35560

Доменные фурмы. Снижение потерь тепла от горячего дутья через внутренний конус (стакан) фурмы

Реферат

Производство и промышленные технологии

В работах сообщается об успешной эксплуатации фурм с внутренними конусами из углеродистых и легированных сталей. О снижении теплопотерь от стальных конусов говорит тот факт [30] что замена материала внутреннего конуса толщина стенки – 10 мм с меди на углеродистую и легированную сталь приводит к повышению температуры поверхности конуса со стороны горячего дутья со 108 до 300 и 5600С соответственно. Но со временем сложилось мнение [5] что конструкции фурм со стальными внутренними конусами недолговечны так как испытывая ударные...

Русский

2013-09-17

616.5 KB

13 чел.

Доменные фурмы

Снижение потерь тепла от горячего дутья

через внутренний конус (стакан) фурмы

В 19-м веке воздушные фурмы доменных печей изготавливали кузнечной сваркой двух стальных труб. В дальнейшем перешли на применение полых цельнолитых фурм из чугуна, однако снижение затрат  на их производство не было оправданным из-за низкой стойкости таких фурм. Наиболее стойкими оказались медные кованые фурмы  без заклепочных соединений. В отличие от чугунных фурм, медные не так интенсивно  обрастали  гарниссажем  и поэтому легче  заменялись.

Тем не менее, довольно долго применялись английские фурмы  (чугунные с залитым стальным  змеевиком), которые были дешевле медных и работали надежно, если применяемая  для охлаждения вода была достаточно чиста. Чугунная оболочка не боялась соприкосновения с жидким чугуном, снижала теплопотери печи. Такие фурмы применяли на заводах Новороссийского общества Юза до 1910 года, а в Англии до   40-х годов 20-века. Еще одним преимуществом английских фурм считали четкую информацию о прогаре в виде сильной пульсации воды [31].

В работах [32, 33] сообщается об успешной эксплуатации фурм с внутренними конусами из углеродистых и легированных сталей. О снижении теплопотерь от стальных конусов говорит тот факт [30], что замена материала внутреннего конуса (толщина стенки – 10 мм) с меди на углеродистую и легированную сталь приводит к повышению температуры поверхности конуса со стороны горячего дутья со 108 до 300 и 5600С соответственно.

Но со временем сложилось мнение [5], что конструкции фурм со стальными внутренними конусами недолговечны, так как, испытывая ударные нагрузки при постановке фурмы в печь и термические (при постановке печи на «тягу») стальные конуса «текут» в местах сварки с медной частью и (иногда) с фланцем. Кроме того, высокая температура дутья вызывает преждевременную коррозию и износ стального конуса.

В настоящее время на большинстве заводов стандартная конструкция фурмы состоит из медной части (рыло и оба конуса) и стального фланца. Внутренний медный конус такой фурмы при ее эксплуатации разогревается до 84-89° С со стороны горячего дутья и до 67-80° С на поверхности контакта с охлаждающей водой [29], обеспечивая интенсивный отвод тепла от горячего дутья охлаждающей воде.

Распределение теплового потока на различные участки фурмы при ее эксплуатации трактуется неоднозначно. Большинство исследователей утверждает, что наиболее теплонапряженный участок – торцевая часть (рыло), на которую приходится 70% воспринимаемого фурмой тепла.

Однако есть сведения [1], что в обычных условиях работы доменной печи на рыло, наружный и внутренний конусы фурмы поступает соответственно 18, 36 и 46% (а по данным [2]  - 60%) суммарного теплового потока. При этом количество тепла, отводимого с охлаждающей водой от внутреннего конуса фурмы, составляет 93 кДж/с, а в целом на доменной печи (20 фурм) от горячего дутья отводится около 48 ТДж тепла в год (потери условного топлива около 1,65 тыс.т).

Если поднять температуру горячего дутья с 1000 до 1300° С, тепловые потери через стенки внутреннего конуса возрастут с 93 до 128 кДж/с, что указывает на необходимость применения тепловой изоляции поверхности внутреннего конуса фурмы.

Если взять стандартную конструкцию фурмы за объект сравнения (основу), можно сформулировать следующие направления исследований по снижению потерь тепла:

  •  экзотические способы теплоизоляции;
  •  установка дополнительных экранов между медным внутренним конусом и потоком нагретого газа;
  •  футеровка внутреннего конуса теплоизоляционными покрытиями;
  •  футеровка и установка экранов.

1. Экзотические способы и конструкции

 ИЧМ [3] предлагает облицовку всей медной части фурмы оксидной пленкой фтористой меди. Фурму помещают в герметичный шкаф, в который подают фтор, а после фторирования меди – вентилирующий азот. Слой CaF2 плохо проводит тепло и, следовательно, является теплозащитой внутреннего конуса.

Поскольку нет сведений о практической реализации такого способа и фурмы, нет оснований утверждать, что слой CaF2 имеет достаточную толщину для эффективной теплозащиты. Кроме того, не ясно, выдержат ли силы сцепления CaF2 с медью напора разогретого газа (не слетит ли покрытие с конуса?).

ДМетИ [4] предлагает довести относительную шероховатость внутреннего конуса до 10-3-

-10-7. Теоретически это обеспечивает увеличение доли тепла дутья, отраженного от поверхности внутреннего конуса, уменьшает конвективный теплообмен между дутьем и конусом.

 Однако уменьшение потерь тепла в такой фурме вряд ли превысит 1-2%, тогда как шлифовка (полировка) поверхности конуса значительно увеличит цену фурмы.

2. Экранирование внутреннего конуса

 Наиболее очевидным приемом ограничения потерь через медные стенки внутреннего конуса явилась установка защитных экранов. Например, в изобретении [6] экран выполнен в виде еще одного конуса 6, вставленного с кольцевым зазором во внутренний конус 7 фурмы (рис.1).

Рис.1. Фурма с защитным экраном, установленным с зазором

относительно внутреннего конуса.

В зазор подается природный газ, а через полость 3 экрана-конуса подается горячее дутье.

 Недостаток этой фурмы (плохое смешивание природного газа с дутьем) пытаются преодолеть в изобретении [7], в котором экран выполняют перфорированным. Природный газ через отверстия (перфорацию) лучше смешивается с горячим дутьем. Но перфорация ухудшает теплозащиту внутреннего конуса.

Кроме того, выяснилось, что экран сильно коробится при эксплуатации. Для избежания коробления ОКБ Института высоких температур предложило [8] вместо перфорации выполнить в экране выступы (круглые рифты), контактирующие своим дном с медным внутренним конусом.

Рифты снижают коробление, но контакт их донышек с внутренним конусом увеличивает теплопотери.

На Магнитке [10] предложили в зазоре между экраном 6 и конусом 7 расположить ребра (на рис.1 не показаны). По идее, ребра должны улучшить смешивание природного газа с дутьем (в предположении, что экран не будет коробиться, иначе применение ребер еще более ухудшит смешивание газа и дутья).

В изобретении [9] проблем эксплуатации экрана не видят, поэтому для еще большего снижения теплопотерь зазор [6] предлагают герметизировать и вакуумировать. Стоимость подобного новшества не обсуждается.

 Второе направление использования экранов предусматривает их установку коаксиально внутреннему конусу и без зазора между ними (рис.2).

В одном случае [11] внутренний конус 2 облицован железохромоалюминиевым сплавом (не показано) с полуторной относительно конуса 2 толщиной стенок. Экран выполняют литьем в песчаные формы. Для этого на рыло наносят рифление, а всю экранируемую медную поверхность предварительно покрывают двуокисью циркония (дабы не расплавить при литье медные части фурмы).

Недоброжелатели утверждают [3], что экран все равно не держится. Однако до появления в патентной периодике таких утверждений ДМетИ получил авт. свидетельство [12], в котором предлагает в фурме [11] между наружным 1 и внутренним 2 конусами дополнительно установить медную проволочную сетку.

 Однако это решение не улучшает теплозащиту внутреннего конуса, а, возможно, улучшает теплоперенос с охлаждающей водой.

Рис.2. Фурма с защитным экраном, сопрягаемым с поверхностью внутреннего конуса без зазора.

ДМетИ предлагает  [13] жаропрочный экран 5 соединять с внутренним медным конусом 2 диффузионной сваркой в твердом состоянии. Авторы, вероятно, не имеют понятия о том, какой это сложный, низкопроизводительный и дорогостоящий процесс. Диффузионная сварка, как минимум, в 1,5 раза увеличит стоимость фурмы.

На Западе распространены решения (см., например, [14, 15]), предусматривающие защиту внутреннего конуса слоем кермета, оксида алюминия или хрома. Слои наносят напылением.

 В наших условиях эти покрытия быстро отслаиваются [11]. Кроме того, незначительные удары при транспортировке (установке) фурм приводят к разрушению покрытия.

3. Футеровка внутреннего конуса фурмы теплоизоляционными покрытиями

В патентной периодике это направление наиболее распространено. Технические решения на эту тему можно разделить на два направления:

  •  использование новых видов и составов футеровки;
  •  совершенствование конструкции металлических деталей фурмы с учетом наличия футеровки.

3.1. Применение футеровок различного состава

В 60-е годы предлагали футеровку (рис.3, позиции 6,9-11 отсутствуют) из молотых шамота, пеношамота, а также жидкого стекла. Футеровку армировали металлической сеткой [16].

Другой вариант футеровки [17] предусматривает использование шамота в форме стакана или 2-3 колец с постоянным закреплением к конусу.

ДМетИ предлагает [18] футеровать внутренний конус тремя слоями: ближайший к конусу слой – жаростойкий бетон, промежуточный слой – асбестовая бумага, наружный (рабочий) слой – высокотемпературная глазурь (окиси алюминия, кремния, кальция, полевой шпат и двуокись титана).

В изобретении [28] предлагают защитную футеровку из несмачиваемого в чугуне и шлаке материала, например, хромита лантана. Защитное покрытие предлагается наносить в пазы, выполненные на поверхности рыла и обоих конусов (пазы не показаны). Утверждается, что расположение футеровки в пазах увеличит надежность контакта покрытия с конусами.

 Однако пазы предполагают и свободную от них поверхность внутреннего конуса. Из этого следует, что увеличение надежности контакта обеспечивают за счет ухудшения теплозащиты конусов.

 МИСиС рекомендует [19] футеровку на основе двуокиси циркония с добавками окиси кальция, магния, иттрия, двуокиси кремния и нескольких оксидов группы лантана.

 Все технические решения этого направления не рассматривают надежность сцепления покрытия с конусом, тогда как это является их главным недостатком.

Рис.3. Фурма с футерованной поверхностью внутреннего конуса.

3.2. Изменения конструкции фурмы с учетом наличия футеровки

ДМетИ предлагает [20] футеровку выполнять с наличием крупнопористой зоны, через зоны которой подается природный газ для смешивания с горячим дутьем. Вопрос стойкости к выдуванию пористого слоя не обсуждается.

ИЧМ рекомендует отдалять факел горения подальше от футеровки [21]. Для этого в верхней части футеровки рядом с отверстиями для выхода природного газа (на рис.3 – слева от форсунки) располагается трапециевидный металлический выступ, отклоняющий струи газа от футеровки ближе к центру оси фурмы.

Французы вернулись к идее раздельной подачи горячего воздуха и газа через фурму в доменную печь [6] . Для случая, когда таким газом является кислород, они предложили [22] фурму, которая, по сути, отличается от известной [6] (рис.1) лишь наличием футеровки на поверхности внутреннего конуса.

«Криворожсталь» запатентовала фурму с футерованным внутренним конусом [23] (Рис.4). Для того чтобы футеровку не выдувало из фурмы, со стороны рыла 3 она подкреплена кольцевым вкладышем 9 такой же толщины стенки, вставленным вовнутрь рыла 3 до упора в торец футеровки.

 Возможно, футеровка будет стоять дольше, но от поверхности вкладыша теплоотбор будет выше, чем от футеровки. То есть футеровка будет служить, вроде бы, дольше, но за счет увеличения потерь тепла горячего дутья.

 В изобретении [24] используют футеровку внутреннего конуса заодно и для теплоизоляции и крепления наконечника (форсунки), через который подается в дутьевой канал газообразный реагент.

НЛМК получил патент [25] на конструкцию фурмы, усовершенствующую решения [23, 24] . В липецкой фурме слой футеровки опирается непосредственно на кольцевой уступ рыла 3 (вкладыша 9 нет), а наконечник вынесен из дутьевого канала в водоохлаждаемую полость 2 между конусами.

4. Совместное использование теплозащитных экранов и футеровок

Еще в 1963 году была предложена футеровка рыла и наружного конуса огнеупорным составом [6], а внутри дутьевого канала дополнительно установить экран [26].

В 1980 году предложена конструкция фурмы [27], в которой предусмотрен экран из алюмонитрида бора, а вместо конусов используется корундовая износостойкая керамика.

Заключение

1. Тенденции патентования фурм свидетельствуют о нерешенной проблеме сохранения на внутреннем конусе теплозащитного неметаллического или интерметаллидного покрытия.

2. Большое число изобретений посвящено поиску компромисса между необходимостью надежной теплозащиты внутреннего конуса дополнительными элементами конструкции фурмы (в первую очередь, футеровкой, экранами и покрытиями) и надежностью сцепления теплозащитных элементов с внутренним конусом. Конструктивные решения устанавливают тот или иной баланс между ухудшением/улучшением теплозащиты конуса и улучшением/ухудшением надежности крепления/сцепления к конусу/с конусом теплозащитных элементов.

3. Целесообразны дальнейшие разработки конструкций с комбинированной системой теплозащиты внутреннего конуса, включающей теплоизолирующие элементы (покрытия, экраны) и средства их надежного крепления к фурме.

Литература

1. Сталь, 1983,№7, с.11-12.

2. Металлургия и коксохимия, 1988, вып.95, с.78-80.

3. А.с. №798178.

4. А.с. №1201312.

5. А.с. №126892.

6. А.с. №142315.

7. А.с. №404852.

8. А.с. №829676.

9. А.с. №881120.

10. А.с. №1265219.

11. А.с. №576341.

12. А.с. №785362.

13. А.с. №1308627.

14. Пат. Японии №49-23724.

15. Пат. Японии №59-47406.

16. А.с. №128881.

17. А.с. №159870.

18. А.с. №357220.

19. Пат. РФ №1822415.

20. А.с. №414308.

21. А.с. №458581.

22. Пат. СССР №643086.

23. А.с. №929707.

24. А.с. №1186637.

25. Пат. РФ №2138559.

26. А.с. №159181.

 27. А.с. №707968.

 28. А.с. №870433.

29. Сталь, 1970, №12, с.1077.

30. Известия вузов. Черная металлургия, 1986, №10, с.103-107.

31. Труды I съезда уральских деятелей по доменному делу. 1926, с.175.

32. Андоньев С.М. Охлаждение доменных речей.- М., Металлургия, 1972. 368с.

33. Металлургическая и горнорудная промышленность, 1986, №1, с.8-9.

34. Черные металлы, 1990, №3, с.55-61.

 

Начальник отдела маркетинга и новых технологий,

уполномоченный по изобретательству     А.С.Анищенко


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7250. Тягово-динамический расчёт автомобиля ГАЗ - 3307 238.9 KB
  Содержание Технические характеристики автомобиля 1 Внешняя скоростная характеристика двигателя внутреннего сгорания. Свободная мощность двигателя. 2 Определение общего передаточного числа трансмиссии на каждой передаче. 3 Расчет скоростей движения м...
7251. Проектирование и расчет систем автоматики 34.85 MB
  Проектирование и расчет систем автоматики В пособии рассмотрены принципы проектирования систем автоматики, применяемой в горной промышленности. Основное внимание уделено технике проектирования структурных, функциональных и принципиальных схем автома...
7252. Основные принципы разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ 245 KB
  Основные принципы разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ Общие принципы построения программ Под ЧПУ оборудования понимают управление при помощи программ, заданных в алфавитно-числовом коде. При обработке на станках с ЧПУ инструмент п...
7253. Цифровое вещание. Основные параметры систем спутникового телевизионного вещания 270 KB
  Цифровое вещание 1. Основные параметры систем спутникового телевизионного вещания. Существуют два вида спутниковой связи, используемых для ТВ-вещания: фиксированная спутниковая служба и радиовещательная спутниковая служба. Фиксированная спутниковая ...
7254. Детали машин. Конспект лекций. Основные требования к конструкции деталей машин 2.83 MB
  Настоящий конспект лекций по курсу Детали машин следует рассматривать как краткое изложение программных вопросов курса, облегчающее усвоение учебного материала и подготовку к экзаменам. Конспект изложен на базе основных учебников Д.Н....
7255. Генератор прямоугольных импульсов 287.87 KB
  Задание на расчет Построить генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) с видом характеристики типа меандр. Амплитуда сигнала стандартная для транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Установленная частота ступенями: 100Гц 1...
7256. Конструирование мехатронных модулей главного движения металлорежущих станков 281 KB
  Рассмотрены вопросы разработки структур, кинематических схем и конструкций мехатронных модулей главного движения станков с компьютерным управлением, даны рекомендации по выполнению отдельных этапов проектирования. Предназначены для студентов, обучаю...
7257. Связь науки и техники на примере развития вычислительных средств 178.61 KB
  Введение. Наука играет огромную роль в развитии человеческого общества. Она пронизывает все сферы нашей деятельности как материальной, так и духовной и по праву является неотъемлемым звеном социально-политического развития страны. В литературе им...
7258. Расчет цифрового радиоприёмника по исходным данным: 786 KB
  1. Задание. Произвести расчёт цифрового радиоприёмника по следующим исходным данным: Приёмник работает с ФМ сигналом на частоте F0=22 МГц. Необходимо обеспечить перестройку по 19 каналам. Скорость цифрового потока в последовательном коде V: 7000 бит...