отверстие для ликвидации это-
го разрежения газа. Характерно, что в опытах Ф. Е. Ке-
немана и в опытах авторов введение через слой в зону
выпуска тонких трубок, соединенных с атмосферой, спо-
собствовало значительному увеличению расхода сыпуче-
го материала. По-видимому, эжектирование должно быть
тем меньше, чем выше газопроницаемость сыпучего мате-
риала, или, при прочих равных условиях, чем выше его
порозность.
Очевидно, что перепад давления газа между слоем и
окружающей средой будет в зависимости от его знака
увеличивать или уменьшать торможение, обусловленное
возникновением разрежения в тылу этой группы.
Таким образом, получают естественное объяснение
такие показатели, как постоянство скорости истечения и
падение давления на выпускное отверстие при одновре-
менном увеличении его на днище во время выпуска, коле-
бания вертикальной и боковой составляющих давления
и формы струи и ряд других явлений, в частности связь
между частотой этих колебаний, или образованием и раз-
рушением сводов и величиной расхода при выпуске.
Для проверки и уточнения высказанных предположе-
ний была произведена высокоскоростная киносъемка
движения частиц при выпуске их через отверстие в дне
модели с плоской стеклянной стенкой [60, 75]. Анализ ма-
териалов киносъемки подтвердил предположение о том,
что выходу частиц сыпучего материала из отверстия
предшествует образование и разрушение сводов (рис. 2).
Из этой кинограммы следует, что представление о струе
сыпучего материала, выходящего из отверстия, как о не-
прерывном потоке частиц неверно. В действительности
струя дискретна — частицы выходят из модели группами
29
после разрушения сводов При этом конфигурация сво-
дов не зависит от высоты столба материалов, и в массе
сыпучего тела образуются не только своды с горизонталь-
ным пролетом над выпускным отверстием, но и с проле-
том, расположенным вертикально. Образовавшиеся сво-
ды разрушаются не одновременно- Разрушению вышеле-
Рис. 2. Стадии образования и разрушения динамически неустой-
чивых сводов над выпускным отверстием
жащих сводов предшествует разрушение нижележащего
свода. При этом время существования свода тем больше,
чем больше величина его пролета.
Таким образом, механизм истечения сыпучего тела
можно представить следующим образом. При движении
к выпускному отверстию частицы непрерывно образуют
разгрузочные своды. Чем ближе к выпускному отверстию,
тем меньше пролет этих сводов. Кривизна их, поскольку
1 В дальнейшем эти выводы были подтверждены эксперимента-
ми нашего сотрудника Ю. П. Щукина с различными сыпучими ма-
териалами в широком диапазоне отношений диаметра отверстия к
диаметру частиц.
30
частицы жестко друг с другом не связаны, зависит толь-
ко от физико-механических свойств сыпучего материала,
а количество частиц, которое должно пройти через по-
верхность свода, постоянно и не зависит от величины
этой поверхности (в противном случае нарушалась бы
стационарность процесса). Поэтому время существования
свода тем меньше, чем меньше пролет. Наименьшая ве-
личина пролета свода определяется размером выпускного
отверстия. Время существования такого свода также
наименьшее. Однако как бы не было оно мало, его до-
статочно для того, чтобы погасить скорость, которую
частицы приобрели ранее.
Разрушение свода происходит, по-видимому, в резуль-
тате того, что возникшие при его образовании силы тре-
ния между частицами создают вращающий момент отно-
сительно их центров. Под действием этого момента части-
цы начинают обкатываться. Это «обкатывание» хорошо
видно при' просмотре материалов киносъемки, а так-
же следует из экспериментов Перри и Хандли [117]. Об-
катывание частиц нарушает их взаиморасположение, при
котором равнодействующая сила была равна нулю, и
свод разрушается, предопределяя выход из отверстия оче-
редной порции частиц. Из рис. 2 видно, что началу раз-
рушения свода предшествует изменение его конфигура-
ции в сторону уменьшения углов при вершинах и высоты
свода, расширение центральной, более плоской его ча-
сти, с которой и начинается выпадение частиц.
Скорость истечения, таким образом, определяется той
скоростью, которую приобретут частицы при падении с
контура разрушившегося динамически неустойчивого сво-
да до плоскости выпускного отверстия. Развитые нами
представления о периодическом образовании над отвер-
стием динамически неустойчивых саморазрушающихся
сводов, предопределяющих дискретность истечения и ре-
гулирующих-его скорость, впоследствии были подтверж-
дены в ряде случаев независимыми от наших исследо-
ваниями Харменса [76], Лафарга[79], Игораси и Аоки[81],
Асея [116], Резника [114], Перри и Хайдлея [117],
Н. М. Рудного [132], Ю. И. Борисова и Л. 3. Зодака[101],
А. Г. Цубанова [106] и др. Давлением на разрушающийся
свод сыпучего материала, заключенного между ним и
сводом устойчивого равновесия, частицам сообщается не-
которая начальная скорость. Однако для кусковых сыпу-
31
чих материалов в силу относительной массивности частиц
и значительного межкускового трения величина послед-
ней по сравнению со скоростью свободного падения, как
показали эксперименты, мала и может быть исключена
из рассмотрения.
При выпуске в момент разрушения динамически неус-
тойчивого свода над отверстием в движение приходит вся
масса прилегающего к нему сыпучего материала. В ре-
зультате смещения опорных частиц разрушаются и вос-
принимающие давление вышележащих слоев статические
своды, чем обеспечивается подход новых частиц в зону
выпуска и создаются условия для образования нового ди-
намически неустойчивого свода.
Уравнение истечения сыпучего материала из отверстия
Переходя к количественному описанию процесса исте-
чения, рассмотрим условия существования динамически
неустойчивого свода в идеальном случае, когда слой со-
Рис. 3. Схема действия сил на систему шаров,
находящихся в равновесии
ставлен из одинаковых шарообразных частиц диаметром
d с одинаковым коэффициентом внутреннего тренияр и
весом Р [75]. Симметричность свода относительно осей
координат позволяет в первом приближении свести задачу
к рассмотрению равновесия плоской системы' сил
(рис. 3). Несмотря на такую идеализацию, объясняемую
статистическим характером распределения параметров
частиц и создающую возможность аналитического описа-
32
ния, получаемые уравнения удовлетворительно согласу-
ются с экспериментом.
Задача состоит в нахождении такого взаиморасполо-
жения шаров, при котором наша система под действием
указанных сил будет находиться в равновесии. Иными
словами, необходимо найти уравнение, характеризующее
изменение углов, под которыми направлены силы, дейст-
вующие на шар, в зависимости от координат точки их
приложения. Поскольку рассматриваются шарооб-
разные частицы, направление реакций опор Ni
и Л^2 будет проходить через центр шара, а силы
трения Ti и Т2 будут им перпендикулярны. Условие рав-
новесия относительно прямоугольной системы координат
х'—у', выбранной таким образом, чтобы ось у', совпада-
ла по направлению с силой N2, запишется следующим
образом:
S Х’ = + Nlx. + т,х, + N^, -/>,.= о,|
2/ - Т2„, + + Tla,-Nv-P„ = 0.)
После подстановки значений сил и преобразований по-
лучим
1 — —tga
Да = 2---В-----. (14)
tga
Допустим, что кривизна кривой, построенной по цен-
трам шарообразных частиц, образующих свод, пропорцио-
нальна отношению Да, или величины угла между прямы-
ми линиями, соединяющими центры трех смежных шаров,
к диаметру частицы. Это допущение возможно, поскольку
диаметр частиц d есть хорда дуги, являющейся частью
искомой кривой, а Да—угол между двумя смежными
хордами. При отношении диаметра частиц к длине этой
кривой, стремящемся к нулю, величина d стремится к dS,
а значение Да— к углу смежности da между положи-
тельными направлениями касательных к кривой в точках
начала и конца дуги dS, длина которой стремится к ну-
лю. Тогда
. . 1 ——tga
da=2_fe------и---- (15)
dS d tga
где k — коэффициент пропорциональности, являющийся
функцией координат точки. В первом прибли-
, жении k = const.
3—250
33
~ da
Записывая вместо ---- стандартное значение кривизны
dS
кривой [333] и учитывая, что tga — , приходим к диф-
dx
ференциальному уравнению
1 — ~ у'
у" —2—
(Ц-/2)*/’ d У'
(16)
Интегрирование выражения (16) дает параметрические
уравнения семейства интегральных кривых:
х = — cos Р Г—cos (a+p)+1, 15 sin р cos р X
k I
у =------— cos p [sin (<x+P) + 1,15 cos2 p X
(17)
где P— угол, тангенс которого tgP = — .
P
После умножения уравнения (17) на cosp и sinp, сложе-
ния и подстановки значения tgP
х----— у —---— cos a+Ci----— С2. (18)
р, k fi
Определяем через граничные условия постоянные ин-
тегрирования Ct и С2. После подстановки их в уравнения
(17) и (18) получим:
х = —----и [— cos (a+P)+1,15 —У— X
fe/l+fl2L 1+p2
1 —Р
P
+ P2
p
X 1g ctg2
+ 2,3 -b- lg
1 +p2
sin (a+P)+1,15-^-2
1 + p2
P!
(17а)
— 2,3-----
(1-p2)-
d
y =—-
34 (
х------—у = — jR-j-df 0,5+cos a-----------------
и L \ /l + fxa
(18a)
Для определения наибольшей высоты свода z/max не-
обходимо найти значение угла аг, под которым действует
на частицу, лежащую вверху рассматриваемой половины
свода, реакция от противоположной части его. Трение бу-
дет до тех пор препятствовать началу движения частицы,
пока котангенс угла между направлением действия силы
на частицу и опорной поверхностью будет меньше танген-
са угла трения. В данном случае а2 будет дополнять этот
предельный угол до 90°. Следовательно, ctg (90—а2)^
1
и tga2^H- Отсюда cosa2> Л • Тогда
V1 + и2
Утах. И
R+d (0,5 + - Л
\ Vi +р2/
(19)
Как следует из общего свойства задач, рассматривающих
равновесие с учетом сил трения, и способа определения
постоянных интегрирования, значения х, у и ymzx, най-
денные по формулам (17) и (19), являются наименьши-
ми из возможных. Анализ и решение уравнений (17а) и
(18а) относительно угла а, изменяющегося в пределах от
ai до а2 .показывают, что кривая, проходящая по центрам
находящихся в равновесии шаров, представляет собой
часть положительной ветви параболы, укладывающейся в
одном квадранте.
Парабола же в целом имеет осью симметрии одну из
осей координат. Кривая, описывающая равновесный свод,
представляет собой результат соединения двух таких ча-
стей парабол, лежащих в смежных квадрантах.
Тогда эксцентриситет кривой, описывающей динами-
чески неустойчивый свод над отверстием, запишется как
в =
1 I d
/? + 0,5d j/i-i-paJ
(20)
Описанный выше механизм движения частиц при вы-
пуске их из отверстия предполагает истечение как ре-
зультат свободного падения частиц после разрушения
равновесного свода. При этом, исходя из формы кривой,
3*
35
описывающей свод, средняя скорость истечения составля-
ет половину максимальной, т. е.
к>о = О,5штах, (21)
а максимальную скорость истечения определяют при ус-
ловии падения частиц с высоты z/max:
1 — ц
®max
2gp /?+d (0,5 +
(22)
Выражение, характеризующее частоту образования v
рассматриваемых сводов, может быть получено из следу-
ющих соображений:
QcBv = QIICT — w0S, (23)
где QCB—общий объем частиц, составляющих свод;
Qhct—объем частиц, выпущенный из отверстия
площадью S со средней скоростью
Если рассматривать свод как полуэллипсоид, получен-
ный вращением равновесной кривой вокруг оси орди-
нат, то
Г «2
SCB = n (fl + 0,5 d)2 4-0,5-^ In
8
1 — 8
= jtjR2 (1 + 0,5
d
а
или

&в=л (1—п) R2(l + 0,5 4Р (и; 4)1’
\ А / |_ \ А /_
/ Я \2 Г
0,605л7?2( 1 + 0,5 —-1 t
d \1 ,
; — d.
С учетом уравнений (21) и (22)
w0 = 0,605 (1 +0,5 —Г Гf (и; —)] dv,
\ R / L \ R / J
(24)
v=l 17 [f(p; —y, (25)
d I R J
30
где
В2
1 + 2---------• ------—
* + 0,5d
Значения функций Р(р; — ) и f(p; —) от пара-
R R
метров выпуска представлены на рис. 4.
В случаях, когда размер частиц много меньше радиу-
са выпускного отверстия и для приближенных вычисле-
37
ний, формулы (19), (20), (22), (24), (25) упрощают до
следующего вида:
Утах
o'max = /2gptf,
|i2
1 Р
1g
dv,
Р-1 2 * * _
(19а)
(20а)
(22а)
(24а)
v = 1,17 --------—-°’5
1 + 1,15—=
(25а)
1g---------г ........
1 —V 1 — |Л2
Сопоставление результатов расчетов по уравнению
(2^) с экспериментальными данными показало, что рас-
хождение между ними не превышает 13%, при средней
его величине 2—6%.
При встречном потоке газа скорость истечения кусков
будет меньше на величину, определяемую торможением
этих кусков газовым потоком *. Уравнение сохранения
энергии группы вылетающих частиц может быть записа-
но как
- mgh ± Др0 Sh — FT h, (26)
где Др0 — разница давлений газа в окружающей среде
и свободном объеме между сводом и выходя-
щей группой частиц. Полагая, что сопротив-
ление группы частиц протекающему газу свя-
зано линейно с этой разницей давлений, что
вполне оправдано при имеющих место на
практике скоростях истечения, примем, что
величина Др0 постоянна вплоть до выхода
группы частиц из отверстия, после чего она
падает до нуля;
1 Ю. И. Борисов и Л. 3. Ходак [101] предположили, что умень-
шение скорости истечения в этом случае обусловлено образованием
под действием газового потока вокруг отверстия сферического коль-
ца из частиц и соответственным сокращением площади отверстия.
Однако такое предположение представляется несколько искусствен-
ным, тем более, что с его помощью трудно объяснить увеличение
расхода сыпучего при избыточном по сравнению с окружающей сре-
дой давлений газа в слое. . .
38 I
S — эффективная площадь сечения группы ча-
стиц.
лР2
2
п);
п — «просвет», т. е. отношение свободной и сум-
марной площади миделева сечения группы;
FT — сила торможения. При малых скоростях газа
ею можно пренебречь.
Тогда с учетом уравнений (21) и (22) получим:
Дро ~|
я d\ '
p;~lj
(27)
Расчет по уравнению (27) показывает, что при истече-
нии крупного кокса и перепаде давления газа Др0=2х
X Ю-3 кГ/(см2 • см), т. е. в два раза большем, чем это име-
ет место в среднем по столбу материалов в доменной пе-
чи, скорость истечения уменьшается на 60%» а при увели-
чении этого перепада еще в 1,5 раза можно ожидать пре-
кращения истечения.
Выражения, близкие по виду к уравнению (27), были
получены в результате экспериментальных и теоретиче-
ских исследований Мак Диглом и Эвансом [100], Я. Г. Му-
товиным и У. П. Дзюбой [113], Резником и др. [114]. Под-
ставив в уравнение (27) параметры выпуска из экспери-
ментов Резника и др. [114], получим значение коэффици-
ента при Др0, равное 0,69. В эксперименте это отношение
было равно 0,67.
Результаты анализа уравнений (2Д) и (22) хорошо
согласуются с основными закономерностями выпуска сы-
пучих тел, полученными Г. М. Малаховым [23, 24] и дру-
гими исследователями в результате проведения соответ-
ствующих работ. Установление механизма истечения из
отверстия, и в частности роли динамически неустойчивых
сводов, позволяет объяснить ряд связанных с истечением
явлений, например таких, как устойчивость выпуска,
и разработать способы его контроля и рационали-
зации.
39
Условие устойчивости выпуска сыпучих материалов
Нарушение устойчивости выпуска сыпучих материа-
лов, вплоть до полного прекращения его, весьма распро-
страненное явление при истечении этих материалов из вы-
пускных отверстий бункеров, силосов и т. п. Не исключе-
но, что подобного рода явления имеют место и при по-
ступлении кокса в зоны горения, когда вследствие изме-
нения физико-механических свойств кусков нарушается
стационарность процесса подхода новых порций кокса к
динамически неустойчивым сводам над этими зонами. Во
всяком случае многочисленные исследования зон горения
[118, 119], в том числе и авторов [51], показывают, что
весьма значительным колебаниям подвержены как раз-
меры зон циркуляции, скорость движения материалов
над ними, так и расход дутья по фурмам [120, 123], что.
в ряду других причин может быть вызвано и изменением
количества поступающего сюда кокса.
И. Г. Половченко в исследованиях зон горения с по-
мощью радиоактивных изотопов [124] наблюдал случаи,
когда ампула с изотопом прекращала свое движение над
зоной горения.
При выпуске сыпучих материалов из бункеров подоб-
ные явления объясняют либо загромождением выпускно-
го отверстия крупными глыбами, либо склонностью вы-
пускаемого материала к слеживанию.
Последнее, как правило, отождествляется с большим
количеством мелких фракций в массе сыпучего матери-
ала. Однако на практике встречается большое количество
случаев, когда обе эти причины отсутствуют, а матери-
алы без постороннего механического воздействия из вы-
пускного отверстия не выходят.
Эксперименты Ведата [125], Р. Квапила [68] и др. по-
казывают, что большую роль играет правильно выбран-
ное отношение эквивалентного диаметра отверстия и ди-
аметра частиц сыпучего материала. Эти исследователи
для обеспечения устойчивости выпуска предлагают под-
держивать данное отношение в пределах 1,12—3. Во мно-
гих исследованиях, например в работе [109, с. 183], отме-
чается значительное влияние на устойчивость выпуска
коэффициентов трения сыпучего материала (внутреннего
и о стены бункера). В то же время в ряде работ [72—74,
113—116, 127] отмечается роль газопроницаемости слоя
40
на скорость его истечения, вероятность зависаний и т. д.
В качестве средства предотвращения зависаний рекомен-
дуется подача воздуха под избыточным давлением в уча-
стки слоя, прилегающие к выпускному отверстию (в зо-
ну выпуска). Отметим, что последнее находит объяснение
в рассмотренном влиянии аэродинамики слоя на истече-
ние и создаваемом при дискретном истечении разре-
жении.
С позиций механизма дискретного истечения сыпучего
материала нарушение устойчивости выпуска объясняет-
ся подходом к отверстию частиц, физико-механические
свойства которых предопределяют такое изменение усло-
вий образования динамически неустойчивых сводов, ког-
да их контуры должны были бы расположиться за пре-
делами статического свода Протодьяконова. Как отме-
чалось выше, последний препятствует передаче давления
от вышележащих слоев вниз, а его разрушение, обеспечи-
вающее подход новых порций материала в зону выпуска
при нормальном истечении, обусловливается тем, что
опорные частицы и тех и других сводов общие. В силу
этого при разрушении динамически неустойчивых сводов,
разрушаются и статические своды.
В том случае, когда динамически неустойчивый свод
совпадает со сводом статического равновесия, его само-
произвольное разрушение оказывается невозможным,
так как на частицы накладываются дополнительные свя-
зи, прекращается их «обкатывание» друг по другу.
Анализ показывает, что динамически неустойчивые
своды более пологи в средней своей части, чем своды
статического равновесия. Условие нормального истечения
требует выполнения неравенства
Куг.св > ^д.н.св’ (28)
я
где V,., = — и w „ „ — соответственно наибольшие воз-
^СТ.СВ ц ^л.н.св
вышения стрелки свода стати-
ческого равновесия и динами-
чески неустойчивого свода.
Используя равенство (19), после несложных преобра-
зований неравенство (28) можно представить как соот-
ношение между основными параметрами выпуска, при
котором обеспечивается устойчивое самопроизвольное
истечение,
41
R g2
d 1 — g2
0,5+ 1
]A+g2)
(29)
Из условий свободного прохода частиц через отвер-
R
стие следует, что при выпуск вообще невозмо-
R ,
жен, а при < 1 самопроизвольное истечение малове-
роятно.
Следовательно, область устойчивого истечения огра-
ничена осью ординат, прямой, параллельной оси абсцисс
и имеющей ординату, большую единицы, и кривой, опи-
сываемой уравнением (29). Соответствующая диаграмма,
Рис. 5. Диаграмма
устойчивости выпус-
ка:
1 — кокс; 2 — агломе-
рат; 3 — руда
характеризующая условия устойчиво-
сти выпуска, приведена на рис. 5. При
использовании последней следует учи-
тывать, что действительная граница
между областями устойчивого и за-
трудненного выпуска должна пред-
ставляться не линией, а полосой боль-
шей или меньшей ширины. Формально
это следует из того, что уравнение (29)
представляет собой неравенство. Фи-
зический смысл этого требования за-
ключается в том, что кривизна дина-
мически неустойчивых сводов и сводов
устойчивого равновесия может быть
различной. В результате этого может
оказаться, что еще до того, как точки
наибольшего возвышения этих сводов
совпадут, большая часть динамически
неустойчивого свода выйдет за преде-
лы контура свода устойчивого равно-
весия. Саморазрушение же первого
из-за нарушения контура равновесной
кривой происходит вследствие об-
катывания друг по другу составляющих его частиц. При
выходе значительной части динамически неустойчивого
свода за пределы положения устойчивого равновесия
(свода Протодьяконова) такое обкатывание становится
затруднительным, причем тем больше, чем большая
часть динамически неустойчивого свода окажется за пре-
делами свода устойчивого равновесия.
42
Экспериментальная проверка уравнения (29) была
проведена путем определения диаметра выпускного от-
верстия, которому соответствовало нарушение устойчи-
вости выпуска.
Результаты этих экспериментов представлены на
рис. 5 и свидетельствуют об удовлетворительном их
согласовании с теоретическими данными. Заметим также,
что приведенные выше данные других исследователей
[68, 125] также ложатся вблизи расчетной кривой. В то
же время и Ведат, и Р. Квапил предполагают линейную
зависимость между у? и d, что может иметь место только
в случае постоянства других параметров выпуска. Дейст-
вительно, как это следует из уравнения (29) и рис. 5, ве-
личина этого отношения существенно зависит от коэф-
фициента внутреннего трения. При постоянстве послед-
него из уравнения (29) следует прямая зависимость ми-
нимального размера выпускного отверстия от размеров
наибольших кусков. Так, определенные по диаграмме
устойчивости выпуска значения отношения R/d для песка
и гравия, коэффициент внутреннего трения которых ко-
леблется от 0,7 до 0,9, изменяются от 1 до 2,4, что весьма
близко к экспериментально определенным Ведатом [125]
критическим отношениям R/d, уменьшение которых приво-
дит к зависанию.
По данным, полученным Ведатом, величина R/d для
этих материалов составляет 1,12—2,1. Рекомендуемое
Р. Квапилом [68] критическое отношение R/d—2,72 соот-
ветствует на диаграмме коэффициенту трения, приблизи-
тельно равному 0,9 и характерному для наиболее распро-
страненных сыпучих материалов.
При колебаниях размеров зоны циркуляции, которые,
Как показывают исследования, достигают значительных
величин, и изменении физико-механических свойств кок-
са могут, по-видимому, иметь место подвисания, вызван-
ные нарушением критического отношения размеров зон
горения и кусков кокса. На возможность такого рода
подвисаний указывают Л. Г. Шумаков [18] и Д. В. Ефре-
мов [34]. Действительно, при сокращении размера актив-
ной части зоны горения до 300—400 мм и размере кусков
кокса 50—60 мм уже при коэффициенте трения, равном
0,9, характерном для этой фракции, нарушается устойчи-
вость истечения и, следовательно, создаются условия для
подвисания.
43
Контроль истечения сыпучих материалов
Дозировка и взвешивание сыпучего материала осу-
ществляются хотя и сложными, но удовлетворительными
способами. Однако контроль равномерности выпуска
сыпучих материалов, имеющий в ряде Случаев первосте-
пенное значение, до настоящего времени решен неудов-
летворительно.
Относительно простой метод контроля истечения сы-
пучего материала основан на использовании явления
дискретного истечения его через стадии образования и
разрушения динамически неустойчивых сводов [129—
131]. Регистрация возникающих при образовании по-
следних распорных усилий позволяет определить часто-
ту выхода групп частиц из отверстия после разрушения
сводов, а для данного материала между частотой обра-
зования (разрушения) свода и скоростью истечения име-
ет место, как это следует из уравнения (24), линейная
зависимость.
Как видно из выражений (24) и (25), частота образо-
вания сводов существенно зависит при прочих равных
условиях от скорости истечения и размеров частиц сы-
пучего материала. Это позволяет использовать указан-
ную частоту не только для. контроля скорости истечения
или объемного расхода сыпучего материала, но и для
характеристики гранулометрического состава истекаю-
щих сыпучих материалов [129].
Эксперименты, состоящие в одновременной с кино-
съемкой регистрации распорных усилий, подтвердили
предположение о том, что колебания давления при вы-
пуске связаны с образованием и разрушением сводов —
количество воспринятых пьезокристаллом колебаний
давления оказалось равным числу сводов, запечатлен-
ных на кинопленке, а частота сводообразования — соот-
ветствующей расчетной по формуле (25).
Отметим, что Н. Г. Дубынин [63] приходит в вопросе
о влиянии размера отверстия на частоту сводообразова-
ния к противоположным результатам, констатируя
уменьшение частоты сводообразования с увеличением
ширины отверстия. Однако противоречие это скорее
кажущееся, так как Н. Г. Дубынин анализировал изме-
нение частоты импульсов с максимальной амплитудой.
Очевидно, в соответствии с рассмотренными выше осо-
44
бенностями распределения давлений при истечении сы-
пучего материала наибольшая амплитуда их колебаний
должна иметь место в своде устойчивого равновесия
Протодьяконова. Стрелка же последнего пропорциональ-
на размерам выпускного отверстия, а частота образова-
ния (разрушения) сводчатых структур в объеме сыпуче-
Рис. 6. Пьезокерамический датчик для определения частоты
образования динамически неустойчивых сводов:
1 — направляющее кольцо; 2 — внешний боек; 3, 15 — амор-
тизаторы; 4 — фланец; 5 — гайка; 6 — прокладка; 7 — шайба-
ограиичитель: 8—боек; 9 — пьезокристалл (пьезокерамиче-
ский диск); 10 — обойма-изолятор; 11—корпус пьезокристал-
ла; 12, 14 — контактная пластина с выводом; 13 — прижим-
ная гайка; 16 — корпус датчика
го материала обратно пропорциональна квадрату рас-
стояния от центра выпускного отверстия до наиболее
удаленной от него точки1 [66]. Г. Н. Корнев [109, с. 51]
и др., исследовавшие колебания давления в плоскости
выпускного отверстия, получили аналогичную уравнению
(24) зависимость частоты этих колебаний от параметров
выпуска.
1 Фиал-ков Б. С. Исследование закономерностей движения
столба шихты в доменной печи. Кандидатская диссертация. Алма-
Ата, Институт металлургии и обогащения, 1963.
45
Частота образования сводов может быть определена
с помощью различных методов. Очевидна целесообраз-
ность использования
Рис. 7. Схема установки
и включения датчика
для этого распорных усилий, одно-
значно связанных с частотой об-
разования сводов.
Для реализации способа конт-
роля истечения в промышленных
условиях был предложен датчик
[129, 131], эскиз которого пред-
ставлен на рис. 6. Датчик 1
(рис. 7) устанавливается в устье
бункера 2 так, чтобы внешняя
воспринимающая плоскость его
была заподлицо с внутренней по-
верхностью бункера. Возникаю-
щие при образовании сводов рас-
порные усилия воспринимаются внешним бойком и пере-
даются на пьезокристалл. При сжатии последнего выра-
батывается э.д. с., поступающая на вход усилителя 3.
Рис. 8. Сопоставление расчетной
частоты сводообразования с
данными опыта. Выпуск кокса
из бункера. Размеры выпускно-
го отверстия 500 X600 мм. За-
штрихованы области расположе-
ния экспериментальных точек
тельности питателя
Усиленные и сформированные импульсы поступают через
регулируемый ограничитель 4 на вход частотомера 5.
Датчик и метод в целом испытаны в лабораторных
условиях на бункерах с графитовыми гранулами и дроб-
46
леным агломератом и в производственных условиях на
бункерах с коксом и известняком (табл. 1, рис. 8). Про-
изводственные испытания датчика показали, что метод
контроля истечения сыпучих материалов по частоте сле-
дования распорных усилий может быть рекомендован
для широкого внедрения. Будучи сблокирован с вибра-
тором, датчик может быть использован для предотвра-
щения зависаний сыпучего материала.
Таблица 1
Частота сводообразования при выпуске различных материалов
Выпуск материала Частота сводообразования Ошибка Д, %
опытная рассчитанная по уравнению (25)
Графитовые гранулы (й=2ч-6 мм; 7?=14 мм, р=0,51) 53,80 54,0 4-0,37
Агломерат (d=4 мм; /?=13,5 мм; р=0,5) 45,46 45,9 4-0,959
Известняк (d= 100-е-200 мм; R= =550 мм; р=0,8) 10,00 10,5 4-5,00
Описанный способ может быть применен для опера-
тивного контроля расхода сыпучих материалов из бун-
керов, силосов и т. д.
Весьма перспективная модификация описанного спо-
соба была разработана Н. М. Рудным и др. [132, 133],
согласно которым расход сыпучего материала определя-
ют с помощью емкостного датчика, включенного в мо-
стовую схему, по среднему значению выходного сигнала,
пропорционального произведению частоты обрушений
сводов на количество обрушившегося материала.
Выше речь шла о контроле свободного истечения сы-
пучего материала, когда скорость истечения однозначно
определяется условиями образования и разрушения ди-
намически неустойчивых сводов. При несвободном выхо-
де материалов из бункера, например при выдаче мате-
риалов с помощью различного рода питателей, причин-
но-следственные связи процесса истечения изменяются.
В этом случае обрушение очередного динамически неус-
47
тойчивого свода может произойти лишь после того, кйк
будет убран материал, лежащий под сводом и сообщаю-
щий ему статическую устойчивость. Поскольку время
образования и обрушения свода мало по сравнению со
временем выхода материала из-под свода, линейная за-
висимость между частотой обрушения этих сводов и ско-
ростью выдачи материалов (их весовым или объемным
расходом) в соответствии с (24) сохраняется (рис. 9).
Весьма перспективно регулирование выпуска путем
изменения режима работы воздействующего на него виб-
ратора в функции частоты обрушения сводов. При этом
возможно снижение мгновенных колебаний производи-
тельности питателя с 9 до 1,5—2%.
Выводы
1. Показано, что истечение сыпучих материалов из отверстия
носит не непрерывный, как это предполагалось ранее, а дискретный,
порционный характер.
2. Дискретный характер истечения, равно как и независимость
скорости истечения от высоты слоя сыпучего материала, обусловлен
образованием (и разрушением) над отверстием динамически неу-
стойчивых сводов.
3. Установление дискретного характера истечения через стадии
образования и разрушения динамически неустойчивых сводов поз-
волило дать аналитическое описание этого процесса и разработать
способы и устройства для его контроля.
Ill
ПОСТУПЛЕНИЕ КОКСА В ЗОНУ ЦИРКУЛЯЦИИ
доменной печи и условия ее образования
Движение кокса у фурм доменной печи
Очевидное влияние горения кокса у фурм на ход и
степень совершенства доменного процесса в целом пред-
определило внимание к нему со стороны исследователей.
Однако в большинстве случаев объектом изучения явля-
лось собственно горение, а механические явления, со-
провождающие его, детальному рассмотрению не под-
вергались. Длительное время преобладала точка зрения,
согласно которой горение кокса в доменной печи проис-
48
ходит в слое аналогично сжиганию кокса на колоснико-
вой решетке, но уже Ленингс [32] констатировал значи-
тельное разрыхление кокса перед фурмами. К аналогич-
ным выводам пришел и Д. В. Ефремов [34]. По Д. А.
Диомидовскому [35] фурменная зона—это область груше-
видной формы, вытянутая к оси печи и слегка приподня-
тая вверх. При этом отмечалась возможность при опре-
деленных условиях циркуляции кусков кокса.
Серьезным вкладом в развитие представлений о ме-
ханических явлениях, имеющих здесь место, сыграли ис-
следования, проведенные в СССР, США и Англии [28—
31]. Применение скоростной и стереоскопической кино-
съемок позволило установить, что движение кусков но-
сит характер циркуляции в потоке дутья и продуктов го-
рения, когда опускающиеся сверху куски подхватыва-
ются этим потоком и вначале относятся в глубь горна,
затем поднимаются вверх или отводятся в стороны и
возвращаются обратно к фурме. При этом происходит
частичный обмен кусков с окаймляющей эту зону мало-
подвижной частью шихты. И. Г. Половченко [36] допол-
нительно показал, что часть кокса поступает в зону го-
рения снизу, так как при плавании шихты в чугуне и
шлаке имеет место явление, подобное «обратному» фон-
тану. Хотя этот вопрос специально и не рассматривался
в упомянутых исследованиях, но согласно имевшим до
недавнего времени наибольшее распространение взгля-
дам предполагалось, что поступление кокса в зоны го-
рения носит по существу тот же характер, что и при сло-
евом процессе, т. е. происходит постепенная замена сго-
ревших кусков новыми из окружающего пространства.
Поступление кокса в зону циркуляции
Общность явлений истечения сыпучего материала из
отверстий и поступления кокса в зону циркуляции не ис-
ключает, однако, ряда специфических особенностей по-
следнего, в числе которых значительная роль должна
принадлежать циркулирующему потоку, колебаниям раз-
меров зоны горения и ее структурных составляющих,
формированию последних во взаимодействии с процес-
сом поступления и горения кокса и т. д. Несмотря на
применение скоростной киносъемки в экспериментах
Эллиота, Бьюкенена, Бернса, И. П. Бардина, М. Я. Ост-
4—250
49
роухова, Л. 3- Ходака и др. [28—31, 134, 189], дискрет-
ности поступления кокса в зону циркуляции не было за-
фиксировано. Вероятно, внимание исследователей было
сосредоточено на самом явлении циркуляции кокса. Еще
в 1947 г. Д. В. Ефремов [34] обнаружил явление сводо-
образования в зонах горения доменных печей с поступ-
лением кокса в эти зоны после обрушения сводов. При-
чем Д. В. Ефремов дал неверную, с нашей точки зрения,
оценку этому явлению, полагая, что оно является отри-
цательным фактором, понижающим интенсивность до-
менной плавки. Д. В. Ефремов сделал полностью согла-
сующийся с излагаемыми представлениями вывод о раз-
витии явления сводообразования, с увеличением
количества дутья, поступающего в доменную печь.
Вопросу выявления механизма поступления кокса в
зону циркуляции посвящено исследование [135, 136] на
холодных и горячих моделях зон горения, проводившее-
ся с применением ускоренной киносъемки. Наряду с
другими материалами осуществлялась циркуляция сухо-
го льда, которая позволяет, сохраняя простоту холодного
моделирования, использовать известную аналогию меж-
ду испарением сухого льда и горением кокса.
Эти эксперименты показали, что поступление частиц
в зону циркуляции носит так же, как и при истечении из
отверстия, дискретный характер. При циркуляции как
сухого льда (рис. 10), так и кокса или полистирола пос-
ле обрушения свода наблюдается временное «перепол-
нение» зоны циркуляции. В процессе движения избыточ-
ные, не успевшие испариться куски расходуются на по-
строение нового свода, чем и обеспечивается постоянст-
во (во времени) загрузки зоны циркуляции. Последнее
интересно сопоставить с наблюдавшимся И. Г. Полов-
ченко [124] резким колебанием интенсивности восприни-
маемого приемником излучения при нахождении в зоне
горения ампулы с радиоактивным изотопом и его выво-
дом о периодическом выходе ампулы из пределов зоны
циркуляции. В наших экспериментах полному испаре-
нию куска льда отвечало двух-, трехкратное участие его
в сводообразовании.
Горячее моделирование проводили на огневом стен-
де, оборудованном фурмой диаметром 20 мм. Использо-
вали кокс фракции 3—6 мм. Киносъемка зоны циркуля-
ции через глазок фурмы показала (рис. 11), что при го-
50
Рис. 10. Стадии образования и разрушения сводов при цир-
куляции сухого льда
рении кокса отсутствуют какие-либо принципиальные
отличия от описанной картины. В связи со спецификой
киносъемки через фурму (в поле зрения объектива не
попадает верхняя часть зоны циркуляции, где формиру-
ется свод и т. п.) не удается проследить все детали ме-
ханизма поступления кокса. Однако наблюдавшиеся пе-
риодичность загрузки зоны циркуляции, отбрасывание
избыточных кусков на периферию и т. д. говорят об од-
4*
51
Рис. 11. Кинограмма поступления кокса в зону
циркуляции на огневом стенде
нотипности механизмов поступления материалов в зону
циркуляции на огневом стенде и на холодных моделях.
Результаты специально проведенных экспериментов
позволяют описать возникновение зоны циркуляции сле-
дующим образом. При определенных условиях струя
дутья и продуктов горения приобретает способность уп-
лотнять находящиеся перед фронтом ее движения и при-
легающие к ней участки слоя. На некотором удалении,
определяемом равенством работы, потребной для даль-
нейшего уплотнения слоя, и остаточной энергии струи,
52
происходит поворот струи вверх и назад (рис. 12). Над
образовавшейся таким образом полостью формируются
своды устойчивого равновесия и динамически неустой-
чивые своды. По достижении этой полостью размеров,
обеспечивающих свободный, устойчивый выпуск, начина-
ется собственно циркуляция кусков.
В этих экспериментах наблюдали описанные впервые
И. Г. Половченко два контура циркуляции — располо-
женный выше первона-
чального направления
струи, вращающийся про-
тив движения часовой
стрелки и занимающий
большую часть зоны цир-
куляции и расположен-
ный ниже первоначаль-
ного направления струи,
вращение которого про-
тивоположно первому.
В зоне циркуляции
следует выделить следую-
щие области: централь-
Рис. 12. Направление газовых потоков
в зоне циркуляции. Пунктиром отме-
чена граница зоны циркуляции
ную, периодически при
обрушении свода «переполняющуюся» кусками кокса,
горение которого должно иметь характер вспышек; об-
ласть наиболее развитой циркуляции газа и кусков кок-
са, где значительны скорости их движения, а горение
кокса получает существенное развитие; промежуточ-
ную — медленно перемещающийся, по сравнению с кус-
ками в предыдущей области, слой, в котором горение
кокса наиболее развито; и, наконец, ограничивающую
зону циркуляции плотную, малоподвижную область, где
в основном происходит восстановление продуктов полно-
го горения.
Размеры зоны циркуляции
Размер зоны циркуляции является одним из основ-
ных параметров, определяющих поступление в нее кокса.
В отличие от выпускных отверстий бункеров, размеры
которых в общем случае не подвержены изменениям под
воздействием процесса истечения, на размеры зоны цир-
куляции влияют процессы поступления и горения кокса,
эвакуации продуктов горения и т. д. Тем самым созда-
53
ется сложная система обратных связей, когда парамет-
ры струи дутья, формирующей зоны циркуляции, отнюдь
не однозначно определяют окончательный результат ее
воздействия на слой кокса. Этим в большей степени и
объясняется противоречивость данных различных авто-
ров, основывающихся на более или менее эмпирических
соотношениях между кинетической энергией дутья и
длиной зоны циркуляции [145]. Основной предпосылкой
для рассмотрения кинетической энергии дутья в качест-
ве определяющего фактора является высказываемое ря-
дом исследователей [153] соображение о необходимости
равенства центробежных сил, возникающих при цирку-
ляции, реакции окружающей зону среды и весу вышерас-
положенных материалов [151]. Однако следует учиты-
вать, что центробежные силы возникают не до, а после
начала циркуляции. Образование же полости перед фур-
мой, благодаря чему и возникает циркуляция, происхо-
дит под действием иных сил и с иным механизмом, когда,
как это было показано выше, струя дутья, раздвигая ку-
ски, вначале образует в слое кокса канал. В этот канал
и начинается обрушение порций кусков кокса. В объеме,
ограниченном снизу этим каналом, а сверху и с боков —
поверхностью динамически неустойчивого свода, проис-
ходит циркуляция.
Таким образом, для определения размеров зоны цир-
куляции особое значение приобретает глубина проникно-
вения струи дутья в слой кокса. Последнюю представ-
ляется возможным выразить аналитически, если рас-
сматривать выходящую из фурмы струю дутья не сплош-
ной, а состоящей из отдельных конгломератов частиц,
т. е. распространить на нее положение о дискретности
истечения. Это тем более оправдано, что неразрывность
и сплошность струи являются скорее балансовыми в зна-
чительной мере абстрактными понятиями,- применимыми
при усреднении состояния струи на значительных отрез-
ках времени и длины, нежели отражающими действи-
тельную ее структуру в любой данный момент. Обшир-
ный экспериментальный и аналитический материал
[152—158] достаточно убедительно подтверждает спра-
ведливость изложенного для случая жидкостей. Более
того, исследования Дж. Д. Бернала и его последовате-
лей [159—161, с. 12; 27] прямо указывают на дискретную
структуру жидкости, когда молекулы ее объединяются в
54
компактные группы с большей или меньшей степенью
стабильности, аналогичные частицам идеального слоя.
С меньшим основанием можно говорить об упорядочен-
ности строения газов. Однако достаточно хорошо извест-
ны прерывность газовых струй, периодичность их струк-
туры, в том числе и на начальном участке [190], вызыва-
ющая, в частности, появление дискретных составляющих
в их акустическом спектре [163]. Д. В. Рэлей прямо от-
мечает, что у основания струи «в том месте, где она толь-
ко что покидает отверстие, имеется хорошее приближе-
ние к разрывному течению и высокая степень неустойчи-
вости» [181], имеющей импульсный характер. Здесь же
констатируется линейная зависимость частоты следова-
ния неустойчивостей струи от скорости потока, получив-
шая подтверждение во многих последующих работах, в
частности [186—187].
Заметим, что с позиций дискретного механизма исте-
чения жидкостей и газов разрывность их струй получает
естественное объяснение. В то же время обычно привле-
каемые для объяснения этого явления предположения о
том, что за распад струи ответственны внешние возму-
щения, приложенные к ней, видимо, не могут быть при-
знаны удовлетворительными, так как при наличии в
струе развитых неоднородностей эти возмущения долж-
ны были бы претерпевать значительное затухание. В
этом отношении характерны результаты экспериментов
Г. А. Ересько [164], показавшего, что на размер капли
распадающейся струи определяющее влияние оказывает
диаметр выпускного отверстия, тогда как влияние плот-
ности и поверхностного натяжения незначительно. Оче-
видно, что в случае разрыва струи под влиянием колеба-
ний, вызванных внешними возмущениями, и, в частности,
приложенными к концу струи, плотность и поверхностное
натяжение должны были бы иметь превалирующее зна-
чение.
Предположение о дискретном механизме истечения
жидкостей и газов через стадии образования и разруше-
ния динамически неустойчивых сводов позволяет объяс-
нить и существенное отличие их поведения при истечении
от поведения сыпучих материалов. Речь идет о влиянии
высоты слоя (или, что то же самое, давления) на ско-
рость истечения, проявляющемся у жидкостей и газов
в широком диапазоне величин отношения высоты к диа-
55
метру отверстия и практически не ощутимом при выпус-
ке сыпучих материалов. Причина этого состоит, по-види-
мому, в следующем. Стрелка свода устойчивого равно-
весия, воспринимающего давление вышележащих слоев,
обратно пропорциональна величине коэффициента внут-
реннего трения, а стрелка динамически неустойчивого
свода, регулирующего скорость истечения, ему прямо
пропорциональна. При значениях коэффициента внут-
реннего трения, приближающихся к единице, как это
имеет место при выпуске сыпучих материалов, стрелка
свода устойчивого равновесия соизмерима с диаметром
выпускного отверстия. В то же время разница между
стрелками сводов устойчивого равновесия и динамически
неустойчивым мала, а следовательно, мала и масса за-
ключенных между ними частиц, благодаря чему величи-
на дополнительного ускорения, сообщаемого частицам
из обрушившегося, динамически неустойчивого свода, в
результате действия этой силы невелика. Тогда же, когда
коэффициент внутреннего трения мал (в случае жидко-
сти или газа), соответственные величины достигают
больших значений. Таким образом, здесь, по-видимому,
имеет место лишь количественное различие при общно-
сти самого явления.
Выше было показано, что при выходе из отверстия
группы частиц ниже вновь образующегося свода возни-
кает разрежение, тормозящее движение этих частиц.
Этим можно объяснить результаты экспериментов
Е. А. Сигаева [165], установившего, что при сообщении
плоскости выпускного отверстия с атмосферой дально-
бойность и кинетическая энергия струи воды резко воз-
растали. При сообщении зоны выпуска с атмосферой
разрежение исчезает, а значит, и противодействие исте-
чению должно быть тем выше, чем под большим давле-
нием истекает жидкость. Заметим, что этими же сообра-
жениями может быть объяснено и явление эжектиро-
вания.
Количественное описание истечения жидкостей и га-
зов принципиально не должно отличаться от соответст-
вующего описания сыпучих материалов. Однако здесь
должна быть учтена начальная скорость, сообщаемая
частицам во время разрушения динамически неустойчи-
вого свода давлением газа или жидкости, заключенной
между ним и сводом устойчивого равновесия.
56
При некоторой высоте Н уровня материалов над плос-
костью отверстия объем, оказывающий давление на ди-
намически неустойчивый свод, может быть определен как
V = ±nR2(H—^), (30)
а давление, испытываемое конгломератом
ставит
частиц, со-
(1 - т) & - (Н - pR),
6 Л / а \
(31)
где d — эквивалентный диаметр конгломерата.
Тогда с учетом конфигурации свода среднее по его
контуру ускорение конгломерата частиц будет равно:
#ср
а начальная скорость
Скорость же истечения с учетом поправки на тормо-
жение группы частиц оказывается равной
—d
(33)
Заметим, что величина поправки на торможение за-
висит, помимо давления окружающей среды, от индиви-
дуальных свойств истекающей жидкости или газа, таких
как подвижность частиц в конгломерате, плотность их
укладки и т. д.
57
При Н > 7? 5> d, что обычно имеет место при исте-
чении жидкостей и газов, первое слагаемое уравнения
(33) оказывается пренебрежимо малым по сравнению со
вторым и выражение для скорости истечения принимает
вид:
представлен на рис. 13. Выражение (34) тождествен-
но формуле Торичелли с соответствующими эмпиричес-
кими поправками:
w0=qV2gH,
(35)
где q>= 0,62 н-0,63 [166].
Численное сопоставление выражений (34) и (35) по-
казывает, что при наиболее вероятных для жидкостей и
газов значениях р <0,2 значениям <р в формуле Тори-
челли отвечает порозность т=0,39, что соответствует
составленной из восьми шаров
пространственной элементарной
ячейке с углом при вершине 0 =
= 70° 20'. Отношение свободного
объема в этом случае к свобод-
ному объему при максимальной
плотности укладки шаров (т —
=0,259) составляет 1,505, что
близко к полученному Чунгом и
Дайлером [167] (на основании
расчетов уравнения состояния
для решеточной модели) значе-
нию этого отношения, меньшему
1,54.
Предельное значение давления жидкости (газа), вы-
раженного через высоту столба, увеличение сверх кото-
рого не должно оказывать влияния на скорость истече-
ния, определяется достижением этим уровнем стрелки
58
свода устойчивого равновесия. Максимальное значение
скорости истечения будет:
jjymax _ (pj у |—т
(36)
Предлагаемый механизм истечения жидкости или га-
за имеет характер первого приближения, а математиче-
ский аппарат содержит ряд упрощений. Однако, как нам
представляется, этот механизм, не противореча извест-
ным положениям, дает естественное объяснение сопро-
вождающим процесс истечения явлениям.
Прерывистость газовых струй позволяет рассматри-
вать образование канала, предшествующего началу
циркуляции, как результат взаимодействия (в первом
приближении чисто механического) движущегося от
фурмы с определенной начальной скоростью конгломе-
рата частиц воздуха (или газа) со слоем кокса. На этот
конгломерат частиц действуют силы веса Р, подъемная
сила ±77, силы аэродинамического сопротивления Т и
сопротивления слоя внедрению Ф. Согласно второму за-
кону Ньютона
М— =—Р + П — Т — Ф. (37)
dx
Принимая в первом приближении массу конгломерата
частиц М постоянной, силу аэродинамического сопро-
тивления — пропорциональной квадрату скорости дви-
жения конгломерата, силу сопротивления слоя внедре-
нию — пропорциональной скорости его движения и рас-
сматривая проекции на продолжение оси фурмы1, имеем:
М^=—саР — awr. (38)
dx XX
с
Разделив обе части уравнения (38) на М и приняв “ —
а
= Р и ~= <р , получим
. = — Р^ —(рлу
dx х х
1 Проекции подъемной силы и веса конгломерата в этом случае
равны нулю.
59
После интегрирования и необходимых преобразова-
ний глубина проникновения конгломерата частиц в слой
определится как
х = — In (1—+ 1
₽ Ф
(39)
С ростом времени полета этого конгломерата слагаемое
e~4>z интенсивно приближается к нулю и, следовательно,
поскольку целью настоящего рассмотрения является оп-
ределение предельной глубины проникновения струи
дутья, этим членом можно пренебречь. Тогда
'пред ’
= — 1П — Wx + 1 ,
₽ Ф
(40)
где wx — скорость входа конгломерата частиц в слой,
м1сек\
kpS а
Р = 0,5~, 1/ж, и ср = “ , Х/сек— соответствен-
но коэффициенты, характеризующие свойст-
ва конгломерата частиц 1 * и слоя;
S — площадь сечения тела, №;
р — плотность среды, кг/ж3;
k — коэффициент формы тела.
Анализ экспериментальных-данных и размерностей по-
зволяет представить коэффициент <р, характеризующий
сопротивление слоя внедрению конгломерата частиц, как
л 1 Щ J—1 1 /
<р == 6gu-----Дэкв Т3, Нсек,
т] М
(41)
Заметим, что время затухания волны, напряжения
т3, вызванного внедрением в слой конгломератов частиц,
при нормальном течении процесса не должно быть боль-
шим интервала времени между внедрениями 1/v'. В про-
тивном случае будут иметь место характерные для мо-
мента, предшествующего псевдоожижению слоя, концен-
трация напряжений, разрывы слоя и т. д. Исходя из пре-
1
дельного значения т3 = ~7 и из равенства секундной
1 Пропорциональность силы аэродинамического сопротивления
соотношению размеров тела, плотности среды, площади сечения те-
ла и квадрату скорости его движения, так же как и сопротивления
слоя внедрению — первой степени скорости, следует из многочислен-
ных восходящих к Ньютону экспериментальных данных.
60
массы дутья произведению частоты выхода конгломера-
тов частиц из фурмы v' на массу конгломерата =
•-уЯфРдИ'д ’ ПОЛУ™
<Р - 4gp-----™Рслрэкв\2_!_ , 1/Сек>
/И Рд \ Оф /
(42)
где Рсл, Рд — соответственно плотность кусков, составля-
ющих слой, и дутья или потока газа, кг[м3\
d9KB, £*ф — диаметры эквивалентного куска и фурмы
соответственно, ж;
— скорость газа, предшествующая псевдо-
ожижению, м1сек\
т — порозность слоя;
р, — коэффициент внутреннего трения слоя.
Используя выражение (83), характеризующее скорость
газа, предшествующую псевдоожижению, запишем
<р^35,7-!—У(б/экв+1,816 /Г0,5, (43)
т Тд \ Тк / \ £>ф /
где f — коэффициент трения качения кусков, составля-
ющих слой, м.
Возвращаясь к вопросу об условиях формирования
зоны циркуляции, отметим различие структуры слоя
(степень его уплотнения) по различным направлениям.
Естественно, что это обусловливает и различия сопротив-
лений слоя внедрению в него конгломерата частиц, спо-
собствующие отклонению направления движения слоя
от горизонтали на некоторый угол, характеризующий из-
менение плотности слоя по направлению. Характерно в
этом отношении, что анализ материалов скоростной ки-
носъемки показывает, как большая ось зоны циркуляции,
продолжающая в самом начале процесса ось фурмы,
после нескольких обрушений динамически неустойчивых
сводов образует с осью фурмы некоторый угол, тем боль-
ший, чем на большую величину переуплотняется слой
перед внедряющимся в него конгломератом. Показа-
тельно, что угол наклона к горизонту большой оси зоны
циркуляции полистирола заметно больше угла наклона
большой оси при циркуляции сухого льда. Это можно
объяснить тем, что испарение сухого льда в окружающем
зону циркуляции слое способствует дополнительному
его разрыхлению, т. е. в некоторой степени уменьшается
61
эффект уплотнения слоя. При горении кокса аналогич-
ную роль выполняет восстановление продуктов горения
в слое.
В тех случаях, когда при образовании зоны циркуля-
ции на механические процессы накладываются теплофи-
зические и химические, как это имеет место при горении
Рис. 14. Характер зависимости
протяженности зоны циркуля-
ции L от скорости дутья гдд
по уравнению (44)
наибольшее удаление от
кокса или отчасти при испаре-
нии сухого льда, на располо-
жение и размеры зоны цирку-
ляции оказывают влияние так-
же изменения массы конгло-
мерата частиц и его объемного
веса во времени, а следова-
тельно, и на пути взаимодейст-
вия его со слоем.
В идеализированном слу-
чае размеры зоны циркуляции
в соответствии с уравнениями
(42) и (19) могут быть пред-
ставлены следующим образом:
газа фурмы (большая ось)
L = — In — w0 + 1,
₽ <Р °
(44)
высота над большой осью
В = 0,5 -У- In w0 + 1
₽ Ф °
(45)
Общий вид графика, описываемого уравнением (44),
представлен на рис. 14. Следует заметить, что в связи
с малостью отношения — в уравнениях (44) и (45) по-
следние могут быть представлены в более простом виде:
т 1
— w0,
Ф
(44а)
В 0,5 ц — w0.
Ф
(45а)
В соответствии с ранее рассмотренным (стр. 41) са-
мопроизвольное обрушение динамически неустойчивых
сводов возможно только при условии несовпадения кон-
туров устойчивого и динамически неустойчивого сво-
дов. При образовании зоны циркуляции, которая и на-
62
чинается лишь после обрушения динамически неустойчи-
вого свода, это условие будет выполняться, тем более,
что поднимающийся газовый поток препятствует в из-
вестной мере этому обрушению. Тогда большую ось зо-
ны циркуляции можно уподобить диаметру выпускного
отверстия
ц2
£ . >> О
ътш „
1 — [I2
(46)
а минимальная скорость, при которой образуется эта
зона,
Последнее неравенство может быть значительно уп-
рощено, если учесть, что при малом показателе степени
1+а.
Тогда
и2
^min>2a)H _±_
о V экв J _ ц2
0,5+ -1
К1 + и2)
(48)
На существование нижнего предела скорости дутья,
разграничивающего слоевой и циркуляционный режим
горения, указывает и Л. 3. Ходак [151]. Расчет по урав-
нению (48) для условий доменной плавки приводит к
значению этой скорости 80—90 м/сек, что весьма близко
к экспериментально установленной Л. 3. Ходаком вели-
чине 70—100 м/сек.
Экспериментальная проверка выражений (44) и
(48) была произведена как путем обработки литератур-
ных данных, так и с помощью специальных исследова-
ний на холодных моделях, огневом стенде и действую-
щих доменных печах (рис. 15). Обращает на себя вни-
мание линейный во всех случаях характер зависимости
размеров зоны циркуляции от скорости дутья, соответст-
вующий виду уравнения (44). Исследователи, отмечаю-
щие влияние кинетической энергии дутья на протяжен-
ность зоны циркуляции, в тех случаях, когда приводят
зависимость последней также и от скорости дутья, на-
пример данные Вэгстафа и Халмена [143], иллюстриру-
ют ее графиком, приближающимся к прямой линии.
63
Рис. 15. Влияние скорости дутья на протяженность зоны циркуляции:
---------по экспериментальным данным;---------------расчет по урав-
нению (44а):
1 — эксперименты на доменных печах Чусовского и Нижне-Салдииского метал-
лургических заводов и данные Д. В. Ефремова [34]; 2— опыты на огневом
стенде при горении кокса; 3 — то же, при отсутствии горения; 4 — экспери-
менты на модели; 5, 6 — данные В. Е. Козина и А П. Баскакова [169].
з.ц
СО
з.ц
— протяженность зоны циркуляции по оси фурмы, определенная соот-
ветственно по местоположению точки начала уменьшения концентрации СО2
и увеличения СО. /5вц и — расстояние от глаза фурм соответственно
до видимой границы зоны циркуляции и до плотного слоя, определенное
прямыми методами
и L
Влияние различных факторов на протяженность
зоны циркуляции
Исключительно большое влияние порозности слоя
как на размер зоны циркуляции, так и на минимальную
скорость дутья, при которой наблюдается ее образова-
64
ние, отмечалось в работе Л. М. Цылева и др. [168].
В экспериментах авторов на огневом стенде наблюдали
более чем двукратное сокращение размеров зоны цир-
куляции при уменьшении порозности слоя от 0,5 до 0,3.
В равной степени, сразу же после резких сбросов дутья,
при восстановлении первоначального его расхода протя-
женность зоны циркуляции сокращается на 37—40%, а
давление дутья повышается на 5—10%-. Характерным яв-
ляется значительное сокращение при этом толщины про-
межуточного слоя. С течением времени давление дутья
снижается и постепенно восстанавливаются первона-
чальные размеры зоны циркуляции, чему предшествует
увеличение толщины промежуточного разрыхленного
слоя.
В то же время сравнение динамики развития разме-
ров зоны циркуляции на свежезагруженном, уплотнен-'
ном слое и при возобновлении подачи дутья на фурму
после плавного его уменьшения говорит о более быст-
ром в последнем случае достижении стабильных размеров
зоны циркуляции. При уменьшении же расхода дутья оп-
ределенным его значениям отвечают размеры зоны цир-
куляции большие, нежели при увеличении расхода.
Сказанное относится к экспериментам на «холодных» мо-
делях. При горении кокса, как показали исследования
на стенде и доменных печах, эти явления выражены ме-
нее четко, но полностью сохраняют свое значение. Оче-
видна отсюда облегчающая развитие зон циркуляции
роль первоначального, при малых расходах дутья, слое-
вого режима горения, когда происходит разрыхление
слоя кокса перед фурмой. Можно предположить, что од-
ной из причин «сброса» дутья при раздувках доменной
печи после коротких остановок и тем более осадок яв-
ляется излишне поспешное увеличение подачи дутья в
печь, когда сопротивление столба шихты проходу газов
оказывается большим, чем при тех же расходах дутья
до прекращения его подачи, из-за относительного умень-
шения зон циркуляции, а следовательно, и размеров эл-
липсоидов разрыхления, образующихся над ними.
На размеры зоны циркуляции большое влияние ока-
зывает соотношение диаметров фурмы и кусков кокса.
В работах Л. М. Цылева, М. Я. Остроухова и Л. 3. Хо-
дака [168], В. Е. Козина и А. П. Баскакова [169] послед-
нее находит экспериментальное подтверждение. Так,
5—250
65
превы-
быстро
разме-
(49)
согласно данным работы [168], при диаметре фурм 30 мм
и мощности струи дутья 150 кГ-м/сек увеличение раз-
мера кусков кокса с 5 до 10 и 15 мм привело к сокраще-
нию длины зоны циркуляции соответственно до 0,329 и
0,195 от первоначальной. Расчет по уравнению (44) при-
водит к величинам 0,354 и 0,193 соответственно, т. е.
расхождение с экспериментальными данными не
шает 8%'.
При увеличении скорости истечения дутья
сокращается абсолютная величина приращения
ра зоны циркуляции:
dL _ 1 1
dw0 р w0 + <p/p ’
что свидетельствует об относительно узком диапазоне
изменения размеров зоны циркуляции при различных
расходах дутья. По-видимому, последнее является одной
из причин экстремального характера зависимости ре-
зультатов доменной плавки от величины кинетической
энергии [170]. Ухудшение этих результатов после дости-
жения определенного значения кинетической энергии
можно объяснить тем, что дальнейшее приращение рас-
хода дутья и газа оказывается больше приращения газо-
проницаемости шихты, определяющейся ее разрыхлен-
ностью, в значительной степени зависящей, как это бу-
дет показано ниже, от размеров зон циркуляции (вы-
пускного отверстия). Распределение газового потока при
этом искажается, что, естественно, приводит к ухудше-
нию показателей доменной плавки. Местоположение фо-
куса горения, располагающегося, согласно данным [31],
на границе зоны циркуляции в промежуточном слое, что
подтверждается и данными авторов, оказывается при
резко разнящихся расходах дутья практически на од-
ном и том же расстоянии от глаза фурмы, составляющем
600—900 мм. Ограничение условий существования зоны
циркуляции позволяет связать колебание расхода дутья
по фурмам доменной печи с чередованием слоевого и
циркуляционного режимов горения кокса на данной
фурме [174]. Известно, что перераспределение дутья по
фурмам доменной печи может быть весьма хаотичным и
достаточно частым [171]. В то же время увеличение обще-
го расхода дутья несомненно уменьшает вероятность
снижения его на отдельную фурму (при перераспределе-
66
нии) до величин, недостаточных для поддержания цир-
куляции. Последнее подтверждается данными И. А. Ко-
пырина и М. Я. Остроухова [171], согласно которым от-
носительное количество диаграмм циркуляционного ти-
па, возрастая с ростом отношения количества дутья к
объему печи, асимптотически приближается к некото-
рой постоянной величине. 7
Как будет показано ниже, основной причиной колеба-
ний размеров зоны циркуляции являются изменения теп-
лового состояния горна. При этом участие в образовании
очередного динамически неустойчивого свода избыточ-
ных частиц из ранее обрушившегося свода является свое-
образной «обратней связью», способствующей стабилиза-
ции размеров зон циркуляции. Процесс же стабилизации
имеет характер затухающих колебаний, длительность пе-
риода которых определяется величиной возмущения, раз-
мерами зоны, мощностью соучаствующих потоков и т. д.
Причем длительность периода значительно больше вре-
мени, разделяющего два смежных обрушения динамиче-
ски неустойчивых сводов. Обусловленные этими «круп-
номасштабными» колебаниями изменения расхода дутья
и являются, по-видимому, причиной чередования при
определенных условиях циркуляционного и слоевого ре-
жимов горения кокса. В известной степени такое чередо-
вание можно считать показателем устойчивости процес-
са, ровности хода печи, характеризующим степень воз-
мущенности процесса в горне.
Выше отмечалась значительная роль порозности слоя
в формировании зоны циркуляции. Естественно, что и
при ее существовании изменение порозности окружаю-
щего зону циркуляции слоя кокса и в особенности про-
межуточного разрыхленного слоя вызывает изменение
ее размеров [207]. Порозность же эта и толщина проме-
жуточного разрыхленного слоя в значительной степени
определяются интенсивностью восстановления двуокиси
углерода, протекающей в промежуточной диффузионно-
кинетической области [168, 183]. Скорость реакции СО2+
+ С = 2СО в значительной степени зависит от того запа-
са тепла, который может быть использован здесь для
компенсации ее отрицательного теплового эффекта, а
следовательно, и для поддержания температуры, на том
или ином уровне. Тем самым тепловое состояние соот-
ветствующего сектора горна определяет степень рас-
5* «7
тянутости области прохождения реакции восстановления
углекислоты, толщину слоя вокруг зоны циркуляции, в
котором благодаря расходованию на эту реакцию угле-
рода кокса имеет место дополнительное разрыхление.
В связи с этим при некотором охлаждении вмещаю-
щего данную зону циркуляции сектора горна прохожде-
ние реакции образования СО в большем объеме вы-
Рис. 16. Диаграмма устойчивости длины зоны го-
рения при различной температуре нагрева дутья
зовет увеличение разрыхления слоя кокса, прилегающе-
го к границам зоны циркуляции. Тем самым, создаются
условия для проникновения струи дутья и продуктов го-
рения на большую глубину, а значит, и для увеличения
размеров зоны циркуляции. При разогреве горна про-
цесс идет в обратном порядке.
В установлении температурного уровня процесса го-
рения, запаса тепла в горне, наравне с теплосодержа-
нием и температурой перехода в жидкоподвижное со-
стояние шлака [184], большую роль играют теплосодер-
жание и температура нагрева дутья.
Для выяснения характера горения кокса и влияния
на него различных факторов было проведено исследова-
ние зон горения малых и больших доменных печей с по-
лезным объемом от 330 до 1513 ж3. При этом были под-
тверждены прежние выводы о значительных изменениях
длины зоны горений при постоянстве или слабом изме-
68
нении параметров дутья, сделанные Н. И. Красавцевым
и А. П. Любаном [118], Л. М. Цылевым [119] и др.
В наших исследованиях протяженность зоны горения
А3.г, определенная по 2% СО2 и практически неизмен-
ных параметрах дутья, колебалась в пределах от 1200 до
1800 мм. Как следует из рис. 16, экспериментальные
точки при определенных температурах дутья расположи-
лись в виде суживающихся по мере увеличения количе-
ства дутья Qa полей. При этом оказалось, что поля то-
чек для различных температур дутья частично наклады-
ваются друг на друга, что говорит о возможности суще-
ствования при высокой температуре дутья больших зон
горения, чем при низкой. Уменьшение разброса точек
с ростом теплосодержания дутья, по-видимому, доста-
точно убедительно иллюстрирует положение о сущест-
венной роли запаса тепла в горне в формировании и
стабилизации размеров зоны горения.
Сопоставление характера распространения зон горе-
ния по оси фурм и химического состава чугуна из бли-
жайшего к моменту отбора проб газа выпуска показало,
что во многих случаях более коротким зонам горения
соответствуют чугуны с повышенным содержанием крем-
ния; при сравнительно холодных чугунах наблюдались
более длинные зоны горения. В то же время известно,
что содержание кремния в чугуне при прочих равных ус-
ловиях определяется тепловым состоянием горна, а по-
следнее в значительной мере зависит от теплосодержа-
ния приходящего шлака.
Выше отмечалось, что запас тепла и температурный
уровень соответствующего сектора горна существенно
влияют на скорость реакции восстановления двуокиси
углерода, оказывая тем самым косвенное, но весьма су-
щественное влияние на развитие зоны циркуляции бла-
годаря изменению толщины промежуточного разрыхлен-
ного слоя. Заметим, что Л. М. Цылев, М. Я. Остроухов
и Л. 3. Ходак полагают, что размеры этой зоны (200—
300 мм) являются в современных доменных печах, ра-
ботающих с большим количеством дутья, очень неболь-
шими по сравнению с кислородной зоной [168]. В связи с
этим изменение глубины восстановительной зоны, по
предположениям авторов этой работы, не должно оказы-
вать заметного влияния на размеры зоны горения в
целом. Однако согласно нашим исследованиям, если На
69
печах малого и среднего объема толщина промежуточ-
ного разрыхленного слоя, определенная по косвенным
признакам (расстояние между началом интенсивного
увеличения концентрации СО и спада СО2 в газе),
составляла 150—200 мм, то на доменной печи объемом
1513 м3 она достигала 0,5 м [182]. Наконец, из рис. 15
следует, что толщина промежуточного слоя пропорцио-
нальна скорости истечения дутья. Имея в виду влияние
Рис. 17. Зависимость относительной величины Удаления
фокуса горения при слоевом режиме (7) и протяженности
зоны циркуляции (2) от интенсивности горения кокса
процессов перед фурмами на движение шихты при оцен-
ке воздействия различных факторов на зону горения,
следует, по-видимому, рассматривать не столько изме-
нение размеров последней в целом, сколько изменение
размеров зоны циркуляции.
В этой связи отметим экстремальный характер зави-
симости между концентрацией СО2 в точке с наиболь-
шим его значением и отношением величины расстояния
от глаза фурмы до этой точки Л3.цк протяженности зо-
ны горения £3.г в целом (рис. 17). Полагая вслед за
Л. М. Цылевым, М. Я. Остроуховым и Л. 3. Ходаком
[168], что так называемый фокус горения соответствует
границе между зоной циркуляции и промежуточным
слоем,, получаем тем самым зависимость соотношения
между протяженностями зоны циркуляции и зоны горе-
70»
Ния в целом от интенсивности горения. Последняя при
прочих равных условиях достаточно полно характеризу-
ется концентрацией СО2 в продуктах горения. Отметим,
что как в случае слоевого горения, так и при циркуля-
ции кокса, с увеличением интенсивности горения наблю-
дается возрастание относительной длины области интен-
сивного горения за счет восстановительной. Для зоны
циркуляции характерно при этом ее увеличение и сокра-
щение промежуточного разрыхленного слоя.
Показательно, что кривая для случая слоевого горе-
ния располагается в основном ниже кривой для горения
в зоне циркуляции (рис. 17). Последнее, являясь след-
ствием большей растянутости восстановления СО2 в этом
случае, свидетельствует и о меньшей интенсивности про-
цесса в целом. Об этом же говорит и «размытость» ми-
нимума соответствующей кривой, объясняющаяся, по-
видимому, тем, что разграничение окислительной и
восстановительной частей зоны горения определяется
здесь не механическими явлениями, как это имеет ме-
сто в основном при циркуляционном режиме горения, а
условиями течения соответствующих реакций, когда, по-
мимо температурно-теплового уровня процесса, сущест-
венна роль в установлении скорости реакции таких фак-
торов, как крупность кусков кокса, возможность эвакуа-
ции продуктов горения и т. д.
Можно предположить, что изменение направления
кривых в области малых концентраций СО2 объясняется
столь низким температурным уровнем процесса из-за
недостатка здесь тепла, что фокус горения отодвигается
в глубину промежуточного разрыхленного слоя к его
границе с плотным слоем. В результате обусловленный
этим ход кривых изменения температуры и концентра-
ции кислорода, которые имеют при этом меньшие орди-
наты и более монотонный характер, допускает достаточ-
но интенсивное восстановление углекислоты.
Исследование структуры зоны горения прямыми ме-
тодами также показывает, что изменение размеров зо-
ны циркуляции происходит в основном за счет промежу-
точного разрыхленного слоя. Таким образом, роль по-
следнего состоит не только в том, что в его пределах
завершается процесс горения, но и в обеспечении усло-
вий формирования зоны циркуляции и принятия ею раз-
меров, соответствующих текущим параметрам процесса.
71
Выводы
1. Показано, что, так же как и истечение сыпучих материалов из
отверстия, поступление кокса в зону циркуляции у фурм доменной
печи носит дискретный характер, обусловливающий колебание во
времени массы находящихся в этой зоне кусков кокса, а следова-
тельно, и параметров процесса его горения.
2. Рассмотрены условия образования зоны циркуляции и пока-
зано, что установление ее размеров существенно зависит от парамет-
ров слоя кокса, лежащего перед фурмой.
3. Установлено, что на размеры зоны горения и отдельных ее
элементов значительное влияние оказывает тепловое состояние соот-
ветствующего сектора горна.
IV
КОЛЕБАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ДУТЬЯ КАК ИСТОЧНИК
ИНФОРМАЦИИ О ХОДЕ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА
Дискретность поступления кокса в зону циркуляции
и колебания давления дутья
Установление дискретности поступления кокса в зоны
циркуляции у фурм доменной печи создало предпосылки
для контроля этого процесса с помощью наблюдений за
колебаниями давления дутья. Естественно предположить,
что резкие возмущения условий распространения струи
дутья и газов в зоне циркуляции и в прилегающих к ней
участках слоя при обрушении очередного свода и по-
ступлении порции кокса должны вызывать колебания
давления дутья. Для проверки последнего на холодной
модели производили одновременное осциллографирова-
ние распорных усилий от образующихся сводов и коле-
баний давления дутья, а также проводили совмещен-
ную киносъемку зоны циркуляции и экрана электронно-
го осциллографа, регистрирующего эти колебания.
Было показано (рис. 18), что вслед за прекращением
действия распорного усилия с некоторым запаздыванием
возникает возмущение потока дутья, происходящее на
фоне более высокочастотных и меньших по амплитуде,
по-видимому, турбулентных пульсаций. Согласно мате-
риалам киносъемки высокоамплитудные колебания дав-
ления дутья развиваются вслед за обрушением динами-
72
чески неустойчивых сводов и достигают максимума в
момент «переполнения» зоны циркуляции.
Частота образования (и разрушения) динамически
неустойчивых сводов над зоной циркуляции, а следова-
тельно, и колебаний давления дутья, вызванных дискрет -

а
AW W^M***'4***1'’ ALU
г yv* jFv»*’’Г б
Рнс. 18. Колебания давления столба материалов на дно модели (с)
н давления дутья (б) прн одновременной с выпуском продувке слоя
ным характером поступления кокса в нее, может быть
определена с учетом уравнений (24), (27) и (44):
или, что дает удовлетворительное согласование с экспе-
риментом,
Известную трудность при использовании выражений
(50) и (51) составляет определение Дро, так как для
его вычисления необходимо знание скорости газов, дви-
жущихся через динамически неустойчивый свод. Ранее
73
показано (см. рис. 12), что часть газов покидает зону
циркуляции, сохраняя первоначальное направление
струи дутья.
Полагаем, что распределение потоков выходящего
из зоны циркуляции газа пропорционально величинам
поверхностей динамически неустойчивого свода и струи
дутья и продуктов горения в месте ее встречи с грани-
цей зоны циркуляции.
После подстановок и преобразований уравнение для
скорости газа, проходящего через динамически неустой-
чивый свод, будет иметь вид:
а выражение (51) приводится к виду:
(52)
где —концентрация азота соответственно в
дутье.и продуктах горения;
20 — угол раскрытия струи;
Л __________4 То (! + at)________
4и'дТо(1 + «0
После подстановки численных значений малоизме-
няющихся членов выражение (52) запишется так:
1—2,29-10-2%
2
Б,1/сек, (52а)
74
^дТоС1 + «0
где
dKTK 1 + 1.52
ч>) 4
Эксперименты на холодных моделях и огневом стен-
де показали, что результаты расчета по уравнению (52а)
удовлетворительно согласуются
данными (рис. 19).
Заметим, что определенная
с помощью уравнений (52) и
(52а) частота поступления
порций кокса в зону циркуля-
ции в отличие от случая исте-
чения из отверстия не может
быть непосредственно исполь-
зована для определения коли-
чества кокса, сгорающего
перед данной фурмой. Послед-
нее обусловлено многократ-
ным участием кусков в сводо-
образовании.
В то же время сопоставле-
ние рассчитанной и экспери-
ментально определенной часто-
ты сводообразования позволя-
ет получать информацию об
изменениях во времени вели-
чин, положенных в основу рас-
с экспериментальными
Рис. 19. Сопоставление расчет-
ной (пунктирные линии) частоты
поступления порций кокса в зо-
ну циркуляции с данными опы-
тов (сплошные линии) на огне-
вом стенде:
1 — при отсутствии горения;
2 — при горении кокса
чета и в первую очередь таких,
как протяженность зоны циркуляции, порозность окру-
жающего зону циркуляции слоя и т. д.
Как будет показано ниже (стр. 197), частота обруше-
ния динамически неустойчивых сводов определяет ско-
рость движения шихты и объем эллипсоидов разрыхле-
ния над зонами циркуляции. Так как процесс изменения
размеров эллипсоидов разрыхления происходит во вре-
мени, а следовательно, с определенным запаздыванием
относительно первопричины (установления новой ча-
стоты сводообразования), контроль последней позво-
ляет иметь резерв времени для принятия мер, направлен-
ных на предотвращение нежелательных последствий
этих изменений.
75
Весьма перспективным с точки зрения получения ин-
формации о ходе доменного процесса является сопостав-
ление частоты колебаний давления дутья на различных
фурмах доменной печи, а следовательно, и образования
динамически неустойчивых сводов над соответствующи-
ми зонами циркуляции, позволяющее контролировать
равномерность работы фурм и движения шихтовых мате-
риалов по окружности печи. Обращаясь к факторам,
имеющим преимущественное влияние на частоту сводо-
образования, следует прежде всего отметить размер зо-
ны циркуляции и порозность. Собственно, порозность
слоя связана с частотой сводообразования не непос-
редственно, а через размер зоны циркуляции, который,
как было показано ранее, весьма чувствителен к измене-
нию разрыхленности слоя. Однако то, что частота сво-
дообразования связана с размером зоны циркуляции,
близкой к степенной зависимости, а с порозностью— поч-
ти линейной, как это показывает анализ уравнений (50)
и (52), позволяет при выявлении причин изменения этой
частоты отличать последствия увеличения зоны цирку-
ляции из-за возрастания разрыхления слоя от причин,
связанных с другими факторами. Частота сводообразо-
вания существенно зависит от размера кусков кокса и
коэффициента их внутреннего трения. Эта зависимость
близка к гиперболической, причем в первом случае изме-
нение частоты происходит более интенсивно. Весьма
существенно влияние на частоту сводообразования ско-
рости дутья и диаметра фурмы. Прежде всего изменение
этих параметров сказывается на размерах зоны цирку-
ляции и уже как следствие—на частоте сводообразова-
ния, подобно тому, как это имеет место при изменении
порозности. Однако в этом случае зависимость более
сложная, так как скорость дутья, вернее —пропорцио-
нальная ей скорость газов, влияет на величину потерь
напора при их прохождении через слой, изменение кото-
рой сказывается на частоте сводообразования противо-
положно изменению размера зоны циркуляции.
Вторичные явления, связанные с дискретностью
поступления кокса
Дискретное поступление кокса, помимо колебаний
размеров зоны циркуляции из-за ее временного «перепол-
76
нения» после обрушения очередного динамически не-
устойчивого свода и возмущений условий распростране-
ния дутья и продуктов горения, обусловливает и вторич-
ные изменения этих параметров. Последние прежде все-
го связаны с тем, что волна возмущения, вызванного
обрушением свода и сопровождающими его изменения-
ми сопротивления проходу газов прилегающего участка
столба материалов, распространяется до фурмы не мгно-
венно, а во времени. В связи с этим между колебаниями
размеров зоны циркуляции и давления дутья возникает
сдвиг по фазе, который может быть определен через со-
отношение длительностей прохождения волной возмуще-
ния расстояния до фурмы и периода первичных колеба-
ний, или
Ф = 2jtv —,
с
где с—скорость распространения волны возмуще-
ния по направлению к фурме в движущемся
ей навстречу со скоростью w газе:
здесь с0—скорость распространения звука в неподвиж-
ном газе;
х — показатель адиабаты. Для условий зоны цир-
куляции и —1,39.
Представим давление дутья в виде суммы постоян-
ной и подверженной изменениям частей
Н = А + В cos (vt + ф). (53)
Учитывая, что в соответствии с уравнениями (34) и
(44а) протяженность зоны циркуляции L= V Н, период
вторичных колебаний размеров зоны циркуляции может
быть определен из условия — =0:
dx
Вторичные колебания давления дутья легко обнару-
живаются при сжатии масштаба времени осциллограм-
мы до величины, при которой развертка периода пер-
вичных колебаний соответствует ширине луча шлейфо-
77
вого осциллографа, благодаря чему первичные колеба-
ния приобретают характер несущих, а вторичные коле-
бания проявляются как модулирующие (рис. 20). Расчет
по уравнению (54) приводит для условий экспери-
мента на доменной печи к значениям периода вторичных
колебаний в пределах 0,4—0,5 сек, что близко к установ-
ленной опытом величине 0,42 сек.
Заметим, что обнаруженные В. А. Смоляком и др.
[180] пульсации распространения радиации между дву-
мя смежными зонами горения, частота которых, судя по
Рис. 20. Колебания давления дутья:
а — первичные (отметчик времени 50 гц); б — вторичные (отметчик вре-
мени 5 гц)
приводимым данным, превышала 1 гц, обусловлены пер-
вичными и вторичными колебаниями протяженности зон
циркуляции.
Рассматривая колебания, связанные с дискретным по-
ступлением кокса в зону циркуляции, необходимо учи-
тывать и возможность обогащения их спектра в резуль-
тате сдвига по фазе между колебаниями давления газа
и колебаниями тепловыделения. В соответствии с крите-
рием Рэлея [181] как частота, так и амплитуда колеба-
ний давления газа могут изменяться в результате этого
фазового сдвига, а в зависимости от величины его от-
носительно периода колебаний давления газа стимули-
руют либо затухание, либо, наоборот, усиление по-
следних.
Величина сдвига по фазе между колебаниями пара-
метров дутья и газа определится соотношением времен
нарастания возмущения и распространения волны воз-
мущения, с одной стороны, и воспламенения кокса, с дру-
78
гой. Последнее при прочих равных условиях обусловле-
но степенью прогрева кокса, которая в свою очередь за-
висит от температуры, запаса тепла в горне и времени
пребывания кусков у границ зоны циркуляции, т. е. от
скорости их движения, или частоты обрушения сводов.
Как следует из теоретических предпосылок и подтверж-
дено экспериментами на доменных печах, повышение на-
грева горна способствует уменьшению частоты сводооб-
разования и наоборот, т. е. запас тепла должен однознач-
но определять величину рассматриваемого фазового
сдвига. При этом увеличение времени задержки воспла-
менения кокса при поступлении его в зону циркуляции
после обрушения свода должно способствовать уменьше-
нию частоты и увеличению амплитуды колебаний пара-
метров газа и дутья (их давления, температуры, состава
и т. д.), а уменьшение этой задержки — увеличению час-
тоты этих колебаний.
Наконец, перераспределение дутья по фурмам, изме-
нение теплового состояния прилегающего к данной фур-
ме сектора горна, изменение физико-механических
свойств кокса и т. п. обусловливают еще более низкочас-
тотные колебания размеров зоны циркуляции. Выявле-
ние последних при использовании традиционных спосо-
бов, основывающихся на изучении распределения по ра-
диусу горна состава, температуры, давления горнового
газа, весьма затруднительно, тем более, что во многих
случаях зависимость этих параметров от механических
процессов неоднозначна. В связи с этим был разработан
способ контроля газопроницаемости столба шихты в раз-
личных участках горна печи [182], заключающийся в
том, что по водоохлаждаемой трубе (рис. 21), применя-
емой обычно для отбора проб газа, подается в горн сжа-
тый воздух с постоянным давлением, несколько превы-
шающим давление дутья. В результате подвода воздуха
под прямым углом к оси трубы происходит завихрение
потока, являющееся источником звуковых колебаний,
пропорциональных расходу воздуха [192]. Последние
воспринимаются пьезокристаллическим датчиком, уста-
навливаемым непосредственно у места ввода воздуха в
трубу, а их амплитуда измеряется с помощью низкочас-
тотного милливольтметра или осциллографа. Изменение
во времени (или при перемещении трубы) амплитуды
колебаний давления сжатого воздуха, а следовательно,
79
его расхода свидетельствует об изменении сопротивле-
ния среды, т. е. о меняющейся газопроницаемости слоя
перед истекающей струей. Сопротивление это в зоне цир-
куляции много меньше, чем в окружающем ее слое, чем
и создается возможность определения границы между
ними.
Соответствующие исследования были проведены на
доменной печи объемом 1719 ж3. Их результаты
Рис. 21. Датчик для контроля газопроницаемости
столба шихты по радиусу гориа:
1 — водоохлаждаемый зонд; 2 — манометр; 3 — со-
леноидный клапан; 4 — пьезокристаллический дат-
чик; 5 — низкочастотный милливольтметр; 6 — ка-
тодный осциллограф
(см. рис. 26) согласуются с представлением о зоне цир-
куляции как о пространстве с относительно малым ко-
личеством кусков кокса в нем. Сопоставление характера
изменения по радиусу горна состава газа и амплитуды
колебаний давления сжатого воздуха показывает, что
размеры зоны циркуляции и очага горения (граница по-
следнего определялась по 2% СО2) могут как соответ-
ствовать друг другу, так и существенно (более чем на
30%) различаться.
Как и следовало ожидать, в большинстве* случаев на-
блюдали обратную зависимость между концентрацией
окиси углерода за пределами зоны горения и значением
относительной амплитуды колебаний давления сжатого
воздуха, характеризующей газопроницаемость столба
материалов здесь.
Возвращаясь к вопросу о колебаниях размеров зон
циркуляции, отметим, что контроль местоположения их
80
границ с помощью данного способа и по изменению ха-
рактера «электрического шума» (см. стр. 163) в различ-
ных частях зоны горения [172] показал, что протяжен-
ность зон циркуляции изменяется в пределах 0,75—
1,25 м со средним периодом порядка 5—6 сек [173]
(рис. 22). Одновременно проводившийся на этой печи
Рис. 22. Осциллограмма электрического шума при установке зонда на границе
плотного слоя (отметчик времени 5 гц)
из одной и той же точки фурменного очага показал, что
концентрация отдельных компонентов газа в пределах
зоны циркуляции претерпевает глубокие возмущения (от
50 до 200%) с тем же периодом. По мере выхода за пре-
делы зоны циркуляции амплитуда колебаний состава
газа уменьшается. Соответствующие частоты наблюда-
ются и в спектрах колебаний температуры зоны цирку-
ляции [175, 177], давления дутья [174—178] и т. д.
Амплитудно-частотный спектр колебаний
давления дутья и расположение источников
их возникновения
В столь сложной системе, какой является доменная
печь, колебания давления дутья, равно как и других па-
раметров зоны циркуляции, могут быть обусловлены не
только дискретным поступлением кокса в нее, но и из-
менением состояния этой зоны. В силу этого использо-
вание колебаний давления в качестве источника инфор-
мации о поступлении кокса в зоны циркуляции, а следо-
вательно, и о движении столба шихты над ними возмож-
но лишь в той мере, в какой достоверна идентификация
различных частей амплитудно-частотного спектра этих
колебаний. Последнее приобретает особое значение в
связи с предположением А. С. Кукаркина и Б. И. Китае-
6-250
81
ва о том, что причиной колебаний давления дутья, по
крайней мере, с частотами более 20 гц является барбо-
таж газа через слой шлака.
Имеются две точки зрения как на природу колебаний
давления дутья в доменной печи, так и на порядок их
частот. Как отмечалось выше, одной из причин этого яв-
ляется низкая чувствительность, по крайней мере в диа-
пазоне частот 1—200 гц, применявшейся в исследованиях
А. С. Кукаркина аппаратуры, что помешало ему обнару-
жить колебания давления дутья в этом диапазоне при
ровном ходе печи и послужило основанием для заключе-
ния о том, что они проявляются лишь при нарушениях
схода шихты. Заметим при этом, что, судя по приводимым
в работах [177, 179] условиям эксперимента, обнаруже-
нию колебаний предшествовало похолодание печи. Ха-
рактерно, что в экспериментах авторов на действующих
доменных печах и огневом стенде отмечено увеличение
амплитуды колебаний давления дутья при охлаждении
зоны циркуляции. Последнее, по нашим представлениям,
связано с увеличением динамически неустойчивого сво-
да из-за расширения зоны циркуляции в начале похоло-
дания и с обусловленным этим ростом относительной ве-
личины возмущения.
В противоположность предположениям А. С. Кукар-
кина и Б. И. Китаева [177, 179] в наших экспериментах на
доменных печах малого и большого объема, работающих
в различных условиях, в том числе и при различном ко-
личестве шлака, колебания давления дутья в диапазоне
частот 1—10 гц присутствовали постоянно после начала
циркуляции кокса перед фурмами. К аналогичным выво-
дам пришли на основании исследований других домен-
ных печей В. Г. Воскобойников, Б. Н. Жеребин, В. Н. Ли-
ходиевский [176, 191]. Поскольку имело место принципи-
альное различие в оценке причин и местоположения
источника возмущений газового потока, приводящих к ко-
лебаниям давления дутья, было предпринято соответству-
ющее исследование на доменных печах и огневом
стенде.
Как и в предыдущих исследованиях, использовали
пьезокристаллический датчик колебаний давления дутья
(рис. 23) [137, 139]. Использование пьезокерамического
чувствительного элемента, имеющего резонансную часто-
ту в пределах сотен килогерц, сделало сам датчик прак-
82
тически безынерционным при достаточной степени ли-
нейности в диапазоне частот колебаний давления дутья.
В то же время из-за совпаде-
ния собственных частот колеба-
ний столба газа в подводящей
трубке с теми или иными состав-
ляющими колебаний давления
частотная характеристика датчи-
ка искажается. Естественно, по-
следнее свойственно не только
пьезокристаллическим, а всем ти-
пам датчиков, конструкции кото-
рых предусматривают соединение
чувствительного элемента с ис-
следуемым объемом с помощью
импульсных линий. Устранение
искажений частотной характери-
стики измерительной системы
возможно с помощью введения
так называемого «бесконечного»
акустического сопротивления,
препятствующего возникновению
в ней резонансных явлений, что и
было осуществлено в конструк-
ции датчика (рис. 24), использо-
вавшегося для исследований на
огневом стенде и холодных моде-
лях.
Рнс. 23. Пьезокерамическнй
датчик колебаний давления
дутья:
1 — крышка; 2 — корпус;
3 — Обойма-изолятор; 4 —
втулка; 5 — пьезокерамика;
о — герметизирующая мягкая
мембрана (фольга); 7 — про-
кладка; 8 — проводник; 9-—
контактные болты; 10 — изо-
лирующая втулка
S00
-960
Рис. 24. Пьезокерамическнй датчик колебаний давления дутья
с «бесконечным» акустическим сопротивлением:
1 — пьезокерамика; 2 — корпус пьезокерамики; 3 — звукопрово-
дящая трубка; 4 — щель; 5 — защитный кожух; 6 — поглощаю-
щая прокладка; 7 — резиновая трубка; 8 — ворсистая инть;
9 — изолятор; 10 — контактная пластина
6*
83
При проведении исследований местоположения источ-
ников колебаний давления дутья на доменной печи № 1
Карагандинского металлургического завода полезным
объемом 1513 м3 были осуществлены измерения колеба-
ний давления газов в различных точках по высоте верх-
ней половины шахты и по радиусам колошника и горна
при одновременном фиксировании колебаний давления
дутья на фурмах, обслуживающих исследуемый сектор
печи. При изучении колебаний давления газов по высоте
печи использовали метод вертикального зондирова-
ния [193].
Исследование показало, что, по крайней мере, в пре-
делах чувствительности применявшейся аппаратуры ко-
лебания давления газа с частотой от нескольких герц и
выше не обнаруживаются на всем расстоянии от уровня
засыпи и до Юл ниже его. Наблюдались лишь сверхнизко-
частотные колебания очень малой амплитуды, происхо-
дящие без всякой связи с параметрами работы печи и
расстоянием от уровня засыпи и обусловленные, по-види-
мому, местными неравномерностями схода шихты. Имело
место также возникновение при опускании большого ко-
нуса колебаний значительной амплитуды, уменьшающей-
ся по мере удаления от уровня засыпи. Аналогичные ре-
зультаты были получены при проведении измерений по
радиусу колошника.
Показательно, что в это же время на фурмах непре-
рывно происходили колебания давления дутья (см. рис.
20), наблюдавшиеся на экране осциллографа при усиле-
нии в 25 раз меньшем, чем при поиске колебаний давления
газа по высоте печи или радиусу колошника. Амплитуда
этих колебаний составляла 150—200 мв, что при чувстви-
тельности осциллографа 5 мм!мв свидетельствует о том,
что колебания давления газа соответствующей частоты в
середине шахты и выше имеют величину по крайней ме-
ре в 200—300 раз меньшую, чем на фурмах.
Измерение колебаний давления дутья в трубопроводе
горячего дутья и на закрытых фурмах показало, что их
амплитуда здесь в 5—10 раз меньше, чем в фурменном
приборе, что соответствует наблюдавшемуся как в иссле-
дованиях авторов, выполненных до 1963 г., так и в рабо-
тах Б. И. Китаева [194], А. С. Кукаркина и др. [195] и
объясняется их затуханием [196]. Колебания эти имеют
довольно широкий частотный спектр и могут быть пред-
84
ставлены в виде несущей составляющей, промодулиро-
ванной низкочастотными колебаниями. Частота послед-
них в несколько раз выше, чем на работающих фурмах,
что наиболее вероятно объясняется интерференцией ко-
лебаний, происходящих на фурмах в разных фазах и от-
частоте. Таким образом,
приведенные данные
позволяют сделать вы-
вод о том, что источник
возмущений потока га-
за, приводящих к ко-
лебаниям давления ду-
личающихся друг от друга по
Рис. 25. Изменение характера колеба-
ний давления дутья и газов по длине
зоны горения
тья, находится в нижней части
Рис. 26. Изменение отно-
сительной амплитуды А
колебаний давления га-
зов (/) и газопроницае-
мости столба шихты (2)
по радиусу горна I
столба шихты. Такая ло-
кализация местоположения источника колебаний еще не-
достаточна для обоснованных суждений о их происхож-
дении и, в частности, об ответственности барботажа газа
через слой шлака.
В связи с этим был изучен характер изменения коле-
баний давления дутья и газа в различных точках горна
по оси воздушной фурмы с помощью описанного в пре-
дыдущем параграфе устройства (см. рис. 21). Продувка
его сжатым воздухом позволяла не только контролиро-
вать газопроницаемость горна и протяженность зоны
циркуляции, но и предохранять трубу от заливания жид-
85
кими массами и забивания кусками кокса и пылью. На
время измерения колебаний давления дутья в фурме или
газов в горне подача сжатого воздуха прекращалась.
Из результатов этого исследования (рис. 25 и 26) сле-
дует, что в пределах зоны циркуляции колебания давле-
ния дутья и газа как по своей амплитуде, так и по харак-
теру аналогичны имеющим место в фурменном устройст-
ве (рис. 25,а). Существенные изменения этих колебаний
имеют место в промежуточном разрыхленном слое (г —
е), где происходит непрерывное уменьшение амплитуды
сигнала по мере удаления от границы зоны циркуляции.
В малоподвижном слое кокса (ж—и) амплитуда коле-
баний давления газа имеет значения более чем на поря-
док величин меньшие по сравнению с наблюдавшимися в
зоне циркуляции (б, в).
Анализ затухания 1 различных составляющих колеба-
ний давления газов, проведенный путем выделения соот-
ветствующих частот из общего спектра с помощью ана-
лизатора спектра С4-12 и сопоставления их амплитуд,
показал, что наиболее быстро теряют свою энергию са-
мые высокочастотные колебания. Так, значительное за-
тухание колебаний с частотами выше 150 гц (а = 1,4 ч-
ч-2,8 ж-1) начинается сразу за пределами зоны цирку-
ляции и в промежуточном разрыхленном слое происхо-
дит на 64—70%. Потеря энергии этими колебаниями рез-
ко возрастает в малоподвижной массе кокса, где они за-
тухают практически полностью на расстоянии не более
0,25 м от границы промежуточного разрыхленного слоя.
Более низкочастотные колебания затухают в промежу-
точном разрыхленном слое значительно медленнее (а=
= 0,5 м~1), однако за его пределами коэффициент затуха-
ния существенно увеличивается (а=1,9ж— ’и более) и
уже на расстоянии <1 лот границ промежуточного слоя
низкочастотные колебания затухают на 70—90%
Таким образом, проведенные исследования и, в част-
ности постоянство амплитуды колебаний давления в зоне
циркуляции и резкое ее уменьшение за границей этой
зоны, свидетельствует о том, что источник колебаний дав-
ления дутья в диапазоне 1—10 гц находится в ее преде-
1 Коэффициент затухания а=1п—/Я, где /о и —интенсивно-
Л
сти колебаний в исходной точке и в месте текущего измерения со-
ответственно; Н — расстояние между этими точками, м.
86
лах. К сожалению, специфика исследований фурменной
зоны в доменной печи предопределила возможность изу-
чения распределения колебаний давления дутья и газа
лишь по одному направлению — по радиусу горна. Труд-
но предположить, что распределение колебаний давления
газа по другим направлениям может существенно отли-
чаться, так как параметры зоны циркуляции и промежу-
точного слоя, как показали исследования на моделях,
практически не зависят от направления. Существенное
влияние на изменение величины и знака затухания коле-
баний давления в зоне циркуляции и промежуточном
слое в вертикальном направлении по сравнению с гори-
зонтальным могло бы оказать разве что более интенсив-
ное движение здесь газового потока.
Следует отметить известное увеличение затухания ко-
лебаний параметров газа при их распространении на-
встречу направлению движения потока [197—202]. С од-
ной стороны, в условиях распространения этих колебаний
в слое их затухание вообще возрастает в движущемся га-
зе по сравнению с покоящимся [397]. Тем самым немоти-
вированной оказывается возможность увеличения ампли-
туды колебаний давления газа по мере удаления от зоны
циркуляции (приближения к гипотетическому их источ-
нику, лежащему вне ее) по вертикальному направлению,
тогда как по радиусу горна, где условия распростране-
ния колебаний в пределах зоны горения более благопри-
ятны, имеет место их затухание.
С другой стороны, расчет, произведенный с учетом со-
общаемых в работе [177] амплитуд колебаний давления
дутья, приводит при расположении гипотетического ис-
точника возмущения вблизи зоны циркуляции к величи-
нам возможной амплитуды колебаний давления газа в
месте его возмущения соизмеримым с давлением дутья и
превосходящим последнее при удалении на 3—4 м. По-
видимому, и то и другое маловероятно. Тогда единствен-
ной областью, где барботаж газа через слой рас-
плава мог бы инициировать рассматриваемые колеба-
ния давления газа и дутья, является область зоны цирку-
ляции и промежуточного разрыхленного слоя, хотя это
и не согласуется с предположениями А. С. Кукаркина и
др. [203] о том, что расплав преимущественно опускается
в горн, минуя фурменные очаги. Заметим, что последнее
противоречит наблюдениям Н. И. Красавцева [204],
87
А.. П. Любана [13] и др. Очевидно, в этом случае созда-
ются более благоприятные условия для «захлебывания»
и барботажа газа, чем при движении расплава по схе-
ме А. С. Кукаркина. Но в этом случае оба возможных
источника возмущений газового потока, приводящих к
1 — загрузочный бункер; 2 — отсекающий шибер; 3 — за-
сыпной аппарат; 4 — шомпольное отверстие; 5 — кожух;
6 — огнеупорная кладка; 7 — фурма; 8 — подогреваемая
подина; 9 — отверстия для ввода датчиков; 10 — шлако-
вая летка
88
колебаниям давления дутья с частотами 1—10 гц,— бар-
ботаж газа через расплав и дискретное поступление кокса
в зону циркуляции — оказываются расположенными в
пределах последней.
Рис. 28. Осциллограммы колебаний давления дутья на огневом стенде
при слоевом (а), циркуляционном (б) режимах горения кокса и при моде-
лировании зоны циркуляции полостью в слое кокса (в). Отметчик времени
50 гц
В связи с этим исследование было продолжено на ог-
невом стенде (рис. 27) с использованием пекового кокса
фракции 3—6 мм с зольностью 0,2%. В этом случае воз-
можность «захлебывания» и
барботажа газа через слой
шлака исключалась практи-
чески полностью. Как и в
случае горения кокса у фурм
доменной печи в слоевом ре-
жиме или в экспериментах
на холодных моделях при
отсутствии зоны циркуля-
ции, здесь колебания давле-
ния дутья представлены в
основном относительно вы-
сокочастотной составляю-
щей (рис. 28 и 29). Сопо-
ставление последней с ре-
зультатами исследования
Рис. 29. Относительная интенсив-
ность А частотных составляющих
спектра колебаний давления дутья
на огневом стенде при слоевом 1
и циркуляционном 2 режимах горе-
ния кокса
колебаний давления дутья при истечении его из фурмы
в незаполненный стенд и в безграничный объем позволя-
ет утверждать, что она обусловлена турбулентностью,
возникающей при движении воздуха по фурменному уст-
89
ройству и истечении струи из фурмы. При движении в
слое сыпучих материалов поток газа испытывает интен-
сивную турбулизацию, но передача обусловленных ею
колебаний к фурме, по-видимому, незначительна в силу
интенсивного затухания. Во всяком случае, сколько-ни-
будь заметного обогащения спектра колебаний давления
дутья, возникающих в струе, истекающей в свободный
объем, при ее истечении в слой в экспериментах авторов
не наблюдалось.
Одновременно с началом циркуляции кокса перед
фурмой характер колебаний давления дутья, так же как
это имеет место в доменной печи и на холодных моделях,
изменяется — высокочастотные колебания модулируются
колебаниями низкой частоты (см. рис. 28). Эта возника-
ющая с началом циркуляции кокса низкочастотная со-
ставляющая отчетливо проявляется и в. спектре колеба-
ний давления дутья (рис. 29), а ее частота соответствует
частоте поступления порций кокса в зону циркуляции, оп-
ределенной с помощью скоростной киносъемки и после-
дующей замедленной проекции. Частота этой составляю-
щей удовлетворительно соответствует расчетной величине
(см. рис. 19).
Изменение амплитуды колебаний давления газов по
высоте столба материала в огневом стенде и в горизон-
тальной плоскости (рис. 30 и 31) аналогичны наблюдав-
шимся на доменной печи (см. рис. 25, 26). Последнее, по-
видимому, достаточно убедительно свидетельствует как о
том, что источник колебаний давления дутья находится в
пределах зоны циркуляции, так и о том, что барботаж че-
рез расплав в общем случае не может рассматриваться
как фактор, обусловливающий колебания давления дутья
в диапазоне 1—10 гц.
При этом не исключена возможность обогащения
спектра колебаний давления дутья, в том числе и в рас-
сматриваемом диапазоне вследствие гидродинамических
явлений в доменной печи. В реальных условиях вероят-
ность возникновения захлебывания и связанного с ним
барботажа газа, по-видимому, достаточно мала, что
обусловлено неравномерностью образования жидких фаз
по сечению и возможностью обтекания газовым потоком
(при достаточной газопроницаемости столба шихты)
мест с увеличенным сопротивлением его проходу. Более
того, движение шихты к зонам горения, происходящее со
90
a
Рис. 30. Изменение характера ко-
лебаний давления газов (а) и их
относительной амплитуды (б) по
высоте столба кокса в огневом
стенде. Цифры на осциллограм-
мах — расстояние от оси фурмы,
мм
значительными градиентами скорости, следствием чего
является увеличение по мере приближения к этим зонам
порозности слоя и уменьшение сопротивления проходу
газов, является серьезным фактором, препятствующим
зависанию расплава.
91
Рис. 31. Изменение харак-
тера колебаний давления га-
зов (а) и их относительной
амплитуды (б) по оси фур-
мы огневого стенда. Цифры
на осциллограммах — рас-
стояние от глаза фурмы, мм
В связи с этим представляется, что при большом ко-
личестве шлака захлебывание является не причиной, а
следствием развивающегося подвисания столба шихты,
когда уменьшение его газопроницаемости создает пред-
посылки для «поршневого» режима движения, барбота-
жа газа через расплав и выбрасывания последнего в
верхние, более холодные горизонты.
92
Рассмотренные исследования не исключали возмож-
ности возникновения колебаний давления дутья из-за яв-
лений резонанса в зоне циркуляции. Действительно,
спектр турбулентных пульсаций давления или скорости
струи дутья (см. рис. 29) распространяется в низкочастот-
ную область. Правда, при этом имеет место уменьшение
амплитуды пульсаций, но и зона циркуляции может рас-
сматриваться как резонатор, в котором происходит их
усиление. Специфические условия здесь — переменная
температура, газопроницаемость стен полости и т. д.—
препятствуют выяснению возможности проявления резо-
нанса расчетными методами. В связи с этим при холод-
ном моделировании в слое с помощью каркаса из метал-
лической сетки был зафиксирован у фурмы свободный
объем, соответствующий конфигурации зоны цуркуляции
при нормальных условиях работы стенда. Эти экспери-
менты показали (см. рис. 28), что, несмотря на неизмен-
ность расхода дутья по сравнению с имевшим место при
циркуляции кокса, характер колебаний давления дутья
стал соответствовать слоевому режиму, при котором их
амплитуда в 50—100 раз меньше, чем при циркуляции
кокса и соответствует интенсивности турбулентных пуль-
саций струи дутья. По-видимому, этими экспериментами
также наряду с возможностью резонансного усиления
низкочастотных турбулентных пульсаций в зоне циркуля-
ции исключается из числа причин возбуждения колебаний
давления дутья и прорыв крупных пузырей газа через
слой, как это имеет место при псевдоожижении [205].
Замена естественной зоны цуркуляции ее моделью на
данном явлении сказываться не должна. Однако ни про-
рывов газовых пузырей, ни соответствующих колебаний
давления дутья в экспериментах не наблюдали, хотя опы-
ты проводили в широком диапазоне чисел Рейнольдса.
Впрочем при современных параметрах дутья возмож-
ность «кипения» слоя в высоком столбе шихты малове-
роятна за исключением, быть может, поверхности засыпи.
Было также установлено, что частицы кокса, пересекаю-
щие струю (для чего определенное их количество поме-
щали внутрь каркаса, а в других экспериментах их пода-
вали на свободную струю), не могут привести к возник-
новению рассматриваемых колебаний.
Таким образом, поскольку в проведенных исследова-
ниях были последовательно исключены возможные при-
83
чины возникновения низкочастотной составляющей
колебаний давления дутья и газа, а последняя во всех
случаях возникала с образованием зоны циркуляции пе-
ред фурмами и началом дискретного поступления кокса
в нее, изменяя свои параметры в соответствии с парамет-
рами обрушения динамически неустойчивых сводов, мож-
но констатировать, что фактором, обусловливающим воз-
никновение низкочастотной (1—10 гц) составляющей.ко-
лебаний давления дутья, является дискретное поступле-
ние кокса в зону циркуляции.
Высокочастотная составляющая спектра, обусловлен-
ная турбулентностью струи дутья, обычно простирается
до частот порядка 103 гц, причем по мере увеличения ча-
стоты амплитуда колебаний существенно уменьшается.
В ряде случаев наблюдалось расширение спектра до
5—10 кгц, как правило, возникающее при наличии «про-
дувов» в фурменном устройстве и исчезающее после их
устранения.
Повсеместно в спектре наблюдали колебания инфра-
низкой частоты, связанные с вторичными колебаниями
размеров зоны циркуляции. Имели место и еще более
низкочастотные колебания, более заметно проявляющие-
ся в изменении частоты низкочастотной составляющей,
обусловленной дискретным поступлением кокса в зону
циркуляции. Идентификация этих колебаний затрудне-
на, однако можно предположить, что они связаны с при-
ходом в горн шлака с меняющимся теплосодержанием,
что в свою очередь зависит от порядка загрузки сырых
материалов.
В целом колебания давления дутья представляют со-
бой результат модуляции высокочастотных турбулентных
пульсаций колебаниями низкой частоты, связанными с
обрушением динамически неустойчивых сводов. Соответ-
ственно их спектр имеет смешанный характер —сплошной
в высокочастотной области и линейчатый в низкочастот-
ной. Однако в связи с тем, что изменение параметров, оп-
ределяющих формирование зон циркуляции, носит слу-
чайный, статистический характер, имеет место «размыва-
ние» границ линейчатой составляющей спектра.
При исследованиях спектра колебаний давления дутья
установлено, что интенсивность его высокочастотных со-
ставляющих изменяется во времени с частотой, соответ-
ствующей низкочастотной . составляющей спектра
(рис. 32). Величина этих изменений пропорциональна аб-
солютной величине интенсивности рассматриваемой со-
ставляющей. В то же время различия в относительных
величинах этих изменений в диапазоне до 1 кгц замечено
не было.
Также наблюдаются и некоторые флуктуации частоты
соответствующих составляющих. Сопоставление с из-
вестной зависимостью параметров турбулентных пульса-
ций от скорости движения среды [192] позволяет связать
эти изменения частоты и амплитуды турбулентных состав-
ляющих спектра колебаний давления дутья с меняющей-
ся во времени скоростью истечения дутья в зону цирку-
ляции при периодическом поступлении в нее порций кок-
са. Изменения высокочастотных составляющих спектра
с периодичностью дискретного поступления кокса в зоны
циркуляции представляет значительный интерес с точки
зрения создания высокочувствительных датчиков и упро-
щения приборов. Действительно, изменением длины под-
водящей трубки и величины присоединенного к датчику
объема легко добиться соответствия резонансной частоты
системы датчика и подводящих линий той или иной ча-
стоте спектра, чем обеспечивается значительное усиление
соответственных колебаний в этой системе. Создание та-
кой резонирующей системы значительно легче осуществи-
мо для относительно высокочастотных колебаний. Выде-
ление уже в самом датчике узкой полосы частот (промо-
дулированных несущими информацию) колебаний и их
усиление здесь облегчает обработку сигнала и упрощает
схему соответствующего прибора.
Эксперименты на доменной печи показали реальность
подобного пути. Подбором длины трубки и введением
присоединенного объема (заглушенного с одного конца
95
Рис. 33. Относительная ин-
тенсивность А частотных со-
ставляющих спектра колеба-
ний давления дутья в фур-
менном устройстве доменной
печи при резонансе импульс-
ной линии
патрубка, перпендикулярного основной трубке) можно
усилить сигнал в несколько раз. Бесспорно, этим искажа-
ется его спектр (рис. 33), однако последнее важно лишь
на стадии исследования, поскольку, как отмечалось, ин-
тересующая нас информация при этом сохраняется. В со-
ответствии с изложенными положениями и была скоррек-
тирована конструкция датчиков, использовавшихся в
дальнейших исследованиях, когда основная резонансная
частота измерительной системы
составляла 250—300 гц. При этом
амплитуда основного резонанс-
ного пика в спектре сигнала на
1—3 порядка превышала ампли-
туды промежуточных составляю-
щих.
Еще большего усиления сиг-
нала можно достичь при подборе
таких параметров чувствительно-
го элемента, чтобы его собствен-
ная частота совпадала с собст-
венной частотой колебаний стол-
ба воздуха в подводящей резони-
рующей трубке.
При исследованиях спектра
проведено сравнение колебаний давления на фурмах до-
менной печи с полезным объемом 1513 ж3 при различных
параметрах ее работы в течение длительного времени,
когда датчики были установлены на 16 фурмах. Анализ
полученных результатов показал, что амплитудно-ча-
стотные спектры на всех работающих фурмах не имеют
принципиальных различий и аналогичны описанному
выше. В равной степени это относится и к результатам
исследований на печи полезным объемом 1719 ж3. Во
всех случаях наблюдали возрастание турбулентной со-
ставляющей спектра с увеличением количества дутья и
появление низкочастотной составляющей с началом цир-
куляции кокса. Перераспределение дутья между фурма-
ми соответственно изменяет амплитуды турбулентных
составляющих. Характерно, что наблюдения, проведен-
ные как на этих доменных печах, так и ранее на печи
полезным объемом 330 ж3 при задувках после капиталь-
ного ремонта или длительных остановок, показывают,
что низкочастотные колебания возникают задолго до
96
образования сколько-нибудь значительного количества
шлака. В случае, когда перераспределение дутья
между соседними фурмами приводило к прекраще-
нию на одной из них циркуляции кокса в спектре колеба-
ний давления дутья, поступающего на эту фурму, исчеза-
ла и низкочастотная составляющая.
В то же время при появлении на фурмах шлака на-
блюдалось увеличение частоты и амплитуды низкоча-
стотной составляющей колебаний давления дутья (в мень-
шей степени, но все же заметно, подобное явление
наблюдалось и вообще перед выпуском). По-видимому,
это объясняется увеличением глубины проникновения
струи дутья и газа в горн в связи с уменьшением верти-
кальных размеров зоны циркуляции, особенно вниз от
оси фурмы, при повышении уровня расплава в горне. Уве-
личение горизонтального сечения зоны циркуляции при-
водит в соответствии с изложенными выше к увеличению
частоты обрушения динамически неустойчивых сводов и
объема материалов в них, а следовательно, и относитель-
ной величины вызываемого обрушением возмущения.
Система контроля движения столба шихты
в нижней части доменной печи
Основным источником информации о движении столба
шихты в доменной печи является в настоящее время осу-
ществляемое теми или иными способами измерение пере-
мещения поверхности засыпи. Соответственно наблюда-
ется значительное запаздывание информации об измене-
нии движения столба шихты на нижних горизонтах,
отстоящих на современных печах от контролируемого
более чем на 20 м. При этом перемещение уровня засыпи
контролируется в двух или в лучшем случае четырех точ-
ках, так как увеличение их числа связано со значитель-
ными конструктивными трудностями. Перспективность
увеличения числа охваченных контролем секторов печи,
особенно в нижней ее части, очевидна. В то же время
обнаружение тесной связи между низкочастотной состав-
ляющей колебаний давления дутья и дискретным характе-
ром поступления кокса в зоны циркуляции создаёт воз-
можность контроля движения столба материалов в ниж-
ней части печи, так как обусловливающий дискретность
поступления кокса процесс образования и разрушения
7—250
97
динамически неустойчивых сводов регулирует также и
движение столба шихты.
Таким образом, определение частоты колебаний дав-
ления дутья на фурмах позволяет получить информацию
о движении шихты в различных, соответствующих распо-
ложению фурм, точках окружности нижней части печи
[137, 139]. Испытания подобной системы контроля и вы-
явление объективности получаемой с ее помощью инфор-
мации были проведены в 1960—1962 гг. на доменной печи
с полезным объемом 330 мъ Нижне-Салдинского метал-
лургического завода и в 1963—1966 гг. на доменной печи
с полезным объемом 1513 ж3 Карагандинского металлур-
гического завода.
При установке датчиков на ряде фурм возникает воп-
рос о способе получения информации от каждого из них.
При этом возможны два варианта — один, при ко-
тором каждый датчик соединен со своим вторичным при-
бором и отдельным самопишущим прибором, и второй,
когда применяется система «обегающего» контроля, при
котором датчики поочередно подсоединяются к вторично-
му прибору и самописцу. Преимуществом первого вари-
анта являются непрерывность контроля, некоторое упро-
щение конструкции вторичного прибора, облегчение
наладки и эксплуатации. Однако при этом требуется зна-
чительно большее количество кабелей, возрастают затра-
ты на вторичные приборы и отводятся значительно боль-
шие площади на щите контрольно-измерительных прибо-
ров, чем во втором случае. На малой печи испытали оба
варианта, после чего предпочтение было отдано второ-
му, который с учётом выявленных недостатков был реа-
лизован на большой печи.
На малой печи, имеющей 12 воздушных фурм, контро-
лем было охвачено шесть нечетных фурм. На большой
печи датчики были установлены на 16 фурмах из 18. Пер-
воначально датчики (см. рис. 23) с помощью специального
тройника устанавливали на гляделках фурменных прибо-
ров. После выявления возможности усиления отдельных
составляющих спектра с помощью резонирующих соеди-
нительных трубок и не слишком большого затухания
сигнала в прямых участках фурменного прибора датчики
установили на подвижных коленах фурменных устройств.
Для обеспечения возможности ревизии датчиков и их
замены на .ходу печи соединительные патрубки были обо-
де
рудованы пробковыми кранами. По-видимому, отбор
импульса через отверстие в неподвижной части фурмен-
ного устройства улучшил бы условия эксплуатации дат-
чиков. Однако при этом следует учитывать уменьшение
Рис. 34. Блок-схема макета системы пофурменного контроля дви-
жения столба шихты в нижней части доменной печи
амплитуды сигнала и искажение спектра из-за передачи-
колебаний от соседних фурм.
Испытывавшийся макет системы контроля (рис. 34)
включал датчики, каналы связи, коммутирующее устрой-
ство, частотомер и регистрирующие приборы [140, с 191].
Колебания давления дутья преобразовывались датчика-
ми 2—17 в электрические сигналы, которые по каналам
связи I—VIII передавались на коммутирующее устрой-
ство.
Коммутирующее устройство 19 автоматически пооче-
редно подключало каналы связи к частотомеру 20. Кон-
струкцией коммутирующего устройства предусмотрено,
что все, кроме подключенного в данный момент к часто-
томеру, каналы связи оказываются заземленными. Не-
89
обходимость этого вызвана взаимным влиянием одного
канала связи на другой при их прокладке общим жгутом.
Заземление неиспользуемых в данный момент каналов
связи позволило снизить уровень переходной помехи и
достичь величин отношения полезного синала к помехе
в пределах 10—50.
Опыт длительной эксплуатации макета системы кон-
троля поступления кокса в зоны цуркуляции и движения
столба шихты над ними показал надежность и работоспо-
собность как отдельных его элементов, так и системы в
целом. В то же время исследованиями установлена воз-
можность воздействия на частоту поступления порций
кокса в зоны циркуляции, а следовательно, и на скорость
движения столба шихты над ними с помощью изменения
количества различных добавок (влаги, мазута, кислоро-
да и т. д.), вводимых в фурменную зону вместе с дутьем
[135, 137]. Правомерна в связи с этим постановка вопроса
об использовании колебаний давления дутья не только
для контроля поступления порций кокса в зоны циркуля-
ции и движения столба шихты в нижней части доменной
печи, но и как импульса для регулирования этих процес-
сов.
В этой связи значительный интерес представляет раз-
рабатываемое в Институте автоматики (г. Киев) под ру-
ководством Б. Г. Микрюкова и К- А. Шумилова много-
связное автоматическое управление доменным процессом
[206], синтезирующее системы локального и общего уп-
равления. Предусмотренный здесь автоматический конт-
роль скорости схода шихты основан на положении о дис-
кретном поступлении кокса в зоны циркуляции и на ис-
пользовании соответствующих колебаний давления дутья.
Полученная таким образом информация используется в
системах регулирования распределения природного газа
и кислорода по фурмам и автоматического регулирова-
ния общих расходов дутья, природного газа и кислорода
с целью достижения равномерности движения шихты по
окружности и стабилизации средней скорости этого дви-
жения. В дальнейшем имеется в виду разработка авто-
матических оптимизаторов заданий, использование кото-
рых позволяет корректировать расходы дутья и добавок
к нему в направлении согласования скорости движения
шихты в нижней части печи с конкретными условиями
доменной плавки.
f
100
Влияние технологических факторов на колебания
давления дутья
Уже во время первых экспериментов было отмечено
непрерывное изменение параметров низкочастотной со-
ставляющей колебаний давления дутья. Впослед-
ствии, при испытаниях макетов системы контроля
Рис. 35. Характер изменения во времени частоты колебаний давления
дутья на фурме доменной печи
на печах как малой, так и на печах большой емкости
большие или меньшие флуктуации частоты наблюдались
повсеместно и непрерывно (рис. 35). Последнее может
быть объяснено изменением размеров зон горения
из-за колебаний теплового состояния горна. При
этом следует ожидать соответствующего изменения
объема разрыхленных областей над фурмами и связанно-
го с этим перераспределения газовых потоков по попереч-
ному сечению печи. При увеличении размеров зон
горения и, следовательно, при росте частоты обрушения
динамически неустойчивых сводов следует ожидать повы-
шения температур в распаре и уменьшения давления
дутья. Наблюдения показывают, что почти во всех слу-
чаях изменению частоты1 отвечает запаздывающее на
1 Здесь и далее, где это специально не оговаривается, имеется
161
10—15 мин противоположное по знаку изменение давле-
ния дутья. На малой печи, где возмущения теплового со-
стояния ощущаются острее, а проведение соответствую-
щих измерений облегчено по сравнению с большой, было
Рис. 36. Диаграммы изменения частоты колебаний:
1, 2 — давления дутья по средним значениям за 1 и 5 мин соответ-
ственно; 3 — давления дутья; 4— температуры в распаре над иссле-
дуемой фурмой; 5 — температуры дутья; 6 — количества дутья на до-
менной печи Нижне-Салдинского металлургического завода
показано (рис. 36), что температура в распаре изменя-
ется в том же направлении, что и частота колебаний дав-
ления дутья. При этом запаздывание здесь достигает ве-
личины 40—45 мин, что гораздо больше, чем по тракту
в виду низкочастотная составляющая колебаний давления дутья,
обязанная своим происхождением дискретному характеру поступле-
ния кокса в зоны циркуляции.
102* i
дутья. Само запаздывание и различные значения его мо-
гут быть объяснены тем, что изменение эллипсоидов раз-
рыхления, вызванное уменьшением или увеличением раз-
меров зон горения (о чем и сигнализирует изменение ча-
стоты), происходит во времени.
Как на малой, так и на большой печах наблюдали
существенную зависимость частоты колебаний от харак-
тера работы фурмы. При похолодании на фурме, а осо-
бенно при появлении «товара», частота колебаний за-
метно увеличивалась и, наоборот, горячей работе фурмы
соответствует пониженная частота. Перед выпусками,
особенно при подходе шлака к фурмам, наблюдали неко-
торое увеличение частоты, по-видимому, связанное с уве-
личением горизонтальных размеров зоны циркуляции.
Характерно, что исследование зон горения показало уд-
линение последних перед выпуском. С началом выпуска
частота колебаний снижалась, однако в ряде случаев за-
тем вновь на некоторое время возрастала, особенно на
фурмах, расположенных ближе к чугунной летке.
По-видимому, последнее связано с ускорением схода
шихты здесь при выпуске, когда в соответствующие сек-
торы горна приходит менее прогретый кокс, и температу-
ра в зонах циркуляции несколько снижается, обусловли-
вая увеличение частоты обрушения динамически неустой-
чивых сводов. Это явление наблюдали во всех случаях
только на малой печи; на больших печах при выплавке
литейного чугуна этого явления не обнаружили. При вы-
плавке передельного чугуна, особенно при неустойчивом
ходе, во время выпуска и некоторое время после него
различие в частотах колебаний на отдельных фурмах
уменьшалось. Анализ результатов пофурменного контро-
ля частоты колебаний давления дутья на малой и боль-
ших печах показал, что даже ровный и устойчивый при
оценке по традиционным показателям ход печи сопрово-
ждается различием этих частот на отдельных фурмах и
различным характером их изменения во времени (рис. 37).
При ровном ходе печи характерным является наличие
ведущей группы фурм, частоты колебаний на которых раз-
нятся не более чем на 15—25%, а кривые их изменения во
времени переплетаются; при этом на некоторых фурмах
в течение длительного времени частота колебания пони-
жена (рис. 37, а). В ряде случаев наблюдалось исчезнове-
ние на отдельных фурмах колебаний давления дутья в
103
связи с переходом горения кокса на них в слоевой режим.
Указанное различие частот колебаний давления дутья на
отдельных фурмах еще раз подтверждает как то, что
Рис. 37. Примеры изменения частоты колебаний давления
дутья на фурмах (1—10) доменной печи № 1 Карагандин-
ского металлургического завода (КМЗ) прн ее удовлет-
ворительной работе (а) и при неустойчивом ходе (б)
не только при неустойчивом ходе доменной печи, но и
при нормальной, ровной ее работе имеет место разная и
меняющаяся во времени интенсивность процесса горения
104
кокса на фурмах, так и относительность понятия «ровный
ход» печи [176].
Наблюдения за изменением частот по фурмам пока-
зывают, что все же более устойчивому, ровному ходу пе-
чи соответствует и более постоянная и высокая частота
Рис. 38. Пример изменения частоты колебаний давления дутья на фурмах до-
менной печи Нижне-Салдинского металлургического завода (СМ3) при ииж-
ием подвисании
на основной массе фурм. При этом количество фурм с
пониженной частотой обычно не велико.
С переходом печи на неустойчивый и неровный ход
наблюдается «расслоение» кривых изменения частоты на
фурмах во времени, сопровождающееся увеличением из-
менений частоты на отдельных из них и более длительны-
ми и частыми периодами резкого уменьшения последней
(рис. 37,6). Причем такие изменения наблюдаются на
тем большем количестве фурм, чем более неровным явля-
ется ход печи.
Как отмечалось ранее, при нижних подвисаниях име-
ет место резкое падение частоты, происходящее до нача-
ла изменений количества дутья, поступающего в печь.
105
или его давления (рис. 38). Длительные испытания на
печах малого и большого объемов показали, что интервал
времени между резким уменьшением частоты и появле-
нием обычных признаков подвисания достигает 7—15 мин.
Как показали наблюдения, развивающееся подвиса-
ние может не сразу охватывать весь низ печи. Были слу-
чаи, когда при подвисании частота колебаний уменьша-
лась вначале не на всех, но на большинстве охваченных
контролем фурм.
При верхних подвисаниях частота колебаний давле-
ния дутья практически не изменяется до тех пор, пока на-
блюдается движение кокса на фурмах. Только при очень
затяжных верхних подвисаниях, сопровождающихся весь-
ма значительным снижением расхода дутья, частота ко-
лебаний уменьшается, в редких случаях достигая нуля.
Наблюдения показывают, что имеют место более или
менее периодические колебания величины частоты с ам-
плитудой около 5 гц. Период этих колебаний изменяется
в пределах от 10 до 40 мин. Природа этого явления под-
лежит выяснению.
Зависимость частоты колебаний давления дутья от его
расхода определяли на огневом стенде (см. рис. 19) и на
доменных печах. При принципиально одинаковом во всех
случаях характере этой зависимости реакция доменной
печи была, естественно, менее четкой. В одних случаях
при увеличении общего количества дутья частота колеба-
ния на отдельных фурмах не возрастала, а снижалась.
В других случаях имел место непропорционально боль-
шой по сравнению с приращением количества дутья рост
частоты. По-видимому, это объясняется, с одной стороны,
известной неравномерностью распределения дутья по фур-
мам, ас другой стороны, тем, что при неустойчивом сходе
шихты, тем более, когда близок предел пропускной спо-
собности данного сектора горна, увеличение количества
дутья способствует еще большим задержкам схода ших-
ты здесь. Во всех случаях значительного снижения расхо-
да дутья частота колебаний давления дутья на фурмах
резко снижалась.
В этом отношении уравнения (51) и (52) применимы
для определения возможного увеличения расхода дутья
на фурму. Они показывают, что в тех случаях, когда га-
зодинамическое сопротивление обрушивающегося свода
оказывается соизмеримым с его весом, сама зона цир-
юс
куляции может оказаться источником нижнего подвиса-
ния. Показательны при этом эксперименты на огневом
стенде, когда при увеличении количества дутья вначале
наблюдали увеличение зоны циркуляции и соответствен-
ное увеличение частоты колебаний давления дутья. За-
тем приращение размеров зоны циркуляции уменьши-
лось, частота стабилизировалась, после чего при даль-
нейших попытках увеличить расход дутья частота коле-
бания резко снижалась и развивалось подвисание.
На доменной печи из-за неодинаковой газопроницае-
мости отдельных секторов столба шихты и возможности
перераспределения дутья между фурмами описанное яв-
ление имеет не такой четкий характер и проявляется в
основном, когда количество дутья на печь увеличивается
не постепенно. В то же время возможность прекращения
обрушений сводов при неправомерном росте количества
дутья требует принятия дополнительных мер контроля и
регулирования при разработке систем автоматического
поддержания равномерного распределения дутья по
фурмам, так как естественное перераспределение дутья
по ним можно рассматривать как защитную реакцию си-
стемы на возможность подвисания в отдельных секторах
печи.
Значительный интерес представляло выяснение связи
частоты колебаний давления дутья с изменением тепло-
вого состояния горна (рис. 39). Отсутствие средств теку-
щего контроля последнего вынуждает использовать для
этой цели такой показатель, как содержание кремния в
чугуне. Характерным является закономерное в пределах
данных условий плавки (сорта чугуна, в частности)
уменьшение частоты колебаний давления дутья при уве-
личении содержания кремния в чугуне [207]. Обработка
экспериментальных данных приводит к зависимостям, в
целом хорошо согласующимися с теоретическими пред-
ставлениями (табл. 2).
Изменение характера связи при переходе с одного ви-
да чугуна на другой является следствием того, что усло-
вия получения заданного вида чугуна определяются не
только (а в некоторых случаях не столько) тепловым
уровнем процесса, но и составом шлака.
Увеличение энтальпии и инерционности нижней части
печи обусловливают снижение относительной величины
возмущений теплового состояния горна большой печи по
107

7 •
4^4 •
3 © ©J © '• • •
/ oV ЦМ«0С \ >***,
X *— \ *
Ц5 Ю 1,5 ~ 2JD zs [Sll.y.
Рис. 39. Зависимость средней по фурмам частоты коле-
баний v давления дутья от содержания кремния в чу-
гуне:
1 — передельный чугун (СМ3); 2—передельный чугун
(КМЗ); 3 —переход с литейного чугуна иа передельный
(КМЗ); 4 — литейный чугун (КМЗ)
Таблица 2
Характеристика теплового состояния горна доменной печи
Печь, завод Вид чугуна Уравнение Коэффициент корреляции
А, КМЗ 1513 ' Литейный v=12,12—1,26 [Si] —0,641
1513 Переход с литейного на пере- дельный v=7,116-1-0,209 [Si] +0,59
1513 Передель- ный v=7,94—1,40 [Si] —0,679
А, СМ3 330 То же v=15,52—6,41 [Si] —0,98
108
сравнению с малой. Кро-
ме того, рост диаметра
горна увеличивает долю
площади, занимаемой
центральной малоподвиж-
ной частью столба кокса.
Это приводит к увеличе-
нию влияния на степень
проникновения струи га-
за в глубь горна и, сле-
довательно, на размеры
зоны циркуляции таких
факторов, как количество
мелочи, степень окатан-
ности кусков центрально-
го участка столба шихты
и т. п. Как следствие это-
го наблюдается некото-
рое уменьшение тесноты
связи между колебания-
ми степени нагрева гор-
на, характеризуемой со-
держанием кремния в чу-
гуне, и частотой поступ-
ления порций кокса в
зону циркуляции. Харак-
терны более высокие зна-
чения частоты при вы-
плавке литейного чугуна,
по сравнению с передель-
ным, на печи большого
объема и при выплавке
малокремнистого чугуна
на малой печи. Последнее
находит свое объяснение
в более ровной и устой-
чивой работе этих печей
в данных условиях и со-
гласуется с описанным
выше наблюдением о том,
что более ровному ходу
печи отвечают и более
высокие значения часто-
ты колебания.
21 23 25 27 29 31 33 35 37
.
3 0 5 6 7 8 9 10 11
________ Ht0 (В^тья)^/_________.
1200 Ю00 800 600 000
О 10 20 30 W
Q, ккал/мин
Рис. 40. Относительная величина при-
ращений частоты колебаний давления
дутья (а) и размеров зоны циркуля-
ции (б) на огиевом стенде при изме-
нении:
1 — теплоотвода из зоиы циркуляции;
2 — количества вдуваемой с дутьем
угольной пыли; 3 — влажностй дутья;
4 — температуры нагрева стеида; 5 —
концентрации кислорода в дутье
109
Исследования влияния теплового состояния на часто-
ту колебаний давления дутья проводили также и на ог-
невом стенде. Серия экспериментов была посвящена уста-
новлению влияния температуры слоя на частоту колеба-
ний (рис. 40). При этом термопара устанавливалась на
300 мм выше центра зоны циркуляции, а скорость дутья
поддерживалась равной 30 м!сек.
Зависимость частоты от температуры нагрева столба
кокса в стенде имеет вид:
v = 56— 1,5-10-2 Тст.
В то же время эксперименты показали, что при по-
вышении температуры слоя происходит сокращение раз-
меров зоны циркуляции, подчиняющееся зависимости
4.ц = 5,35 -КГ2 — 9,3 -10-6 Тст.
Характерно также, что по мере разогрева столба кок-
са наблюдается более интенсивное, чем зоны циркуля-
ции, уменьшение толщины промежуточного разрыхлен-
ного слоя, описываемое уравнением
«пр сл = 3,8 - 10~2 — 12 - 10-6Тст.
В другой серии экспериментов изменяли количество
тепла, отводимого из зоны циркуляции с помощью рас-
положенных под ней охлаждаемых водой труб. Резуль-
таты экспериментов (рис. 40) показывают, что с увели-
чением количества отводимого из зоны горения тепла
увеличивались частота обрушений динамически неустой-
чивых сводов и размер зоны циркуляции. В этих экспе-
риментах относительное изменение частоты колебаний
при изменении теплового баланса зоны горения оказы-
валось существеннее прироста длины зоны циркуляции,
что объясняется дополнительным воздействием изме-
нившегося при этом объема газа. Таким образом, эти
эксперименты показали правильность теоретических со-
ображений о влиянии теплового состояния прилегающе-
го к фурме сектора печи на частоту обрушения динами-
чески неустойчивых сводов в зону циркуляции, а их ре-
зультаты аналогичны результатам наблюдений на до-
менной печи.
Выше отмечалось, что изменением количества пода-
ваемых с дутьем в зону горения добавок можно регули--
по
ровать размер зоны циркуляции, а следовательно, часто-
ту поступлений порций кокса в них и скорость движения
шихты в соответствующих секторах горна. В связи с
этим значительное внимание было уделено исследова-
нию влияния изменения состава дутья и, в частности,
подачи мазута в горн на параметры колебаний давле-
Рис. 41. Осциллограмма колебаний давления дутья в фурменном устрой-
стве доменной печи:
а — без подачи мазута; б — начало подачи мазута (Н. п. м.); в — при уве-
личенном расходе мазута
ния дутья. В период проведения исследований нормаль-
ный расход мазута на доменной печи составлял 25 s/jw3
дутья. При этом изменение амплитуды колебаний давле-
ния дутья, составляющее 150—400% от первоначально-
го уровня, следует за изменением расхода мазута с за-
паздыванием, величина которого соизмерима со време-
нем регулирования этого расхода (рис. 41).
Изменение амплитуды колебаний объясняется, по-
видимому, увеличением объема газов в зоне циркуляции
при подаче мазута, а следовательно, и абсолютной вели-
чины возмущения, порождаемого обрушившейся порци-
ей кокса. Обращает на себя внимание также некоторое
изменение спектра колебаний давления дутья, в ча-
стности, рост амплитуды его высокочастотной составля-
111
ющей. Это объясняется тем, что при воспламенении ма-
зута в пределах фурмы увеличивается скорость истече-
ния из нее смеси дутья и продуктов горения, что влечет
за собой рост амплитуды и частоты турбулентных пуль-
саций. Визуальные наблюдения показывают на возмож-
Время, ч
Рис. 42. Характер изменения частоты колебаний давления
дутья при скачкообразном увеличении (а) или уменьшении (б)
расхода мазута
ность вибрационного горения мазута в фурме, также
способствующего обогащению спектра колебаний дав-
ления дутья. Изучение изменения частоты колебаний по-
казало, что она изменяется пропорционально расходу
мазута. В то же время установлено, что это изменение
носит сложный характер (рис. 42). Первоначальная ре-
акция механизма сводообразования, проявляющаяся в
изменениях частоты колебаний давления дутья, при уве-
личении расхода мазута, противоположна по знаку ко-
нечному результату. Как правило, в начале подачи ма-
зута (Н. п. м.) наблюдается снижение частоты колеба-
ний, затем после неправомерного увеличения и последу-
ющего уменьшения ее значение относительно стабилизи-
руется. При прекращении подачи мазута (П. п. м.)
вначале в течение 1—3 сек частота возрастает, а затем
не пропорционально изменению энтальпии снижается
лишь постепенно после серии колебаний, устанавли-
112
ваясь на новом, более низком, чем до отключения, зна-
чении.
Длительность переходного процесса установления
новых значений частоты колебаний давления дутья раз-
лична. В наших экспериментах она зависела от состоя-
ния печи и величины изменения расхода мазута. Уста-
новление новых значений частоты колебания, по-видимо-
му, имеет тот же механизм, что и установление размеров
зоны циркуляции при изменении теплового состоя-
ния горна. Действительно, увеличение расхода мазута
обусловливает, с одной стороны, увеличение объема гор-
нового газа, и, с другой стороны, понижение температу-
ры в зоне горения в связи с необходимостью затрат теп-
ла на нагрев дополнительного объема газа [208]. Влия-
ние увеличения объема горнового газа, а следовательно,
мощности струи на размеры зоны циркуляции в извест-
ной мере компенсируется понижением их температуры.
Однако уменьшение температуры на границе зоны цир-
куляции приводит к увеличению объема кокса, участву-
ющего в реакции СО2+С = 2СО. Тем самым создаются
условия для дополнительного разрыхления слоя кокса и
расширения зоны циркуляции. Чем меньше резерв теп-
ла в горне, тем большая его доля будет израсходована
на подогрев дополнительного объема газа и тем полнее
будет реализовано увеличение мощности струи. Увели-
чение же размера зоны циркуляции вследствие этого вы-
зывает рост степени переполнения ее после обрушения
увеличившейся порции кокса. Последнее увеличивает
сопротивление распространению струи дутья, известное
сокращение его расхода и т. д.
При малом запасе тепла в горне или несовпадении
времени начала (и величины) компенсации затрат теп-
ла на подогрев дополнительной массы газа с моментом
подачи топливных добавок (и их количеством) процесс
стабилизации новых размеров зоны циркуляции и часто-
ты поступления порций кокса в нее имеет колебатель-
ный характер. Время его затухания зависит от первона-
чального запаса' тепла и синхронности тепловой компен-
сации.
В общем случае можно представить ситуацию, когда
при отсутствии или незначительности резерва тепла или
при большом разрыве во времени начала подачи топ-
ливной добавки и тепловой компенсации процесс при-
8—250
113
обретает незатухающий характер. Последнее может
явиться причиной нарушения ровности схода ших-
ты и ограничения количества вводимой топливной
добавки. Вероятность возникновения подобной ситуации
возрастает, когда при неизменности абсолютной величи-
ны возмущения его относительное влияние существенно
увеличивается, т. е. с уменьшением расхода кокса и об-
щим улучшением качественных характеристик доменно-
го процесса, а также при увеличении количества топлив-
ной добавки.
При введении мазута или значительном увеличении
его расхода окончательное установление частоты коле-
баний давления дутья требует продолжительного (в на-
ших экспериментах на доменной печи до 4,6 ч) времени,
в течение которого наблюдается монотонное уменьше-
ние ее значения. Последнее связано, по-видимому, с тем,
что затраты тепла на разложение мазута в зоне цирку-
ляции в известной степени компенсируются в вышерас-
положенных горизонтах. Приход в зону циркуляции все
более подготовленных, прогретых материалов приводит
к сокращению ее размеров и увеличению температуры
горения, а следовательно, к уменьшению частоты поступ-
ления порций кокса в зону циркуляции и соответствен-
ных колебаний давления дутья. При прекращении пода-
чи мазута или существенном уменьшении его расхода
наблюдается обратная картина. Рассмотренный характер
переходного процесса установления частоты колебаний
давления дутья, по-видимому, свойствен и другим до-
бавкам к дутью, которые, подобно мазуту, ведут .к пе-
рераспределению тепла по высоте нижней части печи.
Эксперименты, проведенные с подачей в горн уголь-
ной пыли, при общем характере реакции зоны циркуля-
ции на подобное возмущение, близком к имевшему мес-
то при подаче мазута, в то же время показали, что вели-
чина этой реакции в данном случае значительно меньше.
Последнее позволяет предположить существенное влия-
ние теплотехнических характеристик топливных доба-
вок на реакцию механизма поступления кокса в зоны
циркуляции, когда реакция эта тем значительней, чем
сильнее разнятся соответствующие характеристики топ-
ливной добавки и кокса.
Эксперименты на огневом стенде, где различие это
было больше, чем на доменной печи, показали и более
114
значительные изменения частоты колебаний давления
дутья. Сложный характер переходных характеристик
установления новых параметров доменного процесса при
введении в горн с дутьем дополнительного топлива, сов-
падающих по форме с приводимыми на рис. 42, отмеча-
ют и другие исследователи [209, 210]. Показательно, что
Ланген и Ван Пууз [210], исследовавшие возможности
использования вдувания топлива как средства регули-
рования доменного процесса, отмечают, что изменение
содержания кремния в чугуне и длительность переход-
ного процесса при коррекции расхода топливной добав-
ки к дутью возрастает при переходе от жидкого топлива
к природному газу, а от него к коксовому, что соответ-
ствует увеличению разницы энтальпии продуктов горе-
ния кокса и соответствующей добавки, как и в экспери-
ментах авторов. Важность последнего для разработки
систем автоматического регулирования несомненна.
Установление сложного характера переходного процес-
са, с одной стороны, требует введения соответствующих
корректирующих элементов в логическую схему, а с дру-
гой — позволяет с помощью установления различной
длительности введения измененного количества одной и
той же добавки достигать различных по знаку результа-
тов. Этим расширяются возможности устройства для ре-
гулирования движения шихты по окружности печи.
Как показали эксперименты, изменение расхода ма-
зута или угольной пыли на смежных с исследуемой фур-
мах не оказывает влияния на амплитуду и спектр коле-
баний давления дутья на ней. Возможность воздействия
на движение столба материалов по секторам печи кос-
венно подтверждается и данными К. М. Бугаева и Г. Л.
Уткина [211]. В частности, ими наблюдалось изменение
расхода дутья на отдельных фурмах при регулировании
распределения по ним природного газа.
Во время исследований на огневом стенде при отно-
сительно больших расходах угольной пыли наблюдали
снижение частоты колебаний давления дутья (см.
рис. 40). Это связано с тем, что процесс сгорания уголь-
ной пыли, как и любой другой топливной добавки, про-
исходит во времени. В силу конечности объема зоны цир-
куляции, увеличение расхода топливной добавки огра-
ничивается для конкретных условий подачи возможно-
стями ее полного использования в пределах этой зоны.
8*
115
В противном случае может наблюдаться не только ухуд-
шение использования добавляемого с дутьем топлива,
свидетельством чего является появление следов мазута
в отводимой из газоочистки воде при увеличении его по-
дачи в доменную печь сверх допустимого предела, но и
ухудшение поступления кокса в зону циркуляции, как
это наблюдалось в экспериментах на огневом стенде при
подаче больших количеств угольной пыли. Причиной та-
кого ухудшения является проникновение угольной пыли
в межкусковые пространства на значительное расстоя-
ние от границ зоны циркуляции. Соответственно снижа-
ется газопроницаемость слоя и затрудняется разруше-
ние очередного динамически неустойчивого свода. След-
ствием этого является уменьшение частоты поступлений
порций кокса в зону циркуляции, хотя ее размеры не-
сколько и увеличиваются.
Наблюдения за влиянием изменения влажности
дутья и его температуры на колебания давления дутья,
проведенные на доменных печах, не позволили устано-
вить четкой зависимости между ними. По-видимому, это
объясняется как тем, что их изменение, как правило,
производилось с целью компенсации тех или иных от-
клонений теплового состояния печи от нормального, что
приводило к снижению степени их воздействия на меха-
низм поступления кокса в зоны циркуляции, так и не-
возможностью их измерения на отдельной фурме. В це-
лом же при изменении влажности дутья или его темпе-
ратуры наблюдалась тенденция к изменению частоты
колебаний давления дутья с тем же знаком. Как и при
введении в горн печи мазута, увеличение влажности
дутья способствовало сближению частот колебаний на
отдельных фурмах и более стабильным их значениям.
Исследование на огневом стенде показывает, что при
увеличении влажности дутья протяженность зоны цир-
куляции и частота поступления порций кокса в нее воз-
растают по степенному закону (рис. 40).
На доменной печи полезным объемом 330 м3 были
проведены наблюдения за изменением частоты колеба-
ний давления при обогащении дутья на исследуемой
фурме кислородом. Поскольку кислород подавался из
баллонов, опыты эти были вынуждено кратковременны-
ми. Однако они позволили установить, что при увеличе-
нии концентрации кислорода в дутье до 23—24% после
116
непродолжительного (5—10 сек) подъема частоты ко-
лебаний давления дутья происходит ее резкое и глубо-
кое (до 50% от первоначального) падение. При более
значительном увеличении концентрации кислорода в
дутье (до 30%) имело место практически немедленное
(с момента подачи кислорода) уменьшение частоты в
2—3 раза, а затем и падение ее до нуля. После прекра-
щения подачи кислорода в течение 1,5—2 мин наблюда-
ли колебательный процесс возвращения частоты к пер-
воначальному значению. Наряду с этим при подаче кис-
лорода значительно увеличивалась светимость зоны
горения, что позволяет объяснить такой характер изме-
нения частоты в этом случае «подстоем» материалов из-
за резкого увеличения объема газов.
Более детальные эксперименты с обогащением дутья
кислородом, характеризующиеся в целом снижением
частоты колебаний давления дутья при увеличении кон-
центрации кислорода, были проведены на огневом стен-
де (рис. 40). Изменение размеров зоны циркуляции име-
ло более сложный характер, выражающийся в том, что
при относительно небольшом обогащении дутья (до
23%) происходило ее увеличение.
Такой противоположный характер изменения часто-
ты поступления порций кокса в зону циркуляции и раз-
меров последней в этом диапазоне концентрацией кис-
лорода связан с тем, что даже при небольшом обогаще-
нии дутья кислородом происходит значительный рост
температуры горения, сопровождающийся ростом объе-
ма газов. Соответственное увеличение их скорости спо-
собствует более глубокому, несмотря на известное со-
кращение порозности окружающего слоя в силу ускоре-
ния реакции восстановления углекислоты, проникнове-
нию струи дутья и продуктов горения в глубь столба
материалов и, следовательно, увеличению размеров зо-
ны циркуляции. Но то же увеличение объема газов при
возросшей плотности слоя приводит к увеличению со-
противления газового потока обрушению очередного
свода, следствием чего и является уменьшение частоты
поступления порций кокса в зону циркуляции, а следо-
вательно, и колебаний давления дутья.
При дальнейшем увеличении концентрации кислоро-
да в дутье влияние сокращения порозности на глубину
проникновения дутья в слой превалирует над влиянием
117
увеличения скорости газа, и изменение размеров зонь!
циркуляции происходит аналогично частоте колебаний
давления дутья. Процесс установления новых значений
частоты колебаний давления дутья при увеличении кон-
центрации кислорода в дутье носит характер, обратный
наблюдавшемуся при введении топливных добавок, т. е.
в начале частота колебаний давления дутья несколько
увеличивается и лишь после нескольких колебаний про-
исходит ее стабилизация на новом, более низком значе-
нии. Однако длительность переходного процесса в этом
случае значительно короче, чем при подаче мазута, и
находится в пределах 1—10 сек.
Результаты этих экспериментов показывают, что, по-
мимо чувствительности частоты колебаний давления
дутья к изменению условий и характера работы фурмы
с помощью метода контроля движения кокса над зона-
ми горения по частоте колебаний давления дутья, мож-
но осуществить автоматическое пофурменное регулиро-
вание добавок к дутью. Целью такого регулирования
должно явиться достижение равномерной работы ниж-
ней части печи по окружности путем изменения относи-
тельного количества подаваемых на отдельные фурмы
добавок (природного газа, кислорода и т.п.), которые,
воздействуя на тепловое состояние различных секторов
горна, управляют размерами зон циркуляции и оказыва-
ют существенное влияние на поступление в них кокса.
Последнее же определяет развитие эллипсоидов разрых-
ления над зонами горения.
Таким образом, с помощью этого метода может быть
достигнута не.только равномерность работы фурм, нои,
что весьма важно, одинаковая разрыхленность различ-
ных секторов нижней части печи, благодаря чему дости-
гается равномерность газораспределения.
Выводы
Результаты данных экспериментов можно свести к следующему:
1. Колебания давления дутья имеют сложный амплитудно-час-
тотный спектр. Причиной возникновения низкочастотной (1—10 гц)
составляющей этого спектра является дискретное поступление кокса
в зоны циркуляции.
2. Пофурменный контроль частоты колебаний давления дутья
позволяет получить информацию о поступлении кокса в зоны цир-
куляции и о движении столба шихты над ними.
3. Показана возможность управления движением шихты в раз-
118
личных секторах печи путем пофурменного регулирования расхода
топливных добавок, влаги или концентрации кислорода в дутье на
соответствующих фурмах.
4. Результаты исследований на доменных печах и огневом стен-
де полностью соответствуют теории дискретного поступления кокса
и образования зоны циркуляции.
V
ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ
КОКСА У ФУРМ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
БЕЗЫНЕРЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ
Дискретность поступления кокса — источник возмущения
процесса горения
Установление дискретности поступления кокса в зо-
ну циркуляции и обусловленных ею колебаний парамет-
ров дутья на фурме, а также известная нестабильность
состава газа и температуры в фурменном очаге позво-
ляют поставить вопрос об отличии действительного ха-
рактера процесса горения в доменной печи от ранее
предполагавшегося — стабильного. Заметим, что ста-
бильность процесса горения, неизменность или малые
флуктуации во времени состава газа, температуры и т. п.
в данной точке зоны горения характерны для работы пе-
чи с малой интенсивностью, когда горение кокса у фурм
действительно можно уподобить его сжиганию на ко-
лосниковой решетке [1, 2 и др.]. Однако с увеличением
форсирования доменной печи нестабильность процесса
горения стала проявляться во все большей степени [5,
118,119 и др.]. Аналогично в наших исследованиях 1954—
1956 гг., проводившихся на доменных печах Чусовского
и Нижне-Салдинского металлургических заводов, кри-
вые изменения состава газа и температуры, полученные
при работе печи на тихом ходу, были тождественны кри-
вым, характерным для слоевого горения, а при нормаль-
ной работе печи — кривым, свойственным горению в зо-
не циркуляции.
При прочих равных условиях колебания концентра-
ции различных компонентов горнового газа и темпера-
туры, имеющие наибольшее развитие в так называемом
фокусе горения, при сбавленном дутье были меньше, чем
119
при нормальном, на порядок величин. Абсолютные зна-
чения этих параметров более высоки при работе печи
на сбавленном дутье. Если бы эти колебания определя-
лись не характером поступления кокса, а другими фак-
торами, то, по-видимому, результат должен был бы
быть противоположным.
Влияние режимных факторов на ход процесса го-
рения вообще весьма велико и привлекает внимание
особенно в связи со все более увеличивающейся форси-
ровкой топочных устройств. В настоящее время в зави-
симости от характера течения процесс горения принято
подразделять на три вида или режима [212—214]. Про-
цесс горения того'или иного топлива, сопровождающий-
ся низкоамплитудными хаотическими колебаниями па-
раметров газовой фазы, принято считать спокойным
горением. «Жесткий» режим горения на фоне такого
рода хаотических пульсаций порождает колебания, име-
ющие регулярный характер. Эти колебания характери-
зуются постоянством частоты' и амплитуды, т. е. свойст-
вами автоколебаний.
При дальнейшем развитии мощности колебаний го-
рение приобретает характер вибрационного, или пуль-
сирующего. Б. В. Раушенбах [213], рассматривая «жест-
кое» горение как переходную стадию от спокойного к
пульсирующему, объединяет их тем самым в одну груп-
пу явлений, характеризующихся автоколебательными
процессами, сопровождающими горение. Примеры и ти-
пичные осциллограммы колебаний давления, температу-
ры и тока проводимости подробно рассмотрены в рабо-
тах, цитированных в гл. IV, а также в работах [215—
218].
При установившемся пульсирующем горении хаоти-
ческие пульсации измеряемого параметра как бы исче-
зают на фоне циклических колебаний, что наблюдалось
и в наших исследованиях при горении кокса в зоне цир-
куляции (стр. 170).
Несмотря на то, что в работах, посвященных пульси-
рующему горению, как правило, рассматривается
факельное сжигание газообразного или жидкого, реже
пылеугольного топлива, с достаточной уверенностью
можно утверждать, что этот режим процесса горения мо-
жет возникать самопроизвольно при любой системе сжи-
гания всех типов топлива, в том числе и кускового.
120
Пульсирующее горение еще несколько десятилетий на-
зад, рассматривавшееся как некое экзотическое явле-
ние, встречается все чаще в самых различных топливо-
сжигающих устройствах и технических системах по мере
форсирования топочного процесса. По-видимому, любая
система сжигания топлива является потенциально авто-
колебательной, когда возникновение пульсирующего го-
рения определяется лишь значениями параметров про-
цесса. Такого рода системы в общем виде характери-
зуются наличием колебательного элемента-резонатора,
источника энергии, устройства, регулирующего поступ-
ление энергии, и обратной связи между последним и ко-
лебательным элементом.
Обращаясь к горению кокса у фурм доменной печи,
находим все элементы такой автоколебательной систе-
мы. Действительно, если рассматривать зону циркуля-
ции как колебательный элемент, что было обосновано
ранее, то горение кокса является источником энергии,
необходимой для поддержания колебаний системы; ди-
скретное поступление кокса регулирует в конечном сче-
те выделение этой энергии, а рассмотренные выше зави-
симости частоты сводообразования от теплового уровня
процесса и скорости газов, проходящих через динамиче-
ски неустойчивый свод, выступают в качестве механиз-
ма обратной связи. В то же время дискретное поступле-
ние кокса служит и источником возмущения системы,
в частности, процесса горения. Последнее связа-
но с переменным во времени количеством кокса, нахо-
дящегося в зоне циркуляции, что влечет за собой соот-
ветствующие изменения коэффициента избытка воздуха
в произвольных ее участках, а следовательно, и прочих
балансовых величин.
Таким образом, прослеживается глубокая аналогия
между пульсирующим горением и горением кокса в зо-
нах циркуляции доменной печи. При этом подобная ана-
логия в наибольшей .степени оправдана для самих зон
циркуляции и внутренней части промежуточного раз-
рыхленного слоя, где велико влияние обрушения сводов.
По мере углубления в промежуточный слой и, тем бо-
лее, в плотном слое коэффициент избытка воздуха ко-
леблется во все меньшей степени, а имеющие здесь ме-
сто окислительные процессы приближаются к нормаль-
ному горению.
121
Исследование этих особенностей горения кокса й до-
менной печи позволило бы путем целенаправленного
воздействия на частоту поступления порций кокса и объ-
ем последних оказывать влияние как на интенсивность
процесса горения, так и на сопряженные с ним процессы
восстановления и теплообмена, подобно тому, как это
имеет место при пульсирующем горении в топочных уст-
ройствах. Значение подобного рода влияния для интен-
сификации и регулирования доменного процесса несом-
ненно. Наряду с этим очевидна важность установления
действительного характера горения кокса у фурм домен-
ной печи с точки зрения развития представлений о ходе
процессов в горне.
В то же время нестабильность процесса горения, как
правило, исследовали при факельном сжигании топлива,
когда проведение экспериментов значительно облегчает-
ся по сравнению со случаем изучения горения кусково-
го твердого топлива. Естественно, что последнее, при
проведении в рамках настоящей работы соответствую-
щих исследований на доменной печи, предопределило
значительное внимание к методическим вопросам.
Некоторые вопросы методики исследования динамики
процесса горения в доменной печи
Периодичность поступления в зону циркуляции кок-
са и априорная близость его горения к пульсирующему
должны были прежде всего сказаться на динамике име-
ющих здесь место процессов. Основным же требовани-
ем, предъявляемым к тому или иному методу изучения
динамики любого процесса, является, помимо чувстви-
тельности и надежности, отсутствие искажений измеряе-
мых величин из-за инерционности измерения. В конеч-
ном счете последняя, определяемая значением наиболь-
шей постоянной времени элементов, используемых для
реализации данного метода, служит мерилом его при-
годности для объективного исследования того или ино-
го явления. Необходимо подчеркнуть обязательность
соответствия постоянной времени требуемой величины
во всех звеньях измерительного комплекса, включая сю-
да обработку и интерпретацию полученных данных. По-
видимому, нет необходимости приводить примеры оши-
122
бок в оценке тех или иных явлений из-за пренебреже-
ния этими вопросами.
В исследовательской практике при прочих равных
условиях менее инерционное измерение, как правило,
объективнее, чем более инерционное, а усреднение в пре-
делах желаемого интервала времени всегда лучше про-
водить методами математической статистики, нежели
увеличением постоянной времени приборов. К сожале-
нию, этим положением зачастую пренебрегают. Более
того, в ряде случаев малая инерционность рассматрива-
ется даже как недостаток аппаратуры, обусловливаю-
щий большой «разброс» экспериментальных точекит. д.
В то же время В. С. Северянин [220] показал, что при
нестабильном, в частности пульсирующем, горении ре-
зультаты инерционных измерений температуры, состава
газа и т. п. существенно отличаются от истинных значе-
ний этих параметров. И. А. Вайнштейн [221] установил,
что при наличии пульсаций давления и скорости газа
в зоне горения, как правило, имеет место несовпадение
фаз изменения состава газа в точке отбора и скорости
его поступления в газоотборное устройство, влекущее
за собой различие между действительной концентраци-
ей компонентов газового потока и наблюдаемой в отоб-
ранной пробе. Причем, различие это возрастает по ме-
ре уменьшения массовой скорости отбора, достигая при
относительно небольших ее величинах существенных
значений. В сопоставлении с тем, что скорости отбора
проб газа в различных точках по радиусу горна не рав-
ны между собой, последнее чревато не только ошибка-
ми в оценке абсолютных величин состава газа, но и
искажением представлений о его изменении по длине зо-
ны горения.
Таким образом, использование методов, инерцион-
ность которых не соответствует динамическим характе-
ристикам исследуемого процесса, не только исключает
возможность наблюдения быстро меняющихся явлений,
но и способствует возникновению ошибочных представ-
лений о значениях средних величин колеблющихся па-
раметров и их распределении.
Обращаясь к рассмотрению способов измерения па-
раметров процессов, происходящих у фурм доменной
печи, необходимо прежде всего отметить весьма огра-
ниченную в настоящее время возможность получения
123
представительных данных о составе газа в зоне горения.
Причина последнего состоит в том, что при использо-
вании методов, основанных на отборе и последующем
анализе проб газа, велико влияние рассмотренной выше
«маскировки» пробы. Кроме того, величина транспорт-
ного запаздывания, определяющаяся скоростью отбора
и длиной газоотборной линии, оказывается соизмеримой
с периодом колебаний состава газа в исследуемой точке
зоны горения, что также ведет к искажению результа-
тов исследования. Использование же бесконтактных и
малоинерционных методов изучения состава газа, та-
ких например, как спектроскопические, затруднено из-за
громоздкости соответствующего оборудования, необхо-
димости соблюдения весьма жестких требований при его
эксплуатации, многофазности исследуемой системы, из-
менчивости параметров ее и т. д. Совершенствование
аппаратурного оформления этих методов и их избира-
тельности позволило бы резко увеличить объем инфор-
мации о ходе процесса горения в доменной печи.
Изучение более или менее высокочастотных колеба-
ний тепловыделения в пламенах обычно связывают с
использованием термопар с открытым горячим спаем
возможно более тонких электродов [216, с. 101, 222].
Очевидно, что этот метод мало пригоден для проведения
измерений в фурменном очаге, где движущийся с вы-
сокой скоростью газовый поток, насыщенный к тому же
кусками кокса, приведет к быстрому выходу из строя
подобной термопары. Косвенно о весьма высокочастот-
ных колебаниях тепловыделения позволяет судить при-
менение скоростной киносъемки. Но при этом время на-
блюдения ограничено емкостью кассеты и тем самым
обратно пропорционально скорости съемки. Более соот-
ветствуют задачам и условиям исследований на домен-
ной печи методы, основанные на пирометрии излучения:
радиационные, яркостные и цветовые. Заметим, что все
они в той или иной степени испытаны на доменных пе-
чах [219, 223—228]. Оценивая соответствие этих методов
задачам исследования динамики процесса горения, сле-
дует иметь в виду то, что оптические свойства газа в зо-
не горения наряду с другими его параметрами претер-
певают изменения во времени. В частности, это относит-
ся и к поглощательной способности слоя газа, находя-
щегося между пирометром и зоной горения.
124
Соответственные возмущения испытывает и степень
черноты излучающего объема. Наконец, сам характер
излучения зон горения доменной печи хотя и близок к
излучению абсолютно черного тела, но не тождественен
ему1 [226]. Поскольку введение поправки практически
невозможно, а величина ошибки непостоянна, недооцен-
ка вышеуказанных явлений при выборе метода пиромет-
рии излучения приводит к погрешностям измерений.
Известно [229], что в тех случаях, когда излучение
имеет реальный (нечерный) характер, наименьшей ме-
тодической погрешностью при соблюдении определен-
ных условий обладает метод цветовой пирометрии. К со-
жалению, необходимость частой переградуировки,
неудовлетворительный обзор фурменного очага и ряд дру-
гих недостатков ограничивают .в настоящее время при-
менение цветовых пирометров для измерения температу-
ры зон горения доменной печи.
Относительно велика при имеющих место в зоне го-
рения температурах методическая погрешность и радиа-
ционного метода [229]. При этом нестабильность темпе-
ратур и поглощательной способности среды приводит к
увеличению и непостоянству во времени ошибки изме-
рения. Поскольку в основе действия тепломеров лежит
одинаковая с радиационными пирометрами зависи-
мость— закон полного излучения, то естественна и общ-
ность присущих им недостатков. В то же время бесспор-
ным достоинством тепломеров [224] по сравнению с пи-
рометрами излучения является то, что они обладают
большим углом зрения за счет их установки на более
коротком расстоянии от зоны горения или непосредст-
венно у ее границы. Однако при этом нет никаких прин-
ципиальных преимуществ по сравнению с использова-
нием радиационных пирометров, особенно при исследо-
вании динамики процессов у фурм доменной печи, а
инерционность известных тепломеров, как правило,
выше.
В значительной степени от рассмотренных недостат-
ков свободен метод яркостной пирометрии. Его методи-
ческая погрешность при температурах фурменной зоны
1 Гайваронский Я- С. Разработка и исследование метода
непрерывного измерения температуры. Кандидатская диссертация.
Киев, Киевский политехнический ин-т, 1968.
125
меньше, нежели у радиационного метода [229]. При ис-
пользовании малоинерционных датчиков на точность из-
мерения в меньшей степени сказывается нестабильность
оптических свойств газов, заполняющих зону цирку-
ляции.
Рассмотрение различных яркостных пирометров поз-
воляет утверждать, что задачам исследования динамики
процесса горения, по-видимому, в наибольшей степени
отвечает фотоэлектрический пирометр типа ФПФ-1,
разработанный Институтом автоматики (г. Киев). Эф-
фективная длина волн, воспринимаемых этим пиромет-
ром, находится в инфракрасной области спектра. Пос-
леднее уменьшает величину погрешности при измерении
неравномерно распределенных по сечению и пульсирую-
щих температур [230]. Наконец, что крайне важно при
исследовании динамики процесса горения, применение
в качестве чувствительного элемента фотодиода сооб-
щает пирометру ФПФ-1 практическую безынерцион-
ность, особенно по сравнению с другими методами, при
использовании, естественно, соответствующей регистри-
рующей или указывающей аппаратуры. Если инерцион-
ность пирометров с фотодиодом в качестве чувствитель-
ного элемента находится в пределах 10“° сек, то у ра-
диационных пирометров она имеет значения 2—3 сек, а
у применяющихся для исследования зон горения тер-
мопар 30—40 сек [231—233].
Представления о стабильности температур в зоне
горения изменялись соответственно представлениям о
инерционности применявшейся аппаратуры. Если при
использовании термопар, тепломеров и тому подобных
приборов складывалось впечатление о известном посто-
янстве температур в зоне горения [15, 224], то уже при-
менение радиационных пирометров позволило устано-
вить, что температура фурменной зоны колеблется в от-
носительно широком диапазоне частот 10~2—10~3 гц,
причем эти колебания несут информацию о стабильно-
сти работы фурменной зоны [176, 191, 234 и др.]. Частот-
ный диапазон колебаний температуры в зоне горения
еще более расширился с дальнейшим уменьшением
инерционности аппаратуры, что позволило [16, 227, 228]
передвинуть верхнюю границу частот колебаний темпе-
ратуры до 0,15—0,5 гц. Однако относительно высокая
постоянная времени потенциометра не дала возможно-
126
сти этим исследователям выявить истинный характер
спектра колебаний температуры.
При анализе возможности использования методов
пирометрии излучения следует учитывать и широко
практикуемую инжекцию топливных добавок в зону го-
рения. При установке пирометров излучения на глазке
фурмы возможно экранирование зоны горения струей
топлива, особенно жидкого или пылеугольного. Горение
вдуваемого топлива также может приводить к искаже-
нию результатов измерения [224]. По-видимому, наибо-
лее целесообразным путем устранения подобных иска-
жений является подбор оптимальной спектральной ха-
рактеристики чувствительных элементов пирометров.
Наряду с составом и температурой, давление и ско-
рость газа в зоне горения являются источником инфор-
мации о стабильности процесса горения. Методика
измерения колебаний давления рассмотрена в предыду-
щих главах. Значительно большие трудности представ-
ляет измерение скоростей газового потока и их колеба-
ний во времени в различных точках зоны горения. Ис-
пользуемые обычно для этой цели методы электротер-
моанемометрии [236] 'В условиях фурменной зоны
оказываются, как правило, неприменимыми из-за пов-
реждений чувствительного элемента потоком газа, на-
сыщенным кусками кокса.
И, наконец, значительный интерес с точки зрения
увеличения объема информации о процессах в зоне го-
рения представляет целая группа непрерывно совер-
шенствующихся методов, основанных на использовании
электронно-ионных явлений в пламени. Практическая
безынерционность многих из этих методов, возможность
познания с их помощью первоосновы процесса, а также
получения как усредненной по зоне горения, так и ха-
рактеризующей состояние локальных точек информации
о процессе горения является бесспорным их достоинст-
вом. Подробно эти явления и используемые для их изу-
чения методы рассматриваются ниже. Здесь лишь от-
метим, что применение соответствующих методов - для
исследования пламени позволило не только значительно
углубить представления о процессе горения, но и до-
стичь значительных успехов в его интенсификации и уп-
равлении им.
В заключение рассмотрения особенностей методики
127
исследования динамики процесса горения у фурм до-
менной печи отметим, что наиболее отвечающими зада-
чам этих исследований являются методы, основанные
на измерении колебаний давления газов, излучения и
электрических параметров процесса горения. Бесспор-
но, желательным является комплексное использование
этих методов, позволяющее наиболее полно охаракте-
ризовать динамику процесса горения, в частности, вли-
яние на него дискретного поступления кокса в зону
циркуляции.
Электронно-ионные явления, возникающие при горении
Любая химическая реакция, в том числе и горение,
есть не что иное, как процесс обмена электронов, дви-
жущихся по внешним орбитам атомов реагирующих ве-
ществ. В этом смысле вслед за Фритшем [262] можно
признать, что электронно-ионные явления (без учета
процессов переноса) при горении первичны, тогда как
используемые обычно для его характеристики тепловы-
деление в ходе реакции, ее температурный потенциал,
интенсивность излучения и состав газовой фазы — вто-
ричны. Имея в виду изучение электронно-ионных явле-
ний при горении, не следует упускать и такого преиму-
щества их контроля перед многими из традиционных
методов исследования, как практическая безынерцион-
ность.
Обращаясь к существу электронно-ионных явлений
при горении, отметим большое и непрерывно увеличи-
вающееся число посвященных им исследований, восхо-
дящее к работе Эрмана [237], который в 1802 г., по-ви-
димому, первым обнаружил, что пламя, подобно иони-
зированному газу, проводит электрический ток. Иониза-
ции газов, в том числе и при горении, посвящена
обширная литература, поэтому здесь освещаются лишь
те представления, которые непосредственно связаны с
дальнейшим изложением материала.
Применение масс-спектроскопических измерений по-
зволило установить [238—242], что положительно заря-
женными частицами — положительными ионами — в
пламени являются атомы, молекулы или группы моле-
кул, потерявшие при воздействии тех или иных факто-
ров один или более электронов. В качестве отрицатель-
128
но заряженных частиц обычно выступают электроны.
Однако не исключено, особенно при сжигании топлив
со сложным молекулярным составом, образование от-
рицательных ионов за счет нейтральных частиц, присое-
динивших то или иное количество электронов. При этом
природа топлива существенно влияет на состав заря-
женных частиц и механизм их образования, а наличие
таких — противоположно заряженных — частиц и объ-
ясняет проводимость пламени.
Хотя плотность полного тока проводимости в пламе-
ни является суммой его электронной и ионной состав-
ляющих, но благодаря тому, что подвижность электро-
нов более чем на три порядка превышает подвижность
положительных ионов [241], ионной составляющей тока
обычно пренебрегают из-за ее относительной малости.
Следует отметить, что, несмотря на многочисленные ис-
следования и, соответственно, значительное количество
гипотез о природе ионизации пламени, ни одна из них
не объясняет с достаточной полнотой механизма обра-
зования заряженных частиц. Предполагается, что их
источником в продуктах горения является термическая
ионизация, которая при относительно небольшом разви-
тии и равновесных условиях, удовлетворительно описы-
вается уравнением Саха [243], из которого следует, что
степень ионизации, а следовательно и концентрация за-
ряженных частиц, при прочих равных условиях, опреде-
ляется потенциалом ионизации и температурой газа.
Это позволило Н. Н. Иноземцеву [244] разработать спо-
соб измерения температуры высокотемпературных про-
дуктов горения по их электропроводности.
При изучении зоны реакции пламени газообразного
топлива было установлено, что степень ионизации здесь
на несколько порядков превышает равновесную, опре-
деляемую по уравнению Саха, или измеряемую в про-
дуктах горения [245—248 и др.]. В то же время в зоне
реакции существенно ослаблена связь степени иониза-
ции с температурой и теплонапряженностью, что позво-
лило предположить иной, чем в продуктах сгорания, ме-
ханизм образования заряженных частиц1 [247—253].
В настоящее время общепризнана гипотеза Хабера [254]
1 Аравин Г. С. Ионизация в пламени. Кандидатская диссерта-
ция. Москва, ИХФ АН СССР. 1952.
9—250
129
о том, что в зоне реакции горения имеет место хемиио-
низация, когда сама химическая реакция является ис-
точником заряженных частиц. Однако механизм цено-
образования нельзя считать установленным даже в чи-
стых пламенах. Тем более сложный характер имеет
ионообразование в присутствии различных легкоионизи-
рующихся примесей и сажистых частиц. Отметим, что
хотя практически во всех пламенах в тех или иных ко-
личествах присутствуют легко ионизируемые щелочные
или щелочноземельные металлы [241], последние не мо-
гут служить причиной увеличения степени ионизации в
зоне реакции [245, 253]. В то же время увеличение об-
щего числа заряженных частиц за счет равновесной тер-
мической ионизации примесей несомненно и наиболее
проявляется в зоне продуктов реакции, где при их вве-
дении ионизация увеличивается в 1000 и более раз, про-
тив 2—2,5 раз в зоне реакции. Не может быть призна-
на причиной неравновесной ионизации здесь и термо-
эмиссия электронов с поверхности раскаленных
сажистых частиц, хотя она несомненно способствует
увеличению количества заряженных частиц в пламени.
При введении частиц золы [255, 256] также наблюдается
преимущественное увеличение проводимости продуктов
сгорания, зависящее от состава золы, ее расхода и раз-
мера частиц. Зависимости проводимости от количества
ионизирующей добавки (щелочных, щелочноземельных
или подобных им металлов) и от количества золы носят
экстремальный характер, причем положение максимума
определяется составом золы и потенциалом ионизации
ионизирующей добавки.
Возвращаясь к вопросу о роли частиц сажи в созда-
нии эффекта проводимости пламени,' отметим прежде
всего, что количество, размер и состав сажистых частиц,
имеющих обычно сферическую или близкую к ней фор-
му, зависят от природы топлива и условий его сжига-
ния. Концентрация частиц сажи может прежде всего
при недостаточном окислительном потенциале достигать
весьма высоких значений, соизмеримых с концентраци-
ей заряженных частиц в зоне продуктов сгорания пла-
мени. По данным Шака [257] и Р. К- Милликена [258],
при температуре окружающего газа частицы сажи рас-
полагаются в нем не изолированно, а образуют цепоч-
ки. Последнее существенно затрудняет измерения про-
130
водимости с помощью двухэлектродных зондов, так как
эти цепочки под действием электрического поля зонда
ориентируются по кратчайшему направлению между
электродами. Благодаря этому создаются предпосылки
для «закорачивания» межэлектродного промежутка или
значительного его уменьшения. В обоих случаях изме-
ренные значения проводимости резко разнятся с истин-
ными.
Как уже отмечалось, ионизация в пламени сущест-
венно зависит от процессов, происходящих непосредст-
венно в зоне реакции и обусловливающих хемииониза-
цию. Г. С. Аравиным1, Н. Н. Иноземцевым [251],
М. А. Блинковым и др. [245, 246] экспериментально ус-
тановлена прямая пропорциональность между скоро-
стью реакции горения и величиной тока проводимости
углеводородного пламени; исследованиями М. А. Блин-
кова, Е. М. Степанова, Б. Б. Дьячкова. [245—246],
К- П. Власова [260] показано, что локальные значения
проводимости характеризуют кривую выгорания топли-
ва и интенсивность тепловыделения по его длине. В
равной степени измерения проводимости позволяют оп-
ределить структуру факела, в том числе и турбулентного
[247, 260, 261]. Таким образом, характер тока проводи-
мости в зоне реакции и в продуктах сгорания отобра-
жает изменение во времени скорости горения, темпера-
туры газов и т. п., чем создаются предпосылки для по-
лучения путем его измерения информации о ходе
процесса горения и, в частности, о его стабильности.
В то же время следует учитывать, что явления, свя-
занные с ионизационными процессами, изучались, как
правило, на чистых пламенах, когда легкоионизирую-
щиеся элементы, частицы золы, натурального твердого
топлива и т. п. вводились в виде контролируемых доба-
вок при факельном сжигании газообразного или жид-
кого топлива. Исключением является работа Брэя и
Смитса [263], но и она посвящена исследованию прово-
димости лишь продуктов горения угля при пылевидном
его сжигании в кислороде. Проводимость же пламени
при сжигании кускового топлива в потоке или в слое не
исследовалась, в результате сложности интерпретации
получаемых результатов при одновременном влиянии
1 См. сноску на стр. 129.
9*
131
на них многих факторов и трудности применения в этих
случаях методов исследования, ставших классическими.
Последнее связано с тем, что измерение проводимости
с помощью двойного зонда имеет, помимо большой ве-
роятности поломки электродов, принципиальный недо-
статок. Суть его состоит в том, что проводимость газов
в гетерогенной системе может быть имитирована лю-
бым механическим замыканием межэлектродного про-
межутка, либо его сокращением при попадании между
электродами частиц топлива, золы, шлака или при об-
разовании между ними цепочек из сажистых частиц.
Таким образом, в случае изучения стабильности горения
кокса у фурм доменных печей и влияния на него дис-
кретности поступления кокса применение этого метода
ограничено пределами зоны циркуляции. Причем и здесь
исследование проводимости возможно в течение отно-
сительно короткого времени и лишь при определенной
модернизации метода измерения, рассмотренной в сле-
дующем параграфе. Этим обусловлена необходимость
поиска способа, позволившего бы без ограничения вре-
мени производить измерения в любых частях зоны го-
рения у фурм.
Значительные перспективы в разработке такого спо-
соба открывало явление «электрического шума» пламе-
ни, по-видимому, впервые исследованное Марсденом
[264, 265]. Явление это состоит в том, что при помеще-
нии в пламя двойного зонда без источника внешней
э. д. с. на нагрузочном сопротивлении, включенном меж-
ду его электродами, возникает переменное напряжение,
отражающее нестационарность параметров ионизиро-
ванного в ходе горения газа. Вслед за Марсденом это
явление было исследовано Гайгнебетом [266], Клейном
[267—269], С. И. Мухиным [270] и авторами [172, 173,
271, 272], что позволило разработать различные спосо-
бы его использования как для целей контроля и управ-
ления процессом горения, так и для прямого преобра-
зования энергии горения в электрическую. Это создало
возможность исследования особенностей электронно-
ионных явлений при горении не только газообразного
или жидкого, но и кускового топлива в различных ре-
жимах его сжигания (в слое, потоке дутья и т. д.), что
практически невозможно осуществить иными методами.
Учитывая это, а также известную противоречивость
132
взглядов на механизм возникновений «электрического
шума», природу последнего необходимо рассмотреть
более подробно, что и будет сделано после описания
применявшихся при исследовании зондов.
Заметим, что в данной работе не рассматривается
целый ряд весьма интересных эффектов, порождаемых
электронно-ионными процессами при горении, а соот-
ветственно и методов их регистрации, что вызвано огра-
ниченной применимостью последних, на современной ста-
дии их разработки, для изучения процессов в техничес-
ких устройствах.
Зонды для исследования электронно-ионных явлений,
возникающих при горении
К сожалению, весьма перспективный метод исследо-
вания процесса горения — измерение проводимости пла-
мени обладает рядом существенных недостатков. Так,
при длительном нахождении электродов датчика в пла-
мени возникают явления (нагревание электродов и тер-
моэмиссия с них, образование сажистых цепочек, умень-
шение электрического сопротивления изоляции электро-
дов), искажающие результаты измерений. Применение
исключающего эти явления метода «прострела» [246,
247 и др.] требует механизации передвижения датчика.
Это затрудняет использование данного метода, а зача-
стую исключает возможность его применения, особенно
при исследованиях процессов, протекающих при повы-
шенном давлении, с большими тепловыделениями и про-
тяженными зонамй высоких температур, когда зонды
необходимо помещать в охлажденный кожух, габариты
и вес которого достигают значительных величин.
По-видимому, при исследовании горения у фурм до-
менной печи применение метода «прострела» исключе-
но. Учитывая вышеуказанное, был сконструирован и ис-
пытан двухэлектродный зонд, свободный от отмеченных
недостатков [272]. Электроды зонда находятся постоян-
но в зоне горения. Для устранения возникающих при
этом нежелательных явлений электроды в перерыве ме-
жду двумя измерениями обдувают сжатым воздухом;
расход которого устанавливают в зависимости от кон-
кретных условий таким, чтобы охлаждением зоны горе-
ния можно было бы пренебречь. В то же время скорость
133
и теплосодержание газового потока должны быть до-
статочно значительными (что соответствует условиям
работы современных промышленных агрегатов), чтобы
тепловое состояние межэлектродного участка при от-
ключении сжатого воздуха восстанавливалось за доста-
тке. 43. Двухэлектродный зонд для измерения проводимости газов
в зоне циркуляции доменной печи:
1 — электроды; 2 — кварцевые трубки; 3 — керамика; 4— направляющая
втулка; 5 — шомпол; 6—водоохлаждаемый корпус; 7 — усилитель по-
стоянного тока; 8 — осциллограф; 9 — соленоидный клапан; 10 — коллек-
тор сжатого газа; 11 — реле времени
точно малый, по сравнению с временем измерения, пе-
риод. В наших экспериментах последний не превышал
0,1 сек.
По своей конструкции (рис. 43) это двойной симмет-
ричный зонд. Расстояние между осями электродов 6 мм\
диаметр электродов 1,2 мм.
Измерение электропроводности осуществляется сле-
дующим образом. Перед введением зонда в фурменное
устройство электроды с помощью шомпола 5 убирают во
избежание поломки внутрь водоохлаждаемой трубы 6.
После введения зонда в зону горения замыкается пере-
ключатель Xi, в результате чего срабатывает соленоид-
ный клапан 9 и охлаждающий воздух начинает посту-
пать во внутреннюю полость водоохлаждаемой трубы из
коллектора 10. Электроды выдвигают в рабочее положе-
134
нйё и передвижением корпуса Их торцы устанавливаются
в исследуемую точку зоны горения. Переключатель Кг
обесточивает соленоидный клапан, чем прекращается
подача сжатого воздуха, включает реле времени и дви-
гатель протяжки фотобумаги светолучевого осциллогра-
фа. После установленной выдержки реле времени вклю-
чает соленоидный клапан и возобновляется обдув элект-
родов сжатым воздухом. Возвращением переключателя
Кг в первоначальное положение производится остановка
Рис. 44. Двухэлектродный зонд для измерения
проводимости газов в зоне циркуляции огневого
стенда:
1 — электроды; 2 — кварцевые трубки; 3 — корпус
зонда; 4 — зонд; 5 — осциллограф; 6 — масштабное
сопротивление
двигателя светолучевого осциллографа и восстановление
исходного состояния системы для следующего измерения.
При помощи вышеописанного датчика были, по-видимо-
му, впервые проведены измерения электропроводности
высокотемпературных газов при сжигании кускового
топлива. Расход сжатого воздуха не превышал 0,5% от
расхода воздуха, поступающего в зону горения; время
соприкосновения электродов зонда непосредственно с
зоной горения при отсутствии их охлаждения воздухом
было не больше 0,65 сек.
135
При измерениях проводимости газов в зоне циркуля-
ции огневого стенда конструкция зонда была упрощена
(рис. 44) путем исключения обдува электродов для их
охлаждения в перерывах между измерениями. Послед-
нее оказалось возможным благодаря уменьшению габа-
ритов и веса зонда, равно как и протяженности пути его
перемещения, т. е. появилась возможность быстро уста-
новить зонд в исследуемую точку зоны горения и вывести
его из нее. В описываемом зонде электроды из платино-
вой проволоки диаметром 0,5 мм выступали за торцовую
поверхность зонда на 1,5 мм. Расстояние между осями
электродов составляло 4 мм. Общая длина зонда 420 мм.
Применявшаяся аппаратура позволяла без искаже-
ний фиксировать ток в цепи зонда до величины порядка
10-9 а или сопртивление в межэлектродном промежутке
до 100 Мом при напряжении питания от 2 в и выше. Спе-
циальные эксперименты показали, что электропровод-
ность материалов, изолирующих электроды датчика во
время перерыва в их- обдуве, практически не меняется,
а термоэмиссия электронов с поверхности электродов от-
сутствует [271]. Однако для большей уверенности в объ-
ективности получаемых данных в расчет принимали
только участки осциллограмм, полученные в течение
0,1—0,3 сек с момента начала регистрации сигнала.
Вышеописанный метод может быть использован для
измерений лишь в пределах зоны горения топлива в по-
токе. Испытания зонда в условиях доменной печи пока-
зали, что при переходе торца датчика из зоны циркуля-
ции кокса в слой шихты электроды зачастую выходят из
строя. В связи с этим был разработан и опробован спо-
соб контроля вышеуказанных параметров [172], в осно-
ву которого было положено явление «электрического
шума» [264, 265]. Переменная составляющая возникаю-
щего напряжения характеризует, как будет показано ни-
же, нестабильность процесса горения в результате воз-
действия факторов, изменяющих как степень ионизации
высокотемпературных газов, так и условия газодинами-
ки в зоне горения. При этом характер колебаний пере-
менной составляющей не зависит от температуры элект-
родов и сопротивления материала, изолирующего эти
электроды друг от друга. Тем самым устраняется ряд
существенных недостатков, присущих методу измерения
проводимости газов.
136
В двухэлектродном зонде без источника внешней
э. д. с. (рис. 45) для обеспечения длительного его пребы-
вания в зоне горения электрод 1 выполнен водоохлаж-
даемым и тщательно заземлен. Электрод 2 из жаростой-
кого материала изолирован по всей поверхности, за ис-
Рис. 45. Двухэлектродный зонд для измерения электри-
ческого шума
ключением торцов, керамической (кварцевой) втулкой
3. Для предотвращения прохода горячих газов простран-
ство между электродами и втулкой герметизируется с
помощью огнеупорной замазки. В цепь электродов 1 и 2
включено нагрузочное сопротивление, которым является
входное сопротивление усилителя безынерционного из-
мерительного или регистрирующего прибора 6. Сое-
динительные провода 4 должны быть надежно экрани-
рованы, а экран — заземлен. Для предотвращения прие-
ма ложного сигнала от посторонних электромагнитных
полей исследуемая зона горения также должна быть эк-
ранирована от них. Впрочем последнее достаточно хоро-
шо обеспечивается на большинстве промышленных пе-
чей, в частности на доменных, их металлическими кожу-
хами.
При сборке зонда описанной конструкции и различ-
ных ее модификаций особое внимание должно быть уде-
лено жесткой установке электрода 2 и втулки <3 в элек-
троде 1 для исключения возникновения «микрофонного
эффекта» в результате вибрации электродов относитель-
но друг друга при ударах кокса по трубе.
В другой конструкции зонда (рис. 46) предусмотрен
137
одновременный с измерением электрического шума от-
бор проб газа из данной точки зоны горения.
В ряде экспериментов центральный электрод (см.
рис. 45) полностью изолировали от зоны горения с по-
мощью керамической втулки. При этом принимаемый
Рис. 46. Комбинированный двухэлектродный зонд для измерения
электрического шума и отбора проб газа:
1 — наружный электрод; 2 — внутренний электрод; 3 — кварцевый
чехол; 4 — фигурная втулка: 5 — измерительный прибор
сигнал уменьшался по амплитуде, но не претерпевал
ощутимых качественных изменений. Последнее представ-
ляет несомненный интерес, так как позволяет при доста-
точной интенсивности электронно-ионных явлений в ис-
следуемой зоне горения производить измерения, не опа-
саясь замыкания электродов попавшими на их поверх-
ность каплями металла или иным образом. Наружный
диаметр зондов составлял 60 мм. Тем самым зонд за-
крывал не более 12% сечения фурмы, чем обеспечива-
лось несущественное его воздействие на характер горе-
ния и размеры фурменного очага. Общая длина зондов
составляла 7000 мм. Применявшиеся при исследованиях
на огневом стенде зонды не имели принципиальных от-
личий от описанных. Их наружный диаметр составлял
10 мм, а общая длина 420 мм.
Измерения и регистрацию параметров электрическо-
го шума в наших экспериментах осуществляли с помо-
щью катодных осциллографов С1-19А.И ЭО-7 и шлейфо-
138
Ьых осциллографов H-105 или И-102. При изучении
частотного спектра сигнала использовался анализатор
спектра С4-12.
При входном сопротивлении усилителей этих прибо-
ров, равном 1 Мом, амплитуда снимаемого с него на-
пряжения— электрического шума — достигала на до-
менной печи 150—200 мв.
Следует отметить, что в настоящее время нет основа-
ний отдать предпочтение тому или иному материалу для
изготовления центрального электрода. По-видимому, до
уточнения влияния материала электрода и его диаметра
на амплитуду сигнала выбор электродов должен опреде-
ляться лишь соображениями конструктивного порядка,
стоимости и т. п.
Исследования показали, что постоянная времени зон-
да не превышала 10“4 сек. Применение термочувстви-
тельной краски позволило установить, что в нормальных
условиях эксплуатации температура торца центрального
электрода была ниже 150—200° С, что позволяет исклю-
чить из числа факторов, обусловливающих возникнове-
ние электрического шума пламени, эмиссию электронов
с поверхности электродов. При том в отличие от рас-
смотренного выше метода исследования процесса горе-
ния путем измерения проводимости газов, в данном слу-
чае уменьшение сопротивления межэлектродной изоля-
ции, например, при чрезмерном ее нагреве, приводило
лишь к некоторому уменьшению амплитуды электриче-
ского шума, но не сказывалось на его характере. Это
обстоятельство является несомненным достоинством
данного способа, позволяющим значительно упростить
эксплуатацию зондов и схему измерений, а также облег-
чить анализ результатов проведенных с его помощью
исследований.
О природе электрического шума, возникающего
при горении
Как отмечалось выше, явление электрического шума
проявляется в том, что при помещении в пламя двойно-
го зонда без источника внешней э. д. с. на включенном
между электродами сопротивлении возникает меняющее-
ся во времени напряжение.
139
Марсден [264] и Гайгнебет [266] установили, что
э. д. с., обусловленная внешними электромагнитными по-
лями, равно как и э. д. с. или тепловые шумы не могут
вызвать наблюдаемый эффект. Наши измерения в пла-
мени газовой горелки, полностью экранированном от
внешних полей заземленной металлической сеткой, в зо-
нах горения огневого стенда, доменной печи и в пыле-
угольном факеле парового котла, где экранирование бы-
ло более надежно и полно, также говорят о чисто внут-
реннем происхождении напряжения, возникающего на
помещаемом в пламя зонде. Последнее было предметом
специального эксперимента, . предпринятого в связи
с предположением о возникновении электрического шу-
ма за счет внешних полей в силу известного свойства
пламени усиливать их.
По мнению Марсдена [264], основной причиной воз-
никновения этого эффекта является ускорение при дви-
жении заряженного газа. Тогда электрический шум не
будет возникать при любом виде движения газа, в кото-
ром отсутствует разделение зарядов вне зависимости от
степени ионизации, либо при равномерном движении,
даже в случае разделения зарядов. Известно, что при
нейтральности пламени в целом отдельные его участки
могут иметь заряды различного знака, что является
следствием ряда факторов. Из этих факторов наиболее
важны различия в подвижности электронов и положи-
тельных ионов и, следовательно, в скоростях их диффу-
зии, в степени ионизации отдельных участков пламени,
а также турбулентность движения потока в сочетании
с различной массой электронов и положительных
ионов. Отдавая предпочтение последнему фак-
тору, Марсден рассматривал электрический шум прежде
всего как порождение турбулентности, на основании че-
го и предложил использовать его измерение как способ
получения информации о ней [265].
Эффект, близкий к описываемому, наблюдали Клейн
и С. И. Мухин при различной температуре помещенных
в пламя незаземленных электродов или при создании у
поверхности одного из них потока электроотрицательных
газов — кислорода, хлора, брома или иода [267—270].
Постоянная составляющая генерируемого напряжения
достигала при этом 1,6—2,0 в. С. И. Мухин [270] объяс-
няет наблюдающийся эффект возникновением между
140
нагретыми до различной температуры электродами тер-
моэлектродвижущей силы. Однако в опытах Марсдена
и авторов напряжение генерировалось при одинаковой
температуре электродов. Более того, эффект не исчезал
и при изоляции электродов от пламени керамикой. При
этом отсутствовала сколько-нибудь выраженная зави-
симость генерируемого напряжения от материала элект-
родов. Наконец, максимумы распределения по зоне
горения электрического шума и температуры смещены
друг относительно друга. Нам представляется, что для
объяснения этого явления целесообразно привлечение
понятия стеночного потенциала, как это делает Клейн
[267].
Понятие стеночного потенциала связано со свойст-
вом изолированных, тел приобретать при их помещении
в ионизированный газ определенный отрицательный
потенциал. Свойство это основывается на различной
подвижности электронов и положительных ионов. Соот-
ветственно, вероятность достижения поверхности тела
электронами значительно больше, нежели положитель-
ными ионами, благодаря чему холодное, неэмиттирую-
щее электроны тело заряжается отрицательно относи-
тельно контактирующего с ним ионизированного газа *.
При этом поверхность, зарядившаяся отрицательно,
блокируется устремляющимися к ней под действием ку-
лоновских сил положительными ионами и тело вместе
с окружающим его двойным слоем электронов и поло-
жительных ионов сохраняет нейтральность. При равно-
мерной в объеме степени ионизации газа соединение
двух таких тел внешней электрической цепью не вызовет
возникновения в ней электрического тока.
Иное дело, когда у поверхности одного из таких тел
по сравнению с другим изменятся условия и его стеноч-
ный потенциал примет новое значение. Тогда по соеди-
няющей эти тела внешней цепи потечет электрический
ток, напряжение которого определится разностью сте-
ночных потенциалов, а мощность — различием иониза-
ции газа и энергий электронов. Согласно данным
1 Не исключена возможность влияния на величину стеночного
потенциала поверхностных слоев тела, когда подлетающие к по-
верхности электроны «вырывают» из дефектных (с ослабленными
связями) ее участков положительные ионы и нейтрализуются. Тело
же приобретает заряд, равный количеству ненасыщенных связей.
141
В. Е. Анисимова1, величина стеночного потенциала2 за-
висит от скорости реакции горения. Очевидно, при по-
стоянстве прочих факторов нестабильность горения, обу-
словливающая изменение концентрации заряженных
частиц в газе, омывающем электроды, вызовет соответст-
венные колебания напряжения между электродами, ве-
личина которых, по-видимому, зависит от отношения из-
менения количества заряженных частиц, точнее элект-
ронов, в единице объема газа в приэлектродной области
из-за нестабильности горения к изменению их количест-
ва из-за активной роли электродов. Тем самым способ-
ствующие увеличению напряжения активизация процес-
са у одного из электродов, изменение его температуры,
введение электроотрицательного газа и т. п. будут обу-
словливать одновременно и стабилизацию этого напря-
жения. Последнее полезно при использовании рассмат-
риваемого явления для прямого преобразования энер-
гии горения в электрическую, но снижает ценность его
при контроле стабильности процесса горения. В этом от-
ношении бесспорным преимуществом обладает явление
электрического шума пламени, проявляющееся при от-
сутствии каких-либо иных, кроме оказываемых иссле-
дуемым газом, воздействий на приэлектродную область,
т. е. явление в том виде, в каком его описал Марсден
[264]. Несомненно, величина полезного сигнала при этом
много меньше, чем по методу Клейна [267], однако высо-
кая чувствтельность и безынерционность искупают этот
недостаток. Более того, полученные в исследованиях ав-
торов [173, 271, 272] значения электрического шума в
пределах 10—100 мв являются достаточно высокими при
использовании его в целях контроля и автоматизации.
В то же время интерпретация, даваемая Марсденом
явлению электрического шума пламени, встречает опре-
деленные возражения. Напомним, что, по Марсдену,
электрический шум порождается неравномерным движе-
нием мимо электродов двойного зонда без источника
внешней э. д. с. заряженных объемов газа и обусловлен
1 Анисимов В. Е. Исследование электрических свойств пла-
мени метана. Кандидатская диссертация. Воронеж, ВГУ, 1964.
2 Собственно, В. Е. Анисимов определял не стеночный потен-
циал тела, а плавающий потенциал зонда. Однако нет оснований
предполагать в их изменениях под действием внешних условий ка-
кие-либо принципиальные различия.
142
тем, что концентрация заряженных частиц у электродов
отлична друг от друга в силу разделения зарядов из-за
различной их подвижности и действия турбулентных по-
токов [265].
Однако наблюдения авторов не показали существен-
ного качественного различия получаемых сигналов при
изменении расстояния между электродами в пределах
данного участка пламени или зоны горения в доменной
печи. Турбулентные же завихрения в пламени имеют ко-
нечные размеры и, соответственно, вызванное ими раз-
деление зарядов изменяется в пределах зоны градиентов
скорости газа и в зависимости от величины этих гради-
ентов. В силу этого при расстоянии между электродами
более размера турбулентной неоднородности потока
спектр сигнала должен был бы обедняться, а его ам-
плитуда — уменьшаться, что не соответствует наблюде-
ниям.
Следует иметь в виду, что схема включения зонда
для обнаружения электрического шума предусматрива-
ет заземление одного из электродов и соединение с «зем-
лей» второго через нагрузочное сопротивление (см.
рис. 45). В силу этого напряжение на последнем возни-
кает как результат различного времени стекания заря-
дов с электродов, а соответственно, и различного их по-
тенциала. Следовательно, электрический шум может
иметь место не только в тех случаях, когда электроды
по-разному заряжаются в силу разделения зарядов, но
и при одинаковом изменении количества и знака заря-
женных частиц в газе у обоих. Другое дело, что при ста-
бильной ионизации газа или при ее изменении за время,
большее постоянной времени зонда, измеряемое напря-
жение обратится в нуль.
Тогда работу зонда при обнаружении электрического
шума можно представить следующим образом. При по-
мещении в газ со стабильной степенью ионизации и рав-
номерным по объему распределением заряженных ча-
стиц приобретаемые электродами заряды равны между
собой. Благодаря стационарности условий возникающее
в момент ввода зонда в ионизированную среду напряже-
ние на сопротивлении, включенном между незаземлен-
ным и заземленным электродами, постепенно исчезает
со скоростью, определяемой разницей в постоянных вре-
мени разряда оборх электродов,
143
Изменение степени ионизации газа вызывает, пере-
ходный процесс установления новых значений концент-
рации заряженных частиц вблизи электродов, а следова-
тельно, заряда и потенциала последних. В силу разной
постоянной времени разряда электродов во внешней их
цепи возникает электрический ток, а на нагрузочном со-
противлении — напряжение, пропорциональное величи-
не и скорости изменения возмущения. В тех случаях,
когда время последнего меньше времени выравнивания
зарядов электродов, на нагрузочном сопротивлении воз-
никает переменное напряжение, носящее импульсный
характер, причем ширина импульса при постоянной ве-
личине этого сопротивления пропорциональна длитель-
ности возмущения. Если же за время разряда зонда про-
исходит несколько возмущений степени ионизации газа,
то напряжение, возникающее на нагрузочном сопротив-
лении, обретает и постоянную составляющую, тем боль-
шую, чем чаще и интенсивнее это возмущение.
Последнее создает предпосылки, по крайней мере,
для качественного определения времени (или скорости)
образования нестабильности степени ионизации, а при
помещении зонда в зону реакции — нестабильности ре-
акции горения. Действительно, при регулируемой посто-
янной времени зонда, что может быть осуществлено пу-
тем включения между зондами переменного сопротивле-
ния, исчезновение на этом сопротивлении постоянной
составляющей напряжения будет свидетельствовать о
равенстве постоянной времени зонда времени существо-
вания нестабильности степени ионизации.
В тех случаях, когда благодаря тем или иным внеш-
ним воздействиям, в омывающем электроды газе преоб-
ладают заряженные частицы одного знака, это обуслов-
ливает поляризацию импульсов переменной составляю-
щей и знак постоянной составляющей напряжения, воз-
никающего на нагрузочном сопротивлении.
Другой источник возникновения напряжения на на-
грузочном сопротивлении — неравномерное распределе-
ние заряженных частиц в газе, омывающем приэлек-
тродную область, например, из-за турбулентности его
потока, чем вызывается неодинаковая величина и знаки
заряда электродов. .Механизм последнего подробно рас-
смотрен в работах Марсдена [264, 265]. Отметим лишь,
что здесь возникновение постоянной составляющей ма-
144
ловероятно, поскольку распределение и направление
турбулентных вихрей, способствующих разноименному
заряду электродов, случайно, а следовательно, ‘и направ-
ление тока через нагрузочное сопротивление должно
иметь знакопеременный характер.
Рассматривая механизм регистрации электрического
шума, в ряду других следует иметь в виду и возмож-
ность приема с помощью зонда электромагнитных волн,
возникающих в результате движения групп заряжен-
ных частиц одного знака в сложном магнитном поле, в
том числе и в поле, созданном собственным направлен-
ным перемещением, а также перемещением других за-
ряженных частиц вместе с потоком газа. Реальность та-
кого рода предположения основывается на том, что при
изоляции электродов зонда от пламени с помощью кера-
мики имело место сохранение характера электрического
шума.
Если горящим объемом газа испускаются электро-
магнитные колебания, то в пространстве, ограниченном
эффективными значениями напряженности поля, они
способствуют интенсификации и, что существенно, син-
хронизации горения соседних объемов. Действительно,
излучение энергии предопределяет способность и к ее по-
глощению в том же частотном диапазоне. Последнее спо-
собствует «раскачке» горящей системы, состоящей из
смеси окислителя и топлива в данном микрообъеме; на-
ложению положительных, способствующих интенсифи-
кации процесса, обратных связей на соседние системы;
возникновению своеобразного авторезонанса при горе-
нии. Не в этих ли авторезонансных явлениях и лежит од-
на из причин импульсного характера электрического шу-
ма и изменения проводимости, состоящая в прохождении
мимо электродов зонда комплексов синхронно горящих
микрообъемов газа? Очевидно, при отсутствии такого
рода взаимонастройки рассматриваемые параметры
должны были бы иметь иной, свойственный хаотическим
процессам, вид.
Таким образом, рассмотрение возможных причин воз-
никновения электрического шума позволяет расширить
данное Марсденом определение этого явления, полагая,
что оно есть результат и мера нестабильности концент-
рации и распределения заряженных частиц в газе, омы-
вающем электроды зонда. Нестабильность же эта может
10—250
145
порождаться в результате как турбулизации потока, так
и нестабильности горения.
Изложенные выше соображения о природе электри-
ческого шума позволяют объяснить возникновение пред-
положения о преимущественной ответственности за его
Рис. 47. Изменение постоянной 1
и переменной 2 составляющих элек-
трического шума (пЛв), температу-
ры газа 3 и концентрации углекис-
лоты 4 по длине зоны горения
параметры турбулентно-
сти тем, что соответству-
ющие исследования [264,
265] проводились Марс-
деном на пламенах га-
зообразного топлива.
В этом случае турбулиза-
ция потока способствует
интенсификации горения
с сопровождающим ее
увеличением степени ио-
низации газа. Тем самым
возможные причины воз-
никновения электрическо-
го шума при сжигании
газообразного топлива
выступают во взаимосвя-
зи, причем интенсивность
горения и концентрация
заряженных частиц и
здесь имеет превалирующее значение над другими.
Экспериментальное изучение природы электрическо-
го шума в наших исследованиях было проведено при
различных способах сжигания твердого топлива и на га-
зовом факеле. Эксперименты при сжигании твердого
топлива хотя и более трудоемки, чем при сжигании газа,
но имеют то преимущество, что позволяют более четко
разделить последствия влияния турбулентности газово-
го потока и интенсивности горения на электронно-ион-
ные явления.
В отличие от Марсдена [264], в наших экспериментах
постоянная составляющая достигала существенной ве-
личины 50—100 мв. Характерно, что последнее имело
место в тех участках зоны горения (рис. 47), где пере-
менная составляющая была наиболее развита, а интен-
сивность горения и ее нестабильность достигают наи-
большей величины. Аналогичные результаты имели место
и при исследовании пылеугольного факела в топке па-

©
*
Рис. 48. Изменение тока проводимости (а) и электрического шума (б) по длине зоны горения огневого стенда.
Цифры на осциллограммах — расстояния от глаза фурмы, мм. Отметчик времени 50 гц
рового котла. Вообще следует отметить четко прослежи-
вающуюся связь между параметрами электрического
шума, проводимости газов, а соответственно — их иони-
зации и интенсивностью горения (рис. 48). Переменная
составляющая электрического шума имеет несомненно
импульсный характер (рис. 48, 53). Во многих случаях
наблюдается преимущественная поляризация этих
импульсов, изменяющаяся либо по длине зоны го-
рения (или по высоте пламени), либо в течение вре-
мени.
В ходе этих экспериментов было установлено, что
между осциллограммами электрического шума и пере-
менной составляющей электропроводности, снятыми в
различных точках зоны циркуляции, или турбулентного
пропан-бутанового факела имеет место практически пол-
ная аналогия. Обстоятельство это представляется весь-
ма важным в связи с тем, что применявшаяся методика
определения проводимости газов предопределяла чувст-
вительность прежде всего к изменению концентрации за-
ряженных частиц, а не к величине их разделения, мо-
гущего происходить благодаря турбулентности газового
потока. Собственно, это соответствие характера перемен-
ной составляющей проводимости и электрического шума
и послужило основанием для предположения о том, что
последний есть не столько результат разделения заря-
женных частиц или их ускоренного движения под воз-
действием турбулентности газового потока, сколько по-
следствие изменений степени ионизации газа из-за не-
стабильности процесса горения.
Для проверки этого положения и в связи с изучени-
ем воздействия на процесс горения дискретного поступ-
ления кокса в зону циркуляции в рамках настоящей ра-
боты было проведено исследование влияния на характер
электрического шума степени ионизации газа, интенсив-
ности горения, турбулизации потока и т. д. Идея экспе-
римента состояла в следующем. Если основной причиной
возникновения электрического шума является турбу-
лентность газа, то при увеличении степени ионизации га-
за за счет несвязанных с горением причин амплитуда
сигнала должна возрасти, а его спектр обогатиться, бла-
годаря увеличению уровня составляющих, ранее не ре-
гистрировавшихся из-за малой амплитуды. Это должно
было бы привести, в частности, к появлению на осцилло-
148
граммах электрического шума дополнительного числа
импульсов.
Если возникновение электрического шума объясняет-
ся не турбулентностью газов, а в основном нестабильно-
стью самого процесса горения, то введение дополнитель-
ного и независимого от горения количества заряженных
частиц должно привести
к противоположному ре-
зультату — обеднению
спектра электрического
шума, уменьшению коли-
чества импульсов на ос-
циллограмме и т. д. По-
следнее связано с тем,
что определенная часть
первоначальных возму-
щений степени ионизации
соизмерима с уровнем,
порожденным термиче-
ской ионизацией введен-
Рис. 49. Принципиальная схема из-
мерений при снятии динамических
вольтамперных характеристик:
ных извне легкоионизи-
руемых элементов, или,
не достигая этого уровня,
теряется на его фоне.
Эксперименты были
проведены на огневом
1— двухэлектродиый датчик; 2— со-
гласующий трансформатор; 3 — уси-
литель мощности ТУ-50; 4 — генера-
тор ГЗ-1; 5, 6 — электроннолучевые
осциллографы; 7 — шлейфовый ос-
циллограф
стенде при сжигании кок-
совой мелочи фракции
3—6 мм. Ионизирующую добавку в виде водного раство-
ра поташа вводили в поток дутья у глаза фурмы. Близ-
кий к пульсирующему характер горения предопределил
известные трудности в оценке проводимости пламени при
использовании обычных методов измерения. В связи с
этим был применен несколько видоизмененный (рис. 49)
метод А. П. Боронина и Т. Г. Игнатьевой [273] для полу-
чения динамических вольтамперных характеристик.
Напряжение изменялось по синусоидальному закону от
—12,5 до +12,5 в с частотой 1000 гц. Указанная частота
выбрана из соображения получения нескольких вольт-
амперных характеристик за время между смежными воз-
мущениями процесса горения, вызываемыми дискретным
поступлением кокса в зону циркуляции.
Вольтамперные характеристики (рис. 50) были полу-
149
Чены этим методом при обычном режиме, при введении
в зону горения для увеличения ионизации газа поташа
и при вдувании эквивалентного расходу раствора пота-
ша количества воды. Последние эксперименты являлись
Рис. 50. Динамические вольтамперные характеристики
газа в зоне циркуляции огневого стенда
контрольными и имели целью выяснение влияния
охлаждения зоны горения на результаты измерений.
Как следует из сравнения динамических, вольт-ам-
перных характеристик (рис. 50,а), интенсивность горения
оказывает определяющее влияние на величину проводи-
мости. Последняя в момент максимальной интенсивности
горения (кривая /) более чем на порядок превышала’
значения при минимальной интенсивности (кри-
вая II). Введение поташа, естественно, увеличивало про-
водимость и различие между минимальным и макси-
мальным значениями проводимости значительно умень-
шалось— с 15—20 раз при естественной проводимости
150
(кривые I и //) до 3—3,5 раз при увеличении проводимо-
сти за счет термоионизации поташа (кривые I' и 1Г).
Заслуживает внимания и может иметь определенное
практическое значение увеличение проводимости газов
при подаче в зону циркуляции воды, установленное в хо-
де описываемых экспериментов (кривые I" и II"). Труд-
но допустить, что последнее связано с термической дис-
социацией паров воды, так как этот процесс требует зна-
чительно большего расхода тепла, чем зафиксировано в
опытах, и развивается сколько-нибудь существенно при
более высоких температурах. Естественно предположить,
что пары воды способствуют образованию в пламени
сложных положительных и отрицательных ионов.
Следует также отметить периодически наблюдаю-
щиеся аномально высокие значения проводимости и ве-
личины импульсов электрического шума при естествен-
ной ионизации, а также появление в ряде случаев вольт-
амперных характеристик диодного типа (рис. 50,6).
Как следует из сравнения осциллограмм при естест-
венной ионизации (см. рис. 48) и при увеличении ее
уровня за счет введения водного раствора поташа
(рис. 51), спектр электрического шума в зоне интенсив-
ного горения (на отметках 30—60 мм) не только не обо-
гатился в последнем случае, но в некоторой степени стал
менее насыщенным. Показательно резкое, более чем в
два раза уменьшение коэффициентов парной корреляции
колебаний давления дутья и электрического шума в про-
межуточном разрыхленном слое, где последний имеет
наибольшие значения, при искусственном увеличении
ионизации (см. рис. .60). В сопоставлении с неизменно-
стью колебаний давления дутья это свидетельствует об
отсутствии существенной связи электрического шума с
турбулентностью, и об ослаблении связи общей перво-
причины колебаний давления дутья и электрического
шума с последним при введении в зону горения извне
источника заряженных частиц. В то же время за преде-
лами зоны интенсивного горения наблюдается увеличе-
ние амплитуды и большая испещренность сигнала при
увеличении уровня ионизации за счет введения поташа,
а коэффициент корреляции оказывается выше, чем при
естественной иони'зации.
Характерны в этом отношении и результаты экспе-
риментов при увеличении концентрации кислорода в ду-
151
тье. Для сохранения неизменной турбулентности струи
при обычном и обогащенном (до 37% Оз) дутье скорость
истечения его из фурмы поддерживали неизменной. Ана-
лиз осциллограмм электрического шума (рис. 52) пока-
Рис. 51. Осциллограммы электрического шума при
повышенной ионизации в зоне горения огневого стен-
да. Цифры на осциллограммах — расстояние от гла-
за фурмы, мм. Отметчик времени 50 гц
Рис. 52. Осциллограммы электрического шума в промежуточном разрых-
ленном слое при атмосферном (а) и обогащенном кислородом (б) дутье.
Отметчик времени 50 гц
152
зывает, что обогащение дутья кислородом, а соответст-
венно, и значительная интенсификация процесса горе-
ния, о чем свидетельствует существенное (на 150—
200 град) увеличение температуры в зоне циркуляции,
привело к росту амплитуды сигнала и обогащению его
спектра в пределах области интенсивного горения.
Наконец, было установлено, что увеличение турбули-
зации струи различными завихрителями заметно не от-
ражалось на амплитуде или спектре электрического
шума.
Согласно этим результатам, предположение о том,
что электрический шум пламени является следствием
изменений степени ионизации газа, происходящих под
воздействием нестабильности горения, можно считать,
если не доказанным, то, по крайней мере, достаточно
обоснованным.
Турбулентностью же газового потока, по-видимому,
определяются возможность возникновения и характер
электрического шума в той степени, в какой она соотно-
сится с другими, определяющими интенсивность горе-
ния, факторами. В тех случаях, когда масштаб турбу-
лентности соизмерим с размерами горящего комплекса
или превышает его, как это имеет место в пламенах га-
зообразного топлива, интенсивности горения и турбу-
лентности изменяются однозначно, причем ведущей яв-
ляется турбулентность. В силу этого электрический шум
выступает как показатель последней. Однако показатель
это чисто внешний и может рассматриваться лишь при
условии постоянства прочих факторов, определяющих
интенсивность горения и степень ионизации пламени.
При сжигании твердого топлива (пылеугольного в
факеле, а тем более, кускового в слое или в потоке ду-
тья) влияние турбулентности на интенсивность процесса
горения несравненно меньше. Показательно, что введе-
ние легкоионизируемой добавки способствовало обога-
щению спектра электрического шума лишь за пределами
зоны циркуляции, где естественная ионизация газов за
счет горения резко уменьшена, равно как и амплитуда
исследуемого сигнала.
Преимущественная зависимость электрического шу-
ма от интенсивности горения позволяет рекомендовать
использование этого явления для получения информации
о динамике процесса горения. Последнее тем более це-
153
Лёсообразйо, что, как было показано выше, соответст-
вующие зонды обладают такими неоспоримыми преиму-
ществами перед другими контактными датчиками, как
весьма малая инерционность и высокая стойкость, бла-
годаря чему создается возможность проведения длитель-
ных и непрерывных наблюдений за возмущениями про-
цесса горения кокса в доменной печи.
Динамика горения кокса у фурм доменной печи
Исследования электронно-ионных явлений при горе-
нии кокса были проведены 1 * Э. на доменных печах Кара-
гандинского металлургического завода и на лаборатор-
ном огневом стенде (173, 271, 272]. Изменение характера
и относительной величины проводимости газов и элект-
рического шума по длине зон горения доменной печи и
огневого стенда не имели принципиальных отличий
(рис. 48, 53). Последнее свидетельствует о преимущест-
венном влиянии на развитие электронно-ионных явлений
при горении режима сжигания топлива.
Анализ осциллограмм тока проводимости и вольт-
амперных характеристик газа в зоне циркуляции гово-
рит об относительно высокой здесь электропроводности,
когда ток проводимости достигает 10“4 а. Поскольку в
известной нам литературе отсутствуют сведения об
электропроводности при горении твердого топлива, тем
более кускового, не представляется возможным сопоста-
вить полученные результаты с данными других исследо-
вателей.
В то же время столь высокие значения тока проводи-
мости могли явиться следствием ионизации, содержа-
щихся в золе кокса элементов с низким потенциалом ио-
низации (калия, натрия и т. д.). Увеличение проводимо-
сти высоконагретых газов при введении подобных эле-
ментов общеизвестно. Об этом же говорят и приведен-
ные выше вольтамперные характеристики газов в зоне
циркуляции при обычных условиях и при введении в нее
поташа. Наконец, о присутствии свободного натрия в зо-
1 В проведении экспериментов принимали участие Я. И. Магун,
Г. П. Сенкевич, И. С. Задорецкий, 3. Ш. Плоткин, С. М. Нартов,
Э. С. Петров, Н. С. Мячин, В. В. Емушинцев и другие работники
бывшего Каз. филиала ЦНИИЧМ, Карагандинского металлургиче-
ского завода и Карагандинского филиала ИГИ.
154
(б) по длине зоны горения доменной печи. Цифры на осциллограм-
мах — расстояние от глаза фурмы, мм
не горения доменной печи сообщается в работе А. Гей-
дона [275]. Однако предпринятое авторами на доменной
печи спектроскопическое исследование излучения зоны
циркуляции1 показало наличие лишь весьма слабых
Р-линий натрия на фоне сплошного спектра зоны горе-
ния, а соответственно, и очень низкую концентрацию его
в газах, не способную создать столь высокую проводи-
мость. Последнее очевидно, а противоречие с результа-
тами наблюдений Гейдона, по-видимому, является кажу-
щимся. Действительно, вызывает сомнение возможность
существования в условиях зоны циркуляции, где имеет
место высокий окислительный потенциал натрия, обла-
дающего значительным сродством к кислороду, в свобод-
ном состоянии. Последнее более или менее вероятно в вос-
становительной части зоны горения, особенно в части,
прилегающей к зоне циркуляции, где к тому же темпе-
ратура достаточна для перевода натрия и подобных ему
элементов в газовую фазу и для их ионизации. В опытах
А. Гейдона либо имело место слоевое горение кокса, ли-
бо зона циркуляции была настолько мала, что экрани-
рование излучения из слоя было сравнительно незначи-
тельным.
Несомненно, известную роль в увеличении проводи-
мости газов в зоне горения у фурм доменной печи играет
термоэмиссия электронов с поверхности кусков кокса и,
в особенности, с мелких и мельчайших частиц, образую-
щихся при его растрескивании в ходе горения, а также
с поверхности частиц сажи. Однако вклад тёрмоэмиссии
в проводимость газов, по крайней мере, в пределах зоны
циркуляции, по-видимому, не слишком высок. В этом
убеждает,, в частности, характер изменения проводимос-
ти и электрического шума во времени и по длине зоны
горения. Очевидно, что количество заряженных частиц
вследствие термоэмиссии электронов должно при прочих
равных условиях возрастать по мере насыщения объема
кусками кокса и улучшения условий существования кок-
совой пыли и сажи, т. е. за пределами зоны циркуляции
в прилегающих к ней участках восстановительной части
зоны горения. Здесь, при температуре, соответствующей
имевшей место в центре зоны циркуляции (см. рис. 47),
1 Спектроскопические определения были выполнены Э. Н. Ши-
ловой.
156
окислительный потенциал много ниже, чем обеспечивает-
ся стабильное существование коксовой пыли и частиц
сажи при той же интенсивности эмиссии электронов с их
поверхности. Однако данные настоящего исследования
(рис. 48 и 53) убеждают в обратном — в резком умень-
шении проводимости газов и электрического шума за
пределами зоны циркуляции. В незначительности роли
термоэмиссии электронов при генерации заряженных
частиц в зоне циркуляции убеждает также импульсный
характер изменения обоих рассматриваемых парамет-
ров. (По-видимому, трудно представить столь резкие
изменения суммарной эмиттирующей поверхности или ее
температуры.)
Таким образом, наиболее вероятной причиной высо-
кой проводимости газов в зоне циркуляции следует
признать создающиеся здесь периодически условия по-
вышенной интенсивности горения. По-видимому, здесь
трудно разграничить вклад хемиионизации в процессе
горения и термоионизации продуктов последнего. Одна-
ко все тот же импульсный характер изменения проводи-
мости и электрического шума, наряду с тем, что термо-
ионизация происходит в объеме газа и определяется в
основном температурой, которая, как будет показано ни-
же, изменяется значительно более плавно, позволяет
предположить преимущественное влияние хемииони-
зации.
В то же время упоминавшееся выше периодическое
увеличение проводимости газов и амплитуды электриче-
ского шума, когда последняя превышает более чем в 3—
4 раза среднемаксимальную амплитуду, а ток проводи-
мости достигает 10~3 а, по-видимому, связано с комп-
лексным изменением факторов, влияющих на электрон-
но-ионные явления. Собственно, последнее и неизбежно,
так .как такие параметры, как скорость горения, темпе-
ратура и давление газов, определяющие количество за-
ряженных частиц в газе, в условиях зоны циркуляции
доменной печи взаимосвязаны достаточно жестко.
По-видимому, можно объяснить периодическое появ-
ление «гигантских» импульсов тока проводимости и
электрического шума тем, что при обусловленном дис-
кретным поступлением кокса автоколебательном режи-
ме горения в определенные моменты времени создаются
условия ускоренного горения части поверхности кусков
157
кокса. В частности, фактором, ускоряющим процесс го-
рения, может явиться облегчение доступа окислителя к
углероду кокса и эвакуации продуктов горения из обла-
сти реакции, улучшение условий теплообмена, при уда-
лении с поверхности горящего куска всей или части золь-
ной корочки, на что указывается и в работе [276]. Экспе-
рименты авторов показали, что непрерывное удаление
зольной корочки с помощью внешних воздействий позво-
ляет в 4—5 раз ускорить сгорание куска по сравнению с
условиями естественного ее отпадания. При этом тепло-
передача от куска к газам возрастает в 6—7 раз.
Тем более должно быть велико значение очищения
поверхности фурменного кокса, у которого поверхност-
ный слой насыщен металлом и шлаком, в прилегающих
к поверхности порах накапливается рудная пыль, а кон-
центрация углерода убывает от центра куска к его пе-
риферии Наиболее вероятным механизмом удаления
зольных корочек с поверхности кусков кокса является
повторное участие их в сводообразовании, когда они под-
вергаются действию динамических нагрузок при замыка-
нии свода, обкатыванию перед его разрушением и т. д.
Вероятность возникновения и относительная амплитуда
«гигантских» импульсов тока проводимости и электри-
ческого шума, намного превышающих среднемаксималь-
ные их значения, должны быть тем выше, чем большая
масса кокса принимает многократное участие в сводо-
образовании, т. е. при прочих равных условиях, чем ни-
же интенсивность процесса горения. Последнее хорошо
согласуется с результатами наблюдений при различном
тепловом состоянии фурменной зоны.
Резкие и значительные увеличения проводимости и
электрического шума в зоне циркуляции свидетельству-
ют о том, что в процессе горения кокса возможно су-
щественное увеличение его интенсивности с ростом вы-
хода, а возможно, и номенклатуры заряженных частиц,
а также о том, что действительные максимальные зна-
чения развивающейся при горении температуры, сколь
бы кратковременны ни были периоды их существования,
по-видимому, выше, чем принято считать. Вероятно, не
•Хавкин В. И. Исследование физико-механических и физи-
ко-химических свойств карагандинского кокса. Кандидатская диссер-
тация. Днепропетровск, ДМИ, 1968.
138
только теплотворная способность отдельных частей кус-
ков кокса может быть повышена, но и соотношение ме-
жду выделяющейся энергией и объемом продуктов ре-
акции может быть сдвинуто в направлении более высо-
кого теплосодержания послед-
них на промежуточных стади-
ях реакции горения.
Наконец, не исключена воз-
можность течения реакции с
образованием короткоживу-
щих возбужденных комплек-
сов, когда удельное тепловыде-
ление превышает стандартные
значения. Таким образом, воз-
можно локальное колебание
химического состава продук-
тов горения и их температуры,
а соответственно, и создание
отличающихся от среднемас-
совых условий протекания
процесса горения. Оценочные
расчеты указывают на воз-
можность в соответствии с из-
Рис. 54. Изменение величины то-
ка проводимости по длине зоны
циркуляции при различном теп-
ловом состоянии горна доменной
печи. Содержание кремния в
чугуне, %:
/ — 0,95—1,19; 2 — 0,76—0,83
менением проводимости газов кратковременного дости-
жения ими температур 3000—3500° К и выше, что долж-
но отразиться на величине испарения ряда окислов, ско-
рости и полноте реакций в зоне циркуляции и непосред-
ственно к ней прилегающих участках.
Характеризуя распределение тока проводимости и
электрического шума по длине зоны горения, отметим
прежде всего его экстремальный характер (рис. 47, 54).
Исследования на доменной печи и огневом стенде пока-
зали, что местоположение максимума интенсивности
этих параметров перемещается с изменением парамет-
ров зоны циркуляции и соответствует участку, при-
легающему к промежуточному разрыхленному слою.
В то же время амплитуда отдельных импульсов пере-
менной составляющей тока проводимости и электриче-
ского шума достигает значительных величин на всем
протяжении зоны циркуляции, в том числе и непосредст-
венно у фурмы. Однако частота следования этих им-
пульсов здесь невелика, а постоянная составляющая
близка к нулю. По-видимому, появление этих (высоко-
159
амплитудных, но относительно низкочастотных) импуль-
сов в начальных участках зоны циркуляции обязано
особенно глубоким возмущениям процесса горения в
результате обрушения очередной порции кокса, когда
объем зоны циркуляции сокращается до минимальных
размеров. При этом, помимо приближения к фурме про-
межуточного разрыхленного слоя, в котором, как пока-
зали исследования, имеет место наибольшая интенсив-
ность горения, облегчается проникновение в струю
дутья горящих кусков кокса и макрообъемов газов за
счет эжекции струи и уменьшения ее плотности при со-
кращении скорости потока.
Нельзя исключить из рассмотрения и возможности
приема зондами, особенно без источника внешней э. д. с.,
проинтегрированных колебаний электромагнитного по-
ля, создающихся в зоне циркуляции в результате воз-
мущений процесса горения и ускоренного движения за-
ряженных частиц1.
Показателен резкий спад интенсивности электричес-
кого шума и величины проводимости2 по выходе за пре-
делы разрыхленного слоя, свидетельствующий о том,
что область интенсивной газификации углерода дву-
окисью углерода, по крайней мере при работе на дутье
без топливных добавок, не имеет значительного разви-
тия и ограничена незначительными толщинами слоя
кокса вблизи границ зоны циркуляции. В то же время
при охлаждении прилегающего к фурме участка столба
кокса, происходящем либо от вдувания с дутьем соот-
1 Характерна в этом отношении узость спектров переменной со-
ставляющей тока проводимости и электрического шума вблизи фур-
мы и отсутствие в них высокочастотной составляющей, которая дол-
жна затухать и ослабляться при сложении множественных сигналов,
имеющих статический характер в первую очередь. Заметим, что в
ходе настоящего исследования была предпринята попытка изучить
электромагнитные колебания в радиодиапазоне на волне длиной
3 см. К сожалению, несовершенство и, в частности, недостаточная
чувствительность аппаратуры, сложность организации охлаждения
волноводов и рупорной антенны и т. п. помешали проведению все-
сторонних длительных исследований. Однако полученные материа-
лы позволяют все же с достаточной уверенностью констатировать
наличие постоянного, промодулированного низкой частотой, радио-
излучения из зоны горения.
2 Измерения проводимости газов в плотном слое в силу рассмот-
ренных выше органических недостатков соответствующей методики
носили эпизодический и кратковременный характер.
160
ветствующих топливных добавок или влаги, либо в ре-
зультате использования специальных холодильников,
замурованных в подину огневого стенда, при общем
снижении уровня проводимости и электрического шума
области их затухания простирались на большие рассто-
яния (рис. 54).
Давая общую оценку проводимости газов и электри-
ческому шуму в различных участках зоны горения, от-
метим прежде всего, что переменные составляющие со-
ответствующих сигналов имеют определенно импульс-
ный характер. Обращает внимание более или менее
четко выраженная группировка импульсов либо их мо-
дуляция с частотой 1,5—17 гц (рис. 48 и 53). В боль-
шинстве случаев уменьшение проводимости газов в пре-
делах одного импульса происходит до значений, отвеча-
ющих проводимости газов в фурменном устройстве, что,
кстати, свидетельствует об отсутствии заметных иска-
жений информации из-за возникновения паразитных то-
ков, обусловленных нагревом изолирующей электроды
керамики и, как следствие, снижением ее электросопро-
тивления. Глубина же модуляции в различных точках
зоны горения характеризуется постепенным уменьшени-
ем по мере удаления от глаза фурмы от 97 до 44% и
ниже.
Для характеристики электрического шума и пере-
менной составляющей тока проводимости в большей
степени, нежели модуляция, соответствует характеру
сигнала понятие скважности групп импульсов — отно-
шение протяженности свободных от импульсов проме-
жутков к ширине групп импульсов. При этом изменение
скважности происходит аналогично изменению глубины
модуляции тока проводимости, а также колебаний дав-
ления дутья и газов по длине зоны горения.
’ При анализе изменения тока проводимости и элек-
трического шума по длине зоны горения отмечена спе-
цифичность соответствующих осциллограмм в различ-
ных участках последней. Так, для непосредственно
прилегающих к фурме участков характерны от-
дельные достаточно высокоамплитудные импульсы, раз-
деленные относительно большими промежутками вре-
мени.
По мере удаления от фурмы и интенсификации го-^
рения вид осциллограмм изменяется. Все большее раз-
11— 250
161
витие приобретают и становятся преобладающими груп-
пы импульсов тока проводимости высокой частоты (до
250 гц и выше), возвышающиеся над некоторым, отлич-
ным от нулевого, уровнем и промоделированных с час-
тотой 1—10 гц. Для осциллограмм электрического шу-
ма и переменной составляющей тока проводимости в
этих участках характерна группировка импульсов с че-
тким разграничением сформировавшихся пачек. Наи-
большее развитие описанные типы осциллограмм тока
проводимости и электрического шума приобретают в на-
чале промежуточного разрыхленного слоя. Этому же
участку зоны горения соответствует и наибольшая ин-
тенсивность горения, отражающаяся в нахождении здесь
максимума изменения температуры и концентрации дву-
окиси углерода (см. рис. 48).
По мере затухания интенсивности горения меняется
и вид осциллограмм, когда наблюдается значительное
уменьшение глубины модуляции тока проводимости,
скважности его переменной составляющей и электриче-
ского шума, происходящее на фоне резкого уменьшения
их амплитуды. Для плотного слоя характерны низкоам-
плитудные колебания тока проводимости и импульсы
электрического шума, без заметной модуляции и скваж-
ности, приближающиеся по мере удаления от области
интенсивного горения к уровню помехи.
Описанная специфичность изменений тока проводи-
мости и электрического шума наблюдалась во всех слу-
чаях исследования электронно-ионных явлений в зонах
горения доменных печей и огневого стенда. Подчеркнем,
что зоне циркуляции и особенно началу промежуточ-
ного разрыхленного слоя соответствуют периодически
повторяющиеся высокочастотные импульсы электричес-
кого шума большой амплитуды и глубокомодулирован-
ные колебания тока проводимости; горению в слое-—
непрерывные малоамплитудные высокочастотные им-
пульсы; переходной к слою части промежуточного
слоя — высокочастотные импульсы средней амплитуды
со слабо выраженной периодичностью. Необходимо при
этом отметить, что специфичность осциллограмм сохра-
няется и в тех случаях, когда зоне горения в целом свой-
ствен лишь один из рассмотренных режимов сжигания
твердого топлива.
Описанная специфичность электрического шума при
162
различных режимах сжигания топлива позволяет конт-
ролировать и определять протяженность зоны горения
и ее частей [172] путем перемещения зонда по длине зо-
ны горения и сопоставления осциллограмм, наблюдае-
мых в данной точке, с типичными.
Специфичность характера электрического шума в
различных частях зоны горения позволила обнаружить
во время исследований на доменной печи рассмотрен-
ные выше вторичные колебания границ зоны циркуля-
ции с периодом 5—6 сек и более. При проведении соот-
ветствующих экспериментов двухэлектродный зонд без
источника внешней э. д. с. устанавливался стационарно
на границе промежуточного разрыхленного и плотного
слоев. Осциллограммы здесь характеризуются резко
возросшей скважностью, когда в течение времени пре-
обладает типичный для слоевого горения их характер,
лишь на относительно короткие отрезки времени сменя-
ющийся на типичный для зоны циркуляции (см. рис.
22). Собственно закономерное изменение типа осцилло-
грамм при стационарной установке зонда и свидетель-
ствует о колебаниях границ зоны циркуляции относи-
тельно точки установки зонда, а расстояние между со-
седними группами импульсов на осциллограмме позво-
ляет определять период этих колебаний. Перемещением
зонда на небольшие расстояния в пределах существова-
ния подобного характера сигнала установлено, что на
доменной печи граница зоны циркуляции колеблется в
пределах 200—300 мм относительно среднего положе-
ния.
Подобные же колебания, но, естественно, меньшей
амплитуды, были зафиксированы и на огневом стенде.
В этом случае с целью проверки достоверности инфор-
мации о вторичных колебаниях размеров зоны циркуля-
ции зонд вводили со стороны стенда, противоположной
фурме. Наблюдения за характером сигнала на экране
осциллографа были дополнены визуальными наблюде-
ниями через гляделку фурмы за зондом, просматриваю-
щимся за пеленой быстро движущихся кусков кокса.
Во всех случаях имело место полное совпадение резуль-
татов.
С достаточным основанием можно предположить,
что колебания радиационной температуры фурменного
очага, о которых сообщается в работах [176, 191], обя-
11*
163
заны своим происхождением перемещениям границы зо-
ны циркуляции.
Отметим также, что влияние обрушений динамичес-
ки неустойчивых сводов при значительных размерах зо-
ны циркуляции распространяется на весь объем лишь
во время сокращений ее размеров, обусловленных вто-
ричными колебаниями. Об этом свидетельствует перио-
дическое перемещение от глаза фурмы области сущест-
вования электрического шума на расстояние свыше
125 мм от ее границы. Вблизи этой границы характер
шума имеет вид единичных импульсов. Показательно,
что средний период этих перемещений составил, как и
для вторичных колебаний размеров зоны циркуляции,
5—6 сек.
Первичные и вторичные колебания границ зоны цир-
куляции должны обусловливать соответственные им зна-
чительные периодические колебания состава газа с ча-
стотой дискретного поступления кокса. Определение
последних затруднено из-за инерционности методов от-
бора и анализа газов. Низкочастотные же колебания
состава газа постоянно наблюдались в наших экспери-
ментах и описаны другими исследователями [15, 32, 118],
отмечавшими резкие колебания в содержании отдель-
ных компонентов газа почти на всем протяжении окис-
лительной зоны и уменьшение их лишь в восстановитель-
ной области зоны горения.
Рассмотренный способ может быть применен, естест-
венно, для исследования и контроля процесса горения
не только в доменной печи, но и в других топочных уст-
ройствах. Так, авторами он использован для контроля
и оптимизации положения ядра факела1 в топке мощно-
го парового котла, что позволило увеличить его к. п. д.
на 1,1%.
Тем более перспективно применение рассматривае-
мого способа контроля протяженности зоны горения и
отдельных его частей для получения информации о хо-
де доменной печи, где размеры зоны циркуляции и ко-
личество кокса, сгорающего в единицу времени, пред-
определяют объем располагающегося над этой зоной
эллипсоида разрыхления и скорость движения кусков в
нем.
Возвращаясь к характеристике электронно-ионных
явлений при горении кокса в доменой печи, следует об-
164
ратить внимание на то, что в большей части зоны цир-
куляции возникновение импульсов электрического шума
противоположных знаков равновероятно и более того
они попарно дополняют друг друга, характеризуя тем
самым быстрозатухающий колебательный процесс из-
менения числа и характера заряженных частиц в объе-
мах газа, пролетающих мимо электродов зонда (рис. 48,
53). Однако в определенных участках зоны циркуляции
(как правило, в начале ее и вблизи промежуточного
разрыхленного слоя) имеет место поляризация импуль-
сов, преобладание определенного их знака (рис. 48,6).
Аналогичный характер носит поляризация импульсов
тока проводимости. Обычно в этих участках возникают
положительные импульсы, что обусловлено нарушением
нейтральности микрообъемов газа в направлении обо-
гащения положительными ионами, происходящего, од-
нако, в начале и конце зоны циркуляции в силу различ-
ных причин.
Вблизи фурмы преимущественное значение, по-ви-
димому, имеет наличие значительных количеств кисло-
рода, способного захватывать свободные электроны с
образованием тяжелых отрицательных ионов. Подвиж-
ность последних, естественно, несколько меньше, чем у
более легких и обладающих более высокой энергией по-
ложительных ионов, привлеченных к фурме вместе с
электронами циркулирующим потоком газа из области
интенсивного горения.
Иные причины разделения заряженных частиц, веро-
ятно, имеют место у границ промежуточного разрых-
ленного слоя. Можно предполагать, что здесь сущест-
венна роль центробежных и кориолисовых сил при рез-
ком изменении направления движения высокоскоростной
струи газов, несущей разнящиеся по массам на несколь-
ко порядков положительные ионы и электроны. Начав-
шееся разделение частиц должно в известной мере под-
держиваться в результате взаимодействия магнитных
полей, возникающих вокруг движущихся зарядов и спо-
собствующих притяжению частиц одного знака при дви-
жении их в одном направлении. Бесспорно, эффект от
действия этих электродинамических сил незначителен,
однако он направлен в сторону удерживания разделе-
ния потока и, по-видимому, может усиливаться за счет
возникновения внутри слоя электронов положительных
1£5
ионов, порождаемых ударной ионизацией молекул га-
за, находящихся в этом слое. Благодаря последнему
возможно дополнительное стягивание электронного
слоя. В равной степени поддержанию ионного слоя дол-
жно способствовать проникновение в него электронов,
эмитируемых раскаленной поверхностью кусков кокса.
Наконец, следует учитывать и то, что при начавшемся
разделении электроны оказываются в среде с более
низкими температурами, чем ионы. Это должно приво-
дить к сближению их подвижностей, а следовательно,
к замедлению взаимной диффузии.
В связи с высказанными здесь соображениями пред-
ставляет интерес изменение преимущественной поляр-
ности импульсов электрического шума, фиксируемого с
помощью зонда, стационарно установленного в зоне
циркуляции у границы с промежуточным разрыхленным
слоем, наблюдаемое вслед за началом обогащения
дутья кислородом (рис. 52). Увеличение числа положи-
тельных импульсов в этом случае можно объяснить как
тем, что при этом существенно возрастает скорость дви-
жения газов, обусловливающая увеличение центробеж-
ных и кориолисовых сил и облегчение благодаря этому
разделения частиц, так и тем, что при работе на обога-
щенном кислородом дутье размеры зоны циркуляции
сокращаются. Благодаря последнему электроды зонда
как бы отдалялись на периферию зоны циркуляции и в
большей степени омывались внешним слоем газов, где,
по-видимому, преобладают положительные ионы. Есте-
ственно, что рассматривая возможность разделения в зо-
не циркуляции потока заряженных частиц и косвенно
подтверждающие его эксперименты, мы не имеем в ви-
ду полного расслоения их потока, хотя бы уже в силу
малости действующих сил и недостаточности для этого
времени нахождения частиц под действием соответству-
ющего силового поля. Речь в данном случае идет о боль-
шем или меньшем обогащении внутренних и внешних
частей циркулирующего потока газов электронами или
более тяжелыми ионами.
Возможность такого обогащения представляет ин-
терес не только с точки зрения уточнения представле-
ний о физических явлениях, имеющих здесь место, и
разработки способов их контроля, но и для объяснения
ряда физико-химических явлений. В частности, можно
166
предположить, что подобное разделение электронов и
ионов способствует возникновению той специфической
картины распределения температуры и состава газа в
зоне циркуляции, которая в значительной мере являет-
ся следствием резкой интенсификации процесса горе-
ния и увеличения тепловыделений в промежуточном раз-
рыхленном слое. Последнему же, по-видимому, способ-
ствует рекомбинация положительных ионов продуктов
горения и эмитированных раскаленной поверхностью
кокса электронов, тепловой эффект которой превышает
300 ккал1моль. Увеличение тепловыделений здесь воз-
можно и за счет поглощения поверхностью кусков кок-
са, приобретшей благодаря эмиссии положительный за-
ряд, отрицательных ионов кислорода, принесенных по-
током газа из прилегающих к фурме участков. Увели-
ченная благодаря действию электростатических сил
энергия внедрения кислорода в углерод кокса способст-
вует получению еще одного дополнительного, помимо
рекомбинации, теплового эффекта. Подобное явление
близко известному в физической химии индукционному
эффекту [277], но должно иметь более значительные
последствия.
Значительное влияние на тепловой эффект горения
твердого углерода механизма адсорбции, когда в зави-
симости от его характера тепловыделение более чем в
два раза превышает теплоту горения графита до дву-
окиси углерода, отмечают Н. А. Шилов и Рид и Уиллер
[277]. Необходимо отметить, что рассматриваемое увели-
чение тепловыделения возможно лишь при непрерывном
притоке извне и под действием внешних сил положи-
тельных и отрицательных ионов, отсепарированных от
собственных электронов. Кроме этого, необходима пе-
риодичность процесса, обеспечивающая очищение реа-
гирующей поверхности от твердых остатков, эвакуацию
продуктов горения и т. д. В противном случае это явле-
ние может проявляться, по-видимому, лишь в моменты
насыщения свободных связей углерода первыми порци-
ями кислорода, что и наблюдали Н. А. Шилов, Рид и
Уиллер.
Оценочные расчеты показывают, что при возможных
в зоне циркуляции доменной печи интенсивностях иони-
зационного и рекомбинационных процессов и степени
разделения электронов и ионов вблизи промежуточного
167
разрыхленного слоя увеличение теплового эффекта бла-
годаря электрофизическим процессам может достигать
3—5% и более.
Здесь необходимо отметить, что увеличение тепло-
выделений на границе зоны циркуляции происходит за
счет их перераспределения по объему зоны горения с
сохранением суммарного теплового эффекта. Однако,
Рис. 55. Относительная интенсивность А частотных со-
ставляющих v спектров электрического шума (а) и пе-
ременной составляющей тока проводимости (б) в различ-
ных участках зоны горения огневого стенда:
1 — в промежуточном разрыхленном слое; 2 — в зоне цир-
куляции; 3 — в малоподвижной массе кокса
сивного горения приводит к увеличению температуры
газов и скорости сгорания кусков кокса. Последнее в
свою очередь способствует увеличению степени иониза-
ции газов. Роль теплового состояния горна в развитии
электронно-ионных процессов иллюстрируется резуль-
татами изучения распределения величин тока проводи-
мости по длине зоны горения доменной печи при различ-
ной степени нагрева горна (рис. 54). Соответственное
изменение интенсивности электронно-ионных явлений
наблюдалось и на огневом стенде при воздействии на
тепловое состояние зоны горения различными способа-
ми. При этом показательно, что если поступление отно-
сительно небольших количеств влаги в зону циркуля-
ции способствовало увеличению тока проводимости и
амплитуды электрического шума, то дальнейшее увели-
чение влажности дутья приводило к значительному
уменьшению, наряду с температурой зоны циркуляции,
значений этих параметров.
168
Амплитудно-частотные спектры переменных состав-
ляющих тока проводимости и электрического шума в зо-
не горения (рис. 55) могут быть охарактеризованы как
сплошные. Однако при этом, так же как и в случае ко-
лебаний давления дутья (см. рис. 29), сплошность спек-
тра является результатом статистического характера
процессов у фурм доменной печи, в частности, рассмот-
ренных ранее постоянных флуктуаций параметров зон
горения. Показательна в этом отношении неизменность
колебаний во времени интенсивности различных состав-
ляющих спектра. Причем частота этих изменений ана-
логична имевшей место при анализе спектра колебаний
давления дутья. В соответствии с рассмотренными вы-
ше особенностями изменения электрического шума и то-
ка проводимости газов в различных участках зоны го-
рения, их амплитудно-частотные спектры характеризу-
ются постепенным обогащением на участке от фурмы
до промежуточного разрыхленного слоя, а затем резким
падением интенсивности составляющих, причем преиму-
щественно — низкочастотных. .
Обусловленность развития электронно-ионных явле-
ний в зоне горения интенсивностью сжигания топлива,
возможность безынерционного и надежного контроля
этих явлений, особенно электрического шума, позволи-
ли исследовать влияние дискретного механизма кокса в
зону циркуляции на течение процесса горения.
При этом с целью увеличения объема и надежности
информации температуру измеряли при помощи весьма
малоинерционных яркостных пирометров с кремниевым
или германиевым фотодиодами в качестве чувствитель-
ных элементов. В пирометре нашей конструкции с гер-
маниевым фотодиодом типа ФД-2 последний работал в
фотодиодном режиме, т. е. в схеме с внешним источни-
ком питания, напряжение которого прикладывалось в
запирающем направлении. Изменение режима работы
чувствительного элемента с вентильного, как это имеет
место в пирометре ФПФ-1, на фотодиодный позволило
значительно увеличить сигнал на выходе пирометра.
При изучении динамики процесса горения этот сигнал
подавался на вход катодного или шлейфного осцилло-
графов, что устраняло рассмотренные ранее искажения
информации из-за инерционности регистирующей аппа-
ратуры.
169
Как и следовало ожидать, переход от слоевого к цир-
куляционному режиму горения кокса приводит к изме-
нению характера осциллограмм и спектров яркостной
Рис. 56. Осциллограмма переменной составляющей яркостной температуры
при слоевом горении (а) и при наличии зоны циркуляции (б)
Рис. 57. Относительная ин-
тенсивность (а) частотных
составляющих спектра ( V,
гц) яркостной температуры
зоны циркуляции
температуры (рис. 56, 57), аналогичных для доменной
печи и огневого стенда. Характерным является возник-
новение после начала циркуляции кокса четко выра-
женной составляющей, имеющей частоту 1 —10 гц, по-
добном тому, как это имеет место
на осциллограммах и в спектрах
колебаний давления дутья, пере-
менной составляющей тока про-
водимости и электрического шу-
ма. Более того, как показало од-
новременное осциллографирова-
ние этих параметров (рис. 58),
колебаниям давления дутья от-
вечают следующие с.некоторым
запаздыванием соответствующие
колебания электрического шума,
яркостной температуры и т. п.
При этом переменная составляю-
щая яркостной температуры
практически идентична модулирующим колебаниям дав-
ления дутья (см. рис. 32), что естественно, так как оба
эти параметра, являясь интегральными, характеризуют
значения, усредненные по объему зоны циркуляции. По-
казательно совпадение низкочастотной составляющей ко-
лебаний давления дутья с колебаниями яркостной тем-
пературы, огибающей пачек импульсов электрического
шума и переменной составляющей тока проводимости.
Последнее наиболее наглядно проявляется при сопостав-
170
лении спектров этих колебаний и характеризуется сов-
падением частот, отвечающих максимальной их интен-
сивности (рис. 29, 55, 57). Однако максимумы спектров
колебаний параметров, являющихся производными от
горения (электрического шума, яркостной температуры и
т. д.), заметно уже, чем спектров колебаний давления
Рис. 58. Примеры одновременной записи:
а — колебания давления дутья 1 и электрического шума 2; б — колебания
давления дутья 1 и переменной составляющей яркостной температуры 3;
в — переменной составляющей яркостной температуры 3, и электрического
шума 2
дутья, а их высокочастотные ветви спадают значитель-
но интенсивнее. Совпадение колебаний давления дутья
и характеристик горения в сопоставлении с тем, что пер-
вые не изменяются и при «холодном» моделировании,
свидетельствует прежде всего о том, что первопричиной
возмущений горения является дискретное поступление
кокса в зону циркуляции. Об этом же свидетельствует
и одновременное возникновение колебаний характери-
стик горения и давления дутья вслед за образованием
зоны циркуляции и началом дискретного поступления
кокса.
В тех случаях, когда наблюдается циркуляция кокса
при отсутствии поступления новых его порций, напри-
мер в первые моменты начавшегося подвисания, отме-
чается прекращение колебаний параметров всех про-
171
цессов, протекающих в зоне циркуляции (рис. 59).
Связь возникновения колебаний параметров горения с
дискретным поступлением кокса (электрический шум
практически не наблюдается при слоевом горении) ста-
и»-,1..
Рнс. 59. Изменение колебаний давления дутья 1 и яркостной температу-
ры 2 при нижнем «подвисаиии». Отметчик времени 50 гц
новится совершенно очевидной и естественной, если
учесть, что при поступлении очередной порции кокса и
во время ее сгорания претерпевают возмущение такие
определяющие интенсивность процесса горения пара-
метры, как коэффициент избытка окислителя, величина
поверхности окисляющихся кусков и т. д. Характерна в
этом отношении относительная, по сравнению с колеба-
ниями давления дутья, узость спектральных максиму-
мов колебаний параметров горения, свидетельствующая
как о дискретном поступлении кокса, так и о значитель-
но меньших, чем последнее, возмущениях в процессе го-
рения, вносимых турбулентностью струи или иными на-
рушениями стабильности газового потока.
Преимущественное влияние условий поступления
кокса на стабильность процесса горения и значительное
возмущение его параметров в пределах зоны циркуля-
ции следует из рассмотренной выше зависимости ам-
плитуды их колебаний от принадлежности точки изме-
рения той или иной структурной составляющей зоны
горения. Зависимость эта подобна наблюдавшейся для
амплитуды колебаний давления дутья. Показательно,
что и отмечавшиеся выше резкие изменения тока про-
водимости происходят в пределах зоны циркуляции, а
электрический шум практически не наблюдается при
слоевом горении, хотя в последнем случае турбулиза-
ция струи выше, чем в относительно свободной от кус-
ков полости зоны циркуляции.
Значительный интерес с точки зрения выявления
влияния дискретного механизма поступления кокса в
172
зону циркуляции на процесс горения, представляет рас-
смотрение корреляции различных параметров этого
процесса1. Отметим прежде всего, что коэффициент пар-
ной корреляции, огибающей колебания давления дутья
Рис. 60. Характер изменения коэффициента парной корреляции
колебаний давления дутья и электрического шума, (а), переменной
составляющей яркостной температуры и электрического шума (б)
по длине зоны горения огневого стенда при естественном 1 и уве-
• лнченном 2 уровне ионизации:
/ — внутренняя граница промежуточного разрыхленного слоя;
П — граница промежуточного разрыхленного слоя и малоподвиж-
ной массы кокса
силу общности явлений, приводящих к колебаниям этих
параметров и усредненности последних по объему зоны
циркуляции, в идеальном случае следовало бы ожидать
полного соответствия между ними. По-видимому, то,
что на практике коэффициент корреляции не достигает
единицы, может быть объяснено прежде всего некото-
рым искажением колебаний давления дутья, порождае-
мых дискретным поступлением кокса, турбулентными
пульсациями соответствующей частоты.
Обращает на себя внимание изменение коэффициен-
тов парной корреляции электрического шума и колеба-
1 Расчет коэффициентов парной корреляции производился на
ЭЦВМ «Минск-2» после снятия координат точек соответствующих
осциллограмм на установке «Силуэт». Длина анализируемых участ-
ков осциллограмм выбиралась из соображений обеспечения доста-
точного объема выборки и, соответственно, высокого значения мате-
матического ожидания.
173
ний давления дутья по длине зоны горения на огневом
стенде (рис. 60, о) и в доменной печи (рис. 61), равно
как и электрического шума и колебаний яркостной тем-
пературы (см. рис. 60,6). Наибольшее соответствие рас-
сматриваемых колебаний имеет место в частях зоны
циркуляции, прилегающих к промежуточному разрых-
ленному слою, и в нем самом, что свидетельствует о на-
личии здесь наибольших
Рис. 61. Характер изменения
коэффициента парной корреля-
ции колебаний давления дутья
и электрического шума по длине
зоны горения доменной печи:
I — внутренняя граница проме-
жуточного разрыхленного слоя;
II — граница промежуточного
разрыхленного слоя и малопод-
вижной массы кокса
возмущений, вносимых в
процесс горения дискрет-
ным поступлением кокса.
В то же время на кривой
распределения по длине зо-
ны горения коэффициентов
корреляции выделяется еще
один максимум, значитель-
но уступающий рассмотрен-
ному по величине и лежа-
щей в пределах начального
участка зоны циркуляции.
Подобный же характер име-
ет и распределение коэффи-
циентов корреляции элек-
трического шума и яркост-
ной температуры (см. рис.
60, б).
Нельзя не отметить весь-
ма полного соответствия
конфигураций рассмотрен-
ных кривых и изменения
концентрации двуокиси углерода по радиусу горна при
циркуляционном режиме горения кокса. Подобное соот-
ветствие прежде всего можно рассматривать как допол-
нительное подтверждение того, что интенсивность элек-
тронно-ионных явлений преимущественно является
следствием развития процесса горения, преобладающе-
го в периферийных областях зоны циркуляции. С доста-
точным основанием можно связать возникновение пер-
вого, относительно незначительного, максимума с эжек-
цией струей дутья горящих молей продуктов неполного
горения из области интенсивного развития последнего
в окаймляющем зону циркуляции промежуточном раз-
рыхленном слое. Действительно, если бы первый макси-
174
мум порождался непосредственным горением кокса, то
даже при меньшей в силу избыточности окислителя
интенсивности горения, отражающейся в более низкой,
чем во втором, концентрации двуокиси углерода, коле-
бания процесса горения из-за дискретности поступле-
ния кокса и их соответствие колебаниям давления дутья
должны были бы в нем быть аналогичными второму
максимуму. Наблюдаемое же здесь уменьшение коэф-
фициентов корреляции более чем в два раза свидетель-
ствует о сглаживании этих колебаний. Последнее, по-
видимому, связано с демпфирующим' действием цирку-
лирующего объема газа, влияние колебаний на
состояние которого тем меньше, чем больше его объем
и выше энергетический потенциал.
В то же время наличие в зоне циркуляции значи-
тельных участков с пониженной интенсивностью горе-
ния, по-видимому, не должно рассматриваться как не-
достаток этого режима сжигания кокса. В ряде случа-
ев, особенно при подаче с дутьем топливных добавок,
расходование кислорода в пределах зоны циркуляции
может оказаться столь большим, что область интенсив-
ного горения сместится ближе к фурме и в промежуточ-
ном слое произойдет лишь завершение реакций гази-
фикации углерода. Однако при этом общая интенсив-
ность горения отнюдь не возрастет. Более того, при
этом замедляется скорость сгорания кусков кокса, а
следовательно, при появлении очередного динамически
неустойчивого свода увеличится доля кусков, привле-
ченных в него из ранее обрушившейся порции и нахо-
дившихся в промежуточном слое. Соответственно за-
медлится потребление кусков из вышележащих слоев
столба материалов и уменьшится скорость его движе-
ния, что повлечет за собой уменьшение порозности слоя
и, как следствие, рост его сопротивления проходу газо-
вого потока. В этой связи целью вдувания с дутьем топ-
ливных добавок видится не только непосредственная
замена ими кокса, при которой ухудшается способность
доменного процесса к авторегулированию газопроница-
емости столба шихты, но и создание условий для роста
рудных нагрузок, когда при сохранении или даже уве-
личении абсолютного количества кокса, сжигаемого в
единицу времени, относительный его расход существен-
но сокращается. Для сохранения неизменной скорости
175
движения шихты над зонами горения, а также с целью
улучшения использования топливных добавок типа ма-
зута, угольной пыли и т. п. представляется целесооб-
разным, в тех случаях, естественно, когда это возможно,
пропорциональное их расходу увеличение количест-
ва окислителя. Подача последнего должна быть исполь-
зована для распыления этих добавок с тем, чтобы
обеспечить их сгорание на расстоянии, соответ-
ствующем нахождению первого максимума и не да-
лее.
В заключение отметим, что при рассмотрении влия-
ния на процесс горения кокса дискретного механизма
его поступления в зону циркуляции и констатации от-
носительно слабого влияния на горение порожденных
турбулентностью колебаний давления дутья и газа, от-
нюдь не имелось в виду отрицание возможности интен-
сификации горения независимыми колебаниями пара-
метров дутья. Известно, что последнее используется в
технике топливосжигания во все более широком мас-
штабе [278]. Установлено, в частности, что скорость
горения в пульсационном режиме в несколько раз пре-
восходит стационарную скорость горения [212, 279—
281 и др.]. Отметим, что хотя в этих и других исследо-
ваниях рассматривалось факельное сжигание топлива,
их выводы в части интенсификации горения совпадают
с нашими, полученными при исследовании горения кус-
кового твердого топлива.
Предложен ряд конструкций для наложения на про-
цесс горения акустических полей [282—284 и др.], неко-
торые из которых с успехом эксплуатируются. Ниже
будет показана возможность дополнительной интенси-
фикации процесса горения кокса путем подвода извне
акустических колебаний. Однако неоспоримо преимуще-
ство естественно возникающих колебаний параметров
процесса горения, в том числе и давления дутья. Их ис-
пользование позволяет значительно снизить энергетиче-
ские затраты на интенсификацию процесса горения. Тем
более это преимущество проявляется при дискретном
поступлении кокса в зону циркуляции, что вызывает
колебания не только давления дутья, но и избытка
окислителя и т. д. Не случайно колебания тока проводи-
мости, обусловленные интенсивностью горения, более
чем на порядок выше колебаний давления дутья, а ин-
176
тенсификация процесса при использовании обратной
связи позволяет достичь значительно большего эффек-
та, чем наложение на зону горения независимых коле-
баний.
Выводы
1. В результате дискретного поступления кокса в зону циркуля-
ции процесс горения претерпевает глубокие возмущения, способст-
вующие его интенсификации.
2. Электронно-ионные явления при горении кокса в доменной
печи и на огневом стенде зависят от интенсивности процесса горения.
3. Разработаны способы и устройства для безынерционного кон-
троля и исследования процесса горения.
12—250
N РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ШИХТЫ
VI
ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ШИХТЫ
НА ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ И МОДЕЛЯХ
Газодинамические характеристики движущейся ших-
ты существенно отличаются от характеристик непод-
вижного столба шихты. Причиной этого, если отвлечься
от бесспорно происходящего в доменной печи измельче-
ния шихтовых материалов, способствующего ухудше-
нию их газопроницаемости, является изменение пороз-
ности, приводящее к уменьшению сопротивления дви-
жению газового потока в работающей доменной печи
[312, 313]. Более того, движение кусков шихты и распре-
деление их скорости по сечению столба материалов на
различных горизонтах оказывают существенное влияние
на прохождение процессов восстановления и теплооб-
мена в доменной печи [16].
Большинство исследований, посвященных изучению
движения шихты в доменной печи, носит чисто экспери-
ментальный характер и состоит в определении скоро-
стей опускания шихты на различных горизонтах кон-
кретных доменных печей. Лишь в последние годы стали
появляться работы обобщающего характера.
Рассматривая результаты экспериментов на домен-
ных печах, отметим, что еще проф. В. П. Ижевский на-
блюдал увеличенную скорость опускания материалов на
колошнике над зонами горения, приводившую к обра-
зованию небольших воронок в соответствующих местах
колошника. Это дало основание для представления о
независимости работы отдельных секторов печи. Близ-
17§
ки к описанным и результаты исследований Й. А. Со-
колова [1].
Первое крупное инструментальное исследование дви-
жения шихты было произведено С. П. Кинни в 1923—
1929 гг. на печи полезным объемом 700 л«3 [285]. Этим
исследованием также было показано, что над зонами
горения скорость движения шихты наибольшая. Отме-
тим, что как В. П. Ижевский, так и С. П. Кинни виде-
ли причину движения шихты только в горении кокса на
фурмах, что быть может и не лишено основания, если
учесть имевший место в тот период чрезвычайно высо-
кий удельный расход кокса, а также то, что печи ра-
ботали на плотной сырой руде. Естественно, что при
этом сокращение объема за счет горения кокса значи-
тельно превышало таковое за счет плавления руды.
Проведенные значительно позднее исследования
Д. В. Ефремова на печах большего объема [286, 287] в
основном подтвердили выводы С. П. Кинни о макси-
мальной скорости опускания шихты вблизи стен печи.
Однако им наблюдались случаи, когда скорость по оси
печи значительно превышала скорость в других точках.
Аналогичные результаты получены в проведенных боль-
шей частью в предвоенные годы исследованиях А. П. Лю-
бана [288] и Н. И. Красавцева [204], М. Б. Позина и
Н. Л. Гольдштейна [289], А. Н. Редько [120, 290]. Осо-
бая ценность этих и ряда других [291—294] работ со-
стоит в том, что они продемонстрировали обусловлен-
ность распределения скоростей опускания шихты пара-
метрами и характером работы доменной печи.
Заметим, что отмечаемое рядом исследователей вли-
яние порядка загрузки материалов на распределение
скоростей опускания уровня засыпи по радиусу колош-
ника, по-видимому, обязано возросшей при работе на
агломерате доле сокращения объема шихты за счет
расплавления железосодержащей ее части в местах со-
средоточения последней, что находит подтверждение в
наблюдавшемся В. А. Покрышкиным [292] значитель-
ном увеличении скорости шихты при замене руды агло-
мератом.
Позволив выявить ряд важных соотношений между
движением материалов и работой печи в целом, рас-
смотренные исследования не могли, в силу ограничен-
ности применявшейся методики, исключавшей возмож-
12*
179
ность наблюдения за изменением скорости в глубинных
слоях шихты, послужить основой для выявления харак-
тера движения кусков шихты в объеме печи.
Возможности исследований были значительно рас-
ширены с началом применения радиоактивных изото-
пов, позволивших следить за движение куска на протя-
жении всего пути от уровня засыпи до места его рас-
плавления или сгорания. По-видимому, первую попытку
применения радиоактивных изотопов для исследова-
ния движения материалов в доменной печи предпринял
в 1953—1954 гг. С. К- Трекало [295].
Усовершенствование методики применения радиоак-
тивных изотопов позволило И. Г. Половченко [124] про-
вести фундаментальное исследование движения шихты
в доменной печи. Анализ приводимых И. Г. Половченко
данных показывает, что на участке от колошника до
горизонта, отвечающего середине распара, скорость
опускания шихты вначале мало изменяется, затем за-
метно снижается и вновь возрастает в заплечиках.
И. Г. Половченко это объясняет тем, что в верхней ча-
сти печи материалы опускаются в результате выгора-
ния кокса у фурм и оплавления руды, а также измене-
нием конфигурации рабочего пространства.
Более позднее исследование И. Г. Половченко и
В. И. Узлюка [296] показало, что на распределение ско-
ростей движения кусков существенное влияние оказы-
вает интенсивность плавки. Ими установлено, что если
при низкой интенсивности наблюдается практически
равномерное движение шихты по всему сечению, то по
мере повышения интенсивности плавки периферийные
участки начинают опускаться быстрее и скорость их пе-
ремещения может значительно превышать среднюю.
При этом слабо проявляющиеся вначале колебания ско-
рости с повышением интенсивности плавки усиливаются
и становятся легко различимыми.
Близкие результаты были получены при исследова-
нии с помощью радиоактивных изотопов работы домен-
ных печей завода «Азовсталь» [297, 298]. Однако в от-
личие от И. Г. Половченко Г. Г. Лукашев и др. [297]
считают возможным значительное опережение одних
материалов другими. Известно, что аналогичные взгля-
ды довольно широко распространены и еще М. А. Пав-
лов [2] указывал на развитость этого явления, объясняя
180
его различием удельных весов составляющих шихты.
Но исследования Г. М. Малахова [23, 24],' Н. Г. Дубы-
нина [63], авторов [51] и ряда других специалистов по-
казали, что движение кусков с разными удельными ве-
сами происходит синхронно.
Эксперименты на действующих печах, значительно
расширив представления о характере движения шихты,
все же из-за маскирующего действия множества побоч-
ных явлений не вскрыли во всей полноте закономерно-
стей этого движения. Результаты исследований дви-
жения шихты на моделях доменных печей также во
многом противоречивы. Если, по В. А. Сорокину и
Н. Н. Попову [40], слоистое расположение материалов
сохраняется лишь в верхней части шахты, то М. А. Сте-
фанович [304] и П. П. Бобков наблюдали его вплоть
до распара.
Значительно полнее, чем движение шихты в домен-
ной печи, изучены вопросы, связанные с движением сы-
пучих материалов в бункерах и других подобных им
устройствах. В частности, исследованиями В. Блоха и
Г. Чайки [25], Д. Л. Тартаковского [26], С. И. Минаева
[299] и др., углубленными и обобщенными Г. М. Мала-
ховым [23, 24], было установлено, что при выпуске в объ-
еме сыпучего материала над отверстием образуется раз-
рыхленная область, близкая по форме к эллипсоиду1,
так называемый «эллипсоид разрыхления». Скорость
движения кусков в эллипсоиде разрыхления существен-
но не равномерна и тем больше, чем ближе кусок на-
ходится к центру выпускного отверстия. Заметим в этой
связи, что А. С. Саркисянц [38], а вслед за ним Л. Г. Шу-
маков [18], Н. Н. Круглов [37], М. А. Стефанович
[122], И. Г. Половченко [305] сравнивали перемещение
шихты по направлению к зонам горения в доменной пе-
чи с движением материалов в коническом бункере, ли-
бо в воронках, объем которых пропорционален количе-
ству сжигаемого на фурмах кокса. В. К- Грузинов [12]
применил понятие эллипсоида разрыхления для описа-
ния особенностей движения шихты в доменной печи.
Ф. Е. Кенеман и др. [73], К- В. Алферов и Р. Л. Зен-
ков [300] и ряд других последователей [109, с. 183, 303 и
1 По Н. Г. Дубинину [63], эта область представляет собой пара-
болоид, переходящий в цилиндр, замыкаемый сверху сводом.
181
др.] считают, что наряду с неравномерным распределе-
нием скоростей движения кусков по сечению слоя (так
называемым «нормальным» выпуском) может иметь ме-
сто и «гидравлический» выпуск, при котором весь сы-
пучий материал в сосуде движется вниз равномерно.
При этом тот или иной вид выпуска предопределяется,
по мнению этих исследователей, углом наклона образу-
ющей днища бункера к горизонту и свойствами сыпу-
чего материала. По В. А. Битюкову1 «гидравлический»
режим характерен для начала выпуска, а нормальный
выпуск наступает вследствие происшедшей после про-
должительной выгрузки перестройки структуры слоя.
Исследуя размеры и конфигурацию области движения
частиц при выпуске, П. Э. Зурков и А. М. Кабаков [306]
пришли к весьма важному, с точки зрения приложения
к движению материалов в доменной печи, выводу о том,
что при одновременном выпуске из нескольких отвер-
стий их взаиморасположение определяет конфигура-
цию и размеры исследуемой области.
Несомненной заслугой Г. М. Малахова [23, 24] яв-
ляется то, что он, по-видимому, впервые дал количест-
венное описание процессов, сопровождающих выпуск
сыпучих материалов из отверстия, а его основные выво-
ды получили подтверждение в производственных усло-
виях, в том числе и в бункерном процессе. Однако
описание это носит полуэмпирический характер и сде-
лано применительно к выпуску лишь из одного отвер-
стия. Следует отметить, что аналитическое описание
движения частиц сыпучего материала при одновремен-
ном выпуске из произвольного числа ' отверстий было
дано нами еще в 1961 г. [66]. Однако работа эта долгое
время оставалась вне поля зрения исследователей, за
исключением Ю. И. Борисова и Л. 3. Ходака [328, с. 11,
330], предпринявших обширное исследование с приме-
нением оригинальной методики, подтвердившее резуль-
таты аналитического расчета’.
При исследованиях движения материалов в бункерах
было установлено, что истечение материалов сопровож-
дается разрыхлением слоя над отверстием. Г. М. Мала-
хов [23, 24] показал, что объем элиппсоида разрыхления
——--------
1 Битюков В. А. Исследование механики движения сыпучих
материалов. Кандидатская диссертация. Москва, МИХМ, 1968.
182
в несколько раз превышает объем выпущенного мате-
риала. Изменение плотности укладки частиц при выпуске
отмечается и в работах Г. С. Зелинского и П. Н. Плато-
нова [307], А. Д. Бондаренко и др. [308], Б. С. Фиалкова,
В. К. Грузинова [51, 311], П. И. Лукьянова, В. А. Битю-
кова и Л. И. Христиановой [309], В. В. Чукина и
Р. Ф. Кузнецова [310], Азея, Катресса и Пулфера
[116]. Существенно при этом, что Г. С. Зелинский и
П. Н. Платонов [307] показали, что в зависимости от пер-
воначальной плотности укладки разрыхление слоя при
его движении может как уменьшаться (при высокой
первоначальной порозности), так и увеличиваться (при
движении первоначально уплотненного слоя), стремясь к
некоторому постоянному для данного сыпучего материа-
ла значению. Авторами [311] и несколько позже Н. Г. Ду-
быниным [63], А. Д. Бондаренко и др. [308] установлено,
что степень разрыхления слоя зависит от градиента ско-
рости движения частиц в данном участке слоя и, соот-
ветственно, увеличивается по мере приближения к цент-
ру выпускного отверстия.
Значение установления связи между скоростью дви-
жения частиц и порозностью слоя очевидно. Однако в
течение долгого времени это движение рассматривалось
лишь в связи с измельчением шихтовых материалов, а
следовательно, ухудшением условий движения газового
потока.
В то же время практика ведения доменных печей
всегда подсказывала, что движущийся слой оказывает
меньшее сопротивление движению газового потока, чем
неподвижный, и что распределение газов в нем также
отлично от распределения в неподвижном слое.
По мере увеличения форсировки хода доменных печей
влияние движения шихты на ее газопроницаемость стало
привлекать все большее внимание. И. Г. Половченко
указывал [312], что чем больше скорость движения ших-
ты, тем выше степень разрыхления шихты, и, наоборот,
с прекращением движения останавливается и процесс
разрыхления, материалы слеживаются и уплотняются,
газопроницаемость их понижается, а сопротивление про-
ходу газов растет. По наблюдениям А. Д. Готлиба [313],
приостановка движения шихты приводит к росту давле-
ния дутья. Прирост давления газа на отдельных горизон-
тах печи различен. Так, прекращение опускания шихты
183
в печи объемом 945 м3 вызвало увеличение давления вни-
зу шахты более чем на 700 мм рт. ст., тогда как вверху
шахты прирост давления составил всего 15 мм рт. ст.
Характерно, что, по данным Г. А. Полянского/
А. В. Воловика и В. Г. Аносова [314], при обогащении
дутья кислородом, когда можно ожидать преимущест-
венного увеличения нижнего перепада из-за роста темпе-
ратуры газов в фурменной зоне, он наоборот значитель-
но снизился. Последнее можно объяснить интенсифика-
цией хода печи и в первую очередь значительным уско-
рением движения шихты в нижней части печи над зона-
ми горения. Хансен [138], исследовавший зависимость
между порозностью столба шихты и интенсивностью ра-
боты восьми доменных печей ФРГ, установил, что пороз-
ность шихты возрастает с увеличением количества газа,
т. е. с форсировкой хода печи.
А. С. Саркисянц [38] прямо указывал, что газы дви-
жутся там, где движется шихта, или движение доменных
газов и движение шихты зависят одно от другого и что
шихту нужно грузить на те участки колошника, где на-
блюдается интенсивное ее опускание.
Последнее говорит о необходимости координации ме-
жду распределением материалов на колошнике и распо-
ложением зоны горения. По наблюдениям авторов [66],
оптимальным является совпадение горизонтальных про-
екций мест сосредоточения железосодержащей части
шихты на колошнике и зон горения в горне. Впоследст-
вии к аналогичным выводам пришел Л. Я. Гаврилюк
[319].
Значительное влияние движения шихты на ее газо-
проницаемость отмечается в работе Н. Г. Маханека и
А. С. Кукаркина [316], которые, аналиризуя зависимость
между перепадом давления и интенсивностью горения в
доменной печи завода Бенси, пришли к выводу, что по-
лученная зависимость показательна прежде всего тем,
что перепад давления растет в степени 0,53—1,09, а не
1,7—1,8, как было получено при продувании неподвиж-
ного слоя. Вероятно, это обусловлено тем, что газовый
поток в печи распределяется менее равномерно, чем при
продувании неподвижного слоя, и шихта в печи более
разрыхлена в связи с ее движением.
Ван Дэ-жун и Л. М. Цылев [317] установили, что
движение материалов увеличивает газопроницаемость
184
на 3,5 10%- Снижение потерь напора при движении
столба шихты отмечают также В. Г. Манчинский и
Б. В. Трошенко [323], а зависимость этих потерь от пороз-
ности шихты наблюдали А. Н. Чернятин [324], Риджен
[325] и др. В то же время следует отметить, что различ-
ные исследователи по-разному оценивают пределы влия-
ния движения кусков на порозность слоя. Если в рабо-
тах Ван Дэ-жуна и Л. М. Цылева [317], В. К. Дурнова
[328, с. 31] и ряда других исследователей отмечается, что
порозность возрастает с увеличением скорости лишь до
некоторого, определенного для данного слоя значения,
то исследованиями [66, 311] установлено, что порозность
слоя изменяется лишь при наличии градиента скорости
движения кусков и возрастает с увеличением последнего.
Значительный интерес представляют опыты В. Е. Лев-
ченко [322] на модели, которые показали, что распреде-
ление газовых потоков в слое сыпучих материалов, раз-
личные секторы которого имели отличающуюся друг от
друга порозность, характеризуется зависимостью, подоб-
ной закону Кирхгофа для электрического тока. В сопо-
ставлении с известной неравномерностью распределения
скорости движения кусков по сечению слоя в доменной
печи показательны результаты проведенных Ймао [326]
измерений газопроницаемости столба шихты на различ-
ных расстояниях от стен. Согласно этим измерениям, ес-
ли принять газопроницаемость у стен печи (5-е сечение)
за единицу при работе на сырой руде, газопроницаемость
по сечению колошника изменялась следующим образом:
Сечение............. 1-е 2-е 3-е 4-е
Газопроницаемость .... 0,67 0,60 0,95 0,82
Известны получившие определенное распространение
взгляды о том, что неравномерность распределения газо-
вых потоков обусловлена горением кокса в локализован-
ном участке, когда основная масса газа генерируется
вблизи стен. Однако эксперименты на моделях В. Кали-
новски *, А. Л. Верина [329] и др. показали, что высота
области воздействия местного возмущения на газовый
поток не превышает 1,5 радиусов модели. Ряд экспери-
ментов на доменных печах [327] привел к аналогичным
1 Калиновски В. Исследование возможности управления
газопотоком в доменной печи. Кандидатская диссертация. Москва,
Ин-т стали и сплавов, 1964.
185
результатам, когда возмущения Газового потока весьма
быстро нивелировались по высоте печи.
Естественна в этой связи постановка вопроса о взаи-
мосвязи характера газораспределения в столбе шихты
с неравномерностью распределения по его сечению со-
противлений движению газов. Очевидно влияние на по-
следнее горизонтального распределения материалов.
Однако результаты как моделирования, так и исследова-
ния на действующих печах говорят и о значительной роли
движения столба шихты. В частности, весьма плодотвор-
ным может быть привлечение к рассмотрению последст-
вий движения материалов к зонам горения, с точки зре-
ния газораспределения в них, введенного Г. М. Малахо-
вым [23, 24] понятия «эллипсоида разрыхления». В этом
случае естественное объяснение получает влияние высо-
ва фурм, изменения размеров зон горения и профиля пе-
чи и т. д. на сход шихты. В то же время следует заме-
тить, что предложенные различными исследователями
формулы для описания так или иначе называемых обла-
стей разрыхления над выпускными отверстиями носят
эмпирический или полуэмпирический характер, что, есте-
ственно, препятствует их применению на практике. От-
сутствие достаточно обоснованных представлений о ме-
ханизме движения частиц сыпучего материала к отвер-
стиям и сопровождающего это движение разрыхления
порождает различие как в рекомендуемых соотношениях
параметров выпуска, так и в представлениях о конфигу-
рации зон разрыхления, хотя изменение их формы опре-
деляется физико-механическими свойствами частиц и ус-
ловиями выпуска.
Наиболее интересующий нас случай движения сыпуче-
го материала к нескольким равноудаленным от центра
отверстиям практически не изучен даже в чисто экспери-
ментальном плане. В равной степени оставался нерешен-
ным вопрос и о причинах и закономерностях изменения
порозности при движении слоя. Восполнение этих пробе-
лов в механике сыпучих сред позволило бы аналитически
описать процесс разрыхления столба шихты в доменной
печи, что в свою очередь создало бы возможность нари-
совать картину наиболее вероятного направления дви-
жения газовых потоков и прогнозировать их перераспре-
деление при изменении параметров доменного про-
цесса. _,| ' ij 'J
186
Выводы
1. В настоящее время важность решения вопросов, связанных
с движением сыпучих материалов, неоспорима.
2. Частицы сыпучего материала движутся к выпускному отвер-
стию со скоростями, изменяющимися как по высоте, так и по сече-
нию слоя.
3. Движение способствует разрыхлению слоя сыпучих материа-
лов, что влечет за собой улучшение газопроницаемости столба ших-
ты в доменной печи.
4. Косвенные данные позволяют предположить, что распределе-
ние газовых потоков в доменной печи определяется неравномер-
ностью разрыхления столба материалов по сечению.
5. Отсутствие представлений о механизмах движения частиц сы-
пучего материала к отверстию и разрыхления слоя вследствие этого
движения препятствует их аналитическому описанию.
VII
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ
В СТОЛБЕ ШИХТЫ
Характер перемещения частиц при их движении
к выпускным отверстиям
Противоречивость сведений о движении сыпучих ма-
териалов привела к необходимости дополнительных экс-
периментов. Первую серию опытов проводили на модели
рабочего пространства доменной печи, выполненной в
масштабе 1 :25 [51]. В диаметральной плоскости модель
была разделена плоской стеклянной стенкой, позволяю-
щей наблюдать перемещение частиц. Выпуск производи-
ли через отверстия, расположение и размеры которых
можно было изменять путем смены днища.
Размер частиц был выбран из соображений сохране-
ния равенства отношений диаметра отверстия к наиболь-
шему размеру куска на модели и в действующей печи,
что является необходимым условием подобия процессов
выпуска [23, 24].
Наблюдения показали, что в первый момент материа-
лы выходят из расположенного над отверстием почти ци-
линдрического по форме объема постепенно; по мере уве-
личения дозы выпуска форма объема приближается к
эллипсоиду. В то же время было показано тормозящее
187
движение действия стен. Так же, как и в опытах
Г. М. Малахова, в данном случае в движении пребывали
лишь частицы, находящиеся в пределах области разрых-
ления. Жетоны, произвольно уложенные в слое, начина-
ли перемещаться
Рис. 62. Перемещение ок-
рашенных слоев в моде-
ли при одновременном
выпуске сыпучего мате-
риала через несколько
отверстий .
лишь после того, как до них распро-
странялась область изогнутых про-
слоек.
С развитием области разрыхления
в нее вовлекался все больший объем
заполняющего модель материала.
При выпуске из одного отверстия дви-
жение уровня засыпи начиналось лишь
после того, как эллипсоид разрыхле-
ния касался его и образовывалась во-
ронка выпуска. По мере увеличения
дозы выпуска наступал момент, когда
эллипсоид разрыхления как бы выхо-
дил за стены модели. После этого в
движении при незначительном гради-
енте скорости по сечению слоя нахо-
дился практически весь объем матери-
ала, заполнявшего модель, за исклю-
чением узких полосок у стен.
Это позволяет сделать вывод о том,
что деление выпуска на два вида —
«нормальный» и «гидравлический»
весьма условно и что последний отли-
чается только тем, что выпуск проис-
ходит с образованием эллипсоидов
разрыхления, выходящих за пределы
емкости. Отсутствие в этом случае во-
ронки выпуска и сохранение горизон-
тальной свободной поверхности обу-
что и воронка выпуска, равная по вели-
имеет при этом размеры, значительно пре-
словлено тем,
чине дозе его,
восходящие площадь бункера. Естественно, что прида-
ние вмещающей слой емкости конусной формы, измене-
ние физико-механических свойств частиц сыпучего ма-
териала и размеров выпускного отверстия в направле-
нии, способствующем увеличению эксцентриситета
эллипсоида разрыхления, обусловливает кажущийся пе-
реход от «нормального» выпуска к «гидравлическому».
Наблюдение за жетонами показало также, что при пе-
188
ремещении к выпускному отверстию жетоны совершают
поворот вокруг своих горизонтальных осей. При этом их
угловая скорость возрастает с уменьшением расстояния
до центра выпускного отверстия, т. е. одновременно с
ростом скорости перемещения.
Картина движения слоев при выпуске через одно от-
верстие и при одновременном выпуске через несколько
отверстий различна (рис. 62). При этом образование са-
мостоятельных, подчиняющихся описанным Г. М. Мала-
ховым закономерностям, эллипсоидов наблюдалось толь-
ко при выпуске через отверстия весьма малого диаметра,
находящиеся на значительном расстоянии друг от друга.
При сохранении же условий, подобных имеющим ме-
сто в доменной печи, наблюдается пересечение эллипсои-
дов разрыхления, начинающееся с некоторого горизонта
(обычно соответствующего распару или верху заплечи-
ков). Чем больше расстояние между отверстиями, тем
выше находится горизонт пересечения.
Отличие наблюдающейся при этом картины состоит
в следующем (рис. 62): между эллипсоидами разрыхле-
ния и ниже горизонта их пересечения образуется столб
сравнительно малоподвижных материалов, находящийся
в уплотненном состоянии. Размеры эллипсоидов разрых-
ления стабилизируются и становятся независимыми от
времени выпуска. При этом, как показали наблюдения,
они зависят от размеров выпускных отверстий, а следова-
тельно, и скорости выпуска, от числа выпускных отвер-
стий и от расстояния между ними. При увеличении раз-
меров выпускных отверстий высота эллипсоидов пони-
жается; к этому же ведет й увеличение числа отверстий.
Наоборот, при уменьшении числа отверстий высота эл-
липсоидов повышается с одновременным увеличением
высоты и размеров центрального малоподвижного
столба.
Над эллипсоидами происходит уменьшение градиента
скоростей по сечению, приводящее к тому, что от уровня
засыпи и до вершины эллипсоидов прослойки перемеща-
лись параллельно самим себе. Наблюдалось лишь отста-
вание участков, непосредственно прилегающих к стенам.
При поддержании постоянного уровня засыпи описанная
картина распределения скоростей стабилизировалась и
сохранялась как угодно долго. По-видимому, это объяс-
няется сложением возможных скоростей движения куска
189
к различным выпускным отверстиям, приводящим к то-
му, что, начиная с некоторого расстояния от плоскости
выпускных отверстий, радиус кривизны верхней части
суммарного эллипсоида становится столь большим, что
на незначительных удалениях от оси симметрии модели
Рис. 63. Перемещение окрашенных слоев при поочеред-
ном выпуске из двух отверстий
градиенты скоростей по сечению становятся весьма ма-
лыми. В этом убеждают эксперименты с поочередным
выпуском из двух диаметрально противоположных отвер-
стий, когда жетон последовательно совершал движение
то к одному, то к другому отверстию, переходя соответ-
ственно с одного эллипсоида на другой. Причем таким
поочередным выпуском можно при равенстве доз выпуска
создать картину, полностью соответствующую наблюдаю-
щейся при одновременном выпуске (рис. 63).
190
Сложением скоростей, вероятно, объясняется и на-
блюдающееся при увеличении числа выпускных отверстий
отклонение большой оси эллипсоидов от вертикали.
Эти наблюдения показали, что с увеличением числа вы-
пускных отверстий скорость опускания возрастает про-
порционально их числу.
Следует также отметить, что наблюдения за переме-
щением жетонов одинакового размера, но разного удель-
ного веса не показали какого-либо опережения одних
другими. Так, деревянные и свинцовые жетоны, уложен-
ные на равных расстояних от оси выпускного отверстия,
опускались вплоть до заплечиков с равными скоростями
перемещения. Лишь в заплечиках, где материалы очень
разрыхлены, свинцовые жетоны опускались быстрее де-
ревянных. Жетоны значительно больших размеров, чем
зерна загружаемого материала вне зависимости от их
удельного веса двигались со скоростью заключающего
их слоя вплоть до самого низа эллипсоидов, где более
крупные частицы опережались мелкими, в том числе и
меньшего удельного веса.
По-видимому, и в доменной печи опережение одних
материалов другими возможно лишь в случае просыпа-
ния мелких частиц большого удельного веса в зазоры
между крупными кусками. Однако возможность даже
такого рода опережения ограничивается следующими
обстоятельствами. Во-первых, как было отмечено выше,
эффективное опережение, вызванное различием удель-
ных весов, проявляется лишь в районе заплечиков. Но
при нормальных условиях плавки железосодержащая
часть шихты начинает размягчаться на более высоких
горизонтах, а следовательно, использование этой воз-
можности проявляется лишь в исключительных слу-
чаях.
Во-вторых, просыпание мелких, но тяжелых частиц
в зазоры между крупными не может получить сущест-
венного развития, так как последнее возможно для ма-
териалов, используемых в доменной плавке, лишь при
отношении размеров зазора к диаметру частиц не мень-
ше 4,5-—5,0. Расчет показывает, что при этом тяжелые
частицы должны иметь размеры меньше 0,005 размера
кусков кокса. Но такие мелкие частицы, как известно
[2, 4, 12, 258], интенсивно выносятся из печи. Таким об-
разом, опережения одних кусков другими, вызванного
191
различием их удельных весов, в доменной печи, по-вй-
димому, не наблюдается.
Другое дело, что из-за значительного превышения
скорости над центрами зон горения по сравнению со ско-
ростью над другими участками в нижней части печи
сырые материалы, находящиеся на колошнике над зона-
ми горения, могут прийти к горизонтам плавления рань-
ше заданного в ту же подачу кокса. Этим, вероятно,
и объясняются наблюдающиеся в ряде случаев [2] изме-
нения состава чугуна при переходе с одного его вида на
другой в периоды времени меньшие, чем среднее время
пребывания шихты в печи. Иными словами, здесь имеет
место не опережение одних материалов другими, а не-
одинаковые скорости опускания различных частей пода-
чи, зависящие от места загрузки этих частей.
В результате можно сделать вывод, что для предот-
вращения получения чугунов нежелательного состава
при существенных перешихтовках целесообразен под-
бор систем загрузки, обеспечивающих такое распреде-
ление материалов, при котором учитывалось бы разли-
чие скоростей движения шихты по сечению и благодаря
этому соблюдалась бы нужная технологу очередность
прихода в горн различных составляющих шихты.
Близкие к описанным результаты были получены
в работе И. Г. Половченко [124], выполненной с приме-
нением радиоактивных изотопов. Для получения пред-
ставления о механизме образования области разрыхле-
ния была проведена вторая серия опытов, состоящих
в скоростной киносъемке плоского слоя при его движе-
нии. Просмотр снятых общим планом кадров показал,
что в массе сыпучего материала образуются замкнутые
сводчатые структуры, симметричные относительно вер-
тикальной оси, проходящей через центр выпускного
отверстия. При этом было обнаружено, что эти струк-
туры, приближающиеся по форме вертикального сече-
ния к эллипсу, разрушаются (и образуются вновь) с тем
меньшей частотой, чем больше их пролет. Причем раз-
рушению большего свода предшествует разрушение
меньшего, лежащего ближе к вертикальной оси. Тем са-
мым происходят периодические нарушения сплошности
слоя, а частицы совершают как бы перескоки с больших
сводов на меньшие. При этом, так же как при разруше-
нии динамически неустойчивых сводов над отверстием,
192
перед разрушением сводчатых структур наблюдается
поворот частиц их составляющих. По мере уменьшения
размеров этих структур разрыхленность внутри объема,
ими окбнтуриваемого, все более возрастает, что, по-ви-
димому, можно объяснить, с одной стороны, увеличени-
ем частоты нарушения сплошности слоя, а с другой,—
изменением конфигурации элементарной ячейки слоя
(последнее специально будет рассмотрено ниже).
Азей, Катресс и Пулфер [116], применив оригиналь-
ную методику, обнаружили с помощью рентгенографии
движущегося слоя в бункере, что в объеме слоя перио-
дически образуются структуры с пониженной плот-
ностью, симметричные относительно оси бункера
(см. рис. 71). Сопоставляя это с рассматриваемой ниже
зависимостью порозности слоя от градиента его скоро-
сти, мы усматриваем в этих данных дополнительное
подтверждение описанного механизма движения слоя
к выпускному отверстию.
Материалы киносъемки показывают, что сводчатые
структуры в объеме сыпучего материала образуются не
мгновенно с началом выпуска. Их образование пред-
ставляет происходящий во времени процесс развития ди-
намически неустойчивых сводов над отверстиями, начи-
нающийся путем смещения сбоку лежащих материалов
в зону выпуска. При измерениях частоты сводообразо-
вания полностью согласуются с материалами киносъем-
ки, во-первых, уменьшение частоты и, во-вторых, увели-
чением времени между началами выпуска и колебаний
давления по мере удаления датчика от выпускаемого
отверстия.
Таким образом, механизм образования разрыхленной
области, названной Г. М. Малаховым эллипсоидом раз-
рыхления, по-видимому, подобен механизму образования
динамически неустойчивых сводов над выпускным отвер-
стием. В начальный момент, в результате выхода через
выпускное отверстие некоторого объема материалов,
над этим отверстием, вероятно, образуется полость того
же объема, в горизонтальном сечении повторяющая вы-
пускное отверстие. Под действием горизонтальных со-
ставляющих распорных усилий частицы сыпучего мате-
риала, прилегающие к этой полости, придут в движение
и, как и над отверстием, образуют сводчатые структуры,
которые в этом случае сомкнутся около вертикальной
13—250
193
оси. В результате смыкания образуется при Круглом
выпускном отверстии поверхность вращения, окаймляю-
щая разрыхленную область. При разрушении этой свод-
чатой структуры будет наблюдаться процесс, подобный
происходящему при истечении частиц из отверстия, с той
лишь разницей, что в этом случае истечение происходит
во внутреннюю, а не во внешнюю полость.
Восстановление этой структуры происходит за счет
перемещения частиц из окружающего ее материала, в
результате чего образуются новые, большие по разме-
рам своды и т. д. Эти сводчатые структуры представля-
ют собой не что иное, как обнаруженные С. И. Минае-
вым и Г. М. Малаховым (23, 24] эллипсоиды равных
скоростей, поскольку частицы, их составляющие, при раз-
рушении сводов приходят в движение одновременно
и проходят одинаковый, равный характерному размеру
частиц, составляющих слой, путь до внутрилежащего
эллипсоида.
С помощью описанного механизма образования раз-
рыхленной области можно объяснить отличие выпуска
через несколько отверстий от выпуска через одно отвер-
стие. Действительно, в этом случае частица одновремен-
но принадлежит нескольким сводчатым структурам.
При достаточном удалении от выпускных отверстий ча-
стоты разрушения этих структур малы и не столь зна-
чительно зависят от величины пролета. При разрушении
каждого из этих эллипсоидов частица совершает дви-
жение к центру соответствующего отверстия. При син-
хронном выпуске перемещения частицы сложатся и она
будет пермещаться по линии, близкой к вертикали. По
мере перемещения вниз все больше скажется влияние
отдельных выпускных отверстий. Частицы, расположен-
ные в областях, примыкающих к вертикали, проходящей
через центр отверстия, будут все чаще участвовать в сво-
дообразовании над данным отверстием, так как влияние
эллипсоидов, тяготеющих к более удаленным выпуск-
ным отверстиям, будет относительно уменьшаться. Ча-
стицы же, расположенные в зоне, равноудаленной от
выпускных отверстий, по-прежнему будут перемещаться
по вертикали.
В то же время можно ожидать, что при выпуске из
нескольких отверстий большие оси эллипсоидов будут
наклоняться друг к другу в силу «отвлекающего» дей-
194
ствия соседних эллипсоидов. В этом случае высота эл-
липсоидов разрыхления сохраняется неизменной по вре-
мени и определяется относительным влиянием отдель-
ных эллипсоидов.
Очевидно, что наибольшая высота эллипсоидов раз-
рыхления определится тем наименьшим расстоянием от
плоскости выпускных отверстий, после превышения ко-
торого совместное воздействие на перемещение частицы
сводов от нескольких отверстий будет превалировать
над воздействием «своего» свода.
Уравнение скорости движения частицы
в произвольной точке при выпуске из одного отверстия
Основываясь на описанном механизме образования
разрыхленной области, при переходе к количественному
описанию процесса, естественно принять положение
о том, что количество частиц, переходящих в единицу
времени с одной сводчатой структуры 1 на другую, ле-
жащую внутри первой, постоянно и не зависит от раз-
мера этих- структур.
Обозначим поверхность сводчатой структуры, вклю-
чающей частицу, лежащую в произвольной точке А, че-
рез SA; частоту разрушений этой структуры через vA
и порозность ее через тА .
Параметры динамически неустойчивых сводов над
отверстием соответственно обозначим через So, vo, то.
Так как толщина сводчатой структуры равна харак-
терному размеру частиц d, условие постоянства объемов
частиц, переходящих с одного эллипсоида на другой, за-
пишется как
Q = vxSzd(l — тА} =voSod[l—mo) = const. (55>
Откуда
у, = V -So-1
А °SA 1-шА ’
1 Выше было показано, что по форме эти структуры весьма
близки к эллипсоидам. В связи с этим в дальнейшем будем пользо-
ваться этим термином, отличая его, когда это специально не огово-
рено, от введенного Г. М. Малаховым понятия «эллипсоида разрых-
ления», имеющего иной физический смысл.
13*
195
Так как So — поверхность динамически неустойчивого
свода над отверстием, а — полная поверхность эллип-
соида,
кально
полученного вращением эллипса вокруг верти-
расположенной большой оси, равной НА, то
(7?о0,5d)2 Г/ (р; 4
L \ *\
-1 ..' (56)
v. = v
° / пА
21 —
\ 2
2
р2 +--— arc sin 1^1 — р2
/1-р2
После упрощения при условии, что то =0,259, получим
vA = 0,371
1
d
Do
1
1
2

Полагая, что в пределах эллипсоида разрыхления тА —
= 0,475, тогда
Рис. 64. График функции
<Р (И)
(si \1 1 / D \2
W P ) Г Vo I 7Г V <57a>
R 14- \HAj
Do
Здесь ср (p)— коэффициент, характеризующий форму
эллипсоида. График для его
отыскания представлен на
рис. 64.
Из уравнения (57) следует,
что частота разрушения эллипсои-
дальных сводчатых структур или,
что то же самое, частота переско-
ка частицы с одной сводчатой
структуры на другую пропорцио-
нальна частоте разрушения сво-
дов над отверстием (частоте вы-
хода из него порций частиц),
квадрату отношения диаметра
выпускного отверстия к размеру
большой оси эллипсоида. Отме-
тим, что это хорошо согласуется
с экспериментальными результатами. Выражение для
скорости перемещения частицы может быть получено с
помощью уравнения (57). Действительно, как было уста-
новлено в экспериментах, перемещение частиц к выпуск-
196
ному отверстию представляет собой сумму перескоков с
поверхности одного эллипсоида на другой. Поскольку
расстояние, преодолеваемое частицей при этом переско-
ке, равно ее характерному размеру d, а частота этих пе-
рескоков vz, то видимая скорость перемещения частицы
в точке А будет равна произведению этих величин, т. е.
= dvA- (58)
Умножая обе части уравнения (57) на d, получим
1 Л /
-------vo а / —
1 +d/Do ° I НА
(58а)
Но из уравнения (24) следует, что
Подставив последнее выражение в уравнение (58а)
и произведя сокращения, получим
или
—= 0,613ф (и)
W
о
1
Х~тА
(60)
Последнее уравнение представляет особый интерес,
так как оно является выражением подобия выпуска при
моделировании. Имея в виду определение скорости ча-
стицы, лежащей в произвольной точке объема сыпучего
материала, запишем выражение для определения раз-
меров полуоси эллипса через координаты точки, ему
принадлежащей, при начале координат в центре эллип-
соида [333].
= z2+-^-.
у 2 / 1 — еа
(61)
197
При перемещении начала осей координат по верти-
кальной оси эллипсоида вниз, в центр выпускного от-
верстия
у2
И. = z +-----------. (62)
А z(l — е2) v '
Эксцентриситет соответствующих эллипсоидов может
быть рассчитан с помощью уравнения
аналогичного уравнению (20).
При реальных отношениях d]HA в доменной печи вы-
ражение в квадратных скобках, характеризующее
искривляющее конфигурацию свода влияние размера
частиц, стремится к единице, что позволяем имея в ви-
ду достаточно развитые эллипсоиды, записать
е = /1 — р2.
(63а)
Л2
Подставляя Н . =z+_______
л гр2
в уравнение (60), получим
W« 1 Z)2
-^- = 0,613ср(р)^-
wo 1— тА
(64)
d у
~DO)
Очевидно, что применение уравнения (64) теряет
смысл при таких значениях х и z, когда нарушаются ус-
ловия для образования эллипсоида с вертикальной боль-
шой осью, т. е. после того, как последний выродится в
равновесный свод с горизонтальной осью. При этом ма-
лая полуось эллипсоида должна уменьшиться до размера
радиуса выпускного отверстия. Отсюда условие приме-
нимости уравнения (64) запишется следующим образом:
у2
zp 4------> Do.
z
(65)
Поскольку в практике наиболее распространены слу-
чаи, когда отношение d]Do стремится к нулю, и так как
экспериментальное определение порозности в данном
участке объема сопряжено с большими трудностями, а
для расчета ее в свою очередь необходимо определение
скорости частицы в данной точке, представляется целе'
198
сообразным упрощение уравнения (64). Тогда, полагая
в эллипсоиде разрыхления тА =0,475, получим
WA
—1,
17<р(р.)£р(
p2z \2
р.2г2 + х2/ *
(66)
W
О
Сопоставление результатов расчета (рис. 65) по урав-
нению (66) 1 с данными Г. М. Малахова [23, 24] 2 и
Р. Квапила [68] 3 говорит об
удовлетворительном их соот-
ветствии. Из анализа уравне-
ния (63) и (66) следует:
1. Скорость движения ча-
стицы возрастает по мере при-
ближения к плоскости и оси
выпускного отверстия.
Влияние изменения ордина-
ты и абсциссы частицы на ско-
рость ее движения не одинако-
во. Возрастание абсциссы при-
водит к более интенсивному
затуханию скорости.
2. Не должно вызывать не-
доумения стремление разме-
ров эллипсоидов к бесконечно-
сти при обращении относи-
тельной скорости частиц в
нуль, хотя это и противоречит,
на первый взгляд, наблюдае-
мой при выпуске картине, когда
Рис. 65. Зависимость отно-
сительной скорости движе-
ния частиц от расстояния до
выпускного отверстия. Вы-
пуск из одного отверстия
при эллипсоиде конеч-
ных размеров частицы, находящиеся вне его пределов,
неподвижны. Однако это противоречие кажущееся, по-
скольку при выводе уравнения движение частиц рассмат-
ривалось как результат перескока с одной сводчатой
структуры на другую, поскольку теряет смысл положение
о равенстве скорости нулю, так как при любом размере
сводчатой структуры она разрушается и вновь образует-
ся со сколь угодно малой, но все же конечной частотой.
Частицы же неподвижные и в силу этого не образующие
сводов, уравнением не рассматриваются.
3. Скорость движения частицы пропорциональна ско-
рости истечения из отверстия и площади этого отверстия.
Иными словами, чем больше объемная скорость выпуска,
тем дальше распространяется разрыхленная область.
199
4. Уменьшение коэффициентов внутреннего трения
влечет за собой увеличение высоты и, в силу роста зна-
чения эксцентриситета, более вытянутую форму эллип-
соида, соответствующего заданной скорости. Тем самым
находит свое объяснение так называемый «гидравличе-
ский» режим при истечении материалов с малым внут-
ренним трением или когда это трение искусственно сни-
жается (в частности — путем вибрирования бункера).
В пределе при стремлении к нулю коэффициента трения
(истечение материалов, содержащих влагу в таких коли-
чествах, что по свойствам они приближаются к жидко-
сти) высота эллипсоида стремится к бесконечности, а сам
он вырождается в незамкнутую поверхность. Последнее,
по-видимому, и вызывает такое, свойственное истечению
жидкости явление, как наблюдаемое вплоть до высоты,
соответствующей началу образования депрессионной во-
ронки, плоскопараллельное перемещение прилегающей
к оси отверстия поверхности жидкости.
5. Как следует из уравнения (63), в общем случае с
ростом высоты эллипсоидов, вызывающем увеличение
эксцентриситета, они становятся все более вытянутыми,
чем обусловливается увеличение градиента скоростей по
абсциссе. Последнее вызывает интерес в связи с зави-
симостью разрыхления от градиента скорости и объясня-
ет, по-видимому, причину увеличения разрыхления при
росте объемной скорости истечения, так как в этом слу-
чае возрастают размеры эллипсоидов. Применительно к
доменной плавке последнее представляет интерес с точ-
ки зрения объяснения перераспределения газовых пото-
ков после начала циркуляции кокса перед фурмами, ког-
да эллипсоиды имеют незначительные размеры, увели-
чивающиеся с ростом расхода дутья. Одновременно с
этим эксцентриситет эллипсоидов приближается к пре-
дельному значению, когда дальнейшее увеличение их вы-
соты уже не оказывает влияния на форму.
Уравнение скорости движения частицы в произвольной
точке при выпуске из нескольких, симметрично
расположенных относительно общего центра, отверстий
Уравнение скорости движения частицы, рассмотрен-
ное в предыдущем параграфе, очевидно, не может быть
применено для расчета скорости движения кусков в до-
200
менной печи, где на кусок действуют несколько симмет-
рично расположенных эллипсоидов одновременно.
k Экспериментальное исследование показало, что в
этом случае результирующее движение куска представ-
ляет собой сумму отдельных движений, обусловленных
разрушением сводчатых струк-
тур, тяготеющих к отдельным
отверстиям. При этом, как от-
мечалось ранее, эти движения
складываются независимо.
В интересующем нас слу-
чае движения столба материа-
лов в доменной печи зоны го-
рения, моделируемые выпуск-
ными отверстиями, расположе-
ны через равные расстояния
на некоторой окружности. Оче-
видно, радиус L этой окружно-
сти, проходящей через центры
выпускных отверстий, может
быть определен как разность
между радиусом горна и рас-
стоянием от его стен до фоку-
са зон горения.
Таким образом, при W от-
верстиях частица будет пере-
мещаться со скоростью, кото-
Рис. 66. Схема к выводу
уравнения скорости движе-
ния частиц при одновремен-
ном выпуске из нескольких
отверстий
рую можно записать как сумму W членов, представляю-
щих собой скорости перемещения частицы к любому
n-му отверстию.
Поскольку в прямоугольной системе координат wAn —
= V[wAn)2x+[wAn}2y+{wAn)l , где (^лЛ;(^лЛ:
(№Лл)г —проекции скорости wA соответственно на оси
ОХ, ОУ и 0Z, то результирующая скорость может быть
представлена как
Выбираем расположение осей координат так
(рис. 66), чтобы плоскость ХОУ совпадала с плоскостью
выпускных отверстий, начало координат — с центром ок-
201
ружности, на которой находятся центры этих отверстий,
а направление оси ОУ обеспечивало бы равенство нулю
алгебраической суммы проекций на эту ось. Очевидно,
последнее будет достигнуто в том случае, когда ось ОУ
будет перпендикулярна оси симметрии расположения
выпускных отверстий.
Из рис. 66 следует, что проекция расстояния от точки
А (х, 0, г) до выпускного отверстия, лежащего в плоско-
360
сти ХОУ на ось 0Z, равна г, на ось ОХ — Leos — п—х и
„v г • 360
на ось ОУ — L sin — п.
N
Тогда расстояние от n-го выпускного отверстия до
проекции на плоскость ХОУ точки А(х, 0, г) запишется
как
Г/г 360 \2 . /, . 360 \2-|1/2
IL cos----п — л 4- L sin------п =
Д N ) \ N ) J
Г 2 nr 360 , „11/2
= х2 — 2L cos------п 4- L2
L Л/
Расстояние же от этого выпускного отверстия до точ-
ки А (х, 0, z) составит
х2 — 2Lx cos
360
w
п 4- L2 4- Z2T/2.
Косинусы углов наклона вектора скорости к осям проек-
ции будут равны:
к оси 0Z
cos wz =
_______________z_____________
360
х2 — 2Lx cos ----n 4- £a 4- Za
TV
к оси OX
cos wx =
360
£ cos-----n — x
_______N
360 11/2
x cos------n 4- L2 4- z2
W J
С переносом начала координат в центр окружности,
на которой лежат центры выпускных отверстий, уравне-
ние (66), характеризующее величину относительной ско-
рости точки в зависимости от параметров выпуска и ко-
ординат ее положения, запишется как
202
W Л
—= 1,17ц4 ср (ц)Р2
ш0
2
2
360
ц2 г2 -J- х2 — 2Lx cos n + £2
Величины проекций вектора скорости движения ча-
стицы к отверстию равны:
на ось 0Z
~3
1,17ц4 <р (ц) £)2 —-—,
’ Г ° В2. pl/2 ’
где
В = ц2 а2 + х2 — 2Lx cos —— п + А2;
Г = х2 — 2Lx cos п 4- L2 4- а2,
N
на ось ОХ
\ z2
— ) =1,17р*<р(р,)2^ —
о / X
360
L cos-----п — х
_______N________;
В2-г1/2
Заметим, что направление проекции I 1 опреде-
, г 360 .
ляется знаком выражения (L cos — п— х), а направле-
(ИУдД
— I во всех случаях имеет одинаковый
™о !г
знак.

Тогда по уравнению (67) с учетом того, что ~
и=1
= 1,17ц4 <р(ц)£>0

-л=1
/ 360 ’
г2 L cos-------п — х
\ N
В2 г1/2
Обозначая x—aL и z=bL и вынося L за скобки, по-
лучим:
203
где
Д = р2 Ь2 4- а2 — 2а cos п + 1;
Е — а2 — 2а cos п + 1 + Ь2.
N
В наиболее общем случае, когда размеры зон цир-
куляции и частота поступления в них порций кокса из-
меняются от фурмы к фурме, уравнение (69) должно
быть с учетом выражения (24) заменено на следующее:
АГ
"12
WA
' /J V 1^ Д2.Е’/2
. П=1
2 / 360
' cos------п — а
\ М___________,
Д2.еД2
2 1/2
(70)
Ln=l
Рассматривая изменения скорости движения частицы
при ее перемещении вдоль осей координат, определим
значение градиента скорости движения частицы в функ-
ции координат частицы:
= 9,85р4 (р (р) (f fp; —'j d x
2
9 360
а — 2а cos-------
~ 360
2 Ь2 + а2 — 2а cos -
9 360
а“ — 2а cos-----п ф
_____________N______
360
2 Ь2 ф а2 — 2а cos п ф- 1
1/2
1/2
• (71)
п+ 1 — ц2Ь3
3
2
3
204
Как отмечалось при рассмотрении эксперименталь-
ного материала, одновременное движение слоя к не-
скольким выпускцым отверстиям, в силу сложения ско-
ростей движения, приводит к стабилизации размеров
эллипсоидов, их независимости от продолжительности
выпуска.
В этом случае предельной для существования эллип-
соидов равных скоростей будет высота, на которой из-
менение скорости движения отдельных кусков по сече-
нию будет отсутствовать, а проекции этих скоростей на
ось ОХ будут равны нулю. Последнее определяется от-
сутствием горизонтального смещения частиц при опус-
кании вплоть до горизонта, достигаемого наибольшим
эллипсоидом равных скоростей.
Таким образом, приравнивая друг к другу значения
скоростей в произвольной точке сечения и в централь-
ных участках, можно записать условие прекращения су-
ществования эллипсоидов равных скоростей:
N
Sbs _______Nb3
D2.Е1/2 (р.2 & 4- I)2 (62 + 1.)1/2 ’
П=1
откуда после упрощений
Совместное рассмотрение уравнений (69—72), ха-
рактеризующих распределение скоростей движения и
полей равных скоростей движения кусков (рис. 67), рас-
считанных1 по уравнению (69), позволяет установить:
1. Величина относительной скорости в произвольной
точке столба материалов возрастает пропорционально
увеличению числа’ выпускных отверстий и объемной ско-
рости выпуска через каждое из этих отверстий.
2. С увеличением числа выпускных отверстий и рас<
стояния от плоскости их расположения большие оси эл-
1 Расчеты на ЭВЦМ «Урал-2» были выполнены В. А. Домра-
чевой.
205
206
Рис. 67. Сечение вертикальной плоскостью поля равных скоростей движения частиц к выпускным отверстиям. Число выпускных
отверстий N-.
а — 2; 6 — 4; в — 6; г — 9; 6—12; г — 18. Цифры у эллипсоидов — значения отношения w^lw^
b
Рис. 67. Сечение вертикальной плоскостью поля равных скоростей движения частиц к выпускным отверстиям. Число выпускных
g отверстий N:
•О а — 2; б — 4; в —6; г —9; <3,-12; е — 18. Цифры у эллипсоидов — значения отношения w^/w
Рис. 67 Сечеиие вертикальной плоскостью поля равных скоростей движения частиц к выпускным отверстиям. Число выпускных
отверстий Д':
а — 2; 6 — 4; е — 6; г—9; д — 12; е—18. Цифры у эллипсоидов — значения отношения w А Iwq
Рис. 68. Зависимость высоты
предельного эллипсоида рав-
ных скоростей Ь от числа
выпускных отверстий W
липсоидов равных скоростей все сильнее отклоняются
от вертикали по направлению к оси печи,
3. С увеличением числа выпускных отверстий значе-
ния градиентов скорости и относительная высота пре-
дельного элипсоида рав-
ных скоростей понижается
(рис. 68).
4. С увеличением радиуса
окружности, на которой распо-
ложены центры выпускных от-
верстий, относительная ско-
рость движения в точке с про-
извольно заданными относи-
тельными координатами умень-
шается пропорционально квад-
рату этого радиуса, а гради-
ент — пропорциональйо его
кубу. В то же время абсолют-
ная высота эллипсоидов воз-
растает.
6. С увеличением коэффициента внутреннего трения
величина относительной скорости в заданной точке воз-
растает, а высота предельных эллипсоидов равных ско-
ростей понижается.
7. Градиенты скоростей движения кусков убывают с
отдалением от плоскости выпускных отверстий и их цент-
ров быстрее, нежели значения самих скоростей. В связи
с этим конфигурация поля равных градиентов должна
быть более чувствительна к изменению параметров вы-
пуска (размеров частиц и отверстий, коэффициента тре-
ния и т. д.), чем поля равных скоростей. Учитывая, что
изменение порозности слоя при его движении определя-
ется градиентом скорости, распределение газовых пото-
ков в доменной печи при изменении размеров зон цир-
куляции и интенсивности горения в них должно претер-
певать большие изменения, чем движение столба шихты.
8. Искажение симметричности расположения и непо-
стоянство параметров выпускных отверстий (неравно-
мерная работа зон горения) оказывает влияние не толь-
ко на движение материалов над теми или иными от-
верстиями, но и на конфигурацию поля в целом. В част-
ности, анализ уравнения (70) показывает, что изменение
количества материалов, выходящих из того или ино-
14—250
209
го отверстия, характеризуемое сомножителем vo D%, вы-
зывает обратное по знаку изменение высоты предельно-
го эллипсоида равных скоростей над противоположным
отверстием, и соответствующее последнему искажению
Рис. 69. Линии равных скоро-
стей движения частиц в модели
доменной печи по Л. 3. Ходаку
и Ю. И. Борисову
полей равных скоростей и гра-
диентов в вышележащих об-
ластях столба материалов.
Соответствующее явление на-
блюдалось в экспериментах
как авторов, так и А. Л. Вери-
на [329], Г. М. Малахова [23,
24] и др.
Отметим, что и в целом вы-
воды из анализа уравнений
(69—72) подтверждаются при-
веденными данными экспери-
ментального исследования.
Сравнение рис. 62 с положе-
нием поля равных скоростей
(см. рис. 67, а), координаты
точек которого рассчитаны по
уравнению (69), говорит об их
соответствии.
Л. 3. Ходаком и Ю. И. Бо-
рисовым [328, с. 11] было про-
ведено изучение распределения
скоростей движения в столбе
шихты на выполненной в мас-
штабе 1 : 20 модели доменной
печи . полезным объемом
1386 м3 в условиях противото-
ка шихты и газов. Результаты
этого исследования приведены
на рис. 69.
Идентичность рассчитанно-
го и экспериментально опреде-
ленного Л. 3. Ходаком и
Ю. И. Борисовым расположе-
ния полей равных скоростей, в том числе и конфигура-
ции, и размеров предельных эллипсоидов, служит хоро-
шим подтверждением правомерности, положенного в ос-
нову расчета, уравнения (70).
В связи с трудностью прямого определения конфигу-
210
рации размеров эллипсоидов равных скоростей в домен-
ной печи при сегодняшнем уровне экспериментальной
техники, проверка полученных в этой главе зависимостей
в условиях доменной практики возможна в основном
лишь на основании косвенных признаков. В то же время
результаты наблюдений за движением шихты с помо-
щью радиоактивных изотопов [124], по крайней мере, не
противоречат данным анализа уравнений (69—72).
Остановимся на некоторых примерах:
1. По наблюдениям Н. Н. Бабарыкина, А. А. Агаши-
на и Ф. А. Юшина [334] и ряда других исследователей
[329] шихта даже при ровном ходе печи опускается толч-
ками. Анализ приводимых Н. Н. Бабарыкиным и его со-
авторами данных позволяет определить частоту этих
толчков в пределах 0,07—0,082 гц. Имея в виду, что
частота поступления порций кокса в зону циркуляции со-
ставляет 1—10 гц, и используя уравнение (57а), полу-
чим, что достигающие колошника эллипсоиды, опираю-
щиеся на отдельные зоны циркуляции, образуются с ча-
стотой порядка 0,1—0,01 гц. Тогда суммарная частота
участия куска в образовании эллипсоидов, равная в вер-
ху печи 0,1—1 гц, будет иметь такой же порядок вели-
чин, который наблюдали в экспериментах [334].
2. Из уравнений (70) и (71) следует, что с увеличе-
нием размеров -зон горения можно ожидать увеличения
скорости движения кусков и градиентов этой скорости во
всем объеме столба материала. В то же время, как бы-
ло показано при описании результатов испытаний систе-
мы контроля движения шихты над зонами горения, уве-
личение частоты колебаний давления дутья, вызванное
ростом размеров зон горения, сопровождалось возраста-
нием температуры в распаре, что, по-видимому, являет-
ся следствием перераспределения газовых потоков из-за
увеличения разрыхленное™ столба шихты над зонами
циркуляции. При уменьшении частоты колебаний давле-
ния дутья наблюдалось уменьшение температуры в рас-
паре. Ниже будет показано, что разрыхленность, вер-
нее — порозность слоя, прямо связана с градиентом ско-
рости движения кусков, и, таким образом, описанные
наблюдения косвенно свидетельствуют об ожидаемом,
в соответствии с уравнением (70), изменении распреде-
ления скоростей движения шихты.
В значительной степени тем же увеличением зон го-
14*
211
рения, очевидно, вызваны повышение температуры клад-
ки и понижение давления дутья на фоне убыстрения схо-
да шихты в начальный период похолодания и вообще
при понижении нагрева горна.
3. Из уравнений (69—72) следует уменьшение скоро-
стей движения столба материалов и их градиентов при
увеличении радиуса окружности, на которой расположе-
ны выпускные отверстия. К уменьшению градиента ско-
ростей приводит и увеличение числа выпускных отвер-
стий (зон циркуляции). При этом, если относительная
высота эллипсоидов при изменении радиуса окружности
остается неизменной, то абсолютная их высота ему про-
порциональна, а при увеличении числа выпускных отвер-
стий уменьшается и относительная высота эллипсоидов
равных скоростей. Обращает на себя внимание в этой
связи известное возрастание доли верхнего перепада ста-
тического давления газов в столбе шихты с увеличением
диаметра горна и числа воздушных фурм, равно как и
изменение конфигурации кривой, описывающей распре-
деление температур по высоте доменных печей различно-
го объема [16, 336].
По-видимому, в этом весьма существенна роль изме-
нения градиентов скорости и обусловливаемого ими из-
менения порозности по высоте столба шихты. В рас-
сматриваемом случае можно ожидать существенного
уменьшения разрыхления в шахте печи, увеличения
объема центрального уплотненного участка столба ших-
ты и роста разрыхления в пределах относительно умень-
шившихся эллипсоидов. Иллюстрацией правильности
прогноза хода механических процессов в доменной печи
с помощью полученных в этой главе уравнений служат
и результаты исследования распределения температур в
шахте печи при изменении высова фурм [319]. Увеличе-
ние высова фурм должно привести к уменьшению абсо-
лютной высоты эллипсоидов равных скоростей при бо-
лее пологом расположении изотерм в нижней части шах-
ты печи. Последнее свидетельствует о более равномерном
распределении скоростей по сечению печи на этих гори-
зонтах при уменьшении расстояния между противопо-
ложно расположенными фурмами, а более низкое рас-
положение изотерм над зонами циркуляции в последнем
случае говорит о более интенсивном теплообмене в пре-
делах эллипсоидов равных скоростей.
212
4. Показательны также данные об изменении удель-
ного перепада давления газов в доменных печах в зави-
симости от диаметра горна, приводимые М. Я. Остро-
уховым и А. И. Бондаренко [337]. Согласно этим данным,
первоначально, до достижения диаметра горна 6 м, на-
блюдается рост удельных перепадов, а затем по мере
увеличения этого диаметра — монотонное их снижение.
Такой характер изменения удельного перепада давления
Рис. 70. Удельный перепад давления газа Др в столбе
шихты и отношение высоты предельного эллипсоида
Нэ
равных скоростей к полезной высоте печи-------в функ-
ции диаметра горна Dr
находит объяснение и в особенностях механики движе-
ния (если не учитывать вопрос качества сырья). Дейст-
вительно, увеличение объема печей, а соответственно,
и диаметров горна должно вызывать пропорциональный
рост высоты предельных эллипсоидов равных скоростей
и разрыхления. Но сопровождающее рост горна увели-
чение числа фурм способствует снижению высоты этих
эллипсоидов (рис. 68). При этом суммарный результат
определится тем, какой из этих двух противоположно
действующих процессов окажется более интенсивным.
Соответственно для малых печей превалирующим ока-
зывается снижение высоты разрыхленной области, вслед-
ствие увеличения числа фурм, а для больших — увели-
чение высоты этой области из-за увеличения диаметра
горна. Аналогичные изменения претерпевает и отноше-
ние высоты предельных эллипсоидов к полезной высоте
печи (рис. 70), которое сказывается на величине удель-
ного перепада давления. Следующая отсюда целесооб-
разность уменьшения для современных печей, величин
213
отношений высотных размеров к действительному диа-
метру горна на уровне фурм подтверждается наблюде-
ниями за изменением перепадов давления газа на печах
с различными значениями этих отношений [8, 335, 337].
Выводы
1. Экспериментальное изучение движения частиц сыпучего ма-
териала к выпускному отверстию показало, что при этом образуются
сводчатые структуры, приближающиеся по форме к эллипсоидам с
вертикальной большой осью.
Движение частиц при этом имеет характер «перескоков» с од-
ной эллипсоидовидной структуры на другую, происходящих во время
периодически повторяющихся разрушений структур.
2. При одновременном выпуске из расположенных на одной ок-
ружности двух и более отверстий, в отличие от выпуска из одного
отверстия, эллипсоиды равных скоростей и разрыхления имеют пос-
тоянный объем, не зависящий от времени выпуска.
3. При естественно протекающем выпуске без внешних побуди-
тельных причин, опережения одних частиц другими, в том числе и с
разными удельными весами, при движении их в слое к зоне выпуска
не наблюдается.
4. Рассмотрение результатов математического описания движе-
ния кусков в столбе шихты показывает, что:
а) с увеличением числа выпускных отверстий скорость движе-
ния кусков в произвольной точке слоя возрастает, а относительная
высота эллипсоида равных скоростей понижается;
б) с увеличением радиуса окружности, проходящей через центр
выпускных отверстий, величина скорости движения частиц слоя по-
нижается, а относительная высота эллипсоида равных скоростей ос-
тается неизменной;
в) с увеличением числа выпускных отверстий большие оси эл-
липсоидов равных скоростей все сильнее наклоняются к оси печи,
а градиенты скоростей движения кусков понижаются.
VIII
ВЛИЯНИЕ ДВИЖЕНИЯ СЛОЯ НА ЕГО СТРУКТУРУ
Поскольку эксперименты Г. М. Малахова, Ван-Дэ-
жуна, Л. М. Цылева и других показали, что движущий-
ся слой значительно разрыхляется по сравнению с не-
подвижным, естественно предположить, что причиной
этого является перемещение частиц относительно друг
друга. При правильности этого предположения разрых-
214
ленность слоя, его порозность, должна была бы опреде-
ляться распределением скоростей в объеме сыпучего ма-
териала1.
Имея в виду проверку этого предположения, на опи-
санной выше модели доменной печи с плоской стеклян-
ной стенкой, одновременно со скоростью движения час-
тиц изучали разрыхление слоя. Было отмечено, что при
выпуске окрашенные слои, изгибаясь пропорционально
приращению скорости движения частиц, утолщаются со-
ответственно величине изгиба (см. рис. 62). При этом
нигде не наблюдается уменьшения толщины слоев отно-
сительно первоначальной, что свидетельствует об изме-
нении структуры слоя — его разрыхлении, обусловлен-
ном характером распределения скоростей движения ча-
стиц.
К аналогичным выводам приводит изучение разрых-
ления с помощью щупа, показавшее, что если принять
глубину погружения его в слой по оси выпускного отвер-
стия за 100%, то у стен она составляла 36%, а по оси
модели (на равном расстоянии от выпускных отверстий)
55%. Характерно, что при выпуске через одно отверстие,
когда значительные градиенты скоростей наблюдаются
почти во всем объеме модели, глубина погружения щупа
была значительно больше, чем при выпуске из несколь-
ких отверстий.
О связи между разрыхлением слоя и распределением
скоростей его движения говорят и данные рентгеногра-
фического исследования плотности сыпучего материала
при его движении к выпускному отверстию бункера, про-
веденного Азеем, Катрессом и Пулфером [116], согласно
которым интенсивность уменьшения плотности возраста-
ет по мере приближения к отверстию. Характерна кон-
фигурация линий равной плотности, подобная эллипсои-
дам равных скоростей и градиентов (рис. 71).
Очевидно, что обусловленное движением материалов
повышение разрыхления слоя может происходить только
за счет изменения его структуры, определяющейся взаи-
морасположением составляющих слой частиц.
При выпуске шарообразных частиц из выпускного от-
верстия плоской модели с глубиной, равной диаметру ча-
1 Порозность определяется как отношение свободного от частиц
объема к занимаемому слоем суммарному объему.
215
стиц, установлено, что след, оставляемый отдельной ча-
стицей на зачерненной стенке при движении к выпуск-
ному отверстию, представляет собой сумму дуг. При
этом углы, определяющие эти дуги, возрастают по мере
приближения к выпускному отверстию, т. е. в соответ-
ствии с отмечавшимся вы-
ше ростом градиента скоро-
стей.
Имея в виду, что слой
представляет собой сумму
элементарных ячеек, каж-
дая из которых в идеализи-
рованном случае представ-
ляет собой ромбоэдр, обра-
зованный восемью соприка-
сающимися частицами [338],
из описанного наблюдения
следует вывод о том, что
при движении слоя в за-
висимости от градиента
его скорости элементарные
ячейки перестраиваются в
направлении увеличения
острого угла при вершине
ромбоэдра. Об этом же го-
ворят и материалы скорост-
Рис. 71. Рентгенограмма плотности сы- „
пучего материала в бункере [116] НОИ КИНОСЪвМКИ ДВИЖеНИЯ
частиц в плоской модели,
которые показывают, что по
мере приближения к выпускному отверстию скорость
движения частиц и ее градиент возрастают, и это
сопровождается (при слое, составленном из шаров оди-
накового диаметра) постепенной перестройкой элемен-
тарной ячейки в направлении от ромбоэдра с углами при
вершинах 60° к кубу.
Изложенные результаты экспериментов достаточно
убедительно подтверждают предположение о зависимо-
сти структуры слоя от градиента скорости его движения.
Здесь необходимо остановиться на следующем весьма
важном обстоятельстве. В известных нам работах, по-
священных изучению структуры движущегося слоя [23,
24, 68, 317, 328, с. 8; 31 и др.], порозность последнего, его
разрыхление рассматривается как функция скорости
216
слоя. В то же время сама по себе скорость перемещения
слоя не может вызвать изменения его структуры, а сле-
довательно, и порозности, если частицы, коллективно пе-
ремещаясь по отношению к неподвижной системе отсче-
та, покоятся относительно друг друга. Так, сыпучий ма-
териал, находящийся на движущейся платформе,
разрыхления претерпевать не будет. Аналогичное явле-
ние имеет место и в доменной печи на участках, где гра-
диенты скоростей отсутствуют или близки к нулю, а так-
же в бункерах, особенно при так называемом
«гидравлическом» режиме истечения. К сожалению, эти
обстоятельства большинством исследователей не учиты-
ваются, что, по-видимому, и привело к ошибочным
утверждениям об увеличении разрыхления лишь при ро-
сте скоростей движения слоя до некоторого предела, об
отсутствии влияния перемещения слоя на его порозность.
или даже уменьшении ее при движении слоя и т. д. Во
всех этих случаях исследовалось безградиентное движе-
ние, когда те или иные эффекты связаны не столько с
движением слоя, сколько с ослаблением контактов меж-
ду частицами при начале перемещения и искажающем
структуру периферийных участков слоя трением его
о стены.
Следует отметить еще одно весьма важное обстоя-
тельство, заключающееся в том, что, как показали экс-
перименты, естественная укладка частиц происходит в
направлении получения максимальной плотности или,
более правильно, — построения такой структуры слоя,
при которой потенциальная энергия составляющих его
частиц минимальная. При наполнении модели во всех
случаях, когда размер ее был достаточно велик, наблю-
далась укладка шаров в вершинах правильных ромбоэд-
ров с углом наклона граней 60°. Наблюдения также по-
казали, что при уменьшении отношения горизонтальных
размеров модели к размеру частиц возрастает доля хао-
тически улегшихся частиц, причем отступления от пра-
вильной укладки имеют место в основном у стен, по-ви-
димому, под действием внешних, относительно элемен-
тарных ячеек, сил трения пограничных частиц слоя
о стены, влияние которых затухает по мере удаления
в глубь слоя. Естественно, при частицах неправильной
формы элементарная ячейка будет иметь значительные
искажения, но при этом в случае движения близких по
217
размерам частиц вероятность искажений, приводящих к
увеличению порозности, ничуть не больше, чем приводя-
щих к ее уменьшению, хотя бы за счет более плотного
прилегания частиц.
Другое дело, что в реальных слоях возможно увели-
чение объема элементарных ячеек в результате «рас-
клинивания» скелетных частиц частицами меньшего
размера. С началом движения такого слоя, когда вели-
чина просвета между скелетными частицами увеличи-
вается, а силы, действующие между ними, ослабляются,
возможно создание условий для «просыпания» раскли-
нивающих частиц между скелетными и, как следствие —
уменьшение объема элементарных ячеек и порозности
слоя. По-видимому, этим и объясняются противоречивые
результаты ряда исследователей [323, 342], в том числе
и наблюдавшееся ими уменьшение порозности при дви-
жении слоя.
Наконец, заметим, что увеличенный градиент скоро-
сти вблизи контура эллипсоида разрыхления по сравне-
нию с прилегающей к его оси симметрии частью должен
способствовать большему в пограничных частях разрых-
лению по сравнению с внутренними.
Таким образом, подводя итоги рассмотрению экспе-
риментального материала, можно представить себе ме-
ханизм изменения структуры слоя при его движении
следующим образом. При заполнении сосуда частицы
сыпучего материала располагаются в направлении соз-
дания наиболее плотного слоя.
Под воздействием массовых сил и за счет того, что
скорость движения данного участка слоя зависит от его
положения относительно выпускного отверстия, те из ча-
стиц, которые расположены ближе к плоскости этого от-
верстия и вертикальной оси, проходящей через его центр,
получают ускорение относительно соседних, соприкасаю-
щихся с ними, но расположенных дальше. «Ускоренные»
частицы как бы обкатываются по более медленно дви-
жущимся, благодаря чему происходит перестройка
структуры слоя в направлении увеличения его порозно-
сти. После того, как будет достигнута структура типа
кубической, дальнейшее увеличение градиента скорости
приведет к нарушению сплошности слоя.
Таким образом, для фиктивного слоя, составленного
из шаров равного диаметра d, коэффициент трения ка-
218
чения которых одинаков и равен f, перестройка элемен-
тарной ячейки происходит в результате неодинаковой
скорости движения ее граней и совершается под дейст-
вием силы тяжести Р, силы сопротивления движению
газа R и силы Q, преодолевающей трение. Величина же
перестройки ограничена двумя предельными положения-
ми: первым, когда имеет место так называемая «плот-
ная» упаковка шаров, при которой угол наклона граней
ромбоэдра 6 равен 60°, и вторым, при котором эта ячей-
ка превращается в куб, а угол 6 становится равным 90°.
Рис. 72. Элементарная ячейка слоя (о) н схема действия
сил на систему шаров при их движении (б)
Дальнейшее изменение элементарной ячейки приво-
дит к нарушению сплошности слоя.
Имея в виду поставленную задачу, заключающуюся
в нахождении соотношения между градиентом скорости
движения данного участка слоя и формой его элемен-
тарной ячейки, которая определяет значения порозности
и просвета [338], рассмотрим диагональную плоскость
элементарной ячейки (рис. 72).
Из определения элементарной ячейки следует, что
параллелограмм BFLQ есть ромб со стороной, равной
диаметру частицы. Под действием приложенных сил он
деформируется в направлении увеличения угла а таким
образом, что центры частиц, находящиеся в точках 0 и
L, будут описывать дуги dS радиуса, равного диаметру
частицы d.
Это может иметь место только тогда, когда по высо-
те ячейки существует градиент скорости Aw, равный
разности скоростей нижней и верхней ее граней.
Для решения интересующего нас вопроса использу-
ем известное положение о том, что приращение кинети-
219
ческой энергии на пути равно сумме элементарных ра-
бот, действующих на систему сил на этом пути, т. е.
dT = ^dAs. (73)
Элементарная работа рассматриваемых сил запишет-
ся как
d4s = (P-|-Q — 7?) cos ср dS. (74)
После подстановки соответствующих величин выраже-
ние (74) примет вид
dA^ = 0,01745Pd (1 + 2 sin а —
s \ d
---аг* Vosocda. (75)
g d Yk V '
Кинетическая энергия в случае, когда тело имеет слож-
ное движение (поступательное и вращательное), запи-
шется следующим образом:
Г=-^К- + 4-у, (7fj}
где М — масса шара; 1Х — его момент инерции относи-
тельно любой оси X', Aw — градиент скорости поступа-
тельного движения.
Подставляя в уравнение (76) выражение угловой
скорости через градиент скорости поступательного дви-
жения и производя преобразования, запишем
Т = 329,4 Р (Ат)- .
g 2
Откуда
dT = 329,4 — Awd (AteA. (77)
g
Приравнивая уравнения (77) и (75), получим после пре-
образований
18876,79Awd (Aw) = gd f 1 + 2 — sin a) cos ada —
\ d /
— 1,5% — uP cos ada.
Tk °
(78)
220
После интегрирования
9438,395Aw2 = gd sin а (1 ф- — sin оА —
-к d I
— 1,5% ш2та sin а + С.
Тк
(78а)
Значение постоянной интегрирования С определится из
условия, что элементарная ячейка занимает минималь-
ный объем и углы 0 и а равны соответственно 60°00' и
54°40' в том случае, когда Awo=0; w0TH =0.
Тогда С——0,816gzf(l +— 0,816) и уравнение (78а) при-
d
нимает вид
- 2 , I d , с % 1 Тг о \ • 9438,395 1 . 9
sina а +--------1,5---------— w2 sin а---------------------kw* —
\f g f Тк отн/ g f
— 0,816 f— + 0,816^ = 0. (79)
\ f 1
Подставляя величину g=9810 мм)сек2, преобразуем
выражение (79) к виду, характеризующему градиент
скорости по высоте элементарной ячейки, необходимый
для достижения заданной ее формы:
Aw = 1,02
f • sin2 а 4- (d — 1,53 -10 4 % — w2 „ ) sin а —
' \ ’ n 0TH /
\ ik /
10,5
мм! сек.
(80)
Градиент скорости, при котором должно наблюдать-
ся образование кубической структуры элементарной
ячейки, определится как:
А^крнтич = 0,438 d — 8,3 • 10-
Г4 % 7г. W2TH + J
Тк
10,5
мм!сек.
(81)
На рис. 73 представлена зависимость порозности
слоя т, рассчитанной через значение угла а, от гради-
ента скорости Aw и размера частиц d при значении f=
= 1 ММ И W0TH ~х0.
Частными случаями уравнений (80) и (81) являют-
ся выражения:
221
wr = (0,666^- fi —х
[ Тг \ sin а /
X 1 + — (sin а + 0,816) 1°'5,
и
о, 123 -£- d f 1 + 0,816 -t^0,5,
X уг \ d /J
(82)
(83)
^критич —-
Рнс. 73. Зависимость порозности т
слоя от градиента скорости его
движения Дш. Цифры у кривых —
эквивалентный диаметр частиц слоя
dK, мм
характеризующие зависи-
мость изменения структу-
ры слоя от параметров
газового потока при от-
сутствии выпуска.
Сопоставление ре-
зультатов расчета по
формуле (83) с экспери-
ментальными данными,
приведенными в работе
Е. С. Лева [341], показы-
вает (рис. 74), что они
весьма близки и величина
максимального расхож-
дения между эксперимен-
тальной и расчетной кри-
выми не превышает
11,1 %. При этом расчет-
ная кривая лежит не-
сколько ниже экспери-
ментальной и расхожде-
ние между ними тем ме-
нее существенно, чем
меньше значение крите-
рия Кирпичева, или при прочих равных условиях, чем
мельче частицы слоя. Это объясняется, по-видимому,
тем, что с уменьшением диаметра шарообразных час-
тиц соответственно снижается величина поперечной на-
грузки и, следовательно, разрыв между силой, переме-
щающей частицу и способной ее поднять, также умень-
шается.
Кстати, следует отметить, что рассчитанные по фор-
муле (83) значения скоростей газового потока, способ-
ных привести слой в состояние, предшествующее взве-
222
шенйому, оказались для частиц с размерами, большими
20 мм, значительно более высокими, чем в доменной пе-
чи. Отметим также, что из выражения (79) следует, что
при неизменном градиенте скорости движения данного
участка слоя увеличение размера частиц приводит к
уменьшению его порозности. При этом, как было пока-
зано выше, увеличение отношения размеров частиц к
Рис. 74. Сопоставление экспериментальных 1 и
расчетных 2 данных по определению критической
скорости
размеру отверстия весьма мало сказывается на скорости
истечения, а следовательно, и на скорости движения
слоя в целом. В этой связи следует весьма осторожно
подходить к вопросу о выборе размера кусков шихты,
так как увеличение этих размеров сверх оптимального
может не только не привести к ожидаемому снижению
противодавления в доменной печи, но и способствовать
его увеличению. Определение оптимального размера кус-
ка шихты, по-видимому, целесообразно производить пу-
тем сопоставления относительных величин увеличения
проницаемости неподвижного слоя и снижения порозно-
сти движущегося.
Следующее весьма важное обстоятельство, вытекаю-
щее из анализа уравнений (79) и (80), состоит в том,
что при уменьшении коэффициента трения частиц слоя,
но при неизменном градиенте скорости их движения по-
розность слоя уменьшается. Применительно к доменно-
му процессу подобное явление, по-видимому, имеет ме-
223
сто в зоне плавления и шлакообразования. При подходе
шихтовых материалов к этим зонам начинается их оплав-
ление, которое приводит к снижению трения. Можно
предположить, что вызванное этим уменьшение пороз-
ности и обусловливает наблюдающееся увеличение пе-
репада давления газов в распаре и нижней части шихты.
Можно по аналогии с введением смазки между пере-
катывающимися шарами предположить, что оплавление
кусков шихты уменьшает коэффициент трения качения
приблизительно в три раза. При этом, поскольку сопро-
тивление проходу газового потока при неизменном гра-
нулометрическом составе столба шихты зависит в основ-
ном от его порозности, то расчет по формулам (80) и
любой из характеризующих сопротивление слоя в зави-
симости от его структуры, показывает, что в результате
уменьшения порозности, вызванного снижением трения
в районе зон плавления, удельный перепад давления га-
за возрастет не менее чем в 1,5 раза, что близко к дан-
ным о соотношении верхнего и нижнего удельных пере-
падов давления газа в действующих печах [304, 345].
Привлекаемое обычно для объяснения последнего пред-
ставление об ухудшающем газопроницаемость шихты
ниже горизонта плавления присутствии жидких фаз, по-
видимому, преувеличено. Так, по наблюдениям Г. Г. Ефи-
менко изменение выхода шлака с 0,8 до 0,25—0,3 т/т чу-
гуна не вносило заметного изменения в распределение
статического давления газов по высоте печи [344]. Причи-
на этого, равно как и отличие от результатов лаборатор-
ных экспериментов [177, 179], по-видимому, состоит, во-
первых, в неравномерной загрузке сечения печи жидки-
ми фазами, чем обеспечивается возможность огибания
газовым потоком плохо проницаемых участков и, во-
вторых, в том, что увеличение выхода шлака обусловли-
вает увеличение сокращения объема твердой фазы в пе-
чи, а следовательно, повышение скорости движения кус-
ков и вызванное последним возрастание порозности.
Тем более должно быть ослаблено влияние жидких
фаз на газопроницаемость в современных условиях, ког-
да благодаря значительному увеличению температуры
дутья и снижению расхода кокса начало шлакообразо-
вания сместилось в нижние горизонты печи, а выход
шлака уменьшился благодаря 'увеличению доли агломе-
рата в шихте и уменьшению расхода кокса.
224
Выводы
Экспериментальное и аналитическое изучение влияния движения
слоя на его структуру показало, что:
1) естественная укладка кусков при формировании столба ших-
ты происходит в направлении получения минимальной порозности
слоя;
2) порозность движущегося слоя зависит от градиента скорости
перемещения составляющих его кусков и достигает тем больших ве-
личин, чем выше значения этого градиента.
Сопоставление полученных аналитическим путем выражений, ха-
рактеризующих зависимость структуры движущего слоя от его пара-
метров, с результатами экспериментов говорит об их хорошем соот-
ветствии.
IX
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ШИХТЫ
ПРИ ЕЕ ДВИЖЕНИИ И КОЛЕБАНИИ ПАРАМЕТРОВ
ГАЗОВОГО ПОТОКА НА ГАЗОДИНАМИКУ,
ТЕПЛООБМЕН И ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Распределение газового потока в столбе шихты
В связи с установлением неравномерной порозности
по сечению и высоте столба шихты рассмотрим, как вли-
яет на распределение газового потока различие пороз-
ностей соседних участков слоя.
При этом исходим из постоянства полных напоров
отдельных газовых струй, движущихся между кусками
шихты по соседним каналам, что предопределяется общ-
ностью их источника — зоны горения. Полагаем также
постоянство статических напоров по сечению слоя, обу-
словливаемого возможностью перетока газа между ка-
налами при не слишком плохой газопроницаемости ших-
ты, что подтверждается наблюдениями на действующих
печах1 [318 и др.] и на моделях [347].
Так как полный напор представляет собой сумму
статического, динамического, потерянного и геометриче-
ского напоров, тогда для сообщающихся каналов
^дин 4" ^потерь 4“ ^геом = COllSt.
1 См. сноску на стр. 45.
15—250
225
Записав значения напоров и произведя преобразова-
ния и упрощения, приходим к соотношению скоростей
газа в смежных участках слоя, отличающихся значения-
ми размеров кусков d, порозности tn, просвета п, темпе-
ратуры газа Т и коэффициента сопротивления X:
woi__1 — /и2 Х2 Т2 di m1 1 — tii О’5 (84)
^02 1 Xj Т1 ^2 1 -^2
Переходя от распределения скоростей к распределе-
нию объемов газа, проходящего по соседним каналам,
получим
Xj 7\ 1 -— П2
(84а)
Из уравнений (84) и (84а) следует, что на распреде-
ление газовых потоков преимущественное воздействие
оказывает различие порозностей сосед-
них участков слоя. Значительно слабее
влияет на газораспределение грануло-
метрический состав участков и темпера-
. тура.
В идеализированом случае, полагая
постоянство гранулометрического соста-
а ва шихты по сечению, изменение пороз-
ности в том или ином секторе столба ма-
п териалов приводит к последствиям, по-
добным действию дросселирующих
устройств, установленных в параллельно
включенных участках гидравлической се-
ти, имеющей последовательные подводя-
щий и отводящий участки (рис. 75). При
этом изменение порозности одного из
Рнс. 75. схема секторов столба материалов приводит не
разветвления по- г
токов только к соответствующим новым значе-
ниям проходящего через него количества
газов, но и к противоположному по знаку изменению ко-
личества газов в любом из остальных секторов. В общем
виде последнее может быть представлено соотношением
dQi < q
dRi
dQi q
dRi
(85)
являющимся иной формой записи уравнения (84а).
Тем самым обусловливается непрерывное перерас-
226
пределение газового потока по сечению, в связи с рас-
смотренными выше колебаниями размеров зон цирку-
ляции, а вслед за ними объемов эллипсоидов разрыхления
и сопротивления соответственных секторов столба ших-
ты проходу газового потока. В то же время последнее
способствует перераспределению дутья по всем фурмам,
чем вносит существенные осложнения в работу систем
автоматического регулирования распределения дутья по
фурмам. Известный интерес представляет выяснение во-
проса о величине воздействия на перераспределение га-
зовых потоков по сечению сопротивления части столба
шихты, лежащей выше эллипсоидов разрыхления.
Нелинейность уравнений статики столба шихты, рас-
сматриваемого в виде системы параллельных, сообщаю-
щихся между собой каналов, по которым движется газ,
требует их линеаризации.
Для этого в соответствии с предложением И. М. Me-
стера [348] заменим в окрестности некоторого расхода
газа Qo квадратичное сопротивление системы каналов
Як = (86)
Qo
линейным сопротивлением

(87)
Тогда для приведенной на рис. 75 схемы система
уравнений будет иметь вид:
Ri = Якг- Qoi,
Яо — ЯКо <20.
(88)
.Здесь предполагается, что распределенное сопротив-
ление слоя, зависящее от его порозности, развития эл-
липсоидов разрыхления, размера кусков, состояния их
поверхности и т. д., заменено эквивалентным ему сосре-
доточенным сопротивлением. Тогда можно принять, что
сопротивления различных секторов столба шихты в пре-
делах высоты распространения эллипсоидов разрыхле-
ния (вне зависимости от степени их разрыхленности и
прочего) равны некоторой средней величине R, а дей-
15*
227
ствительные их различия определяются этими сосредо-
точенными сопротивлениями. Наконец, принимаем, что
по сравнению с сопротивлением столба шихты гидравли-
ческое сопротивление воздухопровода, фурменных
устройств и т. д. мало. Тогда, несколько видоизменяя по-
лученное И. М. Местером [348] для иных целей выраже-
ние, можно представить показатель взаимосвязи отдель-
ных вертикальных участков всего столба шихты, харак-
теризующий степень влияния участка, в котором из-за
изменения параметров эллипсоида разрыхления произо-
шло изменение сопротивления проходу газов, следую-
щим образом:
dQvJ
dQi/dRi ’
(89)
или
(90)
Р=--------!----
Здесь важно, что с увеличением числа участков, или
числа фурм величина показателя взаимосвязи снижает-
ся, причем в тем большей степени, чем ближе друг к дру-
гу сопротивления проходу газов в пределах эллипсои-
дов разрыхления и в лежащей над ними верхней части
столба шихты. В то же время с увеличением сопротивле-
ния верхней части столба шихты проходу газов, что эк-
вивалентно уменьшению относительной высоты эллипсои-
дов разрыхления при шихте хорошей газопроницаемости,
величина показателя взаимосвязи увеличивается, что
характеризует тенденцию к росту перераспределения га-
зового потока в нижней части печи при изменении па-
раметров тех или иных эллипсоидов разрыхления. Ана-
логично влияние низкой по сравнению с коксом газопро-
ницаемости железосодержащей части шихты.
Все изложенное выше равно относится как к рас-
пределению газов между отдельными эллипсоидами, так
и между эллипсоидами и центральным малоподвижным
участком столба кокса. В последнем случае при умень-
шении относительной высоты эллипсоидов разрыхления
показатель взаимосвязи в соответствии с уравнением
(90) увеличивается и большее количество газов устрем-
ляется к оси печи. Однако при этом возрастает перерас-
228
пределение газов между отдельными эллипсоидами раз-
рыхления, т. е. уменьшится устойчивость распределения
газового потока по окружности печи, что в общем слу-
чае нежелательно.
Инструментом для управления развитием эллипсои-
дов разрыхления являются процессы в зоне циркуляции,
относительно легко поддающиеся воздействию извне.
Поэтому, наряду с учетом последствий тех или иных тех-
нологических мероприятий на ход процессов в горне,
следует учитывать и их влияние на развитие эллипсои-
дов разрыхления, и в конечном итоге, на распределение
газов по сечению и окружности столба шихты.
В то же время, несмотря на очевидную значимость
установления действительного распределения газового
потока в столбе шихты суждение о последнем в повсе-
дневной практике, как правило, основывается на косвен-
ных данных, таких как температура и состав газа. Одна-
ко известно [12], что последние отнюдь не однозначно
характеризуют распределение газов. И действительно,
как температура, так и состав газа в данном участке се-
чения слоя являются функцией, по крайней мере, ко-
личества проходящего здесь газа, теплоемкости и вос-
становимости омываемых газом материалов. По-видимо-
му, в этом случае правильнее судить на основании
изменения температуры и состава газа по сечению не о
распределении газового потока, а об изменениях относи-
тельного количества железосодержащих материалов в
вертикальных участках столба шихты, приходящегося на
единицу объема газа.
В последние годы предложен ряд способов изучения
распределения газовых потоков, основанных на индика-
ции их радиоактивными или инертными газами [349,
350]. Являясь наиболее перспективными, позволяющими
получать большой объем информации, эти методы на
сегодня еще не разработаны до стадии, когда с их по-
мощью был бы возможен повседневный технологический
контроль. Одной из причин этого является сложность и
громоздкость аппаратуры, а также относительно высо-
кие требования к квалификации обслуживающего ее пер-
сонала.
В 1956 г. авторами была предложена и опробована
при исследовании доменной печи объемом 330 ж3 пнев-
мометрическая трубка (рис. 76), принципиальное отли-
229
чие которой от других трубок палочного типа состоит в
том, что в ней отверстия, воспринимающие полный и ста-
тический напоры, были заменены щелями, длина которых
составляла не менее трех диаметров кусков шихты. Бла-
годаря этому воспринимался проинтегрированный по
Рис. 76. Пневмометрическая трубка для определения скорости газа
в слое:
1 — внутренняя трубка; 2 — корпус; 3 — штуцер; 4 — рукоятка
длине щели динамический напор, чем значительно повы-
шалась точность измерения. При этом наибольшие рас-
хождения определений количества колошникового газа
под уровнем засыпи с данными расчета не превышали
10—15%.
При сравнении результатов исследования распреде-
ления газового потока по сечению колошника с измене-
нием температуры и состава газа в соответствующих
точках подтвердились данные об отсутствии закономер-
ной связи между ними. В то же время эти исследования
показали, что статическое давление газа мало изменяет-
ся по радиусу шахты. Наблюдения за перераспределе-
нием газового потока при отклонении количества дутья
от расхода, отвечающего нормальной работе, когда зоны
циркуляции у фурм отчетливо выражены, до «тихого хо-
230
да», когда горение кокса заведомо идет в слоевом режи-
ме, показали, что с уменьшением количества дутья уве-
личивалось относительное количество газа, движущего-
ся у оси печи (рис. 77). Последнее хорошо согласуется
с показанным выше вли-
янием образования эл-
липсоидов разрыхления
на газораспределение.
В то же время, не-
смотря на значительную
высоту столба шихты, ле-
жащего между горизон-
том измерения и границей
распространения эллип-
соидов разрыхления, пол-
ного выравнивания не-
равномерности в распре-
делении газового потока,
ожидавшегося на основа-
нии данных лаборатор-
ных опытов *, не наблю-
Рис. 77. Распределение газового потока
Qt-/Qn по РаДиУсУ I колошника при
различном количестве дутья <?д. м3/мин:
7 — 900; 2 — 800; 3 — 700
дается. По-видимому, это объясняется тем, что на иссле-
дуемой доменной печи расположение проекций мест за-
грузки основной массы железосодержащей части шихты
совпадало с проекциями зон циркуляции [51]. При этом
образующиеся над горизонтом плавления руды эллип-
соиды разрыхления, хотя и менее, четко оконтуренные,
чем нижние, все же способствовали сохранению создан-
ной в нижней части печи неравномерности распределе-
ния потоков газа по сечению.
Были также проведены наблюдения за влиянием на
распределение газового потока уровня засыпи и системы
загрузки материалов. Установлено, что при имевших ме-
сто условиях работы доменной печи, совместная система
загрузки способствовала более равномерному распреде-
лению газов, чем раздельная, а изменение уровня засыпи
приводило к изменениям, хорошо согласующимся с об-
щепринятыми воззрениями.
1 Калиновски В. Исследование возможности управления га-
зопотоком в доменной печи. Кандидатская диссертация. Москва,
Ин-т стали и сплавов, 1964.
231
Неравномерность разрыхления движущегося
столба шихты и профиль печи
Как следует из уравнения (71) и рис. 67, в централь-
ной области печи между зонами циркуляции находится
область уменьшающихся ’при перемещении кусков вниз
скоростей, а следовательно, и отрицательных градиентов
скорости. Последнее же влечет за собой известное из
практики уплотнение находящегося здесь слоя кокса и
соответственно уменьшение его газопроницаемости. Пе-
ремещение этой части столба материалов, могущее иметь
место при выпусках чугуна, не должно вызывать сколь-
ко-нибудь заметного ее разрыхления, так как происходя
одновременно по всей площади, не сопровождается дви-
жением кусков друг относительно друга. Кривая, огра-
ничивающая вертикальное сечение этой области, близка
по типу к колоколообразной. Заметим, что такая форма
центральной уплотненной части столба материалов дол-
жна способствовать известному отклонению оси потока
дутья и газов, а соответственно, и зоны циркуляции от
горизонтали, что и наблюдалось в экспериментах.
В то же время расположение этой уплотненной части
столба материалов непосредственно у границ эллипсои-
дов разрыхления, а также то, что источники газообразо-
вания (зоны горения) служат основанием для последних,
приводит к неравномерному газораспределению в ниж-
ней части печи. Причем, чем больше расстояние между
эллипсоидами разрыхления, или чем больше диаметр
горна и меньше протяженность зон горения, тем большее
развитие получает уплотненная область у оси печи. Не-
значительное проникновение сюда газов из зоны горе-
ния, относительно низкие температуры, ухудшение (из-
за малой порозности слоя и подвижности кусков) усло-
вия омывания кусков газами, наконец, преимуществен-
ная загрузка железосодержащей части шихты вне цент-
ральной части площади колошника и отклонение траек-
торий движения кусков к осям эллипсоидов предопреде-
ляют в этой области малое развитие и слабую интенсив-
ность прохождения физико-химических процессов. Вы-
сказанные в свое время соображения [1, 2] об уменьше-
нии интенсивности работы центральных областей мощ-
ных печей, по сравнению с малыми, представляются в
свете изложенного совершенно справедливыми. Образо-
232
вание осевого малоподвижного объема в. нижней части
печи является следствием не столько увеличения диа-
метра горна, сколько локализации интенсивного горения
кокса при образовании зон циркуляции. В нижней части
печи движение шихты приобретает градиентный харак-
тер с образованием смыкающихся в районе распар —
низ шихты областей возрастающих градиентов скорости
(эллипсоидов разрыхления), а между ними — областей
убывающих градиентов. В этом смысле ухудшение рав-
номерности работы нижней части печи в современных
условиях является следствием общей интенсификации
доменного процесса.
Таким образом, образование как уплотненного объе-
ма в центре печи между зонами горения, так и эллипсои-
дов разрыхления над этими зонами является естествен-
ным процессом, в равной степени характерным как для
больших, так и для малых печей. Вырождение эллипсои-
дов разрыхления на уровне 1,5—2,5 радиусов горна, по-
сле чего и скорость движения кусков и градиент этой ско-
рости оказываются большими у оси печи по сравнению
с периферийными областями приводит к соответствую-
щему перераспределению порозности столба шихты и,
следовательно, в соответствии с уравнениями (84) и (90)
к привлечению газового потока к оси печи.
Образующаяся над горизонтом плавления вторая
группа эллипсоидов разрыхления, опирающихся на
участки наибольшего сокращения объема, обусловлива-
ет новое перераспределение порозности и газового пото-
ка по сечению печи. Очевидна целесообразность распо-
ложения обеих групп эллипсоидов друг над другом с
тем, чтобы газ, покидающий нижнюю группу, основной
своей массой обрабатывал материалы, перемещающие-
ся в верхней группе эллипсоидов [51]. Из этих соображе-
ний вытекает принцип совмещения проекций зон цирку-
ляции и участков сосредоточения железосодержащей ча-
сти шихты на колошнике. Осуществление этого принципа
позволило увеличить производительность печи на 10—
12% и снизить расход кокса на 1,5—2,0%* [51]. Впослед-
ствии в работах сотрудников Уральского института ме-
таллов [319, 356] это положение получило дополнитель-
ное подтверждение. Указанное перераспределение по-
* См. сноску к стр. 45.
233
розности следует учитывать при составлении программы
загрузки материалов, изменяя ее на протяжении цикла
подач в соответствии с характеристикой данной части
шихты, с тем, чтобы максимально использовать горизон-
тальное сечение печи.
Подобная «избирательная» загрузка шихты на ко-
лошник, примененная в 1956 г. на доменной печи объе-
мом 330 м\ позволила увеличить производительность на
6% при соответственном снижении расхода кокса 1 [66].
Подобная загрузка была также успешно испытана. в
Швеции, где для облегчения ее реализации на крупных
печах был сконструирован специальный засыпной аппа-
рат [360, 361]. В связи с этим представляются утративши-
ми физическую основу расчетные показатели работы пе-
чи или ее элементов, которые предполагают отнесение
тех или иных параметров к площади горна. При заведо-
мо известной неравномерности работы горна, причем не-
равномерности естественной, которую невозможно, да и
нецелесообразно полностью устранять, такие показатели
не только не объективны, но и могут вести к необосно-
ванным заключениям.
Примером тому может служить известное уменьше-
ние интенсивности горения 1а (т/м2 горна в сутки) с ро-
стом объема и, соответственно, диаметра горна доменных
печей, происходящее на фоне значительного увеличения
вдуваемого в печь объема дутья и, следовательно, коли-
чества сжигаемого кокса. Пересчет данных М. Я. Остро- >
ухова и А. И. Бондаренко [337] показывает, что при уве-
личении диаметра горна с 7,2 до 9,75 м (полезный объем
печей соответственно составлял 1033 и 2000 м?) количе-
ство сжигаемого на каждой фурме кокса возросло при-
близительно на 17% при общем увеличении количества
сжигаемого кокса на 66%. В то же время показатель ин-
тенсивности горения снизился на 14% • Последнее отнюдь
не свидетельствует об уменьшении действительной интен-
сивности горения и работы горна. В этой связи, по-види-
мому, неправомерны логические построения авторов ра-
боты [337], имеющие целью объяснить уменьшение 1а тем,
что при росте объемов печей в основном за счет попереч-
ных размеров ц неизменности условий работы форсиров-
ка хода растет незначительно, как и перепад давления
1 См. сноску к стр. 45.
234
газа по высоте печи, который и принимают определяю-
щим форсировку хода фактором.
Более правильно считать перепад давления следстви-
ем форсировки хода печи, а не наоборот. Не останавли-
ваясь на вопросах терминологии, все же заметим, что
форсировку хода печи более целесообразно понимать как
меру напряженности работы секторов печи над отдель-
ными фурмами, характеризующуюся при прочих равных
условиях количеством кокса, сгорающего на одной фур-
ме. В этом случае напряженность работы отдельных сек-
торов горна мощных печей не только не снижается по
сравнению с малыми, но и возрастает.
В непосредственной связи с движением столба шихты
и его разрыхлением, по-видимому, следует рассматривать
и профиль печи. На ранней стадии развития доменного
производства проектный профиль печи представлял со-
бой не что иное, как возобновление очертаний разгара
кладки в период предшествовавших высокопроизводи-
тельных компаний. Еще М. А. Павлов писал, что «жар
исправлял ошибку конструктора» [2]. Впоследствии, од-
нако, положение изменилось и конструктор стал исправ-
лять «ошибки» естественного разгара, «закрепляя» с по-
мощью холодильников однажды избранный профиль.
В то же время нельзя не согласиться с Г. Г. Орешкиным,
отмечавшим, что как общий полезный объем рабочего
пространства, так и объем отдельных его участков нахо-
дятся в прямой пропорциональной зависимости от мас-
штабов развития процессов в доменной печи [346]. Это
положение в не меньшей степени относится и к очертани-
ям рабочего пространства. Но интенсивность различных
составляющих доменного процесса зависит от условий
плавки: качества сырья, состава и температуры дутья,
давления в печи, распределения газовых потоков по се-
чению и т. д. Тем самым, рациональный профиль печи
является понятием конкретным, специфичным для раз-
личных условий. Иллюстрацией этому является дости-
жение оптимальных технико-экономических показателей
работы печи лишь спустя определенный срок после на-
чала кампании, когда разгар профиля приводит к есте-
ственным для данного случая очертаниям.
В этой связи типовой профиль, по-видимому, должен
рассматриваться лишь как средне-ориентировочный, до-
пускающий отклонения в соотношении элементов в за-
235
висимости от тех условий, в которых планируется рабо-
та доменной печи, а конструкции огнеупорной кладки
печи и системы ее охлаждения должны создавать усло-
вия для плавного разгара, способствующего, в частности,
вписыванию эллипсоидов разрыхления в контуры про-
филя. Не соблюдением ли этих условий объясняется то,
что те доменные печи металлургического завода им. Дзер-
жинского, которые были оснащены вертикальными пли-
товыми холодильниками, а проектный профиль прибли-
жен к получавшемуся при разгаре кладки, работали с
наибольшей для своего времени, форсировкой хода и хо-
рошими технико-экономическими показателями [346].
На развитие очертаний и соотношение элементов про-
филя доменных печей изменения условий образования и
развития эллипсоидов разрыхления, по-видимому, имеет
определяющее влияние. В тех случаях, когда кладка
оказывается в пределах возможного расположения эл-
липсоидов разрыхления, она претерпевает наибольшие
разрушающие воздействия, так как с ней контактируют
интенсивно перемещающаяся вниз шихта и нагретые до
высокой температуры большие количества газа. Показа-
тельно во всяком случае, что рациональные профили до-
менных печей XVIII—XIX вв., когда относительно мало-
мощные воздуходувные средства ограничивали глубину
проникновения зон горения в глубь горна, и согласно
господствовавшим в то время тенденциям ограничить
диаметр горна стремились приблизить друг к другу зоны
горения у противостоящих фурм, благодаря чему горение
кокса в слоевом режиме относительно равномерно охва-
тывало всю площадь горна и тем самым создавались ус-
ловия для образования, по сути, одного эллипсоида раз-
рыхления, напоминают конфигурацию последнего. Таков
профиль печи, предложенный Гиббонсом в 1839 г., и т. д.
[2]. С развитием воздуходувных средств интенсивность
горения перед фурмами возрастала, а расширение горна
вело к разобщению зон горения. Соответственно над по-
следними возникали разрыхленные области с размытыми
из-за отсутствия четкой локализации участков интенсив-
ного горения контурами, лишь отдаленно еще напомина-
ющими эллипсоиды разрыхления. Возникновение отдель-
ных, вместо одного общего, эллипсоидов, приводило к
снижению их высоты и более вытянутой их форме. Соот-
ветственно, это требовало более низких и крутых запле-
236
чиков, что отчетливо прослеживается в профилях печей
первых десятилетий XX в.
Наконец, интенсификация горения кокса у фурм при-
вела к образованию зон циркуляции, что повлекло за со-
бой и четкое оконтуривание эллипсоидов разрыхления,
а соответственно, и увеличение разгара кладки в местах
ее сечения эллипсоидами разрыхления и создание застой-
ных областей там, где кладка далеко отходила от по-
следних. Высказанное более 100 лет тому назад Гиббон-
сом положение о том, что «огненный перст» вычерчива-
ет н-а стенах печи желаемый профиль [2], тем более спра-
ведливо в настоящее время, когда форсировка печей не-
измеримо выросла. Необходимость учета разгара кладки
при проектировании профиля доменной печи в конкрет-
ных условиях предстоящей ее работы и принятие мер к
возможному предотвращению изменения этих условий
следует из достигшей значительных величин стоимости
сооружений печей и цены потерь их производительности.
Влияние движения столба шихты
на его газопроницаемость
Рассмотренное выше увеличение порозности в объеме
эллипсоидов разрыхления способствует росту ее и в
среднем по сечению, благодаря чему должно происхо-
дить уменьшение сопротивления проходу газов.
Изменение характера разрыхления столба шихты при
форсировании печи должно отражаться наиболее полно
во время постепенного увеличения количества дутья, про-
являясь в изменении вида зависимости давления дутья
от его расхода, иллюстрирующей при постоянстве повы-
шенного давления газа на колошнике или низких значе-
ниях этого давления газодинамическую характеристику
столба шихты *.
Принято представлять эту зависимость P=f (V) в ви-
1 Учет давления газа на колошнике может лишь изменять орди-
наты кривой, а соответственно и точки перелома, но не общий ха-
рактер графика рассматриваемой зависимости. Бесспорно, последнее
справедливо лишь в случаях мало изменяющегося в окрестностях
точек перелома давления газа, что в общем случае характерно при
работе доменной печи с повышенным его давлением на колошнике.
При обычном давлении газа его величина значительно меньше дав-
ления дутья и несущественно сказывается на ординатах графика
функции P=f(V).
237
де некоторой степенной функции, график которой изо-
бражается без переломов или иных специальных точек.
Такое положение имеет место при неизменной или мало
меняющейся структуре столба шихты. Существенное ее
(структуры) изменение, скачкообразное по достижении
Рис. 79. Зависимость перепа-
да давления газов Др по вы
соте столба кокса в огне-
вом стенде от расхода дутья
<?д:
1 — увеличение количества
дутья; 2 — уменьшение коли-
чества дутья
Рис. 78. Общий вид зависи-
мости перепада давления га
зов Дрг по высоте столба
шихты от расхода дутья Од’,
b и с — случаи «выпадения»
точки а с кривой
расхода дутья, обеспечивающего образование зон цир-
куляции и, соответственно, эллипсоидов разрыхления над
ними, способствуя снижению сопротивления шихты про-
ходу газов, должно вызвать изменение вида кривой за-
висимости давления от расхода дутья. Это изменение,
предположительно выражающееся в виде перелома на
кривой Ap=f(Qa) (рис. 78), должно проявиться тем рез-
че, чем выше было сопротивление проходу газов через
столб шихты до образования эллипсоидов разрыхления
над зонами горения и чем быстрее завершаются переход-
ные процессы при образовании этих эллипсоидов [351].
Материалы исследований, проводившихся на огневом
стенде и доменных печах различных заводов, подтверди-
ли эти предположения (рис. 79, 80). Во всех случаях, ког-
да контролировались колебания давления дутья на фур-
мах, появлению перелома на кривой A/?=f(Qn) пред-
шествовало начало дискретного поступления кокса в зо-
ны циркуляции, что также подтверждает предположение
238
о связи возникновения этого перелома с образованием
достаточно четко выраженных эллипсоидов разрыхления.
Следует также отметить существование своеобразно-
го гистерезиса рассматриваемой функции, проявляюще-
гося в уменьшении ординат кривой и смещении абсцис-
сы точки перелома влево при уменьшении расхода дутья
от его номинального значения (см. рис. 79). Как было
установлено при исследовании зон циркуляции, при
уменьшении расхода дутья они имеют размеры большие,
чем при соответствующих расходах во время предшест-
вовавшего увеличения его количества. Размеры же эл-
липсоидов разрыхления и порозность слоев в них непос-
редственно определяются параметрами зон циркуляции.
Обращает на себя внимание то, что при нормальном
ходе процесса вторая полуволна кривой, лежащая пра-
вее точки перелома, подобна первой до такой степени,
что при соответствующем смещении по осям координат,
может быть полностью совмещена с ней. Последнее го-
ворит о том, что режимы газа в обоих случаях аналогич-
ны и показатель степени в уравнении потерь напора ос-
тается неизменным.
И. А. Копырин 1 и Б. Г. Пластинин 2, исследовавшие
параметры движения газового потока в столбе шихты, в
частности, изучавшие с помощью индикации дутья инерт-
ными газами время их пребывания в печи, нашли, что
величина последнего и характер его изменения сущест-
венно зависят от расхода дутья. Ими показано, что в
интервале относительно небольших расходов дутья с его
увеличением время пребывания газов в печи сокращает-
ся, что говорит, очевидно, об увеличении их скорости.
При дальнейшем росте расхода до значений, отвечающих
нормальной форсировке хода печи, наблюдается увели-
чение времени пребывания газов. Как констатирует
Б. Г. Пластинин, это объясняется опережающим ростом
объема межкусковых промежутков (порозности) по срав-
нению с количством газа. Наконец, по достижении опре-
1 Ко п ы р и н И. А. Влияние времени пребывания и скорости га-
зов на восстановление железа. Кандидатская диссертация. Москва.
Инс-т металлургии им. А. А. Байкова, 1962.
2 П л а с т и н и н Б. Г. К вопросу исследования газораспреде-
ления в столбе шихтовых материалов. Кандидатская диссертация.
Караганда. Карагандинский политехнический ин-т, 1969.
239
Рис. 80. Зависимость избыточного давления дутья от его расхода (<2Д> для
доменных печей металлургического завода:
а — Нижне-Салдинского (7—данные специального эксперимента; 2 —27/VI 1961 г.;
3-5/VII 1961 г.; 4 —7/VII 1961 г.; 5-8/VII 1961 г.; 6 - 15/VII 1961г.; 7- 17/VII 1961 г.;
8 — 24/Х 1961 г.; 9 — 26/Х 1961 г.); б — Карагандинского (7 — 7/Ш 1964 г.; 2 — 8/111 1964 г.;
3 4~ 11/III 1964 г.; 5 —2/VII 1965 г.); в — им. Дзержинского (специальные наблюде-
ния на доменной печи № 9: 1—5/IX 1961 г.; 2 — 10/IX 1961 г.; 3— 12/IX 1961 г.;
4 —16/IX 1961 г.; 5-18/IX 1961 г.; 6, 7 - 20/IX 1961 г.); г - нм. Дзержинского (завод-
ские данные для доменных печей: 1 — № 1; 2 — № 6; 3 —№ 9; 4— № 10; 5 —№11;
б —№ 12)- д — НТМК им. Ленина (заводские данные для доменных печей: 1 — № 1;
2 — № 2; 3 — № 3; 4 — № 4; 5 — № 5)

деленного для данной печи предела, дальнейшее увели-
чение расхода дутья вновь вызывает уменьшение време-
ни пребывания газов в печи, что является свидетельством
увеличения их скорости. Таким образом, имеет место
почти полная аналогия между изменениями времени
пребывания газов в печи и сопротивления его проходу
при увеличении количества дутья, что и естественно, так
как в их основе лежит одно и то же явление.
Следует также отметить существование в некоторых
случаях второго перелома на кривой зависимости давле-
ния дутья от его расхода. При этом гораздо более поло-
гий ход соответствующей (третьей) полуволны кривой
свидетельствует о том, что в данном случае имеет место
существенное уменьшение сопротивления проходу газов,
сопровождающееся, вероятно, изменением режима тече-
ния его.
Поскольку порозность шихты в пределах эллипсоида
разрыхления остается практически неизменной при уве-
личении его объема за счет возрастания количества сож-
женного в зоне горения кокса, то, по-видимому, второй
перелом на графике зависимости Ap=f(Qa) связан с
тем, что по достижении определенной величины эллипсо-
идов разрыхления, а соответственно и роста их попереч-
ных размеров, происходит касание последними кладки
печи. При этом, поскольку вблизи кладки сопротивления
проходу газового потока понижены, произойдет новое
перераспределение газов по сечению печи со снижением
среднего по объему значения этих сопротивлений. След-
ствием этого, по-видимому, и является второй перелом
на кривой зависимости давления дутья от его расхода с
последующим более пологим ходом кривой. Можно ожи-
дать, что при прочих равных условиях по мере разгара
кладки местоположение этого перелома будет смещаться
в сторону более высоких значений расхода и давления
дутья, а при разгаре кладки до предела,, обеспечивающе-
го вписывание эллипсоидов разрыхления в ее контуры,
этот перелом вообще исчезнет. Анализ кривых зависимо-
сти давления дутья от его расхода для доменной печи
Нижне-Салдинского металлургического завода за после-
ремонтный период подтверждает это положение. Однако
непостоянство состава и качества сырых материалов, по-
ступающих в эту печь, не дает возможности сделать
окончательные выводы.
242
В свою очередь, возможность определения момента
разгара кладки до состояния, при котором эллипсоиды
разрыхления вписываются в нее, создает предпосылки
для определения оптимального профиля данной печи и
закрепления его. Таким моментом можно считать тот,
при котором положение второго перелома на кривой за-
висимости давления дутья от его расхода выходит за
границу рабочего режима печи.
Возвращаясь к вопросу о первом переломе рассмат-
риваемой кривой, следует отметить нестабильность его
местоположения. По-видимому, это объясняется колеба-
нием размеров зон горения, влекущим за собой измене-
ние момента возникновения зоны циркуляции у фурм, а
следовательно, и образования эллипсоида разрыхления,
что в свою очередь предопределяет изменение местополо-
жения перелома на кривой зависимости давления дутья
от расхода.
Наконец, следует отметить, что наблюдения за пара-
метрами дутьевого режима печей показали, что в подав-
ляющем большинстве случаев нарушению нормального
хода доменной печи при изменении расхода дутья отве-
чает «выпадение» соответствующих точек с кривой (см.
рис. 78). Приращение давления дутья (участок ab), не-
соответствующее его расходу, свидетельствует о непро-
порциональном росте сил сопротивления движению га-
зового потока и, следовательно, чревато подвисанием;
уменьшение давления дутья при увеличении его расхода
(участок ас) говорит о падении этого сопротивления в
результате образования канала. Реализуя эти положе-
ния, С. А. Воробьев и Э. Г. Миронов разработали устрой-
ство, позволяющее контролировать правомерность уве-
личения дутья в конкретных условиях доменной плавки
и успешно испытали ряд его модификаций [352—354].
При этом вид кривой Ap=f(Qa) исключительно силь-
но зависит от режима работы печи. По-видимому, на не-
го существенно влияет качество сырых материалов, что
подтверждается более компактным расположением кри-
вых в тех случаях, когда печи работали в лучших сырье-
вых условиях. В то же время наибольшая компактность,
вплоть до наложения кривых друг на друга, имеет место
в области второй полуволны. Это свидетельствует о том,
что определяющим движение газового потока в столбе
шихты после образования эллипсоидов разрыхления яв-
16*
243
ляется не столько гранулометрический состав шихты,
сколько ее физико-химические характеристики, обуслов-
ливающие размеры зон циркуляции и образующихся над
ними эллипсоидов разрыхления.
Влияние изменения структуры движущегося слоя
на теплообменные процессы
Влияние неравномерного движения кусков слоя на
его структуру, помимо снижения потерь напора в слое
и колебания газораспределения, выражается в изменении
теплообменных и, по-видимому, массообменных процес-
сов.
Существенную зависимость коэффициента теплопере-
дачи от порозности слоя наглядно показал Б. И. Китаев
[362], который в результате обработки опытных данных
Фурнаса получил уравнение, характеризующее зависи-
мость этого коэффициента от ряда факторов и в том чи-
сле от порозности. Из этой зависимости, в частности,
следует, что при изменении порозности от соответствую-
щей наиболее плотной укладке до соответствующей эле-
ментарному кубу коэффициент теплопередачи уменьша-
ется почти в 1,6 раза.
В формулах В. И. Китаева, описывающих теплообмен
в противотоке, порозность играет существенную роль для
процесса теплообмена в целом. Так, при росте порозности
должны возрастать высоты соответствующих зон тепло-.
обмена и увеличиваться разница между температурами
шихты и газов. В то же время следует учитывать, что из-
менение порозности в первую очередь и, по-видимому,
наиболее существенно скажется на распределении газо-
вого потока по сечению слоя. Последнее в свою очередь
внесет существенные изменения в характер протекания
теплообменных процессов.
На основании совместного рассмотрения изменения
структуры слоя при его движении в доменной печи и ма-
тематического описания процесса теплообмена в проти-
вотоке, по Б. И. Китаеву [177], можно сделать вывод о
том, что на участках интенсивного движения шихты, где
порозность слоя соответственно выше, теплообмен для
своего завершения требует большего времени, следова-
тельно, большей высоты, нежели на участках относи-
244
тельно медленного схода *. В этом отношении характер-
но сопоставление приводимых Б. И. Китаевым, Ю. Г. Яро-
шенко и Б. Л. Лазаревым [16] данных о распределении
температур внутри доменной печи при различных интен-
сивностях плавки (рис. 81, а) с картиной распределения
градиентов скоростей движения материалов (построен-
ной с помощью анализа расположения полей равных ско-
Рис. 81. Расположение изотерм в доменной печи при
различной интенсивности плавки по данным [16] (а)
н линии равных градиентов скорости движения ча
стиц при различном расположении выпускных от-
верстий (6)
1 Естественно, это относится к тем случаям, когда при значениях
порозности, соответствующих неподвижному или движущемуся без
градиентов скорости слою, его газопроницаемость достаточно вели-
ка. В противном случае, как совершенно справедливо указывается
в работе [16], сопровождающее движение слоя увеличение порозно-
сти может интенсифицировать теплообмен.
245
ростей) при соответствующем их расположении (/—
III) (рис. 81,6). Сравнение этих данных позволяет, по
крайней мере предположительно, говорить об обуслов-
ленности характера расположения изотерм и полей рав-
ных градиентов скорости движения кусков и о том, что
расстояние между изотермами пропорционально рассто-
янию между соответствующими линиями равных гради-
ентов, а следовательно, и порозности слоя. В соответст-
вии с этим кривая (или поверхность), построенная по
точкам равных градиентов температуры, по-видимому,
будет представлять собой эллипс (или эллипсоид — в
пространстве), подобный соответствующему эллипсу
(или эллипсоиду) равных скоростей.
Действительно, из рис. 81, а следует, что при измене-
нии интенсивности плавки наблюдается перемещение
изотерм. Характер перемещения, его направленность оп-
ределяются способом изменения интенсивности. Но тог-
да, когда изменение интенсивности плавки происходит
в результате изменения параметров дутья, оно в первую
очередь должно сказаться на расположении и размерах
зон циркуляции. Последние же определяют расположе-
ние и параметры соответствующих эллипсоидов равных
скоростей и разрыхления (рис. 81,6), а следовательно, и
соответственное распределение газового потока в слое.
При этом конфигурация полей равных скоростей движе-
ния кусков и абсолютные значения последних предопре-
деляют характер изменения по данной вертикали столба
материалов водяных эквивалентов шихты, а распределе-
ние порозностей — изменение водяных эквивалентов
газов и коэффициентов теплопередачи. Тем самым дви-
жение шихты оказывает существенное влияние на основ-
ные определяющие теплообмен факторы.
Движение слоя, по-видимому, оказывает значитель-
ное воздействие и на интенсивность течения в нем физи-
ко-химических процессов.
Следует сделать еще одно замечание, относящееся к
протеканию теплообмена в слое после превышения ско-
ростью его движения критической величины, т. е. после
нарушения контактов между частицами. До сих пор нами
рассматривался случай движения плотного слоя, для ко-
торого характерно наличие связи между частицами, со-
ставляющими его. Однако не меньший интерес представ-
ляет случай, когда контакты между частицами потеряны.
246
При этом предполагаем, что соблюдается следующее
условие: секундный объем твердых частиц, проходящих
данное сечение, постоянен и не зависит от скорости их
движения. Основанием для этого предположения явля-
ется стационарность процесса. Действительно, при усло-
вий поддержания постоянного уровня засыпи после об-
разования эллипсоидов разрыхления, количество загру-
женных частиц может быть только равно количеству
частиц, покинувших слой.
Таким образом, если обозначить через N число ча-
стиц эквивалентного диаметра d, проходящих данное се-
чение в течение секунды, то
N = const. (93)
Рассматривая движение поверхности, на которой ле-
жат грани элементарных ячеек, можно записать
&2aS (1—m) = Af= const, (94)
где S — поверхность рассматриваемой части слоя;
т — порозность;
w — скорость перемещения фронтальных к направ-
лению движения граней элементарных ячеек
по отношению к скорости тыловых.
Значение постоянной в этом уравнении определится
из условия, что при скорости, равной критической, эле-
ментарная ячейка перестраивается в куб. Следователь-
но, С=0,524 (wS)KP . Тогда порозность слоя при скорости
его, превышающей критическую, определится как
т= 1—0,524^5. (95)
wS
Из уравнения (95) следует, что зависимость между
порозностью и скоростью имеет характер гиперболы. Из
этого следует, что в начальные после нарушения сплош-
ности слоя моменты, увеличение скорости движения ча-
стиц будет существенно приближать порозность такого
псевдослоя к единице.
Исследования же Фурнаса, Б. И. Китаева [362] пока-
зали, что при этом коэффициент теплопередачи будет
стремиться к нулю, а это в свою очередь приведет к рез-
кому затуханию теплообмена. Практически, закономер-
247
ное нарушение сплошности слоя при истечении материа-
лов через отверстия или при поступлении кокса в зону
горения имеет место после разрушения динамически не-
устойчивых равновесных сводов, образующихся над эти-
ми отверстиями (или над зонами циркуляции), когда
имеет место свободное падение кусков с контура такого
свода и, следовательно, быстрое нарастание скорости.
Но, так как при этом будет быстро расти порозность
и затухать теплообмен, то S-образные кривые, характе-
ризующие, по Б. И. Китаеву, распределение температур
в слое при противотоке, должны быть дополнены в ниж-
ней своей части вертикальным (или приближающимся к
вертикали) участком. Высота этого участка, по-видимо-
му, должна быть соизмерима с высотой равновесного
свода или несколько превышать ее в связи с тем, что за
время существования равновесного свода куски кокса,
составляющие его, повысят свою температуру; в домен-
ных печах высота может колебаться в пределах 0,3—
1,5 м.
Влияние колебаний параметров газового потока
на теплообмен и восстановление
Влияние специфики движения шихты в доменной пе-
чи на сопряженные с ним процессы отнюдь не ограни-
чивается последствиями особенностей распределения
скоростей перемещения кусков и увеличения порозности.
Не меньший интерес с точки зрения интенсификации
массо- и теплообмена представляют колебания парамет-
ров газового потока, порождаемые дискретностью по-
ступления кокса в зоны циркуляции. При этом сущест-
венно, что в отличие от большинства технических систем,
в которых с целью интенсификации проходящих в них
процессов горения, тепло- и массообмена и т. п., подоб-
ные колебания искусственно генерируются и, соответст-
венно, требуют для этого определенных энергозатрат, в
доменной печи они возникают естественно, как следствие
особенностей основного процесса. Немаловажное значе-
ние имеет и то, что колебания параметров газового пото-
ка начинают использоваться непосредственно в месте их
возникновения, а не подводятся извне реакционного объ-
ема. Более того, прерывистость движения кусков к зонам
циркуляции также создает квазипериодические измене-
248
Рис. 82. Связь между
оптимальной часто-
той пульсаций v и
размером пор [364]
ния относительной скорости газового потока, которые
соответственно должны оказывать воздействия на проте-
кающие здесь процессы.
В то же время известно в первую очередь из работ
В. А. Сорокина и Н. Н. Попова [363], Шенка и Клоза[364]
влияние на кинетику восстановления колебаний парамет-
ров газа-восстановителя. Существенно,
других исследователей 1 [365—366] бы-
ло показано влияние на интенсивность
восстановления соответствия парамет-
ров колебаний газа-восстановителя, в
качестве которого использовали окись
углерода или водород, акустическим
характеристикам восстанавливаемых
образцов и прежде всего размеру пор
(рис. 82).
В то же время лабораторными ис-
следованиями было показано, что да-
же в тех случаях, когда увеличение
скорости восстановления при колеба-
ниях параметров газа-восстановителя
или вибрации восстанавливаемых об-
разцов было несущественным, общий
эффект от этого мероприятия в ряде
случаев оставался положительным
благодаря более равномерному вос-
становлению кусков по высоте слоя. При этом рядом ис-
следований [363, 365, 366] показано влияние на результа-
ты применения колебаний давления газа-восстановителя
таких параметров процесса, как температура и скорость
газового потока.
Шенк и Клоз [364], отмечая, что эффект влияния ко-
лебаний, давления газа на процесс восстановления свя-
зан с разрушением слоев вюстита, укрупнением частиц
восстановленного железа и торможением разложения
окиси углерода, объясняют его также и ликвидацией за-
стойных зон на поверхности кусков, облегчением проник-
новения восстановителя в глубь куска по порам и тре-
щинам и т. д. В этом случае совершенно правомерно
объяснение снижения эффективности ультразвуковых и
1 Красавцев Н. И. Теоретические вопросы дальнейшего по-
вышения эффективности доменной плавки. Докторская диссертация.
Донецк. ДМетИ, 1964.
249
увеличения влияния звуковых колебаний при увеличении
размера пор (рис. 82), даваемое авторами работы [364],
более интенсивным затуханием высокочастотных коле-
баний на поверхности образцов. В случае плотных руд с
порами небольшого размера затухание колебаний менее
выражено, а влияние ультразвука обусловлено ослабле-
нием кристаллической решетки и ускорением диффузи-
онных процессов.
По-видимому, во всех этих случаях существенна роль
резонансных явлений в порах и застойных областях, ког-
да при соответствии собственной частоты колебаний их
объема частоте колебаний газа-восстановителя облегча-
ется возникновение так называемого «акустического вет-
ра», а соответственно, интенсифицируется и диффузия.
Наиболее отчетливо последнее проявляется при нало-
жении колебаний на процессы тепло- и массообмена, где,
кстати, довольно широко их практическое применение.
К сожалению, основная масса соответствующих исследо-
ваний [365—390] выполнена на системах, весьма далеких
от интересующих нас. В большинстве случаев объектами
изучения были трубы, трубные пучки, одиночные части-
цы, мелкодисперсные суспензии и т. п. При этом было
показано, что возникновение резонанса в системе явля-
ется фактором, значительно облегчающим задачу интен-
сификации тепло- и массообмена [368—373]. Более того,
в опытах Б. М. Галицейского [369] интенсификация теп-
лообмена вообще отсутствовала в случаях, когда отсут-
ствовало соответствие частоты внешних колебаний соб-
ственной частоте колебаний исследуемого образца, т. е.
когда не возникал резонанс колебаний.
При рассмотрении вынужденной конвекции [374—
379] дополнительно к рассмотренным факторам сущест-
венной оказывается скорость движения газа. По-видимо-
му, наиболее правильную оценку возможности интенси-
фикации процессов в условиях вынужденной конвекции
дают П. Н. Кубанский [381] и В. А. Каландарян с соавто-
рами [382], полагающие, что она пропорциональна отно-
сительной скорости колебаний, т. е. возрастает с увеличе-
нием частоты и амплитуды последних и уменьшается с
ростом скорости потока.
Обращаясь к физической сущности явлений, обуслов-
ливающих интенсификацию рассматриваемых процес-
сов, отметим, что многие исследователи [383—385] объяс-
250
няют ее возмущением, вплоть до разрушения структуры
пограничного слоя под действием колебаний давления
или скорости газа, когда последние способствуют воз-
никновению стационарных акустических течений. Резуль-
татом действия этих течений является деформация по-
граничного слоя и ламинарного подслоя и, как следст-
вие, уменьшение общего термического или диффузион-
ного сопротивления в исследуемой системе. Очевидно,
возбуждение резонансных явлений способствует усиле-
нию акустических течений в резонирующем объеме, чем
и обусловливается значительный эффект интенсифика-
ции. Последний особенно значителен, когда акустичес-
кие течения возникают в застойных до этого областях,
способствуя вовлечению ранее пассивной поверхности к
участию в процессе. Следует заметить, что, согласно дан-
ным Г. Шлихтинга [388], имеет место некоторое, завися-
щее от конкретных условий, пороговое значение интен-
сивности колебаний, до превышения которого акустиче-
ские течения не возникают.
В немногочисленных работах [372, с. 135; 373], посвя-
щенных интенсификации процессов, протекающих в слое,
или управлению ими с помощью наложения колебаний
на систему, сообщается об экстремальном характере за-
висимости величины интенсификации теплообмена от ча-
стоты колебаний давления. При этом положение экстре-
•мума определяется собственной частотой колебаний си-
стемы, зависящей, в частности, от геометрических раз-
меров слоя. Наконец, следует упомянуть работу Черно-
ха и Гала [386], в которой исследовалось влияние пульси-
рующего горения на теплообмен продуктов горения с
плотным слоем стальных и магнезитовых шаров и было
показано, что при пульсирующем горении по сравнению
со стационарным теплообмен интенсифицируется на
100%, а продолжительность нагрева уменьшается на
35%. Характерно, что время обжига шариков, изготов-
ленных из сырого магнезита, когда воздействию колеба-
ний подвергались процессы и теплообмена, и диффузии,
уменьшилось на 80% при снижении расхода топлива.
Необходимость уточнения представлений о характе-
ре воздействия колебаний давления газа на теплообмен
в слое предопределила методику нашего исследования
[396], в ходе которого термистор Т8Д помещали в проду-
ваемый воздухом слой кокса фракции 6—13 мм, близкой
251
к размерам термистора. Для уменьшения инерционности
последнего стеклянный баллончик был с него снят. Тер-
мистор включали в одно из плеч измерительного моста.
Скорость воздуха, отнесенная к полному сечению вме-
щающей слой трубы с внутренним диаметром 120 мм,
регулировалась в пределах от 0,2 до 1,6 м/сек. Колеба-
ния давления воздушного потока в диапазоне 40—1000 гц
возбуждали с помощью электродинамического преобра-
зователя, а при более низких частотах — вертушкой,
встроенной в воздухоподводящую линию. Исследование
проводили при значениях звукового давления в месте из-
мерения 333,3 и 500 н/м?.
Коэффициент теплообмена слоя с газовым потоком
определяли из соотношения
IU = aF(ia,-tr), (96)
где I и U— соответственно сила и напряжение тока на
термисторе;
а — коэффициент теплообмена;
F— величина эффективной поверхности, постоян-
ная в процессе экспериментов;
/сл, tr — температура слоя и газа соответственно.
При проведении экспериментов измерениям предше-
ствовала стабилизация тока через термистор при за-
данных расходах воздуха и частоте колебаний его дав-
ления.
Результаты экспериментов для уменьшения влияния
побочных факторов представлены в относительных вели-
чинах, характеризующих выраженное в процентах изме-
нение коэффициента теплообмена при наложении на га-
зовый поток колебаний ctf, по сравнению с коэффициен-
том теплообмена при невозмущенном газовом потоке
в зависимости от частоты колебаний v.
При анализе результатов экспериментов обращает
внимание экстремальный характер зависимости измене-
ния коэффициента теплообмена от частоты колебаний
давления газа (рис. 83). По-видимому, такой характер
обусловлен резонансными явлениями при соответствии
частоты возмущения колебаний собственной частоте
межкусковых каналов и пор, когда благодаря возникно-
вению в этих условиях «акустического ветра», интенси-
фицируются обменные процессы в ранее застойных об-
ластях; увеличивается поверхность кусков кокса, прини-
252
мающая активное участие в процессе. Характерны в
этом отношении данные К. Польте [395], показавшего
при исследовании теплопередачи в столбе материалов,
составленном из частиц неправильной формы, омывае-
мых равномерным газовым потоком, что в этом случае
Рис. 83. Зависимость относительной величины
коэффициента теплообмена от частоты коле-
баний давления газового потока при различ-
ных его скоростях Wt>, м!сек-.
7 — 0,21; 2 — 0,82; 3—1,13; 4—1,57
только некоторая часть суммарной поверхности зерен
принимает участие в теплообмене, а конвекция за-
труднена.
В то же время отчетливо проявляется связь частоты,
соответствующей максимуму кривой, характеризующей
зависимость роста коэффициента теплообмена от часто-
ты, со скоростью продуваемого через слой газа, выража-
ющаяся в сдвиге вправо этого максимума при увеличе-
нии скорости газа (рис. 83). Показательно, что росту
скорости газа отвечает увеличение этой частоты, что мо-
жно связать с обогащением спектра турбулентных пуль-
саций, когда колебательная составляющая, естественно
присущая турбулизированному потоку, еще до наложе-
ния дополнительных колебаний интенсифицирует тепло-
обмен, чем снижает эффективность привнесенных в по-
253
ток колебаний. Этим же, а также ростом амплитуды
турбулентных пульсаций потока газа, по-видимому,
можно объяснить снижение величины относительного
коэффициента теплообмена при увеличении скорости
газа.
Возвращаясь к зависимости коэффициента теплооб-
мена от частоты (рис. 83), следует отметить, что наблю-
дающийся здесь более крутой ход кривой слева от мак-
симума, по-видимому, обязан как относительно высоко-
частотному характеру турбулентных пульсаций, так и
тому, что составляющие слой куски имели большое ко-
личество тонких и разнообразных по глубине пор, собст-
венные частоты которых лежат в сравнительно высоко-
частотной части спектра.
Специфический характер влияния скорости газового
потока на интенсификацию теплообменных и диффузион-
ных процессов, поскольку в основе обоих лежат одни и
те же явления, представляет особый интерес в случаях
неравномерного газораспределения по сечению слоя. Ес-
ли в отсутствии колебаний на участках слоя, где имеет
место большая скорость газов, процессы обычно идут
более интенсивно, то наложение на газовый поток коле-
баний должно способствовать интенсификации тепло- и
массообменных процессов в большей степени на участ-
ках замедленного газового потока. Последняя же, спо-
собствуя более равномерной работе слоя, обеспечит
улучшение показателей процесса в целом.
В то же время необходимо отметить, что как нами,
так и другими исследователями в основном рассматри-
валось влияние на процессы тепло- и массообмена лишь
колебаний давления газовой фазы. Очевидно, не мень-
ший интерес с этой точки зрения представляют колеба-
ния температуры и состава газа, имеющие, как это было
показано выше, значительное развитие при дискретном
поступлении кокса в зоны циркуляции. По-видимому, нет
оснований сомневаться в том, что они должны наклады-
вать существенный отпечаток на интенсивность протека-
ния соответствующих процессов. При этом эффектив-
ность использования их в значительной степени должна
определяться соотношением скоростей приращения тем-
пературного или концентрационного потенциала в среде,
омывающей кусок, и соответственных потоков внутрь
куска.
254
Иными словами, должно быть существенно при про-
чих равных условиях внутреннее термическое или диф-
фузионное сопротивление кусков. Собственно, последнее,
по-видимому; играет роль' и при наложении на газовый
поток колебаний давления, так как при этом "значения
коэффициента теплообмена или диффузии также меня-
ются в функции амплитуды колебаний давления газа с
соответственной им частотой. Однако в этом случае из-
менение газодинамической обстановки у поверхности ку-
ска, видимо, играет превалирующую роль. В то же время
возможно и ухудшение теплопередачи при наложении на
газовый поток колебаний давления в тех случаях, когда
из-за недостаточной скорости теплоотвода от поверхно-
сти образца в глубину его температура поверхности за
период колебания не успевает достаточно снизиться, что
и приводит к уменьшению теплового потока от газа к
куску. В этих случаях изменение частоты или амплитуды
колебаний способствует достижению желаемого резуль-
тата.
В заключение рассмотрения вопросов, связанных с
влиянием колебаний параметров газового потока на теп-
ло- и массообмен, отметим очевидную зависимость эф-
фективности применения этих колебаний от величины их
затухания, определяющей, в частности, энергозатраты на
достижение желаемых результатов. Несмотря на обилие
работ как аналитического, так и экспериментального ха-
рактера, посвященных прохождению акустических коле-
баний в различных средах и системах [197—200, 372, с.5;
387, 388], затухание этих колебаний в слое крупнозерни-
стых материалов изучено совершенно недостаточно.
В связи с этим было предпринято исследование зату-
хания колебаний давления газа по высоте слоя различ-
ных крупнозернистых материалов в диапазоне частот,
характерном для доменной печи [397]. Звуковые колеба-
ния возбуждались в экспериментальной установке
(рис. 84) электродинамическим преобразователем с но-
минальной мощностью 50 ва, а инфразвуковые — меха-
ническим. Амплитуду колебаний в отстоящих друг от
друга на 0,1 м точках по оси колонны измеряли с помо-
щью акустического зонда ЗА-4 и при продувке слоя воз-
духом с помощью специально сконструированного зонда
с пьезокерамическим чувствительным элементом (см.
рис. 24).
255
Рис. 84. Установка для исследования распространения колебаний дав-
ления газа в слое сыпучих материалов:
1, 3 — ресиверы; 2 — воздуходувная машина; 4 — распределительная ре-
шетка; 5—акустический зонд; 6 — электронный усилитель; 7 — анали-
затор спектра; 8 — испытательная труба; 9 — источник питания;
10 — диффузор; 11 — звуковой генератор; 12 — усилитель мощности;
13 — динамик; 14 — дроссель; 15 — электродвигатель
Рис 85 Зависимость от частоты ко-
лебаний V коэффициента затухания
а, колебаний давления газа в слое:
1 — гречки; 2 — гороха; кокса круп-
ностью, мм: 3 — 3—6; 4 — 6—13;
5—13—25; и угля крупностью, мм:
6 — 3—6; 7 — 6—13; 8 — 13—25
256
Так как плотность укладки сыпучих материалов не яв-
ляется величиной постоянной, то измерения проводили
при нескольких засыпках и длительном предварительном
встряхивании слоя для получения минимальной пороз-
ности, а результаты затем усредняли. В экспериментах
с воздушным потоком через слой средняя величина от-
ношения сигнала к шуму, уменьшающаяся при сниже-
нии частоты, составляла около 30 дб. На рис. 85 приве-
дены зависимости коэффициента затухания1 акустиче-
ских волн от частоты v, определенные в слое гречки,
кокса, угля и гороха.
Анализ экспериментальных данных показывает, что
коэффициент затухания пропорционален квадратному
корню из частоты и обратно пропорционален эквивалент-
ному диаметру частиц, образующих слой. Следует отме-
тить, что значения коэффициента затухания в слое мел-
ких частиц (кокс крупностью 3—6 мм), определенные
экспериментально и расчетом по формуле В. С. Несте-
рова [394], находятся в удовлетворительном соответ-
ствии.
В то же время в формуле В. С. Нестерова не учитыва-
ется влияние на коэффициент затухания формы частиц
и характера их поверхности, которое усиливается при
возрастании эквивалентного диаметра частиц, как это
видно из рис. 85. Так, коэффициент затухания в слое уг-
ля с частицами крупностью 6—13 мм меньше, чем в со-
ответствующем слое кокса во всем исследованном диа-
пазоне частот, а разница возрастает по мере увеличения
частоты. Еще сильнее это влияние проявляется при со-
поставлении коэффициентов затухания в слое гороха и
кокса фракции 6—13 мм.
Анализ результатов экспериментов, проводившихся
при различных скоростях движения воздушного потока
(до 4 м/сек) через слой вышеуказанных материалов,
показывает, что ранее установленный характер зависи-
мости коэффициента затухания от частоты, размера ча-
стиц, их формы и характера поверхности остается без су-
щественных изменений. Однако увеличение скорости по-
тока приводит к уменьшению зависимости коэффициен-
1 Коэффициент затухания определялся из соотношения Ля=
=Лое—ах> где Ах — амплитуда колебаний на расстоянии х от источ-
ника; Л о — амплитуда колебаний в точке х=0.
17—250
257
та затухания колебаний давления газа для данного раз-
мера частиц от частоты колебания при v > 200 гц, уве-
личению— в диапазоне 10—200 гц и исчезновению зави-
Рис. 86. Зависимость от частоты ко-
лебаний v коэффициента затухания
ос колебаний давления газа в слое
кокса крупностью 3—6 мм при раз-
личных скоростях потока воздуха
Wt>, м/сек:
симости в диапазоне 0,1—
10 гц (рис. 86). Влияние
размера частиц, их формы
и характера поверхности на
величину коэффициента за-
тухания наоборот усилива-
ется. Увеличение коэффи-
циента затухания по мере
роста его скорости, в отли-
чие от уменьшения при этом
в трубах [197—199], может
быть объяснено ростом зву-
копоглощающей поверхно-
сти частиц при турбулиза-
ции потока, когда турбу-
лентные вихри способствуют
сокращению зоны акустиче-
ской тени на поверхности
кусков. В пользу этого пред-
положения говорит наблю-
давшееся по мере развития
турбулентности (при малых
числах Рейнольдса) увели-
чение прироста коэффициен-
та затухания, а затем при
относительно высоких ско-
7—1,94; 2—1,26; 3 — 0,76; 4 — 0,57;
5 — 0,36; 6 — 0.0
ростях газа — его умень-
шение.
Следует отметить, что в
проведенных экспериментах изменение звукового давле-
ния в пределах от 18 до 100 н/м2 не оказывало сущест-
венного влияния на величину коэффициента затухания.
Так, при увеличении звукового давления с 18 до 100 н]м2,
т. е. в 5,64 раза, коэффициент затухания возрос на 17—
20%. Показательно, что как на огневом стенде (см.
рис. 30), так и на доменной печи (см. рис. 26) в исследо-
ваниях авторов, и по данным Симотсума и Сано [200],
общие закономерности изменения коэффициента затуха-
ния сохраняются неизменными.
Таким образом, результаты исследования зависимо-
258
сти коэффициента затухания колебаний давления газа
в слое кусковых материалов в сопоставлении с описан-
ным выше характером распределения порозности и газо-
вого потока в движущемся слое показывают, что, по
крайней мере, в пределах эллипсоидов разрыхления
должно иметь место распространение низкочастотной
составляющей этих колебаний на значительное расстоя-
ние. Соответственно, и воздействие колебаний парамет-
ров газового потока на процессы теплообмена, восста-
новления и т. д., по-видимому, в наибольшей степени про-
является в этих областях столба шихтовых материалов.
Применение колебаний параметров газа
как интенсификатора доменного процесса
Немногочисленные попытки использования колеба-
ний для интенсификации процессов в доменной печи ос-
новывались на применении внешних источников их воз-
буждения в газовом потоке. Так, в исследованиях
В. А. Сорокина и Н. Н. Попова, которые, по-видимому,
первые применили этот способ в доменном производстве,
колебания возбуждались с помощью установленного в
трубопроводе горячего дутья пульсатора шиберного ти-
па. Частота колебаний давления дутья изменялась в пре-
делах 1—5 имп!мин. Применение пульсирующего дутья
привело к увеличению производительности печи объемом
394 м3 на 2,5%, к снижению расхода кокса на 5,4% и
уменьшению числа осадок в 2—5 раз. При этом наблю-
далось улучшение распределения газа по сечению печи
и увеличение содержания углекислоты в колошниковом
газе на 0,5—0,8%. Позднее В. А. Сорокин с сотрудника-
ми получил аналогичные результаты, применив для воз-
буждения колебаний давления газов пульсатор мотыль-
кового типа [398].
Курода, Шимотсума, Сано и др. [399] исследовали
влияние на ход доменного процесса подачи пульсирую-
щего с частотой до двух колебаний в минуту дутья на
печи объемом 516 м3. Согласно приводимым в их сооб-
щении данным, применение пульсирующего дутья поз-
волило увеличить производительность печи на 4% и при
снижении общего расхода топлива на 0,16—1,6% умень-
шить расход кокса на 1,2—2,4%.
17*
259
С целью интенсификации процессов в шахте печи
Ц. Кэйдзи и С. Ясухиро1 предложили устанавливать
мотыльковый клапан в газоотводе. По данным авторов,
при этом создается возможность работы на значительно
более мелких железосодержащих материалах; увеличива-
ются скорость восстановления и концентрация двуокиси
углерода в колошниковом газе.
При безусловной эффективности рассмотренных ра-
бот, применение внешних источников колебаний является
существенным их недостатком. Значительные энергозат-
раты на привод тех или иных конструкций внешних из-
лучателей колебаний, будь то электромеханические, аэ-
ро- или гидродинамические, механические и т. д., увели-
чивающиеся непропорционально росту реакционного
объема; узкий диапазон возбуждаемых частот, значи-
тельные потери энергии колебаний на затухание в под-
водящих трубопроводах и на отражение от слоя; гро-
моздкость конструкций и сложность ее эксплуатации
позволяют считать применение внешних источников ко-
лебаний, особенно механического типа, малоперспектив-
ным.
Применение внешних источников колебания встреча-
ет серьезные возражения в связи с необходимостью ис-
пользования дорогостоящих материалов для изготовле-
ния рабочих органов этих устройств и, несмотря на это,
недостаточной их стойкостью и надежностью. Значитель-
но более перспективными представляются устройства,
в которых для возбуждения колебаний газа в доменной
печи используется энергия горения топливных добавок,
как это например, предусматривается изобретениями
Сугияма Тосия и Хагивара Хисао2. При этом сжигание
топливных добавок организуется в пульсирующем режи-
ме в пределах фурменного устройства, благодаря чему
и возбуждаются колебания давления и температуры по-
ступающего в зону циркуляции дутья.
В то же время интенсифицирующее воздействие на
ход доменного процесса бесспорно оказывают и коле-
1 Кэйдзи Ц., Ясухиро С. Пульсирующее устройство для
изменения давления газов в шахте доменной печи. Японск. патент
№ 15659 от 19/Х 1960.
2 Сугияма Тосия, Хагивара Хи ей о. Устройство для
пульсирующей подачи топлива. Японск. патент № 21958 от 21/Х 1967.
Устройство для пульсирующей подачи высокотемпературного дутья
в рудоплавильную печь. Японск. патент № 21432 от 23/Х 1967.
260
бания параметров газа, обусловленные дискретным по-
ступлением кокса в зоны циркуляции. Возбуждаемые
естественным путем непосредственно в месте их воздей-
ствия они используются в силу этого с большой эффек-
тивностью. С достаточным основанием можно предполо-
жить, что определенная доля улучшения технико-эконо-
мических показателей доменной плавки после достиже-
ний той степени форсировки печей, которая обеспечила
образование зон циркуляции перед фурмами, обязана
возникновению этих зон. Заметим также, что колебания
эти имеют достаточно широкий спектр, перекрывающий
диапазон частот, при которых наблюдается интенсифи-
кация процессов горения, тепло- и массообмена.
Зависимость частоты и амплитуды этих колебаний от
теплового состояния прилегающего сектора горна, а сле-
довательно, и от характера и количества изменяющих
состав дутья добавок позволяет, рассматривая в комп-
лексе факторы, определяющие поступление кокса в зоны
циркуляции (скорость дутья, его состав и т. д.), иници-
ировать колебания желаемой- частоты и амплитуды.
Этой же цели может служить возникновение резонанса
на желаемой частоте в фурменном устройстве при сое-
динении его с дополнительным, регулируемым по вели-
чине объемом.
В принципе для усиления возбуждаемых зоной цир-
куляции колебаний может быть использовано соответст-
вующим образом организованное горение в фурме топ-
ливных добавок к дутью или же резонанс струй этих до-
бавок. В последнем случае необходима достаточная же-
сткость струи и подбор таких значений ее протяженно-
сти и диаметра, чтобы частота собственных ее колеба-
ний была равной или, по крайней мере, кратной частоте
колебаний давления дутья. По-видимому, наблюдаемая
в ряде случаев периодичность перемещения мазутного
факела в поле зрения- гляделки может быть объяснена
случайным соблюдением этого условия. Отметим, что ис-
пользование струи в качестве резонатора позволяет зна-
чительно улучшить распыливание, получить более мелко-
дисперсные капли, что существенно при введении в печь
с дутьем в больших количествах мазута, угольной пыли
и т. п.
Развитием рассмотренных способов усиления коле-
баний параметров газа в зоне циркуляции и управле2
261
ния ими является использование принципа «обратной
связи». Как известно, последний широко применяется в
различных технических устройствах и схемах автомати-
ки для управления их выходными параметрами и состо-
ит в возвращении с определенным фазовым сдвигом (или
изменением полярности) части энергии усиленного сиг-
нала на вход системы, чем достигается либо усиление
Рис. 87. Изменение формы факела газовой горелки при введении
обратной связи по электрическому шуму
сигнала при положительной обратной связи, либо его по-
давление— при отрицательной. Наибольший эффект бу-
дет иметь место в тех случаях, когда возвращаемые в
систему колебания будут способствовать ее раскачива-
нию, заставлять ее резонировать.
Возможность применения принципа обратной связи
для управления процессами в зоне горения была апро-
бирована на огневом стенде и при сжигании смесей про-
пан-бутана с воздухом и кислородом в горелке с предва-
рительным смешением газа с окислителем (рис. 87,а). В
последнем случае на факел накладывали усиленные ко-
лебания генерируемого им же электрического потенциа-
ла, и для выявления эффективности собственно обрат-
ной связи, — независимые колебания той же предвари-
262
тельнб определенной частоты. Эксперименты показали,
что при осуществлении положительной обратной связи
наблюдалось сокращение длины факела (рис. 87,6) и
увеличение его яркости.
Во время экспериментов на огневом стенде сжигали
коксовую мелочь фракции 3—6 мм. Расход воздуха че-
рез фурму составлял 23,5 м3/ч, что обеспечивало образо-
вание зоны циркуляции с протяженностью 42 мм. Ярко-
стная температура пос-
ледней составляла при
этом 1720—1730° С. Аку-
стические колебания из
зоны циркуляции, воспри-
нимавшиеся посредством
акустического зонда с
пьезокерамическим чувст-
вительным элементом,
усиливаясь по напряже-
нию и мощности, а затем
с помощью электродина-
мического преобразова-
теля, излучались через
фурму обратно в зону
циркуляции. В другом
случае установленный на
границе зоны циркуляции
и плотного слоя двух-
электродный зонд без ис-
точника внешней э. д. с.
Рис. 88. Приращения величины яр-
костной температуры (с) и протя-
женности зоны циркуляции (б) на
огневом стенде при различной ча-
стоте подводимых извне колебаний
давления дутья; пунктир — то же,
прн введении положительной обрат-
ной связи
воспринимал электрический шум зоны горения, который
усиливался и преобразовывался по той же схеме, что и
в первом случае, и в виде акустических колебаний воз-
вращался в зону циркуляции. Кроме этого, преобразовы-
валась в акустические колебания, излучаемые затем в
зону циркуляции, переменная составляющая яркостной
температуры, датчиком которой служил германиевый
фотодиод. Электрическая мощность, подводимая к пре-
образователю, составляла во всех случаях 14,5—15,5 вт.
В результате обращения этих колебаний в зону цирку-
ляции наблюдалось во всех случаях значительное изме-
нение размеров последней при увеличении температуры
в ней до 1770—1798° С, т. е. на 40—80 град, или на 2,5—
4,5% (рис. 88), а также при возрастании амплитуды ко-
263
лебаний параметров процессов (рис. 89)*. При введении
дополнительного сдвига по фазе на ’/4 периода зона цир-
куляции сокращалась на 10—12% при соответствующем
изменении температуры в ней.
Для выявления эффективности собственно принципа
обратной связи в тех же условиях, что и при проведении
Рис. 89. Изменение характера электрического шума 1 и колебаний дав-
ления дутья 2 при введении обратной связи:
а — естественные условия; б — обратная связь по колебаниям давления
дутья; в — обратная связь по электрическому шуму
предыдущих экспериментов, были проведены соответст-
вующие определения при независимом от зоны циркуля-
ции источнике излучаемых в нее акустических колеба-
ний. При этом колебания со звукового генератора посту-
пали на те же, что и при осуществлении обратной связи,
выходные элементы схемы. Измерениям, в ходе которых
определялись размеры зоны циркуляции, яркостная тем-
пература в ней, амплитуда электрического шума и т. д.,
предшествовала выдержка до завершения переходных
процессов. Обращаясь к результатам экспериментов
* Во избежание самовозбуждения системы коэффициент усиле-
ния подбирался таким образом, чтобы при нормальной работе ре-
гистрировались только импульсы электрического шума с максималь-
ной амплитудой.
264
(рис. 88), прежде всего отметим близость формы кривой
характеризующей зависимость величины приращени?
протяженности зоны циркуляции от частоты внешних ко-
лебаний, конфигурации спектра колебаний давленш
дутья’ (см. рис. 29), что подтверждает положение с
наибольшей эффективности тех колебаний, частота ко-
торых соответствует собственной частоте основных ко-
лебаний параметров зоны циркуляции. Сложный харак-
тер изменения яркостной температуры, по-видимому, яв-
ляется следствием рассмотренного ранее фазового сдви-
га между колебаниями давления и тепловыделения при
обрушении сводов, усиливающегося в случае «раскачи-
вания» системы внешними колебаниями, когда из-за не-
прерывных флуктуаций параметров собственных коле-
баний зоны циркуляции и узком частотном диапазоне
подводимых извне колебаний возможно лишь среднеста-
тическое соответствие их частот и фаз. Процесс же горе-
ния, порождающий излучение, в условиях, имеющих ме-
сто в зоне циркуляции, малоинерционен и определяется
параметрами единичного акта поступления кокса, тогда
как изменение размеров зоны циркуляции происходит во
времени, и в силу этого, менее чувствительно к отклоне-
ниям фазы и частоты внешних колебаний от собственных
при среднем (за период установления) их соответствии.
Измерения показали, что при достижении тех же ре-
зультатов, что и при наложении обратной связи, мощ-
ность, подводимая к преобразователю, возросла до 27—
35 вт, т. е. была на 80—110% выше. При этом исключа-
лась возможность управления процессом. Применение
принципа обратной связи для интенсификации процессов
в зоне циркуляции и управления ими (для усиления коле-
баний параметров газов с целью последующего воздей-
ствия ими на процессы в столбе шихты) представляется
одним из наиболее эффективных и экономичных спосо-
бов, известных в настоящее время.
Стремление системы зона циркуляции — преобразо-
ватель — усилитель — преобразователь — зона цирку-
ляции в случае положительной обратной связи к возбуж-
дению представляет возможность с помощью относитель-
но слабых внешних воздействий, а следовательно, и не-
больших энергозатрат получить ощутимые результаты.
Ограничением суммарного коэффициента усиления мож-
но при этом достичь стабилизации процессов поступле-
265
ния кокса в зону циркуляции и горения в ней, представ-
ляющей особый интерес при стремлении этой зоны к
изменению размеров вследствие непредусмотренных из-
менений теплового состояния горна или иных причин.
Реализован этот способ может быть как путем излу-
чения в зону циркуляции отфильтрованных от помех
и усиленных до желаемой величины колебаний давления
дутья, обусловленных дискретным поступлением кокса,
так и путем наложения на зону горения соответственных
электрических колебаний, с помощью которых интенси-
фицируется или управляется наиболее специфическая
сторона процесса горения — электронно-ионные явления.
Правда, в последнем случае имеют место определенные
трудности, связанные с необходимостью постоянного пре-
бывания в зоне горения, по крайней мере одного элект-
рода, что, по-видимому, оправдывается лишь в специаль-
ных случаях.
Излучение акустических колебаний в зону циркуля-
ции не представляет значительных трудностей техниче-
ского порядка. В этом убеждает описанный выше опыт
длительной эксплуатации на доменной печи датчиков
колебаний давления дутья с пьезокерамическими чувст-
вительными элементами, представляющих собой обра-
щенные излучатели.
Наконец, весьма перспективным путем применения
принципа обратной связи является организация преры-
вистого (с частотой, соответствующей частоте поступле-
ния в зону циркуляции порций кокса) воспламенения или
подачи топливных добавок к дутью. В этом случае уси-
ленный сигнал с соответствующих датчиков использует-
ся для управления либо работой свечи, зажигающей вду-
ваемое топливо, либо работой устройства, регулирующе-
го подачу этой добавки. При этом должно учитываться
транспортное запаздывание системы. Как и в предыду-
щих вариантах, в последнем случае изменением фазово-
го сдвига между поступлением кокса в зону циркуля-
ции и колебаниями расхода топливных добавок или теп-
ловыделения при их периодичном зажигании можно уп-
равлять амплитудой колебаний параметров газа, варь-
ируя ее от близкого к нулю минимума до некоторого
максимума. Тем самым создается возможность дейст-
венного управления процессами в зоне циркуляции и
столбе шихты и значительно более эффективной, чем в
266
случае излучения независимых колебаний, интенсифика-
ции процессов горения, тепло- и массообмена.
Выводы
1. Образование эллипсоидов разрыхления влечет за собой пере-
лом на графике зависимости давления дутья от его расхода и суще-
ственное перераспределение газовых потоков в столбе шихты.
2. Профиль доменной печи должен обеспечивать вписывание
эллипсоидов разрыхления в пределы своего контура, а программа
загрузки материалов на колошник — учитывать расположение эллип-
соидов разрыхления.
3. Изменение порозности и неравномерное ее распределение в
движущемся слое оказывает большое влиние на теплообменные про-
цессы.
4. Колебания параметров, в частности давления газа, существен-
но влияют на процессы горения, восстановления и теплообмена, чем
создается возможность управления и интенсификации последних.
5. Зависимость эффективности применения колебаний давления
газа от их частоты носит экстремальный характер, а положение
экстремума при прочих равных условиях определяется скоростью
газового потока.
6. Излучение в зону горения- независимых от нее колебаний, ге-
нерируемых внешним источником, менее целесообразно, чем возвра-
щение в нее усиленных й преобразованных колебаний, обусловленных
дискретным поступлением кокса в зону циркуляции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Движение шихты и обусловленные им явления отно-
сятся к числу наименее изученных в доменном процессе.
Одной из причин этого положения является сложность
доменного процесса в целом и взаимообусловленность
его составляющих, когда зачастую невозможно их отде-
лить друг от друга при экспериментальном исследовании
на доменной печи. Сложившемуся положению способст-
вовало также господствовавшее до недавнего времени в
основном эмпирическое направление исследований и
практически полное отсутствие работ, рассматривающих
Движение материалов в чистом виде, как явление.
В то же время без выявления закономерностей всех
составляющих процесса немыслим серьезный техниче-
ский прогресс в области доменного производства. В ча-
стности, комплексная автоматизация доменного процес-
са невозможна без описания движения материалов в пе-
чи и отыскания связей этого движения с ходом восста-
новительных, теплообменных и других процессов.
Настоящая работа представляет собой попытку ис-
следования и аналитического описания движения мате-
риалов в печи в чистом виде с последующим приложе-
нием выявленных закономерностей к практике. Основ-
ными ее результатами являются следующие:
1. Показано, что как истечение сыпучего материала
из отверстия, так и поступление кокса в зоны циркуля-
ции у фурм доменной печи носит дискретный характер,
обусловленный образованием динамически неустойчивых
сводов.
Движение частиц, составляющих слой, к выпускным
отверстиям (зонам циркуляции) носит характер пере-
скоков с одной сводчатой саморазрушающейся структу-
268
ры на другую. По форме эти структуры приближаются
к эллипсоидам и благодаря взаимодействию друг с дру-
гом имеют постоянный, не зависящий от количества вы-
пущенного материала объем. В этом состоит отличие
процесса одновременного выпуска из нескольких отвер-
стий от выпуска из одного.
Обнаружение этих явлений позволило дать аналити-
ческое описание процессов истечения и движения частиц,
рассмотреть условия устойчивости выпуска и образова-
ния зоны циркуляции перед фурмами доменной печи,
разработать методы контроля истечения сыпучих мате-
риалов из отверстия и поступления кокса в зоны цирку-
ляции.
2. Установлено, что форма элементарной ячейки слоя,
определяющая его порозность, зависит от градиента ско-
рости движения частиц. В работе дано математическое
описание этого процесса. Показано влияние изменения
порозности слоя вследствие градиентного движения со-
ставляющих его частиц в так называемых эллипсоидах
разрыхления на газопроницаемость столба шихты и рас-
пределение газовых потоков в нем.
Совместное рассмотрение закономерностей движения
частиц и зависимости структуры слоя от градиента ско-
рости позволяет прогнозировать картину распределения
порозности и газовых потоков в столбе шихты. Основы-
вающиеся на этом предложения при проверке их на
практике способствовали повышению технико-экономи-
ческих показателей доменной плавки.
3. Показано, что дискретное поступление кокса в зоны
циркуляции вносит глубокие возмущения в ход про-
цесса горения и обусловливает наряду с другими причи-
нами колебания параметров зон циркуляции, в частно-
сти, размеров последних, давления, температуры и соста-
ва газа в них и т. д. В то же время установлено влияние
теплового состояния зоны циркуляции на механические
процессы в ней. При этом дискретный характер поступ-
ления кокса выполняет функции своеобразной обратной
связи между механическими и физико-химическими, теп-
лообменными и т. п. процессами в зоне циркуляции. Ис-
следовано затухание колебаний давления газов в слое
сыпучих материалов и выявлены основные его законо-
мерности. Показано, что источник низкочастотной состав-
ляющей колебаний параметров дутья, обнаруживаемой
269
на фурмах доменной печи, находится в пределах зоны
циркуляции. Причем им являются изменения условий
распространения струи дутья и газового потока при об-
рушении очередной порции кокса.
Обнаружено, что контроль электронно-ионных явле-
ний, сопровождающих горение, позволяет значительно
увеличить объем и достоверность информации о процес-
сах перед фурмами. Разработаны способы и устройства
для осуществления контроля этих явлений и управления
процессами в зоне горения. Показана возможность ин-
тенсификации и управления горением, теплообменом и
восстановлением с помощью низкочастотных колебаний
параметров газового потока и установлено, что наиболее
эффективным является излучение в зону циркуляции
после усиления и преобразования естественно возникаю-
щих в ней в процессе поступления и горения кокса коле-
баний. Показана возможность и эффективность воздей-
ствия на поступление кокса в зоны циркуляции и на
движение столба материалов над ними путем пофурмен-
ного регулирования различных добавок к дутью, что
облегчает достижение равномерной работы доменной
печи по окружности.
Являясь одной из первых попыток исследования и
аналитического описания процесса движения столба ма-
териалов в доменной печи, настоящая работа, естествен-
но, не претендует на полноту охвата и всесторонность
рассмотрения связанных с движением материалов воп-
росов. В силу этого, а также и из-за отсутствия досто-
верных данных о физико-механических свойствах кусков
и слоя в целом, имеющих место в действующей домен-
ной печи, полученные аналитические зависимости, по
крайней мере в настоящее время, могут служить лишь
для качественного описания процесса. Но даже чисто
качественный анализ позволяет прогнозировать послед-
ствия изменения отдельных параметров на ход процесса
в целом, а следовательно, и намечать пути его рациона-
лизации.
Рассматривая же задачи дальнейших исследований,
прежде всего следует отметить желательность перехода
при аналитическом описании различных сторон движе-
ния сыпучих материалов от рассмотрения плоской си-
стемы сил к трехмерной модели, равно как и включение
в эту систему дополнительных сил прежде всего обус-
270
ловленных прохождением на поверхности или вблизи
куска сопряженных с механическими процессами.
Так, значительного уточнения представлений о струк-
туре столба шихты можно ожидать, в результате иссле-.
дования влияния в первую очередь на величину и харак-
тер трения, образования шлака и его течения между
кусками кокса, а также и взаимодействия шлака стазо-
вым потоком, углеродом кокса и железосодержащей ча-
стью шихты, приводящего, по-видимому, к уменьшению
внутреннего трения в слое шихтовых материалов и, со-
ответственно, к увеличению порозности. Здесь же сле-
дует отметить необходимость экспериментальных и ана-
литических исследований, имеющих целью выявление
физической природы трения сыпучих материалов как
внутреннего, так и внешнего, с последующим ее анали-
тическим описанием.
Представляется необходимым учет динамических
факторов. При рассмотрении образования и изменения
структуры столба шихты целесообразно рассмотреть за-
дачу о деформациях элементарной ячейки слоя, образо-
ванного неравновеликими частицами. Здесь можно ожи-
дать экстремального характера зависимости величины
приращения порозности при движении с заданным гради-
ентом скорости от соотношения размеров частиц, состав-
ляющих и деформирующих элементарную ячейку.. Зна-
чительный интерес представляет углубление исследова-
ний, посвященных взаимодействию движущегося слоя
с окружающей атмосферой и обещающих большое число
оригинальных решений в области управления бункер-
ным процессом, разработки эжектирующих устройств и
т. и. Несомненно перспективными являются исследова-
ния структуры газовых струй и их взаимодействия со
слоем сыпучего материала, которые должны иметь целью
дальнейшую детализацию представлений об образова-
нии и структуре зоны циркуляции.
Выявление закономерностей распространения волны
напряжений в слое сыпучего материала и взаимодейст-
вия с последним повторяющихся ударных воздействий
деформирующихся масс позволит уточнить коэффициен-
ты уравнений, описывающих условия образования и раз-
меры зоны циркуляции.
Следует отметить, что, несмотря на относительно
большое число исследований зоны циркуляции, пред-
271
ставления о ее образовании, влияющих на него услови-
ях и т. д., наиболее схематичны и оставляют широкое
поле деятельности как для экспериментальных исследо-
ваний, так и для математического описания. В частно-
сти, следует отметить, что в исследованиях авторов, при
описании образования зоны циркуляции куски кокса и
конгломераты частиц газа рассматривались как тела по-
стоянной массы, хотя в действительности последняя су-
щественно изменяется в функции времени (или пути).
Это неизбежно привело к известному обеднению физиче-
ской картины, когда целый ряд, очевидно, важных пара-
метров таких, например, как реакционная способность,
активность окислителя и т. п., оказывались вне поля
зрения.
В дальнейших исследованиях необходимо также учи-
тывать и то, что фронт горения неравномерно распреде-
лен по поверхности летящего в потоке дутья куска кокса,
что должно приводить к возникновению определенного
эффекта изменения мгновенной скорости. В рассмотре-
ние целесообразно ввести также известные эффекты
Магнуса, «прилипания» струи к криволинейной поверх-
ности и т. д.
В еще большей степени ждут своих исследователей
физические явления, сопровождающие процесс горения
вообще, твердого топлива в особенности и кускового топ-
лива в частности. Невозможно четко обозначить круг
вопросов, нуждающихся в первоочередном исследовании,
так как в особенности в технических приложениях это
подлинная terra incognita. Достаточно сказать, что от-
носительно лучше других изученное явление ионизации
более или менее корректно описано лишь при низких
давлениях. В условиях зоны циркуляции заряженные ча-
стицы возникают в силу многих причин, индентификация
которых позволила бы лучше представлять себе процесс
горения кокса, не говоря уже о возникающих при этом
новых возможностях контроля процесса горения и уп-
равления им. Природа зарегистрированных в наших ис-
следованиях значительных увеличений проводимости
газов в зоне циркуляции гипотетична. Тем больший ин-
терес представляет ее изучение и на базе его воздейст-
вие на ионизацию.
Представляется, что поскольку электронно-ионные
обменные явления лежат в основе акта горения, то осо-
272
бенно в тех случаях, когда процесс в целом лимитирует-
ся диффузией, управляемым воздействием на движение
заряженных частиц, можно достичь значительных ре-
зультатов. Большое количество вопросов, касающихся
как первоосновы его, так и практического использования
для целей контроля и управления, возникает при обра-
щении к явлению электрического шума. Как следует из
настоящей работы, уже первые попытки в этом направ-
лении позволили получить принципиально новые спосо-
бы контроля и управления процессами в зоне горения.
Тем больших результатов можно ожидать при дальней-
шем углублении исследований.
Значительный интерес представляют дальнейшие раз-
работки в направлении воздействия на процессы горе-
ния И поступления кокса излучением в зону циркуляции
колебаний с использованием принципа обратной связи.
В то же время представляется совершенно необходимым
исследование излучений самой зоны циркуляции в воз-
можно более широком диапазоне длин волн. Прежде
всего значительных успехов можно ожидать в настоящее
время при исследовании электромагнитных излучений.
Если в области механических колебаний в зоне циркуля-
ции трудно ожидать принципиально новых результатов,
то электромагнитные колебания достаточно удовлетво-
рительно изучены лишь в области видимой части спект-
ра. Справа и слева от нее лежат области, могущие обо-
гатить исследователя существенно новой информацией
как о ходе элементарного акта горения и промежуточных
его стадиях при изучении ультрафиолетового диапазона,
так и о суммарных процессах при приеме относительно
длинноволновых излучений в инфракрасной части спект-
ра, в спектре высоких частот и радиодиапазонах.
Успеха можно ожидать лишь при коренном усовер-
шенствовании существующих способов и разработке но-
вых методов и средств измерения, что в свою очередь
требует привлечения опыта, накопленного в смежных от-
раслях науки. Более того, как это ни парадоксально
звучит, но совершенно обоснованное в общем требование
к высокой надежности оборудования, устанавливаемого
на доменной печи, тормозит применение новых средств
контроля и управления процессом, а следовательно, и его
познания. Причина состоит в том, что понятие надежно-
сти зачастую подменяется отнюдь не эквивалентными
18—250 273
ему понятиями простоты и прочности. По-видимому,
пришло время для применения, особенно в исследова-
тельских целях, достаточно «тонких» методик, для вве-
дения по мере необходимости ограничения на непригод-
ные для этих методик условия эксплуатации, тем более,
что механические повреждения аппаратуры, воздействие
на нее запыленности и агрессивной среды, высоких тем-
ператур и т. п. не являются специфическими особенно-
стями доменного производства, будучи скорее фактора-
ми субъективного порядка.
Хотелось бы здесь подчеркнуть, что как бы ни были
совершенны средства переработки информации, они не
в состоянии возместить недостаток ее объема. Соответ-
ственно затраты, необходимые для поддержания рабо-
тоспособности датчиков, обеспечивающих приток новых
сведений, не менее оправданы, чем затраты на вычисли-
тельные машины, средства управления и т. д.
Возвращаясь к задачам дальнейших исследований,
необходимо прежде всего отметить настоятельную необ-
ходимость изучения взаимного влияния различных со-
ставляющих доменного процесса, которое должно раз-
виваться одновременно с изучением самих этих состав-
ляющих в чистом виде. Несомненно, в частности, влияние
движения материалов на развитие теплообменных про-
цессов в слое. Значительную помощь в изучении влияния
движения столба шихты на расположение температур-
ных полей может оказать применение радиоактивных
изотопов. В то же время имеет место и обратное влияние
теплообмена на механические процессы. По крайней ме-
ре качественно это влияние на процессы в зоне цирку-
ляции было показано в настоящей работе. Можно с до-
статочным основанием предполагать, что и непосред-
ственно в слое имеет место изменение тех или иных
параметров движения кусков под воздействием темпера-
турных полей. Правда, в данном случае влияние это
косвенное, проявляющееся через изменение вязкости га-
зов, трения кусков и т. д.
В неменьшей степени влияние движения материалов
сказывается и на развитии восстановительных процес-
сов, шлакообразования и т. п., при соответственном об-
ратном их воздействии на движение. При этом, как и в
случае теплообмена, роль движения столба шихты со-
стоит не только в том, что благодаря сопровождающему
274
его изменению порозности происходит изменение газо-
распределения, конфигурации температурных полей и
т. д., но и в значительной интенсификации процессов на
поверхности кусков. Последнее обязано более полному
омыванию этой поверхности газами при перескоке кус-
ков с одной динамически неустойчивой структуры на дру-
гую при движении к зонам циркуляции, влиянию коле-
баний параметров газового потока и т. д. Вопросы эти
безусловно заслуживают серьезного изучения. Особенно
это относится к колебаниям параметров газового потока,
где внимание исследователей целесообразно сосредото-
чить как на уточнении самого механизма интенсифика-
ции, так и выявлении влияния на ее величину физико-
механических характеристик, кусков (их пористости, раз-
мера и характера пор, теплопроводности материала
и т. д.).
При этом следует учитывать, что колебаниям подвер-
жены все параметры газов. В этой связи несомненный
интерес представляет дальнейшее изучение затухания
по высоте слоя колебаний давления, температуры,
состава газа и т. д., установление роли различных харак-
теристик формы, поверхности и материала кусков с
целью построения в конечном итоге общей теории затуха-
ния колебаний параметров газа в слое. Особое внима-
ние, по-видимому, целесообразно обратить на интенси-
фикацию различных процессов, протекающих в слое, с
помощью наложения на параметры газового потока ко-
лебаний, на установление оптимальных характеристик
этих колебаний и управление ими.
Отмеченные здесь задачи дальнейших исследований,
бесспорно, далеко не исчерпывают проблемы построения
теории движения столба материалов и горения кокса в
доменной печи. Тем более очевидна необходимость все-
мерного расширения фронта исследований, посвященных
этим вопросам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Соколов И. А. Технические исследования работы древесно-
угольных доменных печей. Екатеринбург, 1922.
2. Павлов М. А. Металлургия чугуна. Металлургиздат, 1951.
3. Б а р д и н И. П. Сталь, 1938, № 1, с. 9.
4. Готлиб А,. Д. Доменный процесс. Гостехиздат УССР, 1958.
18* 275
5. Некрасов 3. И., Оноприенко В. И. Теория и практика
металлургии, 1940, № 3, с. 3—6.
6. Ж е р е б и н Б. Н. Сталь, 1950, № 12, с. 1072.
7. Красавцев Н. И. Перспективы развития доменного произ-
водства. Металлургиздат, 1958.
8. Остроухов М. Я. Форсирование доменной плавки. Метал-
лургиздат, 1956.
9. Р а м м А, Н. Проблемы металлургии. Изд-во АН СССР, 1953.
10. Леонидов Н. К. Сталь, 1956, № 2, с. 115.
11. Леонидов Н. К. Сооружения и оборудование доменных це-
хов. Металлургиздат, 1956.
12. Грузинов В. К. Управление газовым потоком в доменной пе-
чи программной загрузкой. Свердловск, Металлургиздат, 1960.
13. Л ю б а н А. П. Анализ явлений доменного процесса. Металлург-
издат, 1955.
14. П о х в и с н е в А. Н. В сб„ «Проблемы черной металлургии».
Труды Московского института стали, вып. 23. Металлургиздат,
1946, с. 23—33.
15. Козлович И. 3. Процессы восстановления и окисления в до-
менных печах. Металлургиздат, 1951.
16. Китаев Б. И. и др. Теплообмен в доменной печи. Изд-во «Ме-
таллургия», 1966.
17. П о л о в ч е н к о И. Г. Труды Украинского республиканского
правления НТО. Черная металлургия, Днепропетровск, Укр. НТО
ЧМ, 1958, вып. 7, с. 92—99.
18, Ш у м а к о в Л. Г. Сталь, 1950, № 9, с. 781—789.
19. Ч е р н о в Н. Н. Движение газового потока в доменной печи. Ме-
таллургиздат, 1955.
20. R i d g i о n I. M. J. Iron and Steel Inst., 1958, v. 188, № 4, p. 317.
21. Колесанов Ф. Ф. Движение газов через слой кусковых ма-
териалов. Металлургиздат. 1956.
22. Табунщиков Н. П. ЖПХ, 1957, т. XXX, вып. 5, с. 781.
23. Малахов Г. М. Выпуск руды из обрушенных блоков. Метал-
лургиздат, 1952.
24. М а л а х о в Г. М. и др. Теория и практика выпуска руды.
Изд-во «Недра», 1968.
25. Б л о х В., Ч а й к а Г. Сталь, 1955, № 4, с. 19—36.
26. Тартаковский Д. Л. Труды НИГРИ. Металлургиздат, 1941,
№ 1, с. 51.
27. Минаев С. И. Горный журнал, 1940, № 10, с. 12—17.
28. Е11 i о t J. В. а. о. J. Metals, 1952, v. 4, № 7, р. 709.
29. Burns С. Iron and Coal Trades Rev., 1955, № 170 (4536), p. 603.
30. W a g s t a f f J. В., H о 1 m a n W. H. J. Metals, 1957, v. 9, № 3,
p. 370.
31. Б a p д и н И. П. и др. Изв. АН СССР, ОТН, 1955, № 1, с. 80—95.
32. LenningsW. Stahl und Eisen, 1928, № 32.
33. Lennings W. Arch. Eisenhuttenwesen, 1927—1928, Bd 1, Marz,
H. 9, S. 549.
34. E ф p e м о в Д. В. Сталь, 1950, № 12, c. 1076.
35. Диомидовский Д. А. Печи цветной металлургии. Метал-
лургиздат, 1956.
36. П о л о в ч е н к о И. Г. Сталь, 1951, № 7, с. 585.
37. Круглов Н. Н. Процессы горения перед фурмами доменных
печей, ОНТИ, 1936.
276
38. СаркисянцА. С. Сталь, 1938, № 1, с. 3—9.
39. Б а б а р ы к и н Н. Н. и др. Сталь, 1959, № 4, с. 289.
40. Сорокин В. А., Попов Н. Н. В сб. «Доменное производст-
во». Научные труды металлургического факультета. Донецкий
индустриальный институт, 1955, вып. 4, с. 130—148.
41. Кочин М. Ф. Сталь, 1956, № 7, с. 579.
42. Маханек Н. Г. Сталь, 1948, № 10, с. 874.
43. Г р у з и н о в В. К.. Сталь, 1952, № 10, с. 20.
44. Janssen Н. A. Zeitschrift d. Vereins Deutscher Ingenieure, 1895,
№ 35, S. 1045.
45. П о л ьтйр К. Черные металлы, 1967, № 16, с. 34.
46. Р 1 о i s s п е г Y. Zeitschrift d. Vereins Deutscher Ingenieure, 1906,
№ 31, S. 976.
47. Prate, Zeitschrift d. Vereins Deutscher Ingenieure, 1895, № 40,
S. 1530.
48. Engineerings News, 1904, v. LII, p. 32.
49. Зенков P. Л. Механика насыпных грузов. Изд-во «Машино-
строение», 1964.
50. I s а а с s о п I. D., Boyd I. S. Trans. Amer. Soc. Agricultural En-
gineers, 1965, v. 8, № 3, p. 358.
51. Фиалков Б. С., Грузинов В. К. Сталь, 1958, № 6, с. 495.
52. Ч е р н о х Н. Проблемы современной металлургии, 1956, № 2
(26), с. 105.
53. Кропотов В. К. Сталь, 1960, № 11, с. 972.
54. М а х а н е к Н. Г., О н о р и н О. П. Сталь, 1967, № 2, с.102.
55. Лапа А. М. Металлургия и коксохимия, Межведомственный
республиканский научно-технический сборник. Днепропетровск.
Изд-во «Промшь», 1966, вып. 1, с. 98.
56. Протодьяконов М. М. Давление горных пород и руднич-
ное крепление, ГОНТИ, 1931.
57. Roberts I. Engineerings News, 1882, v. XXVII, p. 27.
58. Z e n z F. A. Petroleum Refiner, 1957, v. 36, p. 162.
59. Ким В. С. Мукомольно-элеваторная промышленность, 1955, № 1,
с. 15.
60. Фиалков Б. С., Грузинов В. К- Изв. вузов. Черная метал-
лургия, 1960, № 2, с. 17.
61. Тлеугабулов С. М. и др. Сталь, 1965, № 11, с. 969.
62. Платонов П. Н., Ковтун А. П. Изв. вузов. Пищевая тех-
нология, 1960, № 6, с. 6.
63. Д у б ы н и н Н. Г. Выпуск руды при подземной разработке. Изд-
во «Недра», 1965.
64. Анатольев А. В., Платонов П. Н. Труды Одесского тех-
нологического института. Одесский технологический ин-т, 1958,
т. IX, с. 89.
65. П л а т о н о в П. Н., Ковтун А. П. Пищевая технология, 1961,
№ 1, с. 18.
66. Фиалков Б. С. В сб. «Форсирование доменной плавки». Ме-
таллургиздат, 1963, с. 123—134; 319—24.
67. Панкратова Г. Е. В сб. «Исследования, относящиеся к рас-
четам силосов железобетонных зерновых элеваторов». Саратов.
Саратовский политехнический ин-т, 1966, № 1, с. 232.
68. Квапил Р. Движение сыпучих материалов в бункерах. Госгор-
техиздат, 1961.
69. Gardner G. С. Chem. Eng. Sci, 1966, v. 21, № 3, p. 261.
277
70. Покровский Г. И., Арефьев А. И. ЖТФ, 1937, т. 7, вып. 4,
с. 231.
71. Линчевский И. П. ЖТФ, 1939, т. 9, вып. 4, с. 343.
72. К ен ем а н Ф. Е. Изв. АН СССР, ОТН. Механика и машино-
строение, 1960, № 2, с. 70.
73. К е н е м а н Ф. Е. и др. Инженерно-физический журнал, 1960,
т. III, № 3, с. 69.
74. Залогин Н. Г. и др. Инженерно-физический журнал, 1960,
т. III, №4, с. 18.
75. Фиалков Б. С., Грузинов В. К. Изв. вузов. Горный жур-
нал, 1961, № 2, с. 9—20.
76. Harmens A. Chem. Eng. Sci, 1963, v. 18, № 5, p. 297.
77. Циборовский Я., Бондзыньски М. Инженерно-физиче-
ский журнал, 1963, т. IV, № 7, с. 27.
78. F г a n k 1 i п С., J о h a n s о n L. N. Chem. Eng. Sci, 1955, № 4,
р. 119.
79. L a f о г g е R. М., В о г u f В. К- Industr. and Engn. Chem., 1964,
v. 56, № 2, p. 42.
80. Pi Ip al N. Brit. Chem. Engn., 1966, v. 11. № 7, p. 620, 699—702.
81. Igarasi H., Aoki R. Kogaku Kogaku. Chem. Engn. Japan, 1964,
v. 28, № 8, p. 698.
82. Detchum M. S. Walls Bins and Grain Elevators, 1911, № 4,
p. 27.
83. Hinchley. Encyklopaedia Britannica, 1926.
84. Takahashi K. Bull. Inst. Phys. Chem. Research, 1933, № 12,
p. 330.
85. Takahashi K. Sci. Pap. Inst. Phys. Chem. Research, 1934, №26,
p. 650.
86. К e 11 e у A. E. Petrol Eng, 1945, v. 16, p. 136.
87. Newton R. M. a. o. Trans. Amer. Ipst. Chem. Enginers, 1945,
v. 41, p. 219.
88. R a и s c h I. M. Philosophical Doctors thesis. Princeton Univer-
sity, 1948.
89. S h i r a i T. Chem. Eng. Tokyo, 1952, v. 16, p. 86—91.
90 G r e g о г у S. A. J. Appl. Chem., 1952, № 2, p. 1—6.
91. Kuwai G. Chem. Eng., 1953, v. 17, p. 453.
92. Tanaka T. Chem. Eng., 1956, v. 20, p. 144.
93. Brown R. L., Richards J. C. Fluid Handling, 1958, № 105,
p. 289.
94. П л а т о н о в П., Банит Е. Мукомольно-элеваторная промыш-
ленность, 1958, № 8, с. 28.
95. F о w 1 е г R. Т., Glastonbury J. R. Chem. Eng. Sci., 1959,
№ 10, p. 150.
96. Борисевич В. А. Инженерно-физический журнал, 1960, т. IV,
№11, с. 911.
97. В г о w п В. L., R i с h а г d s J. С. Rheologia acta, 1965, v. 4, № 3,
р. 153.
98. Лукьянов П. И. и др. Химия и технология топлива и масел,
1960, № 10, с. 12.
99. В о ver loo W. А. а. о. Chem. Eng. Sci, 1961, № 15, р. 260.
100. Me Dougali I. R., Ev'anse A. C. Trans. Instn. Chem. En-
ginrs, 1966, v. 44, № 1, p. 15.
101. Борисов Ю. И., X о д а к Л. 3. В сб. «Процессы восстановле-
ния и плавления железа». Изд-во «Металлургия», 1965, с. 145.
278
102. lohanson I. R. Trans. Soc. Mining Engng. AIME, 1965, v.232,
№ 1, p. 69.
103. Zablotny W., Akerman K- Przemysl Chemicz, 1966, v. 45,
№ 3, p. 152.
104. Pi 1 pel N. Brit. Chem. Engng, 1966, v. 11, p. 699.
105. Березин Ю. Л., Брижак О. В. Обогащение руд, 1967,
№ 2(68), с. 33.
106. Цубанов А. Г., Антонишин Н. В. Инженерно-физический
журнал, 1968, т. XV, № 5, с. 870.
107. Pemberton С. S. J. Meeh, and Phys. Solids, 1965, v. 13, № 6,
p. 351.
108. Walker D. M. Chem. Eng. Sci., 1966, v. 21, № 11, p. 975.
109. Физика и технология разработки рудных месторождений в За-
полярье. Изд-во «Наука», 1967.
110. Банит Е. А., Платонов П. Н. Изв. вузов. Пищевая тех-
нология, 1958, № 1, с. 89.
111. Банит Е. А., Платонов П. Н. Изв. вузов. Пищевая техно-
логия, 1958, № 5, с. 28.
112. Платонов П. Н., Лебединский В. Г. Пищевое маши-
ностроение, 1958, № 10, с. 101.
113. Мутов ин Я. Г., Дзюба У. П. Труды Грозненского нефтя-
ного научно-исследовательского института, Тбилиси. Книжное
издательство, 1966, вып. 20, с. 941.
114. R е s n i с k W. а. о. Industr. and Engng. Chem. Fundament, 1966,
v. 5, № 3, 392.
115. Нехлебаев Ю. П. и др. Химия и технология топлива и ма-
сел, 1968, № 11, с. 38.
116. Athey I. D. а. о. Chem. Eng. Sci., 1966, v. 21, № 2, p. 835.
117. Perry M. G., Handley M. F. Trans. Instn. Chem. Engineers,
1967, v. 5, № 9, p. 367.
118. Красавцев H. И., Л ю б а н А. П. Советская металлургия,
1937, № 5, с. 22.
119. Цы л ев Л. М. Советская металлургия, 1937, № 5, с. 47.
120. Р е д ь к о А. Н. Сталь, 1946, № 3, с. 145.
121. Похвиснев А. Н. и др. Теория и практика металлургии, 1938,
№ 5, с. 3.
122. Стефанович М. А. Сталь, 1949, № 6, с. 495.
123. Stepleton G. М. Blast Furnace and Steel Plant, 1957, v. 45,
№ 9, p. 1007.
124. Половченко И. Г. Движение шихтовых материалов и га-
зов в доменной печи. Днепропетровск, Металлургиздат, 1957.
125. V е d a t A. Canad. Minning J„ 1960, v. 81, № 11, p. 77, № 12, p. 71.
126. J e n k e A. W. Trans. Soc. Mining Engng. AIME 1966, v. 235,
№ 3, p. 267.
127. Dubach I. Bergbauwissenschaften, 1966, v. 13, № 8, S. 330.
128. Williams I. C. Chem. and Process Eng, 1965, v. 46, № 4,
p. 173.
129. Фиалков Б. С. Изв. вузов. Горный журнал, 1961, № 4, с. 29.
130. Фиалков Б. С., Грузинов В. К. Авторское свидетельст-
во, 138071, кл. 42—е, 27. Бюллетень изобретений, 1961, № 9.
131. Фиалков Б. С., Колбин Г. В. Авторское свидетельство
№ 146986, кл. 423, 37. Бюллетень изобретений, 1962, № 9.
279
132. Рудный Н. М., Кириченко Ю. Е. Авторское свидетельст-
во № 190034, кл. 42-е, 23/05. Изобретения, промышленные об-
разцы, товарные знаки, 1967, № 1.
133. Рудный Н. М. и др. Авторское свидетельство № 209784, кл.
42-е, 37. Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки,
1968, № 5.
134. Манчинский В. Г., Зайцев А. Ф. Сталь, 1960, № 9, с. 774.
135. Ф и а л к о в Б. С. и др. Сталь, 1963, № 7, с. 586.
136. Фиалков Б. С., Плицын В. Т. В сб. «Газодинамика и ме-
ханика движения шихты в доменных печах». Свердловск. Книж-
ное изд-во, 1969, с. 13.
137. Фиалков Б. С., Грузинов В. К. Изв. вузов. Черная ме-
таллургия, 1961, № 10, с. 19.
138. Hansen М. Arch. Eisenhiittenwesen, 1963, Bd 34, № 3, S. 151.
139. Ф и а л к о в Б. C„ Колбин Г. В. Авторское свидетельство
№ 138629, кл. 18-а, 3. Бюллетень изобретений, 1961, № 11.
140. Автоматизация агломерационного и доменного производства,
Киев. Изд-во «Техника», 1969.
141. Рамм А. Н. Определение технических показателей доменной
плавки, ЛПИ, 1960.
142. Ebert R., Liidemann К. J. Iron and Steel Inst., 1960, v. 196,
№ 1, p. 46.
143. W a g s t a f f J. B„ Holman W. H. J. Metals, 1957, v. 9, № 3,
p. 370.
144. Gardner G. C. J. Metals, 1954, v. 6, № 11, p. 1307.
145. Ходак JI. 3. Труды Института металлургии АН СССР. Изд-
во АН СССР, 1962, № 11, с. 16.
146. Zolkowski W. u. a. Wiadom. hutn., 1967, v. 23, № 9, р. 265.
147. ЖеребинБ. Н. и др. Сталь, 1956, № 5, с. 391.
148. Васильченко Н. И. и др. Сталь, 1958, № 10, с. 869.
149. Некрасов 3. И. и др. Труды Института черной металлургии
АН УССР. Изд-во АН УССР, 1957, № 1, с. 51.
150. Коновалов К- Д., Грузинов В. К. Труды УПИ. Метал-
лургиздат, 1960, вып. 105, с. 18.
151. X о д а к Л. 3. Труды Института металлургии АН СССР. Изд-во
АН СССР, 1958, вып. 3, с. 69.
152. S a v а г t F. Ann. Chim. Phis., 1833, v. 53, p. 337.
153. Lord Reyleigh D. W. Proc. Royal. Soc. London, 1879, v. 29,
p. 71.
154. Weber C. Z. Angew. Mathematrk Mechanik, 1931, № 11, p. 136.
155. Tyler E. The Philosophical Magazine, ser. 7.16, 1933, № 105,
p. 712.
156. Левич В. Г. Физико-химическая гидродинамика. Физматгиз,
1959.
157. Shandra-sekhar S. Hydrodinamic and hydromagnetic sta-
bility Oxford University Press, 1961.
158. Вивденко M. И., Шабалин К. H. Инженерно-физический
журнал, 1965, № 4, с. 231.
159. Bernal I. D. Proc. Royal Soc., 1964, A280, № 1382, p. 299.
160. Bernal I. D., King S. V. Rev. roumain. phys., 1966, v. 11,
№ 9—10, p. 783.
161. Рост кристаллов. Сборник статей. Изд-во «Наука», 1965, с. 5.
162. Orentlicher М., Vo gel hut Р. J. Chem. Phys., 1966, v. 45,
№ 12, p. 4719.
280
163. Шихлинская Р. Э. Акустический журнал, 1967, т. 13, № 2,
с. 276.
164. Е р е с ь к о Г.' А. Изв. вузов. Пищевая технология, 1964, № 4,
с. 159.
165. Сигаев Е. А. Изв. вузов. Горный журнал, 1964, № 2, с. 39.
166. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической
технологии. Химиздат, 1941.
167. С h u n g М., D a h 1 е г I. J. Chem. Phis., 1964, v. 40, № 10, р. 2868.
168. Цы л ев Л. М. и др. Процесс горения кокса в доменной печи.
Металлургиздат, 1960.
169. Козин В. Е„ Баскаков А. П. Химия и технология топлива
и масел, 1967, № 3, с. 4.
170. Долматов В. А. и др. Сталь, 1964, № 3, с. 208.
171. Копырин И. А., Остроухое М. Я. Изв. вузов. Черная
металлургия, 1966, № 8, с. 21.
172. Ф и а л к о в Б. С., П л и ц ы и В. Т. Авторское свидетельство
№ 175062, кл. 18-а, 500. Бюллетень изобретений и товарных зна-
ков, 1965, № 19.
173. П л и ц ы н В. Т. и др. Изв. вузов. Черная металлургия, 1966,
№ 10, с. 22.
174. Фиалков Б. С., Плицын.В. Т. Изв. вузов. Черная метал-,
лургия, 1968, № 6, с. 43.
175. П л и ц ы н В. Т. и др. В сб. «Автоматизация агломерационного
и доменного производства», Киев. Изд-во «Техника», 1969,
с. 187.
176. Воскобойников В. Г. и др. Сталь, 1964, № 11, с. 975.
177. Китаев Б. И. и др. Теплообмен в доменной печи. Изд-во
«Металлургия», 1966.
178. Суханов Е. Л. и .др. Труды УПИ им. С. М. Кирова. Изд-во
«Металлургия», 1964, вып. 137, с. 145.
179. Кукаркин А. С., Китаев Б. С. Изв. вузов. Черная метал-
лургия, 1963, № 2, с. 31.
180. Смоляк В. А. и др. Сталь, 1961, № 9, с. 777.
181. Р э л е й Д. В. Теория звука, т. 2. Гостехиздат, 1955.
182. П л и ц ы н В. Т. и др. Бюлл. ин-та «Черметинформация», 1968,
№ 2 (574), с. 31.
183. Гольдштейн Н. Л. Краткий курс теории металлургических
процессов. Металлургиздат, 1961.
184. Михайлов В. В. Neue Hiitte, 1956, № 7, S. 12.
185. Жеребин Б. Н. и др. Сталь, 1956, № 5, с. 396.
186. Зарембо А. К., Красильников В. А. Введение в линей-
ную акустику. Изд-во «Наука», 1966.
187. Баженов Д. В. и др. В сб. «Физика аэродинамических шу-
мов». Изд-во «Наука», 1967, с. 34.
188. Мучник А. Г. Труды VI всесоюзной акустической конферен-
ции, Москва, 1968. ВИНИТИ, к. ж-П-2, 1968, с. 4.
189. Высоцки X., Пьюкофф У. Черные металлы, 1966, № 13,
с. 3.
190. Лукьянов Г. А., Петухов Г. В. В сб. «XXI герценовские
чтения». Межвузовская конференция, 1968. Физика и полупро-
водниковая электроника. Изд-во «Наука», 1968, с. 46.
191 Зуев В. Н. и др. Бюлл. ЦИИН ЧМ, 1964, № 1 (477), с. 15.
192. Перельштейн М. Е. Авторское свидетельство № 148254.
Бюллетень изобретений, 1962, № 12.
281
193. Базилевич С. В. и др. Методы экспериментального исследо-
вания доменного процесса. Свердловск, Металлургиздат, 1960.
194. Китаев Б. И. Труды Всесоюзного совещания доменщиков и
агломератчиков. ЦИИН ЧМ, 1961, с. 440.
195. Кукаркин А. С. и'др. Изв. вузов. Черная металлургия, 1961,
№ 12, с. 7.
196. Филиппова Р. Д. В сб. «Промышленная аэродинамика».
Оборонгиз, 1959, № 14, с. 33.
197. М е у е г Е., а. о. Acoustical Society of America, 1958, v. 30, № 3,
p. 165.
198. Mull H. R. Trans. Amer. Soc. Heat Refrig, and Air—Condit.
Engrs, 1964, v. 69, p. 176.
199. Лапин А. Д. Акустический журнал, 1966, т. 12, № 4, с. 463.
200. Shimotsuma Т., Sano К. J. Iron and Steel Inst. Japan,
1967, v. 53, № 3, p. 75.
201. Синий Л. Л. В сб. «Применение ультра акустики к исследова-
нию вещества». Московский областной пед. ин-т, 1965, вып. 21,
с. 128.
202. Smith F. A., Tempest W. Acoustical Society of America,
1961, v. 33, № 11, p. 1626.
203. Кукаркин А. С. и др. Изв. вузов. Черная металлургия, 1965,
№6, с. 33.
204. Красавцев Н. И. Изв. АН СССР. ОТН, 1941, № 6, с. 39.
205. Сыромятников Н. И., Волков В. Ф. Процессы в кипя-
щем слое. Металлургиздат, 1959.
206. Микрюков Б. Г., Шумилов К. А. В сб. «Автоматизация
агломерационного и доменного производства». Киев, Изд-во
«Техника», 1969, с. 107.
207. Фиалков Б. С., П л и ц ы н В. Т. Изв. АН СССР. Металлы,
1968, № 6, с. 3.
208. Ш а р к е в и ч Л. Д. и др. В сб. «Металлургия чугуна». Изд-во
«Металлургия», 1966, вып. 3, с. 166.
209. Nagai Т., UmegakiK- Coke sider. Congr. Internal. Char-
leroi. (Rept), 1966, № 3.
210. Langen I. M., van Poos A. Coke sider. Congr. Internal
Charleroi Rept, 1966, № 6.
211. Бугаев К- M., Уткин Г. Л. Труды ДонНИИЧермета. Изд-
во «Металлургия», 1966, вып. 3, с. 146.
212. Бондарюк М. Н., Ильяшенко С. Н. Прямоточные воз-
душно-реактивные двигатели. Оборонгиз, 1958.'
213. Раушенбах Б. В. Вибрационное горение. Физматгиз, 1961.
214. Кацнельсон Б. Д. и др. Теплоэнергетика, 1962, № 1, с. 3.
215. Соловьев В. В. Инженерно-физический журнал, 1959, т. 2,
№ 1, с. 25.
216. Труды I Всесоюзной научно-технической конференции по проб-
леме вибрационного и пульсирующего горения. ГИАП, 1962.
217. Попов В. М. и др. В сб. «Новые методы сжигания топлива
и вопросы теории горения». Изд-во «Наука», 1962, т. 19, с. 206.
218. Калугин Я. П., Арсеев А. В. Сталь, 1969, № 1, с. 9.
219. Rheinlunder Р. Arch. Eisenhflttenwesen, 1930, № 8, S. 487.
220. Северянин В. С. Теплоэнергетика, 1969, № 1, с. 6.
221. Вайнштейн И. А. Научные труды ин-та «Гипросталь». Изд-
во «Металлургия», 1964, вып. 6, с. 106.
282
222. Ше л у х и н Г. Г. и др. Физика горения и взрыва, 1969 т 5
№ 1, с. 42.
223. Банных А. М., Стефанович М. А. Сталь, 1951 № 9
с. 783. ’ ‘ ’
224. К о п ы р и н И. А. и др. Сталь, 1965, № 11, с. 977.
225. Чернов Н. Н., К ар д а сев и ч И. Н. Сталь, 1953, № 12
с. 1076.
226. Ebert R., Schumann Н. Neue Hiitte, 1962, Bd 7, № 10
S. 600.
227. Г а й в a p о н с к и й Я. С„ Рудная А. И. Металлургическая
и горнорудная промышленность, 1965, № 6, с. 18.
228. РуднаяА. И., ГайваронскийЯ. С. В сб. «Приборы про-
мышленного контроля и средства автоматики», Киев. Изд-во
«Техника», 1963, с. 60.
229. Свет Д. Я. Теплофизика высоких температур 1965 т 3 с 3,
с. 452.
230. К а д ы ш е в и ч А. Е. Измерение температуры пламени. Метал-
лургиздат, 1961.
231. Удалов Н. П. Полупроводниковые датчики. Изд-во «Энергия»,"
1965.
232. Львов М. А. Приборы теплотехнического контроля. Машгиз,
1959.
233. Ярошевский С. Л. и др. В сб. «Металлургия чугуна». Тру-
ды ДонНИИЧермета. Изд-во «Металлургия», 1966, вып. 3, с. 155.
234. Б а л о н И. Д., А л е к с е е в Б. И. Бюлл. ЦИИН ЧМ, 1959, № 16.
с. 36.
235. Wakabayashi К. J. Iron and Steel Inst. Japan, 1965, v. 51,
№ 4, p. 616.
236. Чебышев П. В. Вестник электропромышленности, 1952, № 1,
с. 1—70.
237. Ermann G. Ann. Phys. Leipzig, 1802, № 11, p. 143.
238: Knewstubb P. F., Sugden T. M. 7-th Internal. Symposium
on Combustion, 1959.
239. Deckers 1. van Tiggelen, 7-th Internat. Symposium Combusti-
on Butterwoths, London, 1958.
240. F о n t i j n A. a. o. Preprint. 10-th Internat. Symposium Combu-
stion. London, 1964.
241. Гей дон А. Г., Вольфгард X. Г. Пламя, его структура, из-
лучение и температура. Металлургиздат, 1959.
242. Э н г е л ь А. Ионизованные газы. Физматгиз, 1959.
243. Saha М. N. Phillosophical Magasine and Journal of Science,
1920, v. 40, № 238, p. 472.
244. Иноземцев H. H. В сб. «Конструкционные углеграфитные
материалы». Металлургиздат, 1964, № 1, с. 331. /
245. Г л и н к о в М. А., Степанов Е. М. Изв. вузов. Черная ме-
таллургия, 1961, № 9, с. 143.
246. Блинков М. А., Дьячков Б. Г. Изв. вузов. Черная метал-
лургия, 1962, № 11, с. 181.
247. Власов К- П., Иноземцев Н. Н. В сб. «Третье Всесоюз-
ное совещание по теории горения». Изд-во АН СССР, 1960, т. 1,
с. 60.
248. С а 1 с о t е Н. F. Combustion and Flame, 1957, № 4, р. 385.
249. Степанов Е. М„ Дьячков Б. Г. Ионизация в пламени и
электрическое поле. Изд-во «Металлургия», 1968.
283
250. С a I с о t е Н. F., King I. R. 5-th Internal. Symposium on Com-
bustion. 1955, № 4, p. 423.
251. Иноземцев H. H. В сб. «Стабилизация пламени и развитие
процесса сгорания в турбулентном потоке». Оборонгиз, 1961,
с. 143.
252. Семенов Е. С., Соколик А. С. ЖТФ, 1962, т. 32, вып. 9,
с. 1074.
253. Головина Г. С. и др. Химия твердого топлива, 1967, № 1,
с. 119.
254. Н а b е г F. Z. Phys. Chem., 1910, Bd 68, № 6, S. 726.
255. Канторович Б. В. и др. Сб. «Новые методы сжигания топ-
лива и вопросы теории горения». Изд-во «Наука», 1965, с. 112.
256. Зимин Э. П., Попов В. A. Electricity from MHD, 1968. v. 4,
p. 2221.
257. S c h a c k A. Tech. Phys., 1925, № 10, S. 530.
258. Милликен P. К. Сб. «Измерения температуры в объектах
новой техники. Изд-во «Мир», 1965, с. 152.
259. Глинков М. А., Либерман Л. Ф. Изв. вузов. Черная ме-
таллургия, 1965, № 11, с. 176.
260. В л а с о в К- П„ ЖТФ, 1957, т. 27, № 2, с. 337.
261. СоколикА. С. Сб. «Горение в турбулентном потоке». Изд-во
АН СССР 1959 с. 74.
262. Fritsch В. Н. О1 und Gasfeurung, 1964, t. 9, № 5, р. 508.
263. Gray W. A., S m i t h I. L. J. Inst. Fuel, 1967, v. 40, № 316,
p. 186.
264. Marsden R. S. 4-th Internal. Symposium on Combustion (com-
bustion and detonation waves), Baltimore, 1953, p. 683.
265. Marsden R. S. Flame Turbulence Analyzer U. S. Patent Office,
№ 2820945m, 1958, Jan., el—324—333.
266. Gaignebet M. E. Comptes rendus hebdomadaires des sean-
ces de 1’Academic des Sciences, 1963, v. 256, № 1, p. 98.
267. Klein S. Proc. 5-th Internat. Conference lonuz Phenomena Ga-
ses, Munich, 1961. Amsterdam, 1962, v. 1, p. 345.
268. KleinS. Rapp. CEA, 1968, № 3437, p. 1—87.
269. KleinS., S a h n i L. Comptes rendus hebdomadaires des sean-
ces de 1’Academic des Sciences, 1968, v. 267, № 12, p. 584.
270. Мухин С. И. В сб. «Автоматизация отопительных котельных».
Изд-во «Недра», 1965, вып. 4, с. 212.
271. Плицын В. Т. и др. Физика горения и взрыва, 1968 № 1,
с. 84.
272. Плицын В. Т., Ф и а л к о в Б. С. Теплофизика высоких тем-
ператур, 1968, № 2, с. 315.
273. Боронин А. П., Игнатьева Т. Г. В сб. «Физическая газо-
динамика и свойства газов при высоких температурах». Изд-во
«Наука», 1964, с. 34.
274. Техническая инструкция осциллографа CI-19A, Москва, 1966.
275. Г е й д о н А. Спектроскопия пламен. ИЛ, 1959.
276. Шел у хин Г. Г. и др. Физика горения и взрыва, 1969, т. 5,
№ 1, с. 42.
277. Е с и н О. А., Г е л ь д П. В. Физическая химия пирометаллур-
гических процессов, ч. I. Металлургиздат, 1950.
278. Кнорре Г. Ф. и др. Теория топочных процессов. Изд-во «Энер-
гия», 1966.
279. Porter I. W. Combustion and Flame, 1967, v. 11, № 6, p; 501,
284
280. Бабкин Ю. А. Теплоэнергетика. 1965, № 9, с. 33.
281 YamarakiKiroku a. u. Proc. 5-th Internal, symposium Spa-
ce Technol. and Sci. Tokyo, 1963. Tokyo, AGNE, Corp., 1964,
p. 281.
282. Bender R. I. Power, 1966, v. 110, № 7, p. 71.
283. Бабкин Ю. А., Жирков В. С. Устройство для сжигания
топлива в пульсирующем потоке. Авторское свидетельство
- № 194218. Изобретения, промышленные образцы, товарные зна-
ки, 1967, № 8.
284. Shmidt F., Heitland Н. Forsch. Ingenierrwes, 1965, v. 31,
№ 5, p. 156.
285. К и н н и С. П. Домез, 1930, № 12, с. 18.
286. Ефремов Д. В. Научно-технический бюллетень Ленинград-
ского индустриального института, ЛИН, 1939, № 2—3, с. 56.
287. Ефремов Д. В. Советская металлургия, 1937, № 7; с. 27.
288. Л ю б а н А. П. Исследование доменного процесса. Металлург-
издат, 1948.
289. Позин М. Б., Гольдштейн Н. Л. Советская металлургия,
1935, № 9, с. 49.
290. Р е д ь к о А. Н. Сталь, 1948, № 2, с. 17.
291. Нагорный С. В. и др. Сталь, 1952, № 3, с. 211.
292. Покрышкин В. Л. Бюлл. ЦИИН ЧМ, 1959, № 21 (377), с. 15.
293. Галабонов А. Л. Труды НТО ЧМ. Металлургиздат, 1956,
вып. VIII, с. 277.
294. Старшинов Б. Н. и др. Бюлл. ЦИИН ЧМ, 1962, № 14 (442),
C.-2I.
295. Трекало С. К. Труды НТО ЧМ, 1956, вып. VIII, с. 504.
296. Половченко И. Г., УзлюкВ. И. Сталь, 1964, № 5, с. 318.
297. Лукашев Г. Г. и др. Сталь, 1959, № 8, с. 891.
298. Вальтер О. И. В .сб. «Радиационная автоматика, изотопы и
ядерные излучения в науке и технике». Киев, Изд-во «Техника»,
1964, с. 140.
299. Минаев С. И. Горный журнал, 1940, № 10, с. 12.
300. Алферов К- В., Зенков Р. Л. Бункерные установки. Маш-
гиз, 1955.
301. ДженикеЭ. В. Складирование и выпуск сыпучих материалов.
Изд-во «Мир», 1968.
302. ИкониковА. Н. и др. Изв. вузов. Горный журнал, 1966, № 2,
с. 12.
303. Л у к ь я н о в П. И. и др. Инженерно-физический журнал, 1967,
т. 13, № 4, с. 554.
304. Стефанович М. А. Анализ хода доменного процесса. Ме-
таллургиздат, 1960.
305. Половченко И. Г. Сталь, 1950, № 11, с. 973.
306. 3 у р к о в П. Э., Кабаков А. М. Труды научно-исследова-
тельского и проектно-конструкторского института по добыче по-
лезных ископаемых открытым способом». Изд-во «Недра», 1966,
вып. 5, с. 230.
307. Зелинский Г. С., Платонов П. Н. Труды Одесского тех-
нологического института. Одесский технологический ин-т 1958,
т. XX, с. 79.
308. Бондаренко А. Д. и др. Горный журнал, 1967, № 9, с. 56.
309. Лукьянов П. И. и др. Химия и технология топлива и ма-
сел, 1967, № 9, с. 43.
285
310. Чу кин В. В., Кузнецов Р. Ф. Инженерно-физический жур-
нал, 1966, т. X, № 5, с. 638.
311. Фиалков Б. С., Грузинов В. К. Изв. вузов. Черная ме-
таллургия, 1961, № 12, с. 18.
312. Половченко И. Г. В сб. «Настыли в доменных печах». Ме-
таллургиздат, 1953, с. 62.
313. Готлиб А. Д. и др. Труды Днепропетровского металлургиче-
ского института, Киев, Книжное изд-во, 1955, вып. 33, с. 3—30.
314. Полянский Г. А. и др. Металлург, 1967, № 1, с. 7.
315. Черепивский А. А., Скребцов А. М. Сталь, 1959, № 8,
с. 676.
316. Маханек Н. Г., Кукаркин А. С. Изв. вузов. Черная ме-
таллургия, 1962, № 5, с. 27.
317. Ван-Дэ-жун, Цы лев Л. М. Изв. АН СССР. ОТН, Ме-
таллургия и топливо, 1960, № 2, с. 11.
318. Б а б а р ы к и н Н. Н. Сталь, 1959, № 2, с. 101.
319. ГаврилюкЛ. Я. Изв. вузов. Черная металлургия, 1966, №6,
-с. 46.
320. Чечуро А. Н., Колесник И. Л. Металлург, 1960, № 8, с. 12.
321. Ч е р н о в И. Н. Металлург, 1961, № 2, с. 12.
322. Левченко В. Е. Металлургия и коксохимия, 1966, № 1, с. 136.
323. Манчинский В. Г., Трошенко Б. В. Труды ЛПИ. Изд-
во «Металлургия», 1964, № 225, с. 149.
324. Чернятин А. Н. Труды УПИ. Металлургиздат, 1958 № 73,
с. 115.
325. R i d g i о n I. M. J. Iron and Steel Inst., 1958, v. IV, № 188,
p. 317.
326. I m а о Y. J. Iron and Steel Inst. Japan, 1958, v. 44, № 9, p. 947.
327. ЖеребинБ. H. и др. Сталь, 1964, № 4, с. 292.
328. Газодинамика и механика движения шихты в доменных печах.
Свердловск, ВНИИМТ, 1969.
329. Б е р и н А. Л. Бюлл. ЦНИИИТЭИЧермет, 1967, № 11 (559), с. 6.
330. Борисов Ю. И., X о д а к Л. 3. В сб. «Процессы восстановле-
ния и плавления железа. Изд-во «Наука», 1965, с- 136.
331. Распопов И. В., Куликов Я. П. Сталь, 1952, № 10, с. 888.
332. Логинов В. И. и др. Сталь, 1966, № 11, с. 978.
333. Бронштейн И. П„ Семендяев К. Н. Справочник по ма-
тематике, 1957.
334. БабарыкинН. Н. и др. Сталь, 1959, № 4, с. 289.
335. Коч ин М. Ф. Труды ИТО ЧМ, 1956, вып. VIII, с. 427.
336. Ми шар Ж. Тепловые балансы и теплообмен в доменной печи.
Изд-во «Металлургия», 1969.
337. Остроухов М. Я., Бондаренко А. И. Сталь, 1969, № 1,
с. 7.
338. Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов
в пористой среде. Госгортехиздат, 1947.
339. Коган С. М. Исследование процессов горения натурального
топлива. Госэнергоиздат, 1948.
340. Федоров И. М. Теория и расчет процесса сушки. Госэнерго-
издат, 1948.
341. Лев Е. С. В сб. «Вопросы аэродинамики и теплопередачи в
котельно-топочных процессах». Госэнергоиздат, 1958, с. 298.
342. Платонов Г. М. Изв. вузов. Черная металлургия, 1968, № 2,
с. 32.
286
343. E r gun S. Iron and Steel Eng, 1958, v. 35, p. 164.
344. Ефименко Г. Г. Сталь, 1951, № 5, с. 406.
345. Красавцев Н. И. Металлургия чугуна. Металлургиздат,
1952.
346. Орешкин Г. Г. Вопросы рационализации работы доменных
печей. Металлургиздат, 1960.
347. Галемин И. М. Труды "Днепродзержинского металлургическо-
го института, Киев. Книжное издательство, 1955, т. I, с. 24.
348. Мест ер И. М. Электропривод и автоматика рудничных вен-
тиляционных установок главного проветривания. Изд-во «Нед-
ра», 1964.
349. Пластинин Б. Г. и др. Авторское свидетельство № 162357.
Бюлл. изобретений и товарных знаков, 1964, № 9.
350. К о п ы р и н И. А. и др. Изв. АН СССР. ОТН. Металлургия и
топливо, 1962, № 5, с. 18.
351. Грузинов В. К., Фиалков Б. С. В сб. «Доменный про-
цесс по новейшим исследованиям». Металлургиздат, 1963,
с. 103.
352. Воробьев С. А., Миронов Э. Г. Изв. вузов. Черная ме-
таллургия, 1964, № 6, с. 36; 1964, № 12, с. 150; 1965, № 2, с. 162.
353. Миронов Э. Г. Сб. «Автоматизация доменного процесса».
Изд-во «Металлургия», 1966, с. 114.
354. Миронов Э. Г., Шалагинов В. Ф. Сб. «Вопросы анализа
самонастраивающихся и оптимальных систем автоматического
управления». Труды УПИ. Свердловск. Книжное изд-во, 1965,
вып. 149, с, 27.
355. Барановский П. Г. Изв. вузов. Черная металлургия, 1965,
12, с. 105.
356. ФофановАА. Сталь, 1961, № 5, с. 717.
357. Уилд Р., Саундерс Г. Сталь, 1952, № 8, с. 758. J. Iron and
Steel Inst., 1950, v. 165, part II, p. 198.
358. Ma нчинский В. Г., Любая А. П. Сталь, 1952, № 7, c. 598.
359. Грузинов В. К- Сталь, 1955, № 4, с. 305.
360. Metallurgia. 1955, v. 52, № 313, р. 245.
361. Iron and Coal Trades Rew., 1959, v. 178, JN° 4751, p. 1367.
362. Китаев Б. И. Теплообмен в шахтных печах. Металлургиздат,
1945.
363. Сорокин В. А., Попов Н. Н. Научно-информационный бюл-
летень Днепропетровского металлургического института, Харь-
ков. Металлургиздат, 1956, № 1, с. 32.
364. S с h е n с k Н„ G 1 о t h Y. Stahl und Eisen, 1960, Bd 80, № 22,
S. 1453.
365. Yamada I., Tsuda T. Tetsu to Hagane. J. Iron and Steel
Inst. Japan, 1966, v. 52, № 9, p. 1370.
366. К a d a m a K. a. o. Tetsu to Hagane. J. Iron and Steel Inst.
Japan, 1962, v. 48, № 44, p. 79.
367. Кубанский П. H. Теплоэнергетика, 1962, № 7, c. 14.
368. Агаджанян Г. Г. В сб. «Теория подобия и моделирования».
Изд-во АН СССР, 1951, № 1, с. 277.
369. Галицейский Б. М. и др. Инженерно-физический журнал,
1968, вып. 15, № 6, с. 975.
370. К у б а н с к и й П. Н. ЖТФ, 1952, т. 22, № 4, с. 585; № 9, с. 1483.
1957, т. 27, № 1, с. 180.
287
371. Палеев И. И. и др. Труды ЦКТИ. Госэнергоиздат, 1963,
вып. 1, с. 42.
372. Исследование тепло- и массообмена в технологических процес-
сах и аппаратах. Минск. Изд-во АН БССР, 1966.
373. Linke W., Hutschmidt W. Chem. Ingenieur Technick, 1958,
v. 30, № 3, p. 159.
374. H a v e m a n H. A., Rao N. N. Nature, 1954, v. 174, № 4418,
p. 41.
375. West F. B., Taylor A. T. Chem. Eng. Prog., 1954, v. 48, p. 39.
376. Darling G. B. Petroleum, 1959, № 22, p. 18—21.
377. Lemlich R., Hwu С. K. Engng. Journal, 1961, v. 7, № 1, p.36.
378. Linke W. Z. Ver. Deut. Ing., 1953, v. 95, № 3, p. 1179.
379. Baird M, H. I. Вгй. Chem. Engng, 1966, v. 11, № 1, p. 20.
380. Lemlich R., Armour I. O. Chem. Eng. Progr. Sympos. Ser.,
1965, v. 61, № 57, p. 83.
381. Кубанский П. H Акустический журнал, 1959, т. 5, № 1, с.51.
382. Ка л ан да р ян В. А. и др. Инженерно-физический журнал,
1967, т. 13, № 1, с. 79.
383. Lemlich R. Industr. and Engng. Chem., 1955, v. 47, № 6,
p. 1175.
384. Костерин С. И. и др. Теплоэнергетика, 1959, № 3, с. 66.
385. Третьяков А. В., Чен Хуа-Дин. Теплоэнергетика, 1960,
№11, с. 64.
386. С е г п о с h S., С а 1 I. Berg- Und Hiittenmonn-Monatsh., 1967,
Bd 112, № 9, S. 273.
387. Рабинович Г. Д., Слободич Г. Н. Инженерно-физический
журнал, 1952, т. 2, № 9, с. 30.
388. Шлихтинг Г, Теория пограничного слоя. ИД, 1956.
389. Каюмова Д. С. Инженерно-физический журнал, 1966, т. 11,
№ 44, с. 467.
390. Сненковская П. Т. Инженерно-физический журнал, 1965,
т. 9, № 2, с. 261.
391. Егоров И. Ф. Акустический журнал, 1967, т. 13, № 3, с. 375.
392. В сб. «Промышленная аэродинамика». Оборонгиз, 1960, вып. 18.
393. Бызова Н. Л„ Нестеров В. С. Акустический журнал,
1959, т. 5, № 4, с. 408.
394. Нестеров В. С. Акустический журнал, 1959, т. 5, № 3, с. 337.
395. П о л ь т е К. Черные металлы, 1966, № 15, с. 52.
396. П л и ц ы н В. Т., Фиалков Б. С. Акустический журнал, 1969,
т. 15, № 3, с. 468.
397. Магун Я. И. и др. Акустический журнал, 1969, т. 15, № 4,
с. 617.
398. Сорокин В. А. и др. Изв. вузов. Черная металлургия, 1967,
№ 3, с. 33.
399. Ku rob а К. а. о. J. Iron and steel Inst. Japan, 1967, v. 53, №3,
p.72.