Лекции по "Металлургическим печам"
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Января 2013 в 19:46, курс лекций
Описание работы
Лекция №1. Классификация и режимы работы металлургических печей
Лекция №2. Теплотехнические показатели работы печей
Лекция№3. Тепловой баланс металлургических печей
Файлы: 1 файл
Министерство образования и науки Украины
Донбасский Государственный Технический Университет
Кафедра «Металлургия черных металлов»
КОНСПЕКТ
лекций по дисциплине:
«Металлургические печи» для студентов 2-го
курса специальности «Металлургия черных металлов»
Разработал: доцент кафедры
«Металлургия черных
металлов»
Романчук А.Н.
2
Лекция №1
Классификация и режимы работы металлургических
печей
1. Классификация печей по принципу теплогенерации.
Тепловыделение в печах – процесс превращения какого-либо вида энер-
гии в тепловую энергию.
Источниками получения тепла являются:
а) химическая энергия топлива (топливные печи);
б) химическая энергия жидкого металла или шихты;
в) электрическая энергия.
Превращение химической энергии топлива в тепловую происходит в топ-
ливных печах при сжигании топлива.
В металлургии – это пламенные печи и печи работающие по слоевому
режиму. В пламенных печах рабочее пространство в малой степени заполнено
обрабатываемым материалом – ломом, который расположен на поду. Основная
часть рабочего пространства заполнена пламенем и газами. Такие печи работа-
ют на газообразном и жидком топливе.
Печи работающие по слоевому режиму, применяют при обработке куско-
вого материала. Чаше всего это происходит в вертикальных (шахтных) печах,
где материал либо распределение по всему объему и раскаленные газы прохо-
дят между его кусками, либо частицы его распределены в газообразном тепло-
носителе.
Для слоевого режима печей характерно тесное переплетение всех трех
видов теплопередачи: тепловое излучение, конвекция, теплопроводность.
Известны три разновидности печей слоевого режима: с плотным, кипя-
щим и со взвешенным слоем обрабатываемого материала.
3
В печах с плотным (фильтрующим) слоем шихта, в состав которого вхо-
дит твердое кусковое топливо, расположена плотным слоем по всему объему
печи и медленно продвигается вниз. Раскаленные газы – подогревают сгорае-
мое топливо, проходят через слой между отдельными кусками шихты. Этот ре-
жим характерен для шахтных печей, например доменная печь.
В печах с кипящим слоем слой шихты под динамическим действием газов
находится в разуплотненном состоянии и энергично перемешивается. В таких
печах может выгорать как размельченное топливо, так и горючие компоненты
шихты. Иногда вместе с воздухом подают газообразное топливо. Используют
такие печи в цветной металлургии для обжига сульфидных концентратов раз-
личных металлов, для сушки и кальцинации глинозема.
В печах, работающих со взвешенным слоем, обрабатывают материалы
доведенные до пылевидного состояния. Мелкие частицы материала отделены
друг от друга газовой прослойкой и движутся вместе с газом. Топливо – размо-
лотое твердое топливо и газообразное топливо. Например, в цветной металлур-
гии используют тепло горения серы при плавке сульфидов цветных материалов.
Как в черной, так и в цветной металлургии используют печные агрегаты,
в которых источником тепловой энергии является процесс выгорания элементов
из металла или шихты. В черной металлургии такой элемент углерод, который
выжигается из чугуна, при производстве стали в конверторах.
Есть печи, которые занимают промежуточное положение между конвер-
торами топливными печами, т. е. используют химическую энергию топлива и
жидкого металла – это мартеновские печи и ДСПА.
В основе работы электрических печей лежит генерация тепла за счет элек-
троэнергии.
В целом, вид процесса получения тепла, т. е. теплогенерации в решающей
мере определен не только конструкцией агрегата, но и характером протекаю-
щих в его рабочем пространстве тепло-массообменных процессов.
4
2. Классификация печей по технологическим и конструкционным
признакам.
По технологическому назначению печи делятся на плавильные и нагрева-
тельные.
Плавильные печи – для получения металлов из руд и переплавки металла
с целью придания ему необходимых свойств. В этих печах металлы меняют
свое агрегатное состояние.
Нагревательные печи применяют для нагрева материалов с целью обжига
(известняка, магнезита, огнеупорных материалов и др.) и сушки (литейных
форм, руды песка), а также для нагрева металла перед прокаткой и ковкой. Зна-
чительное число нагревательных печей применяют для термической обработки
с целью изменения внутреннего строения и структуры металла. Агрегатное со-
стояние материала не меняется.
Внутри каждой группы этих печи подразделяют в соответствии с опера-
циями, которые в них происходят.
Плавильные печи бывают: чугуноплавильные, сталеплавильные, медепла-
вильные и др.
Нагревательные печи могут быть для обжига огнеупорных материалов,
нагрева металла и термообработки. Их также классифицируют по конструктив-
ным признакам, методам транспортировки металла в печи, характеру продукта
подвергаемого нагреву.
Нагревательные печи для нагрева перед прокаткой:
а) нагревательные колодцы, методические печи, камерные печи;
б) садочные, толкательные, с вращающимся подом;
в) для нагрева слитков, слябов, блюмсов, труб и т. д.
Топливные печи подразделяют по способу превращения электрической
энергии в тепловую: дуговые, печи сопротивления и индукционные.
Современная печь представляет собой сложные тепловые агрегаты, со-
стоящие из собственно печи и вспомогательного оборудования. Собственно
5
печь включает в себя рабочее пространство и устройство для получения тепло-
вой энергии: горелки, форсунки, электроды, резисторы.
Вспомогательное оборудование – устройство для утилизации тепла отхо-
дящих дымовых газов, вентиляторы, дымососы, дымовые трубы, различные
клапаны, задвижки.
Лекция №2
Теплотехнические показатели работы печей
Основные технико-экономические показатели работы печей: общая и
удельная производительность, расход топлива на печь и тепла на единицу мас-
сы металла, коэффициент полезного теплоиспользования, КИТ.
Производительность различают общую и удельную.
Общая производительность печей характеризует в первую очередь размер
агрегата, но еще ничего не говорит о качественном уровне его работы. Она из-
меряется в т/ч., т/сутки, млн. т./год.
Интенсивность работы печи характеризуется удельной производительно-
стью. Она измеряется в тоннах (килограммах) в час с единицы площади пода
печи Н т/(м
2
⋅ ч), кг/( м
2
⋅ ч). Ее часто называют напряженность пода.
Применительно к нагревательным печам различают напряженность габа-
ритного Н
г
и активного Н
а
пода:
г
г
F
Р
H =
а
а
F
Р
H =
где Р – производительность печи, кг/ч;
F
г
– габаритная площадь пода, м
2
;
F
а
– активная (занятая металлом) площадь пода, м
2
.
6
Так же как и производительность, общий расход топлива В (кг/ч; м
3
/ч) ха-
рактеризует размер агрегата, а удельный расход тепла в (кДж/т, кДж/кг) – каче-
ственный уровень его работы.
Р
Q
В
Р
М
в
р
н
о
⋅
=
=
;
Частично удельный расход тепла определяют в единицах условного топ-
лива (кг у. т.). Условное топливо – топливо, теплота сгорания которого 29300
кДж/кг.
Тогда при
р
н
Q
, выраженном в кДж/кг или кДж/м
3
удельный расход топли-
ва равен:
29300
в
Р
29300
Q
B
'в
Р
н
=
⋅
⋅
=
(кг. у. т./кг металла)
где В – расход топлива (м
3
/ч, кг/ч);
Р – производительность, кг/ч.
Количество тепла, которое подают в печь в каждый момент времени на-
зывают тепловой нагрузкой. Наибольшее количество , которой печь может нор-
мально (без недожогов в рабочем пространстве) усвоить, называется тепловой
мощностью
р
н
Q
B
M
⋅
=
.
Тепловой режим печи – это изменение тепловой нагрузки во времени.
Изменение температуры печи во времени называется температурным режимом
печи. Тепловой и температурный режим печи могут быть представлены графи-
ками.
Качество работы печи, совершенство ее конструкции как теплового агре-
гата характеризуется коэффициентом полезного теплоиспользования (к. п. т.) и
коэффициентом использования топлива (к. и. т.).
В общем виде к. п. т. равно:
.ф
.т
.
эзк
.
энд
.
шл
м
Q
В
Q
Q
Q
Q
Q
.т.п.к
⋅
+
−
+
+
=
где
м
Q – тепло металла, кДж/ч;
7
шл
Q – тепло шлака, кДж/ч;
.
экз
.
энд
Q
и
Q
– тепло эндотермических и экзотермических реакций, кДж/ч;
т
Q – химическое тепло топлива, кДж/ч;
.ф
Q
– физическое тепло топлива, кДж/м
3
, кДж/кг;
В – часовой расход топлива, м
3
/ч.
Известно, что
.
экз
.
энд
.
шл
м
.
пот
ух
ф
т
Q
Q
Q
Q
Q
Q
В
Q
В
Q
−
+
+
=
−
⋅
−
⋅
+
Тогда к. п. т. может быть выражен в следующей форме:
ф
т
пот
ух
ф
т
Q
В
Q
Q
Q
В
Q
В
Q
.т.п.к
⋅
+
−
⋅
−
⋅
+
=
,
где Q
ух
– тепло уходящих газов, отнесенное к единице топлива, кДж/м
3
, кДж/кг.
Q
пот.
– тепловые потери, кДж/м
3
, кДж/кг.
Коэффициент полезного теплоиспользования может быть записан в сле-
дующем виде:
ф
р
н
пот
ух
ф
р
н
Q
Q
В
Q
Q
Q
Q
.т.п.к
+
−
−
+
=
;
Тепловые потери в печах зависят от факторов, связанных с конструкцией
печи. Чтобы характеризовать только топливо и условия его сжигания, приме-
няют коэффициент использования топлива:
ф
р
н
ух
ф
р
н
Q
Q
Q
Q
Q
.т.и.к
+
−
+
=
;
Из последних двух выражений видно, что к. п. т. всегда меньше к. и. т.,
поэтому при проектировании стремятся, чтобы к. п. т. максимально приближал-
ся к к. и. т. Для этого необходимо добиваться снижения тепловых потерь.
Для электрических печей важны следующие показатели качества работы
печи: электрический к. п. д. η
э
– отношение тепловой нагрузки печи к мощности
8
(энергии), забираемой из энергосистемы; тепловой к. п. д. η
т
– отношение по-
лезно используемой тепловой мощности к тепловой нагрузке печи.
Лекция№3
Тепловой баланс металлургических печей
Расчет тепловых балансов металлургических печей производят при конст-
руировании новых металлургических агрегатов. В результате подсчетов при-
ходной и расходной части теплового баланса, сравнивая их между собой (при-
равнивая), определяют расход топлива на проектируемую печь. При работе дей-
ствующих металлургических агрегатов часто происходят балансовые плавки
(нагревы) цель которых определить источника потери тепла. Тепловой баланс
печи состоит из равных между собой приходной и расходной частей, каждая из
которых складывается из расчета статей.
Для печей постоянного действия тепловой баланс составляют на 1 час, для
печей периодического действия на 1 цикл работы.
l. Статьи приходной части теплового баланса.
1. Тепло получаемое в результате сгорания топлива:
р
н
x
Q
B
Q
⋅
=
, Вт(ккал/ч)
где - В расход топлива, кг/ч;
ч
м
3
р
н
Q
- теплота сгорания топлива кДж/кг;
3
м
кДж
.
2. Тепло вносимое подогретым воздухом:
0
L
i
B
Q
B
в
⋅
⋅
=
, Вт (ккал/ч)
где iв – теплосодержание воздуха iв = св · tв,
3
м
кДж
;
n – коэффициент расхода воздуха n = Ln/Lo
Lo – теоретически необходимое количество воздуха на сжигание n воздуха.
3. Тепло вносимое с подогретым топливом:
9
T
i
B
Q ⋅
=
iт = ст · tт, теплосодержания топлива при определенной температуре подог-
рева.
4. Тепло экзотермических реакций.
В этой статье при составлении теплового баланса учитываю все химические ре-
акции идущие с положительным эффектом, кроме реакций горения топлива.
(конвертера, МП, ДСА, ПСА)
В нагревательных печах учитывают тепло выделяющиеся при окислении метал-
ла. При окислении 1кг металла выделяется 5652 кДж/кг:
a
P
Q
экз
⋅
⋅
=5652
, Вт
a
P
Q
экз
⋅
⋅
=1350
, ккал/ч
где Р – производительность печи, кг/ч;
а – величина угара металла, кг/кгмет
ll. Статьи расходной части теплового баланса.
1. Полезное тепло необходимое для нагрева или плавления металла:
M
M
пол
i
G
Q
⋅
=
1
, Вт (ккал/ч)
где iм = см · tм
Gм – количество расходуемого материала, кг/ч;
iм – энтальпия материала.
2. Тепло уносимое шлаками:
ш
ш
пол
i
G
Q
⋅
=
где Gш – количество шлака, кг/ч
iш – энтальпия шлака..
3. Тепло эндотермических реакций (
Q
3
( )
ýíä
). Эта статья характерна для пла-
вильных
печей. Например, тепло идущие на разложение известняка.
4. Тепло уносимое уходящими газами:
10
ух
ух
ух
i
V
B
Q
⋅
⋅
=
4
где Vух – расход дымовых газов,
ч
м
3
iух – энтальпия уходящих газов,
3
м
кДж
5. Тепло от химической неполноты сгорания топлива.
При пламенном сжигании топлива в продуктах горения обычно содержится 0,5
– 3% СО, Н2 Можно принять, что 1% СО содержит 0,5% Н2 тогда теплота сго-
рания
3
м
такой смеси составляет:
12142
2
=
+ H
HCO
Q
,
3
м
кДж
Если в уходящих газах долю не сгоревшего СО обозначить буквой а, то потеря
тепла:
12142
5
⋅
⋅
⋅
=
a
V
B
Q
ух
неп
Вт
2900
5
⋅
⋅
⋅
=
a
V
B
Q
ух
неп
, ккал/ч.
6. Тепло от механической неполноты сгорания топлива.
Под механической неполнотой сгорания топлива подразумевают, различные по-
тери топлива, например, сжигание твердого топлива.
Твердое
р
н
мехнеп
Q
B
Q
⋅
⋅
÷
=
)
05
,0
03
,0(
6
Газообразное
р
н
мехнеп
Q
B
Q
⋅
⋅
÷
=
)
03
,0
02
,0(
6
Жидкого
р
н
мехнеп
Q
B
Q
⋅
⋅
= 01
,0
6
7. Потери тепла в результате теплопроводности кладки.
Потери тепла печи через свод, стены, под печи определяется по формуле:
F
t
t
Q
в
кл
кл
⋅
+
+
−
=
α
λ
δ
λ
δ
1
2
2
1
1
7
, Вт (ккал/ч),
11
где
кл
Q
7
- внутренняя поверхность кладки, С
tв – температура окружающей среды, С
δ1, δ2 – толщина огнеупорной кладки и изоляции, м
λ1, λ2 – коэффициент теплопроводности кладки и изоляции, Вт/(м·град)
α – коэффициент теплоотдачи конвекцией от стенки к воздуху
град
м
Вт
⋅
2
,
α = 19,8
град
м
Вт
⋅
2
,
052
.0
1
=
α
.
F – площадь поверхности кладки.
8. Потери тепла излучением через открытые окна:
ϕ⋅
⋅
⋅
⋅
=
Ф
F
Т
С
Q
изл
4
0
8
100
, Вт (ккал/ч),
где
0
C
- коэффициент излучения абсолютно черного тела,
768
.5
0
=
C
)
(
4
2
К
м
Вт
⋅
Т – средняя температура в печи, К
F – площадь открытого окна,
2
м
Ф – коэффициент диафрогмирования, определяются по графикам;
ϕ
- доля времени (ч), когда окно открыто.
9. Тепло уносимое водой охлаждающей определенные части печи.
Для определения потерь тепла на охлаждения пользуются практическими дан-
ными, обычно эти потери составляют 10 – 15% от всего прихода тепла.
10.Затраты тепла на аккумуляцию его кладкой:
кл
кл
кл
кл
акк
t
С
V
Q
⋅
⋅
⋅
=
ρ
10
где
кл
V
- это объём кладки,
3
м
кл
ρ
- плотность материала кладки,
3
м
кг
кл
С
- тепло емкость материала кладки,
)
(
град
кг
кДж
⋅
12
кл
t
- средняя температура кладки, С
Её находят на основании расчета прогрева стен.
11.Не учтенные потери:
)
()
15
,0
1,0
(
10
9
8
7
6
5
11
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
+
+
+
+
+
⋅
−
=
Просуммировав отдельно приходные и расходные статьи теплового баланса
следует приравнять:
расход
приход
Q
Q
=
И получить таким образом уравнение с одним неизвестным, которым является
расход топлива В, определив величину В, можно окончательно подсчитать все
статьи приходной и расходной части теплового баланса. Если анализируют теп-
ловую работу действующей печи, то составляют таблицу теплового баланса, ко-
торая позволяет выяснить какая статья расходной части теплового баланса
чрезмерно высока и следовательно обнаружить причину неудовлетворительной
работы печи.
Лекция №4
Утилизация тепла в металлургических печах
1. Общие сведения.
Дымовые газы выносят из печи большое количество тепла. Оно тем боль-
ше, чем больше температура газа и чем меньше к. и. т. Целесообразно долю
этого тепла вернуть снова в печь. Это позволит повысить к. п. д. печного агре-
гата, снизить расход топлива и повысить температуру горения. Для этого нужно
тепло, отобранное в теплообменнике, снова вернуть воздуху (газу), подаваемо-
му в печь для горения. Подобным образом, с передачей тепла воздуху (газу) ра-
ботают регенераторы и рекуператоры.
13
Для нормальной работы необходимо каждый час в рабочее пространство
печи подавать определенное количество тепла. В это количество тепла входит
не только тепло топлива, но и тепло подогретого воздуха или газа, т. е.
(
)
.т.ф
.в.ф
.т.х
Q
Q
Q
Q
+
+
=
Σ
Видно, что при
Σ
Q =const увеличение Q
ф
позволяет снизить Q
х.т.
, т. е. эко-
номить и тем дольше, чем выше степень утилизации тепла дымовых газов.
д
в
i
i
R =
,
где i
в
– энтальпия подогретого воздуха, кВт, (ккал/ч) или кДж/период.
I
д
– энтальпия дымовых газов на выходе из рабочего пространства, кВт,
(ккал/ч) или кДж/период.
Степень утилизации тепла, выраженная в % может быть также названа к.
п. д. регенератора (рекуператора).
%
100
i
i
.Д.П.К
д
в
р
⋅
=
Зная величину степени утилизации тепла, можно рассчитать экономию
топлива:
(
)
%
100
R
1
'i
i
1
'i
i
R
д
в
д
в
⋅
−
⋅
−
⋅
=
η
где
'
д
i – энтальпия дымовых газов при температуре горения, кДж/м
3
.
Экономия топлива за счет утилизации тепла дымовых газов дает эконо-
мический эффект и является одним из путей снижения стоимости проведения
технологического процесса.
Подогрев воздуха (газа) позволяет увеличить калориметрическую темпе-
ратуру горения, что особенно важно при отоплении печей топливом с низкой
теплотой сгорания.
При подогреве воздуха калориметрическую температуру можно найти:
14
C
V
Q
Q
T
пр
ф
н
р
к
⋅
+
=
Из формулы видно, что увеличение Q
ф
при
const
Q
н
р
=
приводит к увели-
чению Т
к
. Так как утилизация тепла позволяет значительно экономить топливо,
целесообразно стремиться к максимально возможной, но экономически оправ-
данной степени утилизации. Однако необходимо сразу отметить, что утилиза-
ция не может быть полной, т. е. всегда R<1. Это объясняется тем, что увеличе-
ние поверхности нагрева теплообменника рационально только до определенных
пределов, после камеры оно уже приводит к очень незначительному выигрышу
в экономии тепла.
2. Регенераторы.
Регенераторы мартеновских печей работают в условиях высоких темпера-
тур и интенсивной шлаковой атаки. Температура дымовых газов на входе в ре-
генератор составляет 1500–1600
0
С, насадка нагревается до 1350–1400
0
С, после
насадки t
д
=500–700
0
С. Температура подогрева газа и воздуха 1100–1250
0
С. Ре-
генераторы позволяют возвращать в рабочее пространство более 50% тепла
дымовых газов. Все регенераторы мартеновских печей выполняются в соответ-
ствии с принципом Грум-Гржимайло. Он состоит в том, что для обеспечения
равномерного распределения газов по сечению насадки регенераторов осты-
вающие газы должны направляться сверху вниз, а нагревающиеся – снизу
вверх.
Регенераторы мартеновских печей выполняются однооборотными и двух-
оборотными. Для крупных мартеновских печей более 400–500 т устанавливают
двухоборотные регенераторы, так как увеличение высоты насадки более 7 м со-
пряжено со значительными затратами, поскольку регенераторы необходимо
располагать ниже уровня земли.
15
В однооборотных регенераторах, насадка верхние 20 рядов обычно вы-
полняют из форстерита (высокоглиноземистый огнеупор), хорошо сопротив-
ляющегося воздействию окислов железа, нижние – из шамота.
Рисунок 1 – Однооборотный регенератор.
В однооборотных регенераторах обычно применяют насадку Сименса с
размерами ячейки 150×150 мм и 180×180 мм.
Мартеновские печи с двухоборотными регенераторами имеют, как прави-
ло лучшие технико-экономические показатели по сравнению с печами с одно-
оборотными регенераторами благодаря более высокой температуре подогрева
воздуха. Например, применение двухоборотных регенераторов на 900 т марте-
новских печах с подачей О
2
только в факел, позволило обеспечить нагрев воз-
духа до t>1300
0
С при условии, что температура верха насадки первой по ходу
дыма “горячей” камеры превышает 1450
0
С, а размер ячеек насадки “холодной”
камеры составляет 160×160 мм. Однако, промежуточный канал между камера-
ми и насадка второй камеры увеличивают аэродинамическое сопротивление и
габариты регенераторов, затрудняют ремонты, приводят к увеличению подсо-
сов воздуха по тракту печи и требуют использование более мощных котлов-
утилизаторов и газоочистки.
16
Двухоборотные регенераторы обеспечивают более высокий нагрев по
сравнению с однооборотными, благодаря “холодной” камере с уменьшенными
размерами ячеек насадки.
Для обеспечения наибольшей экономичности работы печи, т. е. наимень-
шего расхода тепла объем насадки регенераторов должен быть как можно боль-
ше, а размеры ячеек насадки – как можно меньше.
Объем регенератора колеблется очень сильно, но в среднем возрастает с
ростом садки с 278 м
3
у 200–300 т печей до 396 м
3
у печей 600–650 т и до 574 м
3
у 850–900 т печей.
Размеры ячеек определяются возможностями тяги, а также заносом на-
садки пылью по ходу кампании, поэтому на печах с продувкой ванны кислоро-
дом ячейки выполняют больших размеров. На 200–500 т печах, работающих с
продувкой ванны кислородом, сечение колеблется от 182×182 до 275×275 мм.
Для крупных печей вместимостью 600-900 т размеры ячеек однооборотных ре-
генераторов находятся в довольно узких пределах от 265×265 до 300×300 мм.
Сечение ячеек “холодных” камер двухоборотных регенераторов колеб-
лется от 200×200 до 268×268 мм и может быть меньше, чем в горячих камерах,
поскольку ячейки в меньшей степени заносятся плавильной пылью. Для умень-
17
шения старения насадок в ходе кампании вследствие заноса плавильной пылью
применяют их промывку водой.
Лекция №5
Воздухонагреватели. Конструкция и тепловая работа
Нагрев дутья в доменном производстве явился одним из важнейших эта-
пов его развития, сыгравшим огромную роль в снижении расхода горючего и
повышении производительности доменных печей. Поиски путей повышения
температуры дутья привели к созданию регенеративных воздухонагревателей,
показавших значительное преимущество по уровню достигаемого нагрева воз-
духа и быстро вытеснивших из практики все ранее созданные конструкции. Та-
ким образом они стали преимущественным средством для нагрева доменного
дутья до настоящего времени.
Современные доменные печи оснащаются воздухонагревателями, обеспе-
чивают нагрев дутья до 1400
0
С. Продукты сгорания проходят по насадке свер-
ху вниз и нагревают ее. Воздух проходит в обратном направлении. Подогрев
дутья возможен до 1400
0
С. Температура дыма, входящего в насадки
1600
1550
t
'
д
−
=
0
С, уходящего
250
t
''
д
=
0
С. Количество воздухонагревателей
3–4, К
стр.
=4,0–6,0.
Кожух. Регенеративный воздухонагреватель тина «Каупер» имеет метал-
лическую оболочку с днищем, футерованную огнеупорным шамотным кирпи-
чом, называемую кожухом. Основными требованиями, предъявляемыми к ко-
жуху, являются максимальная плотность в швах и рассчитанная на избыточное
давление до 490 кПа строительная прочность, определяемая при контрольной
проверке после выкладки стен воздухонагревателя в соответствии со специаль-
ной инструкцией. В связи со значительным увеличением размеров воздухонаг-
ревателей, достигающих по высоте 50—55 м и но наружному диаметру 9–13 м
18
кожухи изготовляют из низколегированных сталей марок 14Г2, 09Г2С, 10Г2С с
толщиной листов 25—40 мм для воздухонагревателя и 20 мм для шахты горе-
ния в случае устройства се выносной (диаметром 3–5 м). В зарубежной практи-
ке применяют также котельную сталь; при этом толщина поясов в цилиндриче-
ской части 29—40 мм (Япония), днища 51 мм на периферии и 32 мм в центре.
Кожух делают сварным с применением электрошлакового метода сварки. Лис-
там купола с увеличенной толщиной придается скорлупообразная форма. Низ
кожуха закрепляется на фундаменте по всей окружности болтами (расстояние
между болтами 200—300 мм). Листы, ослабленные вырезами в местах установ-
ки клапанов и люков, усиливаются накладками.
Для предупреждения интеркристаллитной коррозии кожуха применяется
тепловая изоляция его покрытием кислотостойкими керамическими массами
или защита фольгой из специальной стали. Для осмотра, чистки и ремонта в
кожухе воздухонагревателя имеются лазы в низу камеры горения и в поднаса-
дочном пространстве. В куполе люки делают один по центру (диаметром 700–
750 мм), закрывающийся специальной огнеупорной пробкой со вставленной
термопарой, и один небольшой над камерой горения для пропуска троса. На
этот трос подвешивается люлька во время ремонтов.
Воздухонагреватель (рис.) состоит из днища 1 с огнеупорной кладкой;
опорных поднасадочных колонн 2; поднасадочной решетки 3, состоящей из ря-
да плит с отверстиями по числу ячеек насадки; насадки 7, разграничительной
стенки, отделяющей насадочное пространство от камеры горения 8; камеры го-
рения 9; подкупольного пространства 5 с люками 4; кожуха 10 воздухонагрева-
теля с огнеупорной кладкой 11. Камера горения имеет штуцер газовой горелки
12; поднасадочное пространство оборудовано штуцером шибера холодного ду-
тья 13 и дымовыми клапанами. Для уменьшения внешних тепловых потерь ме-
жду огнеупорной кладкой стен и кожухом помещается трепельный кирпич с за-
сыпкой. Применяют также специальные «маты» из нетеплопроводных материа-
19
лов. Насадка 6 делается обычно прямоугольной с размером отверстий 45×45 мм
или из шестигранных блоков с круглыми отверстиями диаметром 36–41 мм.
Очищенный доменный газ (или смесь доменного и коксового газов), под-
веденный к воздухонагревателю, подается в камеру горения газовой горелкой
20
1 – днище; 2 – огнеупорная кладка днища; 3 – колонна; 4 – решетка; 5 –
насадка; 6 – вертикальная стенка; 7 – камера горения; 8 – подкупольное про-
странство; 9 – люки; 10 – кожух; 11 – штуцер газовой горелки; 12 – штуцер кла-
пана холодного дутья; 13 – штуцер дымового клапана; 14 – лазы; 15 – фланцы;
16 – штуцер клапана горячего дутья.
совместно с необходимым для сжигания газа воздухом, подаваемым специаль-
ной воздуходувной станцией. Продукты сгорания газа поднимаются вверх под
купол воздухонагревателя, где происходит их полное сгорание и развивается
максимальная температура. Далее продукты сгорания идут вниз через каналы
насадки. Отдавая насадке свое тепло, они охлаждаются до 150—400 °С и затем
отводятся через дымовые клапаны в боров к дымовой трубе. После нагрева на-
садки по достижении максимально допустимой температуры подкупольного
пространства подача газа в камеру горения прекращается. Через поднасадочное
пространство, насадку и камеру горения в обратном газу направлении подается
воздух, который нагревается, проходя через горячую насадку, и затем через
клапан горячего дутья направляется по воздухопроводу горячего дутья в до-
менную печь.
После охлаждения насадки воздухонагреватель вновь переводят на режим
нагрева. Непрерывность подачи дутья обеспечивается наличием блока из трех-
четырех воздухонагревателей на печь, из которых попеременно два или три ра-
ботают в режиме нагрева, а остальные – на дутье, в зависимости от их числа и
принятой схемы работы (одиночной или попарно параллельной). Режимы на-
грева и охлаждения являются основными для работы воздухонагревателя. Кро-
ме этого, он может находится на “тяге” или быть отключенным.
При работе воздухонагревателя на тяге во время кратковременных оста-
новок печей доменный газ, сгорающий частично в фурменных коленах и коль-
цевом воздухопроводе, отводится по воздушному тракту в камеру горения од-
ного из воздухонагревателей для полного сгорания. В проектах современных
доменных печей эта операция отпадает, так как газ сжигают, помимо воздухо-
21
нагревателей, на специальных свечах, устанавливаемых около печи с соответст-
вующим “отсечением” их от горячего воздухопровода.
Воздухонагреватель отключают в случае перевода в горячий резерв или
ремонта печи, т. е. воздухонагреватель изолируют от газовоздухопроводов и
дымового борова с трубой.
Лекция №6
Огнеупорные материалы. Характеристика и их
свойства
1. Классификация и применение.
Огнеупорами называют материалы, изготовляемые на основе минерального сы-
рья и отличающиеся способностью сохранять без существенных нарушений
свои функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких
температурах.
Металлургическое производство потребляет основное количество огнеупоров
(60-70%). Огнеупорные материалы широко используют также в стекольной и
цементной промышленностях, в областях новой техники – атомной и ракето-
строении.
Применяемые в промышленности огнеупоры делят на изделия, которым при из-
готовлении придается определенная форма (кирпичи, фасонные изделия, круп-
ные блоки) и неформованные материалы (бетоны, торкрет-массы, мертели).
В основу классификации огнеупорных изделий положено шесть основных при-
знаков:
1) по химико-минеральному составу изделия делят на:
• кремнеземистые: динасовые (SO
2
≥
93); кварцевые (SO
2
≥
85);
• алюмосиликатные: полукислые (SO
2
<85); шамотные (Al
2
O
3
28-45); мулли-
токремнеземистые (Al
2
O
3
45-62), муллитовые (Al
2
O
3
62-72), муллитоко-
рундовые (Al
2
O
3
72-90);
• глиноземистые – корундовые (Al
2
O
3
>90);
22
• магнезиальные-периклазовые (магнезитовые) (MgO
≥
85);
• магнезиальноизвестковые: известковопериклазовые (доломитовые) (MgO
10-50; СаО 45-85); периклазоизвестковые (магнезитодоломитовые) (MgO
35-75; СаО 15-40);
• периклазохромитовые (MgO>60; Cr
2
O
3
5-20); хромитопериклазовые (MgO
40-60; Cr
2
O
3
15-35); хромитовые (MgO<40; Cr
2
O
3
>30);
• углеродистые с огнеупорной основой С (углеродсодержащие, графитша-
мотные);
• цирконовые с огнеупорной основой ZrO
2
(цирконовые, циркониевые);
• окисные с огнеупорной основой ВеО, Al
2
O
3
, TiO
2
(корундовые, титановые,
гафниевые);
• некислородные (нитридные, боридные, сульфидные).
В соответствии с технической классификацией огнеупоры делят:
• кислые (в составе преобладает SiO
2
);
• нейтральные (содержат высокий процент С или Cr
2
O
3
);
• основные (содержат СаО, MgO).
2) по огнеупорности все огнеупоры делят на:
• огнеупорные (огнеупорность 1580-1770
0
С);
• высокоогнеупорные (огнеупорность 1770-2000
0
С);
• высшей огнеупорности (огнеупорность >2000
0
С).
3) по пористости:
• особоплотные (с открытой пористостью до 3%);
• высокоплотные (3-10%);
• плотные (10-16%);
• уплотненные (16-20%);
• среднепористые (20-30%);
• повышеннопористые (30-45%);
• легковесные (с общей пористостью 45-85%);
23
• ультралегковесные (с общей пористостью >85%).
4) по способу формования:
• пластичноформованные;
• полусухого формования из масс малопластичных или из порошков с
добавкой связующего материала, изготовленные путем механическо-
го, гидравлического или вибрационного прессования;
• плавленые литые из расплава, получаемого обычно путем электро-
плавки;
• литые, изготовленные путем литья из жидкого шликера в специаль-
ные формы (пеноизделия);
• горячепрессованые;
• волокнистые, полученные путем расщепления расплава струей ост-
рого перегретого пара.
5) по термической обработке:
• обожженные, обжигаемые в печах в процессе изготовления изделий;
• безобжиговые, не подвергавшиеся обжигу до употребления в кладку;
• плавленые, подвергнутые отжигу после отливки;
• горячепрессованные.
6) по форме и размерам различают:
• простые изделия (прямые и клиновые нормальных, малых и больших
форматов);
• фасонные – простые, сложные, особо сложные и крупноблочные
(массой >60 кг);
• специальные – промышленного и лабораторного назначения (тигли,
трубки, наконечники и т. п.).
Неформованные огнеупорные материалы классификации, установленной ГОС-
Том, не имеют.
2. Физические свойства огнеупорных материалов.
24
1) огнеупорность – свойство материала противостоять длительное время воз-
действию высоких температур, не теряя формы и не переходя в тестообразное
состояние. Огнеупорность зависит от химического и минералогического состава
материала, крупности частиц, наличия примесей, скорости нагрева образца и
его параметров. Она характеризуется той температурой, при которой образец,
деформируясь при нагревании, верхним основанием коснется плиты, на кото-
рой он установлен. Температуру определяют по стандартному пироскопу, кото-
рый коснется своей вершиной плиты одновременно с испытуемым. Стандарт-
ные пироскопы имеют номера, умножением которых на 10 определяют темпе-
ратуру, т. е. огнеупорность данного пироскопа.
2) деформация под нагрузкой. Огнеупорные изделия в футеровке печей од-
новременно с нагревом подвергаются механической нагрузки. В зависимости от
места использования огнеупора давление колеблется от 0,1 до 0,3 МПа. В нача-
ле нагрева образец несколько увеличивается по высоте, затем начинает давать
усадку. Характерными считают две температуры: Т
н. р.
– температуру начала
размягчения, соответствующую 4%-ному сжатию образца; Т
к. р.
– температуру
конца размягчения, соответствующую 40%-ному сжатию образца. Чем ближе
Т
н. р.
к огнеупорности изделия, тем, следовательно, лучше используются свойст-
ва исходного сырья, составляющего основу огнеупора, и тем выше качество ог-
неупора. Таким образом, деформация под нагрузкой является самым важным
показателем, определяющим верхний температурный предел службы огнеупор-
ных изделий, и часто называется их строительной прочностью.
3) термостойкость – способность огнеупора выдерживать, не разрушаясь,
резкие колебания температуры. Измеряют термостойкость числом теплосмен,
которое выдерживает огнеупор при испытании (до потери в массе 20%). Разли-
чают водяные и воздушные (охлаждение нагретого образца на воздухе) тепло-
смены. Термостойкость изделий зависит от термического коэффициента линей-
ного расширения и модуля упругости огнеупорного материала.
25
4) пористость. Большинство огнеупорных материалов и изделий пористы.
Различают такие виды изделий:
• открытую П
о
или кажущуюся П
к
– это такая пористость, при которой
поры сообщаются с поверхностью огнеупора и при кипячении его в во-
де могут заполнятся водой;
• закрытую П
з
, при которой поры изолированы от окружающей среды;
• общую или истинную П
и
, при которой есть как закрытые, так и откры-
тые поры.
Пористость выражается процентным отношением объема пор к общему объему
образца. Открытая пористость (кажущаяся) определяется насыщением водой
исследуемого образца, путем его кипячения в течение 3 ч.: П
о
= [(G
2
-G
1
)/V]*100,
где G
1
– масса сухого образца, кг; G
2
– масса образца, насыщенного водой, кг;
V – объем образца, м
3
.
Вводя понятие «водопоглощения» определяют кажущуюся плотность. Водопо-
глощением (В) называется отношение массы поглощенной воды к массе сухого
образца: В= [( G
2
-G
1
)/G
1
]*100.
Отношение открытой пористости к водопоглощению равно кажущейся плотно-
сти, кг/м
3
:
каж
ρ
=П
о
/В=G
1
/V. При определении истинной пористости П
и
надо
знать плотность материала
ρ
. Отношение кажущейся плотности
каж
ρ
к истин-
ной плотности характеризует степень плотности изделия. Определив степень
плотности изделия, можно найти его истинную пористость, %:
П
и
= (1-
каж
ρ
/
ρ
)*100. Закрытая пористость определяется, как разность истинной и от-
крытой пористости: П
з
= П
и
– П
о
. Пористость огнеупорных изделий влияет на их
теплопроводность, шлакоустойчивость и механическую прочность. Сквозная
пористость оказывает большое влияние на газопроницаемость изделий.
5) газопроницаемость. Различают газопроницаемость отдельных изделий и
газопроницаемость кладки, последняя определяется в основном состоянием
швов. Характеристикой газопроницаемости изделий является коэффициент, оп-
ределяющий скорость фильтрации газов через сквозные поры. Выражение для
26
расчета коэффициента газопроницаемости, м
2
, выведено из уравнения Пуайзеля
и имеет вид: К=
µ
Vl/S
∆
p, где V – расход воздуха, м
3
/с; l – высота образца, м; S
– площадь сечения образца, м
2
;
∆
p – разность давлений, Па;
µ
- динамический
коэффициент вязкости воздуха при температуре 20
0
С, Па*с. Газопроницаемость
имеет большое значение при использовании огнеупора для футеровки вакуум-
ных печей, при работе с защитной атмосферой, при изготовлении муфелей,
труб рекуператоров и т. п.
6) электропроводность. При низких температурах большинство огнеупорных
изделий является диэлектриками. При нагреве до температуры, при которой
возможно образование жидкой фазы, они становятся проводниками электриче-
ского тока. Исключением являются углеродосодержащие огнеупоры, которые
проводят ток при любой температуре. Проблема электропроводности приобрела
особое значение при развитии электросталеплавильных печей, для которых
электроизоляционные свойства огнеупоров особенно важны.
7) теплоемкость [с, Дж/(кг*К)] огнеупорных изделий зависит от их химиче-
ского и минералогического состава. Средняя теплоемкость различных огнеупо-
ров изменяется в пределах 0,84-0,96 кДж/(кг*К). С увеличением температуры
огнеупора теплоемкость возрастает, но незначительно. Удельная теплоемкость
влияет на скорость нагрева и охлаждения футеровки, а также на аккумуляцию
тепла насадок регенеративных камер и футеровки печей периодического дейст-
вия.
Лекция №7
Система водяного и испарительного охлаждения
элементов металлургических печей
Многие элементы конструкции металлургических печей, работающие в зоне
высоких температур имеют специальное охлаждение. Это предохраняет их от
прогара, повышает стойкость кладки, поддерживает температуру в пределах не
допускающих разрушение и износ материалов.
27
Охлаждение средой может быть воздух, вода или пароводяная смесь.
Воздушное охлаждение деталей применяется в случае, если плотность теплово-
го потока на стенку детали не превышает 2 кВт/м
2
. Этот способ применяется,
например, для охлаждения лещади доменной печи.
Наибольшее распространение имеют водяное проточное охлаждение и
замкнутые системы испарительного охлаждения печей.
1. Водяное (проточное) охлаждение.
Водяное охлаждение обеспечивает интенсивный отвод тепла от детали
или элемента печи. Детали печей, не защищенные футеровкой воспринимают
тепловые потоки в среднем q=200–800 кВт/м
2
,а футерованные или покрытые
гарнисажем от 5 до 150 кВт/м
2
. Особенностью водяного охлаждения является
низкий допустимый уровень нагрева воды. При нагреве до 40–60
0
С из воды
происходит выпадение солей, образование шлама, накипи на стенке. Средний
коэффициент теплопроводности накипи λ=0,3 Вт/(м*К). Это приводит к росту
термического сопротивления стенки и повышению ее температуры. Поэтому
воду нагревают только до 35–50
0
С, что приводит к очень большим ее расходам.
Известно, что средняя расходная скорость воды для предотвращения оса-
ждения механических взвесей в деталей не должна быть меньше 0,8 м/с. для
выбора минимальной скорости можно использовать эмпирическую формулу,
м/с
2,
0
э
2
min
d
q
10
W
⋅
⋅
=
−
где q – плотность теплового потока, кВт/м
2
;
d
э
– эквивалентный диаметр полости охлаждаемой детали, м.
Так для охлаждения рам и кессонов мартеновской печи минимальная ско-
рость для предотвращения местного кипения равна 2–5 м/с, для фурм и холо-
дильников доменной печи 0,5–3 м/с, для глиссажных труб методических печей
1–1,2 м/с.
28
В охлаждаемых деталях сложной конфигурации невозможно создать ус-
ловия, предотвращающие поверхностное кипение и образование накипи. Таким
образом водяное не устраняет опасности прогара в местах накипи и прорыва
воды.
Начиная с 1950 г на металлургических заводах стали переходить с водя-
ного охлаждения на испарительное.
2. Испарительное охлаждение.
При испарительном охлаждение используется в основном скрытая тепло-
та парообразования, которая отводится от охлаждаемой поверхности испаряю-
щейся водой.
Коэффициент теплоотдачи к кипящей воде от стенки значительно боль-
ше, чем к холодной воде.
Схема испарительного охлаждения является более прогрессивной и эко-
номически выгодной, несмотря на дополнительные затраты на химическую
очистку воды. Она повсеместно вытесняет водяное проточное охлаждение, так
как по сравнению с ним позволяет в 60–100 раз сократить расход воды и в 9–10
раз увеличить срок службы деталей. Схема испарительного охлаждения также
дает возможность использовать тепло получаемого пара. Для испарительного
охлаждения применяют химически очищенную катионированную воду, при ко-
торой исключается отложение накипи. Советские инженеры С. М. Андоньев и
Г. Е. Крушель в 1946 г разработали систему испарительного охлаждения
(СИО).В ней вода превращается в пар и интенсивно отбирает тепло от стенок
охлаждаемых элементов.
Рассмотрим принципиальную схему СИО.
1 – охлаждаемая деталь связана опускаемой 2 и подъёмной 3 трубами с
барабаном–сепаратором 4 в замкнутый контур.
29
10
4
2
3
9
8
7
6
5
Питательная вода
Насыщенный пар
Естественная циркуляция осуществляется в этом контуре благодаря раз-
ности плотности воды и пароводяной смеси, образующейся в детали. В системе
с принудительной циркуляцией на опускаемое 2 трубе устанавливается цирку-
ляционный насос. Питательная химически очищенная вода из источника 5 идет
по линии водоприемника 6; насосная станция 7; химическая водоочистка 8; на-
сосная станция 9. В системе испарительного охлаждения получают насыщен-
ный пар давлением 0,8 Мпа, в доменных печах , до 2,6 Мпа в мартеновских пе-
чах и до 4,5 Мпа в нагревательных печах. Если р<0,8, его применить трудно,
поэтому сейчас используют лишь 85 % пара СИО. Пар высокого давления ис-
пользуется в турбинах, а меньшего давления всеми службами завода. Испари-
тельным охлаждением оборудованы до 30 5 нагревательных печей, до 90 %
мартеновских, до 40 5 доменных печей.
Так как на испарение 1 кг воды затрачивается около 2260 кДж теплоты
(при атмосферном давлении), а на нагрев его до температуры кипения около
250–290 кДж, то каждый кг воды отбирает около 2510 кДж. В тоже время при
водяном охлаждении 1 кг воды способен отобрать не более 40–45 кДж, так как
нагрев технической воды во избежание выпадения солей и образование накипи
не должен превышать 40
0
С.
3. Применение системы испарительного охлаждения
30
Современная доменная печь теряет с охлаждающей водой в среднем до
120–170 кВт на 1 т выплавляемого чугуна. Потери тепла распределяются по зо-
нам доменной печи следующем образом: распар и заплечики – 67 %, фурменная
зона – 28 %, горн и лещадь – 5 %.
В качестве охлаждающих элементов, которые устанавливают почти по
всей высоте шахты печи и горна применяют холодильники. В каждой такой чу-
гунной плите залит змеевик из стальной трубки, для прохода охлаждающей па-
роводяной смеси.
Тепловой режим работы холодильников не стабилен во времени. Он зави-
сит от режима работы печи, периода кампании и места расположения холо-
дильника. Температура внутренней рабочей поверхности холодильников от 180
до 600
0
С.
В конструкции фурменных холодильников предусматривают их работу
как на испарительное охлаждение так и на возможность переключения их на
охлаждение проточной водой.
Несмотря на переоборудование части мартеновских печей на ДСПА схе-
мы охлаждения остаются без существенных изменений. Все схемы испаритель-
ного охлаждения включая элементы печи находятся в наиболее тяжелых темпе-
ратурных условиях: кессоны газовых печей, фурмы и форсунки мазутных печей,
пятовые балки главного свода и пережимов, рамы и заслонки завалочных окон,
31
стойки передней стенки, а также перекидные и регулирующие устройства и
другие элементы. Температура внутренней стенки охлаждаемых элементов, при
которой обеспечивается её надежная работа – 400–500
0
С. Стойкость охлаждае-
мых деталей – 3–4 кампании печи по своду, т. е. 2–3 года.
Лекция №8
Котлы-утилизаторы металлургических печей
1.
Назначение и характеристика котлов
КУ предназначен для получения бестопливного пара за счет использова-
ния тепла уходящих газов технологических агрегатов, в отличие от энергетиче-
ских котлов.
Основная задача КУ – снизить температуру выбрасываемых в атмосферу
газов и тем самым повысить к. п. д. печи.
Различают КУ радиационного, радиационно-конвективного и конвектив-
ного типа.
Котлы-утилизаторы первых двух типов применяют в конверторном про-
изводстве, где охлаждение газов после конверторов с t
г
=1700 – 1750
0
С проис-
ходит: в радиационных до 800–1200
0
С, в радиационно-конвективных до 250–
400
0
С.
Чаще всего используют КУ конвективного типа. Их устанавливают за
мартеновскими, нагревательными, обжиговыми и др. печами. Например, темпе-
ратура газов после регенератора мартеновской печи составляет 500–700
0
С, на
выходе из КУ – 200–300
0
С.
По компоновке поверхности нагрева и газового тракта различают газо-
трубные и водотрубные конвективные КУ. Газотрубные КУ: газ движется внут-
ри труб, образующий поверхность котла.
Водотрубные КУ. Конструкция типы, применение.
32
Конструкция КУ состоит из, трубчатых испарительных поверхностей на-
грева2, пароперегревателя 1, водяного экономайзера 3, барабана сепаратора 4,
водяного насоса 5, газохода 6.
Насыщенный
пар
Перегретый
пар
Питательная вода
Газ
1
2
3
4
5
6
6
По газоходам котла движутся уходящие газы печей, а испарительные
трубчатые поверхности, выполненные из змеевиковых пакетов, размещают в га-
зоходах по пути газов. Внутри труб циркулирует пароводяная смесь.
Типы котлов: КУ–40,50, 60, 80, 100, 100Б, 125, 150. Цифра и маркировка
означает мах. часовой расход дымовых газов через котел в тыс м
3
/ч. Допусти-
мая t
0
газа на выходе 650–850
0
С, параметры пара Р=1,8÷4,5 Мпа, t=365÷385
0
С.
Производительность 30–41 т/ч.
Компоновка: КУ–50 – горизонтальная, КУ–100 Б – башенная, у остальных
– П–образная.
Котлы утилизаторы однооборотные. Диаметр барабана 1508 и 1518 мм,
δ=36 мм. Внутри барабана 4 имеются паросепарационные циклоны. По ходу га-
зов после последовательно расположены пароперегреватель 1, секции испари-
тельной поверхности 2 (могут быть 2–3 секции испарительной поверхности) и
водяной экономайзер 3. Все поверхности нагрева изготовляют из труб диамет-
ром 32×3 мм (сталь 20). Малый диаметр дает увеличение поверхности нагрева
33
при небольших габаритах котла. Но это и недостаток, т. к. растет сопротивление
как по пароводяному, так и газовому тракту.
Циркуляция в КУ многократно–принудительная. На опускной трубе уста-
навливают циркуляционные насосы 5. Тяга обеспечивается дымососом, пре-
одолевающем сопротивление всей системы печь–котел–газоочистка. Газы в
котле охлаждаются до 200 – 230
0
С, при такой температуре обеспечивают нор-
мальные условия работы дымососа. В котлах КУ–80, 100, 125 и 150 предусмат-
ривает возможность подключения к ним испарительного охлаждения.
Лекция №9
Конструкция и тепловая работа доменной печи
1. Конструкция доменных печей
Доменная печь – самый крупный и сложный плавильный агрегат. Она
может без перерыва работать 5–6 лет. В печь непрерывно загружают железо-
рудные материалы и кокс, подается подогретый воздух (дутье), а из печи отво-
дится доменный газ. Тепло, которое выделяется в результате горения топлива,
расходуется на нагрев и расплавление материалов шихты, и образование чугуна
и шлака.
Чугун и шлак накапливается и выпускается из печи периодически через 2-
2,5 ч.
Чугун в доменной печи получается путем восстановления железа из оки-
слов железорудных материалов за счет СО от горения кокса.
Шихта доменной плавки – спекшиеся куски офлюсованного агломерата
или окомкованные и обоженные окатыши.
Основной вид топлива – кокс. В целях его экономии частично применяют
природный газ или мазут. Для интенсификации доменного процесса (горения
топлива) применяют кислород.
34
Основные размеры доменных печей приведены в таблице №1. Важней-
шей характеристикой доменных печей является их объем. Рабочий объем печи
– это высокая шахта круглого сечения, верхняя часть которой выложена огне-
упорным материалами (Рис. 1).
Верхняя часть печи называется колошником – 1, далее следует шахта – 2.
Шахта постепенно расширяется к низу и переходит в самую широкую часть пе-
чи – распар 3. Нижняя часть печи – горн 5 соединяется с распаром через запле-
чики 4. На нижнем уровне горна на высоте 0,5–0,2 м от лещади 6 расположены
отверстия для выпуска чугуна – чугунные летки (1, 2, 3, 4 в зависимости от объ-
ема печи). Между чугунной леткой и лещадью остается расстояние для предо-
хранения лещади от размывания чугуном. В средней части горна расположены
отверстия для выпуска шлака – шлаковые летки (1 или 2). В верхней части гор-
на имеются отверстия для воздушных фурм.
1 – Колошник, 2 – Шахта, 3 – Распар, 4 – Заплечики, 5 – Горн, 6 – Ле-
щадь, 7 – Фундамент.
2
1
3
4
5
6
7
Н
пол
35
Таблица №1 – Основные параметры доменной печи
Полезные объемы печей м
3
Параметры
2000
3000
5000
Полезная высота печи, м
29,4
31,2
32,2
Высота горна, м.
3,6
3,9
4,3
Высота шахты, м.
18,2
18,7
19,5
Диаметр горна, м.
9,7
11,6
14,9
Число воздушных фурм
20
28
36
Давление газов в доменной печи достигает 0,3–0,5 МПа (3–5 атм.), поэто-
му огнеупорная кладка печи заключена в стальную броню (кожух) толщиной
25–40 мм.
Толщина кладки в верхней части шахты 900–1000 мм, в нижней – 1300–
1500 мм. Для предотвращения перегрева и разрушения огнеупорной кладки, ее
охлаждают. Для этого между металлическим кожухом и огнеупорной кладкой
установлены водо – и пароохлаждаемые холодильники.
В верхней части доменной печи расположен засыпной аппарат, который
состоит из большого конуса с воронкой и малого конуса.
Доменная печь стоит на массивном фундаменте из огнеупорного бетона –
7.
Воздух, вдуваемый в горн доменной печи, нагревается в воздухонагрева-
телях регенеративного типа до t=1000–1250
0
С. Современная доменная печь
имеет 4 отдельно расположенных воздухонагревателя, которые работают по-
очередно: три нагревателя на нагрев (насадка нагревается дымовыми газами), а
через насадку четвертого подается холодный воздух (дутье). Период дутья 0,9–
1,5 ч. Затем происходит переключение воздухонагревателей. Охлажденную на-
садку переводят на нагрев газом, а воздух подают через насадку другого возду-
хонагревателя.
Коэффициент использования полезного объема.
36
т,
чугуна
выпловка
Суточная
м
,
объем
Полезный
.О.П.И.К
3
=
;
В современных печах К.И.П.О.=0,43–0,75.
2 Тепловая работа доменной печи.
t
чуг
=1400–1500
0
С;
t
шл.
= t
чуг
+20÷80
0
С;
t
в
=1000–1250
0
С;
Общей особенностью работы доменных печей является то, что процессы
тепло– и массообмена определяются газодинамическим режимом. Он заключа-
ется в фильтрации теплоносителя через движущийся в противопотоке слой кус-
ковых материалов весьма большой толщины (до 30м), где возникают значи-
тельные газодинамические сопротивления (до 0,15 МПа). В отличие от боль-
шинства плавильных и нагревательных печей, в доменных печах весь объем за-
полнен шихтой, и эти зоны “объединены”. При опускании в область высоких
температур вещества меняют не только физические свойства, но и размеры, аг-
регатное состояние и химический состав. Поэтому теплопередача от газов к ма-
териалу имеет сложный характер. Одновременно происходит эндо– и экзотер-
мические превращения и взаимодействия в слое шихты, между ее компонента-
ми и газом.
В межкусковом пространстве энергия передается теплопроводностью
(места контактов) и конвекцией, а в высокотемпературных зонах – излучением
между поверхностями обрабатываемых тел.
Общий коэффициент теплопередачи в доменной печи, комплексно отра-
жающий весь процесс, обычно устанавливается опытным путем.
Мы отметили, что в доменной печи протекают одновременно взаимосвя-
занные аэродинамические, тепловые и химические процессы.
37
Шихта при движении в печи сверху вниз претерпевает ряд изменений и
превращений: дегидратацию (удаление влаги), диссоциацию, восстановление,
плавление и шлакообразование.
В разных по высоте печи зонах идут различные процессы, т. к. от зоны к
зоне меняются температура, состав шихты и газов. Так, температура газа на ко-
лошнике на выходе из слоя шихты t
газ
=100–250
0
С, а в горне в фокусе горения
t
газ
=до 2000
0
С.
В доменной печи восстановление Fe из окислов идет двумя путями:
1) косвенное – с помощью СО и Н
2
. Оно идет с положительными тепловым эф-
фектом.
2) прямое – твердым углеродом; протекает с большим поглощением тепла.
В Верхней зоне в результате интенсивного теплообмена опускающаяся
шихта быстро нагревается поднимающимися газами до t
шл.
=800–900
0
С – кос-
венное восстановление.
При t
шл.
=900–1000
0
С начинается плавление и шлакообразование.
В нижней части печи в области распара при t
.
>1250
0
С образуется жидкий
шлак (полное расплавление при t
.
>1300–1400
0
С). В твердом состоянии остается
только кокс. Его раскаленные куски, которые омываются жидким шлаком, вос-
станавливают из окислов металла железо и отдельные составляющие шихты (Si,
Mn и др.). Здесь проходит прямое восстановление.
При t
.
=900–1150
0
С идет смешанное восстановление.
Считают, что прямым путем восстанавливается 20–30% Fe, косвенным –
80–70%. Характер теплообмена между газом и кусками шихты зависит от соот-
ношения их водяных эквивалентов.
Водяным эквивалентом газа (материала W
г
, W
м
) называют произведение
расхода газа (материала) на его (её) теплоемкость, т. е.
г
г
г
С
G
W
⋅
=
;
м
м
м
С
G
W
⋅
=
;
где G
г
; G
м
– расход газа и материала, кг/с или м
3
/с;
38
С
г
, С
м
– теплоемкость газа и материала, Дж/(м
3
⋅К) или Дж/(кг⋅К).
Общее уравнение теплового баланса можно написать следующим обра-
зом:
г
г
г
м
м
м
dT
С
G
dT
С
G
⋅
⋅
=
⋅
⋅
где G
г
; G
м
– расход газов и материалов;
С
г
, С
м
– теплоемкость газов и материалов;
dT
м
, dT
г
– изменение температуры материалов и газов, К.
Применяя водяные эквиваленты, можно записать:
г
г
м
м
dT
W
dT
W
⋅
=
⋅
Изменение температур (а) и водяных чисел (δ) по высоте доменной печи.
III
II
I
2
1
a)
III
II
I
1
2
δ)
I – нижняя ступень теплообмена; II –холостая высота; III – верхняя ступень теп-
лообмена; 1 – шихта, 2 – газ.
Характер теплообмена между газом и шихтой приводит к именно такой
картине распределения температуры и водяных чисел шихты и газа, который
представлен на рисунке. Анализируя схему теплообмена можно сделать сле-
дующий выводы:
1) теплообмен в доменной печи происходит по всем трем схемам, смещен-
ным по высоте, каждая из которых характеризуется своим соотношением водя-
ных чисел::
верх печи W
м
<W
г
; середина W
м
≈W
г
; низ печи W
м
>W
г
;
39
2) тепловую работу газовый поток совершает последовательно в двух ступе-
нях нагрева, которые разделены зоной умеренных температур (холостая высо-
та).
3) тепловая работа каждой ступени отличается автономностью, т. е. имеют
свои автономные тепловые балансы.
Характер изменения температур для верха доменной печи является обыч-
ным для противотока, когда газы выходят из процесса теплообмена с избыточ-
ной t
0
C. Для верха печи W
м
<W
г
и в газе всегда тепла больше, чем может при-
нять шихта проходя определенную высоту. Верх печи можно рассматривать как
теплообменник, предназначенный для использования тепловой энергии газов,
уходящих из нижней ступени теплообмена.
Опускающаяся шихта нагревается в зоне умеренных температур до уров-
ня предельно возможного и не может потребить большого количества тепла.
Поэтому в колошниковом газе всегда остается избыток тепла. Даже с примене-
нием охлажденного агломерата или окатышей t
0
на колошнике достигает t=100–
150
0
С. В нижних частях доменной печи теплоемкость потока шихты больше
теплоемкости потока газов С
ш
>С
г
, т. е. i
ш
>i
г
(при данной t
0
шихта содержит
больше тепла, чем газ). Поэтому шихта не может нагреваться до той температу-
ры, с которой газы из фурменных очагов устремляются вверх. Она выйдет из
теплообмена с температурой ниже температуры газов. Начиная с зоны умерен-
ных t
0
, разность между t
0
газа и шихты возрастает и достигает максимума в
фурменных очагах.
40
Лекция №10
Конструкция и тепловая работа мартеновской печи
1. Общая характеристика.
Одноканальная мартеновская печь состоит: из верхнего строения – части
мартеновской печи, находящиеся над рабочей площадкой, нижнего строения –
части мартеновской печи, находящиеся под рабочей площадкой печи.
Верхнее строение: рабочее пространство, ограниченное подом, передней
и задней стенками и сводом; в торцах рабочего пространства расположены го-
ловки печи, служащие для подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горе-
ния; головки печи соединяются при помощи вертикальных каналов с нижним
строением печи.
Нижнее строение: часть вертикальных каналов под рабочей площадкой,
шлаковики, служащие для улавливания частичек пыли и шлака из продуктов
горения; регенераторы с регенеративными решетками, служащими для аккуму-
ляции тепла, уносимого продуктами горения и для нагрева воздуха (или воздуха
и газа); борова, служащие для отвода продуктов горения и для подвода воздуха
(или воздуха и газа); реверсивные и регулирующие клапаны и заслоны (шибе-
ры), служащие для осуществления реверсирования факела пламени.
За мартеновскими печами находятся: котлы – утилизаторы, служащие для
утилизации тепла отходящих продуктов горения; газоочистки для очистки про-
дуктов горения от пыли; дымовые трубы для создания совместно с дымососами
необходимого разряжения для эвакуации продуктов горения из печи и рассеи-
вания вредных выбросов.
Мартеновские печи симметричны по своей конструкции. Если левая часть
печи служит для отвода продуктов горения, то правая – для подвода газа и воз-
духа. При реверсировании факела назначение левой и правой частей печи меня-
ется: левая часть служит для подвода газа и воздуха, правая – для отвода про-
41
дуктов горения. Реверс факела – через 5-20 мин. в зависимости от периода плав-
ки и t
0
насадки регенераторов.
2. Элементы конструкции мартеновской печи.
1) Рабочее пространство мартеновской печи предназначено для осуществле-
ния непосредственно процесса выплавки стали. Ограничено сводом, передней и
задней стенками, подиной.
2) Ванна мартеновской печи – часть рабочего пространства, расположенная
ниже уровня завалочных окон и ограниченная подиной, продольными и попе-
речными откосами. Основные размеры ванны – длина L, ширина Е, глубина h.
Вместимость ванны должна быть достаточной для вмещения всего жидкого ме-
талла и слоя шлака толщиной 50-100мм.
Требуемая вместимость ванны:
S
h
T
V
шл
м
⋅
+
ρ
=
,
где Т – вместимость печи, т; S – площадь пода, м
2
; h
шл.
– толщина слоя шлак, м;
ρ
м
– условная плотность металлической фазы, т/м
3
, без продувки О
2
ρ
м
≈5,5-6,0
т/м
3
.
3) Под основных мартеновских печей состоит из огнеупорной кладки шамот-
ного и магнезитового кирпичей и наварного или набивного слоя (подины) из
магнезитового порошка.
Требования к подине: в процессе эксплуатации должна выдерживать ста-
тические нагрузки массы металла и шлака, разрушающее действие при загрузке
шихтовых материалов, воздействие эрозионных процессов при взаимодействии
наварного слоя с расплавленным металлом и шлаком и действие температурных
напряжений, возникающих в огнеупорных материалах при достаточно частных
перепадах температур.
Кладка пода должна обеспечить хорошую стойкость наварного или на-
бивного слоя и минимальные тепловые потери в окружающую среду.
42
Огнеупорную кладку выполняют: на подовые балки металлического кар-
каса укладывают металлический лист толщиной 10-15 мм и листовой асбест
толщиной 20 мм; затем на “на плашку” (три ряда по 65 мм), “на ребро” (2 ряда
по 115 мм) и “на торец” (1-2 ряда по 230 мм). Толщина магнезитовой кладки
410-805 мм. Затем идет наварной или набивной рабочий слои из магнезитового
порошка толщиной 200-300 мм.
Откосы продольные и поперечные выкладывают из магнезитового кирпи-
ча с оставлением t
0
швов на сухом магнезитовом порошке. Угол наклона не
должен превышать 45
0
. В заднем продольном откосе – сталевыпускное отвер-
стие – d
отв.
=100-250 мм.
Передняя стенка рабочего пространства является продолжением передне-
го продольного откоса, начиная от уровня порогов завалочных окон. По своей
конструкции представляет собой ряд простенков столбиков, между которыми
расположены проемы – завалочного окна (до 100 т – 3 завалочных окна, до 500
т – 5 окон, до 900 т – 7 окон). Нечетное количество окон, чтобы через среднее
окно можно обслуживать сталевыпускное отверстие.
Своды мартеновских печей (рассмотрим основные своды).
Современные мартеновские печи оборудованы распорно-подвесными
сводами из основного магнезитохромитового или периклазошпинелидного кир-
пича марок и ПШСП (плотного П) и МХСПО, ПШСПО (обыкновенного О). В
распорно-подвесном своде отдельные кирпичи в арке (кольце) соединенными
между собой металлическими штырями. Между кирпичами в акре проложены
металлические пластины толщиной 0,5-1,0 мм. Через каждые 6-8 кирпичей про-
кладывается удлиненные пластины толщиной 6-8 мм, для которых в подвесных
кирпичах наряду с отверстиями для штырей штампуется специальный паз. Эти
пластины подвешивают на спаренные уголки (или спаренные швеллеры), про-
долженные вдоль всего свода.
Подвесной свод. Конструкция заключается в том, что каждый кирпич
имеет свою индивидуальную подвеску и между отдельными кирпичами, поми-
43
мо стальных пластин, прокладывают выгорающие прокладки из толевого кар-
тона (расширение кирпича).
Основные своды на передовых заводах оборудованы механизированной
обдувкой их поверхности от пыли. t
0
не должна быть>1700
0
С и <1300
0
С.
Головки. Служат для подачи топлива и воздуха и их перемешивания,
полноты сгорания топлива, получение жесткого (большая V) и настильного фа-
кела в рабочем пространстве и отвода продуктов горения.
Одноканальные головки имеют один вертикальный канал, по которому
попеременно идут нагретый воздух или отводимые в регенератор продукты
сгорания. Угол свода над головкой (27-31
0
). Недостаток одноканальной головки
повышенные тепловые потери вследствие незафутерованных охлаждаемых кор-
пусов горелок. Преимущества – простота конструкции, удобства ремонтов.
Двухканальные головки имеют два внутренних канала, по которым под-
нимается воздух и отводится продукты горения. На разделительной стенке ме-
жду ними устанавливают горелку или форсунку в специальной водоохлаждае-
мой арматуре. Угол наклона свода над головкой α=18–26
0
, а угол наклона го-
релки 9–15
0
. Двухканальными головками оборудованы печи до 250 т., отапли-
ваемые мазутом или газомазутным топливом.
Есть трехканальные головки системы “Вентури” устанавливаются на пе-
чах работающих на смешанном коксодоменном газе, природном газе с рефор-
мации его в бывшем газовом вертикальном канале.
Вертикальные каналы.
Огнеупорная кладка вертикальных каналов выполняется из хромомагне-
зитового кирпича. Она испытывает большие напряжения из-за высоких t
0
пере-
падов и действия собственного веса. Стойкость вертикальных каналов опреде-
ляется, в основном, скоростью продуктов сгорания, несущих плавильную пыль.
Эта пыль разрушает кладку воздействуя на нее, как механически, так и химиче-
ски. Поэтому площадь сечения вертикальных каналов рассчитывают на основа-
нии оптимальных скоростей продуктов сгорания.
44
Нижнее строение печи.
Шлаковики. При выплавке стали из рабочего пространства печей, выно-
сится плавильная пыль в количестве 12–20 кг/т. Особенно много пыли образу-
ется при продувке ванны кислородом. Пыль содержит частицы оксидов железа,
извести и других материалов. 40–60% оседает в шлаковиках, часть ее оседает в
регенераторах. Мелкие частицы улавливаются в газоочистках или выбрасыва-
ются через дымовые трубы в атмосферу. Шлаковики работают как простейшие
пылеуловители и представляют собой прямоугольные емкости, в которых за-
канчиваются вертикальные каналы. При резком расширении каналов и повороте
в регенератор (α=90
0
) наиболее крупные частицы пыли теряют скорость и осе-
дают в шлаковике. Объем шлака, выпадающего в шлаковиках за кампанию, оп-
ределяют по формуле, м
3
:
.
шл
.
шл
A
T
q
V
ρ
⋅
⋅
=
;
где q – удельное количество осаждаемой пыли (0,006–0,008
т
т
);
ρ
шл.
– плотность шлака в шлаковиках, т/м
3
;
Т – масса плавки, т;
А – число плавок за кампанию печи.
Суммарная вместимость шлаковиков несколько больше этого объема.
Объем шлаковиков определяется по следующей формуле:
h
в
l
8,
0
V
⋅
⋅
⋅
=
,
где l – длина шлаковика, м;
в – ширина его, м;
h – расстояние от подины шлаковика до перевальной стенки, м;
0,8 – коэффициент заполнения шлаковика.
3 Тепловая работа мартеновских печей.
45
В настоящее время на Украине и ближнем зарубежье эксплуатируются печи
садкой до 900 т. Под садкой или емкостью печи понимают массу чугуна и скра-
па, загружаемые в печь для одной плавки.
В общем, процесс выплавки стали заключается в расплавлении завален-
ной металлошихты, удалении примесей из расплава до определенных пределов,
регламентированных маркой стали. Кислород для окисления примесей поступа-
ет в ванну из двух источников: из атмосферы печи диффузией через шлак и из
твердых окислителей (железная руда чаще всего). В последние годы получила
распространение продувка ванны кислородом. Она позволила повысить произ-
водительность печей, но и породила проблемы (СО не успевает догореть над
ванной и выносится из рабочего пространства).
Тепло-массообменные процессы в рабочем пространстве мартеновской
печи определяются условиями сжигания топлива и характеристиками факела. В
рабочем пространстве печи для нормального хода процесса необходимо иметь
температуру около 1750
0
С. При этом необходимо создать такие условия сжига-
ния топлива, при которых калориметрическая температура должна быть около
2500
0
С. Такую температуру горения без подогрева воздуха, идущего на горение
или воздуха и газа получать невозможно. Из рабочего пространства уносится
приблизительно 80% тепла, поданного в печь. Такой подогрев осуществляют за
счет утилизации тепла отходящих продуктов горения, имеющих t=1600–1700
0
С. Если печь работает на высококалорийном топливе (природный газ, мазут),
то в регенераторе подогревается только воздух. В случае работы печи на топли-
ве с низкой теплотой сгорания, подогревается и воздух и топливо (смесь домен-
ного и коксового газа с
3
р
н
м/
кЖд
14000
Q =
).
Подогрев воздуха и газа осуществляется до t=1050–1150
0
С.
Проходя через регенератор дымовые газы, охлаждаются с 1500–1600
0
С
до 800–600
0
С.
Основным видом передачи тепла в печи являются тепловое излучение (∼
90%). Повышение температуры в рабочем пространстве ограничено стойкостью
46
футеровки печи. Поэтому в отдельные периоды плавки (например, доводка0,
когда температура футеровки на пределе, необходимый уровень теплоотдачи от
факела можно обеспечить лишь повышением излучательной способности факе-
ла, т. е. его светимости. Если печь отапливается мазутом, то факел обладает
достаточной светимостью. При отоплении печей газообразным топливом то для
обеспечения необходимой светимости достигается добавками мазута или смолы
(искусственная карбюрация факела). Иногда осуществляют самокарбюрацию
факела за счет разложения углеводородов газообразного топлива (установка
реформаторов на печах).
Обычно для мартеновских печей составляется тепловой график плавки.
По ходу плавки контролируется такие величины, как тепловая нагрузка, темпе-
ратура поверхности свода, температура поверхности ванны, рассчитывается
термический к. п. д. Тепловая нагрузка и температура свода – основные вели-
чины, по которым ведется плавка.
Удельный расход тепла колеблется от 2100 МДж/т (крупные печи) до
6300 МДж/т (малые печи).
Тепловой график плавки
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
t,
0
C
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
заправка
завалка прогрев
плавлени
е
доводка
1
2
3
4
10
30
50
Т
е
р
м
и
ч
е
с
к
и
й
к
.
п
.
д
.
,
%
21,0
16,4
12,0
7,0
2,3
Т
е
п
л
о
в
а
я
н
а
г
р
у
з
к
а
,
М
В
т
47
1 – тепловая нагрузка; 2 – температура поверхности свода; 3 – температу-
ра ванны; 4 – термический к. п. д. по длине плавки.
1. Период заправки печи необходим для поддержания кладки подины печи в
надлежащем состоянии. Устраняют повреждения подины перед последую-
щей завалкой. В этот период металла в печи нет, топливо тратится только
поддержание рабочей температуры.
2. Период завалки –это время, необходимое для завалки твердой шихты в печь.
В течение этого периода обеспечивается наивысшая теплоотдача от факела
к шихте – t
0
шихты и большая ее поверхность, возможность проникновения
газов в толщу шихты, т. е. развитие конвективной теплоотдачи
(
)
ш
ф
t
t
q
−
α
=
; t
0
температура свода понижается, т. к. много тепла забирает
холодная шихта.
3. Период прогрева. В этот период условия теплообмена близки к условиям пе-
риода завалки, однако температура свода постепенно повышается, хотя и не
достигает критического уровня. Поэтому тепловую нагрузку надо поддер-
живать на максимальном уровне.
4. Период плавления металлической шихты – время от конца периода ее про-
грева до полного ее расплавления. В этот период большую роль играет теп-
лоотдачи от факела, который должен иметь настильные свойства, что при-
ближает максимум температур к поверхности ванны и создает условия на-
правленного теплообмена. Факел должен иметь высокую степень черноты и
обеспечивать большие тепловые потоки на поверхности ванны. Температура
свода достигает в этот своего предельного уровня. По мере роста темпера-
туры свода тепловая нагрузка снижается.
5. Период доводки – это отрезок времени от момента полного расплавления до
выпуска готовой части. В этот период температура свода и поверхности
ванны достигают максимальных величин. В результате непрерывного и зна-
чительного подъема температуры поверхности ванны уменьшается разность
температур между сводом, факелом и поверхностью ванны. Поэтому усло-
48
вия теплообмена в этот период наихудшие и тепловая нагрузка снижается
до минимального уровня. В этот период металл доводят до заданного хими-
ческого состава, путем добавления различных ферросплавов. Чтобы питать
ванну теплом, необходимо, чтобы факел имел высокую светимость.
Лекция №11
Конструкция и тепловая работа двухванных
сталеплавильных агрегатов
1. Возникновение и сущность процесса.
При нормальном ходе обычного мартеновского процесса СО полностью
окисляется до СО
2
над ванной. Тепло этой реакции используется для нагрева
ванны, причем лучше, чем тепло топлива.
При интенсивной продувке ванны О
2
(4000–6000 м
3
/ч через три фурмы)
теоретически ожидалось, что улучшится тепловой баланс печи и уменьшится
расход топлива. Но этого не наблюдается. Причина заключается в том, что,
трудно полностью дожечь в рабочем пространстве значительное количество
СО, выделяющееся из ванны. Часть несгоревшей СО и большое количество пы-
ли выносится дымовыми газами из рабочего пространства печи. Кроме того
происходит перегрев нижнего строения печи, в первую очередь насадок регене-
ратора и быстрый выход их из строя. Ванны мартеновской печи больше при-
способлены для нагрева металла теплом факела, чем для окисления углерода с
высокой скоростью. Поэтому продувка мартеновской ванны О
2
с высокой ин-
тенсивностью нецелесообразна. Учитывая вышеуказанные недостатки, необхо-
димо было создать новый сталеплавильный агрегат, в котором процесс можно
было проводить с более интенсивной продувкой, чем в мартеновских печах и
при этом максимально использовать тепло дожигания СО до СО
2
. По габаритам
агрегат должен быть таким, чтобы его можно было поставить вместо мартенов-
ских печей.
49
В СССР ДСПА начали сооружать в 1965 г. В это время была освоена ин-
тенсивная продувка металла ванны О
2
через сводовые охлаждаемые фурмы в
мартеновских печах.
2. Конструкция двухванных сталеплавильных агрегатов.
ДСПА имеют две камеры с общим сводом, сообщающимся между собой
соединенным окном. Все основные размеры каждого рабочего пространства
выбраны с учетом интенсивной продувки ванны кислородом.
Форма ванны отличается от мартеновских тем, что отношение длины к
ширине (L/D) составляет 1,4–1,8 вместо 2,5–3,9 в мартеновских печах. В связи с
этим площадь пода сравнительно небольшая (более глубокая ванна), а удельная
нагрузка на него высока и достигает 4,5– 5,5 вместо 3,0–3,3 т/м
2
в мартеновских
печах. Необходимый объем ванны достигается в результате увеличения ее глу-
бины до 1,8–2,2 м.
В передней стенке рабочих пространств предусмотрено по три завалоч-
ных окна. Задняя стенка имеет значительный вертикальный участок. Сталевы-
пускные отверстия в задней стенке расположены строго по середине каждой
ванны против среднего завалочного окна.
Свод двухванных агрегатов удален от поверхности ванны на максималь-
ную высоту, достигающую 4200–4450 мм. В этом случае огнеупоры работают в
лучших условиях, стойкость свода составляет > 1100 плавок. В связи с большой
высотой свода излучательная роль свода в теплообмене в рабочем пространстве
невысока. К тому же атмосфера рабочего пространства в ДСПА сильно запы-
ленная. Конструкция и крепления сводов аналогичны конструкции сводов мар-
теновских печей. Свод выполняется прямым без пережимов из магнезитового
кирпича длиной 4600 мм, над вертикальными каналами – 380 мм. В своде име-
ются шесть отверстий для сводовых продувочных фурм и отверстия для шести
газокислородных горелок.
50
Головки (в отличие от головок мартеновских печей) предназначены толь-
ко для отвода дымовых газов. Головки одноканальные. Перевал между ванной и
вертикальным каналом по высоте находится на одном уровне с перевалом меж-
ду ваннами.
Объем шлаковиков обеспечивает длительность кампании агрегатов
(1000–1200 плавок), т. к. значительная часть пыли оседает в камере нагрева.
Регенераторы в ДСПА отсутствуют.
Борова в отличие от боровов мартеновских печей имеют значительно
большее сечение в связи с большим объемом отходящих продуктов горения и
оборудованы перекидными устройствами.
3. Технология и тепловая работа ДСПА.
Рабочее пространство ДСПА разделено перевалом на две ванны. Обе ван-
ны имеют общий свод, так что продукты сгорания, образующиеся в одной ван-
не, проходят во вторую ванну (через разделительное окно).
Печь работает следующим образом: в одной ванне (горячей) происходит
плавление и доводка с интенсивной продувкой металла кислородом. Во второй
ванне (холодной) в тоже время идет завалка и прогрев твердой шихты. Газы из
горячей ванны направляются в холодную и состоят до 35% из СО. В холодной
ванне СО догорает до СО
2
и за счет выделяющегося тепла происходит нагрев
твердой шихты. Недостающее для процесса нагрева тепло восполняется пода-
чей природного газа через газокислородные горелки, установленные в своде
печи. Сгорание природного газа и догорание СО происходит за счет дополни-
тельного кислорода.
Когда готовую сталь из первой ванны выпускают, во вторую заливают
жидкий чугун. После заливки чугуна начинают продувку ванны кислородом. С
выпуском металла из первой ванны цикл плавки заканчивается и начинается
новый. В то же время с помощью перекидных шиберов изменяется направление
движения газов. Теперь бывшая холодная ванна становится горячей. Ванну, с
которой выпустили металл заправляют, производят завалку шихты, и цикл по-
51
вторяется. ДСПА работает таким образом, чтобы было равенство холодного и
горячего периодов. Например, для печи с двумя ваннами по 250 т общая про-
должительность плавки составляет 4 часа. Каждый период длится по 2 часа.
Металл также выпускается через каждые 2 часа. Раскисление стали производит
в коше.
Холодная ванна печи частично играет роль регенераторов, аккумулируя
тепло газов, покидающих горячую ванну с t≈1700
0
C и частично улавливает
пыль, как шлаковик. Дымовые газы, покидают рабочее пространство печи с
t≈1500
0
C. Они поступают по вертикальному каналу в шлаковик и там охлаж-
даются водой до t≈900–1000
0
C, а затем направляются в боров. В борове за счет
подсоса холодного воздуха их температура понижается до t≈700
0
C.
Количество пыли в дымовых газах составляет большую величину (20–40
г/м
3
). Пыль состоит на 85–90% из окислов железа.
Приближенно использование тепла окисления СО до СО
2
в рабочем про-
странстве печи, отнесенного к 1 кг окисленного углерода,
ск
со
q∆
(кДж/кг), можно
определить по формуле:
(
)
(
)
д
в
co
co
ск
со
t
t
9,
2
m
7,
1
m
23600
q
−
⋅
+
⋅
+
⋅
=
∆
,
где m
co
– степень окисления СО до СО
2
(при полном окислении m
co
=1, при от-
сутствии окисления m
co
=0);
t
в
– средняя температура ванны за время продувки,
0
С;
t
д
– средняя температура дыма на выходе из печи,
0
С;
23600 – стандартный тепловой эффект реакции окисления СО до СО
2
,
кДж/кг [C];
1,7 и 2,9 – коэффициенты, учитывающие количество газов и их удельные
теплоемкости.
Преимущества ДСПА: переработка большего количества лома, чем в кон-
верторах.
52
Недостаток ДСПА: меньший выход годной стали, повышенный расход
жидкого чугуна и выбивание большего количества газов через завалочные окна
в цех.
Лекция №12
Конструкция и тепловая работа кислородных
конвертеров
1. Сущность процесса.
Технический чистый О
2
через водоохлаждаемую фурму в виде струи вво-
дят в жидкий чугун сверху или снизу. В месте соприкосновения струи О
2
и ме-
талла идет бурное окисление примесей чугуна, что приводит к значительному
повышению t
0
металла. Избыток тепла позволяет перерабатывать обычный по
составу передельный чугун с добавкой скрапа, железной руды, извести, плави-
кового шпата СаF
2
.
2. Конструкция конвертера.
В соответствии с ГОСТом номинальная вместимость конверторов (по
массе жидкой стали) составляет: 50, 100, 130, 160, 200, 250, 300, 350, 400, 500 т.
Широко употребляемой характеристикой конвертора является его садка,
т. е. масса металлических шихтовых материалов (чугуна и металлолома), загру-
жаемых в конвертор на плавку.
Номинальная вместимость связана с садкой через коэффициент, называе-
мый выходом жидкой стали.
53
Кислородный конвертор это агрегат – для выплавки стали, грушевидной
формы. Металлический корпус конвертора симметричен относительно верти-
кальной оси. Огнеупорная футеровка формирует рабочее пространство. Рабочее
пространство ограничено снизу днищем со сферической частью, переходящей в
цилиндрическую. Сверху рабочее пространство имеет коническую форму с гор-
ловиной. Возможен также вариант рабочего пространства с нижней конической
частью (в место сферической). Корпус крепится в опорное кольцо с цапфами,
опирающимися на станины. Цапфы обычно изготавливают полыми для подвода
к корпусу различных коммуникаций, они имеют водяное или воздушное охлаж-
дение. Цапфы соединены с механизмом поворота, обеспечивающий поворот
конвертора на 360
0
в любом направлении. По конструкции днища, конверторы
разделяют: глуходонные и вставные или приставные днищами. Приставные или
вставные днища облегчают организацию ремонтов футеровки, но при этом су-
ществует опасность протекания металла в стык. Днище конвертора при садке
250–350 т глухое. Если номинальная вместимость конвертора до 150 т – днище
съемное и крепит его к корпусу болтами. Кожух конвертора сваривают из
стальных листов толщиной 50–100 мм. Верхнюю часть кожуха в области горло-
вины защищают сменным шлемом. По вертикальной оси конвертора сверху че-
рез горловину вводится водоохлаждаемая фурма. Над конвертором, кроме фур-
мы, находится газоотводящий тракт и система загрузки сыпучих материалов.
Под конвертором по рельсам перемещается сталевоз и шлаковоз (тележки для
сталеразливочного и шлаковых ковшей).
Важнейшие параметры конверторов: удельный объем, глубина и диаметр
ванны, высота рабочего пространства, отношение высоты к диаметру, диаметр
горловины, толщина футеровки.
1. Объем 1 т жидкого металла составляет 0,14–0,15 м
3
, с учетом шлака общий
объем жидких расплавов можно принять 0,20 м
3
/т. При продувке в результате
образования шлаковой пены этот объем увеличивается в 2–3 раза. Исходя из
этого величина удельного объема конвертора принимают 0,8–1,0 м
3
/т. она
54
обеспечивает минимальные потери металла в виде выбросов и выноса круп-
ных капель отходящими газами.
2. Отношение высоты рабочего пространства к его диаметру Н/Д находится в
пределах 1,4–1,8. Расчетом установлено, что минимальные тепловые потери
будут при Н/Д≈1. Рост внутренней высоты конвертора уменьшает выбросы и
вынос, но сопровождает увеличение общей высоты здания. Увеличение диа-
метра ванны снижает воздействие реакционной зоны на футеровку агрегата,
но влечет ухудшение циркуляции ванны во время продувки и уменьшение
глубины ванны (при данном удельном объеме). Н/Д уменьшается с увеличе-
нием вместимости конвертора.
3. Глубина ванны h
в
зависит от садки конвертора. При продувке ванны сверху
она должна быть больше глубины проникновения реакционной зоны металла
из условий стойкости огнеупорной футеровки днища. Слишком глубокая
ванна при верхней продувке плохо перемешивается в придонных областях.
4. Диаметр горловины должен обеспечивать быструю загрузку металлолома в
конвертор, отбор проб, замер температуры и торкретирование. Однако с уве-
личением Д
г
растут тепловые потери, потери с выбросами и подсос воздуха в
рабочее пространство при продувке. Горловина выполняется в виде усечен-
ного конуса, что снижает вероятность образования застойных зон в ванне и
приближает ее форму к профилю износа футеровки.
3. Тепловой режим конвертера.
При продувке ванны О
2
на поверхности ванны, где струя входит в металл,
образуется зона первичных реакций с высокими температурами 2200–2500
0
С. В
этой зоне резко увеличивается скорость окисления примесей. Струя О
2
взаимо-
действует с газовой атмосферой в полости конвертора, подсасывая окружаю-
щий газ. Газы выделяющиеся из ванны содержат 85–90% СО, которая в кисло-
родной струе частично сгорает до СО
2
. У поверхности ванны струя, в основном,
состоит из О
2
и СО
2
. Они энергично окисляют ванну. Реакции идут на границах
55
газ–шлак, газ–металл, шлак–металл. Частично идет прямое окисление газовой
струей C, Si, Mn и Р. Но основные реакции проходят между газовой струей и
железом:
CO
FeO
CO
Fe
FeO
O
2
1
Fe
2
2
+
=
+
=
+
Капли окислов Fe при перемешивании ванны вызывают вторичные реак-
ции окисления струей C, Si, Mn и др. СО частично догорает до СО
2
, а основная
масса горит за счет О
2
воздуха на выходе из конвертора. Количество уходящих
газов: 75–80% СО, 14–16% СО
2
, остальное N
2
, H
2
, и О
2
.
Информация о работе Лекции по "Металлургическим печам"