5968

Металлургические печи. Курс лекций

Конспект

Производство и промышленные технологии

Лекция Основные положения. Огнеупорные и изоляционные материалы печей Теплотехника печей металлургического производства Промышленная печь - устройство для тепловой обработки материалов. Печи делят на пламенные и электрические. По технол...

Русский

2012-12-26

2.99 MB

626 чел.

Лекция 1

1 Основные положения. Огнеупорные и изоляционные материалы печей

1.1 Теплотехника печей металлургического производства

Промышленная печь – устройство для тепловой обработки материалов.

Печи делят на пламенные и электрические. По технологическому назначению печи делят на следующие виды:

  1.  печи для удаления влаги из материала, например, сушильные печи;
  2.  нагревательные печи, например, нагревательные колодцы и методические печи;
  3.  обжиговые печи, например, печи для обжига известняка;
  4.  плавильные печи, например, мартеновские печи;
  5.  печи для разложения (диссоциации) и возгонки материалов, например, коксовые печи.

Разберем основные элементы печей на примере камерной нагревательной печи (рис. 1.1):

1) металлический каркас – устройство для фиксации элементов печи при её разогреве;

Рис. 1.1 – Основные элементы печи:

1  металлический каркас; 2  футеровка (свод, стены, подина); 3  рабочее пространство печи; 4  горелка; 5  борова (дымоходы); 6  газовоздухопроводы; 7  теплообменник; 8  дымовая труба; 9  дымовой шибер; 10  дроссели; 11  задвижки; 12  нагреваемый материал

2) футеровка (огнеупорная кладка) – ограждение высокотемпературной зоны, состоящее из стен, свода и подины. Служит для отделения рабочей камеры от окружающего пространства и для уменьшения тепловых потерь. Уменьшение тепловых потерь позволяет получать высокую температуру внутри печи;

3) рабочее пространство печи – замкнутый объем, в котором располагается нагреваемый материал;

4) тепловырабатывающие устройства – устройства для подачи энергии в рабочее пространство печи и преобразования ее в теплоту. Устройства для сжигания газообразного и пылевидного твердого топлива называются горелками, для сжигания жидкого топлива – форсунками, для сжигания твердого топлива в слое – топками. Устройства для преобразования электрической энергии в теплоту называются термоэлектрическими нагревателями (ТЭНы);

5) борова (дымоходы) – дымоотводящие каналы. Служат для удаления продуктов горения из рабочего пространства печи в дымовую трубу;

6) газовоздухопроводы – трубопроводная система для подачи газа и воздуха к горелкам;

7) теплообменник – устройство для нагрева воздуха и топлива за счет теплоты, уносимой продуктами горения из рабочего пространства печи (рекуператор или регенератор), а также за счет сжигания дополнительного топлива (воздухонагреватель доменной печи). В рекуператоре дым передает теплоту воздуху (газу) через тонкую керамическую или металлическую разделительную стенку. Дым и воздух (газ) находятся в рекуператоре одновременно. В регенераторе дым и воздух (газ) движутся по одним и тем же каналам: сначала пропускают дым и теплота передается от дыма керамической насадке, а затем пропускают воздух (газ), который принимает теплоту от насадки. Нагрев воздуха (газа) в теплообменнике позволяет получить высокую температуру в рабочем пространстве печи и снизить расходы топлива;

8) дымовая труба – устройство для удаления дыма из рабочего пространства печи в атмосферу. Дымовая труба выполняет две функции: теплотехническую (создание необходимого разрежения) и экологическую (рассеивание вредных выбросов);

9) дымовой шибер – устройство с центральным элементом в виде пластины для регулирования давления дыма в рабочем пространстве печи путем перекрытия поперечного сечения борова. В период максимальной подачи топлива в печь шибер находится в верхнем крайнем положении, т.е. максимально открыт. Шибер служит также для отключения печи от дымовой трубы во время ремонтов печи;

10) дроссели и 11) задвижки – устройства для регулирования расхода газов. Дроссель – устройство для плавного регулирования расхода воздуха и газа через горелки. Задвижка – устройство для отключения газовоздухопроводов от печи на время её ремонта;

12) нагреваемый материал;

13) тягодутьевые устройства: вентиляторы, компрессоры, дымососы. Служат для подвода к печи газа и воздуха и отвода от печи дыма на дымовую трубу.

Перечисленные основные элементы присущи большинству известных печей. В отдельных печах встречаются дополнительные элементы. Например, перекидные устройства (клапаны Фортера и Симплекса) в печах регенеративного типа, транспортирующие устройства для перемещения подины в кольцевых, роликовых печах и печах с шагающими балками и другие устройства.

1.2  Классификация огнеупоров и теплоизоляционных материалов

Огнеупорные изделия применяют для строительства рабочего пространства и других элементов печей, работающих в условиях высоких температур и воздействия агрессивных сред – расплавов, окалины, газов. Чтобы уменьшить потери теплоты, футеровку печи по толщине делают, как правило, комбинированной: рабочий слой выполняют из огнеупорных, наружный слой – из теплоизоляционных изделий.

1.2.1  Классификация огнеупорных изделий

Применяемые в промышленности огнеупоры делят на изделия, которым при изготовлении придается определенная форма (кирпичи, фасонные изделия, крупные блоки) и неформованные материалы (бетоны, торкрет-массы, мертели).

В основу классификации огнеупорных изделий положено шесть основных признаков: 1) химико-минеральный состав, 2) огнеупорность, 3) пористость, 4) способ формования, 5) термическая обработка, 6) форма и размеры.

1. По химико-минеральному составу изделия делят на следующие группы, зависящие от содержания оксидов (%), определяющих их свойства:

а) кремнеземистые: динасовые (SiO2  93); кварцевые (SiO2  85);

б) алюмосиликатные: полукислые (SiO2<85), шамотные (Al2O3 28-45), муллитокремнеземистые (А12О3 45-62), муллитовые (А12О3 62-72), муллитокорундовые (А12О3 72-90);

в) глиноземистые – корундовые (А12О3 > 90);

г) магнезиально-периклазовые (магнезитовые) (MgO  85);

д) магнезиальноизвестковые: периклазоизвестковые (магнезитодоломитовые) (MgO 35-75; СаО 15-40); известковопериклазовые (доломитовые) (MgO 10-50; СаО 45-85);

е) периклазохромитовые (MgO > 60; Сr2О3 5-20); хромитопериклазовые (MgO 40-60; Cr2O3 15-35); хромитовые (MgO < 40; Сr2О3 > 30);

ж) периклазошпинельные (MgO > 40; А12О3 5-55); шпинельные (MgO 25-40; А12О3 55-70);

з) магнезиальносиликатные: периклазофорстеритовые (MgO 65-85; SiO2 > 7); форстеритовые (MgO 50-65; SiO2 25-40); форстеритохромитовые (MgO 45-60; SiO2 20-30; Cr2O3 5-15);

и) углеродистые с огнеупорной основой С (углеродсодержащие, неграфитированные, графитшамотные);

к) карбидокремниевые с огнеупорной основой SiC (карбидокремниевые, карбидокремнийсодержащие);

л) цирконовые с огнеупорной основой ZrO2 (цирконовые, циркониевые);

м) окисные с огнеупорной основой А12О3, TiO2, BeO, НfO2 (корундовые, титановые, берилловые, гафниевые);

н) некислородные (нитридные, боридные, сульфидные).

Нa заводах применяют еще техническую классификацию, в соответствии с которой все огнеупоры разделяются на три группы:

а) кислые (в составе преобладает оксид SiO2);

б) нейтральные (содержащие высокий процент С или Сr2О3);

в) основные (с преобладающим содержанием основных оксидов (MgO, CaO).

2. По огнеупорности все огнеупоры разделяют на три группы:

а) огнеупорные (огнеупорность 1580-1770 °С);

б) высокоогнеупорные (огнеупорность 1770-2000 °С);

в) высшей огнеупорности (огнеупорность >2000 °С).

3. По пористости:

а) особоплотные (с открытой пористостью до 3 %);

б) высокоплотные (3-10 %);

в) плотные (10-16 %);

г) уплотненные (16-20 %);

д) среднепористые (20-30 %);

е) повышеннопористые (30-45 %);

ж) легковесные (с общей пористостью 45-85 %);

з) ультралегковесные (с общей пористостью > 85 %).

4. По способу формования:

а) пластичноформованные;

б) полусухого формования из масс малопластичных или из порошков с добавкой связующего материала, изготовленные путем механического, гидравлического или вибрационного прессования; при  изготовлении  крупных блоков применяется пресстрамбование;

в) плавленые литые из расплава, получаемого обычно путем электроплавки;

г) литые, изготовленные путем литья из жидкого шликера в специальные формы (пеноизделия); '

д) термопластичнопрессованные, изготовленные прессованием из шихты, в состав которой введены термопластичные добавки (парафин, воск и т.п.);

е) горячепрессованные;

ж) изготовленные горячим прессованием из масс, нагретых до пластичного состояния;

з) пиленые из естественных горных пород или из специально изготовленных блоков;

и) волокнистые, полученные путем расщепления расплава струей острого перегретого пара.

5. По термической обработке:

а) обожженные, обжигаемые в печах в процессе изготовления изделий;

б) безобжиговые, не подвергавшиеся обжигу до употребления в кладку;

в) плавленые, подвергнутые отжигу после отливки;

г) горячепрессованные.

6. По форме и размерам различают:

а) простые изделия (прямые и клиновые нормальных, малых и больших форматов);

б) фасонные – простые, сложные, особо сложные и крупноблочные (массой > 60 кг);

в) специальные – промышленного и лабораторного назначения (тигли, трубки, наконечники и т.п.).

Неформованные огнеупорные материалы классификации, установленной ГОСТом, не имеют.

1.2.2  Классификация теплоизоляционных материалов

Теплоизоляционные материалы делят по ряду признаков на следующие группы:

по огнеупорности – на огнеупорные, выдерживающие рабочую температуру 800 С, и неогнеупорные, которые могут быть использованы только при температурах ниже 800 С;

по происхождению – на естественные и искусственные;

по форме и способу применения – теплоизоляционные материалы выполняются в виде изделий (кирпичей, листов и т.д.) или в виде неформованных материалов (засыпки, ваты, волокон и др.).

К огнеупорным естественным теплоизоляционным материалам относятся: диатомит, инфузорная земля, трепел и вермикулит.

К искусственным теплоизоляционным материалам относятся пористые легковесные огнеупоры и изделия из различных волокон. Легковесные изделия могут изготавливаться из шамота, динаса, диатомита, высокоглиноземистого сырья и т.п. Для получения легковесных огнеупоров с высоким процентом равномерно распределенной пористости применяют три различных способа: 1) выгорающих добавок; 2) пеноспособ; 3) химический.

1.3  Теплотехнические характеристики огнеупорных и теплоизоляционных материалов

1.3.1  Теплотехнические характеристики огнеупорных материалов

Огнеупорность определяется как температура Тогн, при которой происходит деформация стандартного образца в форме усеченной пирамиды при отсутствии механического и физико-химического воздействия. Огнеупорные изделия подразделяют на три группы: средней огнеупорности (огнеупорные) – Тогн до 1770 С; высокой огнеупорности (высокоогнеупорные) Тогн от 1770 С до 2000 С, высшей огнеупорности – Тогн – выше 2000 С. Предельная рабочая температура службы огнеупоров в условиях эксплуатации Tmax значительно ниже, чем Тогн.

В таблице 1.1 приведены свойства наиболее широко используемых печных огнеупоров. Все огнеупоры характеризуются такими важными эксплуатационными показателями, как термостойкость, шлакоустойчивость, строительная прочность, изменение объема при нагреве, которые определяют их применение для строительства элементов печей.

Термостойкостью называют способность огнеупоров выдерживать циклическое изменение температур при нагреве и охлаждении, так называемые теплосмены. Термостойкость характеризуют числом теплосмен до потери 20% первоначальной массы огнеупора в результате образования трещин и скалывания.

Шлакоустойчивость характеризует способность огнеупора выдерживать воздействие жидкого шлака и металла, окалины, газов.

Рассмотрим характеристики и область применения некоторых печных огнеупоров.

Динас содержит более 93% SiO2 и относится к кремнеземистым, кислым огнеупорам. Обладает высокой строительной прочностью, высокой температурой начала деформации под нагрузкой и соответственно рабочей температурой службы 1650–1700 С. Устойчив к воздействию кислых расплавов и газовых сред, но не выдерживает контакта с основными расплавами металлов и их оксидов. Термостойкость динаса по стандартной методике не превышает 1-2 водяных теплосмен. Однако, если колебания температуры происходят в области значений выше 300 С и особенно выше 600 С, то термостойкость динаса исключительно высока.

Динас широко применяют для изготовления высокотемпературной части насадки доменных воздухонагревателей и регенераторов нагревательных колодцев, которая не охлаждается ниже 600 С, для кладки распорных сводов.

Таблица 1.1 – Свойства огнеупоров, наиболее широко используемых в печах

Группа огнеупоров

Главные хим. компоненты в % (мас.)

Тогн, С

Tmax, С

Плотность – , т/м3

Коэф. теплопроводности – , Вт/(мК) при 100 С

Уд. теплоемкость – с, кДж/(кгК) при 100 С

1

Динасовые

SiO293

1690-1720

1650-1700

1,84-1,97

1,3

0,86

2

Шамотные

30Al2O345

1580-1750

1200-1400

1,83-1,95

0,9

0,9

3

Муллитовые

62Al2O372

1600-1800

1600-1650

2,34-2,52

1,2

0,86

4

Корундовые

Al2O3>90

1950-2000

1650-1800

2,89-3,12

2,1

0,83

5

Смолодоломитовые

50<MgO<85
10<CaO<45

1800-1900

1300-1400

2,7-2,8

3,4

0,96 при 1000С

6

Периклазовые (магнезитовые)

MgO85

2200-2400

1650-1700

2,6-2,8

4,5

1,08

7

Периклазохромитовые

MgO60
5
Cr2O320

2000

1650-1700

2,95-3,04

2,5

1,0

8

Хромитопериклазовые

40MgO60
15<Cr
2O3<35

1920-2000

1700

2,9-3,15

2,0

1,8 1,15
(20-1000
С)

9

Цирконовые

ZrO2>50,
SiO
2>25

2000-2300

1900-2000

3,48-3,83

1,4

0,64

10

Карбидкремниевые

SiC>70

2000

1800-2000

2,35-2,54

9,3 при 1000С

0,97

Шамот относится к алюмосиликатным огнеупорам, содержащим кроме SiO2 до 45% Al2O3. Обладает более высокой термостойкостью (10-20 водяных теплосмен), но низкой шлакоустойчивостью. Наиболее широко применяется в печестроении при температурах до 1350 С для строительства стен, сводов, не контактирующих с оксидами металлов, для низкотемпературной части регенеративной насадки. Не выдерживает истирающего действия при высоких температурах.

Муллит и корунд относятся к высокоглиноземистым алюмосиликатным огнеупорам. По мере увеличения содержания Al2O3 повышается их рабочая температура службы, прочность и постоянство объема при разогреве. Термостойкость превышает 150 водяных теплосмен. Применяются вместо шамота в условиях более высоких температур: муллит – до 1650 С, корунд – до 1800 С. Плавленые корундовые изделия обладают высокой шлакоустойчивостью и выдерживают давление и истирающее действие металла и шихты. Применяются в установках внепечной обработки стали, в монолитных подинах методических нагревательных печей, в качестве насадки шариковых регенераторов.

Периклаз (или магнезит) содержит не менее 85% MgO. Температура начала размягчения под нагрузкой значительно ниже огнеупорности. Максимальная рабочая температура 1700 С. Термостойкость изделий невысока и составляет 1-2 водяных теплосмены.

Шлакоустойчивость по отношению. к основным расплавам – металлам и шлакам, богатым оксидами металлов и известью, исключительно высока. Поэтому магнезитовые кирпичи используются для кладки элементов печей черной и цветной металлургии, которые контактируют с расплавами металлов и основных шлаков. Магнезитовый порошок используют для заполнения швов при кладке подин плавильных печей.

Периклазохромитовые и хромитопериклазовые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и хромит Cr2O3. Свойства этих огнеупоров существенно отличаются от периклазовых и зависят от соотношения хромита и магнезита. Максимальная термостойкость соответствует отношению Cr2O3:MgO = 30:70. Шлакоустойчивость выше при содержании хромита 20 %. В сводах сталеплавильных печей наибольшую стойкость имеют изделия с содержанием хромита 20-30 %. Они изнашиваются из-за образования трещин и сколов, к которым приводят термические напряжения, возникающие при колебании температуры в рабочем пространстве печи.

Смолодоломитовые безобжиговые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и СаО, а также углерод в виде смоляной связки в количестве 2-4 %. Они применяются для футеровки конвертеров. Известь СаО взаимодействует с силикатами конвертерного шлака, благодаря чему на поверхности футеровки образуется гарниссаж, препятствующий проникновению шлака в футеровку.

Углеродистые огнеупоры изготавливаются из доступного сырья – графита, кокса – с высокой температурой плавления 3500 С. Они не смачиваются расплавами и поэтому устойчивы против них, имеют высокую термостойкость, но начинают окисляться в продуктах горения топлива при температуре 600 С. Поэтому их используют для службы в восстановительной среде: в электрических печах для производства ферросплавов, алюминия, свинца, в лещади доменных печей, в качестве припаса для разливки металлов, для изготовления электродов дуговых плавильных печей.

Карбидкремниевые огнеупоры содержат в качестве главного компонента SiC – карборунд. Они покрыты защитной плёнкой SiO2, поэтому не окисляются как углеродистые. Имеют высокую прочность, износоустойчивость, термостойкость. Устойчивы против нейтральных и кислых расплавов, нестойки против основных. Применяются для изготовления трубок керамических рекуператоров, огнеупорных муфелей.

Неформованные огнеупоры применяют для изготовления монолитных футеровок из огнеупорного бетона и набивных масс. Огнеупорный бетон представляет собой смесь огнеупорного наполнителя (бой огнеупорных изделий) с размером частиц от 0,5 до 70 мм, вяжущего и добавок. В качестве вяжущего используют твердеющие в холодном состоянии огнеупорные цементы (глиноземистый, магнезиальный), жидкое стекло, фосфатные связки на основе ортофосфорной кислоты Н3РО4. Добавки могут регулировать скорость схватывания и твердения, улучшать пластические свойства, уменьшать усадку.

Широко распространены динасовые бетонные блоки и панели для стен нагревательных колодцев, глинистокварцитовые массы для набивной футеровки ковшей. Применяют монолитную футеровку стен и сводов нагревательных печей из жидкого (литого) бетона с креплением её к металлическому каркасу печи с помощью анкерных кирпичей, распределенных по площади стен и свода.

Защитные гарниссажи образуются на рабочей поверхности ограждения плавильных, шахтных и дуговых печей из спекающихся или расплавленных материалов при интенсивном охлаждении стен печи водой или воздухом. В плавильных печах цветной металлургии гарниссаж является эффективным средством защиты, а иногда и замены футеровки.

1.3.2  Теплотехнические характеристики теплоизоляционных материалов

Для тепловой изоляции металлургических печей применяются три вида изделий: 1) легковесные пористые огнеупорные кирпичи: шамот-легковес, динас-легковес, диатомитовый и другие; 2) теплоизоляционные засыпки; 3) изделия в виде плит, ваты, войлока, картона, изготовленные на основе керамического волокна в смеси со связующим материалом, так называемые волокнистые огнеупоры. Волокнистые огнеупоры являются относительно новыми теплоизоляционными материалами.

Легковесные огнеупорные кирпичи обладают большой пористостью и поэтому меньшей плотностью и теплопроводностью, чем обычные огнеупорные кирпичи (табл. 1.2). Марка кирпича в табл. 1.2 расшифровывается так: Д – динас, Ш – шамот, Л – легковес, числа после тире означают плотность. Чем меньше плотность кирпича, тем лучше его теплоизоляционные свойства, но ниже максимальная рабочая температура.

По сравнению с обычными огнеупорами шамот-легковес и другие легковесы имеют более низкую прочность, шлакоустойчивость и термостойкость. Их можно применять не только для теплоизоляционного слоя футеровки, но и для рабочего слоя, в термических печах. Диатомитовый кирпич применяют только для наружного слоя тепловой изоляции стен и свода нагревательных печей.

Таблица 1.2 – Свойства легковесных огнеупорных изделий

№пп

Тип и марка изделия

Плотность – , т/м3

, С

Коэф. теплопроводности – , Вт/(мК)

Уд. теплоемкость – с, кДж/(кгК) в интервале 0-1400 С

1

Динас ДЛ-1,2

1,2

1500

0,58+0,3810-3t

1,19

2
3
4

Шамот ШЛ-1,3
ШЛ-0,9
ШЛ-0,4

1,3
0,9
0,4

1350
1200
1100

0,47+0,1410-3t
0,29+0,20
10-3t
0,06+0,14
10-3t

1,19
1,17
1,17

5

Диатомитовый кирпич

0,5

1000

0,15 (при t=350 С)

1,0

В качестве засыпок используются, в основном, естественные теплоизоляционные материалы: диатомит, инфузорная земля, трепел и вермикулит. Первые три материала имеют состав SiO2nH2O.

Диатомит – продукт разложения водорослей, имеет рыхлую землистую структуру. Применяют в виде порошка или изделий, изготовленных на глинистой связке: плотность изделий 500, 600 и 700 кг/м3, коэффициент теплопроводности соответственно равен 0,18, 0,21, 0,27 Вт/(мК). Коэффициент теплопроводности засыпки из диатомита колеблется в пределах 0,12-0,16 Вт/(мК). Предельная температура применения диатомитовых изделий 1000 °С, засыпки 900 °С.

Инфузорная земля является продуктом разложения животных организмов; применяют чаще в виде порошка.

Трепел – продукт выветривания горных пород, пористый материал с низкой теплопроводностью; применяют в виде порошка или изделий. По свойствам изделия из трепела близки к диатомитовым.

Вермикулит — это разновидность слюды, имеющая способность при нагреве значительно увеличивать свой объем. Используют вермикулит в виде засыпки или в виде плит. Применяется до температуры 700-900 °С. В обожженном виде носит название – зонолит. Предельная температура применения зонолита 1000-1100 °С. Коэффициент теплопроводности вермикулита и зонолита 0,1 Вт/(мК).

К неогнеупорным изоляционным материалам относится асбест. Асбест является водным силикатом магния состава 3MgO2SiO22H2O, имеет волокнистое строение, пористый. Применяют в виде крошки для засыпки или в виде изделий – шнура, картона, плит, ткани и ваты.

1.3.3  Новые материалы, которые используются в металлургических печах

В таблице 1.3 представлены некоторые виды волокнистых огнеупорных изделий и их свойства. Волокнистые плиты, как и шамот-легковес, применяют для изготовления не только изоляционного, но и рабочего слоя футеровки термических печей с целью снижения потерь теплоты в рабочем пространстве печи. При этом уменьшаются два вида потерь: на аккумуляцию теплоты футеровкой и теплопроводностью через футеровку в окружающую среду.

Таблица 1.3 – Виды волокнистых огнеупорных изделий Северского огнеупорного завода (Донецкая область)

№ пп

Тип и марка изделия

Толщина, мм

Плотность – , т/м3

, С

Коэф. теплопроводности – , Вт/(мК) при 600 С

Уд. теплоемкость – с, кДж/(кгК)

1

Плита

ШПГТ-450

100

0,45

1300

0,2

1,0

2

Вата МКРР-130

15; 20

0,13

1250

0,22

1,0

3

Войлок МКРВЦ-150

15; 20

0,15

1400

0,14

1,0

4

Фетр МКРВЦФ-130

15; 20

0,13

1400

0,18

1,0

1.4  Кладка печи. Конструкции сводов, окон и вспомогательных узлов печи, их назначение

Ограждение печей из огнеупорных и теплоизоляционных материалов называется кладкой или футеровкой. Футеровка является ответственной частью всех промышленных печей. От ее службы зависит надежность работы печи и длительность кампании. Элементами футеровки являются под, стены и свод.

Кладка должна быть, по возможности, непроницаемой для расплавленных металлов и шлаков, а также для печных газов.

В зависимости от требуемой тщательности работы кладку разделяют на категории, для каждой из которых допустимая толщина шва строго регламентирована:

а) особо тщательная, со швами толщиной не более 1 мм – для футеровки плавильных печей в местах возможного контакта с жидкой средой;

б) тщательная, со швами толщиной не более 2 мм – для футеровки, подвергающейся истирающему воздействию и для нагревательных печей с температурой до 1400 °С;

в) обыкновенная, со швами толщиной не более 3 мм – для футеровки, неконтактирующей с жидким металлом и шлаком, и для нагревательных печей с температурой до 1200 °С;

г) простая, со швами толщиной до 4 мм – для выполнения нижних слоев пода.

Рабочий слой футеровки в местах, где требуется наибольшая плотность, выкладывают особенно тщательно со швами не более 0,5 мм. При кладке боровов допускается шов толщиной до 5 мм, а при наружной облицовке печи красным или изоляционным кирпичом толщину шва принимают равной 8-10 мм. Кирпич в кладке может располагаться по разному – на плашку, на торец или на ребро (рис. 1.2) с обязательным смещением швов (с перевязкой). Это делает кладку более устойчивой и плотной. Огнеупорный слой кладки с теплоизоляционным обычно не перевязывают, так как они имеют разные коэффициенты термического расширения, что при нагреве кладки может привести к ее разрушению.

Для компенсации термического расширения кладки в ней предусматривают температурные швы, размеры которых зависят от рабочей температуры и от применяемого для кладки материала. Ширина термических швов колеблется в пределах от 5 до 15 мм на 1 м кладки.

Рис. 1.2 – Расположение кирпича в кладке:

а – на плашку; б – на ребро; в – на торец; г – ложковая кладка; д – тычковая кладка

Под печи

Под печи выкладывают или прямо на фундамент или на стальные листы, опирающиеся на балки. Воздушный зазор, образующийся при этом между подом и фундаментом, предохраняет последний от перегрева.

Под печи часто подвергается механическим ударам загружаемых материалов и химическому действию окалины или жидкого металла, поэтому его всегда выполняют многослойным

Нижние ряды (выстилка) кладут на плашку из теплоизоляционного или красного кирпича. Верхние ряды выполняют из огнеупорных материалов, выбираемых в соответствии с условиями службы. Кладку ведут на ребро или торец с обязательным соблюдением перевязки швов. Иногда верхний ряд пода выкладывают «в елку». В плавильных печах рабочий слой обычно выполняют бесшовным - набивным или наварным. Кладка пода приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3 – Кладка подины нагревательных печей:
а – простая на ребро; б  в елку

В доменных печах под (лещадь) выполняют из блоков. Толщина пода термических и нагревательных печей, в зависимости от их размеров и рабочей температуры составляет 230-465 мм. В плавильных печах она достигает 1200 мм, а в доменных печах лещадь кладут толщиной 5 м и более.

Стены печи

Кладку стен ведут, как и пода, с перевязкой швов, для чего меняют положение кирпича, чередуя тычковые и ложковые ряды (кирпич, уложенный длинной стороной параллельно плоскости стены, называется ложковым, а уложений перпендикулярно – тычковым).

Кладку стен нагревательных печей ведут строго вертикально, а стены плавильных печей, с целью повышения их стойкости, часто делают наклонными с толщиной, уменьшающейся кверху.

Стены выполняют двух- или трехслойными. Внутренний рабочий слой выкладывают из огнеупорного материала, отвечающего требованиям, зависящим от характера работы печи. Он должен иметь необходимую огнеупорность, химическую и механическую стойкость. Наружный слой делают из теплоизоляционного материала, назначение которого снизить потери тепла через кладку теплопроводностью.

Иногда стену выполняют из нескольких слоев (например, динас-шамот-изоляционный). Каждый слой кладут самостоятельно и только при высоте стен более 2,5-3,0 м огнеупорную кладку для повышения прочности перевязывают с изоляционной через каждые 5-6 рядов. Для повышения стойкости стен большой высоты в ряде случаев применяют анкерное крепление кладки.

Толщина стен нагревательных печей колеблется от 0,345 до 0,565 м, плавильных 0,9-1,1 м; доменных печей 1,1-1,6 м.

В печах периодического действия стены, по возможности, выполняют из легковесных материалов с целью снижения потерь на аккумуляцию тепла кладкой. При выполнении футеровки электрических печей для экономии электрической энергии слой тепловой изоляции делают толще, чем в топливных печах.

Свод печи

Своды печей выполняют арочными, купольными или подвесными.

Арочные своды применяют при ширине пролета до 3 м. Для металлургических печей преимущественно применяют арочные своды с центральным углом 60, 90, 120 и 180° (соответственно рис. 1.4 а-г).

Рис. 1.4 – Схемы сводов

На основании практических данных установлены следующие соотношения и определения радиуса R и стрелы свода f:

, град

60

90

120

180

R

1В

0,707В

0,577В

0,5В

f

0,134В

0,207В

0,289В

0,5В

Для печей чаще принимают R = В, т. е. радиус равный ширине пролета B, для боровов R = 0,5В. Толщина свода S обычно равна длине кирпича – 230, 250 или 300 мм. Если свод выполняют из двух рядов кирпича по толщине, то ряды (акаты) не перевязывают друг с другом. Своды нагревательных печей выполняют с изоляцией, применяя для этого засыпку толщиной 65-230 мм. Своды плавильных печей обычно делают без тепловой изоляции во избежание перегрева и быстрого их износа.

Купольными сводами называются своды круглых печей. Их выполняют целиком из фасонного кирпича.

Подвесные своды нагревательных печей применяют при ширине пролета более 3 м. Для их выполнения используют фасонные кирпичи из шамота класса А и каолина, в местах пережимов (криволинейные участки сводов методических печей) применяют высокоглиноземистые кирпичи. Примеры выполнения подвесных сводов показаны на рис. 1.5. Как правило, подвесные своды выполняются однослойными без применения теплоизоляции во избежание перегрева металлических элементов, на которых крепятся фасонные кирпичи, с последующим обрушением сводов.

Рис. 1.5 – Примеры выполнения подвесных сводов нагревательных печей

Своды плавильных печей очень массивны, поэтому их выполняют распорно-подвесными, при этом часть веса свода передается через подпятовые балки на стойки каркаса. Часто, во избежание перегрева сводов плавильных печей, устраивается принудительное воздушное охлаждение наружной поверхности свода с использованием вентилятора.

Съемные своды электрических печей или крышки нагревательных колодцев монтируют в специальных металлических рамах, воспринимающих все нагрузки и обеспечивающих их длительную службу.


Лекция 2

План лекции:

Теплотехнічні принципи розрахунків пальникових пристроїв.

Принципи спалювання палива. Організація процесів спалювання палива. Факельне спалювання. Довжина факелу. Фактори, які впливають на довжину факелу. Калібр пальника. Вибір типу пальникового пристрою з точки зору нагріву.

2  Теплотехнические принципы расчетов горелочных устройств

2.1  Принципы сжигания топлива

Чтобы топливо и кислород вступили в реакцию, они должны быть предварительно перемешаны и смесь должна иметь температуру воспламенения. Скорость комплексного процесса определяется наиболее медленным звеном. Химические реакции, как правило, протекают с большой скоростью. Перемешивание молекул и горючего происходит медленнее, чем горение.

Имеют место два способа сжигания топлива – факельный и слоевой. По факельному способу сжигается газообразное, жидкое и пылевидное топливо. По слоевому методу сжигают твердое топливо. В большинстве печей топливо сжигается факельным способом. Слоевой способ используется в доменной и агломерационной печи, вагранках, паровых котлах небольшой мощности.

2.2  Организация процесса сжигания топлива

Факел, в отличие от обычной струи, рассмотренной в механике газов, представляет горящую струю. Проще всего под длиной факела Lфак подразумевать, расстояние от горелки, на котором практически заканчивается полное горение топлива.

Факел образуется при смешении газового и воздушного потоков. По месту встречи и характеру перемешивания потоков различают 3 метода сжигания газов:

1 метод. Газ и воздух встречаются вне горелочного устройства (в рабочем пространстве печи) и перемешиваются в рабочем пространстве печи в процессе горения. Воздух и газ могут быть нагреты до высокой температуры Длина факела зависит от многих факторов. Желательно, чтобы длина факела Lфак была меньше длины рабочего пространства печи. Этот метод используется в горелках типа "труба в трубе".

2 метод. Газ и весь воздух, необходимый для полного горения топлива, перемешиваются друг с другом до вылета в рабочее пространство печи. Это возможно, если температура образующейся смеси меньше температуры воспламенения, тогда газ не может гореть внутри горелочных устройств, если скорость распространения пламени меньше скорости истечения смеси. Длина факела весьма мала и способ называют беспламенным или бесфакельным. Этот метод используется в инжекционных и скоростных горелках.

3 метод. Предварительное перемешивание газа с частью воздуха, необходимого для полного сжигания топлива. Окончательное перемешивание смеси с остальной частью воздуха в рабочем пространстве печи в процессе горения. Регулируя процесс предварительного перемешивания можно управлять длиной факела. Этот метод используется в большинстве горелок, типа горелок нагревательных колодцев, плоскопламенных и др. Подобные горелки применяются и в кухонных плитах.

2.3  Факельное сжигание

Рис. 2.1 – Фотография ламинарного факела

Различают ламинарный и турбулентный факел. При ламинарном факеле контакт горючего с кислородом воздуха происходит на поверхности струи. Внутренние слои газа не соприкасаются с кислородом, что хорошо видно на рис. 2.1 (темная полоска первичного газа охвачена светлой оболочкой горящего слоя). В ламинарном факеле по его сечению можно выделить две зоны: зону горючего газа и зону продуктов сгорания. На границе зон происходит горение топлива. Таким образом, имеет место послойное включение слоев газа в процесс горения. Фронт горения постепенно приближается к оси струи.

При турбулентном факеле отсутствует послойное выгорание газа в струе. Внешний вид и структура факела определяется свойством турбулентной струи захватывать окружающую среду, перемешиваться с этой средой и проталкивать ее вперед. Поэтому турбулентная струя газа после вылета из сопла горелки – устройств для сжигания газообразного топлива – приобретает форму конуса. По своей структуре турбулентная струя представляет совокупность хаотично перемещающихся макрочастиц, объединенных в одно целое силами вязкости и общим направлением движения.

При поджигании турбулентной струи горючего газа процесс горения начинается на поверхности струи. Образующиеся здесь продукты сгорания вовлекают в свое движение макрочастицы воздуха и вместе с ними проникают вглубь струи. Таким путем постепенно очаги горения возникают и внутри струи. Процесс горения из поверхностного превращается в объемный. Вследствие хаотичности турбулентного перемешивания очаги горения в каждом элементарном объеме факела возникают дискретно. Они то появляются, то исчезают. При зрительном восприятии большого числа близко расположенных и дискретно появляющихся очагов горения в объеме факела они сливаются воедино и турбулентный факел представляется в виде сплошной конусной струи горящего газа.

Для уяснения динамики перехода ламинарного факела в турбулентный рассмотрим изменение длины вертикального факела при возрастании скорости в сопле (рис. 2.2). С ростом скорости истечения длина ламинарного факела сначала возрастает почти пропорционально скорости истечения Wист, а факел имеет неизменную форму.

Рис. 2.2 – Фотографии факелов при переходе от ламинарного факела к турбулентному при возрастании скорости

Рис. 2.3 – Изменение длины факела при возрастании скорости

При достижении критической скорости Wкр вершина факела становится неустойчивой и начинает пульсировать. При дальнейшем увеличении скорости эта неустойчивость развивается и факел как бы складывается из двух частей: нижней ламинарной и верхней турбулентной, что видно из фотографии, приведенной на рис. 2.2. При еще большем увеличении скорости истечения длина факела начинает уменьшаться и граница раздела частей факела перемещается от вершины к соплу. При некотором значении скорости факел становится полностью турбулентным и дальнейшее увеличение вызывает противоположное явление – длина факела вновь начинает увеличиваться, но уже в более медленном темпе, чем при ламинарном режиме (рис. 2.3).

Значения критерия Рейнольдса, при котором начинается переход от ламинарного факела к турбулентному, зависит от природы газа и диаметра сопла. При увеличении диаметра сопла кривая Lфак = f(Wист) постепенно теряет максимум, вырождаясь в плавную кривую (пунктирная кривая на рис. 2.3). Хорошо развитый турбулентный факел имеет место при Reкр > 8000-10000. Для водорода Reкр = 3000.

2.4  Длина факела

Ламинарные факелы не встречаются в практике работающих печей. Между тем, теория турбулентного факела разработана для факела, развивающегося в неограниченной неподвижной воздушной среде или движущейся со скоростью Wв.

Рис. 2.4 – Схема к расчету длины факела в неподвижном воздухе

Часто для определения длины факела используются закономерности изотермической струи. Путь, на протяжении которого газовая струя захватывает для горения стехиометрическое количество воздуха , И.Д. Семикин назвал длиной пути захвата Lзах (рис. 2.4). В конце пути захвата смесь весьма неоднородна. Свободный кислород находится в периферийных слоях, а горючий газ сосредоточен в центральном ядре факела. Для завершения процесса полного горения требуется определенный дополнительный путь – длина пути перемешивания Lпер. Общая длина факела равна

Lфак = Lзах + Lпер. (2.1)

Длина захвата Lзах определяется из формулы для расчета расхода газа в свободной затопленной струе по известной величине смеси газа и захваченного воздуха

 =  = =  (2.2)

в виде:

, (2.3)

где  – объем воздуха для сжигания 1 м3 газа при нормальных условиях (tв = tг = 0 С, Рв = Рг = 760 мм рт. ст.); в0 – плотность воздуха при нормальных условиях; г0 – плотность топлива при нормальных условиях.

Далее, считая, что диаметр струи изменяется по длине струи по линейному закону, по известной величине Lзах определится диаметр струи (факела) в конце пути захвата

, (2.4)

где b = 2tg(/2); – угла раскрытия факела.

Известно, что влияние внешней среды на осевой участок газовой струи зависит от диаметра струи таким образом, что вихрь на поверхности струи с диаметром dL достигнет оси струи через Lпер = ВdL, т.е. длина пути перемешивания определится по формуле Lпер = Вdзах. Тогда

Lфак = Lзах(1 + Вb) = 3,16 d0(1 + )(1 + Вb). (2.5)

При практическом значении угла раскрытия факела пр = 24 получим b = 2tg(/2) = 0,425 и величине В 6 окончательно получим

Lфак = 11(1 + )d0.  (2.6)

Формально длина факела зависит от теплоты сгорания топлива и диаметра сопла горелки. При большой тепловой мощности полезно дробление факела, но на длине захвата нужно исключить слияние факелов.

2.4.1  Факторы, влияющие на длину факела. Калибр горелки. Выбор типа горелочного устройства с точки зрения нагрева

Номинальная относительная длина факела – это расстояние от выходного сечения горелки, измеренное в калибрах выходного отверстия, до точки, где концентрация СО2 на оси факела составляет 95 % от максимально возможной при номинальной тепловой мощности и при коэффициенте расхода воздуха n = 1.

На длину факела влияют следующие основные факторы:

  1.  диаметр газового сопла d0;
  2.  теплота сгорания топлива ;
  3.  концентрация кислорода в обогащенном воздухе;
  4.  скорость выхода газа из горелки;
  5.  скорость воздушного потока;
  6.  избыток воздуха, подаваемого для горения;
  7.  температура газа;
  8.  температура воздуха;
  9.  соприкосновение факела с плоскостью;
  10.  угол встречи потоков газа и воздуха;
  11.  расстояние между факелами.

Рис. 2.5 – Фотографии зависимости длины факела от диаметра сопла

Рассмотрим отдельные факторы более подробно.

1. Диаметр газового сопла.

Сравнение факелов можно проводить при постоянной скорости истечения газа, когда изменяется тепловая мощность горелки, и при одной и той же тепловой мощности горелки, но тогда будет изменяться скорость истекающего газа, что усложняет сравнение. На рис. 2.5 представлены факелы коксового газа, истекающего из сопел различных диаметров с одной и той же скоростью. Вершины факелов образуют прямую линию, что подтверждает достоверность формулы (2.6): длина факела пропорциональна диаметру газового сопла d0. Следует учитывать, что одновременно увеличивается мощность горелки.

2. Теплота сгорания топлива.

Чем выше теплота сгорания топлива, тем больше воздуха требуется для его сжигания, и тем больше, согласно (2.6), будет длина факела. Процесс вовлечения воздуха в горящую струю – процесс энергетический, потому на длину факела влияет не объемная теплота сгорания топлива  [Дж/м3], а массовая теплота сгорания  [Дж/кг]. Так, объемная теплота сгорания СО составляет 3050 кДж/м3, что выше объемной теплоты сгорания водорода, составляющей 2575 кДж/м3. Но CO = 1,25 кг/м3 и = 2440 кДж/кг, а у водорода = 0,0893 кг/м3 и = 28800 кДж/кг. Для СО имеем = 2,3 м3 возд. / м3 газа; для Н2 – = 2,38 м3 возд. / м3 газа. Расчет по формуле (2.6) приводит к следующим результатам: Lфак(СО) = 40d0, = 407d0. Длина факела у водорода очень большая, хотя химическая особенность водорода способствует быстрому ходу реакции горения. Эту особенность Н2 отметили многие исследователи факельного процесса – одному кг Н2 требуется захватить много воздуха на пути Lзах.

3. Концентрация О2 в воздухе.

Чем больше процент О2 в воздухе, тем меньше воздуха потребуется для горения, тем легче и быстрее вовлечь в струю нужное количество О2. Следовательно, длина пути захвата Lзах, а соответственно dзах, Lпер и Lфак уменьшаются.

Таким образом, сокращение длины факела при сжигании газа с обогащенным воздухом или даже с чистым кислородом обязано не сколь химии процесса, сколь механике газов, т.е. физике процесса.

Влияние факторов 4-11 на длину факела не нашло отражения в формуле (2.6) и потому используются экспериментальные данные для решения поставленных вопросов.

4. Скорость выхода газа из горелки.

Как показано ранее, с увеличением скорости истекающего газа (в турбулентной области) длина факела медленно возрастает (относительно возрастания длины ламинарного факела). На одной и той же длине захват воздуха растет пропорционально скорости газа за счет увеличения турбулентности потока и длина факела перестает зависеть от тепловой мощности горелки.

5. Скорость воздушного потока.

Практическое сжигание газа в печах связано с подачей вентиляторного воздуха в горелку. Воздух из воздушного кольца может истекать с различной скоростью. Общая идея процесса перемешивания газовых сред состоит в том, что количество движения двух потоков определяет течение процесса. Чем больше количества движения участвует в процессе перемешивания, тем интенсивнее происходит процесс перемешивания. С этой точки зрения, ввод дополнительного количества движения с воздухом должен привести к укорочению длины факела, что подтверждается и экспериментом.

6. Избыток воздуха, подаваемого для горения.

Избыток воздуха при сохранении площади воздушного кольца в горелке может привести к некоторому сокращению длины факела из-за увеличения скорости воздуха. Дожигание "хвоста" факела идет в условиях снижающейся концентрации кислорода. Ясно, что подача воздуха с некоторым небольшим избытком совершенно необходима, чтобы наверняка исключить недожог топлива в печи.

7. Температура газа.

Подогрев газа с соответственным увеличением скорости гипотетически эквивалентен уменьшению диаметра горелки d0 при постоянной тепловой мощности горелки на холодном газе. По этой причине длина факела сокращается.

Это явление можно объяснить следующим образом. Химическая теплота остается постоянной, а скорость вылета газа и, следовательно, количество движения возрастает, отчего перемешивание потоков газа и воздуха ускоряется.

8. Температура воздуха.

С увеличением температуры воздуха скорость воздуха увеличивается, перемешивание газа и воздуха ускоряется и длина факела уменьшается.

9. Соприкосновение факела с плоскостью.

При соприкосновении струи газа с плоскостью факел деформируется, он становится шире и тоньше.

Струя газа, уширяясь при встрече с плоскостью, одновременно лишается некоторого фронта для захвата кислорода. Уширение факела способствует его укорочению, а прекращение снабжения его кислородом со стороны плоскости вызывает его удлинение. В конечном итоге, при наличии таких противоречивых факторов, длина факела существенно может и не измениться.

10. Угол встречи потоков газа и воздуха.

При встрече потоков газа и воздуха под углом, что имеет место при практическом сжигании газа в промышленных печах, происходит явление удара со всеми вытекающими отсюда последствиями. Потоки сплющиваются, расширяются, дробятся на отдельные пряди. Более слабый поток деформируется сильнее.

Чем больше скорости потоков, тем сильнее действие удара. Удар струи о струю способствует перемешиванию газов за счет появления макротурбулентности крупных вихрей. Это ведет к укорочению факела, но связано с потерей стройности движения, т.е. аэродинамических качеств факела. Угол встречи 450 при равенстве скоростей газа и воздуха может сократить длину факела вдвое.

В тех случаях, когда аэродинамические качества важнее, чем длина факела (например для факела в мартеновской печи), применение больших углов вредно. Для сокращения длины факела лучше увеличить скорость воздуха и уменьшить угол встречи потоков, поскольку большой угол встречи разрушает факел.

11. Расстояние между факелами.

При близком расположении друг к другу факелы мешают подходу кислорода. При расширении струй они сливаются друг с другом. Если этот контакт произошел раньше, чем закончился захват нужного количества воздуха для горения, то дальнейшее получение кислорода затрудняется, так как факелы из отдельных превращаются в один общий. В результате слияния потоков длина общего факела резко возрастает. Если воздух и газ подаются параллельными потоками с большими скоростями при котором длина захвата меньше длины слияния потоков, то длина суммы всех факелов практически не отличается от длины отдельного факела.


Лекция 3

План лекции:

Пристрої для спалювання газоподібного та рідкого палива.

Класифікація пальникових пристроїв. Прилади для спалення палива: пальники, форсунки. Пальники типу „труба в трубі”, конструкції ДМетI, інжекційні та інш. Вимоги, які пред'являються к пальникам и форсункам. Нове покоління пальників: регенеративні, рекуперативні, та рекуперативно-пальникові блоки.

2.5  Устройства для сжигания газообразного и жидкого топлива. Классификация сжигающих устройств. Устройства для сжигания топлива: горелки, форсунки

Важнейшим элементом топливной печи являются устройства для сжигания газа или мазута. Устройства для сжигания газа называют горелками, для распыливания и сжигания мазута – форсунками. И те и другие состоят из собственно горелки (форсунки) и огнеупорного горелочного туннеля, через который смесь воздуха и топлива поступает в печь.

2.5.1  Горелки типа "труба в трубе", конструкции ДМетИ, инжекционные и другие. Требования, которые предъявляются к горелкам и форсункам

1. Горелки для сжигания газа

Процесс сжигания топлива состоит из трех операций: смешивание топлива с воздухом, подогрев компонентов горения до температуры воспламенения и собственно химическая реакция горения. Самая медленная операция – смешивание компонентов горения. В зависимости от её организации различают конструкции газовых горелок: 1) с предварительным смешиванием газа с воздухом внутри корпуса горелки и 2) без предварительного смешивания.

К горелкам с предварительным смешиванием относятся инжекционные (рис. 2.6а). В таких горелках воздух засасывается (инжектируется) в корпус под воздействием струи газа, выходящей с большой скоростью из газового сопла. Эти горелки не нуждаются в вентиляторах, а при работе на холодном воздухе и в воздухопроводах. К таким горелкам подводят только газ, их называют однопроводными в отличие от двухпроводных (или дутьевых) горелок, к которым подводят не только газ, но и воздушное дутьё по воздухопроводам. В корпусе-смесителе горелки происходит предварительное смешивание газа с воздухом. Газовоздушная смесь нагревается и сгорает в пределах длины горелочного туннеля. В печи нет видимого пламени. Поэтому инжекционные горелки называют беспламенными.

Скорость выхода смеси из носика горелки в туннель должна быть больше скорости распространения пламени в готовой для горения смеси во избежание обратного «проскока» пламени в корпус горелки, что может привести к его прогару, если горелку своевременно не отключить. «Проскоки» пламени при малых расходах газа делают узким диапазон регулирования расходов газа в этих горелках.

Подачу газа в горелку по сравнению с максимальной расчетной уменьшают не более, чем в 2-3 раза. Во избежание «проскоков» нельзя подогревать воздух и газ до высокой температуры, близкой к температуре воспламенения.

Преимуществом инжекционных горелок является полное сжигание газа с небольшим коэффициентом расхода воздуха, близким к единице, вследствие хороших условий смешивания компонентов горения.

На рис. 2.6б, 2.6в, 2.6г представлены конструкции двухпроводных горелок без предварительного перемешивания. Смесь газа с воздухом образуется вне корпуса горелки, в туннеле и в рабочем пространстве печи. По мере смешивания происходит горение в видимом факеле. Поэтому такие горелки называют факельными.

Горелки типа "труба в трубе" с почти параллельными потоками газа и воздуха (см. рис. 2.6б) отличаются длинным пламенем ввиду медленного перемешивания параллельных потоков. Газовая труба расположена по оси горелки, воздух проходит по кольцевому зазору между наружной и внутренней трубами. Эти горелки применяются для сжигания газов с низкой и с высокой теплотой сгорания.

   а)      в)

   б)      г)

Рис. 2.6 – Виды газовых горелок:
а – инжекционная горелка с предварительным смешиванием газа с воздухом; б – дутьевая типа «труба в трубе» без предварительного смешивания; в  дутьевая для природного газа с закруткой воздуха;
г – дутьевая сводовая плоскопламенная с закруткой воздуха и газа;
1  собственно горелка; 2  огнеупорный туннель.

Дутьевые горелки для сжигания природного газа низкого давления типа ГНП (см. рис. 2.6в) имеют улучшенное смешивание по сравнению с горелками "труба в трубе" и более короткий видимый факел. С этой целью перед выходным отверстием для воздуха установлены лопатки для закручивания воздушного потока, а наконечник для выхода газа делают сменным: с одним центральным выходным отверстием или с несколькими расположенными под углом к потоку воздуха.

Все перечисленные дутьевые и инжекционные горелки устанавливают, как правило, в стенах печей. В своде печи устанавливают плоскопламенные горелки (см. рис. 2.6г). Газ подают по трубе, расположенной вертикально по оси горелки. Поток воздуха закручивают направляющим винтом или благодаря смещенному от оси (тангенциальному) его подводу. Газ закручивают, применяя косые прорезы в наконечнике газовой трубы. Выходя из горелки, закрученная газовоздушная смесь прижимается к стенкам огнеупорного туннеля, имеющего форму граммофонной трубы. Пламя размыкается и направляется вдоль свода печи под прямым углом к оси горелки, приобретая форму плоского диска. Достоинство плоскопламенных горелок заключается в том, что горение происходит на поверхности огнеупорной футеровки свода. Раскаленный свод, имеющий бóльшую излучательную способность, чем дымовые газы, передает металлу, нагреваемому в печи, больший лучистый тепловой поток. Плоскопламенные горелки рассчитывают на работу с природным, коксовым и с различными смесями газов.

Для большинства дутьевых горелок расход газа без ухудшения работы горелки можно изменять в 3-4 раза. Все конструкции газовых горелок перед применением в печах проходят государственные испытания и получают сертификат с указанием допустимого режима эксплуатации: диапазона расходов газа, давления газа и воздуха, коэффициента расхода воздуха.

2. Форсунки для сжигания мазута

В качестве жидкого топлива для отопления печей в металлургии используют, как правило, высоковязкие топочные мазуты. Мазуты характеризуются: 1) вязкостью, 2) температурой вспышки и 3) температурой воспламенения, 4) температурой застывания. Температурой вспышки называют температуру, при которой пары мазута в смеси с воздухом загораются при поднесении огня. Она находится в пределах 70-150 С в зависимости от состава мазута. Температура вспышки значительно ниже температуры воспламенения, при которой жидкий мазут воспламеняется произвольно, без воздействия огня. Температура воспламенения мазутов в среднем равна 500-600 С. Температура застывания равна 5-25 С.

Для удобства транспортирования и распыливания в форсунках вязкость мазута снижают путем подогрева до температуры на 15-20 С ниже температуры вспышки. Мазут перед сжиганием подвергают распыливанию, чтобы увеличить площадь контакта капель с кислородом воздуха. В металлургии для сжигания мазута применяют форсунки высокого и низкого давления с паровым и воздушным распыливанием. Распыливание происходит в результате взаимодействия струй мазута и распылителя, движущихся с разными скоростями. В форсунках низкого давления распылителем является идущий на горение вентиляторный воздух с давлением 5-20 кПа, при котором обеспечивается скорость его истечения 80-100 м/с. Мазут обычно истекает со скоростью 10 м/с. Достоинство форсунок низкого давления в том, что они не нуждаются в подводе распылителя высокого давления. Их применяют на небольших металлургических печах. Качество распыливания и сжигания лучше, а пределы регулирования расхода мазута выше в форсунках высокого давления. В них распылитель – компрессорный воздух или водяной пар – подают в небольших количествах, но с большой скоростью. Необходимое давление воздуха 400-600 кПа, удельный расход 1,0-1,5 кг/кг мазута, пар может быть сухой насыщенный или перегретый с температурой 200-300 С под давлением 700-900 кПа, удельный расход пара 0,8-1,0 кг/кг мазута. Скорость истечения распылителя составляет сотни метров в секунду.

       

а)       б)

Рис. 2.7 – Виды мазутных форсунок:
а – форсунка низкого давления; б – форсунка высокого давления;
1 – собственно форсунка; 2 – форсуночная коробка

Форсунки высокого давления могут иметь большую пропускную способность. Их применяют на крупных металлургических печах. На рис. 2.7б показана установка на печи форсунки высокого давления в форсуночной коробке, через которую подают вентиляторный воздух, необходимый для сжигания мазута. На рис. 2.7а представлена форсунка низкого давления.

2.5.2  Новое поколение горелок: регенеративные, рекуперативные и рекуперативно-горелочные блоки

Регенеративные, рекуперативные и рекуперативно-горелочные блоки – это аппараты, которые комбинируют в себе функции горелочного и теплоутилизирующего устройства.

Принцип работы рекуперативной горелки следующий: через горелку противотоком по различным каналам поступают воздух горения в рабочее пространство печи и продукты сгорания из рабочего пространства печи.

Принцип работы регенеративной горелки следующий: одни и те же тракты попеременно (со смещением во времени) служат для подачи воздуха горения в рабочее пространство печи и продукты сгорания из рабочего пространства печи.

Принцип работы рекуперативно-горелочного блока следующий: канал отбора продуктов сгорания располагается вблизи устья горелки, а тракты продуктов горения и воздуха горения пересекаются не в горелке, а в примыкающем к ней рекуператоре.

Достоинством всех этих систем являются компактность и высокая степень утилизации теплоты благодаря малым теплопотерям в трактах.

На рис. 2.8 показана схема печи с регенеративными горелками. Регенеративные горелки 1 и 2 устанавливаются с противоположных сторон рабочего пространства печи. Характерной особенностью этих горелок является непосредственное расположение компактных регенераторов 1 и 2 около места подвода газа и воздуха в печь. Печь с регенеративными горелками является реверсивной. Регенеративные горелки работают попеременно на нагреве и охлаждении регенеративных насадок, что осуществляется с помощью регулирующих клапанов. Дым после регенераторов удаляется дымовой трубой в окружающее пространство.

Рис. 2.8 – Схема печи с регенеративными горелками

Устройство регенеративной горелки приведено на рис. 2.9. Главным элементом горелки является регенератор. Насадка регенераторов выполняется из шариков диаметром d = 15-20 мм. Шарики выполняются из огнеупорного материала, например, алунда.

Отличие шариковых регенераторов от кирпичных состоит в том, что поверхность нагрева 1 м3 насадки шаров диаметром 15-20 мм в 10-15 раз больше поверхности кирпичной насадки.

Поэтому шариковый регенератор имеет небольшой объём и устанавливается прямо в горелке. Отсюда название – регенеративные горелки.

Чтобы возвратить в печь с нагретым воздухом как можно больше теплоты, уносимой из неё дымовыми газами, нужно не давать шарикам прогреться по всей высоте засыпки. Горелки работают попарно. Когда температура дыма на выходе из регенератора достигает 100-150 °С, делают перекидку клапанов – дымовых, воздушных и газовых. Период между перекидкой составляет 1-3 минуты и зависит от соотношения расхода дымовых газов и объёма насадки.

Рис. 2.9 – Устройство регенеративной горелки

Температура подогрева воздуха в шариковых регенераторах приблизительно на 100 °С ниже температуры дыма на выходе из печи. Поэтому регенераторы являются мощным средством аккумуляции тепла уходящих из печи газов и возврата его в печь с воздухом через горелки. КИТ в таких горелках может достигать 0,85-0,9.

В регенеративных камерах имеются загрузочный люк и разгрузочное окно. При засорении шариковой насадки её можно через разгрузочное окно передать на промывку от загрязнений.

Печи с регенеративными горелками, как нагревательные, так и плавильные, работают в странах Западной Европы, в США, в Китае и др.


Лекция 4

План лекции:

Утилізація теплоти димових газів.

Тепловий баланс печей. Вторинні матеріальні та енергоресурси. Напрями зниження питомої витрати палива в печах. Система випарного охолоджування печей. Принципи утилізації теплоти.

3  Утилизация теплоты дымовых газов

3.1  Тепловой баланс печей

Тепловой баланс можно составлять на единицу времени (печи непрерывного действия) и на цикл работы печи (печи периодического действия).

3.1.1. Тепловой баланс печи непрерывного действия

Печи непрерывного действия – это печи, в которых температурный и тепловой режим во времени не изменяются.

Баланс выражается уравнением, связывающим приход и расход теплоты в единицу времени

Мприх = Мрасх [Вт]. (3.1)

Рис. 3.1 – Тепловой баланс камеры для нагрева материала

Баланс можно составлять для зон горения топлива, для рабочего пространства печи (зоны горения + зоны утилизации теплоты) и для печи в целом, включая внешние теплообменные устройства. Наилучшим образом характеризует тепловую работу печи баланс рабочего пространства (рис. 3.1), который будет рассмотрен ниже. Для простоты в тепловом балансе будем считать нагрев металла и опустим слагаемые, связанные с окислением металла.

Приход теплоты чаще всего состоит из следующих частей:

  •  химическая теплота, выделяемая при сжигании топлива в единицу времени и называемая общей тепловой мощностью печи

Мобщ = В, (3.2а)

где В – расход топлива [м3/с];  – низшая теплота сгорания топлива [Дж/м3];

  •  теплота, вносимая подогретым воздухом

Мф.в = ВLniв= ВQф.в, (3.2б)

где iв – удельная энтальпия подогретого воздуха [Дж/м3]; Ln – действительный расход воздуха на 1 м3 топлива [м33]; Qф.в = Lniв – удельная физическая теплота подогретого воздуха;

  •  теплота, вносимая подогретым топливом

Мф.т = Вiт; (3.2в)

где iт – удельная энтальпия подогретого топлива [Дж/м3]. Часто эту величину называют удельной физической теплотой топлива и обозначают Qф.т = iт;

Расход теплоты состоит из следующих частей:

  •  теплота, воспринятая нагреваемым металлом и называемая усвоенной тепловой мощностью

, (3.3а)

где Р – производительность печи [кг/с];  – изменение удельной энтальпии металла в процессе нагрева, называемое тепловым дефицитом [Дж/кг]. Таким образом, тепловой дефицит – это количество теплоты, которое нужно сообщить исходным материалам в расчете на 1 кг конечного продукта;

  •  потери теплоты с уходящими продуктами горения

Мух = ВVдiух, (3.3б)

где iух – удельная энтальпия дымовых газов на выходе из рабочего пространства печи [Дж/м3]; Vд – объем дымовых газов, образующихся от сжигания 1 м3 топлива [м33]; Qф.ух = Vдiух – удельная физическая теплота уходящих из печи газов [Дж/м3];

  •  потери теплоты от химической неполноты горения топлива

Мх.н = ВQх.н, (3.3в)

где Qх.н = Vд()0,01 – удельная теплота недожога топлива в печи [Дж/м3];  и  [%] – процентное содержание СО и Н2 в продуктах неполного горения;  и  – низшая теплота сгорания СО и Н2 [Дж/м3];

  •  потери теплоты из рабочего пространства печи – Мпрп, включающие в себя: а) потери теплоты теплопроводностью через кладку; б) потери теплоты излучением через открытые окна и щели; в) потери теплоты с охлаждающей водой на охлаждение внутрипечных металлических элементов; г) потери на нагрев транспортных утройств; д) потери с выбиванием дыма через неплотности кладки; е) потери с механическим недожогом топлива, потери при диссоциации СО2 и Н2О; ж) потери на нагрев подсасываемого в печь холодного воздуха и др. Эти потери (Мпрп) принято называть мощностью тепловых потерь рабочего пространства печи;

Таким образом, уравнение теплового баланса можно представить в следующем виде:

Мобщ + Мф.в + Мф.т = Мусв + Мпрп + Мух + Мх.н. (3.4)

3.2  Вторичные материальные и энергетические ресурсы

Технологические процессы черной металлургии характеризуются низким показателями использования энергии топлива основными его потребителями – металлургическими печами. В этой связи возникло понятие о вторичных энергетических ресурсах (ВЭР). ВЭР – часть энергии топлива, не использованная в технологическом процессе. Аналогично можно внести понятие о вторичных материальных ресурсах (ВМР), как отходах технологического процесса (например, пылевидные выбросы, вода, окалина, шлак). Совершенно очевидно, что использование ВЭР и ВМР не только экономит материально-энергетические ресурсы, но и уменьшает вредные выбросы и снижает загрязнение окружающей среды.

3.2.1  Классификация вторичных энергоресурсов

По виду энергии ВЭР делятся на горючие (топливные), тепловые и избыточного давления.

К горючим ВЭР относятся побочные газообразные продукты технологических процессов, которые могут быть использованы в качестве энергетического или технологического топлива. В черной металлургии к горючим ВЭР относят доменный, ферросплавный и конвертерный газы, а иногда также и коксовый газ.

Тепловые ВЭР представляют собой физическую теплоту основных и побочных продуктов, отходящих газов технологических агрегатов, а также систем охлаждения их элементов. Однако, если эта теплота используется для подогрева сырья или воздуха, т.е. возвращается в технологический процесс, то к ВЭР она не относится.

Доля тепловых ВЭР к общему их выходу составляет около 30 %. На рис. 3.2 приведена классификация тепловых ВЭР.

Рис. 3.2 – Классификация тепловых ВЭР

ВЭР избыточного давления – потенциальная энергия газов, выходящих из технологических агрегатов с избыточным давлением, которое может быть использовано в утилизационных установках для получения других видов энергии.

В табл. 3.1 приведена классификация ВЭР по видам и способам их использования.

Таблица 3.1 – Виды ВЭР и способы их использования

Виды ВЭР

Носители ВЭР

Энергетический потенциал

Способ использования

Горючие

Газообразные отходы

Низшая теплота сгорания

Сжигание в топ-ливоиспользующих установках

Тепловые

Отходящие газы, готовая продукция и отходы производства, теплоносители систем охлаждения

Энтальпия

Выработка в теплоутилизационных установках водяного пара, горячей воды

Отработанный и попутный пар

Энтальпия

Покрытие тепло-потребности, выработка электроэнергии в конденсационном или теплофикационном турбоагрегате

Избыточного давления

Газы с избыточным давлением

Работа изоэнтропного расширения

Выработка электроэнергии в газовом утилизационном турбоагрегате

Количество ВЭР, образующееся в технологическом агрегате, называют выходом ВЭР. Эту величину относят либо к единице времени работы агрегата – источника ВЭР, либо в удельных показателях – к единице продукции.

Выход ВЭР определяется произведением количества энергоносителя на его энергетический потенциал. Для горючих ВЭР

qгор = m; (3.5)

для тепловых ВЭР

qт = mi; (3.6)

для ВЭР избыточного давления

qизб = mL, (3.7)

где qгор, qт, qизб – выход соответствующих ВЭР, Дж/с (Дж/кг продукции) ; m – расход энергоносителя, кг/с (кг/кг продукции);  – низшая теплота сгорания ВЭР, Дж/кг; i – удельная энтальпия энергоносителя, Дж/кг; L – удельная работа изоэнтропного расширения газов, Дж/кг.

В некоторых случаях горючие ВЭР выражают в единицах условного топлива:

 b = m / Qу.т., (3.8)

где b – выход ВЭР в килограммах условного топлива на единицу продукции или времени, кг усл.т./кг (кг усл.т./с); Qу.т. = 29308 кДж/кг усл.т. – теплота сгорания 1 кг условного топлива.

На рис. 3.3 представлена схема использования ВЭР с указанием общепринятых терминов.

Рис. 3.3 – Схема использования ВЭР:

1  ВЭР, пригодные к непосредственному использованию; 2  ВЭР на утилизационные установки; 3  возможная выработка энергии; 4  неизбежные потери; 5  резерв использования; 6  утилизационные установки; 7  фактические потери; 8  фактическая выработка; 9  фактическое использование ВЭР

3.3  Направления снижения удельного расхода топлива в печах

3.3.1  Схемы использования теплоты уходящих газов в печах. Принципы утилизации теплоты

Использование физической теплоты отходящих газов осуществляется по трем схемам: 1) технологической (замкнутой и разомкнутой), 2) энергетической и 3) комбинированной.

Технологическая схема предусматривает использование этой теплоты для технологических процессов, как правило, в той же теплотехнологической установке. По такой схеме нагревают воздух, а также в некоторых случаях и газообразные топлива, предварительно подогревают обрабатываемый в печи материал или производят химико-термическую переработку некоторых шихтовых материалов, используемых в данном процессе. При отоплении печей природным газом к технологической схеме относится также термохимическая регенерация теплоты отходящих газов, используемая для конверсии метана. Описанные схемы являются замкнутыми, они обеспечивают экономию топлива в самом технологическом агрегате (рис. 3.4). Теплоту отходящих газов можно использовать и в другой печной установке с меньшим температурным уровнем процесса. Такая схема является разомкнутой (рис. 3.5). В этом случае экономится топливо в установке, использующей теплоту отходящих газов. Возможно также последовательное использование теплоты в основном и в низкотемпературных агрегатах.

 

Рис. 3.4 – Замкнутые технологические схемы использования теплоты отходящих газов:

а  для подогрева воздуха; б  для предварительного нагрева материала; 1  подвод топлива в печь; 2  отвод газов из печи; 3  рекуператор; 4  подвод воздуха в рекуператор; 5  отвод дыма; 6  подвод воздуха в печь; 7  подача подогретого материала в печь; 8  подача холодного материала; 9   выдача материала

Рис. 3.5 – Разомкнутая технологическая схема использования теплоты отходящих газов:

1  подвод топлива; 2  подача материала в основную печь; 3  отвод газов из основной печи; 4  подача материала в низкотемпературную печь; 5  низкотемпературная печь; 6  отвод газов из низкотемпературной печи; 7  выдача материала из низкотемпературной печи; 8  выдача материала из основной печи; 9  подвод воздуха

Применение замкнутой технологической схемы повышает эффективность использования топлива в технологическом агрегате, т.е. снижает выход ВЭР.

Энергетическая схема предусматривает использование теплоты отходящих газов в энергетических установках для производства каких-либо энергоносителей (теплоты, электроэнергии, холода и др.). Возможно последовательное размещение нескольких теплоиспользующих установок, например, котлов-утилизаторов и экономайзеров для подогрева сетевой воды. Таким образом, энергетическая схема является разомкнутой и позволяет сэкономить топливо, расходуемое на производство соответствующих видов и количеств энергоносителей за счет использования ВЭР технологического агрегата (рис. 3.6).

Комбинированная схема сочетает технологическую и энергетическую схемы и обеспечивает как уменьшение выхода ВЭР, так и более эффективное их использование (рис. 3.7).

Каждая из схем имеет достоинства и недостатки. Основным критерием для их сравнения является достигаемая экономия топлива. Однако этот критерий еще не дает основания для окончательной оценки схем. Здесь необходим технико-экономический расчет, учитывающий капитальные и эксплуатационные затраты, устойчивость потребления энергоносителей, полученных за счет теплоты отходящих газов, и др.

 

Рис. 3.6  Энергетические схемы использования теплоты отходящих газов:

а  для получения пара; б  для получения пара и горячей воды;

1  подвод топлива; 2  отвод газов из печи; 3  котелутилизатор (КУ); 4  отвод пара из КУ; 5  отвод дыма из КУ; 6  подвод питательной воды в КУ; 7  подвод воздуха; 8  отвод горячей воды; 9  подогреватель сетевой воды; 10  подвод воды в подогреватель

Рис. 3.7  Комбинированная схема использования теплоты отходящих газов:

1  подвод топлива в печь 2  отвод газов из печи; 3  рекуператор; 4  подвод воздуха в рекуператор; 5  отвод дыма из рекуператора; 6  отвод пара из КУ; 7  котелутилизатор (КУ); 8  подвод питательной воды в КУ; 9  подвод воздуха в печь

4  Система испарительного охлаждения печей

4.1  Потери теплоты в системах охлаждения

Огнеупорная футеровка и ряд металлических деталей металлургических печей находятся в зонах высоких температур (до 16001800 °С). Огнеупорная кладка (стены, под, свод и дымоходы) в среднем выдерживает температуру до 12001500 °С. Значительное количество деталей конструкций изготовлены из металлов, предельная температура которых не должна превышать 400500 °С.

Для обеспечения надежной работы печей применяется принудительное охлаждаение элементов их конструкций. Перечислим ряд факторов, влияющих на срок службы охлаждаемых деталей: 1) тепловые нагрузки, 2) количество и 3) качество охлаждающей воды и 4) способ охлаждения.

Количество отводимой теплоты определяется тепловыми нагрузками на охлаждаемый элемент Q или удельными тепловыми нагрузками на единицу охлаждаемой поверхности (плотности теплового потока) q. Для разных печей и отдельных деталей эти показатели различны, зависят от температурного режима печей, разгара футеровки, конструкции и состояния тепловой изоляции охлаждаемых деталей и изменяются от минимальных в начале кампании печи до максимальных – в конце кампании. Средние их значения после опытного определения систематизированы в таблицы, и при необходимости их можно найти в специальной литературе.

Полная средняя тепловая нагрузка определяется по формуле

Qcp = qcpF, (4.1)

где Qcp и qср  соответственно средняя тепловая нагрузка и плотность теплового потока, Вт и Вт/м2; F  тепловоспринимающая поверхность детали, м2.

Размеры охлаждаемых деталей и их расположение обычно обусловлены конструкцией печи. Форма детали должна обеспечивать надежность ее охлаждения. Следует избегать острых углов и обогрева сверху, а также следует предусматривать надежную изоляцию обогреваемых поверхностей, обеспечивающую минимально возможный отвод теплоты из печи.

В тепловых балансах печей потери на охлаждение составляют 1020 %, а иногда и 30 % всей внесенной в печь теплоты. В черной металлургии получили распространение два способа охлаждения печей: 1) водяное и 2) испарительное.

4.2  Водяное охлаждение

Для водяного охлаждения печей используют техническую воду, расход которой на каждый крупный агрегат достигает в среднем 300500 т/ч. Определяется он в зависимости от максимальных тепловых нагрузок Qmax и допустимой температуры воды на выходе из охлаждаемой детали:

. (4.2)

В этой формуле М  расход воды на охлаждение, кг/с; tвых и tвх  соответственно температуры воды на входе и выходе из детали, С; с  теплоемкость воды, Дж/(кгК).

Техническая вода содержит значительное количество солей, которые при нагреве выпадают в осадок, т. е. на внутренней поверхности охлаждаемых элементов откладывается накипь. Низкая теплопроводность накипи способствует прогару детали. Во избежание выпадения солей температура воды на выходе из детали не должна превышать 40 °С. Обычно она на 1012 °С выше температуры воды, поступающей на охлаждение. Такой незначительный перепад обусловливает большой расход воды, в связи с чем пропустить ее через химическую водоочистку не представляется возможным. Соответственно значительно увеличиваются потребление электроэнергии для подачи воды и расход металла на трубопроводы и вспомогательное оборудование.

Различают прямоточную и оборотную схемы водяного охлаждения печей (рис. 4.1). Из-за низкой температуры воды на выходе использование отобранной теплоты пока не представляется возможным.

Рис. 4.1 – Схемы водяного охлаждения печей:

а  прямоточное охлаждение; б  оборотный цикл;

1  водоемы; 2  водозаборные устройства; 3  станции перекачки воды; 4  охлаждаемая деталь; 5  линия сброса нагретой воды; 6  насосы для перекачки нагретой и охлажденной воды; 7  охладитель (градирня)

Накипеобразующих солей при прямоточной схеме значительно меньше, поэтому надежность охлаждения повышается. Для снижения расхода воды из водоема прямоточную схему охлаждения (рис. 4.1а) заменяют оборотным циклом воды (рис. 4.1б). В этом случае вода циркулирует в системе деталь-насос-градирня-насос-деталь. Для покрытия потерь в циркуляционном контуре необходимо поступление дополнительной воды из водоема, что составляет лишь 510 %.

4.3  Испарительное охлаждение

В системах испарительного охлаждения (СИО) для отвода теплоты от деталей холодная вода заменена кипящей, при этом используется в основном скрытая теплота парообразования. Теплота, отбираемая охлаждающей водой, нагревает ее до температуры кипения при данном давлении, после чего происходит парообразование. В пределах применяемых в СИО давлений (340 атм) на нагрев воды расходуется 130630 кДж/кг теплоты; теплота парообразования составляет 22001700 кДж/кг. В итоге количество отбираемой 1 кг воды теплоты во всем диапазоне давлений составляет около 2300 кДж вместо 4080 кДж при водяном, что позволяет сократить расход воды примерно в 30-50 раз.

Малый расход воды позволяет обеспечивать питание СИО химически очищенной водой, что увеличивает срок службы деталей в пятьдесять раз. При испарительном охлаждении снижается расход электроэнергии на подачу воды, отпадает необходимость в сооружении громоздких дорогостоящих водоводов, насосных станций, градирен, бассейнов, прудов. Теплота, теряемая при водяном охлаждении, используется для получения пара, направляемого потребителям.

В отличие от водяного испарительное охлаждение предусматривает полное согласование отвода теплоты с технологией работы данной печи. Тепловые нагрузки охлаждаемых деталей переменны. При водяном охлаждении количество охлаждающей воды должно соответствовать максимальным нагрузкам во избежание повышения температуры воды и выпадения накипи. При испарительном – увеличение тепловой нагрузки приводит к турбулизации потока пароводяной смеси, и надежность охлаждения сохраняется, т. е. процесс охлаждения саморегулируется.

Испарительное охлаждение применяют на доменных, мартеновских, нагревательных и других печах.

Во избежание трудностей, обусловленных применением прямоточной схемы испарения воды при переменных тепловых нагрузках для металлургических печей принята система испарительного охлаждения с многократной циркуляцией.

Принципиальная схема системы испарительного охлаждения представлена на рис. 4.2. Охлаждаемые детали двумя трубами присоединяют к барабану-сепаратору. По опускной трубе к детали (к нижней ее части) подводится вода. По подъемной трубе образовавшаяся пароводяная смесь отводится (из верхней части) в барабан-сепаратор, где пар отделяется от воды и направляется в паропровод. Взамен испарившейся в барабан подается свежая питательная вода, и смесь ее с отсепарированной водой опять попадает в охлаждаемую деталь. Циркуляция воды в системе непрерывна. При этом возможна естественная или принудительная циркуляция.

Рис. 4.2 – Принципиальная схема системы испарительного охлаждения:

1  опускная труба; 2  охлаждаемая деталь; 3  подъемная труба; 4  водозаборное устройство; 5  станция перекачки воды; 6  химическая водоочистка; 7  питательный насос; 8  подвод питательной воды; 9  барабан-сепаратор; 10  отвод насыщенного пара

При естественной циркуляции движущей силой является разность плотностей воды в опускной трубе и пароводяной смеси в подъемной трубе. Для принудительной циркуляции на опускной трубе устанавливают циркуляционный насос. На отечественных предприятиях в СИО обычно применяют естественную циркуляцию, обеспечивающую работу системы независимо от подачи электроэнергии.

Принудительную циркуляцию применяют лишь в частных случаях: для горизонтальных трубчатых элементов методических печей мелко- и среднесортных станов, при недостаточной высоте расположения барабанов-сепараторов над печами, а также при наличии некоторых особенностей охлаждения, например в нагревательных печах с шагающими балками, где направление движения пароводяной смеси обратно естественному (вода подается сверху, пар отводится снизу).

Движение воды в испарительном контуре характеризуется кратностью циркуляции, являющейся отношением количества воды, циркулирующей в единицу времени в контуре, к количеству образовавшегося за это же время пара.

Параметры пара в СИО выбираются на основании анализа топливно-энергетических балансов и технико-экономических расчетов с учетом предельных параметров для данного типа установок. Так, предельные параметры пара для СИО доменных печей составляют 8 ат; мартеновских и двухванных сталеплавильных агрегатов  25 ат; методических нагревательных  47 ат.

Удельная выработка пара в СИО определяется для каждого агрегата отдельно. Так, например, в доменном производстве она составляет 0,2 кг/кг; мартеновском  0,25 кг/кг; прокатном  0,3 кг пара на 1 кг продукции, соответственно.

Из-за относительно низких параметров пар испарительного охлаждения не всегда находит потребителей. В настоящее время используется менее 85 % пара СИО. Потребители насыщенного пара самые разнообразные. На металлургическом предприятии имеется несколько паропроводов (каждый для пара определенных параметров), к которым подключены как парогенерирующие установки (котлы, КУ, СИО и др.), так и потребители пара соответствующих параметров либо непосредственно, либо через преобразующие устройства. Из паропровода насыщенного пара пар в зависимости от давления используется в технологических цехах для различных нужд. В доменном производстве паром (давление пара 45 ат) увлажняют дутье, уплотняют засыпные аппараты доменных печей, обогревают рудные бункера и трубопроводы, а также применяют для технологических нужд в коксохимическом производстве.

В мартеновском производстве насыщенным паром (давление 1,21,5 ат) подогревают мазут, масла и смолы в резервуарах и трубопроводах.

Насыщенный пар находит потребителей также в энергетическом хозяйстве предприятий: для водоподготовки производственных котельных ТЭЦ ПВС, паровакуумных холодильных установок, кондиционирования воздуха в горячих цехах, получения льда, в горячем водоснабжении бань, прачечных и др.

При дополнительном перегреве насыщенного пара в СИО более высокого давления (2445 ат) его можно использовать в турбинах.

Низкопотенциальным паром снабжают деаэраторные, химические водоочистные и различные подогревательные установки, замещая при этом пар промежуточных отборов паровых турбин. В этом случае весь пар турбины поступает в конденсатор, теплотехнические показатели теплофикационного турбогенератора несколько ухудшаются, но в целом по предприятию удельный расход топлива на выработку единицы теплоты уменьшается на 2530 %. Такое замещение на деаэраторах не требует затрат, создает экономию 1924 кг на 1 ГДж пара условного топлива. При замещении на подогревателях низкого давления экономия условного топлива составляет 9,512  кг/ГДж.

В настоящее время в черной металлургии испарительным охлаждением оборудовано около 120 нагревательных, 260 сталеплавильных (мартеновских и двухванных) и 40 доменных печей.

Как отмечалось выше, СИО работает на химически очищенной воде. В качестве резерва предусматривается временное питание технической водой.


Лекция 5

План лекции:

Рекуператори металургійних печей.

Схеми рекуператорів: прямострум, протиструм, перехресний струм. Промислові рекуператори. Типові конструкції рекуператорів металургійних печей: керамічний рекуператор, металевий петельний рекуператор, блочний рекуператор та інш.

5  Рекуператоры металлургических печей

Использование физической теплоты воздуха Qф.в и газообразного топлива Qф.т снижает расход топлива, так как она получена за счет охлаждения дымовых газов перед выбросом их в атмосферу, т.е. для нагрева компонентов горения не расходовалась дополнительная химическая энергия топлива. Этот способ сокращения расхода топлива получил название: утилизация теплоты уходящих газов в рекуператорах или регенераторах.

Эффективность утилизации теплоты уходящих газов оценивают степенью рекуперации (регенерации)

,

которая показывает, какую долю теплоты уходящего дыма удается возвратить в рабочее пространство с нагретым воздухом и газообразным топливом.

Рекуператоры применяют, в основном, в нагревательных печах различного назначения. Регенераторы нашли применение как в плавильных, так и в нагревательных печах.

5.1  Схемы рекуператоров: прямоток, противоток, перекрестный ток

Рекуператор – это теплообменник стационарного режима работы, в котором теплота непрерывно передается от дымовых газов к нагреваемому газу (воздуху либо газообразному топливу) через сплошную твердую стенку. Площадь поверхности этой разделяющей стенки называют поверхностью теплообмена F, м2. Чаще всего стенка имеет цилиндрическую форму, т.е. выполняется в виде трубы, внутри которой протекает один теплоноситель, а снаружи – другой.

По схеме движения горячего и холодного теплоносителей различают рекуператоры прямоточные, противоточные и перекрестного тока (рис. 5.1).

По преобладающему виду теплоотдачи от дымовых газов к стенке рекуператоры могут быть конвективными, радиационными и конвективно-радиационными.

В зависимости от материала стенки различают керамические и металлические рекуператоры.

Материалом для металлических рекуператоров служат хромоникелевые стали типа Х18Н10Т, Х25Н20С2 с допустимой температурой дыма перед рекуператором 1100-1200 С, либо хромистая сталь типа Х17 с допустимой температурой дыма не более 1000 С. Толщина стальной стенки S = 2-3 мм. Температура нагрева воздуха (или газа) в существующих рекуператорах не превышает 400-500 С.

 а)      б)    в)

Рис. 5.1 – Схемы движения теплоносителей в рекуператоре:

а – прямоток; б – противоток; в – перекрестный ток

Керамические рекуператоры выполняют из карбошамотных или шамотных восьмигранных трубок длиной 300-350 мм, с толщиной стенки S = 10-12 мм, а также реже из шамотных пустотелых блоков. В керамических рекуператорах нагревают только воздух ввиду их негерметичности. Максимальная температура дыма перед рекуператором 1250-1300 С, нагретого воздуха – 800-850 С. Более высокая температура воздуха – единственное преимущество керамических рекуператоров, недостатками их являются:

  •  неплотные соединения трубок между собой, через которые происходит утечка воздуха, изменяющаяся в процессе службы и нарушающая нормальное сжигание топлива;
  •  большие габаритные размеры из-за высокого теплового сопротивления керамической стенки, в связи с чем коэффициент теплопередачи в 4-5 раз меньше, а поверхность теплообмена во столько же раз больше, чем у металлического рекуператора.

5.1.1  Теплообмен и температурные поля в рекуператорах

Рассмотрим схему теплообмена при передаче теплоты через стенку рекуператора (рис. 5.2). Для определенности будем считать, что в рекуператоре нагревается сухой воздух, состоящий из двухатомных газов N2 и О2, которые прозрачны для тепловых лучей. Слева от стенки находится горячий теплоноситель – дым , в составе которого имеются трехатомные продукты горения СО2 и Н2О, способные излучать тепловой поток. В связи с этим коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке включает лучистую  и конвективную  составляющие: , тогда как со стороны воздуха только конвективную .

Тепловой поток от дыма к воздуху преодолевает три тепловых сопротивления: от дыма к стенке – 1/д, внутреннее сопротивление стенки – S/ и от стенки к воздуху – 1/в. Как известно из теплотехники, коэффициент теплопередачи для плоской стенки будет равен

, Вт/(м2К), (5.1)

а тепловой поток через стенку площадью F, м2

, Вт, (5.2)

где k и  – средние по поверхности F значения коэффициента теплопередачи и разности температур между дымом и воздухом.

Рис. 5.2 – Схема теплопередачи через стенку рекуператора

Выражение (5.2) называют уравнением теплопередачи в рекуператоре, а  - средним "температурным напором", который находят по формуле среднего логарифмического (вывод формулы мы не приводим)

. (5.3)

Обозначения величин  и  показаны на рис. 5.3.  и  представляют из себя разности температур дыма и воздуха через разделительную стенку на входе и выходе дымовых газов из рекуператора.

Характер температурных полей на рис. 5.3 определяется уравнением теплового баланса рекуператора

 

или

, (5.4)

где Gд и Gв – массовые расходы дыма и воздуха, кг/с; и  – температуры дыма на входе в рекуператор и на выходе из него, С; и  – то же для воздуха, С; пот = 0,05-0,1 – коэффициент потерь теплоты в окружающую среду.

Из уравнения теплового баланса (5.4) для идеального рекуператора (при пот = 0) получаем соотношения

 (5.5а)

или

. (5.5б)

По физическому смыслу,  и  – это теплоемкости секундного расхода дыма и воздуха (водяные эквиваленты). Из (5.5б) следует вывод: чем больше теплоемкость теплоносителя, тем меньше изменяется его температура в рекуператоре.

Рис. 5.3 – Температурные поля рекуператоров вдоль поверхности F разделительной стенки рекуператора:

а – при ; б – при ;
t
ст – температура разделительной стенки рекуператора

На рис. 5.3 представлены температурные поля прямоточного и противоточного рекуператоров при  и при . Анализируя рис. 5.3, мы видим, что температура нагрева воздуха  при одинаковых значениях  и  в прямоточном рекуператоре стремится к , а в противоточном – к , т.е.  будет меньше в прямоточном рекуператоре, при этом из-за существенного уменьшения текущего значения  количество передаваемой теплоты также уменьшается, поэтому в прямоточном рекуператоре экономически обоснованным считается предельное значение .

5.1.2  Схема расчета рекуператора

Цель расчета рекуператора состоит в определении величины поверхности теплообмена F, которая является исходным параметром при проектировании. Массовые расходы теплоносителей и температуры ,  и  должны быть заданы.

В расчете рекуператора используются два уравнения: теплового баланса (5.4) и теплопередачи (5.2).

Из уравнения (5.4) находят неизвестную температуру дыма на выходе из рекуператора  и количество передаваемой воздуху теплоты Q.

.

Из уравнения (5.2) определяют искомую величину поверхности теплообмена

.

Коэффициент теплопередачи "k" находят по формуле (5.1). В металлических рекуператорах внутреннее тепловое сопротивление стенки S/ пренебрежимо мало по сравнению с величинами – 1/д и 1/в, поэтому формула (5.1) упрощается

.

Формулы для вычисления коэффициентов теплоотдачи д и в приведены в учебном пособии [3] из списка рекомендуемой литературы.

5.2  Промышленные рекуператоры. Типовые конструкции рекуператоров металлургических печей: керамический рекуператор, металлический петлевой рекуператор, блочный рекуператор и др.

Конструкции рекуператоров разнообразны. В качестве примера рассмотрим рекуператоры трех конструкций:

Петлевой трубчатый рекуператор перекрестного тока (рис. 5.4) выполняется из металлических труб 57/50 мм, устанавливается в дымовом канале. Достоинством его является свободное удлинение труб при разогреве рекуператора, так как трубы находятся в подвешенном состоянии и не испытывают термических напряжений.

Рис. 5.4 – Петлевой трубчатый рекуператор

Воздух входит в один из двух коллекторов, затем движется внутри труб по петлевой траектории и выходит из второго коллектора. Поток дыма проходит вдоль дымового канала между трубами. Эти рекуператоры широко применяются на нагревательных печах для подогрева воздуха и газообразного топлива.

Струйный радиационный рекуператор (рис. 5.5) имеет плоскую поверхность теплообмена в виде металлического листа.

Рис. 5.5 – Схема струйного радиационного рекуператора

Струйный рекуператор устанавливается на дымовой канал сверху. Дым проходит по каналу под рекуператором и передает теплоту на поверхность теплообмена в основном излучением, так как скорость движения дыма в канале мала (2-3 м/с), а его температура довольно высока – обычно более 1000 С. Поэтому конвективный тепловой поток от дыма к поверхности теплообмена значительно меньше, чем лучистый. Воздушные струи истекают из мелких отверстий коллектора на поверхность теплообмена, при этом конвективная теплоотдача от поверхности к воздуху происходит более интенсивно, чем при движении воздуха вдоль поверхности теплообмена.

Керамический трубчатый рекуператор (рис. 5.6) перекрестного тока служит для подогрева воздуха до 800-850 С. Дымовые газы проходят обычно внутри труб, воздушный поток омывает поверхность труб снаружи. Трубы выполняются из шамота, либо из смеси шамота с карборундом (SiC). Как отмечалось выше, керамические рекуператоры имеют низкую газоплотность (из-за большого количества недостаточно плотных соединений труб между собой) и низкий коэффициент теплопередачи k = 5-10 Вт/(м2К). В связи с этим для высокотемпературного подогрева воздуха и газообразного топлива целесообразно применять регенераторы.

Рис. 5.6 – Керамический трубчатый рекуператор


Лекция 6

План лекции:

Регенератори металургійних печей.

Характеристики регенераторів. Конструкції регенераторів. насадка регенераторів. Схема роботи регенеративної системи опалення печей. Достоїнства та недоліки регенераторів. Умови експлуатації регенераторів.

6  Регенераторы металлургических печей

6.1  Характеристики регенераторов. Схема работы регенеративной системы отопления печей. Достоинства и недостатки регенераторов

Регенератор металлургической печи представляет собой камеру, заполненную многорядной решеткой (насадкой) из огнеупорного кирпича, чаще всего динасового и шамотного, или из других штучных изделий.

В работе регенератора различают два рабочих периода времени – 1 и 2. В течение периода 1 через регенератор проходит горячий теплоноситель – дым, который нагревает кирпичную насадку. Это дымовой период или период нагрева насадки. В течение периода 2 через регенератор пропускают холодный теплоноситель – воздух или газообразное топливо. Это период дутья или период охлаждения насадки. Насадка отдает ранее аккумулированную теплоту нагреваемому воздуху или газу, т.е. выполняет роль посредника в теплообмене между дымом и воздухом (газом).

Печь потребляет топливо и воздух непрерывно, поэтому она должна иметь как минимум два регенератора для нагрева воздуха и два – для нагрева топлива, если есть необходимость в нагретом топливе. Такая необходимость возникает при отоплении печи низкокалорийным газом, чтобы обеспечить достаточную температуру горения.

При наличии на печи одной пары регенераторов продолжительность периодов нагрева и охлаждения насадки одинакова 1 = 2. По два воздушных регенератора имеют мартеновские и нагревательные печи. Регенеративные нагревательные колодцы, работающие на доменном газе, имеют два воздушных и два газовых регенератора. В доменных воздухонагревателях длительность дымового и воздушного периодов разная, поэтому доменные печи оборудованы тремя или четырьмя регенераторами (кауперами). Если число регенераторов "n" больше двух, то , где  – длительность операции переключения с дымового периода на воздушный и наоборот. Эту операцию на производстве называют "перекидка клапанов".

Движение газов в регенераторах противоточное, греющий и нагреваемый газы проходят по одним и тем же каналам насадки, но в разные периоды времени и в противоположном направлении.

Таким образом, регенератор, в отличие от рекуператора, – это теплообменник нестационарного режима работы, в котором теплота передается от дымовых газов к воздуху либо топливу с помощью периодического нагрева и охлаждения огнеупорной насадки.

Преимущество регенераторов состоит в возможности работы в условиях более высоких температур, при сохранении герметичности даже при высоком давлении теплоносителей. В доменных воздухонагревателях и в мартеновских печах температура дыма на входе в насадку = 1400-1600 С, она ограничивается свойствами керамической насадки: огнеупорностью, термостойкостью, шлакоустойчивостью. Температура нагрева воздуха достигает значений = 1300-1400 С.

Недостатком регенераторов является необходимость перекидки клапанов и колебание температуры нагретого воздуха (топлива). Температурное поле регенератора представлено на рис. 6.1. При постоянной температуре дыма  и воздуха  на входе в насадку температуры  и  изменяются во времени. В начале дымового периода охлажденная ранее насадка поглощает большее количество теплоты, чем в конце периода, когда разность температур дыма и насадки становится меньше. Поэтому на рис. 6.1 температура дыма на выходе из насадки в начале дымового периода  меньше, чем в конце  этого периода.

Температура нагрева воздуха выше в начале воздушного периода, когда насадка имеет наиболее высокую температуру, т.е. .

Чтобы не допускать значительного колебания температуры нагрева воздуха или топлива, перекидку клапанов делают через несколько минут. Уменьшение длительности периодов 1 и 2 полезно с точки зрения уменьшения объема насадки. Недостатком является снижение срока службы механических перекидных устройств.

Рис. 6.1 – Температурное поле регенератора:

– температура дыма и воздуха на входе в регенератор;   температура дыма на выходе из регенератора в начале и в конце дымового периода;  – температура нагрева воздуха в начале и в конце воздушного периода;  – температура насадки. Заштрихована область изменения  в течение цикла «нагрев – охлаждение»

6.2  Конструкции регенераторов. Насадка регенераторов. Условия эксплуатации регенераторов

Наибольшее распространение получили насадки (решетки) из обыкновенного кирпича – динасового и шамотного. В зависимости от способа укладки кирпичей различают насадки типа Сименс (рис. 6.2а) и типа Каупер (рис. 6.2б). Насадка Каупера имеет только вертикальные каналы, она обладает повышенной строительной прочностью, но её удельная поверхность теплообмена, т.е. площадь соприкасающейся с газами поверхности кирпичей в м2 на 1 м3 насадки, меньше, чем у насадки Сименса. Насадка Сименса имеет вертикальные и горизонтальные каналы, её строительная прочность ниже, но конвективная теплоотдача выше. Удельная поверхность насадок Сименса и Каупера находится на уровне 15-20 м23 в зависимости от размера каналов для прохода газов (ячеек).

Специальный вид насадки из фасонных огнеупорных блоков для доменных воздухонагревателей имеет удельную поверхность 35-40 м23.

За последние 20 лет получили распространение малогабаритные регенераторы с шариковой насадкой. Корундовые шарики с содержанием Al2O3 = 98 % имеют высокую огнеупорность и термостойкость. Засыпка шариков диаметром 20 мм имеет удельную поверхность 200 м23, т.е. на порядок выше, чем насадка из кирпичей.

а) насадка Каупера  б) насадка Сименса

Рис. 6.2 – Регенеративные насадки из кирпича

Шариковые регенераторы применяют в плавильных и нагревательных печах. В нагревательных колодцах с отоплением из центра подины одного из металлургических комбинатов Украины керамические трубчатые рекуператоры были заменены компактными шариковыми регенераторами, при этом температура подогрева воздуха возросла с 600 С до 1100–1150 С, а расход топлива снизился на 30%.


Модуль 2

Лекция 7

План лекции:

Основи теплової роботи печей.

Розвиток науки про печі: гідравлічна теорія В.Е. Грум-Гржимайло, енергетична теорія Н.Н. Доброхотова - И.Д. Семикина. Теплотехнічний зміст поняття «промислова піч», процеси які відбуваються в печах. Класифікація печей: за принципом теплогенерації, по технологічному призначенню, по конструктивних ознаках. Поняття про теплову потужність печі, види потужностей: холостого ходу, засвоєна, робоча, загальна. Зв'язок між тепловими потужностями, особливості запису для печей безперервної і періодичної дії. Тепловий дефіцит процесу.

7  Основы тепловой работы печей

7.1  Развитие науки о печах: гидравлическая теория В.Е. Грум-Гржимайло, энергетическая теория Н.Н. Доброхотова-И.Д. Семикина

Одной из первых теорий, объединявших представления о промышленных пламенных печах, была гидравлическая теория пламенных печей Михаила Васильевича Ломоносова, развитая профессором Владимиром Ефимовичем Грум-Гржимайло в 1909-1910 гг. в гидравлической теории расчёта пламенных печей на основе применения законов гидравлики к движению печных газов. В те времена печи работали на твердом и иногда на жидком и газообразном топливе. Преобладающим движением дымовых газов было естественное движение под действием тяги дымовой трубы. Топка отделялась от рабочего пространства печи пламенным окном. Вентиляторов обычно не было. Поэтому воздух входил в топку под действием естественной тяги. Печи, работающие на таком принципе, назывались самодувные.

Основные положения гидравлической теории расчёта пламенных печей (в кавычках выделены формулировки из книги Грум-Гржимайло В.Е. "Пламенные печи", 1932 г.):

1. Главный фактор успешной работы печи – организация движения продуктов сгорания в рабочем пространстве печи. Это положение актуально и сейчас.

2. "Движение пламени в печах подчиняется законам движения легкой жидкости в тяжелой (пламени в наружном воздухе)". Таким образом, печные газы движутся в рабочем пространстве, прижимаясь к своду. "Всякое движение всякой жидкости есть результат расхода напора", т.е. движение газов происходит под действием тяги дымовой трубы.

3. Для успешной работы печи дымовые окна для удаления дыма из рабочего пространства печи должны располагаться на уровне пода или в поду. "Отработавшие печные газы должны направляться кратчайшим путем в дымовую трубу. Под должен быть тщательно канализирован. Должно избегать мешка холодных газов на поду".

4. "Подсводовое пространство есть идеальная сожигательная камера; в интересах правильности протекания реакции горения, правильности и равномерности нагрева предметов, расположенных на поду, рекомендуется делать печи с высоким сводом". Чтобы газы успели охладиться в пределах рабочего пространства печи, т.е. успели передать как можно больше теплоты нагреваемым материалам, время пребывания газов в рабочем пространстве печи – преб – должно быть продолжительным, а скорость газов – Wд – минимальна

 преб = Lпечи / Wд  и  Wд = vд / Fсеч, (7.1)

где Lпечи – длина печи [м]; vд – расход дыма [м3/с]; Fсеч – площадь сечения печи для прохода дыма [м2].

Гидравлическая теория предлагала следующую методику расчета печей: вводилось понятие скорости падения температуры пламени (дымовых газов) от калориметрической температуры tкал до температуры уходящих из печи газов tух за время пребывания газов в рабочем пространстве печи преб

Спад = (tкал - tух) / преб. (7.2)

Исходя из известной скорости падения температуры всегда можно найти температуру уходящих газов и рассчитать тепловой баланс печи.

Принципиально новой явилась, так называемая, общая теория печей академика Николая Николаевича Доброхотова, разработанная в 1923-27 годах. Он впервые показал, что движение газов в печах имеет турбулентный, а не ламинарный характер, в связи с чем процессы смешения газов и горения топлива протекают по законам турбулентного, а не ламинарного потока. Основные положения теории заключаются в следующем:

1. Для улучшения теплопередачи конвекцией и излучением газы должны двигаться в рабочем пространстве печи как можно ближе к поверхности нагреваемых предметов с возможно большей скоростью. Для этого печи нужно строить с небольшим поперечным сечением рабочего пространства;

2. Горение топлива при высоких температурах определяется условиями смешения его с кислородом воздуха. Химическая реакция горения протекает очень быстро и не лимитирует скорость процесса сжигания топлива;

3. Длина турбулентного факела пропорциональна диаметру топливной струи и не растет с увеличением тепловой нагрузки при постоянном соотношении топлива и воздуха;

4. Геометрический напор газов в печах мал по сравнению с кинетической энергией газов. Влиянием геометрического напора можно пренебречь, при этом можно учитывать только силы инерции и кинетическую энергию газовых потоков;

5. Тепловую мощность печи необходимо определять количеством не только подаваемого в нее топлива, но и кислорода, потребляемого печью для сжигания топлива. Недостаток подаваемого кислорода для полного горения топлива не позволяет использовать всю мощность;

6. Очень важное значение имеет выбор системы транспортировки перерабатываемых и получаемых в печи материалов, которая определяет тип печи и является главной ее особенностью.

Эта теория открыла новые направления в конструировании компактных печей с принудительным движением газов. Печи стали работать на жидком и газообразном топливе, появились вентиляторы, исчезли отдельно расположенные топки. Эта теория работала в период индустриализации страны, когда главным требованием промышленности была высокая производительность печей несмотря на повышенный расход топлива. Большинство положения общей теории Н.Н. Доброхотова действительно и по сегодняшний день.

В работу по развитию общей теории печей включились многие ученые, способствуя своими исследованиями появлению новых разделов, связанных с моделированием работы печей, созданию новых методов расчета промышленыx печей для различных технологических процессов.

Среди работ, отражающих развитие теории печей в 30-х годах, следует назвать труды профессора Иосифа Даниловича Семикина, который, опираясь на исследования, выполненные в начале 1910-х годов инженером Николаем Евгеньевичем Скаредовым, выдвинул в 1930 г. лозунг "Успех решает большая тепловая мощность". Попутно можно отметить, что научная заслуга Н.Е.Скаредова заключается в том, что он показал и доказал следующее: различие в работе одинаковых мартеновских печей определяется их разной тепловой мощностью. Впервые им установлено, что тепловая мощность является главнейшим фактором, определяющим работу всякой печи.

В 1934 г. свои взгляды на тепловую работу печей И.Д.Семикин назвал энергетической теорией печей в противовес гидравлической теории В.Е.Грум-Гржимайло. Основные положения энергетической теории:

1. Необходимо проектировать и строить печи с увеличенной тепловой мощностью. Это основное условие высокой производительности работы печи.

2. Для достижения высокой тепловой мощности необходимо увеличивать тягу печи за счет строительства высоких дымовых труб и увеличения мощности дымососов, увеличивать поверхности теплообмена теплоутилизирующих устройств для повышения температуры нагрева воздуха и др.

Реализация на практике положений энергетической теории печей, как ранее гидравлической теории, показала недостаточность одностороннего подхода к решению проблем, существующих в металлургических печах, главными из которых являются сокращение удельного расхода топлива и повышение удельной производительности.

Профессор Марк Алексеевич Глинков, использовав достижения современной науки и техники, учтя ошибки и недостатки гидравлической и энергетической теорий печей, создал в 1959-1962 годах свою, новую общую теорию печей. Основой этой теории стал основной принцип: предметом теории печей должно быть комплексное исследование трех связанных между собой процессов, происходящих в печах:

1. Сжигание топлива.

2. Движение печных газов.

3. Теплопередача от газов к нагреваемым материалам.

7.2  Теплотехническое содержание понятия "промышленная печь", процессы, происходящие в печах

Любая печь, как энергетический агрегат, может быть представлена общей схемой: "источник энергии" "теплота" "объект тепловой обработки (материалы)". В этой общей схеме должны быть звенья, соединяющие источник энергии с объектом её приложения.

В топливной печи эти звенья представлены наиболее полно. Можно выделить следующие четыре звена тепловой работы топливной печи:

1) сжигание топлива, т.е. превращение химической энергии топлива в теплоту, носителями которой являются продукты горения – дымовые или печные газы;

2) движение печных газов, с помощью которого теплота переносится во все зоны рабочего пространства, а отработанные газы уходят из печи;

3) внешняя теплопередача, т.е. передача теплоты от печных газов излучением и конвекцией на поверхность нагреваемых материалов;

4) внутренняя теплопередача от поверхности материалов (кусков, массивных изделий) к их середине теплопроводностью.

В электрических печах некоторые звенья схемы будут отсутствовать. Например, в них нет горения топлива и движения газов.

7.3  Классификация печей: по принципу теплогенерации, по технологическому назначению, по конструктивным отличиям

7.3.1  Классификация печей по принципу теплогенерации

Генерация теплоты в печи происходит путем превращения химической или электрической энергии в теплоту. В зависимости от источника тепловыделения печи делятся на топливные, автогенные и электрические.

Топливные печи. В топливных печах источником теплоты является химическая энергия твердого, жидкого или газообразного топлива. Теплота выделяется в результате сгорания топлива. Теплоносителями являются газообразные продукты сгорания топлива – дымовые газы.

Топливные металлургические печи подразделяются на два класса: пламенные и слоевые. Рабочее пространство пламенных печей в малой степени заполнено обрабатываемым материалом, который располагается на поду. Основной объем рабочего пространства заполнен пламенем и дымовыми газами, передающими теплоту материалу. Современные пламенные печи работают на газообразном или на жидком топливе – мазуте. Для сжигания газообразного топлива служат горелки, для сжигания мазута – форсунки. К классу пламенных печей относятся сталеплавильные (мартеновские) печи, разнообразные печи прокатного и кузнечно-прессового производства: нагревательные колодцы, методические, кольцевые, роликовые печи, печи с выкатным подом.

Известны три разновидности слоевых топливных печей: с плотным, "кипящим" и со взвешенным слоем обрабатываемого материала.

В вертикальных шахтных печах с плотным слоем шихта, в состав которой может входить и твердое кусковое топливо, расположена по всему объему печи и медленно опускается сверху вниз. Горячие газы – продукты горения топлива – движутся через слой между кусками шихты снизу вверх, т.е. в противотоке. Шахтные печи с плотным слоем шихты широко распространены в металлургии. К ним относятся доменные печи, вагранки, печи для производства извести путем обжига известняка.

В печах с "кипящим" слоем под действием движущихся снизу вверх газов размельченная шихта, в состав которой может входить и размельченное топливо, разуплотняется. Отдельные частицы шихты потоком газов поднимаются над слоем подобно кипящей жидкости. Иногда вместе с воздушным дутьем снизу в печь подают газообразное топливо. В основном эти печи используют в цветной металлургии для обжига и сушки материалов.

В печах со взвешенным слоем обрабатывают материалы, доведенные до пылевидного состояния. Каждая частица материала находится во взвешенном состоянии под действием потока газов, идущего снизу вверх, и движется вместе с потоком. Применяют в этих печах размолотое и газообразное топливо. В основном эти печи используют в цветной металлургии для плавки сульфидов цветных металлов.

Автогенные печи. Источником теплоты в этих печах является тепловой эффект экзотермических реакций окисления и горения ряда элементов, содержащихся в обрабатываемых материалах. В черной металлургии примером автогенных печей являются кислородные, сталеплавильные конвертеры и двухванные сталеплавильные печи. В них при продувке жидкого чугуна кислородом происходит окисление углерода и ряда других элементов с выделением теплоты. Этот процесс не требует расхода топлива.

В мартеновской печи, наряду с выделением теплоты сгорания топлива, происходит тепловыделение от окисления углерода и других элементов, содержащихся в жидкой ванне. Такие печи занимают промежуточное положение между топливными и автогенными печами.

Электрические печи. По способу преобразования электрической энергии в теплоту можно выделить три класса печей, применяемых в металлургии: электродуговые, индукционные и печи сопротивления.

В дуговых печах используется принцип пропускания электрического тока через газовый промежуток между двумя электродами. Под действием электрического напряжения газ между электродами ионизируется и становится электропроводным. При этом в газовом промежутке возникает электрическая дуга, представляющая собой яркосветящуюся смесь электронов, положительных ионов, атомов и молекул. Дуга является зоной, в которой энергия электричества преобразуется в теплоту, при этом температура дуги составляет от 3000 до 20000 К.

В индукционных печах используется свойство переменного электрического тока создавать вокруг проводника переменное магнитное поле. Если поместить в такое поле нагреваемое тело, являющееся проводником, то в нем будут индуктироваться вихревые токи. Энергия вихревых токов преобразуется в теплоту, которая выделяется внутри нагреваемого тела.

Работа так называемых печей сопротивления основана на действии закона Джоуля-Ленца, согласно которому при протекании тока в проводнике выделяется теплота, пропорциональная его электрическому сопротивлению. В печах сопротивления можно использовать постоянный и переменный ток.

В металлургии электрические печи применяют для выплавки стали, производства ферросплавов, для нагрева металла перед обработкой давлением и при термической и термохимической обработке металлоизделий.

7.3.2  Классификация печей по технологическому назначению и по режиму работы

По технологическому назначению металлургические печи разделяют на плавильные и нагревательные.

Плавильные печи служат для получения и переплавки металлов. В этих печах материалы, как правило, изменяют своё агрегатное состояние. Плавильные печи могут быть чугуноплавильными, сталеплавильными, медеплавильными и т.д.

Нагревательные печи служат для нагрева материалов без изменения их агрегатного состояния. Нагревательные печи применяют в металлургии для обжига огнеупорных изделий, известняка, магнезита, для сушки материалов, для придания металлу пластических свойств перед обработкой давлением, для термической обработки металла с целью изменения его структуры и механических свойств.

По режиму работы печи можно разделить на два класса: непрерывного и периодического (циклического) действия.

К печам непрерывного действия относятся рудовосстановительные дуговые печи, шахтные слоевые печи, такие печи прокатного производства, как методические печи с шагающими подом или балками, кольцевые и роликовые печи. В этих печах технологический процесс идет непрерывно, материалы, как правило, перемещаются от загрузочных устройств к устройствам для выпуска готовой продукции.

К печам периодического действия относятся сталеплавильные дуговые и мартеновские печи, конвертеры, нагревательные колодцы, садочные камерные печи с выкатным и с неподвижным подом, применяемые в кузнечно - прессовом производстве и в термических печах и отделениях. Эти печи работают циклами. Цикл состоит из последовательных операций загрузки шихты или изделий, их тепловой обработки и затем выпуска или выгрузки готовой продукции.

7.4  Понятия о тепловой мощности печи, виды мощностей: холостого хода, усвоенная, рабочая, общая. Связь между тепловыми мощностями, особенности записи для печей непрерывного и периодического действия

Как всякая энергетическая установка печь характеризуется мощностью.

Тепловой мощностью печи называют количество теплоты, которое выделяется в печи в единицу времени при полном сгорании топлива или за счет расхода электрической энергии.

Единицей измерения мощности является Вт = Дж/с. Часть мощности, потребляемой печью, расходуется на совершение полезной работы – нагрев материалов. Она поглощается материалами и поэтому называется усвоенной мощностью Мусв, другая часть вынужденно теряется в окружающую среду – Мпот. Поэтому принято называть тепловую мощность печи общей мощностью

Мобщ = Мусв + Мпот. (7.3)

Общая мощность топливной печи выражается через расход топлива, измеряемый расходомером в м3/ч (м3/с) - для газообразного топлива или в кг/ч (кг/с) – для жидкого топлива. Расход твердого топлива определяют путем взвешивания.

Если обозначить расход топлива В, то

, Вт. (7.4)

7.4.1  Виды тепловых потерь печи. Тепловой баланс

В печной системе имеются два вида потерь теплоты: 1) потери в рабочем пространстве печи – Мпрп и 2) теплота, уносимая из печи уходящими дымовыми газами Мух.

Теплота в рабочем пространстве теряется, во-первых, на нагрев футеровки, т.е. огнеупорного ограждения печи, иначе говоря аккумулируется футеровкой, она обозначается Мак.ф; во-вторых, проходит насквозь через футеровку благодаря теплопроводности, и уходит в цех излучением и конвекцией от разогретой внешней поверхности футеровки – Мпот.ф; в-третьих, теплота теряется излучением через открытые окна печи – Мокн; в-четвертых, расходуется на нагрев воды, которая охлаждает металлические элементы конструкции печи, работающие при высокой температуре – Мохл.в. В целом

. (7.5)

В электропечах имеется один вид потерь – потери в рабочем пространстве печи, поэтому для электропечей в (7.3) Мпот = Мпрп.

Топливная печь, наряду с потерями в рабочем пространстве печи, имеет и второй вид потерь – с уходящими из рабочего пространства продуктами горения топлива – Мух. Эти потери состоят из физической теплоты горячих газов Мух.ф и могут включать неиспользованную химическую энергию топлива вследствие неполного его сгорания в печи (недожога) – Мхн.

Таким образом, для топливных печей мощность Мпот в выражении (7.3) будет равна Мпот = Мпрп + Мух. Тепловой баланс топливной печи будет таким

. (7.6)

Электрические печи по сравнению с топливными должны быть более экономичны по расходу топлива, так как в них нет потерь с уходящими газами, однако не следует забывать, что при производстве электроэнергии на тепловых электростанциях были свои тепловые потери, в том числе с уходящими в атмосферу газами.

Теплота газов, уходящих из рабочего пространства, необязательно полностью теряется в атмосферу. В современных топливных печах часть теплоты дымовых газов используют для подогрева воздуха, а иногда и газообразного топлива, которые направляются в горелочные устройства печи, т.е. теплота дымовых газов частично возвращается в рабочее пространство печи в виде физической теплоты воздуха – Мф.в и топлива – Мф.т. Этот процесс передачи теплоты дыма воздуху или топливу происходит в специальных устройствах – теплообменниках двух типов: рекуператорах и регенераторах, которые устанавливают в дымовых каналах между рабочим пространством печи и дымовой трубой. Потери теплоты с газами, уходящими в атмосферу – Мух.атм, будут меньше по сравнению с потерями на выходе из рабочего пространства Мух, а именно

.

Тепловой баланс топливной печи окончательно будет иметь вид

. (7.7)

В крупных печах, например, в мартеновских и двухванных, теплоту уходящих газов используют для получения водяного пара, для чего за печами устанавливают котлы-утилизаторы.

Потери теплоты в рабочем пространстве печи также стремятся уменьшить прежде всего путем применения футеровки с лучшими теплофизическими свойствами – с меньшей теплоемкостью и теплопроводностью.

Существуют проекты так называемых безинерционных печей, ограждение которых отражает обратно в печь падающее на него из печи тепловое излучение, т.е. имеет свойство теплового зеркала. Существуют печи с испарительным охлаждением, в которых вода в водоохлаждаемых элементах печи превращается в пар, используемый в системе отопления помещений. Предложены схемы печей, в которых теплота, прошедшая через футеровку, передается воздуху, который также может быть полезно использован.

Потоки теплоты в топливной печи схематично изображены на рис. 7.1

Рис. 7.1 – Потоки теплоты в топливной печи:
1  рабочее пространство печи; 2  горелка; 3  нагреваемый материал; 4  дымовой канал; 5  утилизатор теплоты уходящего дыма (рекуператор); 6  вентилятор; 7  дымовая труба

7.4.2  Тепловой дефицит процесса

Тепловой дефицит – это количество теплоты, которое нужно сообщить исходным материалам, чтобы превратить их в 1 кг (или 1 т) конечного продукта. В условиях постоянного давления среды это количество теплоты равно приращению удельной энтальпии і = ік – ін, Дж/кг, где ік – энтальпия конечного продукта на выходе из печи, Дж/кг; ін – энтальпия материала при загрузке в печь, Дж/кг конечного продукта.

Чем больше і, тем больше предстоящая тепловая работа печи, тем продолжительнее время тепловой обработки тепл, тем ниже производительность печи.

Например, при нагреве холодных слитков и заготовок перед обработкой давлением і = 800-900 кДж/кг (МДж/т), в мартеновской или дуговой сталеплавильной печи і = 1500-1900 кДж/кг (МДж/т) жидкой стали, в доменной печи і = 10500-12500 кДж/кг (МДж/т) жидкого чугуна.

Чтобы уменьшить расход топлива или электричества, нужно стремиться к уменьшению теплового дефицита путем сохранения энтальпии, полученной материалом в предыдущем металлургической переделе: жидкий чугун при выплавке стали, горячие слитки с жидкой сердцевиной при нагреве их перед прокаткой и т.д.


Лекция 8

План лекции:

Показники теплової роботи печей.

Основні показники роботи печей: продуктивність, витрата теплоти (умовного палива) на одиницю продукції, КПД печі, їх взаємозв’язок. Складання теплових балансів печей, особливості запису для печей безперервної і періодичної дії. Заміна в печі одного палива іншим.

8  Показатели тепловой работы печей

8.1  Основные показатели работы печей: производительность, расход теплоты (условного топлива) на единицу продукции, КПД печи, их взаимосвязь

8.1.1  Производительность печи

Масса готовой продукции, выдаваемая из печи за единицу времени, называется производительностью печи Р (т/ч, т/сутки, т/год, кг/с). Если ёмкость печи, т.е. масса материалов, находящихся в рабочем пространстве, равна Е (кг), а продолжительность обработки материалов в печи (длительность плавки или нагрева металла) равна (с), то

. (8.1)

Продолжительность обработки материалов в печи включает в себя время теплотехнического процесса тепл, необходимое для нагрева или плавления, а также время технологических операций техн, если эти операции проводятся в рабочем пространстве печи, т.е. = тепл + техн. Если же технологический процесс происходит за пределами печи (внепечная обработка жидкого металла в ковше, прокатка, ковка, штамповка), то = тепл.

Удельная производительность печи показывает, сколько продукции (кг) получается с единицы площади пода или с единицы объема рабочего пространства за единицу времени (кг/(м2ч); т/(м3сутки)). Такие термины, как «съем металла», «напряженность пода» выражают удельную производительность печи. Иногда, например, при выплавке чугуна в доменной печи пользуются обратным показателем – КИПО – коэффициент использования полезного объема, который показывает, какой полезный объем печи требуется для выплавки 1 т чугуна в сутки.

8.1.2  Расход теплоты на единицу продукции

Сущность энергосберегающих мероприятий при эксплуатации  печей состоит в сокращении расхода энергии на единицу продукции, который мы называем удельным расходом энергии "b". Чтобы вычислить "b" в печи непрерывного действия, нужно Мобщ разделить на производительность

b, Дж/кг.  (8.1)

Для печей циклического действия

, поскольку ,

где Е  садка печи, т.е. масса металла находящегося на подине печи; Qобщ  количество энергии, затраченное на тепловую обработку садки печи;   средняя тепловая мощность печи за время тепловой обработки садки;   время тепловой обработки садки (время полного цикла обработки садки).

Нам известно, что

,

поэтому

. (8.2)

Полученная формула дает возможность проанализировать пути уменьшения удельного расхода энергии. Для печей циклического действия формула для "b" запишется аналогично (8.2)

,

где   КИТ, усредненный за время тепловой обработки садки; , ,  – усредненные значения удельной энтальпии подогретого воздуха, топлива и уходящих газов за время тепловой обработки садки;   тепловая мощность холостого хода печи, усредненная за время тепловой обработки садки.

Формула (8.2) показывает, что удельный расход энергии состоит из двух слагаемых, которые представляют собой "прямые расходы энергии" на технологический процесс и "накладные расходы" на содержание печи в рабочем состоянии. Первое слагаемое  выражает прямой расход энергии. Он не зависит от производительности печи и всецело определяется тепловым дефицитом: чем меньше тепловой дефицит, тем меньше энергии требуется на нагрев материалов. Возможности уменьшения i весьма велики: использование жидкого чугуна при выплавке стали, горячий посад слитков, литейно-прокатные комплексы, "транзитная" прокатка, обогащение руд для получения металла, уменьшение количества шлака, предварительный обжиг флюсов.

Второе слагаемое  – "накладные расходы энергии" –– зависит от производительности печи. Во время простоя печи, когда Р = 0, а Мхх  0, удельный расход энергии стремится к бесконечности. Чем больше производительность печи, тем меньше "накладные расходы", если рост Р достигается уменьшением простоев печи на холостом ходу. Если же рост производительности происходит за счет увеличения общей тепловой мощности, то удельный расход топлива сокращается до тех пор, пока в дроби b производительность (знаменатель) растет быстрее, чем мощность (числитель).

Однако с ростом Мобщ рост производительности постепенно затухает (см. рис. 8.1), так как с повышением мощности увеличивается температура печных газов и, следовательно, возрастают потери Мпрп, которые пропорциональны температуре печных газов и уменьшается кит. Это значит, что при некоторой критической (оптимальной) производительности рост мощности холостого хода  превышает прирост производительности печи и происходит увеличение удельного расхода энергии. Чтобы минимизировать "b", нужно эксплуатировать печь при оптимальной производительности и соответствующей оптимальной тепловой мощности.

Рис. 8.1 – Зависимость производительности печи от ее тепловой мощности

Формула (8.2) показывает также, что сокращение Мпрп и повышение кит однозначно приводят к снижению удельного расхода энергии. Снижение потерь теплоты в рабочем пространстве достигается путем изготовления тепловой изоляции из современных волокнистых изделий. Поверхности водоохлаждаемых балок и труб изолируются легкими волокнистыми муллитокремнеземистыми изделиями с оболочкой из огнеупорного бетона.

Особенно эффективно применение шамотных волокнистых плит для футеровки термических печей циклического действия, так как при регулярно повторяющемся разогреве печи в начале каждого цикла уменьшаются потери теплоты, которую поглощает (аккумулирует) футеровка. Так, замена шамотной футеровки на волокнистую в закалочной печи с выкатным подом площадью 14 м2 уменьшает расход природного газа, которым отапливается эта печь, на 43%.

В топливных печах существенную экономию энергии можно получить путем повышения коэффициента использования теплоты КИТ.

8.1.3  Усвоенная тепловая мощность и КПД печи

Зная производительность печи Р и тепловой дефицит і, можно найти усвоенную мощность, т.е. количество теплоты, поглощенное материалами в печи за единицу времени , Вт.

Отношение усвоенной тепловой мощности Мусв к общей мощности, потребляемой печью Мобщ, называют коэффициентом полезного действия печи (КПД) . При этом не учитываются затраты электроэнергии на привод механизмов, обслуживающих печь: вентиляторов, дымососов, загрузочных и транспортирующих устройств. Поэтому кпд показывает только степень полезного использования энергии в рабочем пространстве агрегата. При экономической оценке различных печей необходимо учитывать все затраты энергии на их эксплуатацию.

Величина КПД колеблется в широких пределах. Наиболее низок это показатель в печах, где приходится выдерживать нагретый или расплавленный металл для осуществления технологических процессов в течение длительного времени. Например, в термических печах КПД может быть на уровне 8-10 %, а в современных нагревательных печах он может составлять 50-85%.

8.2  Составление тепловых балансов печей, особенности записи для печей непрерывного и периодичекого действия

Суть теплового баланса печи состоит в сопоставлении статей прихода теплоты в печь со статьями расхода. По закону сохранения энергии приход теплоты должен быть равен расходу. Возможна некоторая неувязка в балансе (~1 %), обязанная неточности арифметических расчётов. В печах с непрерывной выдачей продукции тепловой баланс печи составляют за один час. В печах с циклической работой баланс относят к длительности цикла.

После определения статей теплового баланса сумма приходных статей вычитается из суммы расходных. Устанавливается неувязка в балансе, которая служит проверкой точности составленного баланса. Все статьи прихода и расхода выражаются как в единицах энергии (Дж), так и в процентах от суммы. Часто все статьи баланса рассчитывают на единицу продукции (Дж/кг), что дает возможность сравнивать между собой абсолютные величины статей баланса в печах разной производительности.

8.3  Замена в печи одного топлива другим

Переход от одного топлива к другому требует проверочного расчета: необходимо выяснить, может ли новое топливо создать в печи рабочую температуру и обеспечить существующую производительность и что надо сделать для этого. Если производительность печи – Р (кг/с), то теплота, усвоенная технологическим процессом за единицу времени, будет Pi = Мусв (Вт), где i (Дж/кг) – удельный тепловой дефицит на единицу продукции. Если тепловые потери рабочей камеры были Мпрп (Вт), то общее количество рабочей теплоты, оставленной в печи первым топливом, будет Мусв + Мпрп = Pi + Мпрп. При любом другом топливе желательно выполнить эту работу печи за единицу времени, т.е. сохранить производительность печи. При первом топливе, КИТ которого кит1 нужно развить общую тепловую мощность печи Мобщ1.

 

При втором топливе

 

Так как Pi + Мпрп = const, то Mобщ1кит1 = Mобщ2кит2. Таким образом, если известна общая тепловая мощность печи и КИТ – Mобщ1кит1, для первого топлива, то необходимая тепловая мощность печи для второго топлива определяется просто:

 

где: Mобщ1кит1 – рабочая теплота, оставленная в печи первым топливом;  – теплота сгорания первого топлива, Дж/м3, Дж/кг; В1 – часовой расход первого топлива м3/с, кг/с; , В1 – то же самое для второго топлива.

Следует особо отметить, что при переходе от одного топлива к другому меняется не только теплота сгорания топлива , но также условия горения и теплопередачи, т.е. характеристика факела, который может удлиняться или укорачиваться, делаться прозрачным или светящимся, изменяется состав продуктов горения (СО2, Н2О), а, следовательно, и степень их черноты – газ. Всё это вызовет изменение конечной температуры продуктов горения, покидающих рабочее пространство в печи, т.е. tд1  tд2. Это обстоятельство отразится на величине КИТ – кит2, а через него и на общей тепловой мощности Мобщ2.

Если мы хотим сохранить значение конечной температуры дыма tд1 = tд2 = const, то вследствие изменения степени черноты газов (газ) изменится интенсивность теплопередачи (величина теплового потока) к нагреваемым материалам, т.е. изменится производительность печи Mусв2 = q2Fн = P2i.

При замене одного топлива другим можно поставить более сложное требование: а) сохранить производительность печи без изменения: Р = const; б) сохранить tд = const. Чтобы выполнить оба эти условия, появится необходимость изменить поверхность нагрева материалов Fн, изменить ёмкость печи Е. Это значит, что печь подлежит реконструкции.

Не следует забывать, что смена топлива вызывает также изменение аэродинамики печи, вследствие изменения расхода газа, воздуха и выхода продуктов горения.


Лекция 9

План лекции:

Конструкції та теплові режими печей.

Технологічні ланцюжки в металургії. Призначення нагрівальних і термічних печей. Нагрівальні печі металургії. Режими нагрівання злитків у нагрівальних колодязях. Приблизні матеріальний  і тепловий баланси нагрівальних колодязів. Устрій і робота регенеративних (РГНК) і рекуперативних (РКНК) нагрівальних колодязів. Техніко-економічні показники РГНК і РКНК. Заходи щодо зниження витрати палива в РГНК і РКНК.

9  Конструкции и тепловые режимы печей

9.1  Технологические цепочки в металлургии

Для лучшего запоминания особенностей печей того или иного назначения надо уяснить себе место каждой печи в технологической цепочке металлургического завода. Традиционная (классическая) технологическая цепочка металлургического комбината представлена на рис. 9.1. На этом рисунке прямоугольниками обозначены основные типы (группы) печей, а овалами и кружочками – название используемого или образующегося материала. Для удобства пользования на схеме не показаны некоторые флюсующие материалы, используемые в ферросплавной, агломерационной, доменной и сталеплавильной печи, такие как: бой шамотного кирпича, плавиковый шпат, боксит, песок, марганцевая руда и некоторые другие.

В соответствии со схемой рис. 9.1 все металлургические печи условно делим на 3 группы:

группа печей для подготовки сырья;

группа плавильных печей;

группа нагревательных печей.

Это разделение сделано по логике технологической цепочки, а не по назначению печи. Так ферросплавная печь отнесена к печам для подготовки сырья, хотя и является плавильной по сути.

Наиболее распространенными являются нагревательные печи: на одну плавильную или обжиговую печь приходится 5-10 и более нагревательных, в том числе термических, печей.

Технологическая цепочка (рис. 9.1) постоянно совершенствуется. Например, всё шире используются, так называемые, печи металлизации, заменяющие коксовую и доменную печи. Постепенно, особенно при новом строительстве, нагревательные колодцы заменяются машинами непрерывного литья заготовок, чтобы исключить промежуточный продукт – слитки – перед получением заготовок. Практически каждое звено технологической цепочки в настоящее время подлежит критическому разбору и есть варианты замены или слияния звеньев.

Рис. 9.1 – Технологическая цепочка металлургического комбината

9.2  Назначение нагревательных и термических печей. Нагревательные печи металлургии

Нагревательная печь – печь для нагрева твёрдых материалов с целью повышения пластичности или изменения структуры этих материалов. В дальнейшем изложении мы будем понимать нагревательные печи как печи для нагрева материалов под обработку давлением. Нагрев материалов с целью изменения их структуры производится в термических печах.

Нагревательные печи – самый распространённый класс печей, поскольку широко применяются не только в чёрной металлургии, но и в цветной металлургии, в машиностроении и т.д.

На заводах чёрной металлургии используются нагревательные колодцы и методические печи для нагрева слитков и заготовок.

9.3  Нагревательные колодцы. Режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах. Приближенные материальный и тепловой балансы нагревательных колодцев

Нагревательный колодец – печь периодического действия (с верхней загрузкой и выгрузкой) для нагрева крупных стальных слитков перед прокаткой на обжимном стане. В колодце происходит нагрев слитков массой от 2-3 до 25 тонн. Толщина слитков обычно превышает 350400 мм, поэтому нагрев ведут с 4 сторон, устанавливая слитки вертикально в рабочем пространстве колодца. Колодцы объединяют в группы (по 2 или 4 колодца) и для каждой группы предусматривается отдельная дымовая труба.

Нагревательный колодец является печью камерного типа. В нём поддерживается одинаковая температура по всему объёму.

Принцип работы любого колодца следующий. Сверху открывается крышка и в камеру с помощью крана загружаются от 4 до 24 слитков. Эти слитки нагреваются до необходимой температуры, а после нагрева извлекаются поштучно и направляются для прокатки на обжимные станы (блюминги и слябинги). Далее цикл загрузки и нагрева слитков повторяется. Характерный температурный и тепловой режим нагрева слитков изображён на рис. 9.2.

Рис. 9.2 – Режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах:

а  холодный посад; б  горячий посад;

tпеч  температура печи; tп и tс  температуры поверхности и середины металла; qп  плотность теплового потока на поверхности металла

Нагрев имеет два периода. В первом периоде расход топлива или, другими словами, общая тепловая мощность печи – М, поддерживается на максимальном уровне. К концу этого периода температура печи достигает такого уровня, который в дальнейшем гарантирует качественный нагрев металла. Качество нагрева обеспечивается выдержкой во 2-м периоде при условии постоянства температуры печи (tпеч = const). В этом периоде достигает заданного значения температура поверхности металла (12001350 С) и перепад температуры по сечению слитка. Известно, что удельный перепад температуры в конце нагрева должен быть не более 100-300 С на 1 метр толщины слитка. Первый период называют периодом нагрева или М = const, а второй период – периодом выдержки или tпеч = const. Можно отметить, что тепловой поток на металл в начальном периоде (М = const) несколько падает, а температура поверхности слитка повышается с постоянно снижающейся скоростью нагрева поверхности.

В нагревательные колодцы обычно поступает до 95 % слитков горячего посада с температурой поверхности, не превышающей 950-1000 С. При этом слиток может иметь жидкую сердцевину.

Обычно на металлургических заводах нагревательные колодцы являются своего рода буфером для сжигания низкокалорийного газообразного топлива (доменный газ, коксодоменная смесь). В этом случае высокая температура в рабочем пространстве достигается путём подогрева воздуха, а в ряде случаев (при сжигании доменного газа) – путём подогрева и газа.

В зависимости от способа нагрева воздуха и газа различают регенеративные (самые давние колодцы) и рекуперативные нагревательные колодцы. Рекуперативные колодцы разделяют на колодцы с центральной и верхней (самые современные конструкции колодцев) горелкой. Преимущества одних колодцев перед другими можно оценивать по капитальным затратам, удобству эксплуатации и компактности расположения в цехе, поскольку характеристики топливоиспользования во всех колодцах близки между собой.

Материальный и тепловой балансы нагревательных колодцев мало отличаются по своей структуре. Отличие связано с величиной статей балансов. Структура этих балансов на примере регенеративного колодца приведена в табл. 9.1 и 9.2.

При составлении теплового баланса обычно не учитываются потери теплоты на аккумуляцию теплоты кладкой, т.к. считается, что слитки металла загружаются в печь, разогретую предыдущей садкой. На самом деле во время загрузки слитков в колодец (при открытой крышке), из колодца уходит значительное количество теплоты и температура кладки снижается. Кстати, эти потери теплоты тоже не учитываются. Поэтому в начальный период работы колодца (М = const) желательно учитывать потери на аккумуляцию кладкой. Если слитки горячего посада имеют жидкую сердцевину, то при составлении теплового баланса нужно учитывать теплоту кристаллизации.

Таблица 9.1 – Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем пространстве нагревательного колодца (кг/кг нагретого металла)

Приход

На 1 кг мет.

Расход

На 1 кг мет.

1. Загружаемый металл

1,015

1. Нагретый металл

1,000

2. Топливо (доменный газ)

0,567

2. Продукты горения, в т.ч.
а) продукты горения топлива - 1,039;
б) азот воздуха от окисления железа-0,018;

1,057

3. Воздух для горения топлива

0,472

3. Окалина на металле (80 % от всей окалины)

0,017

4. Воздух для окисления железа

0,024

4. Шлак, в т.ч.
а) шлаковые составляющие - 0,002;
б) окалина (20 % от всей окалины) - 0,004

0,006

5. Шлаковые составляющие (куски футеровки, шлак прибыльной части слитков и т.п.)

0,002

Итого

2,080

Итого

2,080

Таблица 9.2 – Ориентировочный тепловой баланс регенеративного нагревательного колодца (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Химическая энергия топлива

1675

59,9

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 1230 С)

848

30,3

2. Физическая теплота топлива (t = 850 С)

563

20,1

2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 1360 С)

1669

59,6

3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 850 С)

438

15,6

3. Потери теплоты в окружающую среду

224

8,0

4. Физическая теплота воздуха для окисления железа (t = 850 С)

23

0,8

4. Физическая теплота азота воздуха от окисления металла (t = 1360 С)

29

1,0

5. Химическая энергия окисления железа

101

3,6

5. Физическая теплота окалины на металле (t = 1250 С)

19

0,7

6. Физическая теплота металла (t = 0 С)

0

0

6. Физическая теплота шлака

11

0,4

7. Физическая теплота шлака (t = 0 С)

0

0

Итого

2800

100,0

Итого

2800

100,0

Шлак удаляется в жидком и сухом виде. Шлак обычного состава переходит в жидкое состояние при температуре 1370-1400 С. Скрытая теплота шлакообразования составляет около 210 кДж/кг шлака. Эта теплота тоже может быть учтена при составлении теплового баланса.

9.3.1  Устройство и работа регенеративных нагревательных колодцев. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива

Регенеративный нагревательный колодец – нагревательный колодец, в котором подогрев газа и воздуха происходит в регенераторах. Схема этого колодца приведена на рис. 9.3. Рабочее пространство имеет длину 3-6 м, ширину – около 2 м и глубину – 33,5 м. Масса садки около 45-80 тонн. Слитки располагаются по длине колодца вдоль стен. Колодец работает с реверсивным движением факела.

Регенеративные теплообменники представляют из себя камеры, заполненные огнеупорными кирпичами в определённом порядке. Система укладки кирпичей называется насадкой (решёткой). Чаще всего используются насадки Каупера и Сименса (рис. 6.2).

В насадке Сименса идёт чередование под прямым углом параллельных рядов кирпича. Между кирпичами и под кирпичами остаются проходы для газов. При закупорке одного из вертикальных каналов шлаковыми отложениями нижняя часть насадки продолжает работать. Это достоинство насадки Сименса. Одновременно с этим насадка имеет высокий коэффициент теплоотдачи и склонность к перегреву и оплавлению кирпича при насыщении его окислами железа.

В насадке Каупера (рис. 6.2) поверхность нагрева представляет собой сплошные вертикальные каналы с более низким коэффициентом теплоотдачи и с меньшей поверхностью теплообмена. Насадка Каупера более надёжна при высоких температурах, т.к. медленнее нагревается и имеет повышенную строительную прочность. Поэтому насадку Каупера используют для верхних рядов, а насадку Сименса – для средних и нижних рядов.

Рис. 9.3 – Схема регенеративного нагревательного колодца:

1  крышка; 2  механизм перемещения крышки; 3  газовый регенератор; 4  воздушный регенератор; 5  слитки; 6  шлаковая лётка; 7  рабочее пространство (ячейка); 8  шлаковая чаша; 9  золотник газового клапана; 10  газовый клапан; 11  подвод газа к ячейке

Принцип работы колодца следующий. Слитки холодного или горячего посада помещаются с помощью клещевого крана вдоль стенок рабочего пространства нагретой ячейки. Через одну из пар регенераторов (например, правую) подаётся воздух и газ, которые несколько перемешиваются в надрегенераторном пространстве и образуют факел в объёме ячейки. Горячие газы (дым) уходят в левую пару регенераторов, подогревая их. После достижения верхними рядами регенеративной насадки предельной температуры (примерно через 15-30 минут) происходит перекидка газового и воздушного клапанов. В результате газ и воздух будут проходить через левые регенераторы и там нагреваться. Дымовые газы будут нагревать правую пару регенераторов. Через те же 15-30 минут снова произойдёт перекидка клапанов и цикл повторится. Время между перекидками клапанов влияет на расход топлива. С одной стороны, при коротких интервалах снижается температура дыма после регенератора и, соответственно, снижается расход топлива. С другой стороны, при коротких интервалах, увеличивается непроизводительный расход топлива, которое заполняет насадку газового регенератора перед перекидкой и вытесняется встречным потоком дыма в дымовую трубу.

После того как садка слитков нагреется до нужной температуры, слитки поштучно извлекают и отправляют на обжимной стан. Время нагрева металла зависит от начальной температуры слитков, размеров их сечения и составляет при холодном посаде обычных слитков 6-7 часов.

Температура нагрева слитков колеблется в зависимости от марки стали в пределах 1200-1350 С. Максимальная температура дыма на входе в регенератор 1400-1450 С, на выходе – 500-600 С. Максимальная температура подогрева воздуха и газа 900-1000 С.

Для изменения направления дыма, факела (реверс факела) посредством изменения направления потоков газа и воздуха служат перекидные (переводные) устройства: для газа – герметичный клапан золотникового типа (клапан Фортера), показанный на рис. 9.3, а для воздуха – негерметичный клапан мотылькового типа (клапан "симплекс"). В клапане Фортера герметичность достигается применением водяных затворов. Клапаны подсоединены к регенераторам колодца посредством системы дымоходов. К каждому клапану от регенераторов подходят два дымохода (левый и правый), расположенные под регенераторами в два этажа (рис. 9.3). Между этими каналами на входе в клапан расположен центральный канал, связанный с дымовой трубой системой дымоходов.

Рассмотрим работу клапанов. Пусть, как показано на схеме рис. 9.3, в правые регенераторы поступают газ и воздух. Для этого золотник клапана Фортера и мотылек клапана "симплекс" перекрывают центральный и правый каналы в клапанах. По нижним дымоходам из левых регенераторов поступает дым в правый канал, а затем после разворота на 90  – в центральный канал. В период перекидки золотник и мотылек меняют свое положение. Теперь газ и воздух поступают в правые каналы клапанов и направляются для нагрева в левые регенераторы. Дым из правых регенераторов по верхним дымоходам поступает в левые каналы клапанов, а затем после разворота в центральный дымоход. Таким образом, в центральные каналы всё время поступает дым из регенераторов.

Дым из центрального канала направляется на дымовую трубу по следующей схеме. Сначала дым от каждой ячейки поступает в сборный дымоход для двух ячеек. Аналогично свой дымоход имеют и две другие ячейки. В общий дымоход перед дымовой трубой поступает дым от 4 ячеек через два сборных дымохода.

В дымоходе для каждой ячейки и в общем дымоходе для 4 ячеек установлены шиберы для регулировки тяги дымовой трубы. На группу из 4 ячеек установлен один вентилятор для подачи воздуха. В каждом воздухопроводе, идущем к клапану "симплекс", установлена поворотная заслонка.

Факел в регенеративном колодце находится достаточно близко к подине и обеспечивает температуру подины около 1370 С, что является пороговым значением для перевода шлака в жидкое состояние. Шлак состоит из окалины, осколков футеровки и некоторых легкоплавких соединений, остающихся в прибыльной части слитка после его разливки и охлаждения. Через шлаковую лётку шлак удаляется с подины непрерывно, а также периодически при специальном нагреве пустого колодца.

Удельный расход условного топлива зависит от среднемассовой температуры слитков в садке. При холодном посаде расход топлива около 5565 кг у.т./т, а при горячем (700-800 С) посаде – от 20 до 40 кг у.т./т стали. С учётом затрат топлива на разогрев кладки после холодного ремонта, на простои, а также в зависимости от доли слитков горячего посада и их начальной температуры расход топлива на различных заводах изменяется от 35 до 45 кг у.т./т стали.

Для снижения расхода топлива можно рекомендовать следующее:

нагрев в колодце слитков с не полностью затвердевшей сердцевиной. Это приводит к повышению начальной среднемассовой температуры слитков и сокращению длительности нагрева;

  1.  использование дутья, обогащённого кислородом. Это приводит к сокращению расхода дыма и, соответственно, к уменьшению потерь теплоты с уходящими газами;
  2.  удлинение ячеек колодца с 4-4,5 м до 7-8 метров. Это приводит к увеличению производительности колодца и, при определенных условиях, – к небольшому снижению удельного расхода топлива;
  3.  улучшение перемешивания воздуха и газа с целью недопущения догорания топлива в регенераторах. Для этого необходимо совершенствовать верхнее строение насадок газового и воздушного регенераторов;
  4.  замена кирпичной насадки шариковой, имеющей большую поверхность теплообмена на единицу объёма. Для повышения стойкости шариковой насадки в верхней части регенератора она должна выполняться из химически нейтрального материала с высокой огнеупорностью, типа корунда. Это позволит уменьшить объем насадки или сократить расход топлива за счет более глубокой утилизации теплоты дыма. Кроме того, облегчается замена насадки при ремонтах. Неизбежное при этом увеличение потерь давления компенсируется установкой дополнительных компрессорных и дутьевых устройств.

9.3.2  Устройство и работа рекуперативных нагревательных колодцев с отоплением из центра подины. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива

Рекуперативный нагревательный колодец с отоплением из центра подины – нагревательный колодец, в котором воздух подогревается в рекуператоре, а подвод газа и воздуха осуществляется через отверстия в подине. Схема колодца представлена на рис. 9.4. В квадратной ячейке нагреваются 10-14 слитков. Масса садки – 45105 тонн. В центре ячейки расположена горелка, представляющая из себя газовое сопло, окружённое каналом для прохода горячего воздушного дутья. Воздух подаётся в ячейку своим вентилятором. Ширина рекуператора равна ширине ячейки (4-5 метров). Рекуператор собирают из восьмигранных керамических трубок. Трубки сочленяют между собой восьмигранными звездочками (муфтами), что усиливает прочность рекуператора и создает условия для перекрестного движения дыма и воздуха. Охлаждающийся дым движется по трубкам рекуператора сверху вниз. Воздух движется в горизонтальном направлении между трубками. Высота яруса для прохода воздуха обычно равна высоте трубки. Около каждой звездочки имеются 4 отверстия. Если отверстия заложены огнеупорными вставками, то воздух не может попасть на верхний ярус. В конце яруса отверстия возле каждой звездочки открыты и воздух переходит на следующий (верхний) ярус. Таким образом, в рекуператоре имеет место перекрестно-противоточное движение воздуха, что усиливает теплоотдачу от дыма к нагреваемому воздуху.

Рис. 9.4 – Схема рекуперативного колодца с отоплением из центра подины:

1  горелка; 2  керамический рекуператор; 3  подвод холодного воздуха; 4  канал для подвода горячего воздуха; 5  каналы для отвода дыма; 6  слитки; 7  шлаковая чаша; 8  дымовые каналы для отвода "своего" дыма; 9  дымовые каналы для отвода "транзитного" дыма соседней ячейки

Диаметр воздухопровода между вентилятором и рекуператором 0,7 м. Рассредоточенная подача воздуха в рекуператор осуществляется тремя входными воздухопроводами. Диаметр подводящего воздухопровода от рекуператора к горелке 0,8 м. Поэтому вверху рекуператора имеется коридор, служащий для сбора нагретого воздуха. Колодец обычно отапливается коксодоменной или природнодоменной смесью с теплотой сгорания 6,510 МДж/м3. Газ может подогреваться в металлическом рекуператоре, располагаемом в общем дымоходе после керамических рекуператоров.

Группа колодцев состоит из 2 ячеек и обслуживается одной дымовой трубой.

Уборка шлака чаще всего осуществляется в сухом виде.

Принцип работы колодца следующий. Слитки загружаются сверху краном в рабочее пространство (крышка колодца на рис. 9.4 условно не показана). Снизу в рабочее пространство подаются газ и воздух. Температура газа до 250300 С, температура воздуха до 750800 С. Образующийся при сжигании газа факел заполняет рабочее пространство, ударяется о крышку колодца, что способствует сокращению длины факела, но и снижению стойкости крышки. Пряди факела по стенкам опускаются вниз. Далее через два дымовых окна дым поступает в надрекуператорное пространство, а затем в трубки рекуператоров. По завершении нагрева слитков газ и воздух отключают, а слитки поштучно извлекают клещевым краном и отправляют на блюминг.

Недостатки колодца: а) неравномерность нагрева слитка по высоте в связи с недостаточно хорошим перемешиванием газа и воздуха перед горением; б) продолжительность нагрева слитков холодного посада и удельный расход топлива несколько выше, чем у регенеративных нагревательных колодцах и при этом колодцы требуют более калорийного топлива; в) нарушение герметичности рекуператора в процессе его эксплуатации, что приводит к потерям воздуха. Потери воздуха обусловлены значительным перепадом давления между воздушной и дымовой сторонами рекуператора. Этот перепад давления увеличивается в процессе работы колодца из-за зарастания пылью входных отверстий верхнего ряда трубок. В новом колодце утечка составляет 1030 %, а в конце кампании – 5060 %. Потери воздуха негативно сказываются на качестве сжигания топлива, величине тепловой мощности, длительности процесса нагрева, расходе топлива и на продолжительности кампании работы колодца. Рекуператоры необходимо перекладывать каждые 1,52 года. Утечки воздуха разбавляют дым и снижают его температуру. Таким образом, снижается эффективность рекуператора. Если в первые недели работы рекуператора после ремонта температура подогрева воздуха составляет 750-800 С, то в дальнейшем температура может снизиться до 400-500 С.

Удельный расход условного топлива зависит от температуры посада слитков и составляет: при холодном посаде около 5565 кг у.т./т стали; при температуре посада 700800 С около 3040 кг у.т./т стали.

Можно предложить мероприятия для снижения расхода топлива:

для поддержания тепловой мощности и улучшения условий сжигания, добавка в рабочее пространство через горелку недостающего количества кислорода;

  1.  установка в каналах горячего воздуха инжекторов, что поможет снизить давление воздуха и уменьшить потери воздуха;
  2.  замена керамических рекуператоров на металлические трубчатые и струйные;
  3.  применение в устье горелки различного рода рассекателей факела с целью опускания факела от крышки к подине. В этом случае должна снизиться неравномерность нагрева слитков по высоте;
  4.  замена керамических рекуператоров компактными регенераторами с шариковыми насадками;
  5.  импульсный способ подачи теплоносителя в рабочую камеру для повышения равномерности температурного поля ячейки.

9.3.3  Устройство и работа рекуперативных нагревательных колодцев с верхней горелкой. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива

Рекуперативный нагревательный колодец с верхней горелкой – нагревательный колодец, в котором воздух нагревается в рекуператорах, а подвод газа и воздуха для сжигания топлива осуществляется в верхнюю часть колодца. Схема колодца представлена на рис. 9.5. Ячейка имеет в горизонтальной плоскости прямоугольную форму (ширина 2,2-3,3 м, длина 710 метров). Глубина ячейки до 4,4 м. Обычно в ней нагреваются 1214 слитков. Общая масса садки – самая высокая из всех типов колодцев и составляет около 140 тонн. Колодец имеет один керамический рекуператор для нагрева воздуха до 700-750 С и один металлический рекуператор для нагрева компрессорного воздуха высокого давления до 200350 С.

Обычно горелка представляет из себя газовую трубу (газовое сопло), по периферии которого подводится воздух. Смешение газа и воздуха происходит в ячейке. В качестве топлива используют газовые смеси с теплотой сгорания около 67 МДж/м3.

Особенность колодца: отсутствие вентилятора. Подача воздуха в горелку осуществляется с помощью инжектора. В качестве инжектирующей среды используется компрессорный воздух, количество которого составляет 25-30 % от общего расхода воздуха. Под действием разрежения, создаваемого инжектором, и из-за разогретого рекуператора, который работает как дымовая труба, атмосферный воздух сам по себе входит в рекуператор и далее поступает в смеситель инжектора.

В процессе работы колодцев инжектор может подсасывать через рекуператор больше воздуха, чем требуется по условиям качественного сжигания топлива. Для стабилизации расхода воздуха применяются специальные каналы для сброса излишков воздуха или создают повышенное давление в рабочем пространстве ячейки (при надлежащем уплотнении подкрышковой щели). Последнее позволяет регулировать противодавление работающего инжектора и, соответственно, расход воздуха.

Рис. 9.5 – Схема рекуперативного колодца с верхней горелкой:

1  керамический рекуператор; 2  каналы для холодного воздуха; 3  металлический рекуператор; 4  подвод компрессорного воздуха; 5  дымовое окно; 6  слитки; 7  шлаковая чаша; 8  дымовой шибер

Принцип работы колодца следующий. Слитки загружаются поштучно в рабочую камеру и располагаются вдоль обеих продольных стен. Включается подача компрессорного воздуха и газа, которые вместе с подсасываемым атмосферным воздухом дают длинный факел на выходе из горелки в рабочее пространство. После удара факела о торцевую стенку он меняет направление на обратное, и дым удаляется через дымовое окно, расположенное ниже горелки. Таким образом, движение дыма в колодце носит подковообразный характер. С одной стороны, это приводит к сокращению расхода топлива за счёт утилизации теплоты дыма. Но с другой стороны, приводит к неравномерному нагреву садки. Слитки, стоящие около противоположной от горелки стенки, греются быстрее. Кроме того, верхняя часть слитков имеет более высокую температуру. Режим нагрева слитков ведут по слиткам, которые греются быстрее.

Дым, который удаляется из рабочего пространства, проходит последовательно керамический рекуператор, состоящий из восьмигранных керамических трубок, далее металлический трубчатый рекуператор, дымовой шибер и на дымовую трубу.

Поскольку температура подины низкая, то на колодце применяют сухое шлакоудаление.

Так же как и в колодцах с центральной горелкой верхний ряд трубок рекуператора зарастает пылью, выносимой из рабочего пространства с дымом. Это приводит к закупориванию дымовых каналов и преждевременному выходу рекуператоров из строя.

Удельный расход условного топлива на колодце с верхней горелкой составляет: при холодном посаде около 50-60 кг у.т./т стали; при горячем посаде (700-800 С) около 30-40 кг у.т./т стали.

Для снижения расхода топлива и повышения равномерности нагрева слитков можно рекомендовать следующее:

установка возле горелочной стороны дополнительных небольших горелок. Это уменьшит время выдержки для прогрева слитков, отстающих в нагреве;

  1.  применение специальных рассекателей и завихрителей факела, делающих его короче и шире;
  2.  применение горелки с качающимся соплом, периодически изменяющего направление факела с целью изменения положения зоны высоких температур;
  3.  импульсное вдувание компрессорного воздуха под углом к основному газовоздушному потоку вблизи среза сопла горелки, что обеспечивает перемещение факела в рабочем пространстве колодца;
  4.  по аналогии с мартеновской печью установка шлаковика между дымовым окном и рекуператором за счет небольшого уменьшения габаритов рекуператора. Это позволит повысить стойкость рекуператора;
  5.  установка струйных рекуператоров (для подогрева компрессорного воздуха) в надрекуператорном пространстве.


Лекция 10

План лекции:

Конструкції та теплові режими печей.

Нагрівальні печі металургії. Методичні печі прокатного виробництва. Режими нагрівання заготівель у багатозонних методичних печах. Приблизний матеріальний і тепловий баланси методичних печей. Конструкції методичних печей: штовхальні печі, печі з крокуючим подом (ПШП) і з крокуючими балками (ПШБ), кільцеві печі, секційні печі. Заходи щодо скорочення витрати палива в методичних печах.

9.4  Нагревательные печи металлургии. Методические печи прокатного производства. Режимы нагрева заготовок в многозонных методических печах

Методическая печь – проходная печь для нагрева металлических заготовок перед обработкой давлением (прокатка, ковка, штамповка). В свою очередь проходной печью называется печь непрерывного действия, в которой нагреваемые заготовки движутся вдоль печи, перемещаемые толкателем, рольгангом или другими механизмами. Загрузка и выгрузка проходной печи производятся через окна в торцовых стенах печи или в боковых стенках вблизи торцов.

В методической печи заготовки обычно передвигаются навстречу движению продуктов сгорания топлива; при таком противоточном движении достигается высокая степень использования теплоты, подаваемой в печь. Хотя встречаются прямоточные и прямопротивоточные печи. Заготовки проходят последовательно три теплотехнические зоны: методическую (зону предварительного подогрева), сварочную (зону нагрева) и томильную (зону выравнивания температур в заготовке). Иногда томильная зона может отсутствовать.

Методические печи классифицируют: а) по числу зон отопления в сварочной зоне плюс методическая зона, и, если есть, томильная зона (2-, 3-, 4-, 5-зонные); б) по способу транспортирования заготовок (толкательные, с подвижными балками и др.); в) по конструктивным особенностям (с нижним обогревом, с наклонным подом, с плоским сводом и т.д.).

Методические печи отапливают газообразным или жидким топливом с помощью горелок или форсунок.

Стандартные режимы нагрева металла в двухзонных, трёхзонных и многозонных методических печах приведены на рис. 9.6. Можно отметить, что, в отличие от нагрева металла в колодцах, тепловой поток на поверхность металла в начальный период нагрева (методическая зона) нарастает. Одновременно температура поверхности сначала резко увеличивается (скорость нагрева максимальная), а затем повышается медленнее (скорость нагрева падает) с постепенным увеличением скорости к концу методической зоны.

Преимущество многозонных печей перед двухзонными: гибкость в регулировке режима нагрева и, соответственно, меньший расход топлива при высоком качестве нагрева металла. Недостаток: усложнение конструкции системы отопления.

Рис. 9.6 – Режимы нагрева заготовок в зависимости от числа зон методической печи (L  длина печи):

а  2-зонная печь; б  3-зонная печь; в  многозонная печь;

tг  температура дыма; tух  температура уходящего дыма; t0  начальная температура металла; tп  температура поверхности металла; tс  температура середины металла; qп  плотность теплового потока на поверхности металла

Под качеством нагрева понимается: точность получения заданных температур в конце нагрева, величина окисления и обезуглероживания поверхности заготовок, точность сохранения формы заготовок после воздействия термических напряжений. Ориентировочные значения отдельных показателей качества: температура нагрева заготовок в методических печах – 11001250 С; перепад температуры в конце нагрева – 4001000 С/метр толщины заготовки; количество окислившегося металла – 0,52 %; толщина обезуглероженного слоя – 0,51,5 мм.

В дальнейшем изложении мы будем различать печи по способу транспортирования и рассмотрим следующие печи: толкательную печь, печь с шагающим подом, кольцевую печь, печь с шагающими балками и секционную печь. Мы не выделяем секционную печь в отдельную группу методически-камерных печей, как иногда делается в литературе, а относим к методическим печам, т.к. по своей сути секционная печь в первую очередь все-таки проходная печь и подходит под общее определение методических печей.

Материальный и тепловой балансы методических печей во многом схожи по своей структуре, – отличия связаны с числовыми показателями. Ориентировочные балансы приведены в табл. 9.3 и 9.4. В качестве основы в этих балансах взята толкательная печь.

Таблица 9.3 – Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем пространстве методической печи (кг/кг нагретого металла)

Приход

На 1 кг металла

Расход

На 1 кг металла

1. Загружаемый металл

1,015

1. Нагретый металл

1,000

2. Воздух для горения топлива

0,814

2. Продукты горения, в т.ч.

– продукты горения топлива - 1,031;

– азот воздуха от окисления железа - 0,018;

1,049

3. Топливо (коксодоменная смесь)

0,217

3. Окалина

0,021

4. Воздух для окисления железа

0,024

Итого

2,070

Итого

2,070

Методические печи характеризуются наличием нескольких зон по длине печи. Так как тепловой баланс обычно составляется для определения расхода топлива и выбора горелок, то тепловой баланс методических печей часто приходится составлять для отдельных зон. В частности, для секционных печей, включающих 20 и более секций, тепловой баланс может быть составлен для каждой секции.

Таблица 9.4 – Ориентировочный тепловой баланс методической печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Химическая энергия топлива

2394

84,1

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 1230 С)

846

29,8

2. Физическая теплота воздуха для горения (t = 400 С)

337

11,9

2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 1000 С)

1318

46,4

3. Химическая энергия окисления железа

85

3,0

3. Потери теплоты с охлаждающей водой

575

20,2

4. Физическая теплота воздуха для окисления железа (t = 400 С)

10

0,4

4. Потери теплоты теплопроводностью и излучением через окна

38

1,3

5. Физическая теплота металла (t = 20 С)

10

0,4

5. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

26

0,9

6. Физическая теплота топлива (t = 20 С)

6

0,2

6. Физическая теплота окалины на металле (t = 1250 С)

19

0,7

7. Физическая теплота азота воздуха от окисления металла (t = 1000 С)

20

0,7

Итого

2842

100,0

Итого

2842

100,0

9.4.1  Конструкции толкательных печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в толкательных печах

Толкательная печь – методическая печь, в которой перемещение заготовок вдоль печи происходит с помощью внешнего устройства – толкателя. Это самый простой и недорогой способ транспортирования металла через печь.

В настоящее время разработано большое количество толкательных печей, отличающихся числом зон, наклоном подины, конструкцией свода и способом утилизации теплоты дымовых газов. Рассмотрим в виде примера трехзонную печь двухстороннего нагрева с наклонным подом, оборудованную керамическим блочным рекуператором для нагрева воздуха и инжекционными горелками (рис. 9.7). Особенностью данной печи является отсутствие вентилятора. Воздух засасывается за счет разрежения, создаваемого активной струей газового топлива горелок. Кроме этого, разрежение создает разогретый рекуператор, который действует как дымовая труба. Подобный принцип подачи воздуха заложен и в конструкции нагревательного колодца с верхней горелкой.

Выдача нагретых заготовок в данной толкательной печи (рис. 9.7) боковая с использованием дополнительного толкателя. Длина заготовок – 512 м. Соответственно и ширина печи достигает 12,5 метра. Печь рассчитана на сжигание доменного газа. Газ подогревается в металлическом рекуператоре до 200-250 С.

Рис. 9.7 – Трёхзонная толкательная печь:

1  окно посада; 2  смотровые окна; 3,4,5  продольные (глиссажные) поперечные и вертикальные опорные трубы; 6  металлические балки каркаса; 7  инжекционные горелки; 8  трубопровод горячего воздуха; 9  трубопровод газа; 10  окно выдачи; 11  окна для уборки шлака; 12  сборный канал горячего воздуха; 13  керамический рекуператор; 14  дымовой боров

Керамический рекуператор изготавливается из блоков размером примерно 300 250 250 мм. Конструкция блочного рекуператора очень простая. Внутри отдельных блоков имеются четыре отверстия для прохода воздуха, а наружная поверхность выполнена фигурной. В результате при сочленении блоков между ними появляются полости для прохода дыма в направлении, перпендикулярном движению воздуха. Достоинство блочного рекуператора в низком гидравлическом сопротивлении для прохода дыма и воздуха.

Принцип работы печи следующий. Заготовка подаётся внешним рольгангом к торцевому окну со стороны посада (на рис. 9.7 – слева). Далее толкатель проталкивает заготовку в печь. При этом заготовка замещает предыдущую заготовку и проталкивает все заготовки, лежащие на подине. Заготовки лежат без зазоров, поэтому в расчётах нагрева садку печи можно считать монолитной пластиной. Подина выполнена наклонной для облегчения перемещения всей садки. В самом конце печи участок подины сделан горизонтальным. Крайняя нагретая заготовка, которая попадает на горизонтальный участок подины, будет выдана из печи боковым толкателем через боковое окно. Температура нагрева заготовок зависит от марки стали и колеблется от 1100 до 1250 С. Нагрев заготовок происходит за счёт лучистого и конвективного теплообмена в системе "дым – кладка – металл".

Продукты горения (дым) образуются при факельном сжигании топлива в инжекционных горелках. Дым проходит навстречу металлу и удаляется с температурой 750-1000 С возле окна посада вниз через полости в боковых стенах и через щели между заготовками и стенками печи. Далее дым проходит через двухходовый керамический рекуператор для подогрева воздуха и металлический трубчатый рекуператор для подогрева газа (последний на рис. 9.7 не показан) и выбрасывается без очистки в атмосферу посредством дымовой трубы.

В сварочной зоне печи металл проталкивается по водоохлаждаемым глиссажным (скользящим) трубам. Если смотреть на подину сверху (в плане), то можно увидеть, что глиссажные трубы выполнены в виде ряда параллельных продольных транспортных труб. Для уменьшения контакта металла с холодной частью продольных труб и для уменьшения истирания труб на них приваривается пруток-гребешок из жаропрочной стали или устанавливаются так называемые рейтеры, выполненные из жаропрочных сплавов на основе хрома. Глиссажные трубы поддерживаются опорными трубами, представляющими из себя систему поперечных (горизонтальных) и вертикальных водоохлаждаемых труб. Наличие глиссажных труб позволяет быстро нагреть заготовки (т.е. обеспечить высокую производительность) за счёт двухстороннего подвода теплоты к заготовкам. Глиссажные трубы выгодно использовать при толщине заготовок больше 100 мм. В томильной зоне нагрев односторонний. Основное назначение томильной зоны – ликвидация "тёмных" пятен, образующихся на нижней поверхности заготовок при их движении по глиссажным трубам. В томильной зоне заготовки движутся по неохлаждаемым массивным брусьям.

Угар (потери при окислении) металла в толкательных печах обычно составляет 1,52 %. Удаление шлака (окалины) с подины производится периодически вручную через рабочие боковые окна нижней сварочной и томильной зоны.

Удельный расход топлива в толкательной печи при температуре нагрева заготовок 1200 С около 70-80 кг у.т./т металла. Если в печи отсутствуют зоны двухстороннего нагрева (нет глиссажных труб), то расход топлива около 60-70 кг у.т./т металла.

Для сокращения расхода топлива можно рекомендовать следующее:

совершенствование тепловой изоляции глиссажных труб, которые потребляют до 15 % подводимой к печи теплоты;

  1.  применение системы испарительного охлаждения глиссажных труб. Это позволит снизить расход воды на охлаждение, повысить стойкость труб, получить высокотемпературный теплоноситель (пар);
  2.  использование современных жаростойких теплоизоляционных материалов в кладке печи;
  3.  интенсификация лучистого теплообмена в зонах печи (повышение светимости факела, использование скоростных горелок, гофрирование кладки, зачернение футеровки и т.п.);
  4.  замена керамического рекуператора на стабильно работающий металлический;
  5.  создание в начале методической зоны условий для протекания продуктов сгорания сначала над металлом, а затем под металлом;
  6.  организация струйного натекания продуктов сгорания на металл с помощью высокотемпературных дымососов или инжекторов, что значительно увеличивает теплоотдачу в начальный период нагрева;
  7.  расположение в рабочем пространстве системы перегородок для прижатия потоков дыма к металлу и увеличения конвективной теплоотдачи. Одновременно это увеличивает излучающую поверхность кладки;
  8.  отказ от монолитной подины в томильной зоне и переход на двухсторонний нагрев металла по всей длине печи. В этом случае обязательным является применение металлических или металлокерамических рейтеров. Желательным является небольшое смещение по длине печи (относительно оси печи) глиссажных труб.

9.4.2  Конструкции печей с шагающим подом (ПШП). Мероприятия по снижению расхода топлива в ПШП

Печь с шагающим подом – методическая печь, в которой перемещение заготовок происходит путём циклического поступательно-возвратного шагания пода.

Эти печи обладают рядом преимуществ перед толкательными печами: а) заготовки не трутся о подину и друг о друга и не получают механических повреждений; б) при ремонтах печь легко освобождается от заготовок; в) в печи легко варьируется односторонний и трёхсторонний нагрев заготовок; г) первоначально образовавшаяся окалина не осыпается и защищает заготовки от дальнейшего окисления, что снижает угар стали до 1 %; д) пониженный расход топлива за счёт отсутствия глиссажных труб.

Схема ПШП приведена на рис. 9.8. Принцип работы печи следующий. Заготовки подаются внешним рольгангом к торцу посада и заталкиваются на подину с помощью торцевого толкателя. Далее заготовки проходят по печи с помощью специального механизма шагания, расположенного под подиной. Вся подина равномерно разделена на чётное количество подвижных и нечётное количество неподвижных балок. Основные движения, совершаемые подвижными балками относительно неподвижных балок приведены на рис. 9.9. Подсосы холодного воздуха в печь через щели между подвижными и неподвижными балками исключены за счёт использования водяных затворов.

В конце печи каждая нагретая заготовка при очередном цикле шагания попадает на склиз (лекальная наклонная плоскость) и через торец выдачи выскакивает на рольганг прокатного стана.

В ПШП очень удобным оказалось использование плоского свода с установленными в своде плоскопламенными горелками. Главное то, что в печи с такой конфигурацией легко можно осуществить многозонный режим нагрева. Недостаток сводового отопления в том, что половина длины печи со стороны посада находится под разрежением, а это вызывает подсосы воздуха через смотровые окна. Кроме этого, недостаточно отрегулированные плоскопламенные горелки могут вызвать местный перегрев металла.

Рис. 9.8 – Схема печи с шагающим подом (ПШП):

1  рольганг загрузки; 2  заслонка; 3  механизм подъёма заслонки; 4  дымоотбор; 5  поддерживающие кладку водоохлаждаемые трубы; 6  газо- и воздухопроводы по зонам регулирования; 7  заготовки; 8  горелки; 9  подвижные балки; 10  неподвижные балки; 11  рольганг выдачи; 12  подвижная заслонка; 13  склиз

Рис. 9.9 – Фазы движения балок в печи с шагающим подом:

П  подвижные балки; Н  неподвижные балки

Продукты горения образуются в зоне факела, прилегающего к своду, опускаются до металла и далее проходят вдоль печи. Дым удаляется из печи через свод в районе торца посада и направляется в рекуператор для подогрева воздуха горения или в котёлутилизатор.

Удаление шлака (окалины) производится вручную через смотровые окна в сварочной и томильной зонах. В процессе шагания отдельные заготовки могут кантоваться и тем самым разбивать подину. Заправка (восстановление) подины также производится через смотровые окна вручную.

Удельный расход условного топлива в ПШП 60-70 кг у.т./т металла.

Для снижения расхода топлива в ПШП можно предложить следующее:

оптимизация температурного режима нагрева заготовок по минимуму расхода топлива при заданных температуре поверхности и перепаду температур в конце нагрева. Чем больше зон регулирования в печи, тем больший эффект можно получить;

  1.  обеспечение повышенной газоплотности смотровых окон и торцевого окна посада путём установки соответствующей арматуры. Это даст возможность поднять давление дыма в печи и исключит подсос холодного воздуха;
  2.  перевод печи с чисто противоточного режима на прямо-противоточный, что позволит выровнять давление по всей длине печи и исключит подсосы воздуха;
  3.  точно также как и для толкательных печей: применение более совершенных огнеупорных и теплоизоляционных материалов, а также интенсификация теплообмена;
  4.  комбинирование сводового отопления с торцевым и боковым отоплением, что позволит выровнять давление по длине печи и уменьшить выбивание дыма;
  5.  установка системы перегородок для интенсификации лучистого и конвективного теплообмена, повышения равномерности нагрева по длине заготовок в зоне выдачи;
  6.  удлинение неотапливаемой части печи со снижением температуры наружной поверхности стен до ~40 С за счет оптимизации толщины футеровки.

9.4.3  Конструкции печей с шагающими балками (ПШБ). Мероприятия по снижению расхода топлива в ПШБ

Печь с шагающими балками (ПШБ) – методическая печь, в которой транспортирование заготовок происходит путём циклического поступательно-возвратного движения водоохлаждаемых балок. Принцип перемещения заготовок аналогичен тому, что было в печи с шагающим подом (рис. 9.9). Все отличия связаны с наличием водоохлаждаемых балок.

Главное преимущество ПШБ – четырёхсторонний, т.е. максимально быстрый нагрев заготовок. Главный недостаток – наличие разветвлённой системы водоохлаждаемых балок (опорных труб) и, соответственно, большие потери теплоты с охлаждающей водой.

Схема печи с шагающими балками приведена на рис. 9.10. На этом рисунке показана многозонная печь с торцевыми горелками. Отличительные особенности – верхний дымоотбор, два металлических трубчатых рекуператора, наличие рейтеров на продольных трубах.

Печь работает следующим образом. Заготовки подаются к торцу посада с помощью рольганга и сталкиваются с него на подину толкателем. На подине заготовки располагаются с зазором между собой. Подина состоит из системы опорных труб (балок) с установленными на продольных трубах рейтерами. Путём шагания балок заготовки перемещаются к торцу выдачи и там вытягиваются из печи механизмом поштучной выдачи при температуре 1150-1250 С.

Рис. 9.10 – Схема печи с шагающими балками:

1  дымовой боров; 2  шибер; 3  механизм шагания; 4  загрузочный рольганг; 5  водяной затвор; 6  подина из труб с рейтерами; 7  рекуператор; 8  дымоотвод в боров; 9  воздухопровод; 10  газопровод; 11  горелки; 12  рольганг выдачи

Печь отапливается двухпроводными горелками. Дым от сжигания топлива проходит сверху и снизу от заготовок и удаляется из печи в районе торца посада через свод при температуре 900-1100 С. В верхнем строении печи находится дымоход с установленными в нём рекуператорами.

Газоплотность узла сочленения вертикальных опорных труб и нижней футерованной плоскости обеспечивается гидравлическими затворами.

Удаление шлака (окалины) производится вручную механическим путём (скребки, пики и т.п.), а также путём применения компрессорного воздуха или кислорода, подаваемого с помощью переносных сопел. Очистка происходит через смотровые окна на уровне нижней отметки рабочего пространства.

Удельный расход топлива в ПШБ выше расхода топлива толкательной печи, имеющей двусторонний обогрев, и составляет 80-90 кг у.т./т металла, главным образом, за счёт отсутствия монолитного пода в томильной зоне.

Для сокращения расхода топлива можно предложить следующее:

увеличение расстояния между опорными трубами и, соответственно, уменьшение количества труб. Это сделать возможно, т.к. при механических расчётах прочности труб обычно берут многократно завышенный коэффициент запаса. Предлагаемое снижение числа труб не только снизит потери с водой, но и интенсифицирует теплообмен за счёт уменьшения экранирующего действия труб на металл;

  1.  применение волокнистой теплоизоляции на опорных трубах;
  2.  использование непараллельных продольных труб с целью уменьшения "тёмных" пятен от контакта заготовок с рейтерами и, соответственно, сокращение времени выдержки металла в томильной зоне;
  3.  применение системы испарительного охлаждения опорных труб;
  4.  применение эффективных огнеупорных и теплоизоляционных материалов в кладке свода и стен, а также интенсификация теплообмена в рабочем пространстве печи;
  5.  организация струйного подогрева металла с использованием высокотемпературных вентиляторов в начальный период нагрева (методическая зона);

9.4.4  Конструкции кольцевых печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в кольцевых печах

Кольцевая печь – методическая печь, в которой перемещение заготовок происходит за счёт вращения кольцевого пода. Поэтому иногда кольцевую печь называют печью с кольцевым подом или карусельной печью.

Преимущества кольцевой печи перед остальными методическими печами: а) заготовки лежат неподвижно на вращающемся поду, поэтому в них можно нагревать заготовки и круглого сечения; б) самый низкий угар металла (0,5-0,7 %); в) высокая равномерность нагрева по периметру заготовок круглого сечения; г) возможность перевода печи на камерный режим отопления.

Схема кольцевой печи приведена на рис. 9.11. Печь работает следующим образом. Заготовки (трубные или колесные) загружаются в печь через окно загрузки с помощью внешних механических устройств. Далее за счёт периодического движения подины (на 10-12 при каждом движении) заготовки вместе с подиной проходят все необходимые зоны нагрева и выдаются через окно выгрузки также с помощью внешних механизмов. Угол между окнами загрузки и выгрузки в данном случае составляет около 28. Время нагрева заготовки соответствует времени вращения подины на 36028 = 332. Скорость вращения подины может изменяться в зависимости от размеров заготовок и марки стали.

Рис. 9.11 – Схема кольцевой печи:

1  заготовки; 2  дымоотбор; 3  стойки каркаса; 4  горелки; 5  промежуточный дымоотбор; 6  заслонка; 7  перегородка; 8  каркас; 9  воздухо- и газопроводы; 10  водоохлаждаемые трубы, поддерживающие перегородку; 11  вращающаяся подина; 12  опорная рама подины; 13  водяной затвор; 14  механизм перемещения подины

Печь отапливается газообразным топливом через горелки, расположенные в наружной и внутренней боковых стенах. Боковое расположение горелок, по аналогии со сводовым, позволяет достаточно просто организовать многозонный режим нагрева заготовок.

Продукты горения от сжигания топлива движутся навстречу нагреваемому металлу (вращению пода) и проходят три условные зоны: томильную (1200-1250 С), сварочную (1300-1350 С) и методическую. В конце методической зоны дым с температурой 700-900 С удаляется через дымоход и направляется в металлический рекуператор (радиационный щелевой или трубчатый).

Газоплотность сочленения подины и стен обеспечивается применением песочных или водяных (гидравлических) затворов.

В отличие от других методических печей в кольцевой печи имеется возможность нагревать металл как по методическому, так и по камерному режиму. С этой целью в методической зоне предусмотрены горелки и между методической и сварочной зонами предусмотрен дополнительный дымоотбор. При камерном режиме нагрева заготовок включены горелки методической зоны и открыт шибер промежуточного дымоотбора.

Для поддержания определённых температурных и гидравлических условий в печи используются подвесные перегородки. Между подом и перегородкой остаётся зазор, необходимый для свободного перемещения заготовок. Обычно в печи от одной до четырёх перегородок. Перегородки изолируют окна загрузки и выгрузки, а также экранируют высокотемпературные зоны от низкотемпературных. С помощью перегородок создаётся необходимое гидравлическое сопротивление, направляющее продукты горения по большей дуге круга навстречу вращению подины.

Также как в печи с шагающим подом, в кольцевой печи возможен подсос холодного воздуха в методической зоне и в связи с этим – повышенный расход топлива.

Самая ответственная часть кладки – подина. Подина должна хорошо противостоять истиранию при посаде и выдаче заготовок, а также не взаимодействовать с окалиной, которая периодически удаляется вручную. Для повышения стойкости подины в ее составе должен быть большой процент Al2O3. Для уменьшения истирания подины печь оборудуется механизмами бережного посада и выдачи заготовок.

Удельный расход условного топлива в кольцевой печи 60-70 кг у.т./т металла.

Для снижения расхода топлива можно предложить следующее:

разбивка печи на максимально возможное количество зон регулирования с целью оптимизации температурного режима нагрева по минимуму расхода топлива;

  1.  в небольших печах исключение внутреннего кольца отопления и создание внутри единого огнеупорного монолита. Это позволит исключить потери через внутреннее кольцо, повысить температуру кладки и сократить время нагрева;
  2.  применение современных огнеупорных и теплоизоляционных материалов в кладке печи, а также интенсификация теплообмена в рабочем пространстве печи;
  3.  исключение подсосов холодного воздуха путём применения газоуплотняющей арматуры смотровых окон;
  4.  обогащение воздуха горения кислородом, что повышает парциальные давления СО2 и Н2О в продуктах горения с интенсификацией лучистого теплообмена и сокращает температуру и расход уходящих продуктов горения.

9.4.5  Конструкции секционных печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в секционных печах

Секционная печь – проходная печь для скоростного нагрева перед прокаткой круглых заготовок длиной от 3 метров и диаметром до 200 мм и для термообработки длинных труб. Печь может быть использована и для подогрева полураската в линии прокатного стана.

Печь состоит из большого числа нагревательных секций с расположенными между ними (в тамбурах) вращающимися водоохлаждаемыми роликами. Ролики устанавливаются под углом к направлению движения изделия, что обеспечивает его вращение и равномерный нагрев. Скоростной нагрев обеспечивается в результате интенсивного теплообмена при высокой температуре печи. Секционные печи отапливаются газовым топливом.

Недостаток секционной печи – возможность перегрева металла при аварийных ситуациях, связанных с остановкой в его движении, из-за высокой теплоаккумулирующей способности футеровки секций.

Пример конструкции секционной печи приведён на рис. 9.12. Особенность данной конструкции – расположение рекуператоров под печью. Печь по длине имеет несколько зон нагрева, по 4-6 секций на зону. Каждая зона соединена дымоходами со своим рекуператором. Всего в печи может быть любое количество секций от 1 до 20-40 штук. Длина одной секции составляет 1-1,5 метра, длина тамбура – 0,40,6 м.

Печь работает следующим образом. Заготовка подаётся рольгангом к первой секции и входит в неё консольно до контакта с роликами в тамбуре между 1-й и 2-й секциями. Поэтому, чтобы заготовка всегда имела опору на ролики, она должна быть достаточной длины (желательно не менее трёх расстояний между осями роликов). Проходя последовательно с одной и той же скоростью по всем зонам, нагретая заготовка выдаётся на рольганг прокатного стана. Иногда в последней зоне печи заготовка движется с более высокой скоростью.

Продукты сгорания (дым) образуются при сжигании газа в двухпроводных факельных горелках. Горелки (обычно от 2 до 6 штук) расположены в противоположных стенках рабочей камеры в разных уровнях для обеспечения вихреобразного циркулирующего движения дыма вокруг нагреваемой заготовки. Такое движение дыма способствует увеличению конвективной составляющей теплового потока на металл, хотя лучистая составляющая играет превалирующую роль, а также повышает равномерность нагрева металла. Температура в секции (зоне) может достигать 14501500 С.

Рис. 9.12 – Схема секционной печи:

1  водоохлаждаемый ролик; 2  тамбур; 3  каркас; 4  горелки; 5  заготовки; 6  воздухо- и газопроводы; 7  рекуператор; 8  сборный дымовой канал; 9  отверстие для термопары

Отработанный дым выходит из секции в относительно холодный тамбур, а оттуда вниз в дымоход. Вертикальные дымоходы от 35 тамбуров объединяются в один канал, в котором стоит металлический радиационно-конвективный рекуператор для подогрева воздуха до 350400 C. Для исключения пережога трубок металлического рекуператора дым перед рекуператором необходимо охлаждать холодным вентиляторным воздухом до 800900 С. Некоторое количество холодного воздуха засасывается в дым через щели между тамбуром и примыкающими к нему секциями. После рекуператора дым уходит к дымовой трубе по дымовому борову.

Нагрев заготовок в секционной печи проходит в 2-3 раза быстрее по сравнению с нагревом в других методических печах и ограничен, главным образом, температурными напряжениями, возникающими в процессе нагрева заготовок. Ожидаемого в связи с этим резкого уменьшения окалинообразования не происходит. Дело в том, что поверхность заготовок больше времени находится при высоких температурах (1050-1250 С) по сравнению с тем, что есть в других методических печах. Угар металла, нагреваемого в секционных печах перед прокаткой, составляет 0,7-1,5 %.

Удельный расход топлива в секционных печах высокий и составляет 85-140 кг у.т./т металла за счёт высокой температуры уходящего дыма и слабой утилизации его физической теплоты. Это проявляется в низкой температуре подогрева воздуха в рекуператоре.

Для сокращения расхода топлива в секционных печах можно рекомендовать следующее:

использование струйных рекуператоров перед металлическим трубчатым рекуператором. Это позволит поднять температуру подогрева воздуха и избежать разбавления дыма перед рекуператором холодным воздухом;

замену в подогревательных зонах двухпроводных горелок на скоростные горелки, направленные непосредственно на поверхность металла и реализующие струйный (струйно-факельный) нагрев;

применение малоинерционной футеровки секций, гофрирование и зачернение футеровки;

увеличение длины секций до 1,5-2,5 метра с соответственным уменьшением числа тамбуров и потерь теплоты на охлаждение транспортных роликов;

применение регенеративной системы отопления секций с использованием шариковой насадки для подогрева воздуха. Это позволит избежать разбавления дыма перед рекуператором холодным воздухом и полностью утилизировать физическую теплоту дыма;

переход с водяного на воздушное охлаждение роликов, особенно, при низких температурах нагрева металла. Применение рекуперативных роликов позволяет снизить расход топлива на печь;

обогащение кислородом воздуха горения. В результате увеличивается степень черноты дыма, уменьшается температура и расход уходящего дыма.


Лекция 11

План лекции:

Конструкції та теплові режими печей.

Термічні печі. Характерні режими термообробки. Термічні печі камерного типу. Піч з викатним подом. Піч з нерухомим подом. Ковпакова піч. Приблизні матеріальні і теплові баланси термічних печей камерного типу. Заходи щодо скорочення витрати палива в термічних камерних печах.

9.5  Термические печи. Характерные режимы термообработки

Термическая печь – печь для термической обработки металлических изделий. Термические печи классифицируются по технологическим признакам и назначению (закалочные, отжигательные, цементационные и др.), по способу нагрева (электрические, пламенные, косвенного нагрева), по среде рабочего пространства (воздух, газовая контролируемая среда, жидкая среда), по конструкции (камерные, колпаковые, ванные и т.д.), по режиму работы (периодического и непрерывного действия).

В процессе термической обработки повышается качество изделий или сообщаются дополнительные свойства, что обеспечивает сокращение расхода металла в процессе эксплуатации. Термической обработке подвергаются все виды горячекатаного и холоднокатаного проката: лист, уголок, проволока, рельс, труба, швеллер, лента и др.

Виды термической обработки:

1) сортовой прокат – полный и изотермический отжиг, нормализация, закалка (патентирование);

2) горячекатаный лист: а) нормализация или закалка с последующим отпуском; б) отжиг или высокий отпуск;

3) рельсы – нормализация, изотермическая выдержка, отпуск;

4) холоднокатаный лист и лента – рекристаллизационный отжиг.

Все виды термообработки можно разделить на две большие группы:

1) простой нагрев до определённой температуры с последующей выдачей на воздух (нормализация) или в жидкие среды (закалка). Пример режима – на рис. 9.13а;

2) нагрев до определённой температуры с последующей длительной изотермической выдержкой и, в завершение, регламентированным охлаждением или охлаждением вместе с печью (отжиг). Пример режима – на рис. 9.13б.

Для нагрева под нормализацию и закалку применяют нагревательные проходные печи всех типов, описанных ранее. Кроме этих печей применяют специализированные проходные и камерные печи, предназначенные для термической обработки конкретных видов продукции.

Для нагрева под отжиг применяют камерные печи и для отдельных видов продукции – протяжные печи непрерывного действия (отжиг ленты, полосы, проволоки).

Рис. 9.13 – Характерные режимы термообработки в термических печах:

а  закалка (индекс "з") и нормализация (индекс "н") в проходной печи; б  отжиг в камерной печи;

tг  температура дыма; t0  начальная температура металла; tп  температура поверхности металла; tс  температура середины металла; qп  плотность теплового потока на поверхности металла в процессе нагрева

Специализированная на термической обработке печь должна обеспечивать заданный технологией температурно-временной режим обработки изделия и высокую равномерность нагрева изделия. Обычные нагревательные печи не всегда в состоянии обеспечить необходимую в термообработке равномерность и точность нагрева. Так, при нагреве слитков под обработку давлением удельный перепад температуры в конце нагрева должен быть не более 100-300 С на 1 метр толщины, а при нагреве заготовок – не более 1000 С на 1 метр толщины. Как при нагреве слитков, так и заготовок абсолютное значение перепада температуры составляет 50-70 С. При термической же обработке металлопродукции перепад температуры по сечению в конце режима термообработки чаще всего должен вообще отсутствовать или составлять не более 510 С. Когда говорят о перепадах температур, то в термических печах подразумевают перепад не по сечению, а по объему садки металла. Фактически – это разброс температуры по объему садки. Его величина обычно составляет 510 С, в то время как в нагревательных печах разброс температур может быть 80100 С и больше. Поэтому и говорят, что при термообработке очень жесткие требования по равномерности нагрева.

В качестве примера рассмотрим самые распространённые пламенные термические печи из всего многообразия пламенных и электрических печей. Особенность пламенных печей – они отапливаются газом. Мазут и твёрдое топливо практически не используются.

Составление материального и теплового балансов термических печей имеет особенность, связанную с почти полным отсутствием окисления металла в процессе нагрева из-за малого уровня температур. Фактически материальный баланс можно свести к материальному балансу горения топлива, рассчитанному или на 1 кг топлива, или на 1 м3 топлива, или на 1 Дж химической энергии топлива. Ориентировочный материальный баланс термической печи приведен в табл. 9.5.

Таблица 9.5 – Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем пространстве термической печи (кг/м3 топлива и кг/МДж топлива)

Приход

кг/м3 топл.

кг/МДж топл.

Расход

кг/м3 топл.

кг/МДж топл.

1. Топливо (природный газ)

0,8

0,022

1. Продукты горения

13,8

0,381

2. Воздух для горения топлива

13,0

0,359

Итого

13,8

0,381

Итого

13,8

0,381

Тепловые балансы термических печей похожи на балансы соответствующих нагревательных печей, хотя существуют некоторые особенности, которые будут даны при рассмотрении этих печей.

9.6  Термические печи камерного типа

Камерная печь – печь с близкими по значению длиной, шириной и высотой рабочего пространства и с одинаковой во всех его точках температурой, предназначенная для нагрева или термической обработки материалов. Типичный представитель камерной печи для нагрева – нагревательный колодец. Из термических камерных печей известны камерные печи с выдвижным (выкатным) подом, камерные печи с неподвижным подом (с внешней механизацией) и колпаковые печи. Одно из основных отличий режимов нагрева и режимов термообработки в близких по конструкции печах состоит в том, что в термических печах часто реализуется режим: при заданном законе изменения температуры поверхности металла. Такой режим выдержать на практике гораздо труднее, т.к. он предполагает постоянную корректировку температуры печной атмосферы во времени.

Преимущество камерных печей – их универсальность в создании разнообразных температурно-временных условий. Недостатки: 1) большие потери теплоты на аккумуляцию кладкой при периодических загрузках – выгрузках металла; 2) печи не отвечают требованиям поточного производства.

Поэтому камерные печи применяются там, где нельзя использовать проходные печи, например, при сложных режимах термообработки, типа отжига.

Следует отметить особенности работы горелок в камерных термических печах.

Во-первых, в рабочем пространстве наблюдаются низкие рабочие температуры, находящиеся на уровне температуры воспламенения топлива и ниже. Поэтому для обеспечения стабильной работы горелок их надо оснащать запальниками (чаще электрическими).

Во-вторых, в камерной термической печи сильно изменяется (в 10-20 и более раз) тепловая мощность и, соответственно, расход топлива. В период нагрева мощность максимальна, а в период выдержки может упасть почти до нуля. Стандартные же горелки нагревательных печей допускают регулирование расхода газа в диапазоне 1:4. Поэтому на камерных термических печах должны устанавливаться специальные горелки с широким диапазоном регулирования (1:10, 1:20 и выше).

В-третьих, в камерных термических печах, как правило, недопустима работа горелок непосредственно в рабочем пространстве, т.к. это вызывает неравномерность нагрева садки от факела. Поэтому горелки устанавливают или в подподовых топках или в форкамерных топках. Форкамерные топки – небольшие топки в боковых стенах для предварительного сжигания топлива с коэффициентом расхода воздуха 0,8. От этих топок дым вводится в рабочее пространство с помощью инжекционных устройств за счёт высокоскоростных струй воздуха, что создаёт хорошую циркуляцию дыма, омывающего садку.

9.6.1  Камерная печь с выкатным подом. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Печь с выкатным подом – печь, в которой загрузка и выгрузка металла производятся цеховым краном на подину, выкатываемую относительно стен и свода печи. Эту печь используют в тех случаях, когда масса садки велика и имеет сложную "архитектуру", например, садка располагается в несколько слоёв.

Пример печи с выкатным подом приведён на рис. 9.14. Печь работает следующим образом.

В разогретой пустой печи поднимается заслонка и подина, опираясь на катки, выкатывается на площадку перед печью. Часто вместо катков используют колеса, прикрепляемые к раме подины и движущиеся по специально уложенным рельсам. С помощью подъёмного крана на выкатанную подину укладывается садка металла в определённом порядке. В это время горелки не работают, а стены и свод интенсивно отдают теплоту излучением на то место, где только что стояла подина. Поэтому место под подиной должно быть теплоизолировано. После загрузки всей садки подина вкатывается обратно, заслонка закрывается и включаются горелки. Горелки располагаются в нижней части боковых стен (на рис. 9.14 – 14 горелок; по 7 штук на каждой стене). Часто горелки располагаются в два ряда и сжигание топлива практикуется в форкамерах. В данном примере горелочные камни подобраны таким образом, что они создают факел под некоторым углом к стене для обеспечения интенсивной циркуляции дыма и максимальной равномерности нагрева садки. Продукты горения удаляются из рабочего пространства через дымовые окна в боковых стенках. В данном примере 16 каналов, по 8 в каждой стенке. Дым проходит по подъемным дымовым каналам и поступает в сборные каналы, располагаемые вдоль стен печи над сводом. Из сборных каналов дым поступает в общий канал, в котором находится рекуператор для подогрева воздуха. Охлажденный в рекуператоре дым направляется в дымовую трубу и выбрасывается без очистки в атмосферу. После завершения процесса термообработки подина выкатывается и металл заменяется на холодный. Далее процесс повторяется.

Рис. 9.14 – Камерная печь с выкатным подом:

1  заслонка; 2  механизм подъёма заслонки; 3  дымовой канал для соединения сборных каналов; 4  рекуператор; 5  металлический каркас; 6  подъемный дымовой канал; 7  сборные каналы, располагаемые вдоль стен над сводом; 8  рабочее пространство печи; 9  горелки; 10  горелочный камень; 11  песочный затвор; 12  дымовые окна; 13  отверстие для термопары; 14  подина; 15  ролики (катки, колёса); 16  механизм перемещения подины

Технологический процесс контролируется термопарами, вставляемыми через специально предусмотренные отверстия в стенах. Число смотровых и рабочих окон ограничено одним, закрытым в нормальном состоянии заслонкой.

Газоплотность печи обеспечивается системой песочных затворов, которые установлены между подиной и всеми стенами, а также между подиной и заслонкой.

Пример теплового баланса печи с выкатным подом приведен в табл. 9.6 и 9.7. Здесь приняты следующие условия: а) нагрев садки слябов (144 тонны) от 20 до 750 С с примерно постоянной скоростью в течение 19,3 часа; б) выдержка при 750 С в течение 8 часов. Соответственно, баланс разбивается на два самостоятельных баланса: периода нагрева и периода выдержки. Эти балансы легко объединяются в один баланс простым суммированием.

Таблица 9.6 – Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с выдвижным подом в период нагрева (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Химическая энергия топлива

1124

97,3

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 750 С)

498

43,1

2. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 С)

16

1,4

2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 800 С)

402

34,8

3. Физическая теплота металла (t = 20 С)

13

1,1

3. Потери теплоты на аккумуляцию кладкой и каркасом печи

97

8,4

4. Физическая теплота топлива (t = 20 С)

2

0,2

4. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

61

5,3

5. Потери теплоты на нагрев опорных устройств

31

2,7

6. Прочие потери

66

5,7

Итого

1155

100,0

Итого

1155

100,0

Таблица 9.7 – Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с выдвижным подом в период выдержки (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Физическая теплота металла (t = 750 С)

498

93,3

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 750 С)

498

93,3

2. Химическая энергия топлива

34,7

6,5

2. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

24

4,5

3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 С)

1,2

0,2

3. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 800 С)

12

2,2

4. Физическая теплота топлива (t = 20 С)

0,1

0,0

Итого

534

100,0

Итого

534

100,0

В данном примере удельный расход условного топлива составил (1124 + 34,7) / 29,3 = 40 кг у.т./т металла. Удельный расход условного топлива в печи выкатным подом сильно зависит от режима термической обработки – температур в печи и длительности пребывания металла в печи. Так, отжиг при температуре печи 800950 С требует расхода топлива 40-130 кг у.т./т металла. Отпуск (при температуре печи 550 С) требует расхода 25-60 кг у.т./т металла. Меньшие цифры относятся к термообработке за более короткое время.

Для сокращения расхода топлива можно рекомендовать следующее:

  1.  совершенствование системы отопления для интенсификации циркуляции дыма, быстрого и равномерного нагрева металла. Здесь подразумевается использование специальных форкамер, горелок, воздушных сопел, а также их количество и расположение;
  2.  в период выкатки подины закрытие оголяемого подподового пространства экраном в виде отражательной плёнки, цепляемой к заднему торцу подины;
  3.  разделение функций нагрева и выдержки между разными печами с пересадкой садки из одной печи в другую по ходу процесса, чтобы печи работали при постоянной мощности;
  4.  использование волокнистых теплоизоляционных материалов в кладке печи;
  5.  использование регенеративных горелок с шариковой насадкой;
  6.  применение импульсной системы отопления.

9.6.2  Камерная печь с неподвижным подом. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Камерная печь с внешней механизацией – печь, в которой загрузка и выгрузка металла происходит за счет механических устройств, расположенных за пределами печи. Эта печь не имеет тех потерь теплоты, которые есть в печи с выкатным подом при погрузке металла на подину. Но, с другой стороны, загрузка металла в печь с внешней механизацией усложнена. Обычно для крупных печей используется мощная напольная загрузочная машина, перемещающаяся по рельсам вдоль торцов загрузки ряда печей и обслуживающая эти печи. Если на заводе (в цехе) планируется иметь 1-2 печи, то нет смысла иметь громоздкую напольную машину, а надо иметь печи с выкатным подом.

Пример печи с неподвижным подом представлен на рис. 9.15. Особенность данной печи в наличии подподовой топки для сжигания топлива.

Рис. 9.15 – Камерная печь с внешней механизацией:

1  рабочее пространство; 2  каркас; 3  отверстия для термопар; 4  дымоотводящие каналы; 5  заслонка; 6  подподовая топка; 7  канал входа дыма в рабочее пространство; 8  сборный канал для дыма; 9  механизм подъёма заслонки; 10  углубления в подине для лап напольной машины; 11  рециркуляционный канал; 12  горелка

Принцип работы печи следующий. Перед загрузкой садку готовят, т.е. укладывают на специальные подставки. Далее лапы напольной машины пропускаются под эти подставки и вся садка полностью отвозится напольной машиной к нужной печи. В печи поднимается заслонка и на лапах напольной машины садка заносится в печь. После этого лапы опускаются в специально предусмотренные углубления в подине, передавая садку подине, и вытаскиваются из печи. Заслонка закрывается. Подставки, на которые укладывалась садка, остаются в печи на всё время термообработки, используются многократно и поэтому они выполняются из жаропрочной стали.

После загрузки садки включаются горелки в подподовых топках. Образовавшиеся продукты горения проходят под подиной и поступают в рабочее пространство через канал 7 (рис. 9.15). Через рециркуляционный канал 11 в подподовую топку подсасываются газы из рабочего пространства. В результате этого снижается уровень температуры газов, выходящих в рабочее пространство, и обеспечивается интенсивная циркуляция печных газов.

Отвод отработанного дыма происходит через отверстия в боковых стенках на уровне подины и возле свода. Отверстия и вертикальные каналы для отвода дыма хорошо видны на разрезе А-А пунктирными линиями. Дым с левой и правой стенок печи собирается в один канал (на рис. 9.15 не показано) и далее через рекуператор уходит к дымовой трубе. Обычно несколько печей обслуживаются одной дымовой трубой.

Печь достаточно газоплотна, единственный песочный затвор устанавливается между заслонкой и подиной. Как и другие камерные печи, печь не имеет дополнительных смотровых окон.

Ориентировочный тепловой баланс печи с неподвижным подом приведен в табл. 9.8. Данный баланс составлен при следующих условиях: нагрев садки массой 320 кг под закалку от 20 до 850 С с конечным перепадом температур по сечению 5 С.

В данном примере удельный расход топлива составил 3716 / 29,3 = 127 кг у.т./т металла из-за высокой температуры уходящих из печи продуктов горения и отсутствия теплоутилизирующих устройств. В целом, удельный расход топлива в печи с внешней механизацией меньше, чем в печи с выкатным подом, и составляет при отжиге (температура печи 840 С) в зависимости от длительности процесса термообработки около 40-140 кг у.т./т металла.

Таблица 9.8 – Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с неподвижным подом (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Химическая энергия топлива

3716

98,4

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 850 С)

580

15,4

2. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 С)

49

1,3

2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 1045 С)

2079

55,0

3. Физическая теплота металла (t = 20 С)

8

0,2

3. Потери теплоты на аккумуляцию кладкой

469

12,4

4. Физическая теплота топлива (t = 20 С)

5

0,1

4. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

403

10,7

5. Потери теплоты излучением при посаде и выдаче садки

247

6,5

Итого

3778

100,0

Итого

3778

100,0

Для снижения расхода топлива можно предложить следующее:

  1.  совершенствование системы отопления для улучшения циркуляции дыма в рабочем пространстве, например, путём совмещения форкамерного и подподового сжигания топлива, применением импульсной системы отопления;
  2.  разделение функций нагрева и выдержки между разными печами с пересадкой садки из одной печи в другую по ходу процесса термообработки;
  3.  оптимизация температурного режима термообработки путём максимально быстрого прохождения первой стадии нагрева;
  4.  использование современных теплоизоляционных материалов в кладке печи;
  5.  организация отопления печи регенеративными горелками с шариковой насадкой.

9.6.3  Колпаковая печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Колпаковая печь – печь периодического действия для термообработки рулонов ленты, листов и бунтов проволоки. Отличительная особенность колпаковой печи – наличие двух колпаков: внутреннего, предохраняющего металл от окисления (муфеля), и наружного, футерованного огнеупорным кирпичом, на котором монтируются горелки или электрические нагреватели. Муфель выполняется из жароупорной стали. Герметизация колпаковой печи достигается применением песочных затворов. Обычно для ускорения нагрева металла с помощью внутреннего циркуляционного вентилятора создают интенсивную циркуляцию защитного газа под муфелем.

Принципиальные отличия имеют колпаковые печи для отжига листов, уложенных в стопу; колпаковые печи одностопные, колпаковые печи трёхстопные и колпаковые печи для отжига распушенных рулонов. Из этого многообразия конструкций наиболее распространена одностопная печь. Она лучше других вписывается в поточное производство, нагревает металл достаточно равномерно и быстро, даёт низкую себестоимость нагрева и довольно низкий расход топлива.

Пример одностопной колпаковой печи приведен на рис. 9.16.

Рис. 9.16 – Схема колпаковой печи:

1  вход в дымовой боров; 2  инжектор; 3  кольцевой канал сжатого воздуха; 4  конвекторное кольцо; 5  рулон; 6  нагревательный колпак; 7  крышка; 8  двойной муфель; 9  рабочее колесо вентилятора; 10  газопровод; 11  горелка; 12  песочный затвор

Время нагрева в колпаковой печи является главным фактором, влияющим на расход топлива. Время зависит от условий теплообмена на торцах и боковой поверхности рулонов металла. Известно, что для прогрева плотносмотанных рулонов в радиальном направлении требуется времени в несколько раз больше, чем для прогрева в аксиальном направлении. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности в радиальном направлении для стали составляет только 1,5-4 Вт/(мК), а в аксиальном направлении около 30 Вт/(мК). Низкие значения коэффициента теплопроводности в радиальном направлении связаны с наличием воздуха между витками рулона. Для обеспечения подвода необходимого количества теплоты к торцам рулонов служат специальные устройства, называемые конвекторными кольцами и размещаемые между рулонами. Они представляют собой набор узких параллельных спиралевидных каналов между плоскими пластинами. По каналам проходит горячий защитный газ, отдающий свою теплоту. Высота конвекторных колец – 50-120 мм.

Равномерность нагрева металла определяется типом направляющего аппарата, расположенного в самом низу муфеля. Внутри аппарата располагается рабочее колесо циркуляционного вентилятора. Защитная атмосфера подсасывается в аппарат сверху вниз и распределяется по периферии.

Принцип работы колпаковой печи определяется технологическим процессом, который делится на три примерно одинаковые стадии: нагрев до 650-800 С, охлаждение под муфелем до 150 С и без него и последняя стадия –разгрузка и загрузка стенда. Равенство времени по стадиям позволяет использовать три стенда с одним нагревательным колпаком и двумя муфелями. Загрузка металла заканчивается опусканием на стенд поверх стопы рулонов муфеля и нагревательного колпака. После этого подаётся защитный газ (обычно смесь из 95 % N2 и 5 % Н2) и с помощью циркуляционного вентилятора осуществляется его циркуляция. Затем включаются горелки. Продукты горения проходят между нагревательным колпаком и муфелем и при помощи инжектора (инжектирующая среда – компрессорный воздух) удаляются в дымоотводы и в дымовой боров. Температура дыма перед инжектором около 630-660 С. В колпаковых печах физическая теплота дыма обычно не утилизируется, что можно считать одним из недостатков печей.

Защитный газ подается циркуляционным вентилятором в зазор между муфелем и рулонами стопы. Газ равномерно распределяется по конвекторным кольцам и через них попадает во внутренние полости рулонов, омывая их. Опускаясь по внутренней полости стопы газ возвращается в циркуляционный вентилятор. Кольца получают теплоту от защитного газа конвекцией и нагревают рулоны. Муфель излучает на боковую поверхность металла, но тепловой поток несущественен для нагрева рулонов из-за отмеченного ранее низкого коэффициента теплопроводности в радиальном направлении. Исключение делается для верхнего рулона, который получает теплоту на свой торец. Поэтому верхний рулон всегда греется быстрее других. В наихудших условиях нагрева и охлаждения находится нижний рулон. Проблемой является низкий коэффициент теплоотдачи от муфеля к защитному газу, в результате чего вынужденно поддерживаются высокими температура муфеля и температура дыма под нагревательным колпаком. Это приводит к повышенной температуре уходящих газов и высокому расходу топлива.

Ориентировочный вид теплового баланса камеры сжигания топлива колпаковой печи (под нагревательным колпаком) приведен в табл. 9.9.

При составлении баланса принято следующее. Происходит нагрев стопы из 4 рулонов стальной ленты диаметром 2,2 метра от 60 до 720 С. Масса садки – 110,4 тонны. Время нагрева – 50 часов. Допустимая разница температур по объему садки – 50 С. Топливо – коксодоменная смесь с низшей теплотой сгорания 6,65 МДж/м3.

В данном примере удельный расход топлива составил 1129/29,3 = 39 кг у.т./т металла. Обычно удельный расход топлива в одностопных колпаковых печах в зависимости от режима термообработки составляет от 35 до 50 кг у.т./т металла.

Таблица 9.9 – Ориентировочный тепловой баланс колпаковой печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Химическая энергия топлива

1129

96,7

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 705 С)

437

37,4

2. Физическая теплота металла (t = 60 С)

29

2,5

2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 900 С)

615

52,6

3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 С)

6

0,5

3. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

66

5,7

4. Физическая теплота топлива (t = 20 С)

4

0,3

4. Прочие потери теплоты

50

4,3

Итого

1168

100,0

Итого

1168

100,0

Пути экономии топлива в колпаковых печах:

  1.  использование рекуператоров для подогрева воздуха до 350-390 С, что снижает расход топлива на 17-20 %;
  2.  интенсификация теплообмена между нагревательным колпаком и муфелем (специальная обмазка внутренней поверхности нагревательного колпака, скоростные горелки и т.п.);
  3.  разработка оптимальной конструкции конвекторных колец, обеспечивающих высокую теплоотдачу к торцам рулонов и имеющих низкое гидравлическое сопротивление;
  4.  применение в кладке волокнистых огнеупорных материалов, позволяющих примерно в 2 раза снизить потери теплоты на аккумуляцию кладки;
  5.  разработка конструкции печи с условиями теплообмена на всех торцах рулонов, похожими на условия для верхнего торца верхнего рулона;
  6.  замена двух колпаковых печей одной реверсивной печью, принцип которой аналогичен работе стана Стеккеля: две обогреваемые камеры с печными моталками. Но в отличие от стана Стеккеля, между камерами с моталками находится система стационарных и подвижных роликов, подогревающих или охлаждающих ленту рулона при перематывании;
  7.  изменение схемы подачи защитного газа: газ подается циркуляционным вентилятором не по периферии, а по центру рулона и через конвекторные кольца выбрасывается струями на стенки защитного муфеля. При этом резко увеличивается теплоотдача на внутренней поверхности муфеля, что приводит к сокращению времени цикла термообработки на 20-30 % и сокращению расхода топлива.


Лекция 12

План лекции:

Конструкції та теплові режими печей.

Термічні печі прохідного типу. Конвеєрна піч. Роликова піч. Протяжна піч. Приблизні матеріальні і теплові баланси термічних печей прохідного типу. Заходи щодо скорочення витрати палива в прохідних термічних печах.

9.7  Термические печи проходного типа

Проходная термическая печь по принципу работы соответствует нагревательной проходной печи, но в силу некоторых причин для нагрева металла под деформацию не используется.

Основные типы узкоспециализированных проходных термических печей: конвейерная печь, роликовая печь и протяжная печь. Из этих печей конвейерная и роликовая печь могут быть применены для нагрева металла, но не используются по экономическим соображениям, т.к. имеют большие потери теплоты с транспортирующими устройствами (конвейер и ролики охлаждаются: конвейер – на воздухе, а ролики – водой или воздухом), а элементы конвейера и ролики имеют низкую стойкость при высоких температурах.

С другой стороны, обычные нагревательные печи (печи с шагающим подом, кольцевые печи, секционные печи и др.) используются при термической обработке металла с некоторыми изменениями в конструкции, такими, как замена горелок, исключение контакта металла с факелом, повышение герметичности кладки и т.п.

9.7.1  Конвейерная печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Конвейерная печь – печь, снабжённая внутренним конвейером (ленточным, люлечным, цепным, скребковым), перемещающим нагреваемые изделия от загрузочного отверстия печи к выгрузочному. В металлургии конвейерная печь чаще всего имеет цепной конвейер. Металл в такой печи нагревается до температуры 850900 С и реже до 1000-1050 C. Эта температура ограничена сверху стойкостью конвейерной цепи и определяется маркой стали цепи.

Круговое движение цепи происходит за счёт зубчатых колёс (звёздочек), расположенных в противоположных концах печи за пределами рабочего пространства.

В качестве примера на рис. 9.17 показана конвейерная печь. Особенности печи: а) нагрев и изотермическая выдержка рельсов; б) наличие инжекционных горелок в подподовых каналах; в) плоский подвесной свод; г) прямо-противоточный режим работы.

Печь работает следующим образом. Рельсы длиной 25 метров подаются рольгангом к торцу загрузки (на рис. 9.17 – справа) и передаются с рольганга на цепной конвейер. Проходя первую половину печи, рельсы нагреваются движущимися навстречу продуктами сгорания топлива до 450600 С. Во второй половине печи продукты горения движутся в одном направлении с металлом и таким образом поддерживается достигнутая температура металла. При выходе из печи рельс передаётся с цепного конвейера на отводящий рольганг.

Продукты горения образуются от сжигания топлива в подподовых топках с использованием инжекционных горелок. По длине печи имеются две топки, а по ширине печи – около 15 топок. Соответственно длина печи около 13 метров, а ширина около 27 метров. Дым поступает в рабочее пространство печи через специальные отверстия в сводиках подподовых топок, омывает рельсы, двигающиеся на конвейере, и через металлические дымоотводы окна посада и окна выдачи удаляются на дымовую трубу. Дым не используется для подогрева воздуха и газа. Печь отапливается коксодоменной смесью с теплотой сгорания 5500 кДж/м3.

Рис. 9.17 – Схема конвейерной печи:

1  газопровод; 2  горелка; 3  отводящий рольганг; 4  дымоотбор; 5  держатели подвесного свода; 6  дымовой канал; 7  рабочая площадка; 8  смотровое окно; 9  отверстия в своде подподовой топки; 10  подподовая топка; 11  подводящий рольганг; 12  привод; 13  цепь; 14  канал для возврата цепи

Недостатки конвейерной печи: 1) большой вынос теплоты из рабочего пространства элементами цепи; 2) низкая стойкость цепи; 3) неравномерный прогрев металла в месте контакта с цепью.

Ориентировочный тепловой баланс конвейерной печи приведен в табл. 9.10. Баланс составлен для случая нагрева перед закалкой полосовых заготовок толщиной 10 мм. Печь оборудована цепным конвейером, имеет 3 зоны отопления, длина печи 9 метров. Производительность 2 т/час. Температура нагрева металла 890 C. Защитная атмосфера отсутствует.

Таблица 9.10 – Ориентировочный тепловой баланс конвейерной печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Химическая энергия топлива

1975

91,3

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 890 С)

596

27,5

2. Физическая теплота цепного конвейера (t = 300 С)

165

7,6

2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 800 С)

699

32,4

3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 С)

14

0,6

3. Физическая теплота цепного конвейера (t = 890 С)

596

27,5

4. Физическая теплота металла (t = 20 С)

10

0,5

4. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

195

9,0

5. Физическая теплота топлива (t = 20 С)

1

0,0

5. Прочие потери теплоты

79

3,6

Итого

2165

100,0

Итого

2165

100,0

В данном примере удельный расход условного топлива составил 1975/29,3 = 67 кг у.т./т металла. В целом удельный расход условного топлива в конвейерной печи находится в широких пределах и зависит от отношения массы нагреваемого металла к массе транспортирующих устройств, а также от температуры нагрева металла. Чем выше это отношение масс и чем ниже температура нагрева, тем ниже расход топлива. Так, низкие расходы топлива имеют печи для изотермической выдержки массивных рельсов при температуре 450-600 С: всего 30-35 кг у.т./т металла. При термообработке легковесных изделий при высокой температуре расход топлива может составлять 100-115 кг у.т./т металла.

Для сокращения расхода топлива в конвейерной печи можно рекомендовать следующее:

  1.  применение менее массивных цепей из жаростойких сталей с хорошей стойкостью против трения;
  2.  использование теплоты нагретых цепей для подогрева воздуха, например, путём забора вентилятором воздуха из нижних каналов для возврата цепей;
  3.  установку газоплотного рекуператора для подогрева топлива теплотой дымовых газов;
  4.  интенсификацию конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи путём организации рециркуляции дымовых газов.

9.7.2  Роликовая печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Роликовая печь – проходная печь непрерывного действия, подина которой состоит из большого числа вращаемых специальным приводом роликов, выполненных из жаропрочной стали или водоохлаждаемых. Роликовые печи отапливаются, главным образом, газообразным топливом с использованием большого числа горелок или радиационных труб, расположенных на продольных стенах печи выше и ниже роликов; существуют также электрические печи. Роликовые печи применяют для термической обработки металлических изделий и, реже, для нагрева металла перед горячей обработкой давлением.

Преимущество роликовой печи перед другими печами проходного типа одно: роликовая подина наилучшим образом соответствует условиям поточного производства, т.к. она легко встраивается в цеховые рольганги.

Самым ответственным элементом роликовой печи являются ролики. Их стойкость зависит от температуры в печи и ширины печи. Печи с температурой газа 800-1000 С оснащают неохлаждаемыми роликами, а с температурой 1000-1200 С – роликами с водоохлаждаемым несущим валом, пространство между которым и бочкой заполнено теплоизолятором. В любом случае в роликах охлаждают цапфы (для справки: цапфа – часть оси или вала, опирающаяся на подшипник). В подавляющем большинстве случаев ролики делают водоохлаждаемыми, с гладкой бочкой из жаропрочной хромоникелевой стали. Во избежание деформации бочки ролика, он должен вращаться постоянно, – остановки допустимы не дольше, чем на 3-4 минуты.

Кладка рабочего пространства печи выполняется из шамотного кирпича (внутренний слой) и любого теплоизоляционного материала (наружный слой).

Пример роликовой печи приведён на рис. 9.18. Печь предназначена для нагрева под закалку листов, пачек листов и сортового проката. Габариты рабочего пространства 2220 метров. В отличие от обычных конструкций термических печей, в данной конструкции горелки создают факел прямо в рабочем пространстве, т.е. отсутствуют форкамеры, радиационные трубы и подподовые топки. Такая конструкция больше подходит для нагрева металла перед деформацией, но в отдельных случаях с особой осторожностью может использоваться и для сложной термообработки типа отжиг. Потенциальные возможности данной печи для проведения качественной изотермической выдержки заложены в двустороннем по длине печи дымоотборе и организации прямо-противоточного режима тепловой обработки металла в среде продуктов горения.

Печь работает следующим образом. Металл для термообработки поступает на приёмный стол прямо с рольганга, если печь встроена в технологическую линию, или подаётся краном (например, пачки листов). Заслонка торца посада открывается и металл заходит в печь в дополнение к имеющейся садке; заслонка опускается. Металл постепенно проходит по постоянно вращающимся роликам и нагревается до необходимой температуры (1150 С). Благодаря боковому расположению горелок, возможен не только простой нагрев под закалку (нормализацию) или высокий отпуск, но и более сложный изотермический отжиг (нагрев до 750-800 С, выдержка, охлаждение до 600-700 С, выдержка).

После завершения термообработки готовый металл выдаётся на рольганг выдачи, соединённый с камерой ускоренного водяного охлаждения (закалка). Таким образом, печь постоянно пополняется холодным металлом и постепенно выдаёт нагретый металл.

Рис. 9.18 – Схема роликовой печи:

1  приёмный стол; 2  механизм подъёма заслонки; 3  площадка для обслуживания термопар; 4  горелки; 5  ролики; 6  отверстия для термопар; 7  дымовой боров; 8  подвод и отвод охлаждающей воды; 9  устройство для вращения роликов

Продукты горения топлива образуются непосредственно в рабочем пространстве печи от работы двухпроводных пламенных горелок. Приблизительно до середины печи дым идёт навстречу металлу (в противотоке), а далее в прямотоке. Дым удаляется из печи вниз по вертикальным каналам в районе торцов печи, далее соединяется в единый поток, проходит рекуператор для подогрева воздуха и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу.

Ориентировочный тепловой баланс роликовой печи приведен в табл. 9.11. При составлении баланса приняты следующие исходные данные: а) нормализация труб диаметром 42 мм, объединенных в пакеты; б) производительность печи 24 т/час; в) нагрев металла от 20 до 950 С в трех зонах регулирования в течение 0,117 часа; г) двусторонний нагрев металла в атмосфере защитного газа тупиковыми радиационными трубами диаметром 152 мм; д) из водоохлаждаемых элементов в роликах присутствуют только цапфы.

В данном примере удельный расход условного топлива составляет 1186/29,3 = 40 кг у.т./т металла. В целом расход топлива в роликовых печах колеблется от 40 до 200 кг у.т./т металла. Так, удельный расход условного топлива в высокотемпературных роликовых печах при нагреве металла под закалку до 1150 С составляет до 200 кг у.т./т металла, что больше, чем в других печах за счет больших потерь на охлаждение роликов.

Для сокращения расхода топлива возможны следующие варианты:

  1.  уменьшение поверхности (диаметра) теплообмена роликов и количества роликов исходя из расчётной механической прочности при минимальных коэффициентах запаса прочности;
  2.  создание эффективной теплоизоляции бочки роликов;
  3.  сокращение времени термообработки за счёт повышения качества нагрева. Качество возможно повысить заменой обычных горелок на горелки с форкамерами или на радиационные трубы;
  4.  интенсификация конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи (создание развитой рециркуляции, струйный нагрев сводовыми горелками в первом периоде нагрева и т.п.).

Таблица 9.11 – Ориентировочный тепловой баланс роликовой печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Химическая энергия топлива, сжигаемого в радиационных трубах

1186

89,8

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 950 С)

657

49,7

2. Физическая теплота воздуха для горения (t = 280 С)

123

9,3

2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 800 С)

484

36,7

3. Физическая теплота металла (t = 20 С)

10

0,8

3. Потери теплоты при охлаждении цапф роликов и теплопроводностью через фланцы роликов

124

9,4

4. Физическая теплота топлива (t = 20 С)

1

0,1

4. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

21

1,6

5. Потери теплоты на нагрев утечек защитного газа, теряемого в атмосферу

1

0,1

6. Прочие потери теплоты

33

2,5

Итого

1320

100,0

Итого

1320

100,0

9.7.3  Протяжная печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Протяжная печь – печь непрерывного действия для термической или химико-термической обработки металлической полосы (ленты) или проволоки, а также для нагрева штрипсов станов непрерывной печной сварки труб. Для справки: штрипс – стальная полоса, используемая в качестве заготовки для производства сварных труб. По конструктивному признаку протяжные печи делят на горизонтальные (одно- и многоэтажные) и вертикальные (башенные). Полосу протягивают в одну (однорядные протяжные печи) или несколько (многорядные протяжные печи) ниток. В протяжной печи для патентирования (для справки: патентирование – вид термообработки проволоки, при котором сталь нагревают до 870-950 С, а затем быстро охлаждают в ванне до 500 С, после чего охлаждают на воздухе) проволоку протягивают горизонтально в несколько ниток (до 24). Протяжные печи отапливаются газовым топливом, иногда мазутом; имеются протяжные печи с электрообогревом.

Отжиг металла в протяжных печах имеет ряд преимуществ по сравнению с отжигом в колпаковых печах:

  •  сокращение длительности отжига;
  •  более высокие механические свойства и качество поверхности за счёт высокой равномерности нагрева металла;
  •  включение отжига в непрерывный процесс очистки металла, травления, нанесения различных покрытий и т.д. За счёт этого ликвидация затрат на транспортировку рулонов от агрегата к агрегату и промежуточным местам складирования.

Однако не любой металл можно пропускать через протяжные печи. Например, в вертикальных печах можно обрабатывать ленту толщиной до 1 мм из-за частых перегибов, а в горизонтальных печах – до 4-6 мм (протяжка прямолинейная, без перегибов). Достоинство вертикальных печей – меньшая производственная площадь и выравнивание поверхности ленты, которая перед термообработкой может быть волнистая или с помятостями.

В качестве примера на рис. 9.19 приведена схема линии для отжига жести (для справки: жесть – тонкая малоуглеродистая сталь), имеющая в своем составе вертикальную протяжную печь.

Рис. 9.19 – Схема линии для отжига жести с вертикальной протяжной печью:

1  разматыватели рулонов; 2  тянущие ролики; 3  ножницы для обрезки концов ленты; 4  сварочная машина для сварки концов; 5  ванна с раствором для очистки ленты; 6  моющее устройство; 7  устройство для осушки ленты струями воздуха; 8  петлевые башни; 9  ножницы для вырезки сварных швов; 10  сматыватели; 11  натяжные устройства; 12  регулятор натяжения ленты; 13  камера восстановительного нагрева; 14  камера выдержки; 15  камера регулируемого охлаждения; 16  камера ускоренного охлаждения

В начале линии находятся два разматывателя рулонов. Один работает, а соседний готовится. Лента должна проходить через печь непрерывно без остановок, длина ленты достигает 1 км, а скорость – 10 м/с. Поэтому когда заканчивается лента на одном разматывателе, то обрезается задняя кромка этой ленты и кромка фиксируется на сварочной машине за счёт подъёма нижних роликов петлевой башни. Петлевые башни можно назвать буферами между печью и другими механизмами. В линию задаётся передний конец нового рулона, обрезается его кромка и на сварочной машине свариваются концы предыдущего и нового рулонов. Лента получает прежнюю скорость за счёт опускания роликов петлевой башни. В процессе движения поверхность ленты очищается в специальной ванне, промывается, высушивается и после прохода петлевой башни попадает в протяжную печь, состоящую из камеры восстановительного нагрева, камеры выдержки, камеры регулируемого охлаждения и камеры ускоренного охлаждения. Размеры печи: высота 15-20 метров, ширина 30-40 метров, толщина около 1,5 метра. Набор камер может быть разный на разных печах. Например, могут быть добавлены камера подогрева, камера нагрева продуктами неполного горения (т.е. камера безокислительного нагрева), камера для нанесения покрытий.

После печи располагается ещё одна петлевая башня с поднимающимися и опускающимися нижними роликами, служащая для накопления металла на то время, пока ножницы вырезают сварной шов и происходит переключение с одного сматывателя на другой.

Камера восстановительного нагрева предназначена для нагрева металла до максимальной температуры, требуемой по технологии. В качестве нагревательных устройств камеры восстановительного нагрева обычно используются радиационные трубы. В камере выдержки технологический процесс поддерживается, например, электрорадиационными трубами, располагаемыми вдоль стен кладки. Задача электрорадиационных труб – компенсация тепловых потерь через кладку. В качестве охладителя камеры регулируемого охлаждения обычно используется рассредоточенная система труб, внутри которых пропускается воздух. В камере ускоренного охлаждения охладителем может быть система трубок струйного охлаждения, из множества отверстий которых на ленту истекает восстановительный газ.

Протяжная печь обычно заполнена защитной атмосферой, состоящей из азота и водорода, как продуктов диссоциации аммиака. Наиболее распространена нейтральная атмосфера: 4 % Н2 и 96 % N2. Содержание кислорода допускается не более 0,01-0,02 %. Защитная атмосфера отсутствует в камере подогрева, в которой дожигаются продукты неполного горения камеры безокислительного нагрева.

Наиболее энергоёмкой частью протяжной печи является камера восстановительного нагрева (рис. 9.20). Габариты камеры: высота 1520 метров, длина 710 метров, ширина около 1,5 метра. Камера восстановительного нагрева наполнена защитной атмосферой, поэтому обогревается радиационными трубами. В отличие от колпаковой печи здесь закрыт муфелем огонь, а не металл.

Побудителями движения ленты являются тянущие ролики, расположенные за печью. Ролики в камере восстановительного нагрева являются поддерживающими. Они имеют посередине бочки утолщение для лучшей центровки ленты. В случае обрыва ленты её можно снова заправить через верхние и нижние люки, равномерно расположенные по оси роликов. В нормальном состоянии люки герметично закрыты. Для исключения попадания кислорода (воздуха) вместе с входящей лентой, устроен механический затвор обычно из отжимных роликов.

Камера восстановительного нагрева работает следующим образом. Лента входит через нижнее отверстие в камеру восстановительного нагрева и, проходя между роликами вверх-вниз, нагревается от радиационных труб излучением. Конвективная составляющая теплообмена мала, т.к. принудительного движения защитной атмосферы не предусмотрено. Температура нагрева ленты постоянно контролируется или контактными (скользящими) термопарами или пирометрами или сочетанием этих способов. На выходе из камеры восстановительного нагрева лента с температурой 700-800 С попадает в разделительный тамбур и далее в камеру выдержки.

Рис. 9.20 – Камера восстановительного нагрева вертикальной протяжной печи:

1  лента; 2  тамбур между камерами нагрева и выдержки; 3  окна с герметичными люками; 4  рабочие площадки; 5  радиационные трубы; 6  люки для заправки ленты; 7  ролики; 8  газо- и воздухопроводы; 9  дымоходы; 10  герметизирующий механический затвор

Радиационные трубы камеры восстановительного нагрева работают под разрежением на газовом топливе с встроенным рекуператором. Температура дыма на выходе из трубы 700-800 С. Дым улавливается зонтами – воронками, которые рассчитываются таким образом, чтобы подсасываемый воздух разбавлял дым до 400 С. Это необходимо для устойчивой работы дымососа. Дым от всех радиационных труб собирается вместе и удаляется через дымовую трубу в атмосферу.

Недостатки вертикальной печи:

  •  низкий уровень развития процессов теплообмена в камере восстановительного нагрева. Коэффициент излучения составляет только 1,52 Вт/(м2К4), в то время как в нагревательных печах он равен 3,55 Вт/(м2К4). Доля теплоты, передаваемая конвекцией, не более 1020 %. В конечном итоге камеры восстановительного нагрева являются очень громоздкими;
  •  при обработке отдельных типов стали (электротехническая и др.) на поверхности бочек роликов образуются наросты, которые царапают ленту и приводят к браку. Специальные покрытия бочки оксидом циркония уменьшают наросты, но и удорожают ролики;
  •  повышенные тепловые потери с дымом при форсированных режимах работы печи.

Тепловой баланс протяжной печи лучше давать по отдельным камерам, потребляющим энергию. В качестве примера в табл. 9.12-9.15 приведен ориентировочный тепловой баланс протяжной (башенной) печи агрегата горячего цинкования. В данном балансе приняты следующие исходные данные: а) всего имеются четыре энергопотребляющих камеры: камера подогрева, в которой осуществляется подогрев полосы от 20 до 200 С за 2,7 с продуктами горения из следующей камеры безокислительного нагрева, в которой полоса нагревается от 200 до 600 С за 7,1 с продуктами неполного сгорания (n = 0,85). Далее металл попадает в камеру восстановительного нагрева, в которой нагревается от 600 до 850 С за 34,2 с радиационными трубами в восстановительной атмосфере (15 % Н2 и 85 % N2). Последняя энергопотребляющая камера – камера выдержки, обогреваемая электрорадиационными трубами, в которой металл выдерживается при 850 С в течение 18,4 с; б) ширина ленты 1 м, толщина – 0,7 мм; в) производительность печи 70 т/час; г) топливо – коксовый газ с теплотой сгорания 17 МДж/м3.

В данном примере удельный расход условного топлива составил (594 + 424 + 18) / 29,3 = 35 кг у.т./т металла. В целом расход топлива в камерах нагрева протяжных печей достигает 4045 кг у.т./т металла.

Таблица 9.12 – Ориентировочный тепловой баланс подогревательной камеры протяжной печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Физическая теплота продуктов горения топлива из камеры безокислительного нагрева (t = 1050 С)

228

67,3

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 200 С)

98

28,9

2. Химическая энергия топлива (продуктов неполного горения топлива из камеры безокислительного нагрева)

97

28,6

2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 850 С)

229

67,6

3. Физическая теплота металла (t = 20 С)

10

2,9

3. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

4

1,2

4. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 С)

4

1,2

4. Прочие потери теплоты

8

2,4

Итого

339

100,0

Итого

339

100,0

Таблица 9.13 – Ориентировочный тепловой баланс камеры безокислительного нагрева протяжной печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Химическая энергия топлива

594

84,6

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 600 С)

346

49,3

2. Физическая теплота металла (t = 200 С)

98

14,0

2. Физическая теплота продуктов горения (t = 1050 С)

228

32,5

3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 С)

8

1,1

3. Химическая энергия недожога топлива (n = 0,85)

97

13,8

4. Физическая теплота топлива (t = 20 С)

2

0,3

4. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

9

1,3

5. Прочие потери теплоты

22

3,1

Итого

702

100,0

Итого

702

100,0

Таблица 9.14 – Ориентировочный тепловой баланс камеры восстановительного нагрева протяжной печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Химическая энергия топлива

424

52,1

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 850 С)

591

72,7

2. Физическая теплота металла (t = 600 С)

346

42,5

2. Физическая теплота продуктов горения (t = 800 С)

182

22,4

3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 280 С)

42

5,2

3. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

15

1,8

4. Физическая теплота топлива (t = 20 С)

2

0,2

4. Потери теплоты через ролики

6

0,7

5. Потери теплоты на нагрев восстановительной атмосферы

1

0,1

6. Прочие потери теплоты

19

2,3

Итого

814

100,0

Итого

814

100,0

Таблица 9.15 – Ориентировочный тепловой баланс камеры выдержки протяжной печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход

%

Расход

%

1. Физическая теплота металла (t = 850 С)

591

97,0

1. Физическая теплота нагретого металла (t = 850 С)

591

97,0

2. Джоулева теплота электрорадиационных труб

18

3,0

2. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

11

1,8

3. Потери теплоты через ролики

4

0,7

4. Потери теплоты на нагрев восстановительной атмосферы

1

0,2

5. Прочие потери теплоты

2

0,3

Итого

609

100,0

Итого

609

100,0

Для снижения расхода топлива в нагревательных камерах протяжных печей можно рекомендовать следующее:

  1.  увеличение поверхности теплообмена радиационных труб и переход на многооборотные (многоветьевые) трубы;
  2.  установку рекуператоров после дымососа для подогрева воздуха дымом;
  3.  повышение конвективной составляющей теплообмена за счёт создания интенсивного принудительного движения защитной атмосферы;
  4.  совмещение радиационного и контактного нагрева или замену радиационного нагрева контактным нагревом. При контактном нагреве используются подогреваемые ролики.


Оглавление

стр.

Модуль 1 2

Лекция 1 2

1  Основные положения. Огнеупорные и изоляционные материалы печей 2

1.1  Теплотехника печей металлургического производства 2

1.2  Классификация огнеупоров и теплоизоляционных материалов 4

1.2.1  Классификация огнеупорных изделий 4

1.2.2  Классификация теплоизоляционных материалов 6

1.3  Теплотехнические характеристики огнеупорных и теплоизоляционных материалов 6

1.3.1  Теплотехнические характеристики огнеупорных материалов 6

1.3.2  Теплотехнические характеристики теплоизоляционных материалов 10

1.3.3  Новые материалы, которые используются в металлургических печах 11

1.4  Кладка печи. Конструкции сводов, окон и вспомогательных узлов печи, их назначение 12

Лекция 2 16

2  Теплотехнические принципы расчетов горелочных устройств 16

2.1  Принципы сжигания топлива 16

2.2  Организация процесса сжигания топлива 16

2.3  Факельное сжигание 17

2.4  Длина факела 18

2.4.1  Факторы, влияющие на длину факела. Калибр горелки. Выбор типа горелочного устройства с точки зрения нагрева 20

Лекция 3 23

2.5  Устройства для сжигания газообразного и жидкого топлива. Классификация сжигающих устройств. Устройства для сжигания топлива: горелки, форсунки 23

2.5.1  Горелки типа "труба в трубе", конструкции ДМетИ, инжекционные и другие. Требования, которые предъявляются к горелкам и форсункам 23

2.5.2  Новое поколение горелок: регенеративные, рекуперативные и рекуперативно-горелочные блоки 26

Лекция 4 29

3  Утилизация теплоты дымовых газов 29

3.1  Тепловой баланс печей 29

3.1.1. Тепловой баланс печи непрерывного действия 29

3.2  Вторичные материальные и энергетические ресурсы 31

3.2.1  Классификация вторичных энергоресурсов 31

3.3  Направления снижения удельного расхода топлива в печах 33

3.3.1  Схемы использования теплоты уходящих газов в печах. Принципы утилизации теплоты 33

4  Система испарительного охлаждения печей 36

4.1  Потери теплоты в системах охлаждения 36

4.2  Водяное охлаждение 36

4.3  Испарительное охлаждение 38

Лекция 5 41

5  Рекуператоры металлургических печей 41

5.1  Схемы рекуператоров: прямоток, противоток, перекрестный ток 41

5.1.1  Теплообмен и температурные поля в рекуператорах 42

5.1.2  Схема расчета рекуператора 45

5.2  Промышленные рекуператоры. Типовые конструкции рекуператоров металлургических печей: керамический рекуператор, металлический петлевой рекуператор, блочный рекуператор и др. 45

Лекция 6 48

6  Регенераторы металлургических печей 48

6.1  Характеристики регенераторов. Схема работы регенеративной системы отопления печей. Достоинства и недостатки регенераторов 48

6.2  Конструкции регенераторов. Насадка регенераторов. Условия эксплуатации регенераторов 50

Модуль 2 51

Лекция 7 51

7  Основы тепловой работы печей 51

7.1  Развитие науки о печах: гидравлическая теория В.Е. Грум-Гржимайло, энергетическая теория Н.Н. Доброхотова-И.Д. Семикина 51

7.2  Теплотехническое содержание понятия "промышленная печь", процессы, происходящие в печах 54

7.3  Классификация печей: по принципу теплогенерации, по технологическому назначению, по конструктивным отличиям 54

7.3.1  Классификация печей по принципу теплогенерации 54

7.3.2  Классификация печей по технологическому назначению и по режиму работы 56

7.4  Понятия о тепловой мощности печи, виды мощностей: холостого хода, усвоенная, рабочая, общая. Связь между тепловыми мощностями, особенности записи для печей непрерывного и периодического действия 57

7.4.1  Виды тепловых потерь печи. Тепловой баланс 57

7.4.2  Тепловой дефицит процесса 59

Лекция 8 60

8  Показатели тепловой работы печей 60

8.1  Основные показатели работы печей: производительность, расход теплоты (условного топлива) на единицу продукции, КПД печи, их взаимосвязь 60

8.1.1  Производительность печи 60

8.1.2  Расход теплоты на единицу продукции 60

8.1.3  Усвоенная тепловая мощность и КПД печи 63

8.2  Составление тепловых балансов печей, особенности записи для печей непрерывного и периодичекого действия 63

8.3  Замена в печи одного топлива другим 63

Лекция 9 65

9  Конструкции и тепловые режимы печей 65

9.1  Технологические цепочки в металлургии 65

9.2  Назначение нагревательных и термических печей. Нагревательные печи металлургии 66

9.3  Нагревательные колодцы. Режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах. Приближенные материальный и тепловой балансы нагревательных колодцев 67

9.3.1  Устройство и работа регенеративных нагревательных колодцев. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива 69

9.3.2  Устройство и работа рекуперативных нагревательных колодцев с отоплением из центра подины. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива 72

9.3.3  Устройство и работа рекуперативных нагревательных колодцев с верхней горелкой. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива 74

Лекция 10 77

9.4  Нагревательные печи металлургии. Методические печи прокатного производства. Режимы нагрева заготовок в многозонных методических печах 77

9.4.1  Конструкции толкательных печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в толкательных печах 79

9.4.2  Конструкции печей с шагающим подом (ПШП). Мероприятия по снижению расхода топлива в ПШП 82

9.4.3  Конструкции печей с шагающими балками (ПШБ). Мероприятия по снижению расхода топлива в ПШБ 84

9.4.4  Конструкции кольцевых печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в кольцевых печах 86

9.4.5  Конструкции секционных печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в секционных печах 88

Лекция 11 91

9.5  Термические печи. Характерные режимы термообработки 91

9.6  Термические печи камерного типа 93

9.6.1  Камерная печь с выкатным подом. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива 94

9.6.2  Камерная печь с неподвижным подом. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива 96

9.6.3  Колпаковая печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива 99

Лекция 12 102

9.7  Термические печи проходного типа 102

9.7.1  Конвейерная печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива 102

9.7.2  Роликовая печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива 104

9.7.3  Протяжная печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива 107

PAGE  16


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

tв

tд

S

αкв

αлучдкд

оздух

О2, N2

дым

СО2, Н2О, N2

Δt

F

tв

t’’д

tст

t’’в

tд

Δt’’

Прямоток

F

tв

t’’д

tст

t’’в

tд

Δt’’

Δt

Прямоток

F

tв

t’’д

tст

t’’в

tд

Δt’’

Δt

Противоток

Δt

а)

tв

t’’д

tст

t’’в

tд

Δt’’

Противоток

F

б)

горячий воздух

дымовой канал

холодный воздух

F

tд

tв

t’’д.к

t’’д.н

t’’в.н

t’’в.к

tнас

Мф.в

Мобщ

Мпрп

горячий воздух

холодный воздух

Мух.атм

Мусв

Мух

1

2

3

4

5

6

7

Печи для подготовки сырья

Плавильные печи

Нагревательные печи


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71553. Формування полікапроамідної текстильної нитки 25.94 KB
  Мета: Ознайомитися з формуванням полікапроамідної текстильної нитки Методи: словесний, наочний План: Технічні показники прядильної машини «Текстима-2060» Опис технологічного процесу формування нитки на машині Текстима - 2060 Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби...
71554. История становления и развития социологии как науки 191.5 KB
  Концепция постиндустриального общества Д. Изменения в экономической политической и социальной сфере общества в XVIII-XIX веках. Конт первым решил использовать научный метод для изучения общества. Он полагал что с помощью науки можно познать скрытые законы управляющие всеми обществами.
71555. Методы педагогической психологии 93 KB
  Специфика применения основных методов психологического исследования в педагогической психологии. Классификация методов психолого педагогического исследования. Методом исследования любой науки является способ познания ее предметной области. Применительно к педагогической психологии метод...
71556. Образование государства Киевская Русь 52 KB
  В науке нет единого мнения о происхождении славян. Вопрос о древнейшей истории славян и поныне является дискуссионным. Главными источниками по истории славян являются сочинения древних авторов: Плиния, Тацита, Геродота, работы византийских авторов, сочинения арабских географов.
71557. Ликвидация последствий Смуты. Первые Романовы. Закрепощение крестьян 67.5 KB
  Последствия Смуты были тяжелыми для страны. Лежали заброшенными пашни, т.к. крестьяне бежали из разоренных сел и деревень. Пошатнулись вотчинные и монастырские хозяйства. Они меньше вывозили продуктов на рынок и меньше потребляли, что сокращало торговлю. Пришли в упадок помещичьи хозяйства.
71558. Возвышение Москвы. Куликовская битва 103 KB
  С конца XIII века началось постепенное возрождение разрушенных в ходе монгольского завоевания городов, распашка заброшенной земли. Предпосылками объединения служили: никогда не исчезавшее полностью национальное самосознание, единый язык, единая вера, общие традиционные правовые нормы.
71559. Россия на рубеже XVI-XVII вв. Смутное время 69 KB
  После смерти Ивана Грозного в 1584 году началось царствование его слабоумного сына Федора Ивановича (1584-1598)г. Федор был человек набожный и малоспособный к управлению государством. Иван IV создал при сыне регентский совет. Реальная власть сосредоточилась в руках царского...
71560. История профессии 56 KB
  В настоящее время работа биологов приобретает огромное практическое значение для медицины, сельского хозяйства, промышленности, разумного использования природных ресурсов и охраны природы. Ведется много интересных и новых исследований, особенно в таких областях, как биотехнология, генная инженерия.
71561. Методы обучения 47 KB
  Особое место в системе активных методов обучения занимают деловые игры слушателям предоставляется информация об организации. Запрещение точных установок должно ориентировать инструктора-методиста как на гибкость преподавания так и на учет конкретного состава...