Для облегчения понимания сути процесса при рассмотрении данного вопроса сделаны некоторые допущения, в частности принято следующее:
• дутье распределено равномерно по сечению вагранки, поэтому температура газов в каждом горизонтальном слое одинакова;
• граница между кислородной и редукционной зонами плоская;
• шихта характеризуется некоторой средней температурой плавления, равной 1250 °С.
В правой части показано изменение температуры газов в вагранке холодного дутья с горном-копильником.
На уровне фурм температура газов (холодного воздуха дутья) в среднем за год близка к нулю. Быстрое повышение температуры газов в начале кислородной зоны замедляется по мере уменьшения концентрации кислорода в газовой фазе. В конце кислородной зоны температура газов достигает максимума (около 1650 °С), далее она начинает снижаться. Вначале падение температуры происходит быстро, а затем, на более высоком уровне шахты — медленно. Это объясняется тем, что на первом участке падение температуры газов является результатом как передачи теплоты шихте, так и эндотермической реакции редукции. При температурах ниже 1000 °С реакция редукции практически прекращается, и дальнейшее снижение температуры газов связано только с теплообменом. На уровне загрузочного окна температура газов в зависимости от высоты шахты вагранки обычно составляет 400...600°С.
Металл, загружаемый в вагранку, проходит через четыре зоны: 1 — зона нагрева шихты, 2 — зона плавления, 3 — зона перегрева и 4— зона горн-копильник.
Высота зоны должна быть достаточной для того чтобы температура шихты повысилась от нуля на уровне загрузочного окна до условной средней температуры плавления, принятой равной 1250 °С.
В этом случае в зоне 2 происходит плавление шихты при постоянной температуре (вертикальный участок температурной кривой).
Из схемы видно, что температура газов в зоне плавления близка к максимальной. Это обеспечивает высокую скорость процесса плавления и производительность печи.
Зона перегрева 3 включает в себя небольшую часть редукционной зоны, а также ту часть кислородной зоны, где температура газов выше температуры металла (выше точки А — пересечения температурных кривых газов и металла). Ниже этой точки капли металла проходят через захолаживающую зону у фурм, и температура их уменьшается.
В зоне IV также происходит снижение температуры металла вследствие потерь тепла через стенки и дно горна.
Характер нижней ветви температурной кривой газов объясняется тем, что в горне печи движения газов и горения кокса не происходит.
Газ и куски кокса, расположенные в горне, нагреваются каплями и струями стекающего металла, поэтому их температура не может быть выше температуры металла.