Кривандин В.И. – М Металлургия

TiiiOTiiiiii МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОЕ/ЗЗВОДСТВА Том II КОНСТРУЮЩЯ и РАБОТА ПЕЧЕЙ Под научной редакцией проф., докт техн наук В. А. Кривандина Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Металлургия» и направлению подготовки дипломированных специалистов «Металлургия» МОСКВА •МИСИС» 2002 ФЕДЕРАЛЬНАЯ ПРОГРАММА КНИГОИЗДАНИЯ РОССИИ Рецензенты кафедра «Теплофизики и экологии» Москоиского юсударстиениого вечернего металлуршческого института, начальник технического отдела ОАО «Институт Стальпроект», канд техн наук В Л Гусоискии, 1лавиыи специалист-теплотехник технического от дела, канд течи наук А Е Лифшиц В.Л. Кривандин, В.В. Белоусов, Г.С. Сборщиков, В.А. Кружков В. В. Кобахидзе, И.А. Прибьггков, А. В. Егоров, Ю.П. Филимонов УДК 669 04 (075.8) Теплотехника металлургического производства. Т 2 Конструкции и работа печен Учебное пособие для иузов/Кривандин В А , Бело усов В В , Сборщиков Г С и др. - М • М И С И С » , 2001 - 736 с В книге освещены основные вопросы обшей теории тепловой рабо ты печей, а также технология и принципы расчета процессов плавления стали, нафева слитков и заготовок и сущки материалов Рассмогрены конструкции и работа плавильных, нагревательных и сушильных печей, применяемых в черной и цветной металлургии и машиностроении Опи саны элементы конструкции и вспомогательного оборудования печей устронства для генерации тепла (горелки, форсунки, электрические на греватели), для утилизации тепла уходящих газов, для получения скатого воздуха, пара и кислорода, газоочистные устройства Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Металлуртя» и направлению подютовки дипломированных специалистов «Мет1и1лургия» Ил 269 Табл 42 Библиогр список 39 назв ISBN 5-87623-069-3 ISBN 5-87623-095-2 (Т. 2) © Кривавдил В.Л., Белоусов В.В. Сборщиков Г.С. и др., 'МИСИС* 2001 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие . . . . . . . 11 Разбел / ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ Глава 1. Классификация печей 1 Классификация печей по принципу теплогенерации . 2 Классификация печей по технологическому назначению и конструктивным признакам Глава 2 Основные полозхения общ,еи теории печей М.А, Глинкова 1 Общие сведения 2 Процессы теплогенерации и режимы работы печей 3 Радиационные режимы работы печей-теплообменников. 4 Конвективный режим работы печей-теплообменников 5 Режимы работы печеи-теплогенераторов .. ,. Глава 3. Общая характеристика тепловой работы печей 1 Теплотехнические характеристики работы печей 2 Тепловой баланс и расход топлива.. 13 13 15 17 17 19 20 .. 28 . 31 32 32 35 Раздел II СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА В ПЛАМЕННЫХ ПЕЧАХ Глава 4. 1 2 3 Пламя и его значение в тепловой работе печей Требования к пламени . , Характеристики пламени Условия смешения топлива с воздухом . . . Глава 5. Выбор топлива и методов его слсигания 1 Выбор топлива. . 2 Выбор метода сжигания топлива Глава 6. Сжигание газообразного топлива 1 Горелки с предварительным смешением . 2.-Плэыенные двухпроводные горелки 3 Пламенные турбулентные горелки . 4 Горелки с регулируемой длиной пламени 41 41 44 .54 59 59 .62 . .. 64 . . 65 75 81 85 5 Плоскопламениые горелки 6 Рали.щнонные трубы . Глава 7. 1 2 3 4 5 Сжигание жидкого топлива Обшая характеристика мазутного факела Сравнительная характеристика форсунок Форсунки низкого даапения форсунки высокого давления . Комбинированное газо-мазутное отопление 87 91 . 95 95 98 100 103 107 Разбел /// МАТЕРИАЛЫ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПЕЧЕЙ Глава 8 1 2 3 4 5 6 7 Огнеупорные материалы Ill Обшие сведения . . 1 1 1 Классификация огнеупорных изделии 112 Принципи^тьная схема производства огнеупоров 116 Структура огнеупоров 117 Рабочие свойства огнеупоров 122 Физические свойства огнеупоров . 140 Краткие характеристики некоторых огнеупорных материалов . 146 8 Огнеупорные бетоны и набивные массы 159 9 Волокнистые огнеупоры 161 Глава 9 1 2 3 4 Теплоизоляционные материалы Обшие сведения Характеристика теплоизоляционных материалов Естественные теплоизоляционные материалы Искусственные теплоизоляционные материалы 165 1б5 165 166 167 Глава 10 Строительные материалы и металлы, применяемые для пеней 1 Строительные материалы 2 Металлы и сплавы, применяемые в печестроении 171 171 173 Глава 11 Строительные элементы печей 1 Фундаменты . 2 Каркасы 3 Ограждения печен 4 Конструирование частей офаждении печей 174 174 178 180 186 Глава 12 Сооружение печей 1 Последовательность работ 2 Техника безопасности 194 194 197 Глава 13. Служба огнеупоров и футеровки металлургических печей 1 Разрушение огнеупорных изделии . 2 Выбор огнеупоров для футеровки печей 3 Футеровка плавильных печей . 4 Футеровка нафевательных печей 199 199 207 ..211 .. 215 . . . . Глава 14. Механическое оборудование печей . .217 1 Печные шагающие конвейеры . . 217 2 Печные цепные конвейеры .. .. 226 3 Печные роликовые конвейеры (печнь е рольганги) ... 230 4 Вращающиеся поды печей . 236 5 Выкатные поды печей . . . . . . 240 Раздел IV УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА ОТХОДЯЩИХ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ Глава 15. Теплотехнические основы и сравнителыюя оценка различных методов утилизации тепла отходящих дымовых газов ..'. '. 1 Методы утилизации тепла . . 2 Характеристика теплообменных устройств. .. Глава 16. Регенеративные теплообменники 1 Общие сведения . 2 Конструкции регенераторов .. 3 Основы расчета регенераторов .. 243 243 . 245 . .. 246 . . . 246 .. 249 . . . 253 Глава 17. Рекуперативные теплообменники . ISA 1 Общая характеристика теплообмена в рекуператорах . 254 2 Температурное поле рекуператора . . 256 3 Конструкции рекуператоров . . . . 262 4 Расчет рекуператоров . . . . . . 274 Глава 18 Теплосиловые устройства 1 Котельные агрегаты ТЭЦ 2 Котлы-утилизаторы 3 Турбинные установки . . . . . . . . . . . . . 276 276 278 279 Раздел V ОХЛАЖДЕНИЕ ПЕЧЕЙ И ДЫМОВЫХ ГАЗОВ Глава 19. Испарительное охлаждение металлургических печей .. . 283 1 Система испарительного охлаждения доменных печей . . 284 2 Система испарительного охлажд^шя мартемопских печен 3 Система испарительного охлаждения иафепательиых печей . Глава 20 1 2 3 4 5 6 287 289 Охлаждение конвертерных газов Характеристика газон Способы отвода газон Способы и cxcNUii охлаждения газон Конвертерные паровые котлы-утилизаторы Водяное охлаждение конвертерных газов Исходные данные к расчету охлс1аителеи конвертерных газов 290 290 291 293 294 297 298 Раздел VI ОЧИСТКА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ Глава 21. Теоретические основы и общая газоочистных устройств 1 Сухая механическая очистка газов 2 Очистка газов фильтрацией 3 Мокрая очистка газон 4 Электрическая очистка газов характеристика Глава 22 Очистка газов доменного производства 1 Характеристика запыленности доменною газа 2 Методы очистки доменного газа 3 Очистка вредных выбросов в атмосферу 301 303 310 314 319 .... 325 325 326 329 i Глава 23. Очистка газов в сталеплавильном производстве. 1 Очистка отходящих газов мартеновских и двухнанных печей 2 Очистка KOhmepTcpHbix газов 3 Очистка газов электросталеплавильных печей Глава 24 Очистка газов печей цветной металлургии 1 Пылеулавливание в производстве свинца, цинка и олова 2 Пылеулавливание в производстве меди и никеля 331 331 334 340 343 344 349 Раздел VII ТОПЛИВНВШ ПЕЧИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ Глава 25 Шахтные печи 1 Особенности теплообмена в слое 352 352 Глава Глава Глава Глава 2 Доменные печи 357 3 Обжиговые печи . . . . . 362 26 Теплообмен в пламенных печах 364 1 Общая характеристика . 364 2 Особенности лучистого теплообмена в пламенных печах .. 367 3 Теплообмен при торцевом отоплении .. .... 372 4 Теплообмен при сводовом отоплении . 374 27. Нагревательные печи, работающие по радиационным режимам 376 1 Общая характеристика нагревательных печей 376 2 Печи для нагрева, слитков (нафевательные колодцы) 380 3 Печи для нафева блюмов и слябов . . . . 398 4 Печи трубопрокатных и колесопрокатных цехов 430 28 Нагревательные печи, работающие по конвективному ре}.симу 436 1 Общие сведения ... 436 2 Конструкции печей . . . . . 439 29. Термические печи 444 1 Общая характеристика . . . . 444 2 Печи для термической обработки сортового проката 449 3 Печи для термической обработки горячекатаных листов . . . . . . 453 4 Печи для термической обваботки холоднокатаных листов и ленты ... 457 Раздел VIII ТОПЛИВНЫЕ ПЕЧИ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ Глава 30. Шахтные печи 1 Особенности тепловой работы . 2 Конструкция и основные показатели работы Глава 31. Плавильные пламенные печи 1 Общие сведения . .. 2 Офажательные печи для плавки медных ко1щентратов на штейн . ... 3 Печи для рафинирования меди Глава 32 Трубчатые вращающиеся и нагревательные печи 1 Основные характеристики и конструкция вращающихся печей . . . . . 471 . . 471 474 478 478 480 498 506 . . . . 506 7 2 Тепловой ii температурный режимы работы вращающихся печей , , 3 Нагревательные печи 509 511 Раздел IX ТОПЛИВНЫЕ ПЕЧИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Глава 33 Вагранки и нагревательные печи кузнечных цехов 1 Вафаики 2 Нагревательные печи кузнечных цехов Глава 34 Термические печи . . 1 Печи для термической обработки тяжелых и крупногабаритных изделии . 2 Печи для термической обработки автотракторных деталей 3 Термические печп специального назначения Глава 35 Сушила . 1 Установки для сушки сыпучих материалов 2 Установки для сушки изделий 513 513 516 523 524 531 532 535 535 539 Раздел X ПЕЧИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ С ТЕПЛОГЕНЕРАЦИЕЙ.ЗА СЧЕТ ВЫГОРАНИЯ ПРИМЕСЕЙ МЕТАЛЛА Глава 36 Теплотехника сталеплавильных процессов 1 Общая характеристика 2 Тепловой баланс рабочего пространства сталеплавильного афегата 3 Продувка сталеплавильной ванны кислородом 4 Газокислородная продувка 5 Предварительный подогрев скрапа и его значение Глава 37. Кислородные конвертеры 1 Общая характеристика 2 Кислородные конвертеры с верхней продувкой 3 Кислородные конвертеры Кап-До 4 Кислородные конвертеры с донной продувкой Глава 38 Мартеновские и двухванные печи 1 Общие сведения 2 Устройство мартеновских печей 547 547 550 554 564 566 , 570 570 572 579 581 584 584 586 3 Работа мартеновских печей . . . 4 Двухванные печи .. . . . . . . . 592 602 Глава 39. Печи для обжига сульфидных концентратов в кипящем слое. . .. 1 Общая характеристика и принцип работы .. 2 Аэродинамический режим работы печей . 3 Тепловой и температурный режимы процесса . 4 Конструкция печей . . . . . 609 609 611 616 618 Глава 40. Конвертеры заводов цветной металлургии 1 Общие характеристики и принцип работь 2 Тепловой и температурный режимы работы 3 Конструкция конвертеров . . 622 622 625 628 . . Раздел XI ПЕЧИ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУР.ГИИ С ПОЛНЫМ ИЛИ ЧАСТИЧНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ . Глава 41. Печи для автогенной плавки медных концентратов на штейн и черновую медь 631 1 Печи для плавки медных концентратов на штейн . 631 2 Печи для плавки на черновую медь . . . . 644 Раздел XII ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ Глава 42. Общая характеристика электрических печей 1 Общие сведения . . . . . . . 2 Основные понятия и закономерности 3 Общая характеристика электрических печей, применяемых в черной и цветной металлургии 4 Общая характеристика электрических печей, применяемых в машиностроении Глава 43. Дуговые и плазменно-дуговые печи 1 Дуговые сталеплавильные печи 2 Дуговые вакуумные печи 3 Рудовосстановительные печи 4 Плазменные печи . Глава 44 Индукционные печи 1 Канальные печи . 2 Тигельные печи. 646 646 649 653 655 657 657 665 . . 669 ... 673 . . . . . ... . 682 682 685 3 Вакуумные печи 4 Установки для плавки во взвешенном состоянии 5 Нагревательные установки Глава 45 1 2 3 4 Печи сопротивления Печи прямого действия . Печи косвенного действия Вакуумные печи сопротивления Плавильные печи сопротивления Глава 46 1 2 3 .. . . Специальные печи Установки диэлектрического нагрева Установки электронного печи Установки нафева излучением оптического квантового генератора 4 Оптические печи 5 Установки для зонной плавки Рекомендательный библиографический список 688 690 692 695 695 697 706 710 713 713 715 724 725 728 732 ПРЕДИСЛОВИЕ Бурный технологический прогресс последних десяти летий не оставил в стороне и развитие конструкций теп ловых агрегатов, являющихся важнейшим оборудовани ем современных металлургических и машиностроитель ных предприятии, заводов по производству строительных материалов Производство чугуна, стали, проката невоз можно без использования современных металлургических печей, как немыслимы без печей цветная металлургия, литейные, кузнечные и термические цехи машинострои тельные заводов, заводы по производству огнеупорных и строительных материалов Все большее значение приоб ретают вопросы теплоэнергетики (использование вторич ных энергоресурсов и др) и охраны окружающей среды. Совершенно очевидно, что' современный MCTajuiyprтехнолог должен иметь фундаментальную подготовку по металлургической теплотехнике — науке, составляющей основу металлургического производства Авторы данного учебного пособия стремились препод нести студентам самый современный материал по печам черной и цветной металлургии, машиностроения, по эле ментам печей, огнеупорным и строительным материалам, по теплоэнергетическим и газоочистным установкам чер ной и цветной металлургии Должное освещение полу чили как топливные, так и электрические печи Большой вклад в развитие теплотехники металлур! ичесK0IO производства внесли российские ученые Известный русский металлург-теплотехник В Е Грум-Гржимаило в 1905-1906 гг впервые сформулировал основные положе ния I идравлической теории печей И, хотя в настоящее время многие положения этой теории утратили свое зна чение, появление ее было профессивным яшгением Мно гие годы над созданием общей теории печей работал М А Глинков, который в 1959 г сформулировал основ ные полоАения этой теории, разработанные на основе глубокого ан^шиза энер1етических процессов, протекающих в печах и других теплотехнических агрегатах Большой вклад в разработку теоретических и практи ческих вопросов теплотехники металлургического произ- нодстпа ннесли такие lUBeciHbie ученые, как Н Н Доб рохотов, Л Д Свенчанскпи, Г. П Иванцон, Д В Будррп!, Б И Китаев, Н Ю Танц, И. Г Казанцев, В Н Тимофе ев, И В Окороков, Э М Гольдфарб, Ф Р Шкляр и др Професс в области теплотехники метш1лур1 ического производства невозможен без соответствующего понима ния основоиологаюшнч теплофизических процессов В связи с этим нельзя не отметить труды Ю Л Сурикова, Л Г. Поляка, А С Невского, А В Дыкова, М Л Михеева и др Большую роль сыгр.ши работы М В Кирпичева, А Л Гучмана, Л С Эигенсоиа, Г П Иванцова в области применения теории подобия к исследованию тепловых устройств Теоретические разработки перечисленных ученых, их учеников и последователей позволили в настоящее вре мя широко использовать математическое моделирование и с помощью ЭВМ решать сложне1Ш1ие задачи, обеспе чивающие дальнейший прогресс в области теории и практики теплотехники метдллур1ичсско10 производства Приведенный в книге материал соответствует совре менному уровню развития теплотехники мет.шлургичесK010 производства и основан на достижениях как отече ственной, так и зарубежной науки и практики Пособие подготовлено коллективом авторов кафедры теплофизики и эколо1ии мегсшлуршческого производства в сосгаве проф, докт техп наук В А Кривандина (гл I — 7, 15-17, 25-29, 36-38), проф, каш техн наук Г. С Сборшиков<1 (1Л 8-13), проф каид тех}1 наук В В Белоусова (гл 18-24), доц, канд техн назк|В А Кружкова|(гл 14), проф, ка1Щ течи наук|В В Кобахидзе|(гл 30-32,39-41), проф, канд техн наук И Л Прибьпкова (гл 33,34), проф , докт техн наук Ю П. Филимонова (гл 35), проф , докт техн наук А В Егорова (гл 42-46) Авторы будут благодарны за все замечания, которые просят направлягь по адресу 117936, Москва, Ленинс кий проспект, л 4, Московский юсударственныи инсти тут cT<um и сплавов (технологический университет), ка федра теплофизики и зкологии метсиппршческого про изводства Коллектив авторов выражает искреннюю признатель ное гь и глубокую благодарность Ом'гу Вшдимировту Киciaeey м\ оказанную помощь в издании данною пособия Раздел I ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ Глава I КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕЧЕЙ 1. Классификация печей по принципу теплогенерацин Тепловыделение в печах представляет собой процесс превра щения какого-либо вида энергии в тепловую энергию. Источни ками получения тепла являются а) химическая энергия топлива (топливные печи); б) химическая энергия жидкого металла или щихты, в) электрическая энергия Превращение химической энергии топлива в тепловую энер гию происходит в результате сгорания топлива в так называемых топливных печах. В металлургии к таким печам относятся пла менные печи и печи, работающие по слоевому режиму Рабочее пространство пламенных печей только в очень малой степени заполнено обрабатываемым материалом, который обычно распо лагается на поду Основная часть рабочего пространства запол нена пламенем и раскаленными дымовыми газами, передающи ми тепло материалу. Подобные печи работают на газообразном и жидком топливах Сжигание топлива в печах, работающих по слоевому режиму, обычно применяют при обработке кускового материала. Чаще всего оно осуществляется в вертикальных (шахтных) печах, 1де материал либо распределяется по всему объему и раскаленные газы проходят между его кусками, либо частицы его распределе ны в газообразном теплоносителе. Для слоевого режима работы печей характерно тесное переплетение всех трех видов теплопе редачи (тепловое излучение, конвекция, теплопроводность). Раз делить их часто не представляется возможным. Известны три разновидности слоевого режим^. с плотным, кипящим и со взвещенным слоем обрабатываемого материала. 13 в печах с плотным (фильтрующим) слоем шихта, в состав которой может входить и твердое кусковое топливо, располо жена плотным слоем по всему объему печи и медленно про двигается вниз Горячие 1лзы — продукты сгорания топлива — проходят через слои между отдельными его кусками Это наи более распространенный режим работы слоевых печей Он ха рактерен для шахтных печей, широко распространенных в метшглургии В печах с кипящим слоем слой под динамическим действи ем 1азов находится в разуплотненном состоянии и энергично перемешивается В таких печах может выгорать как размельчен ное топливо, так и горючие компоненты, содержащиеся в об рабатываемой шихте. Иногда вместе с воздухом полают газооб разное топливо. Широкое использование печи с кипяшим сло ем получили в цветной металлургии для обжига сульфидных концентратов различных металлов, для сушки и кальцинации глинозема В пёчах со взвешенным слоем обрабатывают материалы, дове денные до пылевидного состояния При этом мелкие частш1ы материала отделены друг от дру1а газовой прослойкой и, будучи «взвешены», движутся вместе с ним. Применяют размолотое твер дое и газообразное топливо В печах цветной металлургии широ ко используется тепло сгорания серы при плавке сульфидов цвет ных металлов Как в черной, так и в цветной металлургии широко распрос транены печные афегаты, в которых источником получения теп ловой энергии является процесс выгорания элементов, содержа щихся в обрабатываемом металле или в проплавляемой шихте В черной металлургии таким основным элементом является yuieрод, который выжигается из чугуна при производстве стали в конвертерах. В цветной металлургии широко распространены процессы получения металлов из сульфидного сырья, в котором основным горючим элементом является сера Выжигание серы является основным процессом теплогенерации в автогенных про цессах, протекающих в жидкой ванне Во всех этих агрегатах процесс теплогенерации происходит непосредственно в материале или в объеме, заполненьюм размель ченной шихтой, и поэтому органически сочетается с принятой технологией, причем выделяющееся тепло равномерно распреде ляется по всей массе обрабатываемого материала 14 Существуют и такие печи, в которых тепловыделение обуслов лено и химической энергией топлива, и химической энергией жидкого мет^тла К таким печам, занимающим промежуточное положение между топливными печамн и конвертерами, относят мартеновские печи. В этих печах топливо сгорает над ванной металла, пламя и раскаленные газы также находятся над ванной металла, т. е. идут процессы, присущие пламенным печам. Вме сте с тем в металлической ванне происходит выгорание приме сей, сопровождаемое выделением тепла, причем очень существен ным, вплоть до тою, что в некоторые периоды плавки теплогенерация за счет химической энергии жидкого металла может иметь рещающее значение. Основой превращения электрической энергии в тепловую слу жит теплогенерация: 1) при прохождении электрического тока через газ; 2) при воздействии электрического тока на магнитное поле и создании вихревых токов в металле; 3) при перемагничивании и поляризации диэлектриков; 4) при прохождении электрического тока через твердое (а иногда и жидкое) тело, обладающее электропроводностью, 5) за счет кинетической энергии электронов. Перечисленные принципы теплогенерации лежат в основе конструкций следующих групп печей и установок дуговых и плазменных печей, индукционных печей, установок диэлектри ческого нафева, печей сопротивления, электроннолучевых печей. Вид процесса теплогенерации, осуществляемого в печном аг регате, в решающей степени определяет как конструкцию печи, так и характер тепломассообмениых процессов, протекающих в ее рабочем пространстве. 2. Классификация печей по технологическому назначению и конструктивным признакам По технологическому назначению металлургические печи де лят на плавильные и нагревательные Плавильные печи предназначены для получения металлов из руд и переплавки металла с целью придания ему необходи мых свойств В этих печах материалы изменяют свое агрегатное состояние. 15 Нагревательные печи применяют апя нагрева материалов с целью обжига (известняка, матезита, огнеупорных матери.июв и др.) и сушки (литейных форм, руды, песка и др.), а гакже для придания металлу пластических свойств перед обработкой давле нием, для термической обработки, чтобы изменить структуру металла В нафевательных печах металлы и материалы не изме няют своего агрегатного состояния Внутри каждой из этих групп печи подразделяют в соответ ствии с теми технологическими операциями, которые в них про водят Так, плавильные печи могут быть чугуноплавильные, ста леплавильные, медеплавильные и др Нафеиательные печи могут служить для обжига огнеупорных материалов, нафева металла перед прокаткой и ковкой, термообработки металша Эти группы печей подразделяют еще и по конструктивным признакам, мето дам транспортирования металла в печах, характеру продукта, подвергаемого нафеву. Например, печи для нафева перед про каткой разделяют на следующие фуппы: а) нафевательные ко лодцы, методические ne4Hj камерные нагревательные печи и др ; б) садочные, толкательные, с вращающимся подом; в) для на грева слитков, блюмов, труб, сутунки и др Топливные печи подразделяют по виду применяемого топли ва. Так, сталеплавильные мартеновские печи могут быть газовые и мазутные В соответствии с методами утилизации тепла отходящих ды мовых газов печи подразделяют на ре1енеративные и рекупера тивные Электрические печи классифицируют по способу превращения электрической энергии в тепловую дуговые электрические, со противления и индукционные Современные печи представляют собой сложные тепловые агрегаты, состоящие из собственно печи и вспомогательного оборудования Собственно печь включает в себя рабочее про странство и устройства для получения тепловой энергии го релки, форсунки в топливных печах и электроды, резисторы в электрических печах В рабочем пространстве печи осуществ ляются le технологические операции, для которых предназна чена печь В состав вспомогательного оборудования входят ус тройства для утилизации тепла отходящих дымовых газов, вен тиляторы и дымососы, дымовые трубы, различные клапаны, задвижки и др 16 Глава 2 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ПЕЧЕЙ М. А. ГЛИНКОВА 1. Общие сведения В настоящее время в промышленности очень широко исполь зуется печное оборудование. В таких важных отраслях, как чер ная и цветная металлургия, машиностроение, производство стро ительных материалов, легкая и даже пищевая промышленности, эксплуатируется большое число различных печей и нагреватель ных установок. Развитие и совершенствование печного оборудо вания происходило по мере возникновения и развития всех важ ных отраслей промышленности. Металлургическая (печная) теплотехника уже давно оформи лась во вполне самостоятельное направление'технической физи ки, использующее, дополняющее и развивающее положения та ких фундаментальных разделов науки, как термодинамика, гидро- н аэродинамика, теория горения, тепло- и массоперенос Необходимость непрерывного совершенствования конструкций печей и процессов, в них происходящих, потребовала формули рования общих научных принципов, лежащих в основе печных процессов В создании теории промышленных печей большой вклад вне сли русские ученые В. Е. Грум-Гржимайло, Н. Е. Скаредов, Н Н.Доброхотов, М.А Глинков Как и любая другая, теория пе чей развивалась в борьбе мнений, в основе которой лежал поиск процесса, являющегося основополагающим и определяющего прежде всего качественную сторону работы печей. Развитие тех ники существенным образом влияло на теорию печей, некоторые принципы, положенные в ее основу, устаревали и теряли свое зна чение, другие же, наоборот, возникали и развивались. Так, поте ряли свое значение профессивные в свое время положения гид равлической теории печей В. Е Грум-Гржимайло, не оправдало себя и представление о печах, как о тепловых машинах, работа которых зависит главным образом от их тепловой мощности. В 1955-1975 ir. большую и очень плодотворную работу по раз работке положении общей теории печей вел профессор М. А. Глин ков Принципиальным стержнем общей теории печей М. А Глинкова является требование обеспечения наиболее благоприятных 17 условии дли интенсификации теплоотдачи к обрабатываемому и иечач MaiepHiUiy Основываясь на общих при1И1ииах теории пе чен М Л Глинкова, можно сказать, что созданию условии юш максимсшьно возможною развития процесса теплообмена в печм должно бы1ь подчинено все. методы тепло!операции, характер движе1И1Я 1азов, выбор футеровки печи, ее конструктивные осо бенности п лр Лн.ишз суи1ествующих конструкции печей и их работы под этим углом зрения подтверждает правильность положении оби1,еи теории печен, разработашюи М Л Глинковым, поскольку все качесшенные показатели работы печей (коэффициеппл исполь зовании тепла и топлива, производигельиость печей и др) улучiiiaioicH при повышении интенсивности теплоо1дачи к naipeBaeмому матерпш1у Об1дая теория печей имеет свою методологию. Она исходит из того, что исключительное мноюобразие иечеи по TJHiaM, размерам и назначению может быть с точки зрешт энерютическои сущности их работы заменено весьма 01"раниченным число.м физических моделей, с помощью которых можно усинювить основные принципы конструировании печей Согласно обшей теории иечеи, любую печь можно предсгавить cocTOHHien из двух зон зоны технологическою процесса и зошм генерации тепла Причем, учитывая назначение печей, зона тех нологическою процесса является основной, а зона теплогенерации — вспомо1ателы1ои, предназначенной для создания определетнлх л!ергетических условии в зоне технолошческого процес са Возможны две приншишалп^но различных схемы работы печей 1) усвоение теила обрабатываемым материшюм в зоне технолошческою процесса зависит от теплопередачи из зоны тепло1еHcpaiuni, 2) тепло как !юзникает, так и усваивается непосредсгве1П1о в зоне 1ехноло1Ическо!0 процесса. Печи, работающие по первой схеме, получили назшииш печси-теплообменников, но второй — печеи-теплогеиераторов ВозМ0ЖН111 и cMeiuaiinbie cxeMiii работы печен, когда одно'}феменно тепло! енерации имеет место и в зоне iCFiepamni гепла, и в зоне гехнолотческою процесса Как псча.м-теплообменникам, так и печам-юилогенераюрам С1юис1венн151 свои режимы тепловой работы. Согласно общей теории иечеи М А Гл!П1кова, в печах-теплообмеиниках мог>т осу1цест1!ляться радиационный и конвективный режимы теш101юн 18 работы печей, а в пе ых-теплогенераторах = массообменныи и электри lecKHH pJжимы. Режимы тепловой работы печей опреде ляются характером процессов тепломассопереноса и тесно связа ны с процессами теплогенерации 2. Процессы теплогенерации и режимы работы печей Как уже отмечалось, в современных печах возможны три ис точника тепловой энергии: топливо, выгорающие примеси метал ла или шихты, электрическая энергия Наибольшее распространение получили топливные печи. В ме таллургических печах применяют топливо всех трех видов твер дое, жидкое и газообраное. Однако условия использования топ лива этих видов совершенно различны Топливные печи могут работать как по схеме печеи-теплогенераторов, так и по схеме печеи-теплообменников Так, в слоевых печах, работающих Hci твердом топливе, зоны теплогенерации и технологического про цесса совмещены и эти печи работают как печи-теплогенерато ры, в которых осуществляется массообменныи режим их тепло вой работы. При использовании газообразного и жидкого топлива зона генерации тепла обычно отделена от зоны технологического про цесса определенной поверхностью, через которую передается icnло, усваиваемое в зоне технологического процесса Здесь четко вырисовываются две задачи* внешняя — передача тепла к поверх ности раздела зон (ее обычно называют поверхностью нагрева) и внутренняя — передача тепла внутрь зоны технолошчсского про цесса. Подобным образом работают широко распространенные пламенные печи, в которых осуществляется факельный метод сжигания топлива и внешняя задача определяется теплоо!дачей от факела и футеровки печи к поверхности нагреваемого или проплашгяемого материала. Такие печи являются наиболее ишроко распространенными печами-теплообменниками. Передача тепла в них из зоны теплогенерации в зону технологического процесса может осуществляться как излучением, так и конвек цией, что и обеспечивает работу таких печей по конвективному, а ино1да и по смешанному режимам. В черной металлурши находят все большее применение печитеплогенераторы. в которых тепловая энергия выделяется в зоне технологического процесса в результате окисления примесей, 19 содержанщхся и расплаштенио.м метсшле К числу таких aiperaioB относятся кислородные конвертеры с верхним и нижним кисло родным дутьем Тепло, пыделяютееся при окислении примесей и зоне технолошческою процесса - расплавленной мет»и1лическои «afHie, частично усваивается в этом же объеме Возможны и смешанные случаи, когда часть необходимого тепла выделяется в joiie генерации, отделенной от зоны технолошческою процес са, .1 лруыя масть выделяется в объеме, совмещающем зоны leнерации тепла и технологического процесса — в объеме метсшлическои расплаш1еннои ванны Таким образом работаю! мартенов ские печи, в которых применяю! !1родувку ванны кислородом В нвегнои метсшлурпш все более широко ис!1ользу101 печитепло1енера1ор1)1, в которых осуществляется 1еплогенераш1Я зл сче! выгорания серы, содержащейся в размельченных шихтовых материлпах, вдуваемых в рабочее пространство печи Протекаю щие при этом процессы называют автогенными В цветной мет«и1лур1ии возможны 1акже смешанные типы печей — гешюобменников и теплогенераторов, в которых наряду с горением серы в массе шихтовых матери.июв производится дополнительное сжи1аиие 10!1Л1ша Во всех этих печах-тепло1енера1орах осуществля ется массообменныи режим тепловой работы При использовании электрической энер!ии в !1елом ряде слу чаев тепловыделение осуществляется непосредствен1!0 в зоне тех нологического процесса (индук!ШОННые иечи, печи контактного 1ипа и др ) В таких !!еча\, согласно классификашш режимов, предложенной М Л Глинковым, осуществляется электр!1ческ1Н1 режим тепловой работы !!ечеи-те!1логенераторов 3. Радиационные режимы работы печеи-теплообменииков В каждой печи, работающей по радиац!!онному режиму, в соСТОЯ1НП1 лучистою теплообмена между co6oi! 1!ахолятся обычно три компонента источник излучения тепло1юи энерши, футеров ка (кладка) печи и на1реваемыи матери;и! Так, в пламенн1з1х i!eчах !5 состоя1!1И1 теплообмена находятся пламя (раск>и1енные !-a3i.i), кладка печи и на!реваемь!н материал Возмож1!о достаточно боль шое мноюобразие вариантов характера laKoro теплообмена, по скольку и пламя, и ю!€щка, i! нагре1)аем1>!и материал могут иметь различные температурь!, размеры и радиац1!онные характеристи ки Общая теория печей позволяет выбрать наиболее оптимш!ь20 ный режим для нагрева (расплавления) той или иной садки печи. Возможны следующие, наиболее распространенные случаи. Нагреву подвергаются изделия, заполняющие в том или ином порядке все рабочее пространство или большую его часть (на гревательные колодцы, печи для обжига кирпича и др.). Особен ностью такого нафева является то, что излучение от кладки не может 1юпасть на все изделия (или на все фани нафсвающихся изделий) и основное количество тепла к изделиям передается от пламени и раскаленных газов, заполняющих объем печи. Оче видно, что чем больше температура (в допустимых, конечно, пределах) и степень черноты этих газов, тем интенсивнее будет нафев Большинство нафеваемых изделий имеет сплошной (но обычно не серый) спектр поглощения, поэтому целесообразно, чтобы и пламя имело также сплошной спектр излучения, осо бенно в видимой и ближней инфракрасной областях, где имеет место излучение, свойственное температурному уровню работы металлургаческих печей Из этого следует, что в таких случаях целесообразно иметь так назывпемое светящееся пламя, имею щее сплошной (но не серый) спектр излучения. Подобное пламя можно создать при использовании таких видов топлива, напри мер мазут, природный газ, которые содержат углеводороды, спо собные разлагаться с выделением сажистого углерода. Вторым типичным случаем является такой, когда нагреваемые изделия располагаются на поду печи и сжигается топливо, дающее так называемый несветяшийся факел, т. е. факел, в котором имеет место лишь селективное излучение раскаленных газов (СО2 и Н2О). Излучение этих газов, как известно (см. т. 1 данного учебника), происходит только в определенных спектральных интервалах, вне которых эти газы не излучают и не по1ЛОщают энергию. Если го ворить о видимой и ближней инфракрасной областях спектра (при близительно до 3,5-4 мкм), то лишь около одной трети этого спектр^шьного интервала перекрывается полосами излучения и по глощения СО2 и Н2О Вместе с тем нафеваемые изделия имеют сплошной спектр поглощения, из чего следует, что в пределах двух третей указанного спектрального диапазона металл от раскален ных газов тепла гюлучать не будет. Этот недостаток должен быть восполнен сплошным излучением кладки, которая получает тепло от газов, раскаляется и обеспечивает излучение на нагреваемый металл Таким образом происходит трансформация селективного излучения pacKtUieHHbix газов в сплошное излучение кладки. 21 в тех спектр.ин.ных иитервсимх, 1де излучешт киов нет, меi.uui будет получать тепло то;пжо от кладки в виде ее э{1)фектив}1ого излучении Кладка не имеет степени черноты, равной еди нице, и бз'дет отражать п.шагощие на нее лучистые потоки от расKiUieH!u>ix uuoH и MeTiUwa Однако отраженное излучение lajoB будет иметь место лишь при тех juninax волн, при коюрых име ет место излучение ызов Падающий лучистым поток от металла будет отражаться кладкой в соответствии со спектр^шьным соCTiiBOM падаютею поюка и характером изменения im спектру веЛИЧ1ПП.1 поиющательнои способности кладки Учитывая, что сте пень черноты кладки имеет обычно достаточно больиюе значе ние, можно утверждать, что величина эффективною излучения кладки будет определяться в основном ее собственным излуче нием, которое будет тем больше, тем выше (емперат^ра и стеHCIHJ чер1югы юьщки Иногда возможен т-акои случаи, ко1да, обеспечиВсШ MaKCHMtUibное излучение тепла на расплавляемый материал, необходимо вместе с тем предохранить кладку (свод) печи or чрезмерною nepeipeua Подобное положение является тиги1чным для мартенов ских печей, 1де необходимо поддерживать предельно возможную высокую температуру в рабочем^ пространстве В таких условиях высокотемпературны!!, интенсивно излучающий факел целесооб разно приближать к поверхности меыллическон ванны, пресле;» две цели повысить макспмш1ьно возможную теплоотдачу к меьшлу н не пережечь при этом 01иеунорную футеровку печи Разумейся, описанные случаи не исчерпывают всего мноюобразия практических сл>чаев теплообмена в металлургических печах, однако они иллюстрируют то положение, что различные техноло1ические операции нафева (расплавлеция) мет.шла требу ют соответствуюнщх режимов теплообмена Выбор опшмсшьного режима 1енлообмена, в том числе радиационного, для различных технологических операции требует четких предстанлешш о воз можностях тою HJHi иного режима, которые обстоятельно проансинпированы в общей теории печей М А Глинкова Следуя работам М Л Глннко15а, \южно написать два уравне ния ivni результирующих потоков пл мет.шл и кладку печи (при >словни, 410 гюверхности кладки и метшща представляют собой две нар<шлельные бесконечные плоскости) <7м = Q,;' + QA^-^-n) - а,; 22 (2 1) ?, = a^ + е м ( 1 - в „ ) - Q^. (22) Если вычесть уравнение (2 2) из уравнения (2 1), то можно получить 9м = (QK - Qu) (2 - £п) + (Qn" - бп'^) + Яи- (2-3) В этих уравнениях: Q^^^ и Q^. — эффективные тепловые поток от металла и кладки; Q^ » Qn ~ падающие потоки от пламени на металл и кладку, £„ — степень черноты пламени (принятая постоянной и не зависящей от температуры). Из уравнения (2.3) следует, что величина возможного резуль тирующего потока на металл зависит от следующих факторов 1) разности эффективных потоков кладки и металла, 2) разности излучения пламени в направлении поверхности металла и кладки, 3) величины степени черноты пламени, определяющей значе ние коэффициента (2 - Е„) И серьезно влияющей на Q,^ и Q^, 4) результирующего потока на кладку (тепловые погери кладки). Из уравнения (2.3) видно, что могут существовать три случая радиационных режимов работы печей, характеризуемые различ ным соотношением падающих лучистых потоков от пламени на металл и кладку. 1) Q^ = Grf, 2) Q^ > Qt, 3) Q,f < Q„". M A Глинков предложил и ввел в теорию печей и практику следующие названия этих режимов (соответстветю) 1) равномер но-распределенный; 2) направленный косвенный; 3) направлен ный прямой. Физическая сущность этих режимов теплообмена соответствует характеру трех практических случаев, рассмотрен ных ниже. Равномерно -распределенный режим Одинаковое по величине излучение пламени на MCTIUIJI и клад ку может иметь место при равномерном (рис 2 1, о, кривая /) или симметричном (рис 2. 1,Й, кривая 2) распределении темпе ратуры по высоте печи при условии приблизительно аналотчного изменения степени черноты пламени Как уже отмечалось, для создания такого режима необходимо применять такое топли во, которое при использовании соответствуюнщх методов сжига23 // // // / 1»- I a 0 в Рис. 2.1, Изменение тишературы но иысоте печи при трех разиоиидностях радиационного режима тстообмена а — р<1иномерно-распрел1ленным, 6 — косшниым iiatipianenHbiM, в — прямом напраиленным ПИЯ может обеспечить знаипельную величину степени черн01Ы пламени (или как иногда юворят бо;и1шую светимость) Обычно это мазут и природный газ Как видно из уравнении (2.1), (2 2) и (2 3), степень черно1Ы пламени (ызов) при р^шиаиионных режимах играет важную роль, поскольку определяет как излучающую, так и иоглощагельную способность пламени Из уравне1П1я (2 1) видно, что возможны два предельных случая, когда е^ = I и Е„ = О При Е„ = 1 пламя будет интенсивно излуча1Ь, но в то же время и полностью по глощать лучисгыи тешювои поюк, идуииш от кладки па металл Следовательно, такое пламя полностью экранирует кладку от мегалла При ь^ = О будет иметь место обратная картина эф фективное излучение кладки будет полностью доходить до ме талла, а излучение пламени будет отсутствовать Такое гюложение характерно для напрлшюпиого косвенного режима, осуще ствляемою в электронагревательных печах сопротивлении, 3aiiojnieHHbix лучеирозрачиои средой Практические случаи зани мают какое-то промежуточное положение, однако равномернораспределенному режиму свойственна значительная величина сгененн черноты, при которой неносредсгвенное излучение пламе ни существенно превалирует над экранированным пламенем излучением кладки Как известно (см т I данного пособия), степень черноты расКсшепных газов зависп! от трех величин 1е,\П1ерат>ры гаюв, ироцентною содержания СО2 и Н2О и 1ол1Ц1П1Ы газового слоя Тол щина ызового слоя, заключешюго чаше всего между сводом печи и поверхнос1ью напева, представляет собой не чю иное, как высоту печи С ючки зрения излучения ызов высоту печи следуе! делать как можно больше, однако при этом буду! чрез24 мерно увеличиваться тепловые потери через Ю1адку и резко воз растет стоимость печи. Поэтому супхествуют определенные оптиMiuibHbic соотношения между поверхностью кладки печи F ^ и поверхностью нагрева металла F^^^, которые объединены в соот ношении W = iv.i/-^M> называемом степенью развития кладки. В печах с равномерно-распределенным режимом степень развития кладки обычно определяется из конструктивных соображений, поскольку кладка не играет решающей роли в формировании теплового потока на металл. Таким образом, для обеспечения равномерно-распределенного режима теплообмена необходимо выбирать такой метод сжига ния мазута или природного газа, который обеспечивает высокие и равномерные температуру и степень черноты пламени в рабо чем пространстве Подобное распределение температуры может быть достигнуто при рассредоточенном подводе топлива и весь ма развитой циркуляции газов в рабочем объеме печи Равномерно-распределенный режим целесообразно применять тогда, когда скорость и равномерность нагрева изделий зависят в основном от излучения пламени (газов). Такое положение, например, имеет место в нагревательных колодцах, где рабочее пространство заполнено стоящими слитками, все грани которых должны получать приблизительно одинаковое количество тепла Если это условие не будет соблюдаться, то скорость и равномер ность нагрева слитков будут на неудовлетворительном уровне Иными словами, суммарный коэффициент теплоотдачи к поверх ности нафева в высокотемпературной печи будет практически равен сумме коэффициентов теплоотдачи излучением от пламе ни а'],у4 и от кладки ai^y,,, т. е а^ = а'^у,, + a^^y,^ Для бысфою и равномерного нафева необходимо, чтобы для всех элементов поверх1ЮСти садки величина а^ была приблизи тельно одинаковой. Если величина а'^у^, мала или вообще равна нулю (кладка «не видит» какие-то грани нафеваемых слитков), то ttj; будет определяться величиной а"уц, которая в свою оче редь зависит от температуры и степени черноты пламени. Здесь необходимо отметить, что возможность увеличения температ^'ры ограничивается стойкостью применяемых огнеупоров При всех видах радиационного режима работы печей футеровка работает в условиях высоких температур и должна обладать не обходимой отеупорностью Однако материал футеровки должен выбираться не только по соображениям поддержания необходи25 мого температурного уровня в печи, но и с учетом стоимости oiHcynopoB Например, в нафевательных колодцах, где слитки Нсиреваются до 1200 °С, по соображениям технологии нафева достаточно иметь рабочую температуру около 1400-1450 °С, по этому применяемые огнеупоры должны устойчиво выдерживать именно эту температуру. Очевидно, нецелесообразно применять в этом случае более дорогие огнеупоры, способные выдержать 1700—1750 °С. Температуру в рабочем пространстве печей обыч но выбирают, исходя из стремления иметь наивысший возмож ный уровень процессов геплообмепа, но вместе с тем ее очень часю офаничивают как по технолошческим соображениям, так и в результате ограниченной стойкости oi неупорных матерншюв Косвенный направленный режим Как следует из вышеизложенного [рис 2.1,6, уравнения (2 1) и (2 3)1, при режиме косвенною направленного теплообмена (0,f > Qn) необходимо развивать собственное излучение кладки; стремясь всемерно уве;п1чить ее эффектвное излучение Q^ Для этого требуется прежде всею соответствующее увеличение тем пературы кладки, что вызывает необходимость применения вы сококачественных 01 неупорных материшюв J4pe3Bbi4aHHo эффек тивно также использование огнеупоров, обладающих высокой степенью черноты, что одновременно с влиянием температуры излучающей поверхности позволяет получить высокое значение величины собственного излучения кладки. Для интенсификации теплоотдачи от кладки в последнее время начали применять специгшьные обмазки, увеличивающие излучательную способность внутрештеи поверхности огнеупорной футеровки Косвенный направленный режим теплообмена можно получить практически при любом топливе, если обеспечить его рассредо точенное сжигание в непосредственной близости от поверхности кладки Наиболее целесообразно применение такого режима теп лообмена при сжигании бедного топлива (смеси коксовою и доменною ызов), которое и услоииях иного режима теплообмена не может обеспечить высокой эффективности нафева \ При всех условиях сжигания топлива с образованием несветящеюся пла мени использование косвенного режима позволяет трансформи ровать селективное излучение газов в сплошное излучение юкщки и тем самым обеспечить интенсификацию теплообмена к 26 поверхности нафеваемого материала. В настоящее время широ кое распространение получает сводовое отопление нагреватель ных печей, при котором установленные на своде горелки рабо тают так, что раскаляют внутреннюю поверхность футеровки сво да до весьма высокой температуры и обеспечивают значительный тепловой поток от свода на металл. Косвенный направленный режим теплообмена может иметь место, естественно, не только при сводовом отоплении, но и во всех других случаях, когда излучение кладки играет решающую роль. Это может быть и при изовом торцевом отоплении с ис пользованием беспламенных юрелок и, как уже указывалось, в нафевательных электрических печах сопротивления, заполненных лучепрозрачнри средой, и в других случаях. Прямой направленный режим Прямой направленный режим теплообмена (см рис. 2\,в) возможен при условии, когда (Q^ > Q^). Обеспечить это условие можно в том случае, если высокотемпературное хороию светя щееся пламя будет максималыю приближено к поверхности на грева обрабатываемого материала. При этом слой газов, распо лагающийся между пламенем и сводом печи, как основным эле ментом кладки, будет по1лощать часть теплового потока Q^ и обеспечивать тем самым вышеотмеченное условие существования прямого направленного теплообмена.чСоздать такое пламя, кото рое имело бы несимметричное относительно оси пламени рас пределение температуры и степени черноты, пок„, практически, невозможно, поэтому создание режима прямою направленного теплообмена возможно лишь одним, отмеченным выше, nyieM — размещением пламени в непосредственной близости от геплопотребляющеи поверхности В качестве топлива при рассматриваемом режиме теплообме на должно использоваться то, которое обеспечивает высокую температуру юрения и значительную светимость пламени Для удержания пламени в непосредственной близости от поверхнос ти нагрева необходимо использовать устройства для сжигания топлива, обеспечивающие высокие скорости истечения топлива и окислителя В этих условиях пламя имеет сравнительно неболь шую толщину, поэтому высокая излучательная способность пла мени должна создаваться и поддерживаться за счет соответству ющих радиационных характеристик факела. При этом режиме 27 надо стремиться избегать излишней циркуляции газов, способ ной снизить скорость движения сазов в факеле и вызвать увели чение его поперечных размеров Это может привести к выравни ванию характеристик пламени и расположенного над ним газо вого объема, т е. к нарушению основного условия прямого направленного теплообмена Подобный режим наиболее часто осуществляется в высокотем пературных плавильных, например мартеновских, печах, в кото рых наиболее ответственная часть футеровки печи - свод - ра ботает на пределе oi неупорности материалов, из которых он выполнен. Приближение высокотемпературною пламени к своду может привести к выходу его из строя. Осуществление режима прямого направленного теплообмена в мартеновских печах - JTO наиболее характерный пример практического использования это10 режима Однако и в нафевательных печах присутствуют эле менты прямого направленного режима теплообмена в тех случа ях, когда пламя располагается под углом к поверхности нафева металла 4. Конве1стивный ре}:шм работы печеп-теплообменнигшо Под конвективным режимом работы печей понимается такой режим, при котором теплоотдача конвекцией имеет преобладаю щее значение, и поэтому теплоотдачей радиацией, как от пламе ни, так и от футеровки можно пренебрегать Как уже отмечалось в т. 1 данного учебника, в практических условиях преобладает вынужденная конвекция, для которой справедливы критериаль ные уравнения типа Nu = ККе"?!"", (2 4) и коэффициент теплоотдачи растет с увеличением скорости дви жения среды в результате уменьшения толщины пограничного слоя Так как теплоотдача конвекцией имеет место лищь при дви жении среды, то в процессе теплоотдачи конвекцией могут при нимать участие газообразные и жидкие теплоносители Как по казывает анализ, физические свойства теплоносителей оказыва ют большое влияние на величину коэффициента теплоотдачи 28 конвекцией. Газообразные теплоносители обеспечивают относи тельно невысокие значения коэффициента теплоотдачи конвек цией [не более 300—400 Вт/(м^ • К)] вследствие их низкой тепло проводности. Жидкие теплоносители могут быть двух типов* с относительно низкой, но более высокой, чем у газов, теплопро водностью (обычно соли щелочных металлов) и с высокой теп лопроводностью (металлы). При использовании жидких тепло носителей достигаемая величина коэффициента теплоотдачи обычно на порядок выше ыковой для газообразных теплоноси телей Наибольшее распространение получили конвективные печитеплообменники, работающие с использованием газообразных теплоносителей — продуктов сгорания топлива и специально подофеваемых сред (чаще всего воздуха). Преобладающее значе ние в общей теплоотдаче конвекция приобретает в низкотемпе ратурных печах, сжигание топлива в рабочем пространстве кото рых невозможно по двум причинам: 1) при низких температурах невозможно обеспечить устойчи вое горение топлива; 2) интенсивное тепловыделение в рабочем пространстве не позволяет поддерживать необходимую достаточно низкую и рав номерную температуру. В силу этого зона теплогенерации и технологическая зона в таких печах разделены и топливо сжигается вне рабочего про странства печи в так называемых подподовых или выносных топках Конвективный режим работы печеи-теплообменников может быть подразделен на проточный и циркуляционный. При проточном режиме газообразный теплоноситель, продви гаясь около поверхности нагрева, постепенно остывает и его тем пература уменьшается. При этом режиме теплоноситель отдас! нагреваемому изделию часть тепла, приобре|енного в зоне теп логенерации, и пополнить запас энергии теплоноситель можег снова только в этой зоне При циркуляционном режиме наличие интенсивной циркуля ции, приводящей к непрерывному перемешиванию объемов теп лоносителя, поступающих в печь с теми объемами, которые в результате контакта с поверхностью нагрева теряют свое тепло, обеспечивает поддержание температуры теплоносителя на необ ходимом постоянном уровне 29 Проточный режим бывает двух видов канальный и фильтру ющий. В первом случае поток теплоносителя, приобревщий за пас энергии в зоне генерации тепла; проходит около поверхносги нафева, отдавая тепло обрабатываемому материалу Подобным образом работают печи, в которых осуществляется нагрев лис тов, ленты и других изделии, имеющих вполне определенную поверхность нафева, около которой двигается остывающий теп лоноситель При фильтрующем режиме нафетыи теплоноситель проходит (фильтруется) через поверхность нагрева, что характерно для обработки сыпучих материалов Газообразный теплоноситель для конвективных проточных печей может быть самым разнообразным. Его выбор в значитель ной степени определяется рабочей температурой печи. Это могут быть продукты сжигания обычно газообразного топлива, которые на пути от зоны теплогенерации до технологической зоны в слу чае необходимости могут разбавляться или воздухом, или уже остывшими продуктами сгорания. В низкотемпературных печах с рабочей температурой 200-250°С теплоносителем обычно служит воздух, предварительно подофетыи в электрокалорифере. При всех теплоносителях, стремясь получить интенсивную теплоотда чу, необходимо обеспечивать максимально возможную (экономи чески оправданную) скорость движения теплоносителя Для этой цели используют самые разнообразные приемы и приспособле ния (струйная обдувка, вентиляторы и др) При обеспечении искусственной интенсивной циркуляции газообразного теплоно сителя можно добиться настолько полного перемешивания объе мов вновь поступающего и частично остывшего теплоносителя, что его состояние будет характеризоваться некоторой равномер ной температурой и будет обеспечен тем самым циркуляцион ный конвективный режим работы печей В настоящее время конвективные режимы работы печей на ходят в металлургии все большее распространение как при нафеве металла, так и при его охлаждении. Наиболее эффектив ным является сравнительно новый метод скоростного конвектив ного (ударного) нагрева металла перед обработкой давлением, позволяющий достигнуть высокой интенсивности нагрева метал ла без перефсва футеровки печи Все большее значение приоб ретают процессы струйного нафева и охлаждения в протяжных термических печах. 30 5. Рехшмы работы печей-теплогенераторов Массообменный реэхим Как уже отмечалось, в печах-теплогенераторах зоны теплогенерации и технологического процесса совмещены, и процессы тепловыделения неразрывно связаны с технологическими физи ко-химическими и массообменными процессами, протекающими в рабочих пространствах печей Выделение тепла в печах-теплогенераторах может осуществ ляться как в результате сжигания твердого топлива, перемешан ною с обрабатываемым материалом, так и и результате окисле ния примесей, содержащихся в расплавленном металле и про плавляемой шихте Массообменные рехсимы нашли практическое применение в следующих печах. слоевых с плотным (фильтрующим) кипящим и взвешенным слоем, в которых сжигается твердое топливо; конвертерах для производства стали, в которых тепло выделя ется при окислении углерода и других примесей, содержащихся в жидком чугуне; печах кислородно-взвешенной плавки для получения меди, в которых тепло вьщеляется в результате выгорания серы и в мень шей степени железа, содержащихся в обрабатываемой шихте. В этих печах существует теснейшая взаимосвязь между процес сами тепловыделения и технологическими процессами. Горение топлива или окисление примесей расплавленного металла или вдуваемой в печь шихты вызывают соответствующие изменения температуры в микрообъемах зоны технологического процесса и оказывают влияние на развитие диффузионных (массообменных) процессов, лежащих в основе технологических операции. Так, на пример, в доменных печах, работающих с плотным (фильтрующим) слоем, горение кокса обеспечивает достижение температуры, при которой происходит восстановление железа из его оксидов. В кон вертерах для производства стали повышение температуры в опре деленных частях расплавленной ванны обеспечивает повышение скорости диффузии окислителя в расплавленный чугун, в резуль тате чего создаются необходимые предпосылки для повышения скорости удаления примесей в металлической ванне в целом. В печах для автогенной плавки на штейн, в которых осуще ствляются процессы, связанные с окислением сульфидов, выго;рание серы и железа создает температурные условия, нсобходи31 мые для расплавления шихты и последующего разделения рас плава на штейн и шлак Следует отметить, что принципиально возможны и находят практическое применение смешенные топливно-автогенлые процессы Электрический реэхим Под электрическим режимом работы печей-теплогенерагоров понимается такой режим, при котором тепло в зоне технологи ческого процесса возникает в результате преобразования элект рической энергии, вводимой непосредственно в эту зону. Зона технологическою процесса при электрическом режиме работы печей может находиться в твердом, жидком или газооб разном состоянии. При твердом состоянии технологической зоны электрическая энергия подводится прямо к обрабатываемому материалу, который нагревается с целью обработки давлением или для термической обработки. Это часто встречающиеся на практике контактный или индукционный нафевы. Технологичес кая зона находится в жидком состоянии в индукционных пла вильных печах, применение которых непрерывно расширяется. Газообразная технологическая зона составляет основу работы плазменных, чаще всего, плавильных печей, обеспечивающих получение особо качественных сталей Глава 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ 1. Теплотехничесгше хара1сгеристи1ш работы печей Работа каждой печи характеризуется рядом показателей, наи более важными из которых являются температурный и тепловой режимы, коэффициент полезного теплоиспользования и произ водительность Температурный рехсим Температура печи — важный теплотехнический показатель ее работы, хотя термин «температура печи» носит несколько услов ный характер Дело в том, что в топливных печах в состоянии взаимного теплообмена находятся пламя (раскаленные газы), 32 металл, кладка, которые имеют различную температуру. Причем температура всей печи не может определяться ни одним из этих значений температуры, а представляет собой какую-то усреднен ную величи1гу, применительно к которой обычно и используют термин «температура печи». Температура зависит от ряда факторов, важнейшие из кото рых — температура горения топлива и характер потребления теп ла (включая тепловые потери), свойственные печи данной кон струкции. Для ориентировочного определения действительной температуры печи 7]j иногда используют весьма приближенное соотношение 1де 2\ — калориметрическая температура горения топлива, х\ — пирометрический коэффициент, зависящий от конструкции печи и изменяющийся обычно в пределах 0,65—0,80. Температура печи зависит прежде всего от ее назначения и может изменяться во времени и по объему печи. Изменение температуры печи во времени называется темпера турным режимом печи Обычно его представляют соответствую щим графиком Г = /(/) Печи, температура которых не изменяегся со временем, называются печами постоянного действия (на пример, методические печи), с переменной во времени температурой — печами периодического действия (печи с выкатным подом) Изменение температуры по объему и длине печи также может иметь различный характер Нагревательные печи, в которых температура по всему объему приблизительно одинако ва, называют камерными. Пёчи с изменяющейся по длине тем пературой называются методическими. Тепловой реэхим Работа печи в значительной степени определяется тем, какое количество тепла поступает в нее. Количество тепла, которое подают в печь в каждый данный момент времени, называют теп ловой нафузкои То наибольшее количество тепла, которое печь может нормально (без недожога топлива в рабочем пространстве) усвоить, называют тепловой мощностью. Тепловой режим печи представляет собой изменение тепло вой нафузки во времени и может быть представлен графиком зависимости тепловой нафузки от времени. Тепловой режим тес2 -5041 33 неишим образом связан с температурным режимом. Печи пери одического действия, работающие с переменной во времени тем пературой, имеют переменную во времени тепловую нагрузку, тогда как печи постоянного действия работают при неизменной тепловой нагрузке^ Качество paeoipi лечи, совершенство ее конструкции как теп лового агрегата характеризуется коэффициентом полезного теплои(^пользования (к. п т.) и коэффициентом использования топ лива (к и. т.). К п. т. может быть выражен в следующей форме: ""•"== ^''^ GTTIQJ—' где В — часовой расход топлива, м^(кг*ч); Q^ — химическое теп ло топлива, кДж/ч, Qr = BQ^; Оф ~ физическое тепло топлива и воздуха, отнесенное к единице количества топлива, кДж/м^, 1сДж/кг; Qyjj - тепло уходящих газов, отнесенное к единице коли чества топлива, кДж/м^, кДж/кг; бпот ~" тепловые потери, кДж/ч Для электрических печей можно написать равенство Q, + 5(2ф = 860Л где Р — мощность печи, кВт. Из выражения (3.1) можно получить Ql + бф - бух - бпОт/Д ''• " • '• = QTT-Q-^ • ^'-^^ Если Оф = О, т. е. в печь поступает только тепло топлива, то коэффициент полезного теплоиспользования (к. п т.) превраща ется в коэффициент полезного топливоиспользования. Естественно, что чем выше значение к п. т (аналогичного коэффициенту полезного действия для разного рода агрегатов), тем лучше в тепловом отношении работает печ^^ Из выражения (3.2) следует, что увеличение подогрева топлива и воздуха, а так же снижение температуры уходящих дымовых газов (поскольку бух ~ ^Sx-^yx) ^ тепловых потерь способствуют повышению к п. т. печи Тепловые потери в печах в значительной степени зависят от факторов, связанных с конструкцией печи, поэтому, чтобы харак34 теризовать только топливо и условия его сжигания, применяют коэффициент использования топлива (к. и. т.) в следующем виде: QP + бф - бух •^•"•"= Й + бф • ^'-'^ Сопоставляя выражения (3.1) и (3.3), можно видеть, что к. п. т. всегда меньше к и. т.^ поэтому при проектировании и эксплуата ции печей следует стремиться к тому, чтобы к. п. т. по своей величине максимально приближался к к. и. т., для чего необхо димо добиваться снижения тепловых потерь. Производительность печей - важнейший показатель их рабо ты, так как именно на производительности отражаются все по ложительные и отрицательные стороны конструкции и тепловой работы печи. В плавильных печах производительность в значи тельной степени зависит от характера проплавляемой шихты, в нагревательных печах - от начальной температуры металла. Как в том, так и в другом случаях на производительность большое влияние оказывает температура в рабочем пространстве печи и температура отходящих дымовых газов, а такхсе интенсивность и характер теплопередачи от печи к нагреваемому (проплавляемо му) материалу Все это свидетельствует о том, что производитель ность зависит от очень многих технологических, теплотехничес ких и конструктивных факторов Обычно различают общую и удельную производительность. Общая производительность характеризует размеры агрегата и из меряется в т/ч, или т/сут Удельная производительность, выра жаемая в кгДм^'Ч), или тДм^.ч), характеризует интенсивность работы печи и служит для оценки качества работы и сравнения печей. Удельную производительность часто называют напряжен ностью пода печи.1 Различают напряженность активного пода и напряженность габаритного пода. В первом случае производитель ность отнесена только к площади пода, занятой металлом, во втором - ко всей площади пода печи. 2. Тепловой баланс п расход топлива Как видно из изложенного выше, расход топлива является важ ной характеристикой работы печей На действующей печи расход топлива определяют непосредственным измерением, а для проекти руемых печей - расчетным путем, используя тепловой баланс печи 2* 35 Тепловой баланс печи состоит из равных между собой при ходной и расходной частей, каждая из которых складывается из ряда ста Iей Для печей постоянного действия тепловой баланс состашгяюг на один час, для печей периодического действия — на один цикл работы. Статьи приходной части теплового баланса 1 Тепло, получаемое в результате сгорания mowiuea, кДж/ч" Qx = ml где В — расход топлива, кг/ч, или м^ч; бн ~ теплота сгорания топлива, кДж/кг, или кДж/м^ 2. Тепло, вносимое подогретым воздухом, кДж/ч бв = BcJ^nv^, 1Ле Гц — температура подофева воздуха, °С, Сц — средняя удель ная теплоемкость воздуха в интервале температур от 0°С до Т^, кДж/(м^-К); я - коэффициент расхода воздуха; v^ — количество воздуха, теоретически необходимого для сжигания единицы топ лива, MVKr, или MVM^ 3. Тепло, вносимое подогретым топливом, кДж/ч бт = ^'^тТ;Т ' где с^ - средняя удельная теплоемкость топлива в интервале температур от нуля до 7^, кДжДм^- К); 7^ — температура подо фева топлива, °С 4 Тепло экзотермических реакций В этой статье при составле нии теплового баланса учитывают все химические реакции иду щие с положительным тепловым эффектом, кроме реакций горе ния топлива В нагревательных печах учитывают тепло, выделя ющееся при окислении металла При окислении I кг металла выделяется 5652 кДж/кг тепла, поэтому бдкз ~ 5652Рд, кДж/ч^ где Р — производительность печи, KI/Ч; а - величина угара метшша, кг/кг ме1алла. Статьи расходной части теплового баланса 1 Полезное тепло, необходимое для нагревания и плавления м риалов (кДж/ч). Если материалы поступают в печь холодными, то 36 если подогретыми, то 1де G— количество материсша, кг/ч; T^^^^ — конечная температура нагрева MeTiUwa, °С; Г^, „ — начальная температура металла, °С, Cj, — средняя удельная теплоемкость мет^итла в интервале темпераlyp от нуля до Г„ ^, кДжДкг • К), с^, — средняя удельная теплоем кость металла в интервале температур от нуля до Г^, „, кДж/(кГ' К). Для плавильных печей учитывают скрытую теплоту плавления ма1ериа;юв 2 Тепло, уносимое ишаками, кДж/ч" У 2 ~ ^^шл 'îjiл •' шл' где CTJJJJ, — количество шлаков, кг/ч; Г^^ — температура шлака, °С; с,цд — удельная теплоемкость шлаков кДж(кг • К). 3 Тепло эндотермических реакции Qy Эта статья характерна для плавильных печей. К ней относится, например, тепло, идущее на разложение известняка 4. Тепло, уносимое отходящими газами, кДж/ч. У4 "" •"^'ух''ух-'yx' 1де Ту^ — температура отходящих из печи дымовых газов, °С; Cyj^ — средняя удельная тепдоемкость отходящих из печи ызов, кДж/(м-|>К), Уу^ — количество отходящих газов, отнесенное к единице топлива, м-'/м^, или м^/к\Некоторое количество дымовых газов удаляется из рабочего пространства печи в результате выбивания 1ерез окна, ще;п4 и др Поэтому только с некоторым приближением можно рассмат ривать Vy^ как полное количество газов, образующихся при сжиraiHui единицы массы или единицы объема топливт 5. Teihio от химической неполноты сгорания топлива При бес пламенном сж1пании потерн тепла от химической неполноты сгорания практически отс>'тсгвуют При пламенном сжигании в отходящих газах обы гно содержится 0,5—3% иесгорсвших газов (СО и Н2) Можно приггять, чго на 1% СО содержится 0,5% Н2 Тог'да теплота сгорания такогг смеси составит 12 142 кДж/м-' Если в отход>гиигх газах долю ггесгоревшего СО принять равной а, потсргг тсггла будут равггы Q5 ^ ^^'ух^ * '242 кЦж/ч, где v^^ — количество уходящих из печи газов, отнесенное к единице тогглива, MVKP, или \v'l\.v'. Ъ1 6 Тепло от механической неполноты сгорания, кДж/ч. Под ме ханической негюлнотои сюрания понимают различные потери топлива Например, при сжигании твердого топлива потери состашшют 3-5%, следовательно, 06 = (0,03 - 0,05) 5QP В случае газообразною топлива потери тепла от утечки газа состашшют 2-3%, тогда 06 = (0,02 - 0,03) 5 Q P В случае жидкого топлива теряется около 1%, т е 06 = 0,01 BQ^, 7 Потери тепла в результате теплопроводности через клад Потери тепла через свод, стены и под печи (кДж/ч) определяют по уравнению е 7 _~ Т - Т ^кл •'в J , A , + S2/k2 + 1/а г ' где Г^ - температура внутренней поверхности кладки, °С; 7], температура окружающего воздуха, °С; j^j и ^2 ~ толщина огнеупор ной кладки и изоляции, м, Х] и ^2 ~ соответственно коэффициен ты теплопроводности кладки и изоляций, Вт/(м • К), а — коэффи циент теплоотдачи от стенки к воздуху, равный 19,8 ВтДм^-К); 1/а соответственно равно 0,052 м^ • К/Вт, F — поверхность клад ки, м^. 8. Потери тепла излучением через открытые окна печи, кДж/ ,4 ^'5=^о(-то)^*'^' где CQ — коэффициент лучеиспускания абсолютно черногО; тела, равный 5,7 ВтДм^ • К'*); Г - средняя температура в печи. К, F — площадь открытого окна, м^; ф - коэффициент диафрагмирова нии (табл 3.1); ф — доля времени (часа), когда окно открыто 9 Тепло, затраченное па нагревание тары (кДж/ч). Если тара холодная, то количество тепла, требующееся на ее нагрев, составит 38 Таблица 3 I. Коэффициенты диафрагмирования Ширина , окна*, мм 300 600 900 1200 1500 Значение Ф при Езысоте окна, мм 250 450 600 700 • -г 0,70 0,73 0,76 0,78 0,78 0,80 0,82 0,84 0,79 0,83 0,85 0,87 0,81 0,85 0,87 0,89 0,82 0,86 0,89 0,91 Ширина i, окна**, мм 600 900 1200 1500 Значение Ф при высоте окна, мм 250 450 600 ' 700 0,49 0,52 0,55 0,56 0,53 0,57 0,69 0,61 0,'56 0,60 0,63 0,64 0,58 0,62 0,65 0,67 * Толщина стенки 230 мм *• То же, 460 мм где G^ — масса тары, кг/ч; с^ - средняя удельная теплоемкость lapbi в интервале температур от 0°С до Г^р, кДж/(кг- К); Г^р температура нагрева тары, °С Если тара поступает нагретой, то учитывают только тепло, затраченное на ее дальнейшее нафевание 10 Тепло, уносимое водой, охлаждающей отдельные части печи Qjo Для определения потерь тепла на охлаждение пользуются практическими данными. Обычно эти потери составляют 10—15% всего прихода тепла, 11. Затраты тепла на аккумуляцию его кладкой, кДж/период ^\\ ~ '^клРкл'^кл •'кл' где V^^ — объем кладки, м^, р^^^ - плотность кладки, кг/м^; с ^ — теплоемкость кладки, кДж/(кг-К); Г^^ - средняя температура кладки, определяемая на основании расчета прогрева стен, К В печах с выдвижным подом необходимо также учитывать затраты тепла на аккумуляцию огнеупорными материалами тележ ки В печах периодического действия, кроме аккумуляции тепла кладкой, тепло теряется через стены в результате теплопровод ности. Затраты тепла на аккумуляцию его кладкой определяют для печей периодического действия, температура которых изме няется во времени. Тепловой баланс таких печей составляют не на 1 ч, а на весь период (цикл) их работы. 12. Неучтенные потери 0,2 = (0,1 - 0,15)(Q5 + Об + Q7 + Q8+ Q9 + Qio + Qii). 39 Просуммировав отдельно приходные и расходные статьи теп лового баланса, следует приравнять 2,,р„ход ^^ ^расход " получи 1Ь, таким образом, одно уравнение с одним неизвестным, которым является расход TonJHiBa В Зная величину В, можно окончатель но подсчитать все статьи приходной и расходной частей тепло вою 6<uiaHca Если ан^шизируют тепловую работу действующей печи, то со ставляют таблипу теплового баланса, которая позволяет выяснить, какая статья расходной части баланса чрезмерно высока и, сле довательно, обнаружи1ь причину неудовлетворительной работы печи Для сравнения качества работы отдельных печей пользуются уде;п.ными показателями расхода тепла и топлива Удельный рас ход тепла показывает, какое количество тепла затрачивается на нафев I кг метшша до необходимой темпер 1туры Часто удельный расход топлива определяют в единицах услов ною топлива (у т) За условное топливо принимают такое, теп лота сгор1ния коюрого 29 330 кДж/кг Таким образом, удельный расход гоплива будет равен при Qf^, выраженном в кДж/кг или кДж/м^ BQ^/ 29 330 G^, кг у т/кг металла Раздел II с):шгА1-тЕ топлшА в ПЛАВЛЕННЫХ ПЕЧАХ Глава 4 ПЛАМЯ И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ В ТЕПЛОВОЙ РАБОТЕ ПЕЧЕЙ 1. Требования к пламени В пламенных печах при сжигании газообразною или жидкого топлива образуется пламя (факел) — объем, в котором протекают и завершаются процессы сгорания горючих компонентов топли ва. В пламени происходит выделение тепла, которое распростра няется по печному пространству. Теплоотдача от пламени опре деляется в основном теплоотдающими характеристиками и усло виями, в которых происходит процесс передачи тепла. Пламя является важнейшим, но лишь одним из компонентов теплооб мена в рабочем пространстве печей. Наряду с пламенем в состо янии взаимного теплообмена находятся нагреваемый материал, футеровка и различные элементы печи. Все' они имеют соответ ствующие температуру и теплообмеиные характеристики. Из т. 1 данного учебника известно, что калориметрическая температура зависит лишь от условии сжигания топлива (коэф фициента расхода воздуха, теплоты сгорания, температуры подофева воздуха и топлива) Однако пламя, возникающее при сжи гании топлива, находится не в адиабатических условиях, а в ус ловиях интенсивного теплообмена с обрабатываемым материсшом и элеменгами печи. Поэтому действительная температура пламе ни существенно отличается от капориметрической Таким обра зом, действительная температура пламени зависит как от вели чины калориметрической температуры, так и oi условий тепло обмена, в которых находится пламя. Действительная температура шгамени в рабочем пространстве определяется назначением печи и выбирается в соответствии с техноло1иеи обработки материала Для достижения требуемой по условиям технологии действитель ной температуры необходимо сжигать топливо с обеспечением 41 соответствующей кгиюриметрическои температуры. Томное коли чественное соотношение между калориметрической и действи тельной температурой установить трудно, так как оно зависит от множества факторов Таким образом, первым и важнейшим требованием к пламени является обеспечение необходимой температуры. Однако важную роль ифает не только абсолютная величина температуры пламе ни, но и распределение температуры по длине и ширине рабоче го пространства печи. Так как тепловой поток от пламени зави сит от температуры в четвертой степени, то стремление обеспечи1Ь постепенное увеличение теплового потока oi пламени на металл фебует соо1ветсгцующего изменения leMnepaiypbi пламе ни по длине печи Большое значение имеет расположение факелов в рабочем пространстве печи Наиболее распространенными являются про дольное расположение факелов, поперечное (боковое) и сводо вое (вертикально вниз в сторону обрабатываемою материала) При продольном расположении факелов расгфеделение темпе ратуры по длине пламени определяется графиком изменения температуры по длине печи Если требуется обеспечить поаепениое изменение температуры по длине печи, то необходимо обеспечить такое сжигание топлива, при котором температура пламени будет постепенно убывать по его длине Если необхо димо обеспечить наиболее высокую температуру в той зоне печи, 1де установлены горелки (форсунки) с ее последующим быстрым убыванием, то и способ сжигания топлива при этом должен обес печивать соответствующий фафик изменения температуры изового обт>ема (пламени) Поперечное (боковое) расположение фа келов применяют и достаточно широких печах Такое отопление должно обеспечивать не только нужную интенсивность нагрева, но и обязательно равномерность нагрева металла по ширине печи, для чего необходимо равномерное распределение темпера туры по длине пламени Под сводовым расположении факелов правильное распределение тепловой нагрузки по горелкам по длине и ширине печи также обеспечивает необходимый xapaKiep распределения температуры по длине и ширине рабочего про странства печи Основную роль в теплообмене в рабочем пространстве печи играют гфоцессы теплообмена излучением и конвекцией Тепло обмен излучением между пламенем, кладкой и металлом зависит 42 не только от температуры, но и от радиационных характеристик этих компонентов теплообмена, т. е. от величины их излучательнои и поглощательной способности. Обрабатываемый в печи материал обычно имеет величину поглощательной способности, отличную от серого тела. Подобная картина характерна и для кладки печи. Учитывая активную роль кладки в теплообмене в рабочем пространстве пламенной печи, целесообразно радиаци онные характеристики пламени и кладки выбирать таким обра зом, чтобы обеспечивалась наивысшая величина поглощенного потока на поверхности обрабатываемого материала Однако создать пламя, имеющее сплошной спектр излучения, достаточно сложно. В пламени возможны практически два ис точника излучения: трехатомные газы (СО2, Н2О, SO2) и сажис тые частицы, возникшие в результате разложения углеводородов топлива при естественной или искусственной карбюрации пла мени. Как известно, газы, находящиеся в пламени, имеют ли нейчатый спектр излучения в инфракрасной области спектра (невидимой для человека), сажистые частицы, наоборот, наиболь шее количество тепловой энергии излучают в видимой для чело века области спектра Существуют различные способы сжигания топлива, при которых в пламени в результате термического раз ложения углеводородов топлива возникают сажистые частицы. Чем больше углеводородов в топливе, тем больше возможность для создания светящегося пламени. Роль пламени не ограничивается его участием в теплообмене излучением. Пламя (факел) образуется струями топлива и возду ха и является важнейшей составляющей общего движения газов в печах. Движение газов определяет такие решающие факторы работы печей, как теплоотдача конвекцией и равномерность рас пределения температуры по рабочему объему печи. В отдельных случаях (мартеновские печи) настильное пламя (факел) является важнейшим компонентом массообменных про цессов на границе раздела фаз Факельные струи оказывают вли яние и на распределение давления по длине и высоте печи, от чего в свою очередь зависит качественный уровень работы печ ного агрегата, так как изменение давления вызывает нормальные или излишние подсосы холодного воздуха в печь и выбивание раскаленных газов из печи. В ряде случаев к пламени предъявляют требования по огра ничению его аэродинамической длины. Наибольшее значение это 43 имес! при боковом расположении факела Факельная ируя расKcUicHHbix ызов, несушая частицы сажи, оксшииы, ударяя о про тивоположную стенку, оказывает на нее разрушающее шпишие Поэтому допустимая аэродинамическая ;и1ина пламени должна cipoio увязываться с продолжительностью, в которой происходи! сжиьпню топлива Таким образом, пламя должно соответствовать слелуюин1м ос новным требованиям 1) иметь максимально необходимую для данного типа печи температуру, 2) иметь целесообразное распределение температуры но обт>ему нечн н обеспечивать наивысший уровень тенлоотлачн излуче нием и конвекцией, 3) в необходимых случаях обеспечивать должное развитие массообменных процессов, 4) в/шянпе факельных струм ил характер движения ызов в печах должно быть позитивным — способствуя выравнива1Н1Ю температуры и развитию процессов конвективною теплообмена, факельные струи не должны разрушать элементов печи и не должны приводить к подсосу холодного воздуха в печь и чрез мерному выбиванию раскаленных ызов Из вьппеизложенною ясно, что, кроме те.мперат>'ры и ее измепешш по длине пламени, большое практическое значение имеют аэродинамические и 1еплообмен1Н51е харак1еристики пламени 2. Характеристики пламени Общие характеристики Как при кинетическом, так и при диффузионном способе сжн1ания топлива факелы представляют собой сложные стр^и, ока зывающие значительное Ш1ияние ил аэродинамику рабочею про странства печи в целом Наиболее распространенный ii.i нрактке диффузионный факел газовою и жидкого топлива образ)е1ся струями топлива и воздуха, выходмши,\П1 с большой скоростью из юрелки или форсунки Струи могут встречаться под различ ными углами дру1 к ДРУ1У, что оказывае! су!!1ествен11ое 1и1ияние ud скорость смешения то11Л1П{а с окислителем и обеспечивает нмес!е с гем !10дсос продхктов с!ора!!ия из окружа!01це!0 факел 44 газового объема, создавая тем самым циркуляцию газов в рабо чем пространстве печи Возникновению подсоса в корень факе ла окружающих продуктов сгорания и созданию циркуляции спо собствуют два обстоятельства инжектирующее действие факель ных струй и (очень часто) увеличение статического давления по длине факела, что присуще струе, истекающей в ограниченное пространство. Повышенное давление в «хвосте» факела способ ствует возникновению циркуляционных потоков от конца факе ла к его началу. В печах обычно используют не одну горелку (форсунку), а их фуппы В одних случаях факелы направлены в одну сторону, в других в противоположную, над нафеваемым металлом и под ним и т. д Поэтому аэродинамические характеристики факела и рас положение горелок (форсунок) оказывают решающее влияние ил картину движения газов в печи в целом или в отдельной ее зоне В связи с большой сложностью явлений, происходящих в диффузионных факелах, первоначальные исследования аэродина мики факелов основывались на закономерностях, присущих сво бодной затопленной струе. Было проведено много исследовании, посвященных изучению процессов аэродинамики и горения струи газообразного топлива, свободно истекающей в окружающее про странство. Главной целью таких исследований было определение зависимости длины свободного факела от влияния различных факторов Обычно различают аэродинамическую и химическую длину факела Аэродинамическая определяется как длина от сре за горелки до точки на оси пламени, где скорость раина нулю Химическая длина — это расстояние от среза горелки до участка факела, где уже отсутствует горение. В качестве примера можно привести полученное П В. Левченко и Б. И. Китаевым выраже ние для определения длины факела, м 1ф = KwS'''d^''\ (4.1) из которого видно, что длина факела растет по мере увеличения скорости истечения топлива WQ и диаметра газовой трубки dQ. В этом выражении К — опытный коэффициент, равный 1,0 для коксового газа и 0,65 для генераторного газа. Диффузионный факел значительно отличается от свободного горящего и обычно образуется двумя спутными (чаще всего ко аксиальными) потоками газа и воздуха или потока.ми, поданны45 ми под углом дру1 к другу или закрученными один относительно другого В связи с этим нельзя сделать конкретных практических выводов на основании исследования заюпленных диффузионных факелов, но ряд рекомендации можно дать Обычно приходится решать один из двух вопросов или выби рать юрелку по величине расхода топлива и требованиям к фа келу, или при установленной горелке решать вопрос о ;шине пламеш! и других его характеристиках в зависимости от ряда режимных параметров На практике бывают ситуации, когда на печах, оборудован ных горелками определенных конструкции, приходится изменять режимные параметры их работы. Эти изменения могут носить как кратковременный, так и достаточно долювремениыи характер Часто они бывают вынужденными К режимным параметрам ра боты горелок, а следовательно, и печей Moiyr быть отнесены следующие, теплога сгорания топлива, тепловая нагрузка (расход топлива в единицу времени), расход воздуха, температура подофева воздуха, 1аза Изменение этих характерисгик влечет за со бой как следствие изменение скоростей выхода из юрелки газа и воздуха и величины коэффициента расхода воздуха В практических условиях по производственным причинам воз можно изменение теплоты сгорания топлива, которое не может не оказывать влияния на длину пламени Чем больше теплота сгорания топлива, тем больше воздуха необходимо для сжигании единицы такого топлива Поэтому, если расход топлива не ме няется, а происходит изменение теплоты его сгорания, то дайна факела также будет меняться Причем при увеличении теплоты сгорания длина факела должна увеличиваться, при уменьшении сокращаться Горелочные устройства обычно выбирают, исходя из каких-то наиболее оптимальных для данной печи расходов газа и воздуха. Изменение этих расходов (без изменения, естественно, выходных сечении горелок) влечет за собой изменение скоростей исгечения и отклонение от оптимальных условии смешения Это ска зывается на условиях смешения и на характере тепловыделения, приводит к изменению /ишны факела, его температуры и тепло отдачи. Сложность процессов, происходящих в факеле при изме нении расходов топлива и воздуха, усложненных индивидуальны ми особенностями конструкций юрелок, столь велика, что одно значных точных выводов сделать не предсташшется возможным 46 с определенной степенью приближения можно считать, что уве личение тепловой нагрузки приводит к увеличению длины факе ла, повышению его температуры и теплоотдачи излучением. Влияние коэффициента расхода воздуха на д;шну факела осо бенно резко сказывается при работе пламенных горелок Так, можно считать, что увеличение величины коэффициента расхода воздуха с 1,05 до 1,4 уменьшает длину факела газового топлива вдвое При работе горелок с предварительным смешением длина факела от величины коэффициента расхода воздуха зависит не значительно. Использование подофетых воздуха и газа благоприятно влия ет на развитие процессов смешения и горение, в результате чего укорачивается факел, повышается скорость достижения темпера туры воспламенения, увеличивается скорость горения и обеспе чивается тем самым более интенсивное тепловьщеление в факе ле. При этом также повышается калориметрическая и действи тельная температура факела и увеличивается, как следствие, теплоотдача излучением Для конструирования горелок и управления тепловым режи мом печи необходимы возможно более точные представления о влиянии различных параметров на характеристики пламени. В силу сложности явлений в этой области еще много неисследо ванных вопросов Для реального факела, образованного струями топлива и воздуха решающую роль ифают процессы смешения. Радиационные характеристики Как уже отмечалось пламя является основным теплоотдающим компонентом в пламенных плавильных и нафсватсльных печах В подавляющем большинстве случаев основную часть тепла пламя передает излучением. При этом излучение пламени зави сит как от его температуры, так и от его радиационных характе ристик, под которыми подразу.меваются интефальные и спект ральные излучательные и поглощательные характеристики (спек тральная и интефальная степени черноты Е;^ И Б; спектральный и иитефальный коэффициенты поглощения а^^ и а). В пламени топлива в состав продуктов сгорания входят трех атомные газы (СО2, Н2О, а иногда SO2), которые и вызывают тепловое излучение. Излучение трехатомных газов происходит в основном в инфракрасной области спектра и носит селективный характер, в результате чего излучение пламени, содержащего лишь 47 IaзooбpaJныe нродук1Ы сюрання, не воспрмнимаегся человечес ким глазом (см т. 1, 1Л 21) Вмес1е с тем в ряде случаен ьиообразнын обьем пламени содержит взвешенные н нем раз;н1чпые сажистые образования, возникин1е в результате разложения yuieводородов топлива Эти сажистые образова1И1я имеют снлошнон спектр излучения (но не серый), вю1ючаюшии в себя и видимую человеком облас1ь от 0,4 до 0,76 мкм Примени1елы1о к ыким пламенам применяют термин «све1имос1ь пламени», а сами пла мена называют свегящимиси В светящихся пламенах излучение газообразных продуктов сюрання в соответствуюпн1х час1ях спек тра накладывается на излучение сажистых час1иц, взвешенных в ызовом объеме пламени. Очевидно, что светящееся пламя може! возникать лишь при сжиыпии ыких гоплив, коюрые содержа! в своем cocKiBe достаточное количество у1леводородов Обычно э ю 01Н0СИТСЯ к жидкому топливу, природному газу, в меньшей cieпени к коксовому ызу Доменный н 1енераторньп1 ]азы не MOiyi обеспечить светимость пламени, 1ак как не имеют в своем со ставе углеводородов При сжигании этих 1азов может образоваться лишь несвеипцееся пламя Разложение \1леводородов топлива с выделением новой дис персной фазы (сажи) может происходить при их пафеве как в нрисутс1вии окислителя, так и без нею В первом случае юворя1 об окисли1ельном, во втором - о тер\и1ческом пиролизе j i леводородов При сжигании распыленного жидкою юплива в пламени создаюгся очень блаюнриягиые условия /шя раиюженпя жидких углеводородов топлива с выделением сажис1ых образовании, обес печивающих высокую излуипеяьщю способность факел.1 Эю.му же cfioco6ciB}'eT возникновение у/лероднсюю остатка при интен сивном испарении и юреиии капли В сил\ э т х причин при сжи1ании мазута создается свеищпися факел, xapaKTepinyeNn^ni высокой излучательнои способностью Поэтому мазуг в ряде слу чаев используют в качесгве искусственною карбюризатора, до бавляя его к газообразному топливу с целью повышения (или создания) излучательнои способности пламени Природный м з состоит почти по;п10с1ью из метана, в коксовом газе содержа1П1е метана составляет 25—30 % Поэтому механизм терлишескою разложения углеводородов рассмотрим на примере Meiana Многочисленными исследованиями усыновлен ионши харак тер процесса разложения метана, протекающею с образованием 48 различных промежуточных продукгои Пре]шожен ряд схем раз ложения метана, из которых одна из наиболее достоверных выг ляди! следующим o6pi30M. 2СН, C,Hfi ^ 2СНз = + Hi С2Н4 r f - ^ " 2 = + Н 2 ' С.Н, ^ 2СН = + Н 2 , 2С + Нп Причем свободные радикалы СН3, СН2, СН MOiyr нолимсрнзоваться в промежуточные продукты ароматического ряда Харак тер разложения метана зависит от температурно-временных ус ловии процесса, что достаточно четко характеризуется данными, приведенными на рис 4 1. Для практического использования природного газа необходи мо знать, при каких условиях следует выполпя1ь ею разложе ние, чтобы получить наивысший радиационный эффект пламе ни С этой целью были проведены специальные исследования, при которых 1аз предварительно реформированный при опреде ленных температурах и продолжительности процесса, подавится в пламя, излучение которого измерялось Оказалось, что пламя имеет максимальное излучение при ре формировании в пределах температур Ацетилен 1050—1100 °С и продолжителыюсги процесса ~ 0,3-0,5 с Было установле 2500 Углерод но, ITO максимум излучения пламени 2000 соответствует максимальному количе ству промежуточных продуктов разло 15001-Метан> Бензол^ жения (гудронов) при монотонном воз I 11 1000 растании количества сажистого углеро 10 ^ \0'^ 10"^ 10"^ /, с да С (рис 4 2) Рис. 4 1. Занпсимость выхода Следует отметить, что развитие про пролуктов реакции термичес цесса peфop^нIpoвaння метана может кого разлоАення метана от температуры и времени характеризоваться величиной степени 49 разложения метана, равной отно шению разложившейся части мета на к его исходному количеству KCHf" - СН4)/СН4 , 1де СН4 количество неразложившеюся мета на]. Эксперименты noKa3tinH, что максимальное количество промежу точных продуктов разложения при температурно-временных условиях 990 1070 1150 1730 образуется при величине степени Температура разложения, равной О 4-0,5. Как стенки трубки, °С показали электронно микроскопи ческие исследования, размеры са Рис. 4 2. Превращение метана и газоподогревателе жистых частиц в пределах образо вания промежуточных продуктов разложения метана составляют 150-200 мкм (являясь, по-види мому, аиюмератами более мелких полужидких и твердых частиц), тогда как вне этих пределов размеры частиц сажистою углерода не превышают 10—30 мкм При отмеченных температурно-временных характеристиках процесса пиролиза метана наблюдается резкое увеличение излучагельнои способности пламени, что и приводит к общему уве личению теплоошачи излучением от пламени природного газа. Объяснение этому факту следует искать в зависимости излучательиой способности пламени от концентрации, размера сажис тых частиц и их радиационных свойств, которая устанавливается законом Бугера—Бера =?. = «? > - «^Р ( -к nor А^^О. (4 2) где С; — спектральная (монохроматическая) степень черноты (из лучат ельная способность) пламени, рапная, как известно по за кону Кирхгофа, спектральной поглощательнои способности а^; к) „Q,^ — спектральный коэффициент поглощения; N — штучная концешрация сажистых частиц, шт/м^; d -диаметр сажистых ча стиц, м; / — толипша пламени, м Однако контролировать про цесс реформирования по штучной концентрации практически не возможно, поэтому чаще пользуются концентрацией по массе G, I/M-' В этом случае, если принять плотнос1ь сажисгых частиц pauffOH 2 i/cM^, G выразить в граммах, деленных nd метр куби50 ческии, с/ — в микрометрах, а / — в метрах, формула Бугера— Бера приобретает следующий вид* е;,= 1 - e x p ( - 0 , 7 5 A : , . „ „ „ f - / ) . (4 3) Все входящие в выражения (4 2) и (4.3) величины в соответ ствующей мере определяют значение величин Е}^, интегральной излучательной способности и общие радиационные характерис тики пламени. Современная наука изучает светящиеся пламена, используя положение теории мутной среды разработанной английским физиком Ми. К мутным относятся такие среды в которых одно вещество находящееся в мелкодисперсном состоянии, взвешено в другом веществе. Светящееся пламя, в котором взвешены мель чайшие сажистые частицы, представляет собой один из приме ров мутной среды. Согласно теории мутных сред, ослабление лучистого потока, проходящего через объем такой среды, будет происходить как в результате поглощения, так и в результате рассеяния, таким образом "•Х.осл '^Х погл "'Х.расс • Все эти коэффициенты зависят от параметра р = тгс^/Я. (d — диа метр частиц, X — длина волны) и комплексного показателя пре ломления т = п — 1%, ще п - показатель преломления; х "~ по казатель поглощения Таким образом, комплексный показатель преломления пред ставляет собой характеристику, зависящую от физико-химичес ких свойств материала частицы Установлено, что при р « 1 рас сеяние очень мало и им можно пренебречь Следовательно, ко эффициент ^х.погл потока сажистых частиц (при определенных, свойственных им значениях т) зависит от размера частиц и дли ны волны. Эта зависимость представлена на рис. 4.3, из которо го видно, что мелкие сажистые частицы [см. выражение (4.3)] обладают меньшей излучательной способностью, чем крупные. Как следует из выражения (4 2), влияние штучной концентра ции на излучение пламени весьма значительно. Так как частицы различных размеров имеют неодинаковый коэффициент погло щения, то целесообразно оценить относительные количества мел кой G^^^ и крупной G^pg сажи, обеспечивающих одинаковый радиационный эффект. Это важно еще и с той точки зрения, 51 что образование сажи всегда приводит к определенному недожоly и тем самым снижает температуру пламени Предварительно надо реформировать ми1П1М1Шьно необходимую часть 1аза Зна чения соотнотении К= G^CI^^KDC^ рассчитанные для ;ипп1Ы вол ны 0,65 мкм, приведены ниже MeiKui сажа, мкм Kpjniiaji сажа, мкм К 10 100 1,21 10 150 2,7 10 200 3,05 50 100 1,19 50 150 2,1 50 200 2,9 Как видно, увеличение коннемтрацип мелкой сажи очень зна чительно и потому практически неприемлемо Так, для тою что бы увеличить концеитраиню сажи с I до 2 и 3 I/M-' продуктов сгорания, необходимо увеличить долю метана, затраченного па образование сажи, соответственно с 15,4 до 30,8 и 46,2 %, что неприемлемо по отмеченным выше причинам Толщина слоя пламени / также оказывает значительное влия ние на излучение пламени Расчеты показывают, ITO при срав нительно умеренной концентрации сажистых частиц в пламени, равной 1 г/м-', пламя толщиной более 0,7 м будс! иметь величи ну Е; я 1 В практических условиях разложение метана можег протекать и в присутствии окисли1еля (обычно воздуха), коша часть метана сгорает, обеспечивая соответствующую температуру, k '^К 11011 1,6 1,2 0,8 0,4 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 X, мкм Рис 4 ? Зависимость иечичииы коэффициента попотеиия от длины полны лля частиц рпличного диаметра 52 а неокислснная часть метана подвергается разложе1П1ю Иа прак тике обычно встречается окислительный пиролиз метана, протеKaiouuin чаи1е всего при высоких тe^иlepaтypax и малых значени ях времени разложения, что приводит к образованию мелкой сажи, которая дает невысокую излучательиую способносгь пла мени, быстро выгорает и не обеспечивает светящийся факел достаточ1Юи длины Светящ1ится факел природною газа может быть получен и без предварительною раз;южения газа Это имеет ме сто, например, в нагревательных печах, в которых используются горелки типа «труба в трубе».' В этом случае за счет медленного смешения газа с воздухом в (1)акеле образуются микрообъемы с недостатком окисли 1еля, где происходит частичное разложение метана с образованием мелкодисперсной сажи Процесс эют очень неустойчивый, снешлюсть факела невелика и недолювемна, louia как и для iian'CBaTejHjinjix печей бывает целесообразно иметь фа кел, излучающий по всему спектру, поскольку нагреваемый ме талл имеет сплошную по спектру погло1цательную способность Таким образом, для создания светящегося пдаменп необходи мо принятие специгшьпых мер, направленных на оптима;н>ное разложение метана При сжигании распыленного жидкою топ лива разложение у1лсволородов топлива происходи! пспосредciBCHHO в факеле по мере испарения топлива, сюрания его па ров, достижения определенной температуры В мазутном факеле преимущественно протекает окислительный пиролиз углеводоро дов Определению радиационных характеристик мазутною факе ла посвяи1ено ряд исследовании, подтвердивших правомерность приложения положении теории мутных сред к этим пламенам Как следует из вышеизложенного, наибольшее влияние на радиащюнные характеристики пламени оказывает размер сажис тых частиц, от которого зависят величины коэф([)ициептов ос лабления и параметра р Размер сажистых частиц в пламенах жидкого топлива определялся многими исследованиями, однако полученные данные очень раз1шречивы Можно считать, что раз мер сажистых частиц в пламенах жидкого топлива лежит в пре делах от 50 до 200 мкм (при определенном распределении сажи стых частиц по размерам), т. е значительно крупнее, чем в пла менах ызообразного топлива. Концентрация сажистых частиц в пламени мазута существенно изменяется по длине пламени и в значительной стенени заш1сит от коэффициента расхода воздуха, что подтверждается дшитыми, пр1пзедет1ыми на рис 4 4 53 Рис. 4 4. Зависимость срелнен (по сечению факела) концентрация сажистых частиц в пламени мазутл от коэффициента расхода воздуха при расстоянии от горелки, мм / — 335, 2 - 560, 3 - 975, 4 - 1640, 5 - 1950 Существенное влияние на про цесс сажеобразования оказывает соотношение между содержанием 1,1 1,2 1,3 1,4 углерода и водорода в топливе Коэффициент С/Н и испаряемость жидкого топ расхода воздуха лива, характеризуемая его темпе ратурой кипения Чем выше С/Н и ниже испаряемость топлива, тем выше при прочих равных ус ловиях уровень концентрации сажистых частиц в пламени Таким образом, светящееся пламя 1азообразного и жидкого топлива представляет собой крайне сложное явление природы, изучение которого требует точнейших методов и большой тща тельности 3. Условия смешения топлива с воздухом Важнейшим фактором, определяющим характеристики пламе1Ш, яшхяется качество смешения топлива с окислителями, обыч но с воздухом. Влияя на температуру юрения, качество смеше ния оказывает существенное влияние ия распределение темпера туры и изменение радиационных характеристик вдоль пламени В наибольшей степени это относится к случаю гомогенного горе ния газообразного топлива Однако и при факельном сжигании жилкою топлива (наиболее часто встречающийся в пламенных печах случаи lereporeHiioro горения) это влияние имеег место. Как известно из теории гомогенного горения, процесс сгора ния складывается из физического процесса обеспечения контак та между молекулами тошшва и окислителя (процесс смешения) и химического процесса взаимодействия топлива и окислителя Процесс смешения, связанный с молярной и молекулярной диф фузией, гораздо более продолжителен, чем процесс собственно горешщ Поэтому, изменяя условия смешения, можно либо ус корить, либо затянуть сжимние топлива и тем самым придать пламени (факелу) желаемые характеристики Следует отметить, что изменение условии смешения является по существу тем единCIвенным средством, с помощью которого можно изменять ха54 рактер распределения температуры и радиационные характерис тики по длине пламени. Как уже упоминалось, при кинетическом методе сжигания смешение топлива с окислителем осуществляется предваритель но до попадания в зону горения, в которой происходит лишь практически мгновенно химическое взаимодействие молекул топ лива с окислителем. В силу этого на очень небольшой длине пламени происходит концентрированное выделение тепловой энергии и достигается высокая температура (рис. 4.5), развивает ся высокая теплоотдача от факела, в результате чего температура довольно быстро убывает по длине пламени. Такой метод сжига ния тошшва применяют в тех случаях, когда в небольшом печ ном объеме необходимо создание высокой температуры с целью обеспечения интенсивной теплоотдачи пламени на обрабатывае мый материал для достижения высокой (именно в этой зоне) интенсивности его нафева В противоположность кинетическому при диффузионном ме тоде сжигания газообразного топлива смешение переносится в топочный объем печи. Условия смешения при этом могут быть весьма разнообразными и зависят от требуемых характеристик пламени Чем медленнее осуществляется смешение (см. рис 4.5, кривые 2 и 3), тем медленнее происходит выгорание горючих составляющих топлива, тем выше значение химической длины факела, тем менее концентрированно происходит выделение теп ловой энергии Это в свою очередь приводит к более монотон ному изменению температуры по длине факела, а следовательно, и теплоотдачи от него Оптимальная конструкция горелочного устройства должна прежде всего обеспечить целесообразные условия смешения топ лива с воздухом, целесообразные с точки зрения создания фа кела с необходимыми для дан ной конструкции печи аэроди намическими и теплообменными Рис. 4.5. Зависимость температуры факе ла по его длине от метола смешения газообразкого топлива и воздуха (каче ственная зависимость) 1 — предварительнее смешение, 2 — закрученный диффузионный факел, 3 — коаксиальный диффузионный факел 55 характеристиками Учтыная, то изменение условии смешения — важнейшее средство влияния на характеристики факела, необ ходимо прежде всею рассмотреть вопрос о юм, какие факюры оказывают 1шия1П1е на процесс смешения Следует отмешть, что теория в ряде случаев не дае1 ответ.! па иопросы о характере развития процессов смешения, поэтому бывает необходим эксперимсн! Наиболее распросфаненным является диффузионное сжшанпе ызообразною топлива при подаче 1лзл и воздуха сиу1ны\п1 или пересекающимися потоками Конструкции печей и их пазначеinie очень разнообразны, поэтому ил практике бывают необходимы факелы, различные по junnie, темнерат)'ре, тепломассообменным характеристикам Для создания таких факелов применяются различные способы смешения i иообр иного топлива с воздухом Наиболее распросфаненные cnocoGii смешения м о т быть под разделены на три больише фупны смешение при criyxHOM (чаще всею кодксисшьном) способе подачи топлива и воздуха, смешение при подаче струи юплива и воздуха под уыюм друг к_дру1'У при номоип! раушчных приспосоолеиии, смешение при придании одному (обычно воздуху) из потоков вращательного движения Применяются также тжие приемы смешения, как дробление сфуи смешивающихся г.иов на несколько мелких струи или ус тановка перед выходом газа и воздуха в рабочее просграпство печи турбулизируюыщх устройств (лопагки под упюм к направлению движения, специсшьные вставки, разбиваюише поток, и др) Несколько обособленное значение имеет применение так на зываемою рпомкнутою факел» который используется в плоско пламенных и керамических юрелках, предназначенных для обес печения вмсокои теплоотдачи от обофеваемои ими керамичес кой поверхности свода печи, горелочною камня или корпуса в случае KepaNHPitcKHX юрелок Рассмотрим кратко рез5льтаты, достшаемые при применении отмеченных выше способов смептеиия газообразною топлива с воздухом Изучению смешения при снутном (чаше всею коаксисипзном) движении киообразною топлива и воздуха посвяшены мноючисленные исследования В рехчьпом факеле подобною inna проис ходи! cMeuieinie трех компоненюв uu.i, идушею по Bnyipeime- 56 му соплу, воздуха, идущею по наружной трубке кольцевого се чения, и окружающей среды, т е продуктов сгорания. Уже пер вые исследования подобных течении подтвердили автомодельиость течения по отношению к абсолютным значениям скоростей, т. е независимость аэродинамической картины от абсолютных значе ний скоростей потоков при том же их соотношении Таким обра зом, в коаксиальных спутных струях смешение зависит от следу ющих факторов соотношения скоростей истечения внутреннего и облекающего потоков и относительных размеров центрального и облекающего потока Проведенные расчеты, подкрепленные экспериментом, пока зали, что увеличение относительной скорости облекающего по тока значительно интенсифицирует процесс смешения газа с воздухом. Вместе с тем при этом интенсифицируется процесс подмеипшания в струю продуктов сгорания из окружающей сре ды. Изменение относительных размеров истекающих потоков оказывает на процесс смешения также значительное влияние. Так, увеличение толщины облекающего потока (при одном и том же соотношении скоростей) приводит к некоторому улучшению смешения газа с воздухом, но значительно уменьшает проникно вение продукюв сгорания в струю газа и воздуха При сжигании любого газа обычно поддерживается вполне определенная величина расхода воздуха, поэтому соотношение расходов воздуха и газа также является величиной вполне опре деленной. Таким образом, для изменения скорости истечения облекающей воздушной струи при неизменном расходе воздуха необходимо изменять размер воздушного сопла, что приводит, естественно, к влиянию на смешение одновременно двух факто ров: скорости истечения и толщины облекающею потока Выяснение одновременного влияния на процесс смешения из менения соотношения начальных скоростей истечения и диамет ров сопел показало, что увеличение начальной скорости облека ющей струи (при неизменной скорости центрального потока) оказывает более сильное влияние на процесс смешения, чем уменьшение размера облекающего потока Таким образом, наи более эффективным средством интенсификации процесса сме шения в коаксисшьных струях при сохранении постоянной ве личины соотношения воздух/газ является увеличение относитель ной скорости истечения газовых потоков, чем обычно и пользуются на практике. 57 Перемешиванию струи, направленных под углом друг к другу, были посвящены специальные эксперименты, которые показсши, что наибольшая степень перемешивания достигается при yuiax встречи ф = 90°, наименьшая — при yuiax встречи менее 45°. Для определения глубины проникновения одной струи в другую было получено следующее выражение 4- = ^ C - | ^ V P I M , (4 4) где h — 1лубина проникновения, м, d — диаметр струи в выход ном сечении, м, w^, wj Pi> Рг ~ скорость струй мл выходе из сопла п плотность истекающих газов соответственно, м/с и кг/м-', К^ — опытный коэффициент, зависящий от угла встречи при ф = 90° величина К^ = 2,2 При смещении многоструйного потока одного 1аза с общим потоком другого лучшие результаты достигаются также при Ф = 90°. Выражение (4.4) справедливо и для расчета глубины про никновения ,мелких струй в газовый поток В этом случае на величину h/d влияет относительный шаг s/d между мелкими cipyя,\Ц1, что учитывается тем же опытным коэффициентом К^. s/d AT, 16 18 1 9 1,7 Как уже указывалось, при конструировании и эксплуатации горелок для ускорения смешения газа с воздухом используют раздшчные npneMbij турбулизиругашие поток воздуха, а иногда и laja Чаще всего применяют закручивание воздушною потока до ею выхода в зону смешения с газом с помощью воздушно] о патрубка, имеющею улиткообразную форму. Закрученные тече ния имеют ряд особенностей, отличающих их от прямоструиных течений, ишвными из которых являются следующие болыпий угол расширения, меньшая дальнобойность, повышенная эжекционная способность, в результате которой осуществляется под сос газов из окружающей среды В закрученных факелах процесс смешения протекает юразло ин1енсивнее, чем в прямоструиных При этом дальнобойное!ь факела снижается, процесс сжигания топлива ускоряется Это в свою очередь приводит к приближению зоны максимальных тем ператур к соплу горелки 58 Подобное интенсивное смешение, которое достигается в зак рученных струях, целесообразно использовать на практике в тех случаях, когда в небольшом топочном объеме необходимо сжи гать достаточно большие количества топлива. Глава 5 ВЫБОР ТОПЛИВА И МЕТОДОВ ЕГО СЖИГАНИЯ 1. Выбор топлива В пламенных печах факел является единственным теплогенерирующим компонентом, от характеристик которого зависят сле дующие важнейшие показатели работы печи, общий температур ный уровень; распределение температуры по объему рабочего пространства (чаще всего по длине) печи; общая интенсивность и степень развития теплообменных процессов как в печи в це лом, так и в отдельных зонах рабочего пространства; характер движения газов в пени; развитие массообменных процессов; стой кость футеровки. Следовательно, выбор топлива с определенной теплотой сго рания, а также метода отопления является очень ответственной задачей, решать которую необходимо с учетом технологического назначения печи и условии ее эксплуатации, а также техникоэкономических соображений, из которых главным является воз можность выделения того или иного топлива на печь в соответ ствии с топливным балансом завода и цеха. В понятие «метод отопления печи» входит не только вид ис пользуемого топлива и конструкции горелок (форсунок), но и методы утилизации тепла отходящих дымовых газов с обеспече нием предварительного подогрева газа и воздуха, идущего тш горение, а также использование дутья, оЬо1ащенного кислородом Все эти составляющие метода отопления оказывают влияние на величину калориметрической температуры горения топлива, от которой в значительной степени зависит достигаемая в печи тем пература. Практикой установлено, что для печей определенного назначения необходима (для обеспечения нормального уровня тепловой работы) вполне определенная калориметрическая тем59 nepaiypa, независимо oi вида юплииа и способа ею сжи1ания '1ак, например, /ши мартеновских печей 7'^ должна бьпь не ниже 2300-2400 "С, в нафевательпых колодцах 2000-2100 "С, в меюлических печах 1900-2000 "С Калориметрическая TCMnepaiypa може! быть онределепа из следующею выраже1П1я ^^пpcr^'np СГ 1ЛС Q„ — HHJHuui 1енлота сюранпя топлива, кЛж/м^, КДЖ/KI , ^ф — количество гепла, вносимое подогретым laJO.M и воздухом в расчете на еди1нщу топлива, кДж/м^; КДЖ/KI, D„pj., - объем продуктов сюранпя в расчете ил ejninimy топлива, MV-M-*, MVKI, '^прсг ~ теплоемкость пролуктоп сюрашш, кДж/(м'-К) При различных способах сжшапия юилива везп1чина и„рср зависит от коэффициента расхода воздуха и условии cMenieinni топлива с OKHCJHIгелем В больппшстве случаев в печах должна обеспечиваться макспMcUibHO возможная полнота сгорания топлива в пределах рабоче го пространства печи Обычно та или иная полнога cmpainni достигается комбинирова1П1ым леиствие..! дв,.х факюров - качеС1В\ смешения и величины коэффициента расхода воздуха Ьсли качеспю смешении досыточно высокое, ю необходимой пол оты сюр пня можно дости п при сжигании топлива с низким коэффициентом рюхода воздуха и наоборот Гаким образом, ве личина у„рсг " формуле (5 1), занпсящая от величины коэф фициента расхода воздуха, зависит следовательно и от конструк ции устройства, применяемою для сжимппя топлива Лн.шиз вы ражения (5 1) показывает, что в нем отражено влияние на 1] всех важнеипп1х при юренип факторов вида Tonjuma, степени подо грева ыза п воздуха (что связано с меюда,\п1 утилизации тепла 01холяпи1х дымовых газов), коэффициента расхода воздуха и КОНС1РУК1Ц1П усфоиства для сжигания топлива При высокой Tcruioie сюранпя Tonjnma (как, например, у ириродною 1аза) досгаточно высокие значения киюриметрическои гемнературы MOiyi Ььпь получены и Ьез подоц-ева вс.духа и \1пл (0ф— 0) Однако и в подобных случаях целесообраию пспольювать предварительно подофетын возчух (i и) тж KIK ЭТО обес печивает снижение расхода топлива в резу'Л1Т11е Ч1стип10и ути лизацни тепла огходяишх продукюн сю|л1т1л 60 При низкой теплоте сгорания топлива применение подофетого воздуха, а иногда и воздуха и газа чаше всего совершенно не обходимо. С помощью выражения (5.1) можно определить влия ние величин 0„, 0ф и «прсг "^ калориметрическую температуру горения. В справочной литературе приведены номофаммы, отражающие влияние указанных величин на 7]^. В качестве примера ниже приведены условия обеспечения величины калориметрической температуры горения, равной 2000 °С Тем пота сгорания газообразного топлива, кАж/м-" Температура подогреиа воздуха, "С Температура подогрева газа, °С Коэффициент расхода воздуха 6700 8400 10 000 11 750 600 800 1,0 400 600 1,0 200 0 0 1,0 'о 1,0 I Используемые в промышленности керамические (для воздуха) и метсшлические рекуператоры (для воздуха и ыза) обычно обеспе чивают вполне определенную максимальную температуру подо! ре ва воздра (газа) Так, в промышленности обычно используют ке рамические рекуператоры двух конструкций, одни из которых (из шамотных блоков) обеспечивают полофев воздуха до 500—550 °С, другие (из карбошамотных трубок) позволяют подофевать воздух до 750—800 °С Металлические трубчатые сварные рекупер1Торы обычно обеспечивают подофев воздуха или газа до 250—350''С. При выборе топлива приходится руководствовагьии не гильки возможностями топливного баланса завода, экономическими со ображениями и необходимостью обеспечить нужную температуру в печи, но также требованиями к радиационным характеристи кам факела. Если нужен светящиися_факел,_ТО_необходимо выб рать топливо, содержащее углеводороды Необходимо отметить, что только на металлургических ком бинатах с полным цикгюм имеется возможность выбора топлива, так как на них обычно имеются доменный, коксовый и природ ный газы, смешивая которые можно получить газообразное топ ливо с различной теплотой сгорания. На металлургических заводах с неполным циклом, на заводах цветной металлургии, машиностроительных обычно используют природный газ или мазут. На таких предприятиях решающим явля ется вопрос рационального использования топлива, выбор таких методов сжигания, которые обеспечивают его миним11льныи расход. 61 2. Выбор метода сжигания топлива На выбор метода отопления существенное шп1яние оказывает характер работы печей постоянного и периодическою действия, камерные и методические, с муфелированием пламени или садки Как уже отмечаюсь, юрелки обычно работают при перемен ной тепловой нагрузке, которая может изменяться в различных пределах В печах постоянного действия возможно небольиюе из менение тепловой naipyjKH, вызванное необходимостью некоторои перенастройки печи или случайными причинами В rie4iix пе риодического действия может иметь место очень значительное (в несколько раз) изменение тепловой нагрузки в процессе пафева садки металла Однако любая горелка лишь при определенных расходах топлива и воздуха ооеспечииает оптимальные_условия смеи1ения и наилучшее развитие факела. Например, инжекционHMt юрелки имеют узкие пределы регулирования по тепловой нафузке и теплоте сгорания топлива, поскольку изменение ско рости истечения струи топлива из сопла горелки вызывает не пропорциональный подсос воздуха для горения. В горелках пла менного типа, где газообразное топливо и воздух подаются раз дельными потоками и самостоятельно регулируются, возможные пределы изменения тепловых нафузок значительно шире Одна ко эти горелки, пригодные для работы на печах постоянного дей ствия, далеко не полностью удовлетворяют требованиям работы печей периодического действия. Необходимый режим работы в методических и камерных печах обеспечивается соответствующим размещением горелок (форсунок) и дымоотводящих каналов Режим нафева в методических печах характеризуется изменением температуры по длине печи Для обес печения этого режима необходимо топливо подавать с одной (по длине) стороны печи, а дымовые газы отбирать с противополож ной стороны. При этом раскаленные газы, продвигаясь навстречу нагреваемому металлу, обеспечивают его постепенный нафев В камерных печах необходимо обеспечить максимально воз можную постоянную температуру в пределах рабочего простран ства С этой целью необходимо осуществить равномерный (допу стим, по длине печи) подвод топлива и максимально возможный равномерный отвод дымовых газов При этом горелки целесооб разно размещать таким образом, чтобы осуществлялось энергич ное движение газов, что весьма благоприятно влияет на выравни вание температуры в пределах рабочего пространства печи 62 Как уже отмечалось, участие кладки в общем теплообмене в печи чрезвычайно важно, так как кладка имеет сплошной спектр излучения при весьма значительных величинах 8;^, тогда как га зообразные продукты сгорания имеют линейчатый спектр излу чения, который в значительно меньшей степени соответствует поглощательным характеристикам металла, имеющего так же как и кладка сплошной спектр поглощения. Подобные требования наилучшим образом могут быть выполнены при сводовом ото плении печей с использованием так называемых плоскопламен ных горелок. При светлой термической обработке металлов отопление пе чей необходимо осуществлять таким ооразом чтобы метсИШ'ие соприкасался с продуктами-сгорания. и таких случаях применя ют муфелирование садки с помощью специального внутреннего муфеля или муфелирование пламени, СЖИГаа топливо в оадиационных трубах. Иногда бывает необходимо производить нагрев металла при столь низких температурах, при которых невозмож но устойчивое горение топлива В таких случаях приходится от делять топку от рабочего пространства печи, осуществляя сжига ние топлива в подподовых или выносных топках. Выбор метода сжигания топлива должен выполняться с уче том аэродинамического режима рабочего пространства с тем, чтобы раепрелеление давления в печи было таким, при котором подсос холодниги воздуха в печь и выбивание дымовых-пзов были бы минимальными. Распределение дагаения в топливных печах теснейшим образом связано с типом используемых горе лок и их расположением Автоматическое регулирование теплового режима печей стро ится на принципе поддержания определенной, необходимой тем пературы в печи или в ее зоне путем соответствующего измене ния расхода топлива и воздуха на его горение. Изменение обще го расхода топлива может производиться как изменением расхода топлива на всех горелках, так и отключением и включением части из них При выборе метода сжигания топлива необходимо учи тывать возможность и удобство последующего автоматического регулирования теплового режима печи. Таким образом, выбор топлива и метода его сжигания тесней шим образом связан с назначением печи, ее конструкцией и особенностями работы и являются весьма ответственными, если не решающими этапами в создании печи. 63 Глава 6 СЖИГАНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА Как следует из вышеизложенною, основным признаком, но которому KJiiiccn(lJHHHpyraT горелки, яю1яе1ся принпии смешения 1лзл с воздухом По эюму признаку юрелки деляг на две больUHie фупны с предварительным смешением и с внепп1п\1 смеnienncM К первой группе относятся ыкие юрелки, которые обеспечи ваю! HOJHioe смешение топлива н воздуха еще до выхода в печв В печь, в зону ropeiHui, подают заранее подютовленную юрючую смесь, процесс горения nocili кипе1ическии характер Такие горелки часто называют беспламенными, так как заранее подюювленная топливно-воздушная смесь, сгорая, почти не дает ви димою пламени В юрелках с внецн1им cviemeiHieM cMeceo6pa30Batine происхо дит в одном объеме с горением, которое носит дисрсрузионгнли xapaKiep В резулыате при сжн1ании тонл1П5, содержаин1Х у1леводороды, может образоваться види.\юс пламя llojTOMy jrn юрелки часто называют нламе1|ными И le и дру1ие юрелки инутрп каждой группы могут быть раз делены по конструктивным признакам, которые обусловле}н.1 способами осуществления смешения ыза с воздухом В iianGojn.nien степени это относится к пламенным горелкам Они очень лпюгообразпы По cyniecTBV головки мартеновских печей пред ставляют собой тоже пламенные юрелки очень кронных разме ров Способ смепшния ыза с воздухом в пламенных горелках выбнраю! в зависимости от и\ назначения Наиболее часю при меняются двухпроводные турбулентные и нлоскопламенные юрелки 13 последнее время все большее pacnpocipaiienne приобретают юрелки с регулируемой ;ии1Нои пламени, используемые пл печах с переменной во времени тепловой нафузкои Как оьмеч.шось вьние, начинает распрострапя1Ься новый метод скороспюю удар ною (конвективною) нагреиа, при котором используются соиерHieHHO особенные юрелки, сжиьпше топлива в них осуи1естш1яется внуфи корпуса Суп1ествует больиюе число раз;п1чных конструкции юрелок, поэтому ниже рассмотрим только наиболее распространенные н пнтичные 64 1. Горел 1Ш с предварительным смешением Общие характеристики факела При предварительном смешении газа с воздухом образуется од нородная смесь топлива и окислителя, которая при выходе в ра бочее пространство печи сгорает очень быстро, обеспечивая наи высшее тепловыделение в непосредственной олизости от среза гооелки. поэтому горелки с предварительным смешением применяют обычно в тех случаях, когда необходимо обеспечить сжигание боль шого количества топлива в неоольшом топочном ооъемеч НаиЬольшее влияние на распределение температуры в началь ной части факела предварительно подготовленной смеси оказы вают величина коэффициента расхода воздуха и скорость исте чения смеси из сопла горелки (рис. 6.1). Обычно сжигание предварительно приготовленной смеси осу ществляется при коэффициенте расхода воздуха^ олизким к еди нице (1,02—1,05). Из рис. 6.1, й видно, что при этих значениях коэффициента расхода воздуха максимум температур достигается на расстоянии от среза сопла горелки, равном 7—8 диаметрс*м сопла "'м ^У7 j?^<-*^ '/у/ 0,75 0,50 - ///5 0,25 6 1 О 4 8 12 Зс О 1 1 3 6 9 1 12 X Рис. 6,1. Зависимость измене ия температуры на оси по длине факела при предварительном смешении газа с воздухом от коэффициента расхода воздуха (а) и скорости истечения (б) ^действ (А7'М = т ^ max 'Окр — т = V'/o) ' окр 1-п = 1,25, 2-п = 0,91, J - R e = 2,3-10^ 4- Re = 3,7-10^ 5 - Re = 4,3-10'' ' На практике иногда бывает необходимо обеспечить равномерный нагрев садки путем установки большого числа горелок небольшой мощности (например, в колпаковых печах) В этом сДучае чаще всего применяют мелкие инжекиионные горелки, так как они обеспечивают короткофакельнре сжигание и не требуют трубопроводов и вентиляторов для подпчн воздуха •5041 65 Горелки с предварительным смешением обычно оборудуют ке рамическими туннелями, длина которых составляет 6-8 диамет ров носика горелки В таких юрелках тепловыделение и подъем температуры продуктов сгорания завершаются практически в пре делах туннеля и продукты сгорания выходят в рабо lee простран ство печи, имея наивысшую температуру, так как сгорание топли ва в туннеле протекает в условиях, близких к адиабатическим. После выхода в рабочее пространство печи высокотемпературные продукты сгорания начинают интенсивно излучать тепло и дшшнеишее распределение температуры по длине факела будет зави сеть от конкретных условий Излучательная способность такого факела определяется селективным излу le 1ием СО2 и Н2О, т е имеет сравнительно малую величину. Поэтому для интенсивною теплообмена температура факела должна быть на высоком (конеч но, допустимом) уровне, что и достигается, так как сжигание про исходит при низких значениях коэффициента расхода воздуха. Наряду с коэффициентом расхода воздуха значительное влия ние на распределение температуры в начальной i »сти факела ока зывает скорость истечения смеси из носика юрелки Из рис 6 1,6 видно, что при увеличении скорости истечения удсшяется от сре за сопла юрелки точка достижения максимальной температуры на оси факела Необходимо отметить, что при горении предварительно подго товленной смеси наблюдается весьма заметное увеличение давле ния в зоне юрения и связанное с этим повышение скорости дви жения газа в 1,5 и более раз Это свидетельствует, что на факел горения предварительно подготовленной смеси не может распро страняться положение о том, что по длине факела статическое даш1енпе остается постоянным, справедливое для свободных струи В турбулентном факеле однородной смеси, так же как и в свободных струях, расход увеличивается по длине факела Длина такого факела зависит как от величины коэффициента расхода воздуха, так и от скорости истечения (рис б 2) Иногда целесообразно применение ин'.1. жекционных горелок, работающих на подо 20 гретых средах Поэтому несомненный инте10 0 :,.-V 15 66 t fi 1 1 1 г 0,5 1,0 1,5 " 1 20 25 30 и Рис. 6 2 Зависимость относительной длины факел.1 (/ф = /фА/о> '^о ~ диаметр С01ыа) от коэффициента рас хода кислорода /I (/) и скорости истьчения Иц (2) pec представляет влияние температуры смеси на воспламенение и длину факела При использовании предварительно подофетой смеси ее воспламенение ускоряется, поскольку в подогретой сме си температура воспламенения достигается быстрее, чем в холод ной. Опытным путем установлено, что с повышением температу ры смеси длина факела несколько уменьшается. Конструкция и работа горелок Наиболее распространенными горелками с предварительным смешением являются инжекционные горелки. Они обеспечивают хорошее предварительное смешение топлива с воздухом, необхо димая полнота сгорания достигается при наименьшем по срав нению с горелками других типов коэффициенте расхода воздуха Поэтому горелки с предварительным смешением при аналогич ном топливе обеспечивают наивысшую температуру горения. Учитывая указанные особенности, горелки подобного типа применяют при сжигании газа с низкой теплотой сгорания и в тех случаях, когда необходимо нагревать мет^шл с большой ско ростью. Их целесообразно использовать также при сжигании топ лива, не дающего светящегося пламени (доменного газа). Горел ки такого типа обеспечивают концентрированное выделение теп ла в сравнительно небольшом объеме, дают короткий факел и создают зону достаточно высоких температур вблизи горелки. Факел, образуемый такими горелками, характеризуется относи тельно низкой излучательной способностью Поэтому передача тепла к металлу определяется в основном температурой В от дельных случаях инжекционные горелки используют наряду с получением факела также для интенсификации теплоотдачи от кладки При этом пламя горелок направляют на свод печи. Инжекционные горелки целесообразно применять при необ ходимости равномерного нафева и рассредоточенного подвода топлива при помощи многочисленных мелких горелок В этом случае отпадает необходимость в установке вентиляторов, возду хопроводов и устройств для регулирования подачи воздуха. Предварительное смешение газа и воздуха требует специальных устройств — смесителей, которые могут быть выполнены или за одно с горелкой, или отдельно от нее. Наибольшее распростране ние получили смесители инжекционного типа. На рис. 6.3, 6.4 представлены инжекционные смесители конструкции Стальпроекта. 3- 67 На рис 6.3 показан инжекционпыи смеситель, выполненный отдельно от юрелки и подающий газо-иоздушргую смесь одно временно в несколько горелок На рис 6.4 изображен смеситель, предсгаш1ЯЮ1ции собой единое целое с горелкой В зависимости от производительности горелки используют смеситель той или другой консфукции. При диаметре носика горелки t/„ j. < 75 мм применяют смеситель, изображенный на рис. 6.3, при £?„ J, > 75 мм — изображенный на рис б 4 Смеситель работает следующим образом. Газообразное топли во под определенным давлением поступает в смеситель через вход ной патрубок 7'(см рис. 6 4) и, выходя с большой скоростью через сопло 3, инжектирует необходимый для юрения воздух Воздух подсасывается из окружающей атмосферы через кольце вую И1ель между воздушной шайбой 2 и смешивающей трубой 4 1П ^ Гц <L/.^ Рис. 63. Инжекционнын смеситель для нескольких горелок Рис. 6 4 Инжекиионнал горепка, работающая на холодных воздухе и газе 68 Газ смешивается с воздухом уже во время подсасывания воздуха, однако для полного перемешивания нужен еще дополнительный участок, роль которого и выполняет смешивающая труба 4, дли на которой должна быть не меньше семи ее диаметров. В инжекционном смесителе подобной конструкции при изменениях расхода одного и того же топлива может поддерживаться задан ная величина коэффициента расхода воздуха, так как изменение расхода газа влечет за собой изменение количества инжектируе мого воздуха. Применение инжекционных смесителей при рабо те на холодном воздухе позволяет отказаться от воздухопроводов и вентиляторов, что является преимуществом горелок этого типа. Производительность и устойчивость работы инжекционных го релок в значительной степени зависят от давления, под которым поступает газообразное топливо Если давление таково, что ско рость выхода смеси из носика горелки окажется меньше скорости горения для данного топлива, то пламя будет проскакивать внутрь смешивающей трубы и горелка может выйти из строя. Возможен и такой случай, когда при чрезмерном давлении скорость выхода смеси из носика горелки значительно превысит скорость горения и шшмя будет отрываться от носика горелки, что снизит эффек тивность ее работы. Нормальная скорость w„ р выхода смеси из носика горелки должна лежать в пределах 20—50 м/с. Минималь ное давление газа, необходимое для тою, чтобы избежать про скока пламени в горелку, для доменного газа 490 Па, для гене раторного газа 881 Па и для смеси коксового и доменного газов (6j^ = 8350 кДж/мЗ) составляет \% Па. Определенной скорости выхода смеси будет соответствовать тепловое напряжение носика горелки, Вт/см^, определяемое по выражению А„Р=0,2785еР//„р, где В — часовой расход топлива, поступающего к горелке, м^; yj, Р — сечение носика горелки, см-^. Величина /ij^ р обычно изменяется в пределах от 8160 до И 650 Вт/см^. Для определения пропускной способности горел ки по газу (производительности горелки Qp) и необходимого дав ления газа /7р можно воспользоваться данными Стальпроекта, при веденными на рис. 6 5 Кроме работы на холодном атмосферном воздухе инжекционные горелки определенных конструкций могут работать и на по69 Qr. м'А Q ^ i^,'/ii '^' Puc. 6 5. Зависимость произооднтельнести инжекционнон горелки Q^ от давления газа перед гореткои р^ (п = 1,05, rf„r == 100 мм, сплошные линии — температура тза 7]. 0"С, штриховые - Гг = 300 "С) при рР в кДж/мЗ / - 3750, 2 - 4100, 3 - 3750, 4 - 4100, 5, б - 5050, 7,8 - 5450, 9, /О - 5850, / / - 6250, 12 - 6650, 13 - 7100, 14 7550, /5 - 7950, 16 - 8400, /7 - 8800, 18 - 9200 Рис. 6 6. Инжекшюнная горелка, работающая нл пологретых воздухе и газе а — горелка, б — установка горелки, / — туннель, 2 ~ горелка, 3 — опорная стоика, 4 — дроссельный клапан, 5 - колено, 6 — тепловая изоляция 70 догретых газе и воздухе, что особенно важно для печей, отаплива емых бедным топливом, например, доменным газом. На рис. 6.6 пока зана инжекционная горелка подоб ного назначения конструкции Стальпроекта. Характеристики ее приведены на рис. 6.7. Важно пра вильно выбрать допустимую темпе ратуру подогрева газа и воздуха, чтобы исключить возможность вос пламенения в смесителе. Опыты показали, что предельная темпера тура нагрева смеси ' составляет 400 °С. Эти горелки применяют обычно на крупных нагревательных печах. Печи, оборудованные таки ми горелками и керамическими ре куператорами из шамотных блоков, могут работать без принудительной подачи воздуха Q^, мус Qp MV4 - 800 600 16 20 Рг> кПа Рис. 6.7. Зависимость производи тельности инжекционной горелки Qj. (см рис 6 5) от дааления газа перед горел'кой р^. (п = 1, rf„'r= 100 мм) Температура, Номер QS, t ос кривой кЛл/м] газ воздух 1 2 3 4 5 б На рис. 6.5 и б 7 показаны за висимости производительности ГО:; 4100 5850 5850 6650 7950 8400 300 200 20 20 20 20 600 500 500 500 500 500 редки от давления газа для горелки с диаметром носика d^^J.= 100 мм. При другом диаметре носика про пускную способность горелки по газу вычисляют, умножая величины, полученные по рис. 6.5 и 6.7, на поправочный коэффициент К. Определив полный расход топ лива на данную печь и установив нужное число горелок, опреде ляют производительность одной горелки, а затем и все ее основ ные размеры. Ниже приведены основные размеры инжекционных горелок и значения поправочного коэффициента К. Основные размеры инжекционных горелок изображенных на рис 6 4 d,,„MM D, мм d^, дюймы L, мм 75 86 100 116 134 154 178 205 235 140 220 I 185 260 1 255 200 350 410 470 490 510 |'А 1'А 380 1'/2 435 I'/i 550 2 640 2 805 ^ 700 290 71 Основные pciJMtphi инжекциоиных горелок, изображенных на рис б 6 d„ р мм D, мм Д], мм rf], мм t/jp, дюймы L, мм Л], мм rfii р мм К 75 190 125 75 V8 1145 200 100 260 200 100 '/2 1530 230 134 350 300 150 V4 2000 280 154 410 300 150 V4 2245 280 178 470 350 200 1 2285 350 205 490 350 250 J 2915 350 270 510 450 300 1 3695 460 3 ачение направо о 0 коэффициента 100 86 205 75 235 270 в работе инжекциоиных горелок существенную роль ифает туннель, стенки которого футеруют по специальным шаблонам высокоогнеупорными материалами, состоящими из 45% хромис того железняка (в порошке), примерно 45% обожженного магне зита и около J0% огнеупорной глины. Кроме того, применяют специальные фасонные блоки из каолина и шамота класса А Сечение туннеля должно быть в 7-8 раз больше сечения носика горелки, длина туннеля должна составить 6-7 диаметров носика. Туннель иыполняет роль устройства, поджигающего смесь В процессе горения газа стенки туннеля раскаляются, что обеспе чивает поджигание новых порции газо-воздушной смеси и тем самым способствует устойчивому горению Есть доказательства того, что стенки туннеля оказывают каталитическое влияние на процесс горения Недостаток горелок с туннелем заключается в очень малой возможности использования излучения раскаленных поверхнос тей туннеля для нагрева материщюв в печи При всех отмеченных преимуществах инжекционным горелкам свойственны следующие недостатки малые пределы регулирова ния, невозможность изменять теплоту сгорания топлива при дан ном диаметре сопла, большие размеры горелок значительной производительности Беспламенные горелки не следует применять в том случае, ко1да по условиям работы печи необходим хорошо светящийся и достаточно длинный факел Кроме инжекциоиных горелок предварительное смешение 1аза и во^духт осуществляется в керамических (рис 6 8) и туннель ных горелках (рис 6,9) Роль пламени керамической горелки сводится к тому, чтобы раскалить поверхность керамики до высокой температуры и обес72 печить трансформацию селективного излучения газов в сплош ное по спектру излучение огнеупорного материала Такие горел ки обеспечивают сгорание газа на керамической поверхности с максимальным приближением к поверхности огнеупора зоны вы соких температур пламени. Чем выше температура поверхности керамики, тем больше ее теплоотдающий эффект. В качестве теплоотдающей используется поверхность керамического корпу са горелки. В керамических горелках корпус горелки выполняют из высо кокачественного, чаще всего высокоглиноземистого огнеупорно го материала (алунда, муллита) Внутренний диаметр выходной части излучающей чаши обычно лежит в пределчх 50—170 мм. В центре чаши ввинчена керамическая пробк1 ймеюи1ая 20-40 узких пазов шириной около 0,5 мм каждый. По этим пазам 3 1ранее приготовленная горючая смесь поступает в зону горения Выходные отверстия в пробке выполнены таким образом, что горючая смесь растекается вдоль вогнутой поверхности чаши и, сгорая в непосредственной близости, раскаляет ее до высокой температуры. Давление горючей смеси обычно около 19,6 кПа Доля излучения при теплоте сгорания топлива 37 700 кДж/м^ составляет -80%, с уменьшением теплоты сгорания доля излуче ния падает. Оптимальное теплонапряжение излучающей поверх ности чаши находится в пределах 580-1280 кВт/м^ Минимально допустимое теплонапряжение поверхности составляет 270 кВт/м^ Рис. 68, Керамическая горелка Рис. 6 9. Многотуниельная горелка / — 'смеситель, 2 — распределительная коробка, 3 — керамические призмы 73 Из керамических горелок набирают панели, располагаемые навстречу дру1 другу. Во время работы между панелями, состав ленными из расксшенных чаш, переметается нафеваемыи металл. Поскольку температура поверхности чаш очень велика, осуще ствляется скоростной HaipeB метсшла Обычно такие юрелки применяют в ai-регатах скоростного нафева при нафеве металла под ковку и термообработку (высокоскоростная термообработка ленты). Распространение керамических горелок офаничено из-за необходимости дополнительного оборудования для компрессии газа и очень высоких требовании, предъявляемых к очис1ке газа и воздуха для того, чтобы не забивались пазы в пробках CyuiecTBycT несколько конструкций штоютуннельных горелок Одна из них — горелка ГБП (горелка беспламенная панельная) представлена на рис 6 9 В табл 6 1 приведены некоторые ос новные характеристики этих горелок Таблица 6.1. Характеристики многотуннельных горелок 1ип горелки тепловая мощность, кВт Характеристика горелки габаритные илучйющеи стены В хВ, мм число трубок 41 64 99 139 162 232 325 465 615 500 X 500 605 X 605 500x500 605 X 605 500 X 500 605 X 605 500 X 500 605 X 605 500x500 100 144 100 144 100 144 196 289 365 1 1Ы1-35 ГБП-55 ГБП-85 ГБП-120 ГБП-140 ГБП-200 ГБП-280 ГБП-400 ГЬП-530 , Керамические призмы горелок выполнены из шамота ГорелKJi можно применять при температуре нагрева не более 900 "С, что обусловлено стойкостью металлических труб Для мноютуннельных горелок характерны следующие два недостатка, связан ные между собой. 1) в результате больиюю сопротивления юрелки требуется весьма высокое давление, которое при сжигании природного газа составляет 2500 кПа, 2) юрелки, практически, не могут работать при противодавле нии в печи, поэтому их можно устанавливать только на стенах и поду печи 74 Работа керамических горелок изучена недостаточно и поэтому точ ный их расчет затруднен. Их выбирают, исходя из опытных данных В горелках с излучаюшеи чашей установлено несколько чаш определенных размеров чтооы определить размеры панелей, из лучающих количество тепла Q, полученное из теплового балан са установки, необходимо предварительно конструктивно выби рать диаметр d излучающей чаши. Используя величину среднего значения оптимального теплонапряжения поверхности горелки Яр ~ 9iO кВт/м^, можно определить тепловое излучение одной горелки 5р = Hîicfi/A, а затем найти число горелок п — Q/q^. Конструктивное оформление горелок с излучающей чашей таково, что габаритный размер (сторона квадрата, занимаемого одной горелкой) горелки S = d+ 25 мм Зная эту величину, по известному числу горелок можно определить габаритные разме ры панелей, составленных из радиационных горелок Многотуннельные горелки выбирают (см табл. 6 1) по схеме, ясной из последующего примера. Пример Необходимо выбрать многотуннельную горелку для проход ной печи с монолитным подом Длина печи 10 м, высота стен печи 1,5 м Общая теплопая мощность печи Q = 11,5 МВт Горелки размеша ют на двух продольных стенах печи общей площадью 2-10- 1,5 = 30 м^ Размер излучающей поверхности одной горелки выбираем 500 х 500 мм В этом случае в печи разместится « = 30/0,25 = 120 горелок Тепловая мощность одной горелки при этом должна составлять Зг = Q/120 = 96 000 Вт Подобную тепловую мощность обеспечивает горелка ГБП-85 (см табл 6 1) 2. Пламенные двухпроводные горелки В пламенных двухпроводных горелках подача газа и воздуха осуществляется коаксиальными струями — по внутренней трубке подается газ, по внешней скольцевои) — воздух Такие горелки обычно называют двухпроводными или горелками «труба в трубе». Общие характеристики коаксиального факела Пламя, образовашюе коаксиальными струями топлива и воз духа, обеспечивает диффузионный характер сжигания газообраз ного топлива в спутном потоке воздуха Схема коаксиального факела представлена на рис. 6.10. Как отмечалось выше и видно 75 из рис 6 10, переменными в подобном факеле являются такие величины как скорость истечения laja и окружающею ею воз духа (соответственно Wj и W2), диаметр трубок — газовой d^ и воздушной 0^2! плотности газа р] и воздуха Р2 Возможно одно временное изменение скоростей и плотностей истекающих ызов, связанное с изменением вида используемого топлива и темпера тур подофева 1аза и воздуха Поэтому в общем случае факто ром, определяюншм процесс смешения и развитие факела в це лом, будет величина т, представляющая собой отношение им пульса воздушного потока к импульсу газового, т е т = p2W2^/(p,w,2) Кроме того, изменение величины /и вовсе не исключает одно временного изменения опюшения диаметров сопел ^/2/^1- Вмес те с гем развитие факела сопровождается .орением и теплообме ном, как внутри факела, так и за его пределами. Все ото пре допределяет большую сложность тою явления природы, которое называется диффузионным факелом Рис. 6 10 Схема коаксиального факела 76 Факел исследуют многие де сятилетия, но до сих пор он таит в себе много загадок. Од нако уже получены данные, по зволяющие составить представ ление об основных закономер ностях развития коаксиального факела Многие результаты по 8 10 12 lAx/dj лучены при исследовании коак сиальных струй, образованных Рис 6 п. Изменение относительной газовыми потоками, имеющими скорости по оси коаксиальной струи разных значениях параметра т различные скорости истечения при (d^/dy = 3) и начальные температуры, но W — скорость по оси струи, UQ — на не усложненные процессами чальная скорость по оси струи, л — расстояние от среза сопла горелки, горения и теплообмена. ^2 ~ диаметр наружной трубки На рис. 6.11 представлена за висимость относительной скорости по оси коаксиальной струи от отношения импульсов внешнего и внутреннего потоков. Из кри вых хорошо видно, что при т > 1 скорость оси струи возрастает очень существенно, что указывает на интенсификацию процессов смешения и вызывает соответствующий характер тепловыделения. Распределение температуры в коаксиальных струях характеризу ется кривыми, приведенными на рис 6.12, которые подтверждаАТ„ АТо 0,8 0,6 0,4 - VWi" Ш Д2 v4 T\V 0,2 1 о T7*î:e^^ 8 12' x/d2 О Рис. 6 12. Изменение относительной температуры AT^/ATQ по оси коаксиальной струи при температуре внутреннего потока Г,, втрое превышающей температуру наружного 7*2, и при различных значениях т 1 — 5, 2—3, 3— \, -/ — 0,334, 5—0,2 77 ЮТ отмеченный выше факт ин тенсификации переменп1нания погоков по мере увеличения ве личины т сверх единицы Приведенные выше данные по коаксиальным струям под крепляются результагами экспе риментов, проведенных на юряРис. 6 13. Злниснмость длины турбу щем коаксиальном турбулент лентного коаксиального факела от параметра т при различных отноше ном факеле. Зависимость длины ниях di/d^ коаксиального факела от вели /Q - длина факела при т •- О, чин т и d2/d\ представлена на /„ - то же, при т t О рис б 13, из которою видно, чго при любом соотношении ^2/й^] кривые имеют мжсимум при /и = 1 : Этому можно дать физическое объяснение, если вспомнить, что коаксиальные струи истекают обычно в покояшуюся среду (или в среду со слабым движением), перемешиваясь между собой, одновременно вовле кают в процесс смешения окружающую среду При малой ско рости облекающего (воздушного) потока смешение с окружаю щей средой невелико и поэтому дальнобойность cipyn больше При значении т > 1 основную роль в процессе смешения и с внутренней струей и с окружающей средой начинает трать об лекающая струя, которая в результате двустороннего перемеши вания начинает интенсивно терять запас энергии и быстро зату хает. Немштую роль в этом сложном процессе двустороннего сме шения играет величина с?2М. которая вообше-то характеризует собой толщину облекающего потока (di — di) При увеличении ее перемешивание, естественно, затягивается и струя становится Дстьнобоинее Следует заметить, что после полною перемешива ния между собой коаксиадьных струи, образов шная ими общая струя продолжает развиваться по закону затопленной струи, пе ремешиваясь с окружающей средой. Двухпроводные пламенные горелки всегда работ 1ют при оп ределенной, целесообразной для данного топлива и печи нели шне коэффициента расхода воздуха (~1 1) По;щержание или из менение Вп1браннои величины коэффициента расхода воздуха при неизменном расходе топлива на горелку всегда связа1Ю с опре деленным поддержанием или изменением начсцтьного соотноше ния импульсов и размеров потоков Расход топлива на горелку и 78 выбранный коэффициент расхода однозначно определяют расход воздуха на горелку, с помощью которого и определяют скорость истечения воздуха и диаметр облекающего потока Выбирая ско рость истечения воздуха, тем самым задаются сечением воздуш ной кольцевой трубки. В промышленных условиях коаксиальные пламенные горелки чаще всего применяют для „сжигания природного газа (иногда коксового). При этом воздух бывает или холодный или подофетыи в рекуператорах до температур 200—500 °С, т. е. соотношение плотностей, входящих в параметр т, изменяется для природного газа в пределах 0,75-0,9, для коксового в пределах 1,25-1,5. Та ким образом, в основном, смешение определяется отношением квадратов скоростей. Б результате этого расчет горелок подобно го типа, который осуществляется на основании теоретических по ложении, изложенных выше опирается на правильный выбор ско ростей истечения газа и воздуха. Конструкция и работа горелок Как следует из вышеизложенного, двухпроводные горелки от носятся к группе горелок с внешним смешением и поэтому их целесообразно применять при сжигании топлива с высокой теп лотой сгорания, когда при достаточно высоком коэффициенте расхода кислорода (1,1—1,15), можно обеспечить необходимый нафев металла. Такие горелкичаще всего используют при_иеобходимости концентрированного подвода топлива небольшим числом горелок При применении горелок с внешним смешени ем наиболее просто осуществляется переход с одного вида топ лива нч другой К недостаткам этих горелок надо отнести следующее: 1) высокое значение коэффициента-расхода-воздуха,_что вы зывает излишний-расход-топлива; 2) }1еобходимость наличия вентилятора для подани воздуха; 3) потрвйность в специмьных. устройствах для регулирования количества воздуха по изменению количества газа Двухпроводные горелки могут работать на самых различных видах топлива при небольшом давлении и допускают-широкие пределы оеп/лирпнания Скорость входа смеси в устье горелки '^см ~ 10-70 м/с при давлении газа и воздуха 98-4900 Па. Не обходимое давление газа и воздуха следует брать на 35—40 % 79 Газ Рис. 6.14. Двухпроводная горелка больше динамического напора 1аза и воздуха соответственно в сечении yj. и в кольцевом сечении J^ (рис. 6.14). Следует правильно выби рать соотношение скоростей 1аза и воздуха в указанных сечениях. Ниже приведены ре комендуемые значения отно шения площади воздушного кольца /в к площади сечения газовой трубки /р для различ ных топлив Смешанным газ при 0„, кДж/м'' 3771-5866 5866-8380 Коксовый газ Природный газ 1,1 1,9 7 14 Габариты горелки невелики, причем отношение длины горелки к диаметру d составляет 5-7 Горелки этого типа применяют при подофетых газе и воздухе, работа их не зависит от давления в печи Смешение топлива с воздухом..в_двухпроводных горелках плохое ITO вызывает образование длинного факела, поэтому их целесообразно применять в тех случаях, когда тепловыделение от пламени должно быть растянуто по длине рабочего пространства П р и м е н е н и е jupcjivjR. A a n n u i u i m i a UUÛJIUHJICMU latuKS ОТНОСИТелЬНОИ п р о с т о т о й ИХ к о н с т р у к ц и и И МА1ЮЙ СТОИМОСТЬЮ Расчет горелки типа «труба в трубе» проводят следующим образом" 1) зная теплоту сгорания топлива, расход газа и воздуха, за даются скоростью движения газа в сечении /р (до 40 м/с) и определяют сечение, а затем и диаметр внутренней газовой трубки; 2) взяв соответствующее теплоте сгорания топлива отношение /в//^ и определив/р, находят j ^ , а затем и наружный диаметр воздушного кольца. Этот диаметр соответствует диаметру устья горелки, 3) по динамическому напору газа и воздуха вычисляют необ ходимое давление 80 3. Пламенные турбулентные горел1Ш Общая характеристика закрученного факела Из теории закрученных струи известно, что наиболее часто в качестве интегральной характеристики крутки применяется вели чина п= м/{к^), где М — момент количеств движения струи, постоянный вдоль струи, R М = 2лр jr'^w^w^^dr; о К — количество движения струи, R К = 2п lr(,pw^+p)dr; о d —диаметр устья струи; w^, w — аксиальная и тангенциальная составляющие вектора скорости, р — статическое давление в точ ке, где замеряется скорость г — текущее значение радиуса струи; R — радиус струи. Качество смешения в закрученных факелах зависит от интен сивности крутки. При постепенном увеличении интенсивности крутки наступает такой момент, когда возникает резкое сниже ние осевой скорости, которое при дальнейшем увеличении крут ки приводит к обратному осевому току, вызывая эжекцию по центру струи в направлении к устью горелки. Все это способ ствует интенсификации смешения топлива с воздухом, ускоряет процесс выгорания топлива, снижает дальнобойность факела, обеспечивает интенсивное движение газов в печи. Величина Q. зависит от способа образования закрученной струи воздуха, т. е. от конструкции горелки, которая тем самым оказывает решаю щее влияние на такие важные характеристики факела как эжекционная способность и дальнобойность закрученных струи. Ко личество подсосанной среды может характеризоваться относитель ной величиной V/VQ, где V — полный расход в исследуемой точке струи, а ^0 "~ расход на выходе из сопла. 81 в табл 6.2, заимствованной из работы Д Н Ляховского, при веден относительный расход V/VQ через сечение различных ст{)уи Таблица 6 2, Зна е ия велнчинь относительного расхода при различной степени закручивания струи Характер струи Незакрученная Слабозакрученнля Сильнозакрученная Отношение У/Уо при v/rf 5 20 2,0 4,0 5,1 5,1 7,0 9,8 Дальнобойность закрученной струи также существенно зави сит от интенсивности крутки, что хорошо иллюстрируется дан ными, приведенными на рис б 15 Быстрое cMeujeHHe топлива с воздухом в закрученных факелах приводит к интенсивному тепловыделению вблизи от горелки (рис 6 16), обусловливающему соответствующее изменение тем пературы в факеле по его длине. Сравнительно короткий факел, интенсивное тепловыделение в большом объеме — всЬ это опре деляет область применения горелок, в которых осуществляется закручивание, чаще всего, воздушного потока Наиболее распро страненными горелками подобного типа являются, так называе мые, турбулентные горелки 8 /ф/^о Рис. 6 15. Зависимость сравнитель ной дальнобойности струи в осевом нп11равленни от вепичины характе ристики крутки '*'хтах ~ наибольшая аксиальная скорость в данном сечении струн, "хта\0 "" f" ^^' "•! срезе сопла 82 Рис. 6 16. Интенсивность про цесса выгорания по длине закрученного / (П = 1,86) и прямого (2) факелои v — степень выгорания в до лях единицы, /ф - влинл фа кела, (/Q " диаметр воздушно го сопла Конструкции и работа горелок Турбулентные горелки по своим конструктивным формам очень многообразны Общим для наиболее распространенных горелок является то, что в них воздушная струя поступает тан генциально по отношению к газовой. Благодаря этому воздух приобретает вращательное движение, что способствует улучшению перемешивания и общей турбулизации факела Одной из наиболее распространенных является турбулентная горелка конструкции СтсШьпроекта (рис. 6.17), рассчитанная на топливо с теплотой сгорания 3770-8280 кДж/м^. В этой горелке воздух получает вращательное движение благодаря улиткообраз ной форме воздушной части корпуса. Газ поступает в устье го релки со значительной скоростью, которая обеспечивается посто янным сужением газового сопла и пережимающим действием внутренней трубки. Вращающийся вокруг газовой струи воздух разбивает ее, обеспечивая сравнительно хорошее перемешивание их друг с другом. Горелка работает при коэффициенте расхода воздуха, равном 1,1, и создает факел длина которого в 7—10^ раз больше диаметра устья горелки Для турбулентных горелок данной конструкции скорость газовоздушной смеси в устье гбрелки принимают в пределах 15—40 м/с, причем при скорости смеси 40 м/с давление газа и воздуха должно составлять 4,9-6,9 кПа I Воздух Вид А Рис 617 Турбулентная горелка конструкции института Стальпроект 83 Достоинства турбулентных юрелок 1) сравнительно низкое давление газа в воздуха; 2) обеспечивают при низком давлении и довольно простои конструкции достаточно хорошее смешение топлива с воздухом; 3) могут работать на подогретых газе и воздухе Благодаря этим достоинствам турбулентные горелки широко применяют на различных нагревательных и термических печах Ниже приведены размеры турбулентных горелок конструкции «Стальпроект», мм' D ^г й„ В Г С dx di '/j а 40 48 60 80 100 120 160 34 40 50 68 85 100 135 13 15 19 25 31 38 50 40 48 60 80 100 120 160 35 42 53 70 88 105 140 13 15 19 25 31 38 50 Для (3,1 = 3770 -5870 кДж/м^ 50 60 75 100 125 150 200 65 75 100 125 150 200 250 65 75 100 125 150 200 250 115 125 155 185 210 260 310 120,5 132,5 155 183,5 213 255 312 375 405 490 570 645 770 910 50 60 75 100 125 150 200 Для Q 1 = 587С1-9200 кДж/м^ 50 60 75 100 125 150 200 50 65 75 100 125 150 200 65 75 100 125 150 200 250 110,5 120 140,5 170,5 200,5 235 285 120,5 132,5 155 183,5 213 255 312 365 395 450 540 615 715 855 48 57 71 95 119 142 190 Турбулентные горелки можно выбирать пользуясь номограм мои представленной на рис 6 18 Горелку выбирают следующим образом 1) зная теплоту сгорания Q^ тл часовой расход топлива В на горелку определяют теплопроизводительность горелки Q = BQ^ 2) задаваясь скоростью выхода топлива из горелки (20-30 м/с) по полученной теплопроизводительности и номогршме выбир1 ют горелку (определяют ее диаметр D) Выбор ведут по пункти ру АБВ 3) определив диаметр D по приведенным выше данным на ходят все необходимые размеры горелки 84 \ Ж 2 5 \ 2 0 \ 1 5 \10 s ^v^ ^*^^v^V \ \ ;> ^>4N\NM Я-п ge to re Q. X у ^ ^ ^ ^^^^^4 \ \ ^*'*0^vv^\ Скорость смеси ^ v S ^ v X в устьегорелки40 M / C S ^ J \ ,А , ^S^ 3500 2330 1170 Теплопроизводительность горелки кВт О 3770 5000 5870 6700 7540 8380 Теплота сгорания ' газа, кДж/м'' Рис. 618 Нок ограмма для выбора турбулентных горелок 4) необходимое давление газа и воздуха определяют по фор мулам Рг = It К Рв ^ ^ в ^ в ' где Ар и Лд — скоростные напоры газа и воздуха; ^р и ^^ — ко эффициенты потерь, ^г = 0,7-0,8; ^^ = 2,5-31 4. Горелки с регулируемой длиной пламени В некоторых печах, как например в нагревательных колодцах, расход топлива изменяется во времени. При этом в соответствии с изменением тепловой нагрузки будет изменяться скорость ис течения газа и воздуха у горелки, и длина факела, что может привести к нежелательному изменению температуры по длине рабочего объема печи. Во избежание этого применяют горелки с регулируемой длиной пламени На рис. 6.19 представлена горелка с регулируемой длиной пламени, предназначенная для нагревательного колодца с одной верхней горелкой. Длина факела регулируется при помощи из менения положения газового клапана, установленного перед го релкой. Возможны два крайних /, 2 положения клапана. Если клапан будет находиться в положении 7, то газ пойдет только по центральной трубе сопла, смешение будет плохим, что вызо вет удлинение факела. Если клапан будет находиться в положе нии 2, то газ пойдет по кольцевому пространству и выйдет из 85 него веерообразно шестью струями (на рис 6.19 обозна чено стрелками) Это обеспе чит лучшее смешение и более короткий факел. Поскольку клапан может находиться так же в каком то промежуточ ном положении, представля ется возможным обеспечить необходимую^ регулировку длины пламени На рис 6.20 представлена Vuc. 6 19. Горелкл с регулируемой длигорелка с регулируемой дли но» 11 шмени для нагревательных коной пламени, разработанная лодиен одной из японских фирм К юрелке осуп1ествляется подвод первичного и вторичного газов Первичный газ поступает через центральное сопло, а вторич ный — через шесть сопел, оси которых совпадают с отверсти ями для прохода воздуха Если в горелку подается только пер вичный 1аз, то из-за слабого смешения образуется растянутый факел При подаче только вторичного газа смешение будет луч ше, а факел будет короткий Комбинируя соотношением первич ного и вторичного газов, можно поддерживать факел необходи мой длины L Вторичный газ \ Воздух Первичный газ Рис. 6 20. Горелка с регулируемой длиной пламени конструкции японской фирмы 86 5. Плоскопламенные горелю! Как отмечалось выше, в настоящее время все большее распро странение получает косвенный радиационный режим теплообме на, при котором решающее значение имеет излучение кладки печи (обычно свода). Для обеспечения этого излучения кладку надо как можно равномернее нагреть до высокой температуры Естествен но, что такой метод работы печей требует соответствующих горе лочных устройств, при использовании которых пламя будет расте каться по поверхности футеровки и обеспечивать соответствующий нагрев ее внутренней поверхности Для этой цели используются так называемые плоскопламенные горелки различных конструкции, в основе работы которых лежит создание разомкнутого факела. Общая характеристика разомкнутого факела Под разомкнутым пламенем принято понимать факел с углом раскрытия 180 , растекающийся тонким слоем и прилегающий к поверхности свода, в который вмонтирована горелка (рис 6 21) Механизм теплофизических процессов протекающих в разомк нутом факеле, еще не вполне ясен однако некоторые общие положения можно считать установленными Как и в любом дру гом, в разомкнутом факеле первостепенную роль играет процесс тепловьщеления Можно сч1.тать, что протяженность зоны дожи гания топлива составляет приблизительно одну пятую часть об щей длины факела Во многих работах подчеркивается возмож ное каталитическое влияние керамической поверхности на про цесс горения в разомкнутом факеле. Образующиеся раскаленные Поток газов из печи Рис. 621. Схема разомкнутого факела / - разомкнутый факел, 2 — сопло горелки, 3 — горелочныи камень, 4 — наружная поверхность свода, 5 — внутренняя поверхность свода 87 газы, двигаясь около поверхности керамической кладки, обеспе чивают интенсивную передачу тепла главным образом К01Н!екцией (толщина слоя хазов невелика, поэтому,излучение ифает под чиненную роль). Кладка раск^ишется и обеспечивает ингенсивное излучение на нагреваемый материал. Тем самым селективное излучение газов трансформируется в сплошное по спектру излу чение керами lecKOH поверхности Важным является вопрос о том, по 1ему осуществляется прили пание пристеночной струи к керамической поверхности При дви жении вдоль кершическои поверхности происходит подсос в струю газов из пространства расположенного между поверхностью и стру ей, и образуется разряжение большее, чем с противоположной сто роны струи. В результате возникает поперечн1ш градиент давлении способствующий прилипанию струи к поверх1юсти В большинстве случаев разомкнутый факел создчется при зжручившии воздуш ного потока, что также способствует прилипанию газового пото ка к керамической поверхности. Есть дшные о том, чю одной из причин прилипания разомкнутого факела к поверхности явля ется процесс горения, который увели 1ивает турбулентность пото ка, повышает его эжектирующую способность 1то и способству ет прилипанию ызового потока к кер ми lecKon по1ерхности Большой интерес представляют исследов1НИЯ показывающие, что важнейшие процессы в разомкнутом факеле протекают в юпком газовом слое прилегающем к кер1мическои поверхности h Па Д/ 60 - 1550 40 - I /A 1450 1 ^^ Xw 20 1 r\!>>Li._ / /////""îir^— kJL.^-^\ ^\ P V 1 1 1 1 550 50 150 250 350 450 / A*^ 1350 ^x^J/ ^ IV 6 1V rm / p MM 1 1 V 1 1 1 1 0 100 200 300 400 500 Рис. 6.22, Зависимость изменения полного irdnopa // {а) и температуры 7 (0) на разном расстоянии от оси горелки /^ от степени улаленин от керамической поверхности (горелка ГПП) I—V- сечения, см рис 6 21 88 На рис. 6 22 представлены ре зультаты, полученные при исследо вании полного напора и температу ры газов на различном удалении от ^ 200 керамической поверхности. На рис. s'• 6.23 показано изменение температу i'o б s^ ры факела на разном расстоянии от i -/ свода Приведенные данные указы 8 100 вают на интенсивное протекание гидродинамических и тепловых про Puc. 623. Изменение температу факела плоскопламенной го цессов в пределах 120—150 мм тол ры релки на разном расстоянии от щины разомкнутого факела. Плос свода а — природный газ, 6 — копламенные горелки весьма перс коксовый газ, 1, 2 — расстояние пективны, поэтому исследования от оси горелки соответственно р13омкнутого факела должны быть 210 и 600 мм продолжены Необходимо, в частно сти, провести исследования изменения температуры керамичес кой поверхности в зависимости от условии сжигания топлива rir^ 'Д Конструкция и работа горелок Для создания разомкнутого пламени стелющегося по поверх ности свода, в плоскопламепных горелках применяют горелочные камни специальной формы и рассекатели Кроме того воздущному потоку обычно придается вращательное движение Конфигу рация туннеля горелочного камня существенно влияет на форму пламени (рис 6 24, а-в). Чаще всего плоскопламенные горелки выполняют или вообще без туннеля (рис 6 24, в), или с таким туннелем, который представлен на рис. 6 24, 6. Конструкции плоскошшменных горелок в настоящее время весь ма многообразны На рис. 6 25, а приведена горелка с металличес ким рассекателем, без горе лочного туннеля, которую можно устанавливать как на своде, так и на стенах печи На рис 6 25, б дана горелка с горелочным туннелем по добным тому, который изоб ражен на рис 6 24, б Враа б в щательное движение воздуха рис (?2^ Конфигуращя туннеле в этой горелке создается плоскопламен ьх горелок 89 t^fcjp=k^ Рис 6 25 Конструкции плоскопламенных горелок а — с меттлпургаческим рассекателем б - с зав хрителем в - горелка ГПП г горелк ГР завихрителями, устшовленными в воздушной трубе Применяют ся плоскопламенные горелки двух типов (рис б 25, в и г), при чем горелка ГПП предназначена для сжигания природного laja, а горелку ГР используют для сжигания природною, коксового и смешанных газов В горелках ГПП разомкнутый факел создается закручиванием воздуха, для чего используют улиткообразной формы корпус го релки и направляющий винт с переменным шагом Газ подается 90 по центральной трубке и смешивается с воздухом, выходя из нее через небольшие отверстия (на рис. 6.25, в — обозначены d). Разработан ряд типоразмеров горелок для низкого, среднего и высокою давления (от 3 до 70кПа). В зависимости от расхода число отверстии для газа изменяется. В горелках ГР закручивание воздуха происходит вследствие тан генциальной его подачи в корпус горелки. Кроме того произво дится закручивание газа, который выходит 1ерез сопло с косыми прорезями, число которых изменяется в зависимости от расхода газа. Воздух в рассматриваемых горелках может подогреваться до 400 °С Они могут работать при изменении величины коэффици ента расхода воздуха от О 8 до 2 Пределы регулирования с со хранением плоского пламени 1 4 от выбранного расхода газа 6 Радиационные трубы Как уже отмечалось выше различные виды терми lecKon и термомехани (ескои обработки требуют отделения продуктов его рания от нагреваемого металла одним из методов которого яв ляется муфелирование пламени Для этою [фпмсняют рщиаци онные труоы в которых сжигается топливо Радиационные тру бы выполняют из жаростойких хромоникелевых етдлеи (18—25% Сг, 13—25% Ni) Они могут достато шо надежно рабо тать при температуре поверхности около 1000 °С и устанавлива ются на печах с температурой нагрева металла 900-920 °С Для обеспечения эффективной работы радиационных труб необходи МО стремиться к достижению максимально возможного теплонпп ряжения поверхности трубы т е количества тепла, отдав шмого J м^ поверхности трубы, в единицу времени Радиационные тру бы быв1ют одно и многоветьевые Конструкции наиболее распространенных ртдиациониых труб приведены на рис 6 26 По конструктивным соображениям ппг между одноветьевыми труб 1ми обычно составляет =0 5 м в то время как между двухветьевыми он равен 0 8м Поэтому поверх ность многоветьевых труб приходящихся на единицу длины ка меры нафсва больше чем у одноветьевых труб Однако в одно ветьевых трубах обеспе твается более форсированное юрение в результате чего теплоиапряжение поверхности труб у них выше В результ1те тепловзя мощность отнесенная к единице длины камеры нагрева при всех конструкциях примерно одинаков! Выбирая конструкции радтционных труб для пе len исходят из 91 Воздух Рис. 626. Радиационные ,рубы а, б, в — обратные трубы соответственно из одной, двух и четырех ветвей, г - поперечное сечение рекуператора для подогрева воздуха, / - радиационная труба, 2 — горелка, J - ре KjnepaTop, 4 - выхлопной патрубок, 5 - пат рубок для подвода первичного воздуха, б — то же, лтя подвода газа, 7 - вставка, 8 - соеди нительный патрубок для подвода подогретого воздуха из рекуператора к горелке, 9 — запаль ник, Ю - радиатор, 7/ - центральная труба 92 эксплуатационных и конструктивных соображении: срока служ бы, простоты изготовления и эксплуатации, удобства размеще ния HI агрепте обеспечения максимальной плотности рабочего пространства и др По совокупности этих соображении для большинства печей предпо 1тение отдается двух и 1етырехветьевым трубим В ради анионных трубах чаще^всего применяют горелки типа <труоа в труое> пизвилиюшис регулирииагь л^шиу пламени пи длине ра ДИ щионнои труоы 0Л1Г0Д1ря 1ему ооеспечивается равномерный 1грев поверхности труоь ь радиационных труоах г рименяют ре куператоры^для подофева воздуха которые представляют собой реористыи ради iTop из жароупорного чугуна инутри радиатора расположен! стшьная труба Воздух поступает через центральную трубу проходит по кольцевой шели между центральной трубкой и внутренней поверхностью радиатора и через соединительный патрубок направляется в горелку Продукты сгорания омывают радиатор снаружи Все трубы представленные на рис 6 26 предназна гены для работы на поиоолном газе Характеристика этих труб приведена в табл 6 3 Таблица 6 3. Характеристика рад11ац110нны\ труб (см. рис. 6.26) Тип трубы Параметры Размеры, мм L D б S Рабочая поверхность трубы, м^ Максимальная пропускная способность по газу, м-^/ч Давление перед трубой при максимальной пропускной способности по газу. Па газа воздуха Температура подогрева воздуха в рекуператоре, "С ' „ ^ Р-образная двухветьевая четырехцетьевая 1500 2000 1500 140 6,0 4,0 150 168 6,0 8,0 280 2.1 168 9,5 8,0 280 3,2 10 20 9470 2900 6200 3000 3800 4500 490 350 320 0,87 93 Расчет числа радиационных труб по методике, применяемой в Стальпроекте, осуществляют, исходя из того количества тепла, которое должно быть подано в ту или иную зону печи и которое находят с помощью теплового баланса Определив величину теплонапряжения единицы поверхности радиационной .^jwu., „аходят (на всю зону^ неойходимую поверхность оадиационных труб и затем их чиаю Теплонапряжение поверхности радиационных труб, Вт/м^, мо жет быть определено из выражения С Uooj [\оо) 1де 7^ и Г^ — соответственно температура поверхности трубы и средняя температура поверхности металла в камере нафева, К Температуру поверхности металла выбирают на 50-100 °С выше температуры нафева Величину приведенного коэффициента нол^чсппл,определяют в соответствии с применяемой схемой теплообмена Очень часто радиационные трубы используют при нафеве листа и ленты. Характерисгик-а иишсмы для этого случая приведена на рис 6 27 Значение С„р [ВтДм^ • К"*)] может быть определено по следую щим выражениям* при одностороннем расположении радиационных труб общ фп"(тГ-')"'^2''"*(-^"') + I при двустороннем расположении радиационных труб С = фОбш + фОбщ|_1_1| где Сп —i коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, BT/(wr- К'*); Б1 и Е2 - соответственно степень черноты поверхно сти радиационных труб и нафеваемого материала При термооб работке в защитной атмосфере приближенно принимают Б] = 0,75 94 ^ЙЗ / 2 9 SID Рис б 27. Характеристика системы радиационнь е трубы-металл-кладка а — схема системы б — зависимость угловых коэффициентов от относительного шага, / — радиационные трубы, 2 - металл (лист или лента) 3 — кладка и Е2 = 0,5; Ф12 и Ф21 ~ соответственно угловые коэффициенты излу1ения от металла на трубу и от трубы на металл с учетом отраженного излучения кладки (см рис 6 27) ф2°,бЩ = Ф2, + Ф21(1 - Ф 2 1 ) = Ф 2 1 ( 2 - Ф 2 1 ) И ^^^^ =Ф2^" ^ i S — расстояния между осями труб (шаг труб), м; Z) — наружный диаметр трубы, м. ' Глава 7 СЖИГАНИЕ ЖИДКОГО ТОПЛИВА Как уже указывалось в первом томе данного учебника жид КИМ топливом которое используют для отопления металлурги ческих печей является мазут И несмотря на то что доля (по теплу) используемого жидкого топлива сравнительно невелика вопросы относящиеся к теории и практике его сжигания важ ны и актуальны так как жидким топливом обы жо отапливают ся высокотемпературные плавильные и реже нафевательные печи ифающие важную роль в процессе производства металла 1 Общая характеристика мазутного факела Так же как и для факела газообразного топлива важнейшими характеристик 1ми мазутного факела являются его дли)1а распре деление температуры по длине радиационные характеристики Уже отмечалось, что сжигание жидкого топлива производится в 95 распыленном состоянии Причем основными процессами опре деляющими формирование и развитие факела жидкого топлив» являются распыливание смешение с окислителем, испфение топлива сгорание топлива (паров капли углеродистого остатк О Важнейшими из них являются распылив гние и смесеобр пование которые определяются выбранным способом сжигания топлив! Рассмотрим это подробнее В металлургических пе lax обы IHO используют распылители низкого и высокого давления Рчспылителем низкого дишения является вентиляторный воздух с давлением до 10 кПа распыли тели высокого давления - компрессорный воздух с д »влением от 300 до 900 кПа или водяной пар с давлением от 300 до 1500 кПа Все эти распылители обеспечивают различный характер распыли вшия и смесеобразования Размер капли распыленного топлива зависит от давления распылителя что хорошо иллюстрируется данными приведенными в табл 7 1 Очевидно что мелкие капли быстрее прогреваются испаря ются и сгорают Однако из этого нельзя сделать однозначный вывод о длине мазутного факела В общем виде длина мазутного факела м может быть выражена следующим образом и WX 'ф где w — средняя осевая скорость факела м/с т - продолжитель ность горения частиц топлива с Продолжительность горения капли топлива зависит не только от ее размеров, но в значительной степени и от контакта поверхТаблица 7.1. Размеры капель жидкого топлива Параметры Давление распылителя, кПа Радиус капли топлива, мм Распылитель вентиляторный компрессорный воздух воздух 0,1 0.2 0,8 300 500 700 900 0,4 0,05 0,025 0,0042 0,0024 0,0016 0,0012 Параметры Давление распылителя, кПа Радиус капли топлива, мм 96 300 0,0046 Распылитель пар 500 1000 0,0027 0,0014 1500 0,0009 ности капли с окислителем т е от процесса смесеобразования. Чем быстрее и равномернее обеспечивается перемешивание рас пыленного топлива с окислителем (обы шо воздухом) тем ин тенсивнее идет тепловыделение и тем быстрее повышается тем пература При хорошем смешении распыленного топлива с воз духом более крупные капли топлива могут сгореть быстрее чем мелкие капли при плохом смешении При использовании в качестве распылителя вентиляторного воздуха весь необходимый для горения воздух подается через форсунку — устройство, предназначенное для распыливания и сжигания жидкого топлива. Таким образом, в этом случае вен тиляторный воздух обеспечивает и распыливание и горение. Бла годаря тому, что весь воздух, необходимый для горения, прохо дит через форсунку, достигается его хорошее перемешивание с распыленным топливом, что обеспечивает его быстрое и доста точно полное сюрание при величине коэффициента расхода око ло 1,15 Хорошее смешение топлива с воздухом и малая величи на коэффициента расхода воздуха обеспечивают интенсивное нарастание температуры факела и относительно быстрое испаре ние и сгорание капель топлива При использовании в качестве распылителя компрессорного воздуха через форсунку подается только около 10% воздуха, не обходимого для горения, весь остальной воздух подается к кор ню факела в качестве вторичного воздуха под действием венти ляторов При этом осуществляется медленное смешение вторич ного воздуха с потоком распыленного топлива В этих условиях для обеспечения необходимой полноты сгорания следует поддер живать величину коэфффициента расхода воздуха около 1,25. Испарение и сгорание топлива при этом происходит относитель но медленно с соответствующим изменением температуры и теп ловыделения по длине факела Это положение еще более усугуб ляется при испрльзовании в качестве распылителя — пара, при котором весь необходимый для горения воздух подается в виде вторичного воздуха Однако на длину мазутного факела оказыва ет влияние не только продолжительность горения частиц топли ва, но и средняя осевая скорость движения потока, которая за висит прежде всего от скорости истечения потока из сопла фор сунки. При использовании вентиляторного воздуха скорость истечения составляет 60-100 м/с при использовании распылите лей с высоким давлением скорость истечения может достигать 4-5041 97 Длина печи Рис. 7.1. Схема распределения температуры по длине печи при краткопламенных (/) и длиннопламенных {2) форсунках 1 2 3 4 Расстояние от форсунки, м Рис, 7.2, Изменение излучения ма зутного факела по его дтине (стен довые испытания) сверхкритической величины (иногда, в этих случаях критерий Маха бывает ^3). В результате при использовании вентиляторного воздуха ма зутный факел короче, чем при использовании компрессорного воздуха и пара. В короткоиламениых форсунках (рис 7 1) темпе ратура факела достигает своей максимальной величины быстрее (ближе к форсунке), чем в длиннопламенных. Мазутный факел характеризуется высокой излучательной спо собностью (е « 0,9), вызванной значительной концентрацией и оптимальной дисперсностью сажистых частиц в объеме пламени По мере выгорания топлива концентрация и размер сажистых частиц уменьшается, что и определяет вместе с падением темпе ратуры характер теплоотдачи излучением по длине мазутного фа кела (рис 7 2) 2. Сравнительная характеристика форсунок Для сжигания жидкого топлива используются форсунки раз нообразных конструкций В металлургических печах обычно при меняют прямоструйные форсунки низкого и высокого давления. К форсункам предъявляют следующие требования 1) хорошее распыливание и перемешивание топлива с воздухом; 2) обеспечение устойчивого горения незатухающего факела нужной длины; 3) надежность в эксплуатации, простота и прочность конст рукции, незасоряемость, удобство чистки В соответствии с используемым распылителем все форсунки делят на две большие группы низкого и высокого давления (табл. 7 2). Выбор форсунки для конкретных печей производит98 Таблица 7.2. Сратштелышя характеристика форсунок низкого и оысокого даолеиия Параметры Распылитель Давление распылителя кПа Доля распылителя (воздуха) от всего воздуха, ' расходуемого на горение, % Доля вторичного воздуха от всего воздуха необходимого для горения % Предельная температура подогрева воздуха, "С Удельный расход распылителя на 1 кг мазута Скорость выхода распылителя из форсунки, м/с Степень распыливания (диаметр капли), мм Характеристика форсунок низкого давления высокого давления Вентиляторный воздух 2,94 - 8,82 Компрессорный воздух, водяной пар Компрессорный воздух 600 - 800, пар 600 - 1800 100 7-12 0 88-93 Подогрев вторичного воздуха не ограничен 300 — 50 - 80 0,6, 0,8 Обычно S330 В от дельных случаях > 330 До 0,5 0,05 СЯ как с учетом необходимых характеристик факела, так и с учетом того что вторичный воздух который не проходит через форсун1су а поступает к ней по специальным керамическим ка налам^ MoiceT подогреваться до весьма высоких температур (1100—1200 °С) Поэтому форсунки высокого давления применя ют на таких печах, где ну>:сен достаточно длинный факел и где для достижения высоких температур в рабочем пространстве (на пример, мартеновских печах) необходимо воздух подофевать до высокой температуры. В форсунках низкого давления вентиляторный воздух не мо жет иметь температуру выше 300 °С, так как при превышении этой температуры корпус форсунки чрезмерно разогревается, что может привести к разложению идущего через форсунку мазута и забиванию сопла форсунки Поэтому форсунки низкого давле ния используют на различных нагревательных печах, где необхо дим сравнительно короткий факел и температура подогрева воз духа -300 °С является приемлемой 4. 99 Преимущество форсунок низкого давления состоит в гом, что мазут в них сгорает полнее, что достигается благодаря участию большой массы воздуха в распыливании В форсунках высокого давления подача основной массы воздуха помимо форсунки при водит к снижению качества смешения и является причиной не сколько повышенного расхода воздуха 3. Форсунки низкого давления Форсунки низкого давления весьма многообразны Типичной форсункой этого типа является широко распространенная фор сунка конструкции Стальпроекга (рис 7 3) Давление мазута пе ред форсункой составляет 49,0-98,0 кПа распылителем служит вентиляторный воздух, который можно подогревать до 300 °С Обычно в форсунках низкого давления весьма невелики воз можные пределы регулирования расхода мазута Это объясняется тем, что с уменьшением расхода мазута снижается расход возду ха, в результате чего уменьшается скорость выхода воздуха и Воздух ^0^Х2^2^£^Щ Мазут Рис. 7,3, Форсунка конструкции Стальпроекга / - мазутная трубка, 2 - винты для центровки мазутной трубки, 3 — И1ла для регулирования подачи мазута, 4 - сливная пробка 100 ухудшается его распыливающее действие. В форсунке конструк ции Стальпроекта можно изменять расход мазута до 40—50% максимальной ее производительности без заметною ухудшения распыливания. Это обеспечивается возможностью перемещения мазутною сопла при помощи специального рычага, в результате чего изменяется сечение для выхода распылителя и скорость его остается на должном уровне Форсунка снабжена специальным циферблатом, на котором отсчитывается степень регулирования подачи распылителя. Следуег обратить внимание на то, что в фо{5сунке конструкции Стальпроекта трубы для подачи мазута и воздуха расположены на одной оси Поэтому можно, не снимая форсунки, лишь по вернув ее, осуществлять осмотр и чистку. Форсунка дает длин ный, узкий факел, причем дая полноты сгорания необходимо поддерживать коэффициент расхода воздуха, равный 1,2 В настоящее время многие форсунки типизированы, что по зволяет не рассчитывать их, а выбирать в зависимости от произ водительности. Основные размеры форсунки конструкции Сталь проекта приведены в табл 7.3. Широкое распространение получили турбулентные форсунки конструкции А И. Карабина (рис 7 4), которые отличаются сле дующими основными особенностями: 1) воздух, необходимый для распыливания и горения, посту пает через тангенциально расположенные окна 2 воздушного сопла / и встречает частицы топлива под углом 75—90°; Таблица 7.3. Характеристика форсунок ко стру ц и Стальпроекта Характеристика форсунки Внутре <ии диаметр воз ухопровода, дюим/мм 1,5/3,8 2,5/65 4/100 5/125 6/150 8/200 Производительность, кг/ч, при даилении воздуха, кПа 2,94 6,86 3,5 8 II 24 32 57 54 82 80 120 135 205 Диаметр сопла, мм мазутного воздушного 2,5 21 3 40 4 60 5 95 6 13 21,6 5 75 25 6 135 42 4,9 6,9 14,8 25,4 Ход мазутного сопла, мм Масса, кг 32 ^0,1 56,0 101 Воздух 1^^^ i--' 1 ^ ^ Рас. 7.4. Форсунка конструкции А И Карабина 2) подачу топлива регулируют иглой 3 у выхода из форсунки. При перемещении иглы поворотом маховичка размер выходной щели для топлива изменяется, а скорость вылета частиц топлива остается постоянной и достаточно большой Опыт эксплуатации показал, что при работе на вязких топливах эта форсунка дает короткий и ровный незатухающий факел, но более широкий, чем другие форсунки. В результате чего не обходимо устройство форсуночного окна в кладке К недостат кам форсунки следует отнести трудность регулирования подачи воздуха, которое можно осуществлять только при наладке При расчете форсунок низкого давления определяют выход ные сечения для мазута и воздуха Необходимая площадь выходного сечения для мазута, мм^: где А — коэффициент, равный 195,625 при давлении, выраженном в Паскалях; b — расход мазута, кг/ч; р^ - давление мазута, Па; \^^^ — коэффициент расхода мазута; р^, — плотность мазута, кг/м^. Значение коэффициента расхода ц^ для форсунок низкою и высокого давления лежат и пределах 0,2-0,3, а плотности мазута Рм - 950-960 кг/м^. Выходные сечения для воздуха форсунок низкого давления определяют по выражению /в = 102 A'V^/\iy[p^^, где /g - площадь выходного сечения, мм^; V^ — количество воз духа, пропускаемого форсункой, MV^; РВ ~ полный напор перед выходным отверстием, Па; ц - коэффициент расхода воздуха, составляющий около 0,7-0,8; А' — коэффициент, равный 618,75, при /?а, выраженном в паскалях; pg — плотность воздуха, кг/м-'. 4. Форсунгси высокого давления Как отмечалось выше в форсунках высокого давления в ка честве распылителя применяют компрессорный воздух или пар Конструктивно форсунки высокого давления для распыливания паром или схатым воздухом мало отличается одна от другой Распылитель выходит через сопло или щель с большой скорос тью и раздробляет топливо В зависимости от формы сопла ско рость выхода распылителя может быть докритическои или сверх критической. Типичной для круглых струйных форсу}юк высокого давления одноступенчатого распыливания с внешним смесеобразованием применяемых на малых и средних печах является форсунка кон струкции В Г Шухова (рис 7 5) Проходное сечение ее 1 для мазута постоянно Размер паровой (воздушной) щели регулируют перемещением мазутной трубки 2 для чего требуется ослабить контргайку 3. Вследствие сложности такого регулирования прак тически предпочитают регулировать расход мазута вентилем ус Мазут '^^^'^^^^^^^''^^^'^''''^ '//>уу///// 1 2 Воздух Рис. 7.5, Форсунка конструкции В Г Шухова 103 тановлеиным на мазутопроводе, а расход пара — вентилем, смон тированным на подводящем паропроводе. В результате эффект распыливания ухудшается, а удельный расход пара увеличивается Скорость истечения распылителя не превышает скорости звука (330 м/с) Факел форсунки узкий и длинный Для форсунки мапых размеров длина факела сосгавляег 2,5-4 м; для больших форсунок она достигает 6-7 м Фор сунка пригодна для работы в длинных топочных камерах Для малых камерных печей форсунка конструкции Шухова непригод на так как пламя ударяет в противоположную стену камеры, разрушает кладку и образует коксовые наросты несгоревшего мазута Часть топлива выносится из печи несгоревшей Расход пара, необходимого для распыливания 1 кг подогретого мазута, составляет 0,4-0,6 кг/кг, ^ расход сжатого воздуха изменяется от 0,6 до 0,8 мЗ/кг Форсунки изготовляют десяти размеров (номеров) рассчитан ных на производительность от 3 до 400 кг/ч (табл 7 4) Для отопления крупных металлур! ических печей например мартеновских применяют форсунки высокого давления особой конструкции создающие достаточно жесткий светящийся факел например форсунку конструкции, показанной на рис 7 б Таблица 7.4. Характеристика форсунок конструкции В. Г. Шухова Характеристика форсунки Номер Диаметр мазутопровода, дюйм 3/8 3/8 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 3/4 3/4 3/4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 б 9 7 10 8 11 10 13 13 16 16 20 Выходной диаметр, мм для мазута для пара 2 3 4,5 5,5 4 7 5 8 Производительность*, кг/ч 1 II П1 3 7 10 6 20 30 12 40 60 19 60 90 27 38 50 70 125 200 80 100 130 180 250 350 120 150 180 240 320 400 Масса, кг 0,7 0,7 08 0,8 0,8 0,8 08 1,5 1,5 1,5 * I - напор мазута до 4,9 кПа, II - то же, до 58,8 кПа, давление пара или воздуха у форсунки 294,2-490,3 кПа, III - напор мазута 196-245 кПа, давление пара или воздуха свыше 490 кПа 104 Рис. 7.6. Форсунка для мартеновских печей В этой форсунке мазут поступает по центральной трубке а распылитель д^о соприкосновения с топливом расширяется до дав ления, близкого к атмосферному. Применение сопла Лаваля с диффузором позволяет достигать очень высокой скорости исте чения (750 м/с и более), что обеспечивает хорошее распыливание мазута. Пар, предназначенный для распыли вания, должен быть пере гретым. Пар можно заменить компрессорным воздухом при не сколько увеличенном расходе воздуха, при этом длина сопла Лаваля получается меньше. Производительность форсунки изме няется в пределах 250-2500 КГ/J при изменении расхода пара или компрессорного воздуха (распылителей) соответственно 25—1250 и 180-1900 кг/ч. Достоинства форсунки (рис. 7 6) заключаются в простоте, лег кости подбора отверстии рассчитанных на заданную производи тельность и сравнительно хорошем распылении.' Форсунки в мар теновских печах устанавливают по оси головки Необходимый для горения вторичный воздух, подогретый в регенераторах, поступа ет к форсунке по специальным керамическим каналам. В нафевательных печах иногда при применении форсунок высокого давления вторичный воздух для горения такхсе посту пает по специальным керамическим каналам. Однако в большин стве случаев применяют форсунку высокого давления вместе с форсуночной коробкой (рис. 7.7), через которую подается воз дух, необходимый для горения. Основные размеры некоторых форсунок высокого давления (ФВД) с двойным распыливанием приведены в табл 7.5. 105 I Воздух Распылитель Рис. 7.7. Форсунка высокого давления конструкции Стальпроекта (о) и установка форсунки и форсуночной коробки (6) Форсуночные коробки применяют при температуре воздуха до 400 °С Выходное сечение по воздуху рассчитывают на действи тельную скорость в пределах 20-25 м/с. Таблица 7 5 XapaiTcp ст са форсунок высокого давления конструкции Стальпрое та (см р с 7.7) Характеристик a форсун ки Пропускная способность при д а т е н и и мазута 200 кПа. кг/ч Размера, мм dx d2 dj d, L Масса, кг 106 ФВД-100 Тип форсунки ФВД-200 ФВД-400 ФВД-600 100 200 400 600 10,8 12 16 17 1270 11,7 17 21 22 1270 13,0 24 28 29 1470 16,5 29 33 34 1470 10,2 10,2 14,9 14,9 5. Комбинированное газо-мазутное отопление В производственных условиях по различным причинам воз можно изменение вида используемого топлива или добавление в случае нехватки одного вида топлива к другому (чаще всего мазута к газу). Иногда возникает необходимость в резервном топливе, в переводе печей с одного вида топлива на другой или в работе печей на комбинированном газо мазутном отоплении Решать подсобную задачу можно двумя способами. Первый свя зан с установкой на печи, как горелок для сжигания газа, так и форсунок на случай перевода печей на полное или частичное отопление мазутом. Очевидно, что такой способ не является ра циональным, так как усложняет конструкцию самой печи и со здает большие проблемы по обеспечению печи воздухом для го рения Другим, несомненно более рациональным способом является создание таких устройств, которые могут работать как на газо образном и жидком топливе по отдельности так и при комби нированном использовании. Создание таких устройств является весьма сложной задачей поскольку сусигание газообразного и жидкого топлива происходит в совершенно различных условиях Газообразное топливо готово к сжиганию и его необходимо лишь смешать для этого с воздухом. Оно легче воспламеняется сжига ется с меньшим коэффициентом расхода воздуха сгорает быст рее и полнее Жидкое топливо надо сначала распыливать, затем смешивать с воздухом, обеспечивая его испарение и горение. Для полноты сжигания мазута необходимо поддерхсиват ь более высо кую величину коэффициента расхода воздуха При одновремен ном сжигании газообразного и жидкого топлива горение после днего будет затягиваться, так как газообразное топливо будет потреблять кислород в первую очередь Горелки, рассчитанные на комбинированное сжигание газооб разного и жидкою топлива, должны иметь воздухопроводы, спо собные обеспечить их воздухом при самом разнообразном топ ливе. Целесообразно использовать такие комбинации различных видов топлива, при которых расход воздуха в единицу времени оставался бы приблизительно постоянным. Все это усложняется еще и целесообразностью, а иногда и необходимостью, исполь зования подофетого воздуха Как уже отмечалось, мазут дает факел с высокой излучательнои способностью, поэтому сжигание природного газа с карбю107 ч .J \ s ss s \• Tpi'A Воздух Мазут ТР-У4 Puc. 7.8 Газо-мазутная форсунка для мартеновских печей / — игла для регулирования сжатого воздуха, 2 ~ воздушное сопло, 3 - мазутное сопло, 4 ~ труба для топливно-воздуипюи эмульсии, 5 - труба газовая, 6 - наконечник, 7 - диффузор рацией факела мазутом является в настоящее время весьма рас пространенным Расход мазута составляет обычно 25-40% от всего расхода тепла на печ„ Для этой цели применяют р^.^лич ные газо-мазутные форсунки, од/ja из которых приведена на рис 7.8 Эга форсунка позволяет сжигать за час до 1200 кг мазу та и до 1000 м-' природною газа В качестве распылителя исполь зуют сжатый воздух давлением 0,45 МПа Если давление газа име Рис 7 9 Форсу ка А И карабина приспособ енная для г о мазутного отопле я 108 Воздух I Мазут Рис 710 Комбинирова ная газо мазутная горелка для нагреиательнь х печей ет приблизительно аналогичную величину, то распыливание ма зута может осуществляться природным газом высокого давления. В нафевателоНиТХ печах существующие форсунки иногда при спосабливают для комбинированного газо-мазутного отопления (рис. 7 9). Создают, однако, и специальные конструкции газо мазутных горелок (форсунок), предназначенных для комбиниро- Рис, 7.11. Комбинированная газо-мазутная горелка с раздельным подводом мазута и газа / — центральная воздушная труба, 2 — форсунка, 3 — газовые трубы, 4 — закручивающие лопатки, 5 - отверстие для выхода газа 109 ванного отопления. Таких конструкций очень много и найти для них определенный классифицирующий признак трудно Существуют газо-мазутные горелки, в которых мазут и газ подаются в зону горения через концентрические, расположенные по оси горелки трубки (рис 7.10). Такие горелки применяют для отопления нагревательных печей. Они характеризуются теплопроизводительностью до 42 ГДж/ч. Работают горелки на мазуте и коксовом газе при давлении газа 1-5 кПа Допускается подофев газа до 200 °С и воздуха до 500 °С. В других газо-мазутных горелках мазут и газ подаются по не объединенным конструктивно трубкам (рис. 7 11), причем мазут — всегда по внутренней трубке, так как он труднее смешивается с воздухом Для улучшения смешения устанавливают специальные закручивающие лопатки для воздуха, а газ выходит из трубок через многочисленные маленькие отверстия В случае чисто га зового отопления форсунка может быть вынута Раздел III ШАТЕРМАЛЫ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕРЛЕНТЫ М МЕХтМЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНА ПЕЧЕЙ Глава 8 ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 1. Общие соедешш Огнеупорными называются материалы которые могут в тече ние длительного времени при температуре свыше 1800 К сохра нять механическую прочность и форму Огнеупорные изделия являются наиболее дорогостояш,ими и важнейшими из материалов, применяемых в печестроении. Они используются при сооружении рабо lero пространства печи и дру гих частей печного агрегата, работающих в условиях высоких тем ператур и воздействия афессивных сред (газов, окалины, распла вов и т д) От качества огнеупоров и их разрешающих способно стей во многом зависит развитие металлургии, длительность работы печей, их технико-экономические показатели. Огнеупорные материалы должны обладать следующими основ ными свойствами — высокой огнеупорностью (не ниже 1850 К); — высокой механической прочностью при температуре выше 1300 К; — способностью переносить температурные колебания не раз рушаясь; — химической стойкостью по отношению к компонентам ме таллургических процессов — постоянством форм и объема при нагревании* — необходимыми физическими свойствами - пористостью, плотностью, теплоемкостью, теплопроводностью, электропровод ностью Свойства огнеупорных изделий определяются прежде всего их химическими составом и технологией изготовления. 111 2. 1Слассификация огнеупорных изделий Огнеупорные материалы классифицируются по многим призна кам химико-минералогическому составу, химическим свойствам, по способу упрочнения, термообработки, по способу формирова ния, по геометрической форме и т д При необходимости сведе ния о классификации огнеупоров можно найти в специальной литературе. В данном параграфе представлена только та часть классификации огнеупоров, которая необходима для дальнейшего изложения материала Классификация по химика минералогическому составу Все огнеупоры классифицируются по химико-минералогичес кому составу на типы и группы (табл 8.1) Таблица S.I. {{лассифпкаи я ог еупоров по хнмико-мпнералогическому составу N» п/п Тип Группа 1 2 3 I Кремнеземистые 2 Алюмосиликдтиые 3 4 Глиноземистые Глиноземоизвестковые Магнезиальные Магнезиальноилвестковые 5 б 112 Из Kuapueooro стекла Динасовые Динасовые L добавками КварцсЕзые (бетонные и безобжиговые) Полукислые Шамотные Муллитокремиеземистые Муллитовые Мулпитокорундовые Корундовые Алюминаткальциевые Массовая доля определяющих химических ,компонентов на прокаленное вещество, % 4 Si02>97 S1O2 2: 93 80iSiO2 5 93 Si02>85 Si02<85, А120з<28 28SAI2O3 £45 45<А120з <62 б2<А120з '•72 72<А120з <90 AI2O3 > 90 AljOj > 65 10<CaO<35 Пёриклазовые (магнезитовые) MgOS:85 riepHKjiasoHJBecTKOBHe 50 < MgO < 85 Периклазоизиестковые 10<CaO<45 стабилизированные 35 < MgO S 75 Известковопериклазовые CaO Si02>2 (доломитовые) 15<CaO<-40 10 < MgO s 50 45£CaO<;85 1 7 8 2 Известкоиые Машезиальиоипинелидные 3 Изиестковые Периклозохромитовые Хромитопериклазовь е Хромитовые Периклазошпинелидные Периклазо ипинельные Шпинельные 9 Магнезиальносиликатные Периклазофорстеритовые Форстеритохромитовые 10 Хромистые 11 Цирконистые Хромоксидные Бадцелеитовые Бадделеитокорундовые Цирконовье 12 Оке иди ь е 13 Углеродистые 14 Карбидкремниевые 15 Бескислородные Специальные из огнеупорных оксидов ВеО, MgO, СаО, AljOj, CrjOj.'VjOj, ScjOj, S1O2, SnOj, ZrOj, НЮз, rhOj, UO2, CsjO и др Графитированные Угольные Углеродсодержащие Карбидкремниевые Карбидкремниисодержащие Из нитридов, боридов карбидов, силицидов и других бескислородных соединений (кроме углеродистых) Продолжение табл 8 1 4 СаО г 85 MgO г 60 5 й СггОз ^ 20 40 й MgO < 60 15<Сг20з<35 MgO < 40 СГ2О3 > 30 50 й MgO й 85 5 S СгзОз <. 20 AI2O3 <"25 MgO > 40 5йА120з ^ 5 5 25 S MgO 5 40 55<А120з <70 65 < MgO < 85 S1O2 'г 7 50 S MgO < 65 25 2 5102^40 45 £ MgO < 60 20<SiO2^30 5 5 С г 2 0 з 5 15 СГ2О3 S 90 Zr02 > 90 20 <. ZrOj i 90 А120з£б5 ZrOj > 50 S1O2 > 25 Содержание перечисленных оксидов не ниже 98% по сухой массе С > 98 О 85 8SC582 SiC > 70 15 < Си 70 Максимально достижимое содержание бескислородных соединении 113 Классификация огнеупоров по химическим свойствам В зависимости от химических свойств огнеупорные материалы разделяются на три вида кислые, нейтральные и основные В основу такого деления положена способность огнеупорных изделии при высокой температуре вступать в реакцию с кислы ми, основными или нейтральными химическими соединениями Так, например, кислые огнеупоры нельзя использовать в зоне, где находится основной шлак или стены которой подвергаются воздеис1вию газов, содержащих основные химические соединения и пыль Иными словами, в печах с окислительной атмосферой или кислыми шлаками необходимо исгюльзовать кислые огнеупоры, а в печах с основным технологическим процессом - основные На практике строго вьшерживать этог принцип не удается, прежде все10, из-за сложного химизма металлургических процессов Однако такой способ разделения огнеупоров удобен, так как подчеркивает связь между химическим составом огнеупора и его свойствами Главным компонентом кислых огнеупоров является свободный кремнезем Огнеупором с самой высокой кислотностью является динас. К кислым огнеупорам относятся также цирконовые и карбидкремниевые изделия, являющиеся кислыми огнеупорами спе циального назначения Близко к кислым по своим свойствам рас полагаются полукислые огнеупоры Строго нейтральных огнеупоров не существуег, однако к нейгральным относят высокоглиноземистые и углеродистые Главными компонентами основных огнеупоров являюгся окси ды магния и кальция. К основным огнеупорам относятся магне зиальные и хромопериклазовые изделия Шамотные изделия ис пользуются и в кислых, и в нейтральных средах, а иногда и в основных Связано это не со свойствами огнеупоров, а с их отно сительно низкой стоимостью Классификация по пекоторылг другим признакам В зависимости от способов упрочнения oi неупорные изделия подразделяются на бетонные, состоящие из oi неупорного запол нителя, связки (гидрагационной или химической) и добавок, при обретающие заданные свойства при твердении в условиях нор мальной температуры или нагрева не выше 900 К (это бетонные блоки); безобжиговые, приобретающие заданные свойства при сушке или коксовании при температуре не выше 900 К; обожжеи114 ные, подвергнутые спеканию в процессе обжига; горянепрессованные, подвергнутые спеканию в процессе прессования, и i д. По форме огнеупорные материалы подразделяются на изделия, имеющие определенную геометрическую форму и размеры (фор мованные огнеупоры), и неформованные изделия, выпускаемые в виде порошков, которые употребляют после смешения с другими компонентами, или в виде масс, непосредственно готовых к упот реблению. Большинство формованных огнеупорных изделий выпускают в виде прямоугольного параллелепипеда массой в несколько кило граммов Это так называемые нормальные кирпичи со следую щими размерами: прямой 230 х (114, 115)х(б5, 75) мм; клиновой 230 X (114, 115) X (65 X 55, 65 х 45, 75 х 65, 75 х 55) мм. Нормальные кирпичи весьма универсальны, они удобны при выполнении кладки различной конфигурации Выпускаются также фасонные огнеупорные изделия, которые в зависимости от формы подраз деляются на ряд типов. По применению в кладке огнеупорные материалы делятся на доменные, предназначенные для кладки доменных печей; насадочные, используемые для клад1си регенеративных и рекуперативных насадок, ковшевые, употребляемые для футеровки ковшей и др. Непрерывное совершенствование существующих металлурги ческих процессов и возникновение новых вызывает необходи мость расширения ассортимента огнеупоров и создания новых огiieynopHbix материалов Так, огнеупорные бетоны, постепенно занимая все более видное место среди огнеупоров, уже сейчас насчитывают несколько десятков разновидностей и имеют свою разветвленную классификацию. Так>хе бурно развивается произ водство волокнистых огнеупоров и изделий из волокон: плиты, бумага, картон, ткани и т.д. Только на основе коалиновой ваты выпускается более 50 видов огнеупорных изделий. В стандартную классификацию пока не включены новые огнеупорные материа лы Среди них особую группу составляют органо-минеральные эластичные огнеупорные материалы ЭЛОМ. В этих огнеупорах твердые высокоогнеупорные оксиды (80-90%) связаны каучуками, полиолефиновым воском и другими эластичными органичес кими материалами. Эластичные огнеупорные материалы приме няют для уплотнения стыков огнеупорных изделии при разливке стали под регулируемым давлением, изоляции металлоконструк ции от воздействия расплавленных металлов, солей и их паров, 115 ими заменяют мертели и др В классификационную таблицу так же не вошли огнеупорные системы S i - C - 0 - N и Si-Al-0-N (сиалоны). Вновь разрабатываемые огнеупоры очень быстро на ходят самое широкое применение в технике Например, в США из общего объема используемых oi неупоров 25% составляют ог неупоры, разработанные в последние 5 лет 3. Принципиальная схема производства огнеупоров В природе встречаются естественные огнеупорные материалы, однако основная масса огнеупоров, применяемых в металлургии, имеет искусственное происхождение Теоретические основы современного производства огнеупоров сформулированы академиком А. А Байковым и заключаются в следующем Необходимо выделить в возможно более чистом виде главные соединения, составляющие основу огнеупора В качестве главных соединений используют химически наиболее инертные и устой чивые соединения (оксиды, углерод или его соединения и т д ) Все они имеют кристаллическую структуру К 1лавным соедине ниям добавляется небольшое количество связующей массы, в за дачу которой входит растворить кристаллические структуры в процессе термической обработки шихты, называемом обжиюм. В процессе обжига, который являе1ся наиболее важной стадией производства огнеупоров, происходит шлакование легкоплавкой связующей массой главных соединений При шлаковании крис таллические структуры главных соединений растворяются в полу жидкой связующей массе, а затем происходит перекристаллиза ция с выделением мелких прочно сросшихся кристаллов Обжиг изделия производится в три стадии* постепенный нафев, выдер жка при температуре перекристаллизации и медленное охлажде ние. Наиболее важное значение имеет вторая стадия, в которой изделие, состоящее из рыхлой массы частиц; смешанных с не большим количеством расплавленного связующего, превращается в прочный кристаллический сросток На основании теории Л А. Баикова сформулированы основные требования к составлению шихты и выбору технологического ре жима производства oiнеупоров Они заключаются в следующем В шихту должны быть включены такие примеси, с которыми 1лавные соединения огнеупора могут образовывать жидкий шлак 116 и могут в нем растворяться. В шихте не должны присутствовать вещества, с которыми главные соединения химически взаимо действуют В процессе обжига должна подцерживаться такая темпера17ра, которая обеспечивает протекание процесса перекристаллизации. Длительность выдержки огнеупорных изделии при температуре перекрисгаллизации должна быть достаточной для полного завер шения процесса перекристаллизации В соответствии с этими требованиями лри1щипиальная техно логическая схема производства огнеупоров состоит из следующих пяти эгапов. Подготов[са исходных материалов состоит в обогащении сырья с целью отделения вредных и зафязняющих примесей, предвари тельного обжига сырья, в результате чего разрушаются карбона ты, гидраты и органические соединения, а также в измельчении обожженного магериала и сортировке его по крупности Приготовление шихты состоит в дозировании исходных ве ществ, тщательном их перемешивании и увлажнении Формошса изделий. Различные огнеупоры, как отмечалось выше, формуются по-разному. Сушка В процессе сушки из сырых изделий удаляется гигро скопическая влага. Обииг изделий Эту важнейшую операцию проводят либо в специальных обжиговых печах, либо прямо в металлург и геских пе lax в процессе эксплуатации В процессе обжига сырое изде лие превращается в прочный твердый и однородный кристсшлическии сросток. Для конкретных огнеупоров технологическая схема может от личаться от приведенной принципиальной схемы Например, для плавленых изделий этапы 3—5 заменяются плавкой исходной шихты, отливкой изделий и иногда их последующим обжигом. 4. Cxpyitrypa огнеупоров Отеугюрные изделия представляют собой гетерогенный мате риал, отдельные зерна которою имеют иногда совершенно раз личные химические, термомеханические и теплофизические свой ства. Вследствие гетерогенности огнеупоров даже их химические свойства, например, взаимодействие со шлаками, не определяют ся только химическим составом изделия, а зависят от химико-минер^шогического состава, структуры огнеупоров и их пористости. 117 Макроструктура огнеупоров характеризуется твердой частью и порами Твердая часть имеет крупные зерна главного соединения, называемые заполнителем и, как прави/го, являющиеся кристал лами, и более мелкие по размеру зерна, называемые связкой, со стоящие из стекла, аморфных и кристаллических частиц Связки, содержащие оксиды-стеклообразователи (S1O2, Р2О5 и т п ), име ют полимерное строение и при некоторых температурах облада ют эластичностью, что влияет на свойства огнеупоров в целом В lexHHKc структура огнеупоров характеризуется тремя показа телями: плотностью, пористостью и газопроницаемостью. Газо проницаемость рассматривается в следующем параграфе, посвя щенном рабочим свойствам огнеупоров В этом параграфе рас смотрим первые два показателя Плотность Как следует из вышеизложенного, объем огнеупора можно ус ловно представить в виде суммы двух объемов* твердого гела и пор Соответсгвенно вводятся в рассмотрение две плотности ис тинная, которую определяют как частное от деления массы твер дой части огнеупора на объем твердой части огнеупора Р = -1Г~ • (8-1) где р — истинная плотность огнеупора, кг/м-'; G^g - масса твердой части огнеупора, кг; l^g - объем твердой части огнеупора, м-', и кажущаяся плотность, которую определяют как час гное от де ления массы огнеупора на его полный объем: = Ркаж ^°"^ V < /о п (8.2) 1де pf-a^ - кажущаяся плотность огнеупора, кг/м^; GQ^H ~ масса огнеупора (полная), кг, V^^ — объем огнеупора (общий), м-' По истинной плотности можно судить о минералогическим со ставе огнеупора, а последний определяет основные свойства ог неупора Кажущаяся плотность зависит от способа изготовления огнеупора и влияет на его свойства Определение структуры огнеупора по его истинной плотности можно проиллюстрировать на следующем примере Динасовыи OIнеупор, основным компонентом которого является кремнезем, 118 может содержать в своем составе три кристаллические модифика ции кремнезема* кварц (р = 2640 кг/м^); тридимит (р = 2330 кг/м^) и кристаболит (р = 2270 кг/м^). Количество каждой модификации в динасовом кирпиче зависит от качества обжига Если кирпич обожжен полностью, то весь кварц переидет в тридимит и крис таболит и истинная плотность огнеупора приблизится к значе нию 2300 кг/м?. Таким образом, зная истинную плотность дина са, можно судить о степени завершенности обжига. Повышенные значения истинной плотности свидетельству]От о наличии в кир пиче остаточного кварца. Это может привести к растрескиванию динаса в процессе службы в печи и к значительному увеличению объема футеровки при разофеве. Поэтому в тех случаях, когда необходимо избежать этих явлении, стремятся использовать ди нас с наименьшей истинной плотностью, т. е. такой, в котором весь кварц перешел в две другие модификации. Вместе с тем с уменьшением содержания кварца в динасе ухудшается его шлакоустоичивость Поэтому в каждом конкретном случае, в зависи мости от того, в каком месте футеровки печи должен служить динасовый огнеупор, необходимо подбирать кирпич с той или иной истинной плотностью. Истинная плотность увеличиваегся у алюмосиликатных огнеупоров по мере роста в них содержания AI2O3. У магнезиальношпинелидных изделий она повышается по мере увеличения в них содержания хромита и т.д Пористость Поры являются неотъемлемой частью огнеупоров. Они распо ложены в зернах главного соединения, мех<ду зернами и в связке и оказывают как отрицательнЪе так и положительное влияние на эффективность огнеупоров в службе. Поры определяют устойчи вость огнеупоров к различным корродиенГам, степень допустимых механических напряжений, деформативность огнеупоров и т. д. Поры могут занимать от нуля до 90% общего объема изделий и классифицируются по многим признакам. По признаку проницаемости поры подразделяются на откры тые и закрытые. В свою очередь открытые поры разделяются на капиллярные и некапиллярные. Капиллярные делятся на прони цаемые и непроницаемые. Проницаемые поры крупнее 5 мкм со ставляют гак называемые канальные поры. Выделение канальных пор связано с тем обстоятельством, что во многих случаях метал лургические шлаки в поры мельче 5 мкм не входят. Проницае119 мость вообще зависит не только от размера и строения пор, но и от свойств флюида Так что деление пор на проницаемые и не проницаемые в значительной степени условно По месту нахож дения пор различают внутреннюю пористость зерен главною со единения (это обычно мелкие поры), пористость связки и пори стость, находящуюся между заполнителем (зернами главного соединения) и связкой — межчастичную или структурную порис тость - это обычно самые крупные поры По происхождению поры подразделяют на первичные, или «технологические», т. е образующиеся при производстве изделий, и вгоричные (капиллярные и диффузионные), образующиеся при службе огнеупоров Обп1ую пористосгь в долях единицы определяют 1Ю формуле П„бщ = 1 - ^ , где p^j^ - кажущаяся плошость; р - иаинная плотность относительная плотность Закрытую пористость вычисляют по разности *'з.1кр ~ ''общ ~ "откр' (8 3) Ркаж \°-^) где Tlgj^p - открытая или кажущаяся пористосгь, определяемая по насьнцению образца водой, в долях от единицы откр "" рцК > (8 5) где (Jj - масса абсолютно сухого образца, i^ Gj — масса того же образца, насыщенного водой, г, К - объем образца см-', р^ плотность воды, г/см^ ОIношение массы поглощенной воды к массе образца называ ется водопо1Лошением В= ^ ^ X 100, % (8 6) Зная открытую пористость и водопоглащение, можно опреде лить кажущуюся плотность _ Ркаж "~ 120 "откр В ._ ' ' ' 1де В — водопоглощение. Пористость. % выраженное в долях от еди ницы. Пористость является од ной из основных характери стик структуры огнеупора. От величины пористости зависят многие свойства из делии (рис. 8 1) Свойства 01 неупоров сильно зависят от того, что в них является непрерывной фазой: твердое вещество или поры Прерывность'или непрерывность фазы не за висит от ее количества, а определяется' технологией изготовления огнеупора На пример, в ультрапористых 0,4 0,6 0,8 огнеупорах, полученных га 1,0 Относительная плотность зопламенным методом, даже при пористости 80% непре Рис. 8,1. Зависимость некоторых свойств рывной является твердая огнеупорных материалов от пористости / - термостойкость, 2 — коэффициент теп фаза От того, какая фаза лопроводности, 3 — кажущаяся плотность, является непрерывной, за 4 - механическая прочность висят свойства проводимо сти огнеупоров' теплопро водность, электропроводность, скорость ультразвука, проница емость Механические свойства огнеупора, в том числе и такие важ нейшие из них, как деформация под нагрузкой при высокой тем пературе и способность выдерживать резкие изменения темпера туры не разрушаясь, зависят от такой характеристики структуры огнеупора, как вид кристаллического сростка, формируемого в'огнеупоре в процессе обжига По этому признаку выделяют два типа структуры: островная, при которой кристаллы главного со единения окружены стекловидной связкой (шамот, магнезиальные), и каркасная, при которой кристаллы образуют единый сро сток с промежутками, заполненными малым количеством стеюювидной фазы (динас, хромит). 121 5. Рабочие свойства огнеупоров Огнеупорность Огнеупорность - это предельная температура службы огнеупора в идеальных условиях - при отсутствии механического и фи зико-химического воздействия Огнеупорность Г^р^ в соответствии с ГОСТ 4069-69 определяется как температура, при которой про исходит определенная пластическая деформация стандартного образца, нафеваемого в стандартных условиях Для определения огнеупорности из испытуемою материала вы пиливается пироскоп, усеченная трехгранная пирамида высотой 30 мм и с длиной граней" большей — 8 мм, меньшей — 2 мм Испытуемый пироскоп устанавливается в криптоловую печь вме сте с эталонными пироскопами, огнеупорность которых извест на, и подвергается нагреву со скоростью 25 К/ч до температуры печи 1300 К, 10 К/ч до температуры печи 1800 К и 5 К/ч при более высокой температуре. У огнеупоров, представляющих собой^ как правило, смесь хи мических соединений, нет фиксированной температуры плавле ния, а существует температурный интервал плавления Поэтому при нагреве в огнеупорах появляется жидкая фаза, содержание которой увеличивается с ростом температуры, и пироскопы под действием собственной массы начинают деформироваться Температура, при которой вершина испытуемого пироскопа коснется поддона, на котором он установлен, и характеризует его огнеупорность Величина этой температуры определяется по ог неупорности эталонного пироскопа, вершина которого коснулась поддона одновременно с испытуемым. Обозначают огнеупорность следующим образом Например, ПК 172 соответствует огнеупор ности 1720 К (ПК - пироскоп конический). Обычно TQ^JJ существенно превышает предельную рабочую температуру службы огнеупора Т„^^, которая является не физи ческим, а техническим понятием и определяется недостаточно точно Под Тр^^ понимают обычно температуру, выше которой в типичных условиях эксплуатации (механические, физико-хими ческие и другие разрушающие воздействия) данный огнеупор быстро изнашивается. В зависимости от огнеупорности огнеупоры подразделяются на три jpynnbi средней огнеупорности — с огнеупорностью от 1850 К до 2000 К (кремнеземистые, алюмосиликатные, углеродистые и 122 др); высокой огнеупорности - с огнеупорностью от 2000 К до 2300 К (магнезиальные, магнезиапьношпинелидные, цирконовые и др.); высшей огнеупорности - свыше 2300 К (карбидкремниевые, бескислородные и др.). Газопроницаемость Газопроницаемостью называется свойство пористых тел про пускать газ при наличии на них перепада давления. Газопрони цаемость огнеупоров характеризуется коэффициентом газопрони цаемости, который определяется экспериментально при давлении на выходе из образца, близком к атмосферному, с помощью'фор мулы Пуазейля: K=\xQh/SAp, (8.8) где ц — динамический коэффициент вязкости воздуха, Па -с; Q — расход воздуха через образец при 293 К, CMVC; h — высота об разца, см; S — площадь сечения образца, см?; Ар — перепад дав ления на образце. Па. В системе СИ коэффициент газопроницаемости выражают в М'^. Он соответствует газопроницаемости, получаемой при прохожде нии за 1 с через образец площадью 1 м^ и высотой 1 м одного кубометра газа вязкостью 1 Па-с при перепаде давления 1 Па. Пра1СГИческой единицей измерения газопроницаемости служит мкм^, а расчетная формула для ее определения имеет вид: % з = 1^5x10^5^' (8.9) Коэффициент 18 X 10^ получен следующим образом: 10^* 1,808-10"^ = 18-Ю^, где 10^ — коэффициент пересчета с квадратных сантиметров в квадратные микрометры; 1,808 • 10"^ — динамический коэффициент вязкости воздуха при 293 К. При перепаде давления Др >2 кПа результат, полученный по формуле (8.9), умножают на 2(р + Др)/(2р + Др), где р - давле ние воздуха на входе в образец. Па Наибольшая газопроницаемость соответствует размерам пор 20-100 мкм. Область пор этих размеров охватывает почти все проницаемые поры. Газопроницаемость весьма чувствительна к структуре изделий. Например, при изменении открытой пористо сти в два раза, газопроницаемость меняется в 100 раз. 123 Коэффициент 1азопроницаемости ишелии при высокой тем пературе {К^) рассчи1ываю1 по формуле" Мт 1де ЛГ293 "~ коэффициент 1изопроницаемости при 293 К, Ц293 и ц^ — динамические коэффициенты вязкости газа при соо1ветс1вующих температурах в Кельвинах , Из формулы (8 10) видно, что газопроницаемость всех огне упоров при повышении температуры резко снижае1ся и при 1100 К составляет примерно половину по сравнению с газопро ницаемостью при 293 К Это связано с резким повышением вяз кости газов при повышении их температуры. Коэффициент 1азопроницаемости, определенный по проницаемости воздуха, соответствуе! газопроницаемости азота, кислорода, углекислого и доменного газа, а также газопроницаемости продуктов сгорании, так как вязкость этих газов примерно одинакова Значения ко эффициентовгазопроницаемостиoi неупоров находятся в следую щих пределах, мкм^. шамот (0,2-1,0), дииац (0,1-1,2), периклазовые (0,6—1,2), хромитопериклазовые (0,8-2,5) В процессе службы газопроницаемость отдельных ошеугюров увеличивается в связи с появлением дополнительных пор и тре щин, а газопроницаемость огнеупорной кладки в целом умень шается из-за забивания нешюгносгеи кладки и отдельных пор ог неупоров технологической пылью Постоянство размеров Прочность Изменения размеров огнеупоров в рабочих ус;ювиях существенно влияют на службу футеровки Они происходя! по разным причинам вследствие теплового расширения (обратимая деформация), спекания, полиморфных превращений или ползучесж (необратимая деформация), в результате растрескивания при резких изменениях температуры Сильное изме)1ение разме ров огнеупора нежелательно, так как может привести к раз1ерметшации футеровки, ее растрескиванию и выпучиванию, а также разрушению футеровки Поэтому предпочтшельно иметь oiнеупо ры с минимальным изменением размеров в процессе службы Постоянство размеров твердого тела при нормальной темпе ратуре зависит прежде всею от его прочности Прочное!ь тверД010 тела обусловлена силами взаимодействия между атомами 124 или ионами, составляющими тело. Однако прочность зависит не только от химического состава самого вещества, но и от вида напряженного состояния, в котором тело находится (растяжение, сжатие, изгиб и др.), от условии эксплуатации, а также от струк туры тела. На прочность огнеупоров сильное воздействие оказывае! их пористость и, прежде всего, крупные поры. Материал огиеупора, расположенный непосредственно над порой или под ней, испы тывает гораздо меньшие напряжения, чем остальной материал, но при этом материал, расположенный между порами, подвергнут воздействию повышенных напряжений. Таким образом, поры с о^хной стороны рассеивают и гасят определенную долю напряже ний, а также экранируют часть материала от их воздействия В то же время они концентрируют напряжения, создают неравно мерность их распределения по объему и, в конечном счете, сни жают прочность огнеунора Зависимость прочности огнеупоров от пористости в общем виде выражается формулой Р„ = РоИ -АПоб,,), (8.11) где Pj^, Рд — прочность пористого и беспористого огнеупора, А — коэффициент структуры ГТобш ~ общая пористость Формула (8 11) показывает возможность приближения значе нии Р„ к PQ путем изменения структуры огнеупора Прочностные свойства характеризуются' двумя основными па раметрами модулем Юнга и коэффициентом Пуассона. модуль Юнга характеризует упругость огнеупора Это физи ческая величина, зависящая от свойств материала огнеупора В кристаллах модуль Юнга характеризует силу химической связи структурных элементов в решетке Зависимость модуля Юнга от пористости выражается прибли женно формулой Кнудсена Е„ = Ео ехр(-3,95 Побщ). (8 12) Модуль Юнга с повышением пористости до 50% понижается медленно, а затем при 50<По5щ2 80% - очень быстро. Деформативность огнеупоров кроме модуля Юнга характери зуется коэффициентом Пуассона ц Если изменение объема тела в процессе деформации не происходит, то коэффициент Пуассо125 на равен 0,5. Для огнеупоров коэффициент Пуассона изменяется в пределах 0,2-0,3. Коэффициент Пуассона сложным образом зависит от порис тости У некоторых огнеупоров он повышается с увеличением по ристости (поликристаллический оксид магния), у других (шамот ные и периклазовые) — понижается, у корундовых огнеупоров ко эффициент Пуассона не зависит от пористости При одинаковой общей пористости огнеупоры с непрерывной твердой фазой более прочны, чем огнеупоры, у которых непре рывной фазой являются поры Разрушение изделия не начинает ся с поры, если ее размер меньше размера зерна твердого мате риала, составляюшего данный огнеупор. Деформация под нагрузкой При службе в футеровке в условиях высокой температуры и одновременном воздействии различных нафузок огнеупор существенно снижает свои прочностные свой ства, а начиная с определенной температуры эти изменения ста новятся катастрофическими Прочность огнеупоров при высокой температуре зависит от их химико-минералогического состава, пористости, и в особеннос ти, от наличия стекловидной фазы У огнеупоров с каркасной структурой указанная прочность выше, чем у изделий с островной У огнеупоров с однотипной структурой кристаллического сростка — каркасной или остров ной — она зависит от наличия в них стекловидной фазы, причем не столько от количества этой фазы, сколько от характера ее рас пределения в объеме огнеупора Влияние пористости на прочно стные свойства 01 неупоров очевидно — менее пористые материа лы имеют, как правило, более высокую прочность, однако и здесь существенным фактором является наличие стекловидной фазы. В огнеупорах с высоким содержанием стекловидной фазы зависи мость прочности от пористости выражена менее ярко. При наличии нафузки исходная прочность огнеупоров, опре деленная при нормальной температуре, сохраняется в ходе нагре ва до 1300—1500 К — до момента появления жидкой фазы При дальнейшем нафеве по мере увеличения содержания жид кой фазы вследствие различного термического расширения фаз, составляющих огнеупор, прочность огнеупора резко снижается Одновременно уменьшается концентрация напряжении в объеме магериала и происходит смена механизмов деформации от упругохрупкого к вязкопластическому Очевидно, при подборе oine126 упоров для конкретных рабочих условий необходимо знать поро говую температуру, при которой огнеупор в условиях, близких к рабочим, теряет свою исходную прочность и переходит в область пластической деформации. Такая температура называется темпе ратурой начала деформации под нагрузкой В соответствии с ГОСТ 4070-83 температуру начала деформа ции под нагрузкой' определяют, подвергая цилиндрический обра зец испытуемого огнеупора (dxh = 36 х 50 мм), находящийся под осевой сжимающей нагрузкой 0,2 МПа, что соответствует сред нему давлению, воспринимаемому огнеупорами в нихсней части стены высотой 10 м от собственной массы, нафеву по заданному режиму в криптоловой печи. В процессе н а ф е в а ' ф и к с и р у ю т тем пературу начала размягчения (HP), а также 4%- и 40%-ного сжа тия образца. Температурой начала деформации под нагрузкой считается температура начала размягчения. 'Результаты испытаний обрабатывают по стандартной методике и представляют в виде ф а ф и к о в и таблиц (рис. 8.2). 1000 1200 1400 1600 Т, °С Рис. 8.2. Графики испытания ошеупоров на деформацию под нагрузкой 0,2 МПа при высоких температурах ' ' I — хромит, 2 — шамот, 3 — периклазовый, 4 — динас 127 Переходя к анализу графиков рис 8 2, выделим среди них три характерных кривых* 1) кривая деформации огнеупора с каркасной структурой кри сталлическою сростка (динас), 2) кривая деформации огнеупора с ос1ровнои струкгурои крисгаллическою сростка, связующее которою является также крис таллическим веществом, расплавляющимся при относительно низ кой температуре, при этом кристаллы главного вещества мало ра створимы в расплаве связки (периклазовые); 3) кривая деформации огнеупора, имеющего островную струк туру кристаллического сростка и большое количество (около поjtoBHHbi) связующего, представляющего стекловидную фазу (ша мотные изделия) Обычный динас содержит до 10-15% стекла и 90-85% крис таллического вещества (тридимита, кристобалита, кварца) Тридимит в динасе образует кристаллический каркас, незначительно растворяющийся в жидкой фазе, вследствие чего уменьшается вредное влияние жидкой фазы на деформацию динаса при высо ких температурах Поэгому динас деформируется только при 1923—1943 К, те когда начинает плавиться кристаллический кар кас из тридимига При JTOM деформация динаса происходит в ин тервале 10-15 К и, как правило, сопровождается разрушением об разца Высокой температуре деформации динаса способствует так же весьма медленное нарастание количества жидкой фазы в нем при нафевании кирпича почти до температуры плавления Как видно из трафика, в интервале температур 1800-1900 К происходит некоторое расширение динасоиого образца Это связа но с тем, что при указанных температурах остаточный кварц в динасе переходит в другие кристаллические модификации - тридимит, а затем в кристаболит. При этом, как отмечалось выше, понижается плотность динаса, те при постоянной массе увели чивается его объем В обычных периклазовых (магнезитовых) изделиях кристалли ки периклаза не образуют единого кристгишическою сростка, они сцементированы неогнеупорной монтичеллитовой связкой (остров ная кристаллическая структура), плавление этой связки происхо дит при 1720-1820 К. Кристаллы периклаза в расплаве связки ра створяются незначительно, поэтому огнеупорность связки с повы шением температуры не увеличивается, а вязкость сильно уменьшается, что вызывает резкое падение прочностных свойств 128 огнеупора. Этим объясняется большая разница между огнеупор ностью периклазовых изделии и температурой их деформации под нагрузкой (табл. 8.2). В связи с этим же интервал деформации у них небольшой. В шамотных изделиях при повышении температуры непрерыв но увеличиваются количество жидкой фазы и ее вязкость, 'вслед ствие растворения в ней кремнезема и глинозема. Поэтому де формация этих огнеупоров под нафузкой при высоких темпера турах имеет плавный пластический характер, образец не разрушается при испытании, а лишь приобретает бочкообразную форму. Температурный интервал деформации равен 150—250' К. Из табл. 8.2 видно, что температура начала деформации под нагрузкой дает более достоверное представление о предельно до пустимой температуре эксплуагации огнеупора Tlgg, чем его ог неупорность. Условия испытаний и службы огнеупора, как пра вило не совпадают, так как кроме напряжении сх<атия в футе ровке печи часто возникают напряжения растяжения, изгиба, кручения и др Вместе с тем огнеупоры иногда эксплуатируются при рабочих температурах, равных или больших чем T^^ р, по скольку по толщине кладки температура неодинакова и менее нагретые слои кладки удер>;сивают от деформации более нагре тые Из указанного видно, что испытания на деформацию oi не упоров под нагрузкой при высоких температурах позволяют оп ределить только их относительную стойкость. Таблица 8.2. Соязь температур деформации огнеупоров од пагрузкоп 0,2 МПа с их фазовым составом'и огнеупорпостыо Содержание Коли Огнеупор• Температура Интервал Температура службы главного ность, деформации, дефор чество огнеупора мации, Огнеупор оксида, К стеклоК гр max К % фазы, 'раб ' К н р 40% % 85-90 SiOj 10-15 2000 1930 1940 10 1900 92 MgO 5-8 2570 1820 1850 30 1800 Шамот 40 AI2O3 + 4 55 S1O2 50 2020 1670 1870 200 1650 Корунд 99 AI2O3 0,5 2320 2170 2220 50 2000 Динас Периклаз 3041 129 Ползучесть На практике изменение размеров огнеупоров на блюдается гакже при температурах ниже Г„р, К01да в огнеупоре еще нет жидкой фазы, и нагрузках, существенно ниже предела прочности материала Связано это с двумя обстоятельствами Вопервых, с термическим расширением изделия при повышении его температуры, это так называемая упругая деформация Но более всего со свойством огнеупора, которое называется ползучестью или крипом. Физический механизм ползучести сложен, а явле ние это закгиочается в непрекращающемся изменении размеров тела под влиянием длительно действующего постоянного напря жения при постоянной температуре Такое изменение размеров относится к неупругой деформации На рис 8 3 представлена типичная диаграмма деформации об разца во времени при растяжении постоянно действующим уси лием Сначала имеет место упругое расширение на величину орди наты I, затем до точки А неупругое расширение — «неустановив шаяся ползучесть» или первая ползучесть, на участке АВ скорость удлинения образца постоянна — «установившаяся ползучесть» или вторая ползучесть и, наконец, выше точки В — третья стадия пол зучести. Период неустановившейся ползучести характеризуется взаимо действием зерен с порами Зерна как бы входят в поры (и в стеклофазу). В этот период резко сокращается количество крупных пор Уменьшение размеров пор и пористости в период неустановившей ся ползучести существенно повышает прочность огнеупоров и вли яет на величину деформации за время второй ползучести На ус тановившейся стадии ползучести размеры пор и пористость оста ются практически постоянными. По И. И Вишневскому ползучеегь огнеупоров осуществляется путем скольжения зерен и агрегатов друг относительно друга, которое обусловлено главным образом вязким течением межкристалли ческого связующего вещества Время 130 Рис 8,3. Диаграмма дсформлиии при растяжении 0-1 - упругая деформация, \-А - неус тановившаяся ползучесть, А-В — устано вившаяся ползучесть, выше В — третья стадия ползучести Ползучесть огнеупорных материалов достаточно высока. Она больше, чем, например, у металлов и возрастает с увеличением пористости. Причиной этого является повышение действительно го напряжения на беспористое сечение образца. Ползучесть рез ко возрастает с пористости 20% Наибольшее влияние на вели чину ползучести оказывают примеси. Самая низкая ползучесть присуща наиболее чистым по химическому составу образцам. Это связано с тем, что любая примесь инициирует образование хсидкой фазы на границе зерна главного соединения огнеупора при относительно низкой температуре. Например, катастрофически возрастает ползучесть корунда (в Ю'' раза) при введении в ко рунд нескольких процентов силикатов. Ползучесть огнеупоров, равно как и их термическое расшире ние, необходимо учитывать при расчетах температурных швов кладки и компенсационных систем каркасов,' Постоянство объема. При длительной службе огнеупоров в ус ловиях постоянной температуры, вследствие продолжающегося процесса спекания и других физико-химических превращений происходит необратимое изменение объема. Оно может быть по ложительным — дополнительный рост, или отрицательным — до полнительная усадка. Незначительная дополнительная усадка не вызывает особых осложнений, а незначительный дополнительный рост даже полезен — уплотняет швы. Заметное же изменение объема недопустимо. Поэтому значения дополнительного роста (или усадки) нормируют в зависимости от вида изделий и назна чения Дополнительное изменение объема приближенно считают равным утроенному значению дополнительного изменения линей ного размера. Приближение допустимо при изменении линейных размеров не более 2—3%, что имеет место в службе большинства промышленных огнеупоров. Приведем несколько примеров поведения огнеупоров в ходе службы. Динас при нагревании до 1720 К расширяется на 1 — 1,5%. Причем необратимое расширение составляет 0,3-0,4% и связано с полиморфными превращениями' кремнезема. Шамот в ходе службы дает усадку, величина которой больше, чем термическое расширение материала, связанное с его нагревом. Причиной усад ки шамота является образование в нем большого количества жидкой фазы, вызывающей уплотнение, а следовательно, и усад ку огнеупора. Полукислые огнеупоры являются промежуточными 5* 131 между динасом и шамотом Они обладают высоким постоянством размеров в процессе службы При нагреве до 1700 К они дают усадку, не превышающую 0,2-0,3% Периклазовые и хромопериклазовые огнеупоры также обладают высоким постоянством раз меров в интервале температур до 1900 К. Сопротивление истиранию Огнеугюры часто испытывают исти рающее действие шихты, запыленных газов и т.п. Сопротивление их истиранию определяется прочностыо контакта связки с напол нителем и 01 крытой пористостью. Лучше противостоят истиранию плавленолитые огнеупоры, в том числе алюмосиликатные, алюмоцирконовые и др Они имеют достаточно высокую прочность, обладают плотной структурой и превосходной износостойкостью. Сопротивление истиранию опрелеляют обычно при комнатной температуре на вращающемся диске, посыпанном шлифовальным порошком При повышенных температурах (но до появления жидкой фазы) сопротивление истиранию огнеупоров возрастает. Старение огнеупоров. При длительной службе oi неупоры раз рушаются в результате старения При старении происходит ко ренное перерождение структуры, которое сопровождается изме нением пористости, прочности, ползучести, термостойкости и других свойств Перерождение структуры заключается в следую щем увеличиваются размеры кристаллов за счет мелких зерен, происходит коалесценсия пор и расположение их по фаницам зерен, разъединение зерен Примеси из кристаллов и жидкая фаза диффундируют также к границам зерен. В результате такой на правленной миграции на границах и стыках зерен наполнителя образуется пористая межкристаллическая фаза, количество которои увеличивается в процессе старения Межкристаллическая фаза переменного во времени состава ослабляет связи и снижает прочность и другие свойства материала Термостойкость Сгюсобность огнеупоров противостоять, не разрушаясь, резким изменениям температур при нафеве или охлаждении называется термической стойкостью По оценке треть огнеупоров, используемых в промышленнос ти, разрушается вследствие недостаточной термостойкости Даль нейшее развитие высокотемпературных металлургических процес сов невозможно без повышения термостойкости огнеупорных материалов 132 На термостойкость влияют механические и теплофизические свойства огнеупорных изделий - прочность, ползучесть, тепло- и температуропроводность, термический коэффициент линейного расширения (т.кл.р.); макроструктура огнеупора — пористость, степень структурной неоднородности, размер кристаллических зерен, характер и свойства связующего; теплофизические условия службы — локальная температура огнеупора и скорость ее изме нения во времени, характер теплообмена с окру}хающей средой, форма и размеры огнеупорных изделий. Из указанного видно, что термостойкость не является свой ством материала, а определяется совокупностью других его свойств и режимом тепловой работы огнеупора. Термическое разрушение огнеупоров происходит под воздей ствием напряжений двух видов напря>.(ения первого рода или термического, вызываемого фадиентом температур в огнеупоре, и напряжения второго рода, вызываемого структурной неоднород ностью - органической или приобретенной в службе (рис. 8 4) Эти напряжения возникают при постоянной температуре. 9(1) °li •ср Omeynop ^1гне]/по£_^ Рис. 8.4, Примеры возникновения термических напряжений а - при стационарном тепловом режиме стенки, б - при нестационарном тепло вом режиме стенки, в — при локальной структурной неоднородности огнеупора {Т = const), г — при перерождении слоя огаеупора от воздействия расплава 133 в обоих случаях напряжения возникают только тогда, когда материал или ею часть не имеет возможности свободно изменять свой объем. Наиболее изучена термостойкость при напряжении первого рода Она описывается с разных точек зрения теория термостойкости хрупких тел при развитии в них максимальных напряжении или «теория максимальных напряжении»; «теория двух стадий»; структурная или фрагменгальная теория, статичес кая или «теория слабого звена» и др В указанных теориях для оценки влияния на термостойкость различных факторов используются всевозможные критерии, обо значаемые буквой с соответствующим значком Подобных крите риев в настоящее время насчитывается более двадцати Наличие MHOIсчисленных критериев и разнообразность теории свидетель ствует о том, что с одной стороны термостойкость — это доволь но сложное явление, а с другой — теория этого явления находит ся в стадии разработки. Воспользуемся некоторыми положениями перечисленных тео рий для анализа физической сущности явления Согласно теории максимального напряжения, oi неупор разру шается тогда, когда термическое напряжение, возникающее в нем, больше предела прочности материала При нагревании поверхностный слой стремится расширяться, но этому препятствует остальная масса и в поверхностном слое возникает сжимающее напряжение. Напряжение в поверхностном слое уравновешивается растягивающим напряжением во внутрен ней части огнеупора (см рис 8.4,6'). При охлаждении картина будет противоположной. Если температура тюверхносги ниже, чем средняя, то на поверхности возникает растягивающее напря жение; при этом, так как температура в центре выше, чем сред няя, то в центре возникнет сжимающее напряжение. Поскольку огнеупоры при растяжении имеют значительно метщщую проч ность, чем при сжатии, то при охлаждении разрушение проис ходит с поверхности, а при нагревании оно может быть вызвано или растягивающими напряжениями в центре, или напряжения ми сдвига на поверхности Причину разрушения огнеупора мож но установить еще и по следующим признакам В случае резко го охлаждения кирпича его растрескивание происходит преиму щественно по линиям, перпендикулярным друг другу, что связано с возникновением напряжений растяжения. В случае быстрого нагрева кирпича образующиеся трещины направлены 134 по касательной к поверхности, что связано с возникновением напряжений сдвига. Сложная зависимость термостойкости от пористости (рис. 8.1) послужила основанием структурной или «фрагментальной теории термостойкости». Согласно этой теории, оптимальная структура огнеупоров представляется в виде совокупности отдельных твер дых объектов, разделенных пустотами причем при термическом нагружении эти объекты могут перемещаться друг относительно друга за счет пустот. Фрагментальная структура предполагает наличие большого ко личества микротрещин или пор, что считается одним и тем же. Микротрещины препятствуют развитию разрушающих трещин, демпфируя термические напряжения. Поэтому с повышением концентрации микротрещин в большинстве случаев термостой кость увеличивается. На термостойкость оказывает влияние не только концентрация микротрещин, но также их длина и форма. Например, материал с трещинами, развивающимися из сферичес ких пор, более устойчив к распространению магистральных тре щин и более термостоек, чем материал, в котором поры имеют заостренные окончания Аналогично микротрещинам или порам, препятствующим раз витию магистральных трещин, ведет себя и «вторая фаза>>. На пример, введение в корундовые массы 10-15% нитевидных мо нокристаллов муллита приводит к существенному повышению термостойкости и ударной прочности корундовых изделий. Рассмотрим зависимость термостойкости от температуры. До температур порядка 1000-1500 К термостойкость слабо зависиг от температуры. Однако при температурах, превышающих половину температуры плавления основного соединения, становятся замет ными процессы ползучести материала и релаксации температур ных напряжений, что способствует повышению термостойкости изделия. Колебания температур в пределах 1800-2200 К не вызы вают растрескивания каких бы то ни было минералов. Больше всего термостойкость при высоких температурах зависит от т.к л.р. К материалам высокой термостойкости относятся такие, у кото рых т к л р . меньше 45 • 10""^ К"', материалы, у которых т.к л.р. больше 80-10~^ К~', характеризуются низкой термостойкостью. Наибольшей термостойкостью обладают изделия из плавленно го кремнезема (т.кл р. < 7* 10~^ К~'), их не удается разрушить тер мическим ударом любой практически достижимой интенсивности. 135 Очень большое влияние на термостойкость оказывав г резкое изменение т к л р в связи с полиморфными превращениями вещесгв, например, как у кристаллических модификаций кремнезе ма, диоксида циркония и др. Для таких материалов термостой кость существенно снижается в температурном интервале фазо вых переходов Многое в явлении термостойкости пока невозможно объяс нить Например, известно, что при прочих равных условиях тер мостойкость сжатого изделия выше, чем ею же термостойкость в свободном состоянии В заключение отметим, что рассмотрению подвергались вопро сы термостойкости отдельно взятого изделия, но термостойкость огдельно взятых образцов и термостойкость конструкции в целом не одно и то же, поэтому до тех пор, пока не установлена взаи мосвязь между термостойкостью изделия и конструкции в целом при выборе огнеупоров и конструировании печей приходится ис ходить в основном из экспериментальных и практических данных. Согласно ГОСТ 7875-83 для экспериментального определения термостойкости производят односторонний нагрев нормального кирпича из испытуемого материала в электрической печи до 1570 К, а затем горячий конец помещают в холодную проточную воду Термостойкость характеризуется числом теплосмен (нагрев и охлаждение) до потери от скалывания 20% первоначальной массы образца Растрескивание и скапывание огнеупора происхо дит в результате постепенного накопления остаточных деформа ции и трещин при теплосменах, хотя в каждом цикле темпера турные напряжения MOiyr не превышать допустимые значения. Из практики известно, что повышенную термостойкость имеюг отеупорные изделия небольших размеров, простои формы с однородной крушюкристаллическои макроструктурой на кристал лической связке (минимум стекловидной фазы) с оптимальной пористостью 10-18% Химическая стойкость Химическая стойкость характеризует способность огнеупоров при высокой температуре выдерживать, не разрушаясь, воздей ствие различных компонентов металлур! ического процесса шла ков, металлов, газов и тд Химическая стойкость огнеупора по отношению к конкретному компоненту зависит в основном от степени химического сродства oi неупора и компоненга 136 Шлакоустойчтость — способность огнеупора противостоять разрушающему физико-химическому и механическому воздей ствию расплава при высоких температурах. Процесс растворения огнеупора в неподвижном расплаве лимитируется молекулярной диффузией легкоплавкого соединения к поверхности сростка Согласно модели Нсрнста, с учетом формулы А. Эйнштейна для коэффициента диффузии скорость растворения сростка в вяз ком расплаве, кг/с, равна clMRT dt S CH-Q 6N Цж''ион бдиф (8.13) где N - число Авогадро, моль"'; S — смоченная расплавом по верхность огнеупора, м^ (рис. 8 5); (д^ - динамический коэффи циент вязкости, Па • с; г^^^^ — радиус диффундирующих ионов, м; 5д„ф - толщина диффузионного пограничного слоя; C^^, С, — концентрация насыщения огнеупором расплава и текущая кон центрация, КГ/М'^. Наиболее сильное влияние на шлакоустойчивосгь оказывает температура. С ее ростом снижается вязкость расплава и он 1лубже проникает в поры огнеупора, увеличивая смоченную распла вом поверхность (рис 8 5) одновременно возрастает конценфа ция насыщения и уменьшается г^ц,,, так как при повышении тем пературы дробятся комплексные ионы; наконец, с повышением температуры уменьшается толщина диффузионного пофаиичного слоя При температурах, близких'к предельным рабочим темпе ратурам данного огнеупора,' увеличение температуры на 30-80 К вызывает ускорение износа огнеупоров в 2-10 раз (рис 8 6). При относительно не высоких температурах, К01да в огнеупорах отсутствует жидкая фаза (11ОО-1200 К), их шлакоразъедание обычно невелико, но при Расплав температурах 1700 К и более оно резко Огнеупор /у возрастает и становится главной причиной разрушения огнеупора Рис. 8.5. Поверхность огнеупора (в увеличенном виде), смоченная рлсплавом 137 dM/d1i Рис 8 6 Влияние температуры на скорость растворения onieупора в расплаве Весьма сильное влияние на шлакоустойчивость оказывает макро структура 01 неупора С увеличением пористости, особенно сообщающихся между собой пор, растет поверхность взаимодействия, а следовательно, и скорость износа огнеупора Глубина проникновения расплава в огнеупор зависит от радиуса пор /},ор, коэффи циента поверхностного на1яжения легкоплавкого соединения а, смачи ваемости огнеупора расплавом cos0 и от времени контакта oi неупора с расплавом X = а/ГцорСозО (8 14) "^ж Если химические составы огнеупора и расплава близки, то кон центрация насыщения С^ невелика и процесс растворения быстро замедляется, так как C^j - С -> О Большое различие сос1авов вызывает появление активного взаимодействия и ускоряет износ огнеупоров расплавом. Отсюда первое правило подбора огнеупо ров* для кислых расплавов следует использовать кислые огнеупо ры, для основных расплавов - основные огнеупоры Процесс эрозии, возникающий при движении расплава отно сительно поверхности огнеупора, значительно ускоряет его износ в результате отрыва с поверхности слабо сцепленных частичек, что приводит к обнажению свежих слоев огнеупора Кроме того, в результате движения расплава к поверхности подводятся его свежие порции, т е поддерживается высокая разность концентра ций у реакционной поверхности. При наличии движущегося расплава массообмен между огнеупором и расплавом из чисто молекулярного процесса преобразу ется в конвективный, интенсивность которого на два порядка выше, чем у молекулярною и сушественно зависит от относи тельной скорости расплава ^=A,DV^W^PS{C,-C,), 138 (8 15) 1де A^ — размерная константа, м"^/-'; W — скорость расплава от носительно поверхности огаеупора м/с В данном случае, гак же как при чисто молекулярном процес се, растворение огнеупора в расплаве происходит, прежде всего, по стекловидной связке и ускоряется при проникновении распла ва в глубь по порам и при отрыве отдельных зерен потоком. Поэтому более высокую шлакоустойчивость имеют огнеупоры, изготовленные из чистых химических соединении с минимальным количеством примесей и стекловидной фазы с высокой плотно стью и прочностью На величину шяакоразъедания оказывает существенное влия ние смачиваемость огнеупора шлаком данного состава. Устойчивость к разрушающему воздействию газов. Газы из р бочего пространства не ш проникают в поры огнеупоров и в за зоры между кирпичами Они оказывают на огнеупоры химичес кое и механи1еское воздействие, Так как температура огнеупоров в кладке обычно ниже темпе ратуры газов, проникающих в них, то при фильтрации сквозь 01 неупор пары некоторых агрессивных компонентов газов* сер ной и борной кислот, щелочей и др., конденсируются в порах огнеупора и разрушают его в результате химической реакции. Ог неупоры, содержащие углерод (углеродистые, карборундовые и др.), окисляются в среде газов, содержащих окислители. Огнеупо ры, содержащие хромит, при достаточно высокой температуре восстанавливаются в среде газов, содержащих восстановитель, например водород, продукты неполного сгорания топлива и т д Огнеупоры, содержащие периклазохромит и хромитопериклаз,при температурах выше 1900 К восстанавливаются, а при более 'низ ких температурах окисляются в среде печных газов, что связано с особенностями поведения оксидов железа, входящих в эти ог неупоры Процессы восстановления и окисления сопровождают ся соответственно ростом и усадкой огнеупора, в результате чего огнеупор разрыхляется и приобретает хрупкость Огнеупоры разбухают и разрушаются при конденсации в порах паров цинка и свинца, а также углерода, образующегося в резуль тате разложения оксида углерода при контакте горячих газов с относительно холодной поверхностью огнеупора Катализатором для разложения оксида у1лерода служат оксиды железа, входящие в состав огнеупоров. Помимо оксида углерода, углерод в присут ствии катализатора выделяют метан, этан, другие углеводороды. 139 б. Физические спойстоа ошеупоров Теплоелпсость Теплоемкость оказывает влияние на скорость нагрева футеров ки, т. е определяет при прочих равных условиях скорость вывода печи на рабочий режим Теплоемкость материала зависит от строения вещества и его агрегатного состояния По мере повышения температуры начи ная с температуры Дебая (т е температуры, при которой имеет место максимально возможная частота колебании атомов в кри сталлической решетке) теплоемкость слабо зависит от температу ры Температура Дебая равна (0,2-0,5) Г;^ MgO A1203 30 Таким образом, удельная (и средняя) теплоемкость огне зл >г^^^^^ СГГГГП 25 упоров при рабочей темпера туре практически не зависит / ^ SiC ^15 от температуры (рис 8.7) Важной особенностью тепло §10 7 емкости огнеупоров является 1/ 1 1 1 1 то, что она не зависит от мак О 270 700 1100 1500 Г, К роструктуры материалов — по Рис. 8.7, Зависимость итомной теплоем ристости, кажущейся плотно кости некоторых огнеупорных материа сти, распределения пор по лов от температуры (по Кипгери), R универсальная газовая постоянная размерам и форме 1 Термический коэффициент линейного расширения (т.к.л.р.) С повышением температуры объем кристаллов и аморфных тел увеличивается, главным образам, за счет увеличения амплитуды колебании атомов (ионов) относительно их среднего положения Величина, на которую увеличивается линейный размер кубичес кого кристалла при нагревании на 1 К, и составляет термичес кий коэффициент линейного расширения cij Поскольку а^, как правило, мал, то объемное расширение р принимается равным р = 3(Xj Значение т к л р зависит от кристаллической структуры вещества, сил связи между структурными элементами и не зави сит от макро- и микроструктуры изделий Оксиды с плотной упаковкой кристаллической решетки (MgO, СаО) с высокой симметрией имеют и высокие значения т к л р 140 Оксиды с неплотной упаковкой и низкой сим метрией (Si02, TajOs) имеют более низкие зна чения т.к л.р. Силикаты характеризуются неболь шим расширением при нафевании. Многие оксиды и кри сталлические вещества обладают анизотропией т.к.л.р. С повышением температуры анизотропия вырождается (кристаллы 1700 Г, К становятся более симмет ричными). Наиболее ани Рис. 88. Линейное расширение различных ог зотропны материалы сло неупоров истого строения, напри / - диатомитовые, 2 — карбидкремниевые, 3 — шамотные, 4 — строительный кирпич, 5 — по мер фафит. лукислые, 6— шамотные, 7— высокоглинозе Термическое расшире мистые, 8 — хримошпинелидные, 9 — динасо ние является упругим и вые, 10 — шпинелидные оно полностью обратимо Действительные коэффициенты линейного расширения огнеупор ных изделий определяют путем дилатометрических измерений или рентгеноструктурным анализом Практическое значение имеет линейное расширение огнеупо ров при нафевании и характер зависимости расширения от тем пературы. Шамотные, высокоглиноземистые и периклазовые в отличие от полукислых и динасовых изделий ха[рактеризуются рав1юмерностью расширения. Динасовые огнеупоры резко расши ряются при нафеве до 1000 К, выше этой температуры динас расширяется незначительно и плавно (рис 8.8). Эффективная теплопроводность Коэффициент эффективной теплопроводности имеет смысл коэффициента пропорциональности между усредненным по объе му огнеупора тепловым потоком и фадиентом температур. Теп лопроводность огнеупора складывается из трех процессов: пере носа тепла через кристаллическую и аморфную (конденсирован ные) фазы, переноса тепла через поры и трещины (газы) и 141 теплоотдачи на фаницах фаз Общая или эффективная теплопро водность огнеупоров равна сумме указанных процессов Теплопроводность собственно твердых тел (кодуктивная) пред ставляет собой передачу тепла путем ангармоиичных колебаний решетки и зависит от кристаллической сфуктуры материала Кри сталлы с более сложным строением решетки имеют более высо кое рассеивание тепловых упругих волн в решетке и, следователь но, более низкую теплопроводность Например, теплопроводность шпинели меньше, чем оксидов алюминия и магния в отдельнос ти. Некоторые кристаллы обладают анизотропией теплопроводно сти. Например, теплопроводность кремнезема в направлении оси «с» почти в два раза больше, чем перпендикулярно оси «с» Ани зотропия теплопроводности понижается с увеличением темпера туры и при рабочих температурах печей полностью вырождается. Кондуктивная теплопроводность твердых растворов имеет, как и у аморфных тел, низкие значения К и слабо зависит или вооб ще не зависит от температуры. Наибольшее сопротивление тепловому потоку в огнеупоре ока зывают контакты между зернами твердой фазы. В реальных огне упорах суммарная плошадь контактов между зернами в сотни и тысячи раз меньше площади поперечного сечения частицы, это и объясняет офомное теловое сопротивление контакта при по стоянной плотности теплового потока Коэффициент теплопроводности пор описывается формулой ^пор ~ ^газа '^ '^кон "^ ^изп> (^ ^^) где ^рдз — коэффициент кондуктивнои теплопроводности газа, на ходящегося в порах; ?i.{}°f - коэффициент лучистого переноса теп ла в газе, находящемся в порах. Коэффициент кондуктивнои теплопроводности воздуха при ат мосферном давлении и температуре 400 К равен 0,0306 Вт/(м • К), а при 1300 К - 0,0788 Вт/(м • К) Он имеет такие же значения для азота, кислорода и метана; аргон имеет несколько меньшую теплопроводность, а водород и гелии значительно большую Теп лопроводность водорода при 1300 К составляет 0,204 Вт/(м • К) и слабо зависит от температуры, но возрастает с повышением давле ния, особенно при средних температурах. Влияние водорода и ге лия на теплопроводность огнеупоров, работающих в среде этих газов, всегда надо учитывать Например, теплопроводность легко142 весных огнеупоров в печах с водородной защитной средой повы шается в 1,5 раза по сравнению с их теплопроводностью в воздухе. В порах < 5 мм конвективный перенос тепла практически от сутствует и в (8 16) для этого случая Хкоцп можно опустить Осивное значение в передаче тепла в порах при рабочих тем пературах имеет излучение. С повышением температуры вклад излучения в теплопроводность огнеупора быстро растет Напри мер, при 1500 К теплопроводность пористых изделии (легковесов с пористостью ~ 80%) начинает превышать теплопроводность ме нее пористых, те. теплоизолящюнные изделия теряют свои теп лоизолирующие свойства Вкладом излучения обт1Ясняется и то, что шамотные изделия с крупными порами при высокой темпе ратуре более теплопроводны, чем те же изделия с той же пори стостью, но мелкими порами При температурах ниже 800 К на блюдается обратная картина Влияние пористости на коэффициент эффективной теплопро водности огнеупоров при температурах не выше 800 К описыва ется следующей формулой ^п = Яо(1-аПобщ), (8.17) где ?v„ — коэффициент эффективной теплопроводности пористо го материала; XQ — то же, при нулевой пористости; П^дщ — обП1ая пористость в долях от единицы, а — коэффициент, завися щий от пористости: Поб„, а <0,10 1,5 0,11-0,15 2,0 0,16-0,20 2,4 0,21-0,25 2,6 При температурах выше 800 К становится значимым излучение тепла газом в порах и твердой фазой, чего не учитывает формула (8.17) и ею пользоваться нельзя Влияние теплопроводности пор на общую теплопроводность огнеупоров существенно зависит от того, что является непрерыв ной средой в огнеупоре. твердая фаза или поры. Теплопровод ность легковесных изделий, у которых непрерывна твердая фаза, на 200-250% выше, чем у изделий с той же общей пористостью, но у которых непрерывной фазой являются поры. Ниже представлены значения коэффициентов теплопроводнос ти распространенных огнеупоров по нормалям Всероссийскою ин ститута огнеупоров, Вт/(м • К), динасовые - 1,5-1,37 при 1100 К, 143 2-1,87 при 1800 К; шамот ные - 1,48-1,18 при 1100 К, 1,83-1,59 при 1900 К; перик/ 5лазовые — 3,37—3,3 при 1100 К. При повышении тем 4 пературы теплопроводность у/^З _J.[ снижается и при 1500 К со ставляет 2,69—2,74, затем сно 2 -/ / ва повышается при 2100 К до "^ 2,99-3,08 В процессе доттельнои -3,0 О -1,5 1,5 \%Р службы в условиях примерно постоянной температуры I'jic 8 9 Зависимость коэффициент теп лопроводности огнеупоров от давления теплопроводность огнеупоров газовой среды повьппается на 10-15%, и в / — периклазовмй огнеупор, пористость условиях переменной темпе 26,7%, 2 — псриклазохромитовыи огне упор, пористость 12,9%, 3 ~ иериклазо- ратуры — понижается шпинелидныи огнеупор, пористость 14,5% Практический интерес представляет теплопронодНОСТЬ н вакууме При вакууме 1,33 •10~2 Па теплопроводное! ь пористых материалов снижается примерно на 20% во всем температурном интервале (рис 8 9). X, Вг/(м К) ^, / у^ 6- 1 / t ^ 1 - 1 Электропроводност ь Проблеме электропроводности огнеупоров стсши придавать се рьезное значение в связи с появлением электроплавильных большефузных печей Высокое электросопротивление огнеупоров, ус тановленных в футеровке таких печей, предотвращает возмож ность короткого замыкания и связанной с этим серьезной аварии на печи Электропроводность огнеупоров, как гетерогенных тел, скла дывается из электропроводности их фаз (полупроводниковых, стекловидной, кристаллических) и пор. Поры Moryi как повы шать, гак и понижать проводимость тока Влияние пористости ил электропроводность подобно ее влиянию на теплопроводность При небольшом количестве изолированных и равномерно распре деленных нор электропровод1юсть уменьшается почти про1юрционсшьно увеличению пористости. При высокой пористости ее влияние выражено более сильно 144 1300 Рис S 10 Завис1|м„ст., лек.росопротпвлепия огнеупоров от .емпературы / и 2 -* шамот класса А, J - шамот класса Б Существенное 1злияпие НА электропроводность оказывают при меси Примеси образуют на границах зерен и вокруг них стекло видные силикатные пленки Несмотря на небольшом их обьем, они становятся непрерывной фазой В этом случае общая элекгропроводность будет зависеть от относительной электропроводно сти каждой фазы При повышении температуры электропровод ность стекловидной фазы возрастает быстрее, чем кристалличес ких диэлектриков и в результате общая электропроводность увеличивается (рис 8 10) Если силикатная пленка буде! покры вать полупроводниковые кристаллы, то общая электропроводность будет ниже, так как при высоких температурах электропроводносгь полупроводников выше, чем стекловидной силикатной фазы Практически электропроводность огнеупоров сганови1СЯ зна чительной при температурах выше 1500 К, когда в них появляет ся жидкая фаза Зависимость между электросопротивлением огнеупора и ею температурой носит экспоненциальный характер. Ае^/Т RS где р = — — удельное электросопротивление. Ом • щ А и В — постоянные, Т - температура, К, R — омическое сопротивление огнеупора. Ом, S — поперечное сечение огнеупора, м-^. 145 7. Краткие характеристики некоторых огнеупорных материалов Кремнеземистые огнеупоры Наиболее распространен}п>1М огнеупором этою типа яш1яегся динас Огнеупорной основой динасовых изделии служит кремне зем и форме 1ридимига и кристаболита. Термомеханические свойства динаса OnieynopnocTii динасоных изделии зависит от их химического состава С увеличением содер жания S1O2 огнеупорность динаса повышается При содержании 95-98% S1O2 01 неупорность находится в пределах 1980-2010 К Деформация под нагрузкой. Прочность динаса при HopMiUibHbix температурах — 20-30 МПа Характерной особенностью динаса яшиштся то, чго при нафевании его до 1600-1700 К механическая прочность существенно не меняется Однако при относительно низких температурах происходит некоторое снижение нрочносги, обусловленное полиморфизмом тридимита, кристобсиипа и кварца Динасоные изделия характеризуются высокой температурой }\л4iUia деформации под нагрузкой (1930 К) и в этом их большое преимущество перед мношми друшми ошеупорами Крист.и1лическии сросток и динасе плохо растворяется в жидкой фазе Вследствие малой скорости увеличении количества расплава при нагревании и ншшчия в динасе каркасной структуры сростка крисыллов тридимита температура разрушения динаса лишь незначи тельно отличае1ся от температуры плавления тридимита (1940 К) Присутствие в динасе неперерожденною кварца снижает темпераTj'py начала деформации Предельная рабочая температура динаса 1920-2000 К Ползучесть Динас отличается от всех рядовых огнеупоров не изменной ползучестью Постоянство объема Динас при нагревании расширяется не равномерно Его расширение при нагревании до 850-1000 К со ставляет не менее 80% от расширения, соответствующего нагреву до 2000 К, и связано с необратимыми полиморфными иревраи1ения\Н1 13 норм.шьном динасе суммарное расширение при naipeвании до 1700-1750 К не должно превышать 1 — 1,5% Термостойкость динасовых изделии, определяемая но стандар тной методике, не превышает 1—2 водяных теплосмеп Это обуслош1ено переходом а-крисгаболита в р-кристаболит, который нроисходиг в ингерв.1пе температур 450-540 К и сопровождается 146 р-кристобалит 573 °С Р-кварц?* а-кварц +7,82% Крсмнезинистый слой \ % -о О а тридимит 163 СИ ±0 2% ^ р-тридимтг 117 "с t ±0,2% Y Тридимит /"«с. <?./i. Схема полиморфньх превращений кремнезема скачкообразным изменением объема (расширением — при нагре вании и сжатием — при охлаждении). Явление это называется кристаболитным эффектом (рис 8 11). При колебаниях температуры в других интервалах, например, выше 550 К и особенно выше 900 'К, термостойкость динаса вследствие малого расширения исключительно высокая. Термостойкость динаса может быть повышена путем введения до 4% титаноглиноземистых добавок. Высокую термостойкость имеет динас на кордиеритовой связке. Шлакоустойчивость Динас является кислым огнеупором и устойчив к воздействию кислых расплавов и газовых сред. Ос новные расплавы, такие как оксиды железа, кальция и других ме таллов, взаимодействуя с кремнеземом динаса, образуют сложные, менее огнеупорные, чем сам динас силикаты. Поэтому в сводах мартеновских печей, где он раньше использовался, динас оплав лялся, на его горячей поверхности образовывались наплывы, по степенно стекавшие вниз на стены печи или падавшие в пла вильное пространство 147 с увеличением плотности динаса ею шлакоустоичивость воз растает. Проникновение иитка в Ьгнеупор резко снижается с уве личением вязкости расплава и уменьшением размеров пор Динас является улыракислым огнеупором и этим определена его область применения. Обладая отличными термомеханически ми свойствами, он является лучшим oi неупором для распорных сводов, позволяя перекрывать большие пролеты до 10—11 м Алюмосимкатные огнеупоры Алюмосиликатные огнеупоры изгото1У1яются с использованием отеупорной глины, основои которой является минерал когитиит AI2O3 • 2Н2О Эта глина при обжиге лает усалку вследствие поте ри кристаллизационной влаги Для сохранения при обжиге раз меров и формы изделии необходима добавка отошителя С этой целью при изготовлении полукислых огнеупоров используют песок, в шамотных огнеупорах — шамот (обожженная огнеупор ная глина); в муллитовых огнеупорах — глинозем Л120з Как видно из диаграммы, огнеупорной основои полукислых и шамотных огнеупоров являются муллит (3AI2O3 • 2S1O2) и кристаболит - S1O2 (рис 8.12) Высокоглиноземные I. Глинистые 7; К Тв р-р муллита + +жидкость { Жидкость 2300 - Корунд+ +жидкость 2123 2100 Муллит+ +жидкость 1900 Тв р-р муллита+ + корунд 1853 .2AljOj2Si02 Кристабапит+ +жидкость 1 1700 О 10 20 30 V 40/ 50 60 70 AljOj 2S1O3 Метакаолинит, % (масс) 80 90 100 ' 3Al20y2Si02-Al203 Муллит Корунд Рис. 8 12, Диаграмма состояния системы AijOj-SiOj 148 Шамотные и полукислые изделия В настоящее время шамотные огнеупоры с содержанием 3 0 38% AI2O3 — наиболее широко выпускаемые в России изделия. Эти огнеупоры образуют с кислыми и нейтральными шлаками менее вязкие расплавы, чем полукислые (не более 15% AI2O3) или высокоглиноземистые огнеупоры (не менее 45% AI2O3) и поэто му хуже противостоят афессивному воздействию указанных шла ков Производство большого количества шамотных огнеупоров объясняется их относительной дешевизной и наличием разработанно!! сырьевой базы Для производства шамота может быть ис пользована любая огнеупорная глина и каолин Для сокращения усадок в шихту шамотных огнеупоров добав ляют шамот (шамотный бои с крупностью частиц от лпжронов до 70 мм) Количеством оборотного шамога и его фракционным составом регулируют ме только величину усадки, но и другие снопстна' прочность, пористость, термостойкость и т д По количеству оборотного шамота в шихте различают MCUIOшамотныс (20-30%), шамотные (40-65%) и многошамотные из делия (>80%) Огнеупорность шамотных и полукислых изделий находится в пределах 1950-2050 К и зависит от химического состава применя емого сырья и структуры получившеюся изделия. Шамотные из делия в зависимости от огнеупорности подразделяются на 4 класса О -2020 К; А -2000 К, Б - 1940 К; В - 1880 К Полукислые ог неупоры обладают примерно постоянной огнеупорностью — 1980 К Характер деформации под нагрузкой при высоких температ>'рах зависит от состава и структуры материала Наиболее сильное вли яние на величину T^^ р шамота оказывает наличие оксидов метш!пой (Ме20). Шамот обладает островной крисъицщческои струк турой и в ею состав входит до 50% стекловихи10и фазы. Поэтому температура начсша деформации и сам характер деформации оп ределяются температурой размягчения стекловидной фазы и ко личеством эгои фазы в изделии Температура иачсша деформации под нагрузкой в 0,2 МПа у шамота колеблется в интсрв'сше 1520—1710 К. Соответственно пре дельная рабочая температура для этих огнеупоров определена в интервале 1500-1700 К в зависимости от класса изделия Темпе ратура начсша деформации под ыафузкои для полукислых огне упоров выше, чем у шамога. 149 Постоянство объема. Шамотные изделия не oGji.uiaioT посто янством объема и при нагреве дают усадку, причиной котором яш1яе1ся большое количество стекловидной фазы. Полукислые огнеупоры обладают большим, чем шамотные, постоянством объема Термостойкость В зависимости от содержа1Н1я оборотного иымота HiaMOTHbie изделия имеют удошют верительную и хорошую термостойкое 1Ь (от 12 до 150 водяных тепяосмен) Лорошам тер мостойкость яш1яется вообще отличительной особенностью <шюмоснликатных огнеупорен, обладающих мелкозернистой островнои структурой кристгшлнческого сростка Шлакоустойчивость шамотных огнеупоров низк.ш Они, гак же как и полукислые 01неулоры, не используются в процессах с ос новными расплавами. Для повышения стойкости шамотных нзде;пт при взаимодействии с кислыми и иеитра;и>ными расилава.мн необходимо стремиться понизить пористость изделия, при чем, не только открытую, но и общую Шамотные огнеупоры применяются в соответстиуюишх темпе ратурных зонах почти всех металлургических печей В процессе эксплуатации на поверхности контакта шамотных ошеуноров с афессивнои средой образуется слои переменною со става из продуктов взаимодействия среды с огнеупорным материlUioM Под таким слоем находится другой - уплотненный, фарфоровидныи, толщиной в несколько миллиметров Пока этот защит ный слои цел, шамотные и полукислые огнеупоры изнашиваются без скши>шания, равномерно, путем оплаш1ения, растворения и эрозии шлаком переменною состава Высокоглинозелшстые огнеупоры К этой фуппе огнеупоров отнесены алюмосиликатные oiне упоры с содержанием А120з>45%, а также корунд Ошеупорнои основой высокоитииоземистых ошеуноров является Myjunn (ЗЛ12О3 • 2S1O2) и корунд (AI2O3). Огнеупорность этих изделии на 50-80 К ниже соответствующей температуры ликвидуса по диаграмме состояния. Домул;нповые изделия (45-60% Л12О3) имеют огнеупорность 2120-2190 К, муллитовые 2150-2220 К и корундовые 2170-2270 К Характер деформации под нагрузкой высокоглиноземисгых огн упоров определяется островной структурой их кристсшлическою сростка Температура начала деформации этих огне\поров относи150 тсльно невелика* от 1780-1870 К у муллитовых, до 2000-2050 К у К0РУ1Щ0ВЫХ. Соответственно, Л1аксимальныс рабочие температуры равны. 1870-1920 К у муллитовых и 1920-1970 К у корундовых. По мере увеличения содержания AI2O3 в огнеупорах улучшаются все остальные механические свойства. Постоянство объема высокоглиноземистых огнеупоров лучше, чем у полукислых и шамотных, и повышается по мере увеличе ния содержания А!20з в огнеупоре Термостойкость огнеупоров рассматриваемой группы высо кая — у серийных кирпичей превышает 150 теплосмен. Шлакоустойчивость Высокоглиноземистые огнеупоры по суще ству единственная группа нейтральных огнеупоров Повышение содержания глинозема приводит к росту устойчивости огнеупоров к афессивным воздействиям нейтральных расплавов и газов Применение высокоглиноземистых огнеупоров весьма разнооб разно. Они применяются вместо полукислых и шамотных изде лий на более высоком температурном уровне. Корундовые огне упоры используются в канальных печах перегрева чу1'уна, в уста новках внепечного вакуумирования стали. Плавленые корундовые изделия применяются в подинах нафевательных печей, где они выдерживают давление и удары тяжелых слитков и не взаимо действуют с оксидами железа при температуре службы. Для про дувки стали в ковше инертным газом применяют пористые ко рундовые фурмы Огнеупоры на магнезиальной основе {тип 5—10 по табл. 8.1) Периклазовые огнеупоры Периклазовыми называются огнеупоры, содержащие не ме нее 85% оксида магния. Огнеупорной основой периклазовых ма териалов является периклаз MgO Главные примеси (СаО, S1O2, Р^2^з)' содержащиеся в сырье, связаны в мотичеллит, форстерит и магнезиоферрит, из которых первые две образуют твердый ра створ и ЯШ1ЯЮТСЯ по отношению к периклазу связывающим ми нералом. Последний распылен по всей массе кристаллов периклаза и образует с ним при высоких температурах твердый раствор, изменяя состав и свойства основного соединения — кристаллов периклаза. Периклазовые изделия содержащие в качестве связующего форстерит, имеют высокую температуру деформации под нафуз151 кои вследствие плавления последнего при 2160 К. Но они трудно спекаются, поэтому такие изделия обжигают при температуре выше 1850 К. С добавкой монтечеллита повышаются пористость и температура деформации под нафузкой, но понижаются пре дел проч1юсти при сжатии и усадка при обжиге Влияние содер жания свободной извести и монтичеллита на свойства перикла зовых огнеупоров представлено рисунками 8.13 и 8 14 Железис тые добавки способствуют спеканию изделии Температура начала деформации под нафузкой и термостойкость периклазовых изде лий слабо зависит от содержания РсгОз, если оно не превышает 10%. Более высокое содержание магнезиоферрига в периклазовых 01 неупорах нежелательно, так как снижает огнеупорность Огне упорность периклазовых огнеупоров составляет 2500-2700 К и в связи с трудностью ее определения ГОСТом не оговорена Характер деформации под нагрузкой периклазовых ошеупоров подробно рассмотрен в предыдущем парафафе. Напомним, что температура начала размягчения под нафузкой у периклазо вых огнеупоров существенно ниже огнеупорности и составляет 1800—2000 К. При приложении механических нагрузок периклазовые изделия начинают течь Интервал максимальных рабочих температур для этих огнеупоров равен 1950-2000 К. Термостойкость серийных изделий невысока и составляет 1-2 водяные теплосмены, что сиязано с болыпими значениями тк л р и модуля упругости материала. С уменьшением содержания сиI 2 3 2000г 36 г 80 4 Г "' - 32 - 60 1800 - 28 - 40 - -5 - 24 - 20 1600 - 20 - 0 - -9 8 16 24 Содержание монтичеллита, % Рис. 8.13. Изменение свойств ошеупоров на магнезиальной основе в зависимости от содержания монтичеллита 1 — температура начала деформации под нагрузкой, К, 2 - пористость, %, 3 — предел прочности при сжатии, МПа, 4 — измънение римсрои, % 152 1 2 3 2000 г 37 г 30 4 35 О 25 1900- 3 3 - 2 0 - - 1 - 31- 15--2 1800 29 10 - 3 2 4 6 8 Содержание СаО, % Рис. 8.14. Изменение свойств отеупоров на машезиальной основе в зависимости от содержания свободной извести / — температура начала деформации под нафуакой, К, 2 — пористость, %, 3 — предел прочности 'при сжатии, МПа,' 4 — изменение размеров, % ликатнои составляющей огнеупора термостойкость периклазовых изделий несколько увеличивается. Шлакоустойчивость периклазовых огнеупоров по отношению к основным расплавам, металлам, шлакам (богатым оксидом же леза и известью) и др , исключительно высока.'Это один из наи более широко используемых основных огнеупоров. Периклазовые кирпичи используются для кладки печей чер ной и цветной металлургам, футеровка которых контактирует с расплавами металлов и основных шлаков Магнезитовые порош ки служат для устройства подин металлургических печей и торк ретирования. Магнезиальноизвестковые огнеупоры Магнезиальноизвестковые огнеупоры составляют большой и разнообразный по химическому составу тип основных огнеупо ров системы MgO-CaO Наиболее распространенной группой ог неупоров этого типа являются изделия на смоляной связке* смолодоломитовые огнеупоры. Огнеупорной основой у этих огнеупо ров, кроме оксидов магния и кальция, служит также углерод. Важное значение этих огнеупоров определяется тем, что они яв ляются практически единственными огнеупорами, используемы ми в кислородно-конвертерном производстве. Наиболее вредной примесью, как 'и для всех магнезиальных огнеупоров, является S1O2, так как кремнезем образует легкоплавкую жидкую фазу. Содержание S1O2 в смолодоломитовых огнеупорах не превышает 153 2,1—3,5% Содержание углерода зависит от количества и вида смоляной связки и находится в пределах 2,0-4,3% Прочность изделий в первые сутки хранения состашгяет 30— 60 МПа, а затем она резко снижается в результате разрыхления структуры при гидратации оксида кальция Поэтому сроки хра нения смолосвязанных изделий до их установки в конвертер oiраничены (до 3 суток под колпаком). Температура начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа у с}.ю лодоломитовых изделий относи гельно высокая (1930-2100 К) и значительно выше, чем у обычных магнезиальных изделии Хотя углеродистая связка и повышает термосюикость, по все же терМОСТОИКОСТ1 смолодоломитовых изделии остается низкои. 3 воздунпн)1е теплосмены от 1600 К. Шлакоустоичивость Оксид кальция, являясь химически более активным, чем оксид мапшя, быстрее взаимодействует с си;ткагами конвертерного шлака, образуя соединения более огнеупорные, чем шлак Благодаря этому на поверхности изделий образуется lapнисаж и уменьшается глубина проникновения шлака в футеровку Магнезиалъношпинелидные огнеупоры Огнеупорной основой рас сматриваемого 1ипа огнеупоров являются помимо иериклаза так же хромошиинелиды Ма111ези1и1ьношпинелидные изделия стши широко применять ся в связи с заменой динаса в сводах и дру1их элеменгах кладки сталеплавильных печей основными огнеупорами Периклазохромитовые своды по сравнению с динасовыми до пускают повышение температуры в рабочем пространс1ве CTtuieплавильнои печи примерно на 100 К, что облегчает выплавку ст.шеи лептрованных марок Кроме того, эти своды увеличивают шштельность кампании печей Свойства магнезиальношпинелидных изделии существенно от личаются от ансшогичных свойств периклазовых и доломитовых изделии и зависят от соотношения в шихте главных оксидов На рис 8 15 предсгавлена указанная зависимость Оптимальное со держание хромита и спекшегося магнезита для получения изде лии с максимш1ьнои термостойкостью соответствует отношению 30 70 Шлакоустоичивость изделии повышается с уменьшением содержания хромита до 20% При службе в сводах сталеплавильных печей перик;1азохромитовые изделия с 20-30% хрома более стойки, чем изделия с бо лее высоким его содержанием (65-70%) 154 1 2 3 - 2U - ib 2000 15- 30 - 4 5 ьи 40- О 30 10- 25 1800 - 20 5 - 20 10 1600 - 0 - 15 - 0 20 Спекшийся матезит 80 Сарановский хромит Состав ши>аы, % '< 40 60 100 Рис 8.15. Изменение свойств обожженных магнезиальношпинелидны^ изделии в зависимости от состаиа шихты / - температура начтла деформации под нафузкои, К, 2 — термостойкость, водя ные теплосмены, 3 — пористость, %, 4 - предел прочности при сжатии, М П а , 5 - дополнительная усадка, %, при температуре 1850 К и выдержке 2 ч В условиях одностороннего нафева при насыщении изделии со стороны рабочего пространства жидким шлаком, богатым ок сидами железа, сводовые периклазохромитопые кирпичи приоб ретают зональное строение Отчетливо различаются три зоны а) неизменная; б) переходная; в) рабочая, в которой изменились и химический состав, и структура В свою очередь, в рабочей зоне выделяются три характерные подзоны горячая, контактирующая с реагентами рабочего про странства, средняя и верхняя. Горячая подзона имеет плотную структуру, излом с металли ческим блеском и состоит из шпинелидов сложного состава. Средняя подзона состоит из периклаза и шпинелидов Верхняя часть рабочей зоны состоит из хромита, псриклаза и силикатов форстерита и монтичеллита. Изменение химического состава происходит в основном в ре зультате термодиффузии расплава по капиллярам. Силикатные 155 Табтца S3 CBOIILTH.I oiiiejiiupuR, наиболее широко исполыуемыч в печач 11111 onieyiiop \ I р> пш onieyiiopa Р. 7 'ИР' К|/М^ '11111' "С "С KiXMHcjeMiicn 1С ibiii коиые 18Ю-1970 1G90-1720 1640-1660 /Viio\icx:ii,iiiK tnibii, Шамотныо I830-I'J50 1580-1750 1300-1400 Мугштовт. 23Ю-2520 1800-1600 1510-1600 Гшнозсмистыс Кор>11Л01!Ы1. 2890-3120 1950-2000 1750-1800 М 1П1ез11г1Ы1ые Псриклсцовые 2600 X 2800 2200-2400 Матезисшьно- С м а ю ююмитоьые бй-зобжнгот le 2680x2800 1800-1900 1410-1450 11 iiitCTKOiJbie Машези иыю шпинелилные П(.рикл U0\ром1Гтоиые 2950-3040 200 I500-I690 Хромитаперпкл 1зовые 2900-3150 1920-2000 1450-1530 3000-3200 1850-2050 1400-1600 2620-2820 1830-1920 1550-1680 4400-4500 2000 1750-1780 5100-5630 2500 1650-1700 3400-3500 1810 1740 3600-3800 1830 1750 3480-3830 2000-2300 I500-I650 1600-1650 2000 190О 1350-1600 2500 1900 2350-2540 2000 I700-180O 1500 -1700 XpoMitTOUbie Машсзиши.но ClLlllKlTHblC Форсаритоные Хромисп le XiWMOKiiaiiie UiipKOHiicn.ie Б<и1яел1ггооые 1>,1кор-353 П 1кор-41 У11с:(Х)д11Сп>11; Цпркононьи, Графитоиые Коксоцые К 1рб1шкр(.мнт,вые 156 ICip6naK()eMiiiiCDbie >, Вт/(м-°С) с, кДж/(кг-°С) Т^^, °С 1,23+70-10-5? 0,837+25-10-5 Г 1650-1700 0,84+58-10-57' 0,88+23-10-57' 1200-1400 1,12+44,4-10-5? 0,844 25,1-10-5? г ОЦ.-106, £-10-5, °С-' МПа 0,82-15-10-5? (400-1500 °Q i6_20 0,5-1,6 0,95-24-10-57' (< 2000 К) 1600-1650 0,7-16-10-5? 2,5-8 0,7-1,4 4,6-5,8 1,2-1,4 (400-1400 °С) 2,1 + 1,90-10-57 0,79 И2-10-5? ]650-1800 0,7-23-10-5? (200-1600 °С) 6-8 1-1,2 4,7-180-10-5? 1,05+29-10-5? 1650-1700 0,4-0,6 (600-1600 °С) 11-14 0,6-0,8 3,5-108-10-5? 0,68+28,2-10-5? (1000-1900 "Q 130О-14ОО - 15 - 2,58-70-10-5? J650-1700 0,93-11-№-5? (100-1500 °С) 0,85-0,9 (S 1700 "С) 0,93-0,98 (500-1100 "С) 9-12 0,2-0,3 8,5-10 0,4 1,28+41-10-5? 0,67+4,8-10-^ ?+2,83-103г2 1,08-1,15 (20-1000 "О 0,84+29-10-5? 3,5-186-10-5? 0,89+41,9-10-5? 1450-1570 - 4,07-71,5-10-5? (S500°C) 0,78 (25 "О I60O-18OO 0,7-0,85 1,3+64-10-5? 0,54+13-10-5? 2000-2300 1,63+2,91-10-5? 1750 5,9-87 ' 5-7 1,25 2,2-4,2 (500-1900 К) 1,3+64-10-5? 0,65+23,3-10-5? (500-1900 К) 0,64+22,5-10-5? (500-1900 К) 0,63+13-10-5? 0,4-0,5 (1300-1900 К) - 1800 - 6 1,38 1900-2000 - 4,5-6,4 2,5 162,8-4070-10-5? 23,2+3500-10-57(< 1000°С) 0,89+41,9-10-5? 1,42+19-10-5? (2 400 "С) 1450-1570 0,57+9,5-10-5? 2,6-6,7 0,6-0,9 1950-2000 0,93-0,9 3,7—5,8 1-1,5 '" (<400"С) 32 6-13,9-10-5? (<1300°С) 0,963+14,6-10-5? 1800-2000 0,22-110,9-10-5? 4,5-5,2 1,5-2,2 (1200-3000 К) 2,04-38,4-10-5? 1700 1650-1700 8-10,7 10,7 7,5-8,5 0,2-0,4 1,5 157 расплавы диффундируют и направлении от высоких телн1ератур, а несмешиваюшиеся с ними железомарганцевые - в nanpaiuieнии к высоким температурам Изменение структуры в переход ной зоне заключается в увеличении пористости и размера нор. Вследствие колебании температуры в рабочем пространстве пе чей в кладке свода возникают напряжения, приводящие к обра зованию трещин и затем к сколам части изде;ши Магнезиальнопннн1елидные изделия в сводах печен изнан1»н1аются преимуHieciBCHHo в результате этих сколов, а не вследствие оплавления, как динас. Форстеритовые огнеупоры. Форстеритовые огнеупоры содержат MHHepiui форстерит (2Mg0*SiO2) с 7],^ = 2150 К Они устойчивы против оксшины и основных расплавов, имеют повышенную из носостойкость к механическим воздействиям Используются в по динах нагревательных печей, в насадках регенераторов мартенов ских печей и др }^митовые огнеупоры Хромитовые огнеупоры вырабатывают ся на базе хромовой руды, основу которой составляет минерал хромит FeO • СГ2О3 с Т^^ = 2450 К Хромитовые огнеупоры про являют нейтральные свойства и устойчивы по отношению к неитргшьным, основным и кислым расплавам Они имеют высокую термостойкость и огнеупорность, но жидкая фаза появляется уже при температуре 1000 К. Поэтому хромитовыи огнеупор при вы соких температурах находится в пластическом состоянии и ис пользуется в виде обмазок и набивок на охлаждаемых поверхно стях печей, применяется при их горячем ремонте Углеродистые огнеупоры. Углеродистые огнеупоры изготавлива ются из^ дешевого и доступного сырья (графит, кокс) с высокой Г„^ > 3800 К Они не смачиваются расплавами и поэтому весьма устойчивы против любого из них, имеют малую плотность и вы сокую термостойкость и oiнеупорность, но начинают окисляться в продуктах сгорания топлива уже при Г > 900 К Поэтому угле родистые 01 неупоры используют в восстановительной среде - и футеровках газогенераторов, электродуговых печей для получения ферросплавов, алюлншия, свинца, в лещади доменных печен, и качестве припаса для разливки чистых металлов Карбидкремниевые огнеупоры. Карбидкремниевые огнеупоры окисляются медленнее, чем углеродистые (защищает тонкая плен ка S1O2), имеют высокую твердость, износоустойчивость, теплои электропроводность, термостойкость. Они устойчивы против 158 неитрсшьных и кислых расплавов, нестойки против основных, SiC разлагается при Т > 3000 К. Применяются в керамических реку ператорах, муфелях, ретортах, в футеровках газогенераторов и др. В настоящее время все шире используются более качествен ные, дорогостоящие огнеупоры, полученные из высокостойких тонких порошков — муллитовых, бакоровых, корундовых, периклазовых и др. Весьма перспективными являются футеровки из неформованных огнеупоров, особенно монолитные футеровки из огнеупорных бетонов и набивных масс. Внедряются методы плазменного напыления чистых тугоплав ких порошков: AI2O3, MgO, Zr02 и др. при выполнении и ре монте футеровок, что существенно увеличивает их стойкость и срок службы. В табл. 8 3 представлены основные свойства oi неупоров, наи более часто используемых в металлургических печах. 8. Огнеупорные бетоны и набивные массы Огнеупорный бетон представляет собой смесь огнеупорного за полнителя, вяжущего и добавок Эта смесь при затвердении вод ным раствором превращается в камнеподобное тело. Твердение огнеупорного бетона происходит в холодном состо янии в результате перекристаллизации и химических реакций Прочность огнеупорного бетона при нагреве в процессе сушки и вывода печи на режим должна непрерывно возрастать при тверде нии (до 600 К), упрочении (600-1300 К) и спекании (> 1300 К). В качестве ..аполнителя (80-90% по массе) используется безу садочный огнеупорный материал (бой, отходы огнеупорных изде лии) с размером частиц от 0,5 до 70 мм. Крупные куски в бето не ифают роль арматуры, уменьшают усадку. В качестве связую щего используются твердеющие в холодном состоянии огнеупорные цементы (глиноземистый, магнезиальный), тонкомо лотые огнеупорные порошки, огнеупорная глина, жидкое стекло, фосфатные связки и др. Для затворения бетонной массы используются водные раство ры солеи и кислот. В смесь вводят различные добавки, регулиру ющие скорость схватывания и твердения, пластифицирующие, противоусадочные и др По максимальной температуре применения огнеупорные бето ны делятся на 8 фупп: I — до 1400 К, II — до 1500 К, III — до 159 1600 к, IV - до 1700 К, V - до 1800 К, VI - до 1900 К, VII до 2000 К, VIII - до 2100 К Особенно высококачественными получаются бетоны на фос(1)атных связках — орюфосфорнои кислоте (Н3РО4) и др В зависимости or химико-минералогического состава ошеупорные бетоны классифицируются так же, как и друше ошеупориыс материалы (см габл 8 1) Составные части всех огнеупор ных бетонов должны соответствовать следуюаи^м требованиям Инертный заполшпель и вяжущее вещество при температ>'ре службы изделия не должны образовывать легкоплавкой эвтекти ки, если же т-аковая имеется, то количество жидкой фазы долж но быть вполне определенным Отеупориые бетоны долж1П>1 иметь минимситьпую усадку при температурах службы. Поскольку усадка для бетона вообще нежелательна, зерновой состав огне упорною заполнителя следует выбирать так, чтобы создавсшся жесткий каркас зерен заполнителя Дипасокварцитовые крупные бетонные блоки Э ш бетоны готовят из боя и брака динаса и кварца на жид ком стекле или ^шюмофос(1)атных связках В случае применения жидкого стекла в бетон вводят кремнефтористыи натрии Na2SiF(;. Дипасокварцитовые бетоны в виде крупных блоков массой 13 и 18 1 применяют ;um футеровки наг-ревательных колодцев про катных цехов Динасовыи бетон в зависимое!и от химическою состава обла дает о1неупорнос1Ью от 1850 до 1970 К При этом рост ею объе ма в нропессе обжига при температуре 1650 К и выдержке 2 ч не превьпиает 0,8—2,0 % Кажущаяся пористость бетона — 15-24% Глшшстокремнеземистые массы на фосфатной связке Такие массы обладают высокой устойчивостью к основным ишакам Кварнитовые массы при иафевании вследствие поли1\юр(1)нзма кремнезема разрыхляются, образуя крупные поры С целью сниАения норисюсти в массу вводят 10-15% ошеупорнои глины, что положительно сказывается на снижение роста линейною раз мера блока при иафевании (1850 К) Для повышения прочности в массу вводят 2 - 5 % (сверх 100 %j 85%-нои ортофосфорнои кис лоты И3РО4 160 Стойкость набивной футеровки ковшей (130 т) в сравнении со стойкостью футеровки из шамотных изделий увеличивается в 1,5-2 раза. Введение 10% графита в кремнеземистую массу по вышает ее и1лакоустоичивость, но несколько снижает прочность при 750 К. Теркрет-бетоп Для изютовления новых футеровок или их ремонта методом торкретирования используют специальные торкрет-порошки. Тор крет-порошок смешивают с водой и в виде пульпы сжатым воз духом с помощью сопла наносят на поверхность печи Высокую эффективность имеет метод пламенного торкретиро вания. По этому методу торкрет-порошок подается в факел при сжигании керосина в кислородной среде Температура факела выше 2250 К. Собственно торкрет-бетоном называют слои массы, нанесен ный методом торкретирования Торкрет-порошок представляет собой смесь огнеупорного заполнителя, вяжущего и добавки, обеспечивающей прилипание порошка к поверхности и уменьша ющей отскок 9. Волокнистые огнеупоры Тугоплавкие материалы волокнистого строения являются но вым классом высокоэффективных огнеупоров, производство ко торых интенсивно развивается. Практически, все промышленно развитые страны применяют волокнистые огнеупоры. Легкость, низкий коэффициент теплопроводности, высокая термостойкость, хорошая химическая стойкость обеспечили повышенный интерес к этим материалам со стороны металлургов и теплотехников Эти свойства позволяют сократить затраты времени и рабочей силы на монтаж и ремонт футеровки печей, получить значительную экономию топлива, увеличить производительность агрегатов, уменьшить массу футеровки и тд Характерным свойством волокнистых материалов является их высокая прочность на растяжение В некоторых случаях проч ность волокон приближается к теоретической прочности матери алов. Высокая прочность объясняется уменьшением вероятности появления onacifbix дефектов строения в образцах малого разме ра, юмогенностью структуры и ее ориентацией вдоль оси волок6-5041 161 па Плотность самих волокон практически равна плопю^ш мас сивных образцов, но изделия, состоящие из мношх волокон, при достаточном прочности имеют значительно более низкую кажуихуюся плотпос1ь Это свойство волокнистых материсшов исполь зуйся iuui создания сверхтеплоизолянмонных волокнмс1ы\ oineупоров Oiнеупорные волокнистые матери^шы нашли применение в мет.шлургии в качестве футеровки нафевательных печен, тепловом Н30ЛИЦ1П1 высокотемперат>рных воздухонафеваа'леи, теплоизоля ции подовых труб методических печей, утеплителей оиппюк ciaли и чугуна, меыллопроводов при разливке цветных метсшлов Собственно oiiieynopime волокно в практике строшельспм теп ловых aipeiaTOB не применяют, за исключением случаев, когда необходилю уплотнение швов В строительстве и при ремонтах печем используют изделия на основе огнеупорною волокна в смеси со связующим материсшом плиты, картон, войлок, лента, шнур и т л Применение таких огнеупоров в технике не только способствует уменылению потерь тепла, но и решает задачу cfniже1П1я матери.шоемкости В настоящее время более 100 веществ гюлучены в виде стек ловидных и кристсшлическпх нитей Волокнис1ые материалы под разделяются по длине волокон на длинноволокнистые с непре рывным во;юкном и щт-апельные с коротким волокном По техН0Л01ИМ производства различают два вида 01неунорных волокон алюрфные, получаемые раздувом расплава, и поликрпсьшлическмс, получаемые химическим путем Широко используемые волокнистые теплонзоляиионшле матерпсшы (.\пп1ер!1льпая силикатная вата, стекловолокно и теплоизоляцноп1Н51е изделия па их основе) имеют офаниченное прнмененпе — до температур порядка 1100 К Эти ограничения были СНЯТЬ! в результате разработки новых волокон, базирующихся ил бинарной системе тли1юзем-кремнезем, даительно рабоыюишх при TCMHepaiypax до 1500 К, а с добавками оксидов хрома - до 1700-1800 К Иаибольп1ее распростра)1епие из волокнис1Ых oiнеупорных маlepHiWOB получили каолиновая вата и изделия ил ее основе, а так же нитевидные крисгсшлы и композиты. Каолиновая вата отно сится к 01 неупорным веществам муллитокремнеземистои фуппы Она производится из натурсшьных огнеупорных 1лин и каолинов или синтетических смесей каолиноиою и высоко!лииозелщсто!о 162 составов. По существу, каолиновые волокна представляют собой высокотемпературное стекло. Процесс получения каолиновой ваты состоит в следующем Вна чале готовят смесь технического глинозема (99% AI2O3) и кварце вого песка (более 97,5% S1O2) в соотношении по массе 1.1. Затем смесь плавят в электрической печи при температуре 2300—2500 К Расплав, вытекающий из печи в виде струи, распыляют в специ альном волокнообразующем устройстве струей перегретою пара с температурой 490-500 К Каолиновое волокно и изделия из него легки по массе, эластичны, упруги, имеют низкую теплопровод ность, исключительно термостойки, обладают хорошими звуко изоляционными свойствами, прекрасной химической стойкостью, не подвержены воздействию масел, пара, воды, хорошо выдер живают вибрацию Из каолиновой ваты в настоящее время производят более 50 видов различных изделии, рулонный материал, плотный войлок, плиты, маты, штучные изделия сложной формы и тд Oriieynopные волокнистые материалы и изделия используют в качестве ра бочего и теплоизоляционного слоев Интересно, что сушку футе ровки в этом случае не производят, а скорость ее разогрева не лимитируется. Основные свойства некоторых огнеупорных волокнистых материа1юв приведены в табл 8.'4 Во всех теплотехнических расче тах удельная теплоемкость изделий из волокнистых материалов принимается равной 1,05 кДж/кг*К Следует отметить, что температура использования волокнистых огнеупоров ограничена Это объясняется кристаллизацией стеклофазы волокон под действием высоких температур, приводящей к потере прочности, упругости и термостойкости. Для решения теплохимических задач, связанных с высокими температурами (1800—2100 К), рекомендуется использовать поликристаллические во;юкна из чистых оксидов AI2O3 и Zr02 Поликристаллические оксидные волокна можно применять как в качестве высокотем пературного изоляционного материала, устойчивого к термичес ким ударам, так и в различных сочетаниях с другими огнеупор ными волокнами, керамикой или металлами в качестве армирую щей фазы. Комбинация волокон с металлом, керамикой, сгеклом и по лимерами позволяет получать материалы с уникальными свой ствами. 163 Таблица 8.4. Некоторые виды волокнистых огнеупорных материалов и их основ Наименование и марка материала или изделия Температура применения, °С в качестве• в качестве рабочего теплоизоляции" огнеупора Объемная масса, г/см^ Вата М К Р В - 1150 0,1 Рулонныи материал МКРР-130 1150 0,13 Плиты на органической^ связке МКРП-340 600 1150- 0,34 Войлок МКРВ-200 850 1150 0,20 Плиты на основе ваты и глинистой связки ШВП-350 1200' 1200 0,35 Глава 9 ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 1. Общие сведения К теплоизоляционным матери^шам предъявляются следующие основные требования: — они должны иметь как можно более низкую теплопровод ность, — хорошо противостоять относительно высоким температурам, до которых прогревается внутренний огнеупорный слои; — их строительная прочность должна быть достаточной, чтобы не разрушаться под действием веса теплоизоляционного слоя; — теплоизоляционные материалы должны иметь небольшую удельную теплоемкость, чтобы обеспечить минимальные потери тепла на аккумуляцию, — стоимость материалов должна быть по возможности невы сокой. 2. Характеристики теплоизоляционных материалов Теплоизоляционные материалы характеризуются теми же свой ствами, что и огнеупорные пористостью, теплопроводностью, удельной теплоемкостью, пзопроницаемостью, электропроводно стью и др Главной рабочей характеристикой теплоизоляционных матери алов служит предельная температура их применения При выборе Maiepnana для тепловой изоляции печи необходимо следить, что бы действительная температура службы изоляционно! о материала не превышала предельно допустимую величину В против1!ом случае теплоизоляция может оказаться химически или механичес ки неустойчивой и выйдет из строя. Теплоизоляционные материалы по температуре применения де лятся на три фуппы' низко- (до 1200 К), средне- (1200—1500 К), высокотемпературные (более 1500 К). По происхождению теплоизоляционные материалы делятся на естественные и искусственные. По форме и внешнему виду выделяют штучные изделия (пли ты, кирпич, полые цилиндры, полуцилиндры и сегменты), рулон ные и шнуровые (маты, шнуры, жгуты), рыхлые и сыпучие (вспу ченные перлит и вермикулит, вата минеральная и стеклянная) материсты. 165 По сфуктуре различают нолок11ИС1ые (асбест, стеклонолокно, минср^шьная naia), ячеистые (пенодиаюмит, соиелш, ненопласты, неностеюю), зернистые (крошка диатомитоиая, крои1ка вермикули говая) матери,и1Ы По плотности теплоизоляционные материсшы делятся ил груп пы н марки Цифра марки соответствует плотности магери.ша М.фк 1 I р>пп<1 1 ОсоПо ппзкои гпотности 2 НИЗКОИ ПЛОТНОСТИ 3 Срелиеи плотности А Плотине 15 100 200 400 25 125 225 450 35 150 250 500 50 175 300 600 По жесткости, коюрая измеряется злачепием относительного сжатия при з.шанных удельных нафузках, геплоизоляиионные матери.шы делятся ил пять видов — мягкие, полужесткие, жесгкие, новьниеннои жесткости и твердые Органические теплоизоляционные матери.иия используются для изоляции поверхностей с температурой менее 400 К, неоргани ческие гакже 01раничены по температурам применения 7j',l}^1 выше которых они дают недопустимую усадку (спекаю1ся), теря ют меха1П1ческу1о прочность и теплоизоляционные свойства 3. Естественные теплоизоляционные материалы Из естественных теплоизолянионних материсшов наиболыиее распространение получили диатомит, трепел (инфузорная земля), вермикулит и асбест Диатомит и фенол имеют одинаковое происхождение Они нрелсгавляю1 собой порпстые осадочные породы, образовавшие ся из ост-атков доисторических водорослей и простейших морс ких организмов и имеют формулу Si02*/iH20 При 900-1000 К эти материси1ы теряют внутрикрисгсишическую luiaiy и после об жига содержа! 90% S1O2 Диаюмит и трепел используются для засыпок в порошкооб разном виде Кроме того, из них изготовляют киргшч ил министои связке Диатомиювые кирпичи обладают очень м.шои ирочnocibio, и их применяют для выполнения слоя наружной тенловои изоляции стен и сводов печей Верлшкулит является разновидностью слюды, обладающей способнос1ью при нафевании до 1100-1200 К вспучиваться и увеличивать свои обтаем в 15—20 раз Необожженный вер,\п1ку166 лит используют для засыпок и изготовления плит, применяемых до температур 1100—1150 К При этом средний коэффициент теплопроводности засыпок и плит примерно одинаков и равен 0,1 Вт/(м-К) В обожженном виде вермикулит используют для засыпок и изготовления различных изделий. В этом случае он больше изве стен под названием зонолит и применяется при рабочей темпе ратуре до 1400 К Асбест или горный лен представляет собой волокнистый мате риал, соответствующий формуле 3Mg*2Si02'21^20, с длиной во локон от 7 до 100 мм Эта естественная горная порода при на греве до температур свыше 800 К теряет связанную влагу и в ре зультате разруигается, рассыпаясь в порошок Поэтому асбест можно использовать до температуры 750 К Без предварительной переработки его применяют редко — в виде крошки для засыпок Из природного асбеста, имеющего длинные волокна, изютовляют асбестовый шнур и ткань. При добавлении в асбест 20% ог неупорной глины получают асбестовый картон. Асбестовую крошку широко применяют в качестве важнейшей составной части различных обмазок Из асбеста с короткими во локнами в смеси с глиноземистым цементом изготовляют асбо цементные плиты. Средний коэффициент теплопроводности ас бестового шнура и ткани равен 0,15, асбестового картона и плит 0,17, а асбоцементных плит 0,11 ВтДм-К). 4. Искусственные теплоизоляционные материалы Лучшим теплоизолятором в технике является неподвижный воз дух В связи с этим все технологии изготовления искусственных теплоизоляционных материалов основаны на создании высокопо ристых изделий. Предпочтительны мелкие изолированные поры. Выпускаются легковесные изделия на основе игамота, динаса, высокоглиноземистых материсшов и корборунда. Легковесные из делия изготовляются тремя способами: выгорающих добавок, пенообразования и химическим. При использовании способа выгорающих добавок исходными материалами являются соответствующая огнеупорная масса и под мешиваемые к ней выгорающие добавки (древесные опилки, угольная мелочь). В процессе обжига добавки сгорают, в резуль тате чего в изделии образуется большое количество крупных пор неправильной произвольной формы. 167 в способе пенообразоваиия исходную огнеупорную массу приютовляют па растворе столярного клея и канифольного мыла. При перемешивании увлажненных материалов мыло вспенивает ся, причем столярный клей делает пену устойчивой. В изделии появляется большое количество мелких пор правильной формы, равномерно распределенных по его объему Пеноизделия выгод но отличаются от изделий, полученных по первому способу, большеи пористостью, меньшей объемной массой и лучшими тепло изоляционными свойствами Однако они имеют более низкую ме ханическую прочность и температурный интервал применения Химическим способом поры в огнеупорной массе получают благодаря газам, выделяющимся в результате химических реакций доломита и гипса со слабым раствором серной кислоты, добавля емых в исходную массу Выделяющийся диоксид углерода вспу чивает массу, образуя в ней большое количество равномер1ю рас положенных пор По сравнению с плотными огнеупорами легковесы обладают существенно сниженными шлакоустоичивостьго, термостойкостью и прочностью. Поэтому легковесы не используются в качестве ра бочих огнеупоров, там, где на футеровку воздействует расплав, имеются значительные термические напряжения или механичес кие (абразивные) нагрузки При отсутствии указанных воздей ствии легковесы используются в качестве рабочих огнеупоров, ино1ла под слоем защитного огнеупорного покрытия, нанесенно го с ошевои стороны В остальных случаях легковесы использу ются в многослойных кладках между рабочим огнеупором и сло ем тепловой изоляции. Применение в печах теплоизоляционных материа/юв и легко весов уменьшает материсшоемкость кладки и массу печи, объем фундаментов и массу каркаса, способствует экономии топлива и электроэнерши. Механическая прочность легковесного огнеупора значительно меньше, чем плотного Газопроницаемость в 2,5-4 раза больше Однако повышенная газопроницаемость самого кирпича не ока зывает заметною влияния на потери тепла из печи, поскольку устано1злено, что в кладке печей 94% прошедших через нее 1азов фильтруется через швы и лишь б% через материал Максимальная температура применения легковесных изделий колеблется ог 1600 К (шамот-легковес) до 1900 К (карборундле1ковес) 168 Таблица 9.1. Свойства теплоизоляционных материалов и изделий Наименование и марка Плотность р, кг/м^ Теплопро к, Вт/ Асбест хризотиловый распушенный 150 400-450 0,039+ 12 0,106+ \2 130-170 80 150-200 .0,04 + 2 0,042 + 21 0,049+ 13 365-420 150 250 '0,078+16 0,054+ 13 0,061 + 13 200 300 0,064 + 10 0,087+ 10 Вата стеклянная в набивке • Матысиз штапельного стекловолокна МРТ—50 Маты прошивные из минеральной ваты ВФ—75 Пенодиатомитовые изделия ПД-400 Перлит вспученный Перлитокерамические изделия марки 250 Перлитофосфогелиевые изделия марок 200 ^300 . Плиты минераловатные на битумной связке марок -200 300 Полуцилиндры минераловатные на синтетическом связующем Войлок технический грубошерстный Торфяные плиты 200 300 0, 0, 150 0,052+ 11 170 0,047 + 4, 0,045 + 3 150 ::;j о Таблица 9.2. Свойства легковесных огнеупорных материалов и изделий Тип и марка изделия Динасовые ДЛ-1,2 Шамотные и полукислые ШЛА-1,3 ШЛ-!,3 ШКЛ-1,0 ШЛ-0,9 ШТЛ-0,6 ШЛ-0,4 Муллитокремнеземистые МКРЛ-1,0 МКРЛ-0,5 Корундовые КЛ-1,1 Муллитовые МЛЛ-1,3 Маты каолиновые МТК Плиты из каолиновой ваты Плиты из муллитокремнеземистои ваты МКРВ-350 Ппотность р, кг/м-' Теплопр X, Вт/ 1120-1200 0,58 + 3 7 1250-1300 1260-1300 1000800-900 540-600 300-400 0,47+ 13 0,47+ 13 0,33+ 29 0,291+2 0,1 + 11 0,058+ 1 950-1000 0,6-0,65 ( 450-500 1050-1100' 1240-1260 150 200- 0,35-0,4 ( 0,55 (60 0,5-0,6 (6 0,18-0,34 ( 0,14 +83 (S 23 350 0,2-0,4 (9 0,34 кг/м' 0,12-0,29 ( Ткань из кварцевого волокна Т01ШИН0И 0 , 4 м м Графитированныи уперодистыи войлок 40-120 0,4-1,5(13 Выпускаемые 11ромы1иленностью легковесные материалы име ют специальную маркировку. Например, шамотные изделия пред ставлены марками ШЛА-1,3; ШЛБ-1,0 и тд., где Ш — название огнеупора (шамот); Л — легковес Буквы А и Б обозначают класс огнеупора, а цифры после тире - плотность материала, г/см-'. Аналогично маркируется легковесный динас (ДЛ-1,4) и высоко глиноземистые легковесные огнеупоры (ВГЛ-1,0). К искуственным теплоизоляционным материалам относится шлаковая вата, изготовленная из различных минеральных распла вов, чаще всего из шлаков рудоплавильных металлургических пе чей. Струю шлака раздувают паром, в результате чего образуются тончайшие нити, из которых и получают шлаковую вату. Шлако вая вата обладает хорошими теплоизоляционными свойствами и огнеупорностью Ее применяют до температуры 900 К. В табл 9.1 и 9 2 приведены основные характеристики тепло изоляционных и легковесных огнеупорных изделий. Глава 10 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТАЛЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ НЕЧЕЙ При сооружении печей широко используются обычные строи тельные материаллы, металлы и сплавы. 1. Строительные материалы Кирпич глинистый обыкновенный (красный) используют для кладки фундаментов, боровов, дымовых труб, а также элементов футеровки печи, работающих при температурах не выше 900 К (дылювых труб до 700 К) Кирпич выпускают пяти Марок 200, 150, 125, 100 и 75. Марка указывает предел прочности при сжа тии. Плотность строительного кирпича 1600—1900 KI/M^, коэффи циент теплопроводности 0,8 ВтДМ'К), морозостойкость 15-50 циклов (замерзание — оттаивание без разрушения). Силикатный кирпич в печестроении не используется, так как при на1реве выше 150—200 °С, а также при постоянном увлажнении он разрушается. Щебень используют в качестве крупною заполнителя бетона. Его получают путем дробления горных пород или кирпича. Для получения кислотоупорного щебня используют вулканические горные породы андезид и диабаз 171 Битовый камень применяется и качестве заполнителя в буюбетоне и прех1сташ1яег собой крупные куски горных пород Камни но своему происхождению MOIJT быть из песчаников и известняковые. Камень из песчаников способен выдерживать тем пературу до 850 К, а известняковые — только до 450 К Бутовую кладку ведут на строительных растворах Строительные растворы применяют для скрепления П1туч1п>1х сфоительных изделии и кусковых магериалов в моноли! (кладоч ные растворы) Это смесь из мелкою заполнителя (песка), вяжуnieio веи1есгва и воды, образующая при затвердевании пскусс!веннын каменный материси! 13 качес1ве вяжущею веп1ества ис пользуется цемен! Наиболее широко применяют портландцемент, ею выпускаю! с различными значениями предела прочности на сжатие, приобрете1Н1ого после выдержки на воздухе в течение 28 часов Эта величина и является маркой цемента 200, 250, 300, 400, 500, 600 При сооружении фуиламенюв широко применяется шлакобетон Его получают путем добавления в цемент 30-50% доменного шлака Гаароизоляционные материалы используют для защит1>1 фундаменгов и других элементов печного агрегата Ьг фунтовых вод Для этой цели применяют толь и рубероид (картон, протпаииыи смолой и битумом), а также тдрозол (асбестоцеллюлозныи картон, пропитанный битумом с температурой размягчения не ниже 320 К). Используют также асбесто1юе волокно, пропитан ное битумом с температурой размягчения не ниже 330 К, а за тем прокатанное в полотно с толщиной 3-4 мм Оно называется борул1Н1 Бетон — искусственный каменный материсш, получаемый в ре зультате твердения бетонной смеси, состоящей из крупного и мелкою заполнителя, вяжущего вещества, cneiHiajn>nbix добавок и воды В качестве заполнителя используют смесь песка (круп ностью 0,15-5 мм) и гравия или щебня (10-70 мм) Вяжущими ча1це всею являются различные цементы Бетоны классифштируются по объемной M.icce, виду вяжущего вещества и заполните ля, прочности, морозостойкости и иазпаченшо. Марка беюна харак1еризуе1 ею прочность при сжатии i! стандар1ных условиях и меняется от 35* 10^ до 800- 10^ Па Чем ответс!ценней сооружение, тем выше марка используемою бетона Бетон хорошо работас! на сжатие, а ил изгиб и растяжение зна чительно хуже — допустимые напряжения отличаются ил порядок 172 Железобетон представляет собой сочетание стальной арматуры и бетона, образующих единое целое. Растягивающие и изгибаю щие усилия воспринимаются арматурой, а сжимающие — бето ном Совместная работа бетона и стальной арматуры обеспечива ется надежным сцеплением между ними и близкими значениями т. к.л р. этих материалов Для улучшения прочности железобетон ных изделий стальную арматуру предварительно растягивают; при этом бетон в изделии оказывается заранее сжатым. 2. Металлы и сплавы, применяемые в печестроении При строительстве печей широко применяются металлы и сплавьг сортовой прокат цельнотянутые трубы, стальной лист, стальные и чугунные отливки и т д Рядовые углеродистые стали и чугуны удовлетворительно слу жат при температурах не выше 700 К. В зонах с более высокой температурой используют легированные и высоколегированные стали и сплавы. Введение легирующих элементов в сталь позво ляет гювысить или снизить сопротивление окислению. Все леги рующие элементы можно разделить на две группы, окисляющие ся легче железа (хром, марганец, кремний и т. д) и окисляющи еся труднее железа (медь, никель, кобальт). Элементы первой группы, окисляясь, образуют на поверхности металла пленку, плотно прилегающую к металлу и защищающую его от дальней шего окисления. Наиболее широко применяют в печах жаростойкие и жаро прочные стали. Жаростойкими называют стали, хорошо проти востоящие окислению поверхности при температуре выше 770 К, но работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоя нии. Жаропрочными называют стали, стойкие к окислению при высоких температурах и сохраняющие прочность в нагруженном состоянии в тече1ше длительного времени Значительное улучше ние механических свойств при высоких температурах получают при добавлении никеля в хромистые жаростойкие СТСШИ. Для деталей, работающих при высокой температуре под нафузкой, применяют жаропрочные стали и сплавы, к которым отно сятся хромоникелевые стали. К недостаткам этих сталей относят ся большой коэффициент линейного расширения и чувствитель ность к парам серы. Сплавы, содержащие более 15% никеля, вообще не рекомендуется применять для работы в атмосфере сер нистых газов 173 Таблица 10 I. Рекомснлаин» по применению жаропрочных и жаростонкич сталей R конструкциях псчси Ж.фостоикость, "С Марка стати 800 Х14Г141131, Х18И101, 2Х18Н9 1050 1100 1150 1200 Применение и рабочая температура Дот.пи печем при нагрузке, коипеиерньк. теиты, штанги тоткателеи, опорные лементы дтя кплки, дет1ли печиыч роликов, внутренние кож\хп термических печей Х251 fltiaiH печен при нtJнaчитeлыlыч I jvjKax до 1000 "С. ралиантныс труби, металтичсские peKjnepaTopii, лстати горелок 15Х25т9С2Л Детати печей Х28, Х28Л11 Детати печей до 1050 "С, рамы, по/июны, опоры подопих Tpv6 Х25Н20С2, Детали печных роликов до 1150"С 15Х25П19С2Л В табл 10 1 прииедены рекомендации по применению CTCUICH для печных механизмов и дет;и1ен, работающих при высоких тем пературах Вместо дорогосюящих сталей целесообразно применять более дьшевые жфоупорные чуг-упы. Из жаростойких чугунов широко применяется чуун, легиро ванный кремнием (силал), марки ЖЧС-5,5 Из нею отливают блочные рекуператоры Они служат до температуры стенки 1100 К Применяются также хромистые чугуны марок ЖЧХ-1,5, ЖЧХ-2,5 для дроссельных клапанов работающих в среде горячеIO 1аза и воздуха при температуре 900-950 К Чу17ны, легированные .тюминием, с пластинчатым или niapoвым графитом марок ЖЧЮ-22, ЖЧЮШ-22 MOiyi применяться до температур 1300-1400 К Глава И СТРОИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПЕЧЕЙ 1. Фундаменты Фундаментом называют подземную часть сооружения, которая воспринимаег нафузку ог п.шземнои части и передает ее ил ос нование 174 Основание — это массив естественного фунта, на который опи рается фундамент. Бывают также искусственные основания. На р~ис 11 1 предспнлена схема основания и фундамента, даны их конструктивные части. Фундаменты располагают на прочном, устойчивом основании. Прочность основания обусловлена прочностью несущего и под стилающего слоев грунта Наиболее прочные и устойчивые фун ты cKcUibHbie и крупнообломочные Слабые, неустои швые есте ственные фунты требуют усиления, т е создания искусственных основании В этом случае широко используют свайные фундамен ты, \которыс незаменимы в сложных грунтовых условиях. JTpn сооружении фундаментов придерживаются следующих об щих правил: давление на грунт должно быть равномерным по подошве фундамента; каждая установка или крупный ее элемент должны иметь самостоятельный фундамент, не связанный с фун даментом цеха; непосредственно примыкающие дру1 к другу фун даменты должны иметь одинаковую глубину заложения. Выделя ют фундаменты мелкого (Лф < 0,5Й, где а — ширина подошвы фундамента), среднего (Аф = 0,5-2-д) и глубокого (Аф >'2а) за ложений Глубина заложения фундамен.и uw jcex случаях жела тельна выше уровня фунтовых вод, а для объектов вне отапли ваемого помещения она должна Ьыть больше глубины промерза ния почвы. Для сооружения жестких монолитных фундаментов используется строительный 0,00-р кирпич, бутовый камень и бетон, а для фундаментов на упругом основании — же лезобетон Последний является наиболее перспективным современным материалом для сооружения фундаментов По форме конструкции фундаменты делят на столбовые, ленточные, сплошные и массивные (рис. 11.2). Рис. 11.1. Схема естественного основания и фунда мента / — колонна сооружения, 2 - фундамент, 3 — подо шв<1 фундамента, 4 - несущий слой основания, 5 — подстилающие слои основания 175 / Рис II 2 Пр ь ерь ко струкц и фунд \ е тов р з ь х т ов а — столбово с фу дак е т ь \ о opaN и под жезезобсто нье / стиьные / / колонны, / - колонна, 2 - жмсзобетонныи стакан, 3- фундаментн.ш плита, 4 — анкерные болты, 5 - элемент фундамента, б - ленточнын нар<ипелы1ЬН1 / и пе рекрещивающийся 2,0сплошной под отражатезьную печь, г - массивный под дымовую трубу, д - массивный под доменную печь объемом 1700 м-* / - огне упорная кладка, 2 — тепловая изотяния и ст.шьная обшивка, 3 — козонна каркаса Столбовые фундаменты представляют собой отдельно стоящие столбы с развитой опорном частью, передающие на фунт уме ренные сосредоточенные naipyJKH от колонн сооружения, напри мер мартеновской печи Ленточные — выполняются под вытянутые конструкции (про тяженные печи); они MOiyr быть параллельными и перекрываю щимися Усилия на них передаются колоннами или непосред176 <p////////////////////////////////////////ii Рис. 11.3. Пример конструкции шанцев ( / ) и воздушного зазора (2) между кладкой и фундаментом ственно стенами сооружений Ленточные и столбовые d3vmiaMeHты сооружают для печей, у которых желательно иметь холодный под,^ подвергающийся периодическим осмотрам. Сплошные фундаменты образуют единое основание под всю печь с теплым подом (например, отражательную печь), у которой не требуется доступа к нему в процессе эксгшуатации, Температура бетона, примыкающего к поверхности огтраждения печи, не должш превышать 350 К. Для обеспечения этого требования между горячей поверхностью и фундаментом подкладывают слои тепловой изоляции, оставляют воздушный зазор или выполняют вентиляционные каналы — шанцы (рис. 11.3). Массивные фундаменты применяются для сооружений большой массы и при сосредоточенной нафузке, например для доменной печи, дымовых Tpv6. Массы такого фундамента и сооружения со измеримы 177 2. Каркасы Каркасы печей представляют собой пространственные метшь лические конструкции, которые выполняют две функции. — воспринимают и передают ил фундамент вес сооруже1гия HJHi отдельных его частей, — воспринимают усилия со стороны футеровки, возникающие при ее тепловом расширении. Таким образом, каркас является одновременно несущей конcipyKiuien и обвязкой футеровки печи. Каркас возводят на фун даменте, а затем вед^т люнтаж оборудования, частей и узлов печи Каркасы, воспринимающие усилия от футеровки, делят на жест кие и ре17лируемые и выполняют в виде рамных и листовых конструкшш Жесткий удерживающий каркас при расширении футе ровки не смешается, а направляет ее деформацию к телшературным швам1 Рамный жесткий каркас (рис 11 4) изготавливается цельносвар ным из сортового проката* стоики и проюны - из двутавров и швеллеров №16—30 и выше, часто используются crcUibHoe литье и слябы, некоторые части каркаса в зоне высоких температур выгюлияются принудительно охлаждаемыми, например рамы зава лочных окон и пятовые балки мартеновских печен Шаг стоек Ш~1 Е^ J ПИШИ ь^ Рис. 11,4 Рамный жесткий каркас / — поперечная связка, 2 - продольная связка (прогон), 3 - стоика, 4 — биимак стоики с опорной плитой, 5 - KOTOHHI Рис. 11.5 Рамный регулир1емы11 каркас 1 — верхняя ре1улируцмая связь, 2 — стоика, 3 - шарнирное ити жесткое крепление, 4 - сварная рпм i 5 - котонна 178 1000—1500 мм. Нижний конец стоек с опорной плитой крепят анкерными болтами к железобетонной колонне, опирающейся на фундамент, или сваркой к стальной подовой раме, Поперечные продольные связи каркаса жесткие. Рамный регуливуемый каркчс (рис 11.5) может не препятство вать тепловому расширению футеровки Он предсташшет собой ряд пар параллельных стоек, закрепленных внизу на сварной подовой раме и соединенных попарно между собой поперечными регулируемыми связями, верхние-продольные_-СВЯЗИ-.отсутствуют.При разогреве распорного свода внутренняя часть огнеупор ных кирпичей расширяется больше, чем наружная. Это вызывает раскрытие швов, увеличение механических напряжении в своде, его выпучившие Регулируемый каркас позволяет отпустить (уд линить) поперечные связи, увеличить расстояние между стойка ми и раздвинуть пяты свода; при этом свод садится, что снимает излишние напряжения При охлаждении свода связи подтягива ются. Такое регулирование существенно улучшает службу распор ных сводов большого пролета / Листовые или сплошные каркасы (рис. 11.6) всегда жесткие, их выполняют цельносварными из толстого стального листа (8—10 мм) с ребрами жесткости в виде колец из слябов или сортового прока та Их обычно используют для печей цилиндрической формы, на пример кислородного конвертера доменных воздухоподогревателей и др Листовой_каркас одновременно выполняет функции герме тизирующей обшивки Повышение температуры каркаса выше 600—700 К нежелатель но, в частности во избежание окисления и снижения прочности стали. Поэтому каркас выносят из зоны высоких температур, между футеровкой и каркасом помещают тепловую изоляцию или предусматривают Всичиляционные зазоры Если отдельные элементы к^.ркаса нельзя изолировать от воздействия высоких температур, то они выполняются охлажда емыми (рис. 11.7). Рис. 11.6 Листооои сплошной каркас кислородного конвертера / — футеровка, 2 — стальной лист, 3 — ребра жесткости 179 Рис 11 7. Конструкции водоохллждаемых элементов каркаса нагрева тельных печей, выполненных из кв<шратных труб а п б - узлы установки горелочных устройств при торцевом отоплении, а — узет крете1Н1я кладки при торцевой |!ЫЛ1че мет.ыла, 1 — горстка, 2 - форсунка, 3 — квадратные водоохлаждаемые тру бы, 4 - стеупорные блоки, 5 заатонка окна торцеиои выдачи меТсШла, 6 - огнеупорная кладка 3. Офажцения печей К печи (стенам, своду, поду) предъявляют следуюише общие требования" — обеспечение надежной работы в течение межремонтной кам пании; — умеренное рассеяние теплоты в окружаюп1ую среду, 180 Огнеупорная кладка ' Принудительно охлаждаемые футеровки Монолитные ограждения Огнеупорный бетон Набивная огнеупорная масса —п Однослойные га X о й- .й сЗ >s о а Xа.(ц о ^ S S с ffl s X > Ш.Ю Q.I m ^ b^ " X(0 Многослойные Рис. 11.8. Классификация ограждений печей — высокая газоплотность; — вuJ.мuжrlu меньшая стоимость. ПБостеиишм огпажлеиием является однослойная огнеупорная конструкция, которую называют футеровкой (от немецкого слова Flitter — подкладка, защитный слой). Как правило, огоажление выполняют многослойным с дифференциацией функции каждого слоя — противодействие афессивнок1у воздействию рабочего про странства, офаничение тепловых потерь, обеспечение строитель ной прочности и газоплотности. Все огоаждения по способу изготовления и специфике конст рукции могут ьыть р1зделены на три типа (рис 11.8). Рассмот рим их особенности Однослошшя ошеупорная кладка (рис 11.9) наиболее проста конструктивно Она выпол няется из однородных и1тучных огнеупорных изделии. Для нее характерны большая толшина и повышенные термические напряжег нил, высокая теплоаккумулирующая способ:^. ность и высокая плотность теплового пото ка в Окружающую среду, болыпой вес конг струкции и значительные напряжения сжатия В многослоннои кирпичной кладке (рис 11.10) функции слоев разделены: огнеУПОР npOTlinuo UH1 ncijjjyiiiaiumiiM виЗДСЙ- ствиям при высокой температуре огнеупорпое защитное покрытие увеличивает стой- ^'"^- ^^•^- Однослойнля огнеупорная кладка, выполненная в пере вязку 181 Рис. Л,10, С^ема сонременною многое юмного Офаждения с использопанием обичнои теплошн изоляции (а) и поюкиистою OIHL > норного материала (б) / — металтическая оСипшка (>тотня10щ111\ атои), ^ — Jффeктивиaя тстоиш изо1яция, 3 — легкоиес, 4 - огиеупор, 5 - защитным слои, б — иолокнистыи огнеупорный мате риал 2 34 5 • ^ и # кость 01 неупора, ле1ковес и геплоизоляиия с1П1жают тепловой ноток через офаждение, уплотняющий слои ею 1ермегизируе1 Мноюслоиная кл.щка по сравнению с однослойной имеет ряд HpeuMiHieciB Она менее массивна В результате ее выполнения у.меньпмется расход огнеупорного материсша, сн11жаю1ся теплоаккуму;п1рующая способность и потери тепла, грсщиент темпераlypiji н термические напряжения в слое oiнеупора Качество кдкщки определяется толщиной швов между oi не упорными изделиями, поскольку по швам происходят разрупгение футеровки и 1азообмен с окружающей средой Чем OTBeiсгвениеи огнеупорная кладка, тем тоньше щвы и тем ближе свой ства материсша UJBOB К свойствам oi неупорною изде;и1Я Ниже представлена связь качества кладки с толщиной швов К 1те1ория кладки I II III IV Качеетпо > т 1лки Особо тшатетьная <1 Ттатетьная Обыкновенная Простая 1-2 2-3 3-4 Гопин1на пнюи, мм Кллика всухую наиболее трудоемкая, требует высокой квали фикации каменпцичин и точности формы oiнеупорных изделий, но обеспечивает ми11ИМ<1пьну1о толщину швов (I катеюрия) и вы сокую плотность конструкции Для заполнения неплотностей между изделиями раствор не применяется, а псполыуегся тонкий сухой порошок 1010 же состава, что и огнеунор' Кладка \и\ медэ1ельных растворах применяется наиболее часю Чем тоньше требуется шов, тем более жидким должен быть мертельныи раствор, составляемый из тонкою огнеупорного гюрошка (мертеля), пластифицирующего компонента, связующей добав ки и водм |Для I и II К;1тегории кладки используют жидкий, для 111 — полу1'устои, ;и1я IV - гусгои мертельныи раствор 182 Основные огнеупоры (перикллзовые, периклазохромитовые, хромитопериклазовые) в сводах и стенах часто скрепляют путем прокладки между ними тонких (до 1 мм) железных пластин. При высокой температуре железо окисляется и, пропитывая прилега ющий изделия, прочно скрепляет их между собой. Монолитные ограждения выполняются из огнеупорных блоков или" набивных масс (рис 11.11). По сравнению t огнеупорной кладкой монолитные ограждения имеют преимущества. Их при менение позволяет индустрисшизировать изготовление офаждения, сократить трудозатраты в 3-4, сроки строительства — в 2—4 и gioимость конструкции в 1.5-2 раза Блоки и набивные массы дают возможность выполнять Офаждения любых размеров и формы, хо рошо сочетаются с принудительно охлаждаемыми металлическими поверхностями, облегчают проведение горячих ремонтов. Одновре менно повышается стойкость футеровки Например, кампания на бивного пода электросталеплавильной печи возросла до 345 суток против 90 — срок работы пода из периклазового кирпича, про стои на ремонт сократились с 7 до 4% календарного времени Р^ '4Ш4Ш^^Ш, Рис. 11.11. Примеры монолитных ограждений а - кл;шка туннельной печи из монолитных панелей / — огне>порный бетон, 2 — легкий теплоизоляционный бетон, б — купольный свод рабочего пространства из огнеупорном набивной массы, в — отеупорная набивка охлаждаемых стен вихре вой плавильной камеры 183 Отеупорныи бетон укгмдывается пл стройплощадке в ontUiy6ку и приобретает строительную прочное!ь в холодном состоянии Более целесообразно на месте строительства вести монтаж круп ных беюнных блоков, мзютоштенных заранее пл спещишнзированном участке Размеры блоков офаннчены 1 — 1,5 м во избежа ние возникновения чрезмерных термических напряжении Набивная ошеупорнал масса закладывается в ко}1струкцию ог раждения и послойно утрамбовывается Она приобретает рабочие свойства при высоких температурах после вывода печи на режим, образуя монолит без швов В принудительно охлаждаемых футеровках отсутствует тепловая изоляция и орынизовано принудительное охлаждение определен ной интенсивности . Это делае1ся для замедления износа и уве личения срока службы ф)теровки при одновременной форсировке техноло1ического процесса^ Наружное охлаждение производит ся струями вентиляторного воздуха, сжатым воздухом, водой или пароводяной смесью (испарительное охлаждение) При использовании принудительно охлаждаемых футеровок плотность 1еплбво1о потока через офаждения возрастет от зна чения меньшею 1 до 40-200 K!JT/M^, НО В высокофорсированных печах доля потерь тепла оказывается приеш1емои - до 10-15% в тепловом б.шансе рабочего пространства^ Принудительное охлаждение однослойной кладки (рис И 12) приводит к снижению температуры огнеупора с горячей сторо ны, iiujnwjmbi jii.McjuiMTh его ИЗНОС И HpOflJHITb МСЖреМОНТИуЮ кампа1П1Ю Такая футеровка применяется при умеренной форсировке технологическою процесса Охлаждение производится сгруями вентиляюрного воздуха (.cieiH.1 ванных печей), сжатым воз духом (лешсщь доменных печей) или водой в метсшлических кес сонах Дкрышки завсшочных окон мартеновских печей) Охлажде1П1е воздухом сравнительно просто вьпшлнить, но оно требует значителыюго расхода электроэнёрши Охлаждение с по мощью мет.шлических кессонов более экономично, но появление м.шеншею зазора между кессоном и отеупорнои кладкой резко увеличивает тепловое сопротивление и снижает эффективность охлаждения В целом принудительное охлаждение кладки дает оп ределенный эффект, но это peuieinie не является радик1и1ып.1М, так как ил поверхностп рабочею oineynopa не образуется занцпного слоя застьшшею расплава и футеровка зачастую изнаитвается полное!ью, хотя и за\1еш!ен11о 184 Чисто гарнисажная футеровка образуется при застывании не посредственно на охлаждаемой металлической поверхности рас плавленного технологического материала. При этом возникают два слоя (рис. 11.12, в) — застывшего расплава или гарнисажа 4 и днижушегося расплава 5 игоажление выполняется в випе свар ной конструкции — кессонов или труочатых элементов с водя ным или испарительным охлаждением Такая футеровка абсолютно шлакоустойчива, так как отсутству ет физико-химическое взгшмодеиствие между подвижным и застыв шим слоями расплава Однако не всегда возникает прочное сцеп ление застывшего расплава с холодной металлической стенкой Это приводит к периодическому отслоению отдельных участков и их выплавлению. В эти периоды локальная плотность теплового по тока на оголенном участке резко возрастает до 0,5—1 МВт/м^, возникает локальный тепловой удар, а затем происходит посте пенное нарастание нового застывшего слоя Чисто гарнисажная футеровка применяется в шахтных плавильных печал и аиуа^ппным кусковым технологическим миериалом, например в чугуноп лавильных вафанках Гарнисажная футеровка на огнеупорной набивке (рис. 11.12, г) образуется на тонком слое (не более 30 мм) набивки, нанесен- А т. / а б е г Рис. 11.12. Схемы принудителы«го охла^сдения футеровки а, б — однослойная кирпичная кладк.1, охлаждаемая соответственно вентилятор ным воздухом и с помощью металлического кессона / — градиент температуры в кладке без охлаждения, / / — то же, при охлаждении, в — чисто гарнисажная, г — гарнисажная на огнеупорной набивке / - поток охлаждающсГ! среды, 2 — охлаждаемая металлическая стенка, 3 — огне упорная набивка по шипам, 4 - слон застывшего расплава (гарнисаж), 5 — слои движущегося расплава 185 НОИ на охлаждаемую стальную стенку с приваренными к ней шипами. Ши1Н>1 выпо;ц1яют роль арматуры, а также П01!ышаю1 теплопроводность сдоя набивки Огнеугшрная набивка обеспечи вает хоронши механический и тепловой контакт с охлаждаемой метгшлическои стенкой Эт-а футеровка наиболее эффективна для современных высокофорсированныч плавильных печей Она обладае! м.июи тепловой инерцией, дешева и надежна 4. Конструирование частей ограждении печей К основным конструктивным частям ограждении относятся поды, стены и своды Поды печей для переработки твердо! о кускового техноло! ического материшт должны обладать эрозионной стойкостью, а в пла вильных печах — шлакоустойчивостью Под чаще всего выполня ется многослойным (рис 11.13, я) Hi стальной лист, лежащий на балках каркаса, укл^щываются асбёс.овые листы, а на них пос ледовательно слои тепловой изоляции, шамотного и рабочею oiнеупора Кладка ведется в ряд или в елочку, вертикальные швы выполняю1"ся вразбежку, ряды между собой не перевязываются Такой 1ЮД имеет большую толщину (800-1500 мм) и значитель ную тепловую инерцию. Плотность пода обеспечивается тщательностью кл.шки (всухую) верхних слоев огнеупорор,,перекрытием вертикальных швов и на личием плотного слоя огнеупорной наварки или набивки поверх огнеугюров Температурные швы вьп1о;тяются мелкими и враз бежку по всему поду илп один крупный (40-80 мм) на перифе рии рабочего пространства печи v Разработаны и все шире используются моно1ттцые иабинные или набивные в комбинации с кладкой поды ванных печей (рис. 11 13, б, в), обладающие повышенной стойкостью при мень шем расходе oiнеупорных материалов! Набивка толщиной 100-400 мм ведется послойно с уплотнением полусухой массы nHenMaTH4ecKHNni молотками \иш виброметодом Теп;ювая изоляция пода не заводится под степу Чрезмерная тепловая изоляция приводит к уменьшению стойкости футеровки Стены сооружаются в виде oiiieynopimn клсщки, монолитными блоками и принудительно охлаждае\юи футеровки При выполнении многослойной кладки отдельные слои по тол щине стены перевязываются между собой для повышения устойчи вости конструкции,, причем огнеупорный кирпич выпускается в 186 2 ^4.1111111111 3 • • ' ' • ' '• ^ îlllll - 'УАХ.УУ.^А 5-vi 7-IIITII 7 - I I I I I I Рис. 11.13. Конструктивные схемы пода а — многослойный, 6 — набивной, в — набивной и комбиницин с кладкой, г — однослойный из бруса без тепловой изоляции, / — слой ошеупорного порошка, 2 — рабочий огнеупор, 3 — шамотный огнеупор, 4 — шамотный легковес, 5 — выстилка из асбестового картона, 6 - стальной лист, 7 — балки каркаса, 8 - набивная огнеупорная масса слои легковеса, а последний — в слои теплоизоляции (рис. 11.14, а). Для повышения поочности и газошютности стены вертикальные ш в ы в ы п о л н я ю т с я Bpa-'hft^k'V - г и р т р н Ы ИЗ 1/4—1/2 КИрПИЧЗ (см рис 11 У). Ьоковые и торцевые стены при сопряжении в уг лах перевязываются (рис 11.14,6) ' Высота стен А„„ огоаничена деформацией огнеупора под на грузкой при высоких температурах Если h^ =„2J5-T-4 М, ТО сгену утолщают книзу на 50 мм на каждый метр высоты^, При Л^ > 4 м через каждые 2,b-rt м по высоте выполняют разгрузочные пояса! или анкерные крепления С Передачей веса выше лежащего учас тка стены на каркас (рис 11.14, в, г). Под разгрузочным поясом оставляют горизонтальный температурный шов для компенсации теплового расширения нижележащего участка стеньи Пои умеренных температурах достаточно высокие стены могуг быть выполнены без разгрузочиою пояса со ступенчатым утол щением нижней части, механическая прочность и устойчивость стены обеспечиваются, если h^j/b„<20. ' Отверстия и проемы в стенах (рис. 11.15, д) перекрываются при ширине менее 300 мм натесом, 300-450 мм — напуском, Ьолее 450 мм — аркой. Особо ответстее({ные отверстия (например, для выпуска расплава) перекрываются полуциркульной аркой в дватри оката, которые между собой не перевязываются. 1^лои тепло изоляции не доводят до проемов, которые на всю толщину сте ны выполняются из огнеупора (рнс. 11.15, б) 187 Рис. 11 и Примеры кладки стен а — двухслойная стенка с перснязкои слоен 1,2 - тегпоизо 1яиионныи и огне упорный кирпич, б — перевязка вертикальных шион при кладке прямых CTLH И j n o u , в — схема разгрузочного пояса в высокой стене / - стоика, 2 — прогон, 3 кронштейн, 4 — теплоизоляционная плита, 5 - огниупорная клика, б - фасон мые огнеупорные изделия, 7 - горизонт.шьныи температурит! шов, г - кладка ванной печи и ее крепление на каркас / - стоика, 2 - кронштейн, 3 — огнеупорный брус, 4 — темпер 1турны11 шов, 5 - влиил picinun Своды pi6ojero пространства печей классифицируются по фор ме на цилиндрические, купольные и плоские, по способу креп ления — на распорные^ распорно-подвесные и подвесные Распорные своды (рис 11 16) наиболее просты и дешевы, кла дутся из клиновою кирпича кольцами или вперенязку ини име ют ог одного до пяти замковых кирпичей в кольце, которые за биваются перед уборкой опалубки после выкладки свода Кладка виеревязку прочнее, но ее труднее ремонтировап. участками в 188 • '^ • • • r-4CV4 I 1 I I p* 1 • • ' • ^m z I згг: =^=Ê I Pttc. 11,15. Проемы и отверстия в стенах а — различная конструкция проемов и отверстий в зависимости от их ширины, 6 - обрамление отверстий по толщине многослойной стены / - тепловая изоляции, 2 — легковес, 3 - огнеупор У2 3 4 5 ; Рис. 11.16. Конструкция распорных сводов а - поперечный разрез, б — продольный разрез, в — вид сверху цилиндрического свода, г - купольный свод, / - стойка, 2 — пятовый кирпич, 3 — подпятовая балка, 4 — замковый кирпич (забит не до конца), 5 - пятовая охлаждаемая балка, 6 — уплотняющие огнеупор ные изделия, 7 — температурные швы, 8, 9 — кладка свода в перевязку и кольца ми соответственно ' ' 189 юрячем состоянии.* Своды боровов Bceuia кладут расг1орны%П1 нперевязку \\л мертельном растворе Распорные своды выполняются цилиндрическими или куполь ными Купольные своды наиболее устойчивы, гюэтому в них без наруи1ет1я прочности можно выполнять 3-4 крупных отверстя, например для электродов элект^юпечеи При деформашп! кирпи чей и распорных сводах неплотности не возникают при усадке кирпича свод СсЩигся, при росте - поднимайся Распорный спод пико1да не упирается на степы, л крепится пеиосредстветю к каркасу При центральном угле а = 60-90° своды называются лучко выми, при а = 120- 180° - полуциркульными Пролет распорных сводов ограничен допустмыми нанряжениялп1 и температурой начала деформации под нагрузкой Для боль шинства 01 неупоров он не превышает 3 м Лучшим материалом imn распорных сводов является динасовыи кирпич Из нею кла ду! своды с пролетом до 7-9 м, а из специсШьнОто - до 11—12 м Необходимость замены динасовых огнеупоров периклазохромитовыми в сводах мартеновских печей при использовании кисло рода и повышении рабочих температур с 1900 до 2000 К вызвшта появление распорно-подвесных сводов |13 распорно-подвесных сводах часть веса свод.1 передается че рез подвески ил каркас (рис 11 17) и напряжения в своде сни жаются до допустимых значении \В К1ждом кольце арки подвес ка па каркас осуществляется через К1ждые шесть кирпичей с полющькэ утолщенных пластин из жароупорного листа Скрепление кирпичей между собой производится с помощью тонких желез ных пластин, которые закладываются между кирпичами но всем че1ырем фаням и, окисляясь при высоких температурах, обеспе чивают высокую прочность и плотность свода Распорно-подвесные сиоды конструктивно сложнее и в 2-3 раза дсроже распорных Из-за большей теплопроводности такого сво да плотность теплового потока через пего возрастает, примерно в 2 раза по сравнению с распорным динасовым Вес распорного win часть веса распорно-подвесного свода пе редается на ПЯ1Ы, которые выполняются из фасонною кирпича или о^гаждаемых бшюк (рис 11 16, я) Пяты крепят па каркас неподиижно или с возможностью перемещения при разофеве свода Темпера1урные швы в распорных кугюльных сводах не остав ляют 13 ннлщшрических распорных и pacпopno-Iш^^вecныx сво190 i 2 3 JL 4 Рис. 11,17 Конструкция распорно подвесного свода а — поперечный разрез, б — узел крепления / - периклазохромитовый сводовый кирпич, 2 — стальной штырь, 3 — железная пластина, 4 - уголок, 5 - подвеска > дах температурные швы закладываются только по длине через каждые 3-4 м (рис 11.16,6), причем швы уплотняют. Подвесные своды полностью передают вес на каркас с помощью индивидуальной шис. 11.18, д, 5, в) или групиийой (рис. 11.18, г) ПОдпы.,л.н Ш1УЧНШЛ 1 и д с л и Й ИЛИ R.pyimDiA беТОННЫХ бЛОКОВ Предпочтительна блочная, а не индивидуальная подвеска кир пичей Шодвесные своды могут выполняться неофаниченных раз меров произвольной формы и из любых огнеупоров; они просты при сооружении и ремонте.' Стоимость подвесных сводов наи большая, а газоплотность — наименьшая. Для увеличения плот191 Рис. 11.18. Конструкиия подвесных снодон а - фрагмент свода с индиниду.шыюи подиескои огнеулорныч илтслии, б, в фасонные огнеупорные изделия с гладкими и волнистыми бокоиыми гранями для подвесного свода, г -фрагмент свода с групповой по теской ошеупорных изделии ноет Л лодиесных снодоо использую: р.иллчные фасошые огне упорные изделия с четырьмя ребристыми сторонами, при этом выступы одною изделия входят во впадины другою Кроме того, подвесной свод уплотняется поверху слоем засыпки или обмазки Газоходы свя$ывают между собой по дымовому ipaKiy отдель ные элементы печною афегата По температурному уровню ызов 192 газоходы можно разделить на высокотемпературные (Г^р > Т/\^ , где Т/^ — температура плавления технологическою материала), среднетемпсратурны§ (Г^р = 1100- 7^"^f ), умеренной температуры (ГОР = 700-i-1100 К) и низкотемпературные (Уог< 7UU К). Ьсли газоход соединяет зоны рабочего пррстранстиа печи, то' его огпаж дения не отличаются от ограждении печи В этом случае газоходы выполняются многослойными, монолитными или принудительно охлаждаемыми^ Для газоходов умеренной и низкой температур, расположенных ниже уровня земли (боровов), применяю! деше вые шамотный и полукислыи огнеупоры, а там, где это допусти мо, красный строительный KHpruiHj для уменьшения нагрузки на конструкцию снаружи борова располагают несущую железобетон ную конструкцию Поскольку бетон при нафеве теряет прочность, между горячей наружной стенкой газохода и бетоном оставляю! воздушные промежутки - !!родухи, а под !азохода разме!ца10т ил шанцах - столбиках из красно!© кирпича Своды 1~азоходои обыч но выполняют вперевязку.. Для низкотемпературных газоходов в ряде случаев улобно использовать стальной трубопровод требуе мого сечения с наружной тепло!юи изоляцией, â рис. 11 19 пред ставлены примеры конструкций газоходов 1±0,00 Рис. 11.19. Примеры конструкции газоходов а — газоход с лучковым сводом, заглубпенный ниже уровня земли (боров), 6 — газоход круглого сечения с обмуровкой внутри стальной трубы, в — газоход отр11жательнои медеплавильной печи, распоюженныи нал поверхностью земли на колоннах •5041 193 Глава 12 СООРУЖЕНИЕ ПЕЧЕЙ Перед нач.июм строительства пемп разрабатывается проект производства работ (ППР) ППР должен содержать- Ксшепдарныи план производства основных работ, генера;и.иьп1 план обт^екта со схемами водо-, электро- и теплоснабжения, правила техники бе зопасности и охраны труда, рабочие чертежи приспособлении, которые будут использоваться при строительстве; пояснительную записку с кратким описанием и. обоснованием принятых методов производства работ и пр 1. Последовательность рабог Строительство фундамента J Строительство печей на \т\ 1ют с сооружения фундамента, про ект которою определяется типом печи и свойствами грунта На верхней поверхности фундамента размечают все, что необходимо для монтажа каркаса печи, ось печи, углубления для стоек кар каса, места крепления анкерных болтов При строительстве осо бое внимание уделяется выдержива1П1Ю размеров фундамента и горизонтальности его поверхности Фундамент под монтаж сдает ся ПО акту Монтаж стальных конструкций При монтаже стальных конструкции необходимо обеспечить устойчивость и неизменяемость смонтированной части сооруже ния. Устойчивость конструкции при действии ветра, собственно го веса и монтажных нафузок обеспечивается соблюдением пос ледовательности монгажа вертикальных и юризонтальных элеме}1тов, установкой постоянных или временных связей Верхние связи .между стойками (кoлoннa^nI) каркаса должны устанавливаться немедленно после монтажа каждой пары проти воположных стоек каркаса Стойки каркаса, подгюдовые конст рукции, пути туннельных печей и сушил и другие конструкции, определяющие геометрическое положение печных aipennoB, пывердют сразу после их >становки Окончательно закреплять мон тажные стыки следует непосредственно после сборки и выверки коисфукций с тем, чтобы собранным частям придавсшась устой чивое! ь и неизменность геометрической формы 194 Длина ненарезанной части болтов должна быть равна толщи не соединяемых деталей (допустимо увеличение не более чем на 5 мм). Гайки на болтах должны закрепляться постановкой пру жинных шайб Стальные конструкции сваривают по заранее разработанной технологии, устанавливающей способы сварки. Сдача смонтированных стальных конструкций производится до начала работ по кладке. Кладка футеровки Футеровку выполняют из материалов, предусмотренных про ектом и опр1еделяемых условиями службы. Стандартный кирпич при выполнении футеровки иногда подвергают резке, обтесыва нию или шлифовке. Если необходимо получить кирпич слож ной формы его обрабатывают вручную При резке большого ко личества кирпича по прямой линии применяют станки Для шлифовки кирпичей может быть использован шлифовальный станок. Перед тем, как приступить к кладке, определяют рациональ ный для данной печи тип кладки, допустимую толщину терми ческих швов, расположение кирпичей, места применения фасон ных кирпичей — при кладке фурменных отверстии доменных печей, в конвертерах — у сталевыпускного отверстия, в нагрева тельных колодцах и печах — в местах установки горелок и т. п. Большую роль при выполнении кладки ифают швы, назначе ние которых, как уже отмечалось, соединять кирпичи между со бой, выравнивать возможные неточности их размеров и обеспе чивать прочность кладки при термическом расширении кирпи чей Толщину швов определяют в зависимости от условии службы кладки и свойств огнеупорных изделий, из которых она выпол няется. Температурные швы рассчитывают таким образом, чтобы они полностью компенсировали расширение кладки при нагреве В местах, где огнеупорная кладка соприкасается с теплоизоляци онной, против температурного шва вместо изоляционного закла дывают огнеупорный кирпич. Как термические, так и соедини тельные швы выполняют так, чтобы при кладке не получалось сквозных швов Для заполнения соединительных швов подбира ют такой мертель, который по свойствам наиболее близок к свой ствам материала, из которого выполняется кладка V 195 Работы но кладке футеровки на'нтают обычно с нижнею строения печи — дымоходов, peienepaTopoB, пода Лрочныи и ку полообразный своды выполняют на специ.тьных опсшубкач, при меняя при кладке прямые и клиновые кирпичи Юыдку ведут и порядке очередности слоев от периферии к центру После;шиц цептр.шьныи кирпич (замковый) заюняется в кладку с усилием, обеспечивая ее прочность Подвесной свод выполняют с помопн>ю специсшьнои арматуры Керамические рекуператоры могут быть собраны на отдельном стенде и затем «з^тдвинyты» на нодroroiuicHHoe для них место Ино1да возможно монтировать печн, выполняя домонтажпую фугеровку целыми стенами, размером 30—60 м^ Такие cienbi со бирают на земле око;ю фундамента печи, что юразло удобнее м производительнее, чем футеровка стен на высоте Отдельные печи позволяют выполнять домонтажпую футеров ку целиком всей конструкции, например, колпаковые печи При менение легких футеровок из волоконистых огнеупоров даст воз1\южиос1ь на заводе-изготовителе мет.шлических конструкции пе чен выполнять футеровку На .\юнтажную площадку и таком случае поступают либо укpynneinibie элементы конструкции печен с футеровкой, либо пол ностью зафутеров<и1ная печь в сборе Сушка и разогрев печи Вновь выложенная юыдка печи содержит влагу, количество ко торой зависит от толиишы кладки, материала, из которою она сделана, размеров швов, атмосферных условий, при которых про изводилась кладка, качества работ и т. д Чтобы повысить срок службы печей, необходимо перед вво дом их в эксплуатацию просушить и разогреть кладку до рабочей те.\шсратуры По указанным в 1Л 8 причинам разные огнеупорные материа лы по-разному реатруют на повышение температуры Лучше дру гих переносят изменение температуры шамотные изделия Наибо лее болезненно реагируют на повышение темпера17ры динасовые 01 неупоры Они имеют несколько критических температурных то чек 408; 508; 848 и 1148 К, которые обусловлены кристсишическими превращениями кремнезема, даюищми резкое увеличение обт>ема При разогреве периклазовых и хромопериклазовых изде- 196 ЛИИ следует помнить, что эти материалы при температуре выше 1873 К дают значительную усадку. ' Чем толще стены и своды псчеи, тем значительнее разность температур наружной и внутренней поверхностей офаждений и тем неравномерней расширение материала в разных точках По этому особенно осторожно следует разофевать печи, имеющие толстостенные элементы Особого внимания требуют при разофеве дииасовые своды с большим пролетом, внутренняя сторона которых расширяется вследствие более ранних полиморфных превращении кремнезема в большей степени, чем наружная Поэтому в интервале темпера тур 300-900 К нафевать свод следует очень медленно, чтобы не нарушить соприкосновение плоскостей отдельных кирпичей Ре жимы сушки и разофева назначаются и выполняются спсцисишзированными пусконападочными организациями Все более широко применяются печи, футеровка которых вы полнена полностью или частично из тяжелых и легких жаростой ких бетонов, а также из жаростойких торкрет-бетонов Эти футе ровки имеют сравнительно высокую влажность, поэтому при подъеме температуры и испарении влаги может возникнуть зна чительное давление пара внутри бетон1Юи стенки, что в сочета нии с термическими напряжениями может привести к разруше нию футеровки Сушка футеровки из бетона на портландцементе выполняется не раньше, чем через 7 суток после изютовления Футеровка, выполненная из торкрет-бетонов на жидком стек ле, сушится и разофевается после вьщержки в воздушно-сухих условиях не менее 24 ч при температуре не ниже 300 К и не выше 350 К Сушку и разофсв динасового бетона проводят после его твер дения и тепловой обработки при температуре 470 К Начш1ьная влажность динасового бетона не должна (февышать 1% 2. Техника безопасности Сооружение печей можно производить как во вновь строя щихся, так и в действующих цехах В последнел! случае при раз работке правил безопас1юй работы необходимо учитывать нали чие фузопотоков цеха Весь персонал, занятый на строительстве, должен пройти специальный инструктаж по технике безопасно197 cui с учетом работаюишх в цехе шрештов С1роите;П)Пая пло1цадка или рабочая зона должна быть оюрожена, а и местах нт.езда необходимо иметь ситальные флап! Следует выбирать место /шя размещения источников света и их число с целью обеспечения требуемого по существуюнщм нормам освещения всей площадки Все грузоподт>емные устройства и механизмы должны быть проверены и име1ь соответствующие паспорта Материсшы, необ ходимые ;и1Я работы, должны доставляться по ходу строительною процесса в складские помещения, обеспечиваюпи1е их защиту от дожди и огня Линии электропередачи по возможности должны быть размещены за зоной монтажа или находиться под специгшьным наблюде1шем При монтаже каркаса особое внимание следует уделять соблюдешпо правил по строповке по;1нимаемых балок и следи гь зл носледовательносгью сборки, не допуская даже време1П10и неравно мерности его нафузки Высокие мег.ищокоиструкции, поднятые в вертикальное положение, необходимо поддерживать специаль ными расчси1ками до окончательного их закрепления Все мон тажные работы на высоте должны производиться с подмостей и с применением для такелажников-верхолазов предохранительных поясов При выполнении работ по кладке футеровки необходимо, что бы все проходы и лестницы были свободны от мусора и хорошо освещены Леса, с которых выполняют кладку, должны быть прочные и проверены расчетом. Если работу ведут на разных по высоте ярусах, то на каждом ярусе над головами рабочих должно быть шютное перекрытие, предохраняющее их от пшаюищх пред метов Все механизмы и вспомогательные устройства должны иметь офаждения, не допускающие ранение рабочих Размещение ме ханизмов должно быть таким, чтобы вероятность пересечения фузонотоков была сведена до минимума При установке фуппы транспортеров, связанных по работе друг с друюм, должен быть предусмотрен 1лавныи рубильник для одновременною выюпочении всей системы Полное соблюдение всех мероприятии по тех1Н1ке безопаснос ти обеспечит охрану труда рабочих при сооружении метсщлургических печей 198 Глава 13 СЛУЖБА ОГНЕУПОРОВ И ФУТЕРОВКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ 1. Разрушение огнеупорных изделии В процессе эксплуатации металлургической печи ее футеров ка испытывает разрушающие воздействия со стороны рабочего пространства: механические нафузки различного рода при высо ких температурах, химические и физико-химические воздействия расплавов, паров веществ и газов Эти разрушающие воздействия в различном сочетании взаимно усиливают скорость износа фу теровки Условия службы футеровки в различных печах заметно отли чаются. Чтобы не рассматривать множество частных случаев, про ведем классификацию печей по условиям службы футеровки. По указанному признаку печи можно классифицировать на три фуппы. 1 Печи с умеренной температурой технологического процесса и обработкой технологического материала в рабочем пространстве в твердой фазе К ним относятся все нафевательные, термичес кие и обжиговые печи 2 Печи с повышенной температурой технологического процес са и расплавленным технологическим материалом в рабочем про странстве. К этой группе относятся большинство плавильных печей черной и цветной металлургии* конвертеры и отражатель ные печи цветной металлургии, мартеновские и доменные печи черной металлургии и др 3 Печи с высокой температурой и высокой форсировкой техно логическою процесса, значительно перегретым выше температуры плавления технологическим материалом в рабочем пространстве. К печам этой группы относятся кислородные конвертеры черной металлургии, циклонные и плазменные печи, печи ПЖВ и др Главная причина разрушения огнеупоров в печах первой группы — механический износ при зафузке, выфузке и передвижении тех нологического материала, а также термические напряжения, осо бенно в печах с периодическим или циклическим графиком ра боты В печах для нафева металла на огнеупоры воздействует также оксшина, которая припекается к поверхности и приводит к износу футеровки при механическом ее удалении в твердом виде. 199 Разрушение огнеупорной футеровки в печах I фупт>1 проис ходит медленно, и трудностей при подборе огнеупоров практи чески не воз1П1кает Здесь используются относительно депшвые OIнеупоры с повьииеннои механической прочностью и термостой кое! ью, а при Псшичии OKcUiHHbi - устойчивые против нее В своде и верхней части стен таких печей применяют иымотные и дипасовые огнеупоры, блоки из oiнеупорного бетона, а при oiсутствии OKtUUHTbi и эрозионною воздействия матерИсша — ле1ковесы Исключительно перспективным для печей рассматриваемо10 тина является применение при футеровке стен изделии из волокнистых огнеупоров В поду и нижней части стен применя ют форстеритовые, хромитопериклазовые и алюмосиликатные (с повышенным содержанием Л12О3) отеугюрные изде)Н1я В печах, относящихся ко второй группе, главными причинами разрушения ошеупоров являются воздействие на ([jyiepOBKy распла ва, паров и газов, ускоряемое в ряде случаев термическими на пряжениями Механизм износа ошеуиоров в этих печах зависит от характера контакта футеровки с расплавом и газами и химико-минер,1по1Йческого состава огнеупоров Здесь можно выделить следующие характерные случак — на поверхность футеровки попадает малое количест1Ю распла ва в виде частиц уноса, капель и брыз! из ванны, которые, взаимо действуя с 01 неупорами, могут образовывать легкоплавкие хими ческие соединения и эвтектики, а также тугоплавкие соединения, — поверхность футеровки омывается расплавом в ванне, — футеровка подвержута воздействию агрессивных паров и ызов В условиях, описанных на.\и^ в первом случае, работают своды и верхние части стен ванных плавильных печей Капли расплава попадают на поверхность футеровки и проникают в 1лубь нее по порам и капиллярам огнеупоров и швам между ними Если огнеупор образует с расплавом легкоплавкие продукты взаи,\юдеиствия с leMiieparypon плавления эвтекжк Т^ или соединении Т^ более низкой, чем TCMnepaiypa в рабочем пространстве печи (Т^, Т^< Гр„), 10 нро!и1ки1ии в глубь ошеупора расплав, взаимодей ствуя в первую очередь со связующим и растворяя мелкие крисT<uuibi, вытекает под действием силы тяжести и способствует об разованию в поверхностном слое кансшов, каверн и полостей При этом и крупные кристаллы, связь которых с соседними кристсшлами постепенно ослабевает из-за выплавления связки, отрывают200 Рис. 13.1. Зоны по толщине сиодового дннасового кир пича / — неизменная (светло-желтая), 2 - переходная (бурая), 3 — плотная тридимитная (черн1я) 4 — кристобалитовая рабочая (светло-серая) ся И уносятся («вымываются») расплавом с поверхности огнеупора Процесс растворения лимитируется насыщением расплава раство ряющимся в нем огиеупором Поэтому ско рость износа зависиг от интенсивности наброса расплава на стены и свод рабочего пространства печи В результате воздействия расплава огнеупор в направлении градиен та температуры приобретает зон^шьное строение (рис 13.'1). С увеличением пористости и температуры, например дннасо вого огнеупора, расплав глубже проникает в футеровку, увеличи вается толщина рабочей крнстобапитовои и плотной тридимитовои зон, быстрее идет процесс растворения и износ огнеупора ускоряется. Усилению износа способствует также увеличение ко личества попадающего на поверхность футеровки расплава, меха нические нагрузки и термические напряжения, движение распла ва по поверхности футеровки. ' К огнеупорам, образующим с расплавом ле1Коплавкие соеди нения и эвтектики, относятся прежде всего кремнеземистые, алюмосиликатные и цирконистые В тлбл. 13 1 приведены в качестве примера температуры плавления химических соединений или эвгектик, образуемых некоторыми компонентой огнеупоров и тех нологического матери^ша Приведенные данные объясняют, в частности, главную причи ну быстрого износа огнеупоров в плавильных печах цветной меТаб.тца 13 1 Примеры легкоплавких соединений и эвтектик компонентов огнеугоров и TCXHOior ческого материала Главный компонент огнеупора (температура плавления. К) Показатель AliOj (2323) SiO, (1986) Компонент технологического материала Г, или Г„, К ZnO ГеО CibO SnO 1730 1453 1333 1163 PbO -1003 VÔj CujO 933 1438 Zr02 (2988) PbO PbO 1138 1273 201 T.uuiypiHH при умереп1п>1х температурах в рабочем прост ранете Грп <1570^ 1800 К Наиболее стойкими в этих условиях работы являются высокопло1ные ошеупорные изделия с ли1иим<и1ьиым количеспюм стек ловидной связки, мелкими изолированными порами, в частности электроплавленные муллитовые, корундовые и ба;щелеи10корундовые Если огнеупор образуе! с технолошческим магери^июм только туюнлавкие соединения, т. е Г^ > 71 „, то механизм изно са футеровки существенно шюи, чем в paccMOTpeinioM выше слу чае. К таким огнеупорам относиюя машезиалыпме, дкинезисшьноизвестковые, ма1незисин.ношпинелидные и матезисшьносилика!пые Перечисленные oi неупоры не образую! (лл редким 11скл!очением) легкоплавких соед!1не11И!1 ил!1 JincKTiiK. КомноненTI.I эгих 0!!ieynopoB (MgO, CaO, СГ2О3) с главным!! оксидами !ехноло!Ических материсшов образуют весьма т}'!0!!лавкие соед!11!еНИ5!, которые сами часто соста1и!яют основу о1иеупорных издели!! MgO—S1O2 - форстерит, MgO—АЬОз — тугоплавкую ш!!инель, СГ2О3—FeO - хромит, MgO—FeO - ма1!1езиоферрит и т д В резул1>тате попадания рас1!лаиа !iii поверхность ф>теровки и !!роникновения его в глубь перечисленных огнеупоров в нанраш!е!1И!! !радиента температур воз!!икают три зо!!Ь! (рис 13 2) Рабочая зона за счет заполне!!ИЯ рас1и!авом уплотняется — ее пористость снижается с 2 0 - 3 0 до 7—10% Эта зона насыщена оксидам!! FeO, Fe203, CaO, S1O2 и другими, KOTopiiie образуют с MgO и СГ2О3 О! неупора тугоплавкие твердые раснюры и химические соедине ния При Э!ОМ происходит у!!ел!1чение удельною обьема зере!1 О!неу!!ора в рабоче!! 30!ie !ia 10—70% В результа!е разбухания О!неупора на границе рабочеи и промежуточной зон возникают на1!ряжения среза, а также в резуль!а!е изменения С1юиств огнеупора в рабочеи зоне поя!и1Я10!и1 дополнительные термические напря жения, выз!$анные неоднородностью структу ры. Указанные 11а!1ряже11ия являются причн!10!1 пср11од!1ческого скола рабочеи зо1!ы О!неупора тол1!1!11т!1 20—50 мм Частота скола 1юзрастает с увеличен!1ем кол11чес!!5а !!01!ада]0!iieio на поверхнос1ь фу!еровки Mi!HeptU!b' ного рас1!лава, с ростом температуры и ее Рис. 13 2 Joiibi по то imiiiie хроммтоперикл иоиого сцодиога кирпн'п млртеноискои неч» / - ниизмипим, 2 - iipoMe)K>ioi|HdH, 3 - р 1С04 1Я 202 фадиента по толщине огнеупора Кроме сколов рабочего слоя про исходит также так называемое шелушение свода, т. с. отслоение с поверхности огнеупора пластин толщиной 5—10 мм. В описанных условиях работают, например, основные своды сталеплавильных печей л отражательных печей цветной металлур гии. Стойкость огнеупорной футеровки в данных условиях возра стает при использовании более плотных и термостойких огнеупо ров, например при замене хромитопериклазовых огнеупоров плот ными псриклазошпинелидными Такая замена сводового кирпича на отражательных печах позволила увеличить длительность меж ремонтной кампании в 1,5 раза При смывании футеровки расплавом в ванне огнеупоры кон тактируют с большим количеством расплава, который не успева ет насытиться растворяющимся огнеупором Температурные условия работы футеровки в этом случае из-за большой тепловой инерции ванны стабильны даже при колеба ниях во времени температуры газов в рабочем пространстве печи. Разрушение футеровки происходит в результате растворения огнеупоров в расплаве. Растворение происходит преимуществен но по швам между огнеупорами, по порам внутри огнеупора, если они сообщаются между собой и с поверхностью, по стекловид ной связке между кристаллическими зернами. Наибольший из нос происходит у зерксша ванны, где максимальные температуры и скорость движения расплава Износ заметно уменьшается по направлению к поду печи. Поэтому целесообразно на уровне зер кала ванны использовать наиболее стойкие огнеупоры или при нудительно охлаждаемую гариисажную конструкцию с огнеупор ной набивкой, а также не выполнять в местах сильного износа тепловую изоляцию соответствующею участка футеровки. Тепло изоляция в рассматриваемом случае существенно снижает стой кость огнеупорной футеровки. Большая роль 1азов и паров технологического материала в из носе футеровки обусловлена, во-первых, глубоким их проникно вением по швам между изделиями и порам огнеупоров внутрь фу теровки, зачастую на всю глубину, и во-вторых, высокой актив ностью взаимодействия с материалом футеровки, в результате чего снижаются его огнеупорные свойства, изменяется плотность и воз никают значительные механические напряжения между слоями Например, огнсупор в тахте доменной печи в зоне умерен ных тел»ператур разрушается в основном в результате отложения 203 и накопления в порах кирпича паров цинка и сажистою у1лерода Проникая по лорам и треии1нам в глубь кладки, пары цинка конденсируются В интервсше температур 900—1100 К цинк обра зует с железом сплав (содержание Fe = 4-20%), затвердевание которого при температуре 920 К вследствие полиморфного превращещщ приводит к увеличению объема кладки, возникновению распирающих усилии в ней, образованию треищн, а при даительном воздействии — к разрыву кожуха печи Сажистый углерод от кладывается в гюрах огнеупорной кладки в результате протека1П1Я реакции Белла 2С0 <±С + СО2, равновесие которой сдвига ется вправо с понижением температуры в интервале 920-700 К. Катгшизаторами реакции являются свободные оксиды железа, сплавы цинка с железом и др Накапливающийся в кладке сажи стый углерод вызывает возникновение больших расгтрающих усилии, приводящих к разрушению футеровки Реакция Белла яш]яегся наиболее распространенной причиной преждевремен1ю10 выхода из строя футеровки шахты доменной печи Другой причиной ускоренною износа алюмосиликатнои футе ровки доменных и ряда друшх плавильных печей является диф фузия по порам, швам и трещинам щелочных соединении, кото рые образуют с 01 неупором легкоплавкие соединения — щелоч ные алюмосиликаты Содержание щелочных оксидов R2O в отработанном огнеупоре достигает в ряде случаев 5—10%, что приводит к снижению температур огнеупорности и начала деформации под нафузкои на несколько сот Кельвинов В печах цветной мет.и1лургии, где обжигаются и плавятся суль фидные руды и концентраты, сернистый ангидрид из газов диф фундирует в 1лубь основных огнеупоров и, взаимодействуя по реакции MgO + SO2 + 0,502 "^ MgS04, разрушает кристалличес кую решетку периклаза, что приводит к износу огиеупора Выявление механизма^ взаимодействия позволяет уста1ювить эффективные меры борьбы с разрушающим действием на огне упорную футеровку паров минеральных материалов и газов В кладке доменной печи путем изменения ее конструкции пе ремещают зону опасных температур в зазор между кожухом и кладкой с тем, чтобы последняя имела по всей толщщш темпеpaiypy не менее 850 К Изменение темнератур1юго режима клад ки доменной печи — наиболее эффективный путь борьбы с раз рушающим воздействием паров цинка и сажистою углерода 204 Для устранения условии, в которых протекает реакция Белла, огнеупоры обрабатывают ингибиторами этой реакции — раство рами H2SO4, NH4SO4 или CaCl2, которые нейтрализуют катадтзаторы реакции Белла - свободные оксиды железа. Для tUiiOMOсиликатных огнеупоров, используемых в кладке шахты доменной печи, в процессе их производства устанавливают повышенную температуру обжига. В результате свободные оксиды железа свя зываются в силикатные и алюмосиликатные соединения. Для уменьшения разрушающего воздействия паров и газов на огнеупорную кладку во всех случаях целесообразно использовать огнеупорные изделия с максимальной плотностью (плотные, вы сокоплотные) и выполнять мергельные швы минимальной тол щины (кладка тщательная и особо тщательная). Влияние тепловой изоляции на условия службы футеровки В результате нанесения на наружную поверхность стенки слоя тепловой изоляции уменьшаются потери тепла через стенку и фадиент температуры, растут температура внутренней поверхности Гц„ стенки, количество аккумулируемой теплоты Qg^ и тепловая инерция футеровки. Изменения условий работы футеровки при нанесении слоя на ружной теплоизоляции не однозначно влияют на ее стойкость Тепловая изоляция снижает стойкость футеровки, если главной причиной ее износа является растворение огнеупора в расплаве, так как возрастание Гц,, ведет к резкому усилению взаимодей ствия с расплавом Статистические данные свидетельствуют о том, что тепловая изоляция пода мартеновской печи вызывает увеличение простоев на текущий ремонт на 14%, числа прорывов металла через под на 23% и снижает срок межремонтной кампании в 3 раза. Поэтому усилен но изнашиваемые расплавом участки футеровки не теплоизолируют. Тепловая изоляция повышает стойкость футеровки, если име ется запас по температуре работы огнеупора, а главной причиной разрушения огнеупора является пониженная термостойкость На пример, тепловая изоляция пеношамотом толщиной 65 мм Maiнезитохромитового слоя в своде мартеновской печи улучшает сва риваемость 01 неупоров между собой и снижает температурные напряжения. При правильно выполненной теплоизоляции дли тельность межремонтной кампании свода не уменьшается и мо жет Д11же несколько возрасти. 205 Служба футеровки в высокофорсировапиых гиавияьиых печах В печах указанном фупны условия работы футеровки наибо лее тяжелые из-за повышенных скоростей расплава и ипов, весь ма высокого уровня температуры в рабочем пространстве, ко1да станови1Ся заметным парциальное давление паров некоторых компонентов расплава, которые активно воздействуют ил oi не упор Для износа фу1еронки характерны большая неравномер ность разрушения огнеупоров по поверхности ограждения и значите;п.ная то;пцина слоя, подвергающегося воздействию диф(1)унднруюип1Х паров технологическою материсша и проникающей в 1л>бь легкоплавкой части расплава В этих условиях огнеупоры изнаишваются очень быстро Примером тому служат кислород ные конвертеры мерной метшшурпш Длительную стойкость здесь может обеспечить голько прину дительно охлаждаемая гарнисажная футеровка Вместе с гем и она не обеспечиваег автоматически надежную работу В ряде случаев гарнисажная футеровка изнашивается до металла, причем резко возрастает опасность ею пережога Это происходит при наруше нии тепловою контакта между гарнисажем (или огнеухюрнои на бивкой) и охлаждаемой мет.шлическои стенкой, т е при появле нии между ними даже очень тонкой (десятые до;и1 миллиметра) 1азовои прослойки. Суш,ествуют три основные причины отслоения гарнисажнои футеровки от охлаждаемой мепшлическои поверхности Первая причина — недостаточно качественное выпо;п1ение фу теровки — нарушение требовании технолопш набивки на MCTCUIлимескую стенку, режима сушки или обжига огнеупорной массы; особенно на поверхности свода При образовании чисю ыриисажных футеровок застывающий расплав не сцепляется прочно с холодной металлической стенкой вследствие ею усадки при охлаждении и происходят периодические отс;юения и вып лавление того или иною участка фу1еровки Шгучные ошеунорные изделия, уюищываемые \и\ растворе ил охлаждаемую метсиглическую стенку, также сююннь! отслаиваться в процессе эксплуатации Отслоению футеровки в этом случае способствуют вибрация стен рабочего пространс1ва печи, меха нические нафузки на футеровку, резкое изменение ее темпера турного режима (особенно при разофеве и охлаждении) и появ ление термических напряжении 206 Вторая причина — коррозия Mertuuia охлаждаемой CICHKH В ре зультате диффузии афессивных паров и газов (Н2О, SO2, SOj, СО2, Na20, HF, ZnO, PbO и т д.) из рабочего пространства к холодной стенке через слои набивки и гарнисажа. Пары пере численных компонентов конденсируются и вызывают электрохи мическую коррозию, сопровождающуюся появлением рыхлого слоя продуктов коррозии, обладающего высоким термическим со противлением и незначительной механической прочностью Третья причина — на1П1Чие на поверхности гарнисажнои футе ровки участков, на которые не попадает расплав На этих участ ках в результате появления трещин, сколов и выкрашивания по степенно происходит износ футеровки вплоть до полного обна жения участка металлической стенки. На участках, где расплав попадает на поверхность гарнисажа, он «залечивает» появляющи еся со временем трещины и сколы Анализ механизма износа принудительно охлаждаемой гарнисажнои футеровки позволяет сформулировать три основных условия обеспечения ее длительной и надежной работы. 1 Надежное нанесение огнеупорной массы на ои1Ипованную мегаллическую поверхность 2 Замена водяного охлаждения металлической стенки гарнисажнои футеровки испарительным Это гюзволяет повысить температуру стенки Т„> 7ро(,у и предотвратить конденсацию aiрессивных паров, а также обеспечить более интенсивное и, сле довательно, надежное охлаждение металлических поверхностей. 3 Обеспечение такой гидродинамики в рабочем простран стве печи, при которой вся поверхность гарнисажнои футеров ки орошается расплавом с интенсивностью, не ниже, чем 10-2_10-1кг/(м?-ч). 2. Выбор огнеупоров для футеровки печей При подборе огнеупоров для элементов рабочего пространства печи необходимо руководствоваться двумя принципами. 1 Принцип согласованной стойкости (равной или кратной) отдельных частей рабочего пространства — пода, стен и свод Разные конструктивные части футеровки работают в разных ус ловиях и изнашиваются с размой скоростью. Вместе с тем время остановки печи на ремонт определяется износом наименее стой кой части рабочего пространства. Поэтому необходимо огнеупо ры подбирать так, чтобы все узлы и части печи изнашив1и1ись 207 примерно в равной степени к начсшу ремонта, иначе часть еще рабогоспособных конструкции обречена на слом На практике создать такую конструкцию удается не часто В таком случае со гласуют стойкость отдельных частей печи - д)Н1телы10сгь меж ремонтной кампании более стойкой части делают кратной дли тельности работы менее стойкой Например, регенераторы марicHOBCKOH печи между ремонтами выдерживают две кампашт свода 2 Принцип обеспечения равномерного износа рабочей поверхн ти каждой части футеровки Если условия износа по поверхно сти свода, стен и пода печи раз;тчны, то в наиболее изнашива емых участках надо использовать более стойкие огнеупоры, уве личить толщину футероики, ослабить локально тепловую изоляцию или применить принудительно охлаждаемые дет.и1и Подбор стойкого огнеупора производится с использованием данш^гх Государственной инспекции службы огнеупоров (ГИСО), результатов изучения oiHjira эксплуатации футеровки на заводе, публикации в технической печати Если же условия эксплуатации футеровки в новой печи cynieственно отличны от условии для имеющихся аналогов (иной со став технологического матери<1па, более высокий уровень темпе ратуры и скорости расплава, необычное сочетание разрущаюищх факторои) или появились новые огнеупоры, то выбор огнеупора производят на основе анализа условии предстоящей работы огне упорной фугеровки К разрушающим факторам при высоких температурах оптосятся различные механические иафузки, физико-химическое воздей ствие расплавленного и парообразного технологического материллй, термические напряжения, а также различные их комбинации \\ совместное разрупгающее действие Огиеуггор подбирагот по устойчивости к главному разругдагощему фактору в данных конкретных условиях с учетом других разрушагоидих воздействии При воздействии расплава (наиболее частая ггричина разруше ния футеровкгг) подбор огнеугюра производится по шлакоустоичивости в несколько этапов Сначала производится грубый отбор типа и групггы огнеупора iro химическому составу расгглава с учетом его стоикостгг — в кггслом расплаве - кислые опгеупоры (динас, алюмосилггкагные, корундовые, бакороиые, карбилкремниевые), 208 — в основном расплаве — основные огнеупоры (периклазовые, доломитовые, периклазохромитовые, хромитопериклазовые, магнсзиальношгшнелидные); — в восстановительной среде - углеродистые, карбидкремниевые. Далее из отобранных типов и фупп уточняется наиболее стой кий огнеупор путем учета промышленного опыта эксплуатации огнеупора в аналогичных условиях. Из имеющихся сортов и ма рок данного огнеупора отбирают тот тип, который имеет макси мальную прочность, минимум стекловидной фазы, плотную мел кокристаллическую макроструктуру. В табл. 13 2 представлены примеры применения некоторых огнеупоров в плавильных печах При резкопеременном температурном режиме работы футеров и отсутствии расплава подбор огнеупора производится по термо стойкости (табл 13.3). Таблица 13,2. Характеристика службы огнеупоров в плавильных печах Наименование печей Применяемые огнеупоры До\генные печи Муллитокремнеземистые, муллитовые Мартеновские печн Кислородные конвертеры Электросталепла вильные печи Отражательные печи цветной металлургии Конвертеры в производстве никеля Причина разрушения футеровки Износ ист ра ие Углеродистые, Высокое графитизирован- давление при интенсивном ные блоки разогреве Периклазохроми Износ, товые, перикла- растрескивание зоизвестковые Смолодоломито Износ, вые, периклазо размывание хромитовые Динасовые, Износ, периклазохроми растрескивание товые Динасовые, Растрескивание, периклазохроми износ товые, муллитокремпеземистые Известковопери- Износ, клазовые, вспучивание доломитовые Участки наибольшего износа Фурменная зона, летка чугунная, желоб для выпуска чугуна Горн, лещадь Своды, стены, шлаковый пояс Шлаковый пояс, летка для выпуска стали Своды, шлаковый пояс Своды, участок горелок, шлаковый пояс Шлаковый пояс 209 Таблица 13.3. Рекомендации по выбору oniejnopoB для печей с переменным тем пературным режимом Термостонкость (число теплосмеи) Неудовлетворительная (£2) IlHJKaH (3-10) Средняя (10-15) Повышенная (15-20) Высокая (> 50) Огнеупорные изделия (число теплосмеи) Допустимый температурный режим футеровки Дипас 850 К (1-2), корундоные высоколлотпые (1-2), электроплавленные литые (1-2), периклазовые рядовые (1-2;г Динас I класса до 850 К (2-5), корундовые рядовые (5-8), муллитокремнеземистые (8), иериклазовые плотные (3-6), периклазошпинелилные (5-9), хромнтовые (2—5), хромитопериклазооые (3-5), форстеритовые (3-7) Динас выше 850 К, полукислые и uiaMOTfiHe (10-15), периклазовые высокоплотные (11-16) Каолиновые (15-20), многошамотные (10-50), муллитовые, муллитокорундовые и углеродистые блоки (25), периклазоишинелндные с прямыми связями (16-20), перлклазофорстериюные термостойкие (23-56), карбилкремниеные на связках (25-60) Очень медленное изменение температуры во времени (S 5-8 К/ч) Умеренная скорость изменения температуры (8-15 К/ч) Цирконовые (50-100), карбидкремниевые рекрист<1ллизованные (100-300), угле родистые плотные (50-100) Резкопеременныи температурный режим (> 100 К/ч) Средняя скорость изменения темпе ратуры (15-50 К/ч) Высокая скорость изменения темпе-, ратуры (15-50 К/ч) При нгишчии значительных температурных напряжении неже лательно использовать крупноблочные и фасонные изделия В этом случае предпочтителен нормальный кирпич Высокой тер мостойкостью обладают футеровки из набивных масс С появле нием жидкой фазы в огиеупоре и достижением пластическою состояния термостойкость возрастает 210 При сочетании переменного теплового режима с воздействием расплава выбор рабочего огнеупора производится с одновремен ным учетом требований шлакоустоичивости и термостойкости. В этом случае целесообразно применение набивных масс на основе шлакоустойчивого огнеупорного порошка. При стабильном теп ловом режиме и отсутствии расплава на футеровку воздействуют только механические нагрузки при высокой температуре. При эрозионном и других механических воздействиях требуется огнеупор с повышенной механической прочностью — плотный, спе ченный из тонкого порошка или литой электроплавленный. При малых механических нафузках подбор рабочего огнеупо ра производится по температурам огнеупорности и начала раз мягчения под нафузкой в сопоставлении с температурой в рабо чем пространстве. Необходимо подобрать oi неупор, обеспечива ющий j'ôrH-^ ^р^^"*^ " ^нр-^р'^п- Здесь большой выбор огнеупоров. Поэтому в футеровке целесообразно использовать наименее дефицитные и дорогие огнеупоры; в отдельных случаях можно применить легковесы. 3. Футеровка плавильных печей Доменные печи Основными конструктивными элементами печи являются ко лошник, шахта, распар, заплечики, горн и лещадь (подина). Же лезобетонный фундамент имеет многогранную форму и состоит из двух частей, подошвы (нижней части), представляющей моно литную плиту, заглубленную на 6-7 м, и пня (верхней части), выступающего над уровнем земли на 4—5 м. Пень имеет мень шие поперечные размеры, чем подошва, и сооружается из жаро упорного бетона с огнеупорностью 1400—1500 К. На пне фунда мента усганавливают шшты с каналами для воздушного охлажде ния. На них выполняют набивку из углеродной массы для герметизации и выравнивания горизонтлпьного уровня поверхно сти, на которую укладывают стальной лист (30-40 мм), служа щий основанием огнеупорной кладки — лещади. Главными причинами разрушения футеровки являются дли тельное абразивное воздействие шихтовых материалов и газового потока, насыщенного щелочами и оксидом цинка, снижающими огнеупорные свойства кладки, отложение сажистого углерода в порах огнеупора; большое давление вышележащих слоев кладки, 211 механические нагрузки, нозникающие при зафузке iinivn>i, и на пряжения, вызванные высокими температурами и воздействием шлаковых расплавов Температурное и химическое воздействие пл футеровку возрастает от верха печи к низу, а меха1П1ческие илфузки, наоборот, преобладают и верхних 2/3 высоты, что связа но с ударным действием шихтовых матери1Шов при зафузке Огнеупорами jvni изготовления летади служат высокоглинозе мистые и углеродистые фафитирова1НН)1е блоки Общая высота лещади около 5 м Кладка лещади представляет собой углероди стый стакан (рис 13 3) с вертнкалгжг^гм рядом графигировагигых блоков 1, имегощих наибольшую теплонроводггость, угольгго кок совыми блоками 2 по периферии, уложегггггмли^ горишнтадьио ira всю ВЫСОТ}' лещади, и с высокоглиггоземистгямп блоками 3 и центре лещади, содержаггигми более 60% AI2O3 Ю1.шку из угле родистых блоков ведут с заполнением шгюв углеродистогг пастой, наносимой в нафегом состоянии Периферия лещади на всю вы соту облицовагга водяными холодильниками Верхняя часть футеровки горгга ггаходится в особо тяжелых ус;говиях, так как помимо высокой температуры и даг5леггия испытг^гвает воздействие раскаленных окислительных газов, образуюигихся при горении кокса Горн футеруют муллггтокремнеземистым гипг специадьным шамотным кирпичом в комбинации с углеродистг>гми огнеупорами от метагглоприемника до фурменной зоны Фурменные проемы, чугунные и шлаковые легки вг^гкладывают шамотггымгг кирггичамп, так как yгJгepoдиcтыe блоки в этих местах футеровкгг могут ггодвергаться окислениго кислородом ду тья, водянымгг парами и диок сидом углерода Вггутренггяя поверхность уг;геродистг.гх бло ков ггри задувке должна защи щаться от окислеггия слоем шамотггого кггрпича Зазоры между югадкои и холодильникамгг заполнягот угле родистой массой Фугеровку загглечиков выгголняют из пгамотггого доменного кггрггича Kjracca ШЛ с ггритескои к пеРис. 13 3 1С-1ДДка пешади доменной печи 212 рифериггным ХОЛОДИЛЫГИКам ГГ заполнеггие,\г зазоров между кладкой, холодильниками и кожухом раствором, на котором ве дется кладка. Шахты доменных печей нередко являются наименее стойкой частью футеровки и обусловливают длительное! ь кампании На практике применяют футеровки шахт трех типов* толстостенные (800—1200 мм), среднестенные (600-1050 мм), тонкостенные (250—700 мм). Кладка заключена в металлический кожух и ох лаждается с помощью горизонтальных или вертикальных холоаильников. Футеровку шахты и распара производят шамотным доменным кирпичом класса ША, многошамотным или муллитокремнеземистым на связке из шамотных мертелей. Все швы (радиальные, вертикальные и кольцевые) в смежных рядах выполняют вразбеж ку Зазор в области распара и шахты между холодильниками и кладкой заполняют углеродистой набивкой. Кислородные конвертеры Основными причинами износа рабочего слоя футеровки кон вертеров является химическое разъедание ее шлаком и механичес кое разрушение вследствие напряжения, вызванного загрузкой шихты и интенсивной циркуляцией расплава Наибольшему изно су подвергается цилиндрическая часть футеровки в зоне опорного кольца, особенно в области цапф, и отдельные участки футеровки горловины, определяемые эксплуатационными условиями загруз ки шихты и слива металла Износ футеровки, помимо основных причин, зависит от ряда одновременно воздействующих факторов Так, на стойкость футеровки отрицательно влияет повышенное со держание кремния в жидком чу1уне и оксидов железа и фосфора в шлаке, а также перефев металла в конце процесса продувки. Значительному износу подвергается футеровка юрловины вслед ствие разрушающею воздействия на нее пыли, выносимой кон вертерными газами, и выбросов расплава при продувке. Футеровку конвертеров выполняют двухслойной Постоянный (арматурный) слой толщиной 230—250 мм делают из хромитопериклазового огнеупора Зазоры между ним и кожухом заполняют смолодоломитовои набивкой Рабочий (внутренний) слой футе ровки имеет толщину 700-800 мм и выполняется из необожжен ного смолодоломитопериклазового или смолодоломитового кир пича. Обжиг рабочего слоя происходит непосредственно в кон213 Bepiepe при температурах 1400-1500 К При коксовании смолы, входип1еи в состав огпеупора, кладка упрочняется, блаюдаря об разованию при высоких температурах коксового сростка Образу ющийся при naipeBe oiiieyimpa оксид умерода СО препятст1$уе1 проникновению И1лака в норы oi неупора Кладку рабочею слоя выполняют в перевязку, а по толщине она сбалансирована по скорости износа, т е в местах наибольшею износа кладку вы полняют большей толшины Участки футеровки, гюдверженные интенсивному механическому износу (верх юрловииы и днище), выполняют из периклазошпинельного огпеупора Электрические дуговые печи Отельные части ([футеровки — подина, стены, свод — работа ют и различных условиях В наиболее тяжелых ус;ювиях находят ся свод и стенки печи. Футеровка свода и верхней части стен подверыется значительному перегреву за счет лучистой эиерши ду1и, химическому воздействию печных 1азов, содержащих окси ды железа и шихтовую пыль, а также резким колебаниям темпе ратуры при загрузке П1ихты Подина и шлаковый пояс испыты ваю! меха1И1ческое напряжение и химическое воздействие расплаштенных металла и шлака Подину основной печи выполняют трехслойной Внутренний, рабочий, слои монолитный изгоывливаю1 набивкой из периклазовою порошка Толишна 150-180 мм ДсШее идет периклазовая кладка 4-5 рядов, общей толщиной 460-575 мм За периклазом выполнена кладка из двух рядов на плашку шамотного кирпичл, общей толщиной 130 мм, покояще юся на слое шамотпои засыпки толщиной 20 мм Под засыпкой на меиишическии кожух печи уложен асбестовый картон толщи ной 20 мм Общая толщина подины около 900 мм Стены выполняют из большемерного периюызохромитовою кирпича Свод для основных печей набирают из термостойкою периклазохромитового кирпича толщиной 300 мм Отношение сфелы подъема к диаметр\ свода 1 7 Ино1да ш\я KjitUiKH верха свода дуговых печей применяю! мулли!окремнеземистую массу, а 1!ериферииные кольца кладут из безобжиювых хромито1!ериклазовых изделии 13 совреме1!ных конструк!П1ях сводов электродуговь!х плавиль!1ых !!ечеи вместо ошеуноров с большим успехом используют 1юдоох;!аждаемые спалыпле кессоны 214 4. Футеровка нагревательных печей Нагревательные колодцы Причиной разрушения футеровки нагревательных колодцев является высокая температура (1300-1400 °С), химическое воз действие окалины и механический износ при зафузке слитков. Крышка и верхняя часть стен испытывают термические напря жения, связанные с резкими сменами температур при зафузке и' выфузке слитков. Большое влияние на работу рекуператив ного нафевательного колодца оказывает служба керамических рекуператоров Их основными недостатками являются низкая герметичность и засорение верхних рядов запыленными газами, вследствие чего происходит образование внутри труб нефелина (Na20*Al203*2Si02), а также деформация верхних рядов и рас трескивание трубок, из-за различного термического расширения деформированного и недеформированного слоев. Каркас нагрева тельных колодцев рамного типа с облицовкой, выполненной из листа толщиной 6—8 мм' Подина выкладывается на лист, покоя щийся на двутаврах, что обеспечивает свободную циркуляцию воздуха и повышает, таким образом, срок службы пода. Подину выкладывают обычно в три слоя, не считая асбеста, положенного на металлический лист. Рабочий слой выполняют из периклазовых или хромитопериклазовых блоков; вторым слоем кладут ша мотный кирпич, внешний теплоизоляционный слой выполняют из диатомитового кирпича или шамотного легковеса. При жидком шлакоудалении подину'выкладывают с уклоном к шлаковой летке При сухом шлакоудалении на рабочий хромитопериклазовыи слой насыпают слой мелкого коксика толщиной 200—250 мм, который впитывает окалину и через 5-6 посадов уда ляется вместе с ней через специальные отверстия в поду колодца Внутреннюю поверхность стен рабочего просфанства, исходя из соображений стойкости, делают выпуклой наружу. Стрела про гиба выбирается в зависимости от длины стен и равна 150 мм на 5 м длины. Стены, так же как и под, выполняют трехслойными. Рабочий слой в нижней части, в связи с возможным разрушени ем окалиной (на высоту около 1 м от пода), делают из хромито периклазовых блоков Среднюю и верхнюю части стен футеруют динасовыми блоками. Замена кладки из динасового кирпича на кладку из динасовых блоков увеличила стойкость стен более чем в два раза. Второй слой выполняют из шамотного огнеупора, а 215 третий, теплоизоляционный - из диатомитовою кирпича И т е н сивнее всею стены изнашиваются на том уровне, 1де ил них опираются слитки В связи с этим выполняют выступ КЛсЩКИ, т е делают утолщение. Выступ выкладывают из динаса, xpo.\niтопериклаза или муллитокремнеземистою oi неупора Крышки применяют с арочной футеровкой или с подвесным сводом Футеровку выполняют из муллитокремнеземисюю кир пича, обладающего стойкостью к растрескиванию В последние годы футеровку часто делают из огнеупорного бетона В керами ческих рекуператорах верхние и нижние ряды набирают из карбошамотиых трубок, облсшаюших высокой огнеупор}1остью, стро ительной прочностью н термостойкостью, остсигьпые ряды — m ujaMOTHbix трубок Нагревательные печи Выбор огнеупоров для футеровки нагревательных печей зави сит от температуры нагрева, количества образующейся оксшины, характера механического воздействия нагреваемого метсшла на элементы 11ечи Футеровку; стен и свода обычно выполняю! из шамота высо кою класса Стены делают двухслойными , Наружный изолянионныи слои из диатомитового кирпича Свод при ширине печи более 4 м делают подвесным из специального (|)асонною огнеупора Рабочий слои монолитного пода и пода в томильной зоне футеруют 01 неупором, не взаимодействующим с окалиной, — тальковым, периклазовым или хромитопериклазовым Вторым слоем кладут шамотный огнеупор и затем слои тепловой изоля ции — легковесный шамот В насюящее время гголучило широкое распространение при менение ограждении нагревательных печей, состоящих из меииглнческих паггелеи с закрепленной на них футеровкои из легких геплоизолягхионных и гюлокнистых магерисиюв и жаростойкого бетона, а также футеровка печег"г крупными блоками из легких жаростойких бетонов Швы между панелями загголпяют гшсокоглггггоземистои ватой Возможггости монтажа печей укрупненными элемеггтами расгггиряются по мере разработки и выггуска новых гюлокшгстых ог неупоров Наличие огнеупоров, имеющих гглогность 150-350 кг/м-' гг способных выдержи!5ать рабочуго температуру до 1600 К и выше, 216 позволяет выполнять футеровки в 2—5 раз более легкие, чем из огнеупорных кирпичей. Замена диатомитовых и шамотных изде лии мулитокремнеземистой ватой и войлоком, а шамотных oi не упоров — плитами, изготовленными на базе огнеупорного волок на, позволяет делать тонкостенные футеровки, удерживаемые на металлическом кожухе с помощью анкеров из жаростойкой стали или керамики Глава 14 МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПЕЧЕЙ 1. Печные шагающие конвейеры В печах с шагаюншм конвейером нафеваемые изделия пере мешаются за счет периодического перекладывания или перекаты вания их подвижными балками Различают три способа переме щении (рис 14.1). Первый и наиболее распространенный способ (рис. 14.1, а) со стоит в том, что нагреваемые изделия 1 транспортируют через печи с помощью одной или нескольких подвижных балок 2, пе ремещаемых относительно стационарного пода печи или непод вижных балок 3 Подвижные балки перемещаются в вертикаль ной плоскости по траектории в виде прямоугольника Длительность цикла /ц перемещения изделия в печи на один ща1 S равна сумме времени перемещения подвижных балок. ^ц = '1 + (2 + 'З + '4 + 'п . где /[ — время перемещения подвижных балок вверх до уровня выше неподвижных балок с подхватом нагревае.мых изделии, tj — время передвижения подвижных балок вместе с нагреваемыми из делиями вперед на один шаг S; t^ — время опускания подвижных 6tUioK до уровня ниже неподвижных балок с оставлением на них нагреваемых изделии; /4 - время передвижения подвижных балок назад на один шаг S к исходному положению; /„ — длительность паузы между циклами. При такой схеме перемещения нагревае мых изделий ритм выдачи превышает 20 с. Второй способ (рис 14.1, б) закгночается в том, что перемеще ние нагреваемых изделий через печь происходит при помощи 217 f u/щм'^ЩЪ''М и i^Fu :? }' ^ж^_н_и_жж.^ш Рис. 14 1. Печные П1агаюшие конвейеры для заготовок п а — с одной группой подвижных балок, 6 — с ДВУМЯ груп групп / и // подвижных балок Обе группы балок перемещаются в вертикальных плоскостях по прямоугольным траекториям, но сдвинугы по фазе на 180°. Если / фуппа балок движется с Hdipeваемыми изделиями вниз, то // фуппа движется навстречу вверх и UA полпути происходит перекладывание нагреваемых изделий с балок / rpyinibi на балки / / фуппы. После этого балкам сообща ют горизонтальные перемещения: группе / / с изделиями справа налево на один щаг S, фуппе / — слева направо на один щаг. Затем балки снова начинают перемещения по вертикали навстре чу друг дру17, в результате чего изделия перекладываются с балок II фуппы на балки / фуппы и цикл на этом заверщается. При таком способе транспортирования длительность цикла /ц = /1 + /2 + /„ , где /j - время перемещения балок в вертикальном направлении, Ь — то же, в горизонтальном; /„ — длительность паузы между циклами. Перемещение нагреваемых изделии по второму способу позволяет сократить ритм выдачи (< 20 с), т. е. повысить произ водительность печи. Третий способ применяют в печах для нафева круглых заго товок (рис 14 2), где печной шагающий конвейер состоит из двух фупп профильных ба;юк неподвижных I и подвижных 2, кото рые перемещаются в вертикальной плоскости по эллиптической траектории при помощи двух эксцентрико-кулисных приводов 3 и перекладывают круглые заготовки из одного ручья в другой на величину шага S Полный ход подвижных балок по вертикали обычно принима ют в пределах 70—200 мм в зависимости от длины печи и изде лии. Ход 70 мм выбирают для печей длиной 10—15 м и коротких изделий, когда не происходит их значительного коробления Ход 200 мм принимают в печах длиной 20 м и более и при нагреве изделии длиной несколько метров, когда возможно влияние на ход изделии их коробления и неточности монтажа балок Превы шение подвижных ба1юк уровня неподвижных обычно составляет соответственно 40 и 100 мм Скорость перемещения балок по вертикали 0,01-0,03 м/с Ход QanoK по горизонтали принимают в зависимости от раз меров изделии и их раскладки в печи. В печах с обычным режи мом горизонтальный ход балок не превышает 600 мм, но ино1да он бывает и несколько больше - до 850 мм. В тех случаях, когда 219 о 5 >^ о. а и: о о. >х X о а ••X S 3 Я В I необходимо быстро загрузить всю садку в печь и так же быстро ее выгрузить из печи, горизонтальный ход балок может быть значшельным — 3,5-5,5 м Скорость горизонтального перемещения 6i;UioK составляег 0,025-0,060 м/с при ходе до 850 мм и 0,25 м/с — 0,5 м/с при ходе 3,5-5,5 м. Для механизмов подъема и передвижения бсшок применяют электрический ппи падравлическнп привод, чаще индивидуальный па каждый механизм и реже - один общий. Конструктивно ме ханизмы подъема выпо;п1яю1 по трем схемам* рычажные, эксцен триковые и клиновые Рычажные и эксцентриковые механизмы подъема применяют в печах с вертикальным ходОхМ бшюк до 200 мм и при уравновепи1вании сис1емы балки-садка с помощью противовеса, что по зволяет снизить мощность привода и обеспечить более равномер ную его работу Юшновой механизм подъема рекомендуется применять при большой массе садки изделии в случае, когда уравновешивание системы не предусмотрено Привод клинового механизма выпол няю! от элек1родви1ателя с реечной передачей или от гидропри вода Преимущество клинового механизма — постоянство скоро сти подъема и расхода энергии Рычажный механизм подъема (см. рис 14.1, а) одной подвиж ной балки включает несколько рычажных подъемников, каждый из которых состоит из трехплечего рычага 4, на одном плече ко торого находится ролик 5, воспринимающий массу бсшки и садки, на другом — противовес 6, на третье плечо воздействует усилие гидроцилиндра 7 через тягу 5 Суммарный момент (Н • м) такого механизма относительно оси рычагов определяется уравнением ЕЛ/ = (G^/г + Gg + /iGp)r, + (Gg + G^/г + где Gg, Gp, Gp, G„p — соответственно массы балки, садки, роли ка и противовеса, Н; Г], /'2 — соответственно плечи рычагов ро лика, б^шки и садки, противовеса, м; CIQ — диаметр цапфы оси трехплечего рычага, м, ц = 0,01 - коэффициент трения в под шипниках оси трехплечего рычага, z, г^ — соответственно число подвижных бшюк и рычажных подъемников Усилия f!r на тяге механизма подъема и Р^ на штоке гидроцилиндра221 Ру = 1Л//гзПр и Рц = Pjr^/r^, 1де /3. ''4 ~ плечи рычагон и гидроцшшпдра, Пр ~ к п д ры чажного механизма подъема Скорость Уц и ход / штока гидроцилиндра находят из соотно шений где v^^ — выбранная скорость подъема балок, м/с, h^ — выбран ный ход подъема балок, м По усилию P^^ и ходу / выбирают гидроцилиндр, внутренний диаметр которого определяется зависимостью D = ^4000Рц/яИ = 35,бл/Рц/(р], где [р] — давление рабочей жидкости, развиваемое насосом. Па Производительность насоса (MVC) зависит от площади и ско рости движения поршня, которую несколько увеличивают с уче том неизбежных утечек, сжатия жидкости и упругости гидравли ческой системы Qjjac = l,2v^^nD'^/4. По величинам Qâc ^ [Р1 подбирают тип насоса По конст рукции рабочею органа насосы разделяют на шестеренные, ши берные (лопастные) и поршневые Последние в свою очередь делят на аксиально-поришевые, радиально-поршневые и поршне вые эксцентриковые. Шестеренные и шиберные насосы применяют для рабочих давлении 12-14 МПа; аксиально- и радиально-поршневые - для давлений 20-30 МПа и поршневые эксцентриковые - для давле ний 50 МПа и выше В качестве рабочих жидкостей в гидропри водах используют минеральные масла с вязкостью при 50 °С от 1. 10-5 до 2,5 . 10-5 j^2/c. Мошность (кВт), необходимая для привода насосов всех под вижных балок Z. ^ = гИСнас/ЮООЛн = <:РцУц/1000ПрПтрПгП„, где Cjâc — производительность насоса, MVC, (р] — давление. Па; Рц — усилие гидроцилиндра, Н, Уц - скорость перемещения IUTOка гидроцилиндра, м/с; rip - к п. д гидрораспределителя; г|тр ~ к п д трубопроводов от насоса до гидроцилиндра, ri^ — к п д гидроцилиндра, равный примерно 0,95; ri„ - полный к п д насо са, равный произведению объемного (rio5 ~ 0)9) и механического (Пмех " 0.8) к п д 222 в эксцентриковом механизме подъема без уравновешивания балок и садки суммарный момент на валу эксцентриков (см. рис 14.2), Н.м S M = ((7б + G,)e + nizG^ + GJ (d^ + d^)/2, при полном уравновешивании массы балок (см. рис. 14.1, б)' ZM = Gê + ц(^Сб + GJ {d^ + d^)/2, где GQ, G^ — соответственно массы одной подвижной балки и всей садки, Н; г — число подвижных балок; е — эксцентриситет эксцентрика, м; d^, d^ - соответственно диаметры вала и экс центрика, м; ц = 0,01 - коэффициент трения в подшипниках ка чения вала'и эксцентрика. Частота вращения эксцентрика, об/мин «э = 60Л„/у„ = 2*60е/Уп, 1де Лп = 2е — ход балок по вертикали, равный удвоенному экс центриситету е, м; у„ - средняя скорость подъема, м/с. Тогда расчетная мощность электродвигателей привода механиз ма подъема будет равна, кВт: 7Vp= I M « „ / 1 0 0 0 T I ^ , где Пм ~ "^ " Д механических передач от электродвигателя до эксцентриков В клиновом механизме подъема (рис. 14 3) подвижная балка J с садкой, лежащей на выступах 4, перемещается на катках 5 по нижней раме 6, которая опирается клиньями 7 на стационарные ролики 8 Для подъема балки на нижнюю раму действует гори зонтальное усилие плунжерного гидроцилиндра Р, которое пре одолевает следующие сопротивления* от горизонтального переме щения основания 2 бадки и садки на катках по нижней раме, от перекатывания клиньев нижней рамы с балкой и садкой по стационарны.м роликам и от подъема составляющей массы всей сис темы. Это усилие равно, Н: Р, = (гСд + G,) 2//Z), + (гСб + С^с + ^н) (М^р + 2/)//)р + + (G6+G, + C„)tga, где GQ, Gf., G^^ - соответственно массы балки, садки и нижней рамы, Н; D^,, Dp — соответственно диаметры катков и опорных 223 - > ^-pi j Рис. 14.3. Печной шагаюшии конвейер с двухсторонн роликов, м; Jp — диаметр цапфы подшипника качения опорного ролика, м, Z ~ число подвижных балок; / = (8—10)* Ю""* — ко эффициент трения качения катков по направляющим нижней рамы и клиньев по опорным рамам, м; а — угол между наклон ной плоскостью клина и горизонталью. При заданной скорости подъема балок ц^, ее горизонтальная составляющая v^ = y^ctga и расчетная мощность привода N= Р^и^/\000ц^^, кВт. В механизмах горизонтального перемещения балок различают следующие три схемы работы: перекатывание подвижных балок с садкой по роликам, каткам и секторам эксцентрика, при кото рых силы сопротивления равны при перемещении по роликам (см. рис. 14 1,Й) по каткам (см рис 14.3) и по секторам (см. рис 14.1,6) IV- (zGQ+G,)(iid,+ 2/)/2R, где GQ, С(, — соответственно массы балки и садки, Н; z ~ число подвижных балок; dp, d^ — диаметры подшипников ролика и эк сцентрика, м; /)р — диаметр ролика, ы; R^ — радиус сектора эк сцентрика, м; |л = 0,01 - коэффициент трения в подшипниках роликов и эксцентрика; / = (8-;-10)'Ю""* — коэффициент трения качения балок по роликам, каткам и секторам, м; р = 2,5-3,5 — коэффициент, учитывающий дополнительные сопротивления от трения катков и роликов о направляющие элементы балок. По выбранной скорости горизонтального перемещения балок с садкой v^ находят расчетную .мощность привода, кВт* Установочную мощность электродвигателей принимают в за висимости от режимов работы для механизмов подъема Л'у = = Л^р, для механизмов передвижения и поворота Л^у = ^рА^> где Лр = 2,25, 1,6 и 1,25 соответственно для режимов Л и С; Т, ВТ. Для привода механизмов шагающих подов печей принимают крановые электродвигатели переменного тока с фазовым ротором серии МТ, МТБ, МТМ и с короткозамкнутым ротором серии 8 - 5041 225 МТК, МТКВ и МТКМ, л также электродви1атели постоянною тока серии МП, ДП и КПДН. В отдельных случаях возможна установка электродиигателеи из единой серии ЛОС и ЛОП 2. Печные цепные конвейеры Печной цепной конвейер состоит из цепного тяговою и фузонесущего органа (рис 14 4), который с помощью приводной 4 и натяжной 5 станции движется вместе с нагреваемыми изделиями по направляющим в юризонтальных и вертикальных печах В за висимости от положения цепей относительно пода или свода печи различают печные конвейеры с подовыми цепями (рис 14 4, а), с подподовыми (рис 14 4, б) и надсводолыми (рис 14 4, в) В печных конвейерах подовые цепи 1 с леж.нцилш на них из делиями 2 в один или несколько рядов перемешаются по направлягопшм 3 пода печи (рис 14.4, а) Число цепей может быть от двух для коротких изделий до 14 для длинных изделии (рельсы) с расстоянием между ними от 420 мм (сутунки, пакеты) до 1750 мм (рельсы) при температуре нагрева коротких изделий до 800900 °С и Д1шнныч до 600 °С Д1П1на цепною конвейера состаипяет 01 5 до 23 м с массой садки от 5 до 90 т при скороеi и дви жения в пределах 0,4-0,1 м/с. Печные конвейеры с подподовыми цепями (рис 14 4, б) при меняют для нагрева сутунок и пакетов,при полистной горячей прокатке лисга до температуры 900-950 "С при /шине конвейера до 25 м При такой температуре нагреваемые изделия 2 лежат не на цепи 7, а на стоиках 6, прикрепленных к звеньям двух [{епеи, движущихся под подом печи Стоики выведены в высокотемпе ратурную зону печи через узкую щель в полу и возвышаются над уровнем кладки пода печи на 135-150 мм При таге цепи 150 мм шаг стоек составляет 300 мм, расстояние между цепями 420 мм, что позволяет размещать на стоиках сутунки д/шной и паке ты шириной 700-750 мм Скорости перемещения подподовых цепей принимают в тех же пределах, что и для подовых цепей Печной ко1Н!еиер с надсводовои цепью (рис 14 4, в) представ ляет собой подвесную конструкцию. Перемешаемые изделия 2 размещаются iu\ подвесках 3, подвеи]енных к кареткам 6, движу щимся по подвесному пути 7. Каретки с подвеска\ш для изде;н1и прикреплены к тяговой цепи 1 и вместе с ней движутся по по стоянной трассе подвесных путей, часть которых проходит над сводом печи Через узк>ю щель в своде печи подвески с издс;ш226 ями вводятся в печь и таюхе выводятся из нее. Для снижения потерь тепла узкая щель закрывается сверху уплотняющей чешуй чатой лентой из стали 1X18Н9, которая движется вместе с це пью Такие печи применяют для обжига эмали при температуре 950 °С. Скорость движения цепи с изделиями регулируют в пре делах 0,015-0,06 м/с. Мощность привода цепного печного конвейера находят мето дом тягового расчета, согласно которому контур конвейера раз бивают точками на прямолинейные и криволинейные участки. Разбивку начинают от точки а (см. рис. 14.4, б) сбегания цепи с приводной звездочки и продолжают по ее ходу на обратном уча стке, затем переходят на рабочий участок и заканчивают в точке d набегания цепи на приводную звездочку. Подробный тяговый расчет по отдельным участкам конвейера при числе цепей гц и рядов нагреваемых заготовок ?p, погонных массах цепей q^ и нагреваемого металла q^, коэффициентах сопро тивления движению цепи на рабочем участке w и на холостом ;v' сводится к составлению и решению следующих уравнений: Sd'^ S,+ W,.j = S,+ иц^ц + ZpqJLW В расчетах принимают натяжение одной цепи в точке сбега ния с приводной звездочки SJJ^^^ = 0,5—1 кН, а при наличии про висающего участка это натя^сение (Н) определяют по формуле (см. рис 14 4, а) где ^ц — погонный вес цепи, Н/м, 5 — стрела провисания цепи, м, / — длина провисающего участка, м. В случае перемещения цепи скольхсением с коэффициентом трения ц коэффициент сопротивления будет равен для холодной цепи W = \1 = 0,15-г0,25 и для горячей цепи w = \^^ = 0,3-гО,5. При перемещении цепи на катках коэффициент сопротивле ния определяют по формуле (см. рис 14.4, а): W = c{^d^ + ь- 2f)/D^, 227 где D^^ — диаметр катка, м; d^^ - диаметр цапфы оси кагка, м ц — коэффициент трения скольжения в цапфах катков; / = 0,001 м — коэффициент трения качения, с = 1,5-2 — коэффи циент добавочного сопротивления на катках с ребордами вслед ствие трения реборд о направляющие. На поворотных пунктах в виде натяжных и направляющих звездочек сопротивление вследствие жесткости тягового элемента при изгибе и выпрямлении цепи на звездочках и от трения в подшипниках звездочек увеличивает натяжение сбегающего кон ца цепи на величину к = 1,05-1,1 в зависимости от угла обхвата звездочки цепью а = 90°—180° Тяговое усиление на приводных звездочках определяется разно стью натяжений цепи в точках набегания и сбегания в сумме с со противлениями на участке между этими точками (см. рис 14 4, б). К = «^нб - -^сб + Кр = s,-s,+ {Sj + s,) (к - 1). Выбор электродвигателей из единой серии АО и АОП для печ ных конвейеров производят по установочной мощности (кВт) с некоторым коэффициентом запаса Л^У = k^lV^v/mOx]^, где WQ — тяговое усилие, Н; У — скорость цепей, м/с, Пм ~ к п д передаточного механизма привода, к^ = 1,15-1,25 — ко эффициент запаса на неучтенные сопротивления Величина общего натяжного усилия Р,, составляет сум.му на тяжений набегающей 5^, и сбегающей S^ на натяженные звездоч ки ветвей цепи (см. рис. 14.4, б) Масса натяжного груза ^н = ^н/гц'пПп. где Zn — число цепных контуров; /„ — кратность полиспаста; при его отсутствии 'п ~ '» ^п ~ к. п.д полисгаста и отводных бло ков; при отсутствии полистаста х\^ = 0,95. Частоту вращения (мин"') ведущих звездочек определяют по формуле Иди = 60 у / UDQ = 60 V / Zt^, 229 где V — скорость перемещения цепи, м/с; DQ - диаметр делитель ной окружности, м; z - число зубьев звездочки; t^^ - шаг цепи. По частоте вращения вала выбранного электродвигателя п^ на ходят общее передаточное число привода /^дщ = "м/"зв» '' п° нему принимают из справочника редуктор, после чего произво дят компоновку привода конвейера 3. Печные роликовые конвейеры (печные рольганга) В печах с роликовым конвейером нагреваемые изделия пере мещаются качением по стационарным роликам Ролики приво дятся во вращение двигателем и сообщают движение лежащим на них изделиям трением Основными параметрами печных роликов конвейеров являют ся (рис. 14.5, а)- щаг между роликами t, диаметр роликов Dp, длина печи L^, и скорость перемещения изделий „и Шаг между рЪликами зависит от длины нафеваемых изделий, их массы и прочности, а также от температуры нагрева При нафеве листов шаг роликов зависит от толщины листов и температуры их нагрева Температура нагрева, °С Толшина листа 5, мм UJai роликов /, мм 1000 1000 1 1,5-4,0 4,0-8,0 400 450 1000 8,012,0 600 10001200 2,0-6,0 10001200 6,010,0 10001200 400 450 >500 гЮ При нагреве под термическую обработку прутков и труб диа метром 10-60 мм шаг роликов принимают соответственно 400— 600 мм При нагреве рельсов под закалку шаг роликов равен 1000-1200 мм, а под отпуск 1500-1800 мм. В зависимости от массы и лдчны изделии, уложенных на поддоны, шаг роликов принимают в пределах 400-1000 мм. В секционных печах (рис 14 5, б), где температура нафева со ставляет 1300-1500 °С, длина секции L^ = 1500-1750 мм и длина тамбура Lf (промежутка между секциями ) 350 мм, шаг роликов может быть в пределах 1150—2100 мм При этом шаг роликов не должен быть кратным шагу винтообразного движения нафеваеMOIO изделия, который подсчитывают по формуле ^S* = nDclga, 1де D — диамеф ролика в точке соприкосновения с изделием; а — угол установки роликов 230 Длина печей с небольшой массой садки из легких изделии до стигает 30-50 м при числе роликов в них 50-80 и шагом между ними 400-1000 мм. Основными элементами ролика (рис. 14.5, г) являются его ци линдрическая часть 1 в виде трубы, называемой бочкой, опорные цапфы или вал 2. Для большинства изделий поверхность бочки выполняют гладкой цилиндрической по' всей длине. При переме щении по роликам сортового проката, труб, рельсов или изделий на поддонах ролики снабжают по краям офаничительными коль цами 6, препятствующими задеванию изделий за стены печи. Пои темпеоатуое нагоева не свыше 900-950 °С поименяют оолики с неохлажденной Оочкой и приваренньши на ее тоонах иап(Ьами. которые начинают охлаждать с темпепатуоы нагоева bUUÛ и выше. Для охлаждения цапф водой в них сверлят тупиковые каналы, в которые вводят водоподводящие трубки S, закреплен ные вне ролика По трубкам вода поступает самотеком внутрь цапфы и, возвращаясь к торцу цапфы,' омывает вращающиеся стенки канала. Для сокращения потерь тепла охлаждаемую часть цапфы изолируют от раскаленной внутренней поверхности бочки экранами, приваренными внутри переходной 7 части цапфы. При температуре нагрева изделий от 900-950 до 1150—1200 °С при большой ширине печи и перемещения тяжелых изделии при меняют ролики с охлаждаемым валом Охлахсцение вала ролика производят водой, испарительным охлаждением и воздухом При охлаждении вала водой ее подводят с одного конца и отводят с другого или подвод и отвод воды осуществляется с одной сторо ны (рис 14.5, в), что сложнее конструктивно, но удобно для раз мещения водного хозяйства с одной стороны печи. Кольцевой зазор между валом и трубой должен быть не более 5—10 мм по приводит иногда к случайным пережимам сечения зазора и раз рывам струи воды. В связи с этим при значительных потоках тепла к водоохлаждаемому валу переходят от безнапорной подачи воды к подаче ее под давлением для надежного заполнения вала водой. Для этого на конце вала устанавливают узел подвода и отвода воды под давлением к вращающемуся ролику от стацио нарных труб, называемый вертлюгом 9 (рис 14.5, г). Температура отходящей воды во' всех системах охлаждения цапф, валов и бо чек не должна превышать 50 °С. Подшипники роликов размешают в литых корпусах двух ти пов* разъемных и неразъемных фланцевых. Разъемные корпуса 231 Рис. 14.5. Печные роликовые и дисковые кон а — с qjynnoBbiM приводом роликов, о — с инднвидуальным приводом дисков, в ролика, г — с индивидуальным навесным приводом ролика личения угла обхвата цепью ведомых звездочек до 180°. Одна цепь может охватывать ведомые звездочки 50-80 роликов при не большой массе садки из легких изделии. В печах с реверсивным вращением роликов приводной цепью соединяют попарно два со седних ролика, ДГ1Я чего на консольном валу всех роликов пасажены по две ведомые звездочки. Приводные цепи втулочно-роликовые одно-, двух- и трехрядные принимают по ГОСТ 10945— 74, в случае тяжелонагруженных приводов - цепи грузовые пластинчатые по ГОСТ 191-82. Натяжение приводных цепей производят натяжными звездочка ми с помощью винтовых, пружинно-винтовых и грузовых натяж ных устройств 6 Последнее из-за громоздкости применяют редко. Предварительное натяжение цепного контура составляет 5-10% от максимально допустимого для выбранной цепи. Приводная звездочка цепного контура вращается от электродвшателя постоянного тока или двухскоростного переменного тока через стандартный редуктор с цилиндрическими зубчатыми колесами Для точной остановки изделия в печи на электродви гателе устанавливают тормоз 4 Индивидуальный привод роликов применяют в печах для на грева весьма тяжелых изделий при реверсивном вращении роли ков по зонам печи с различными режимами и при условии со хранения поверхности изделия от повреждения Наиболее рас пространены конструкции индивидуальных приводов ролика 1 (см рис 14.5, г) и диска (см. рис. 14 5, в), в которых редуктор 3 цилиндрический или червячный при помощи полого выходного вала насаживается на конец вала 2 ролика, а электродвигатель 4 таким же способом насаживается на входной вал редуктора или крепится консольно на корпусе редуктора при помощи фланцев (рис. 14 5, г). Привод удерживается от вращения реактивным мо ментом упором-фиксатором 5, установленным на балке подщипника ролика При небольшом шаге роликов не удается размес тить рядом индивидуальные приводы, тогда их устанавливают в щахматном порядке по обе стороны печи Мощность элеюродвигателя группового или индивидуального привода роликов печного рольганш должна быть рассчитана на преодоление статических сопротивлений, возникающих в резуль тате трения в опорах роликов и трения роликов о металл при буксовании, а также динамических сопротивлений от разгона на греваемых изделий и самих роликов 234 Момент от статических сопротивлений на оси роликов, Н • м: М„ = (0^ + Z С7р) и^ц/2 + (?мЦ,/)р/2, где G^ — масса транспортируемых изделий, приходящихся на не сколько роликов при фупповом приводе и на один ролик при индивидуальном приводе, Н; б^, - масса вращающихся частей ро лика, Н; Z — число приводных роликов; D^ — диаметр ролика, м; i/ц — диаметр подшипника ролика, м; ц = 0,01 — коэффициент трения в подщипниках ролика; ц, — коэффициент трения ролика по мегаллу при буксовании: для горячего мегалла ц, = 0,3; для холодного /i, = 0,15. Момент от динамических сопротивлений нз оси роликов, Н • м: Чин = Ер (.zGD^ + оо^мгш, где GD^ — маховый момент ролика, Н'М^; GD^ ~ маховый мо мент поступательно движущихся изделий относительно оси роли ка (принимают, что масса изделий приложена по окружности ро лика), Н- м^ Наибольшее угловое ускорение ролика при условии отсутсвия проскальзывания роликов под изделиями рад/с^: бр = 2 Hog/Dp, где Ho = 0,2 — коэффициент трения покоя изделия по роликам* g = 9,8 м/с^ — ускорение силы тяхсести Расчетная мощность привода печного рольганга, кВт. Л^р = {М„ + Л/д„н)«р/9750п, где Лр — частота вращения ролика, мин"'; г) — к. п. д. привода: при групповом цепном приводе в зависимости от числа роликов ц = 0,5-f0,7; при трансмиссионном приводе г) = 0,8-г0,9; при' ин дивидуальном приводе ti = 0,9. На групповом приводе печного рольганга устанавливают упо мянутые выше крановые электродвигатели постоянного и пере менною тока а на индивидуальном приводе ролика — электро двигатели рольгангового типа АР. Установочная мощность элект родвигателя Ny = k^Np, где к^ = 1 15-г1,25 - коэффициент запаса на неучтенные сопротивления Определяем частоту вращения ролика мин"': Лр = 60v/nDp, 235 где V — транспортная скорость движения изделий по роликам, м/с; Dp — диамеф ролика, м Находим общее передаточное число группового привода и осу ществляем ею разбивку по отдельным передачам 'общ ~ "м / " р ~ 'ред • 'цеп ' 1де и„ — частота вращения вала электродвигателя, мин"'; fp^j /ц^,, соответственно передаточное число редуктора и цепной [тередачи 4. Вращающиеся поды печей Вращающиеся поды встречаются в печах двух типов карусель ных и кольцевых Карусельные печи (рис 14.6, а) имеют под 1 в форме диска диаметром по 3—3,5 м и с общей массой садки и пода до 10 т. Дисковый под опорным кольцом 2 опирается на три равнорасположеиных стационарных конических ролика 3, один из которых яиляется приводным 6 от электродвигателя 10 с тормозом 9 через редуктор 8 Под удерживается на роликах центральной цапфой 4, прикрепленной снизу к раме пода и вращающейся в подщипнике 5, размещенном в стационарном корпусе Щель между враща ющимся подом и стенами печи уплотнена с помощью водяного затвора 7 Применяют карусельные печи главным образом в ма шиностроительной промышленности Кольцевые печи (рис 14 6, б) имеют под 1 в форме кольца. Вращение пода осуществляется от одного или двух приводов, каждый из которых состоит из электродвигателя 10 с тормозом Р, редукгора 8, открытой конической зубчатой передачи в виде зубчагого венца 5 на раме пода и конической щестерни 7 на раме привода Все соединения выполняются при помощи зубчатых муф] с промежуточными валами При центрировании с помощью горизонтальных роликов 2 под кольцевой печи имеет диаметр 14-30 м при щирине до 4 м и общей массе садки и подвижных частей до 300-350 т. Под опи рается через круговые рельсы 4 на два ряда роликов 5 при ши рине пода до 4 м и на три — при большей ширине. Расстояние между рядами роликов принимают около 1500 мм, а угловой шаг 18-20° Центрирующие ролики установлены в подпружиненных опорах на фундаменте и упираются в круговой рельс 3 на раме кольцевою пода 1 236 fm l—iU—llMf \ <§• <? в зависимости от массы садки и пода на одной печи устанав ливаются два или три привода Окружную скорость на зубчатом коническом венце принимают в пределах 0,05-0,4 м/с При вращении карусельного и кольцевого подов печи (см. рис. 14.7, а, d) возникает сила трения в опорах вертикальных и гори зонтальных роликов, сила трения качения опорных рельсов и на правляющей шины по соответствующим роликам Обшии момент сопротивления вращения пода печи, Н • м М„ = [2 ((?„ + ( 7 J / + ((?„ + G^ + ZpGp) Mt/Ji),pp/ 2Z)p, |де Gj, — масса кольцевого пода печи, Н; G„ - масса металла (заготовок), Н; Gp — масса опорного ролика, Н; D^p — средний диаметр кольцевого пода, м; ^р — число опорных роликов. Dp — диаметр опорных роликов, м; ^ц - диаметр цапфы подшипника ролика, м; ц = 0,01-0,03 - коэффициент трения в подшипниках роликов;/= (8-10)- 10"'' м - коэффициент трения качения ро ликов по рельсам; р = 2,5-3,5 — коэффициент, учитывающий до полнительные сопротивления при работе печи в результате ко робления и перекоса конструкции пода, заклинивания пода об ломками кирпича и скопления окалины и т п Частоту непрерывного вращения пода печи определяют по за данной окружности скорости Vj, диаметру фрикционной D^-p или зубчатой D^ передачи, мин"' "п = 60vJnD^ Установочная мощность электродвигателя для каждого привода при их числе Zn и коэффициен1е режима работы кр составит, кВт. Л^У = ЛрМп/9750гп. где г| — к п д привода, включая открытую зубчатую или фрик ционную передачу. После выбора электродвигателя по каталогу с частотой враще ния л,^ общее передаточное отношение механизма вращения пода и его разбивку на отдельные передачи можно представить в сле дующем виде' "" "м / "п ~ 'отк 'ред 1 'ред 2 > 1де /Q^J, — передаточное отношение открытой передачи (зубчатой или фрикционной); /ред1, /ред 2 - передаточное отношение пер вого и второго от электродвигателя редуктора 238 Для фрикционной передачи механизма вращения карусельной печи производят проверку на силу сцепления между опорным кольцом пода и приводным коническим роликом по уравнению ^сц = (<7п + '^M)/COS а / 3 > Рок = 2Mn/Z)<,p, где а/3 — коэффициент, определяющий долю суммарной массы пода и садки, приходящейся на приводной ролик;/= 0,2 — коэф фициент сцепления между опорным кольцом и приводным роли ком; а — угол конусности приводного ролика; Р^^. — окружное усилие фрикционной передачи. Если это условие не выполняется и Р^ц "^ Л)к» '^'^ переходят на зубчатую передачу В зависимости от назначения трубчатые, вращающиеся печи разделяют на вельц-печи, сушильные и обжиговые, а по числу опор на двух-, трех- и многоопорные. Схема одной из них пока зана на рис. 14 б, в. Основной частью печи является вращающийся корпус 4 (ба рабан), внутренняя поверхность которого по всей длине футеро вана огнеупорным кирпичом. В зависимости от производитель ности и назначения печи диаметр корпуса колеблется от 1,6 до 3,8 м, а длина от 16 до 150 м Для перемещения перерабатываемого материала внутри печи барабан наклонен в направлении движения материала под углом 3-5°. Зафузку материала произ водят через крутонаклоненную воронку 1 верхней негюдвижной осадительнои (дымовой) камеры Разгружают материал через ниж нюю откатную камеру 5, в которой установлены топочные фор сунки и куда поступает воздух Для предотвращения подсоса воз духа печь герметизируют, устанавливая на ее концах между вра щающимся барабаном и неподвижными головками уплотнения Печь загружается и разфужается непрерывно. Вращение печи происходит с небольшой частотой (0,5—1 мин"') и осуществляет ся при помощи опорных устройств и привода. На барабане с помощью бащмаков и усиливающих обечаек зак реплены жестко (приварены) или свободно насажены стальные бандажи 2, которые опираются на поддерживающие (опорные) вер тикальные ролики 6 Для контроля положения бандажей на опор ных роликах предусмотрены горизонтальные упорные ролики //. Привод печи состоит из основного 7 и вспомогательного 9 электродвигателей, редуктора 8 и открытой зубчатой передачи с шестерней 10 и зубчатым венцом 3. Назначение вспомогательно го (аварийного) электродвигателя - продолжать вращение печи 239 при внезапных и продолжительных отключениях электроэнергии. В противном случае произойдет прогиб барабана, так как верх няя его часть охлаждается быстрее нижней, наполненной раска ленным материалом. Аварийный привод должен иметь независи мый источник энергии, обычно от аккумуляторных батарей. Если не учитывать действия центробежной силы от материала и окружной силы в зубчатом зацеплении открытой передачи, то давления пл опорные pojniKH будуг одинаковы с обеих сторон и в сумме равны: 2Р = {G + Gô)/cosao, где С и GQ — масса материала в печи и корпуса, Н, OQ — поло вина центрсшьного угла расположения опорных роликов Вращающий момент на оси печи (Н • м) преодолевает сопро тивления от трения в опорных роликах и силу тяжести при подъеме пересыпающеюся внутри печи материала М= P{ud,^ + 2f)DQ/Dp + Ga, 1де ц и / - коэффициенты трения в подшипниках роликов и тре ния качения бандажей по роликам, DQ, Dp, d^^ — диаметры бан дажей, роликов и цапф роликов; а - расстояние центра тяжести слоя материсша от вертикали, проходящей 1ерез ось печи при нимают равным четверти внутреннего диаметра печи (o«0,25Z)). Тогда мощность основною электродвигателя привода будет равна, кВт ;V= Л/и/9750т1м. 1де п — частота вращения печи, мин"'; Пм ~ "^ п д. передаточ ного механизма 5. Выкатные поды печей Печи с выкатным подом применяют для нагрева под ковку CJH1TK0B и крупных заготовок, для нагрева под термообработку поковок и отливок и для высушивания различных материшюв и изделии Зафузка и разфузка металла осуществляется мостовыми кра нами на выдвинутую из рабочей камеры печи подину В зависи мости от массы садки или грузоподъемности пода его выдвигают по рельсам на колесах или на катках 240 1 § с Я X S <? На рис И 7, д изображена схема выкатною пода на колесах. Под печи представляет собой тележку 7, которая на колесах 3 передвигается по рельсам 2 канатом 4 лебедки, состоящей из ба рабана 5, редуктора б, соединительной муфты 7 и электродвига теля 8 В крайних положениях тележка останавливается концевы ми выключателями Схема выкатного пода на катках представлена на рис 14 7, б Рама /, на которой смонтирована подина и передняя стенка печи, опирается рельсами 2 на 01резки пластинчатой катковои цепи 4 Снизу на раме згкреплена цевочная рейка 5, которая передвигает подину в обе стороны с помощью тяговой звездочки 6 При дви жении пода катки цепей передвигаются по рельсам 3 на иолу цеха При установившемся движении пода печи возникают силы трения в опорах Btuia колеса, качения колеса по рельсу, реборд колеса о рельс и торцов ступиц колеса о прилежащие дегсиш. Общее усилие сопротивления передвижного пода печи составля ет, Н: на колесах (рис. 14 7, а) Z = (С„ + GJind^ + 2/)p/Z)^; на катках (рис 14 7,6') Z = ((?„ + GJWD^, где G„ — масса пода печи, Н; G^ - масса металла (садки), Н; Df^ —диаметр колес (катков); м; ^ц - диаметр цапфы колеса, м; |л — коэффициент трения на оси колеса на подшипниках каче ния, равный OjO 1—0,03; на подшипниках скольжения ц = 0 , 1 5 - 0 , 2 5 ; / - коэффициент трения качения колеса но рельсу, равный (8-10)'lO"** м; р - коэффициент, учитывающий сопро тивление трения реборд ходовых колес о рельсы; для колес на подшипниках скольжения р = 1,5-2,0, для колес на подшипни ках качения р = 2,0-3,5; большие значения коэффициентов при нимают для более тяжелых условий работы Электродвигатель механизма передвижения пода выбирают по каталогу электродвигателей по статической мощности, кВт Л^ст = kpZv/lOQOx], где V — скорость передвижения пода, м/с; г] — к п д привода механизма передвижения; к„ — коэффициент режима работы 242 Раздел IV УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА ОТХОДЯЩИХ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ Глава 15 ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ОТХОДЯЩИХ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ 1. Методы утилизации тепла Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печей, име ют весьма высокую температуру и поэтому уносят с собой значи тельное количество тепла В мартеновских печах, например, из рабочего пространства с дымовыми газами уносится около 80% всего тепла, поданного в рабочее пространство, в нагревательных печах около 60%. Из рабочего пространства печей дымовые газы уносят с собой тем больше тепла чем выше их температура и чем ниже коэффициент использования тепла в пеми. В связи с этим целесообразно обеспечивать утилизацию тепла отходящих дымовых газов, которая может оыть выполнена принципиально двумя методами с возвратом части тепла отобранного у дымо вых газов, обратно в печь и без возврата этого тепла в печь Для осуществления первого метода необходимо тепло отобранное у дыма передать идущим в печь газу и воздуху (или только возду ху). ДJ и дии-шжении J ои нели широко используют теплообмен ники рекуперативного и регенеративного типов применение ко торых позволяет повысить к. п д пешого афегата увеличить температуру горения и сэкономить топливо.[При втором методе утилизации тепло отходящих дымовых газов используется в теп лосиловых котельных и турЬинных установках, чем достигается существенная экономия топлива 243 в отдельных случаях оба описанных метола утилизации тепла отходящих дымовых газов используются одновременно Это делает ся тогда, когда температура дымовых газов после теплообменников регенеративного или рекуперативного типа остается достаточно высокой и целесообр 13Н-1 дальнейшая утилизация тепла в тепло силовых усгановкпх Тж например, в мартеновских печах темпе ратура дымовых газов после регенераторов составляет 750-800 "С, поэтому их повторно используют в котлах-утилизагорах Рассмотрим подробнее вопрос утилизации тепла отходяпшх дымовых газов с возвратом части их тепла в печь Следует прежде всего отметить, что единица тепла, отобранная у дыма н вносимая в печь воздухом или газом, оказывается значи тельно ценнее единицы тепла, полученной в печи в результате сго рания топлива, так как тепло подогретого воздуха (ыза) не влечет за собой потерь с дымовыми газами. Ценность единицы физичес кого тепла тем больше,' чем ниже коэффипиеш использования топлива и чем выше температура отходящих дымовых газов Для нормальной работы печи следует каждый час в рабочее пространство подавать необходимое количество тепла В это ко личество тепла входит не только тепло топлива Q^, но и тепло подофетого воздуха или газа^ф, т е Q^ = Q^ i Q^ Ясно, что при Qj; = const увеличение ^ф позволит уменьшить Q^ Иными словами, утилизация тепла отходящих дымовых газов позволяет достичь экономии топлива, которая зависит от степе ни утилизации тепла дымовых газов где Т^, Ip^ — соответственно энтальпия подофетою воздуха и от ходящих из рабочего пространства дымовых газов, кВт, или кДж/период Степень утилизации тепла может быть также названа к п д рекуператора (регенератора), %: к п д р = (/„//;)100% Зная величину степени утилизации тепла, можно определить экономию топлива по следующему выражению 244 где /д, /д — соответственно энгальпия дымовых газов при темпе ратуре горения и покидающих печь. Снижение расхода топлива в результате использования тепла отходящих дымовых газов обычно дает значительный экономи ческий эффект и является одним из путей снижения затрат на нафев металла в промышленных печах. Кроме экономии топлива, применение подофева воздуха (газа) сопровождается увеличением калориметрической температуры го рения Г^, что может являться основной целью рекуперации при отоплении печей топливом с низкой теплотой сгорания. Повышение бф при Q^ = const приводит к увеличению тем пературы горения. Если необходимо обеспечить определенную ве личину Г^, то повышение температуры подофева воздуха (газа), приводит к уменьшению величины Q^, т. е. к снижению доли в топливной смеси газа с высокой теплотой сгорания. Поскольку утилизация тепла позволяет значительно экономить топливо, целесообразно стремиться к максимально возможной, экономически оправданной степени утилизации. Однако необхо димо сразу заметить, что утилизация не может быть полной, т. е. всегда R < \. Это объясняется тем, что увеличение поверхности нагрева рационально только до оп1)еделенных пределов, после которых рно уже приводит к очень незначительному выифышу в экономии тепла 2. XapairrepiicTiiKa теплообменных устройств Как уже указывалось, утилизацию тепла отходяших дымовых газов с возвратом их в печь можно осуществить в теплообменных устройствах регенеративного и рекуперативного типов Реге неративные теплообменники работают при нестационарном теп ловом состоянии рекуперативные — при стационарном. Теплообменники регенеративного типа имеют следующие ос новные недостатки: 1) не могут обеспечить постоянную температуру подофева воз духа или газа, которая падает по мере остывания кирпичей на садки, что офаничивает возможность применения автоматичес кого регулирования печи; 2) прекращение питания печи теплом при перекидке клапанов; 3) при подофеве топлива имеет место вынос газа через дымо вую трубу, величина которого достигает 5-6 % полного расхода, 4) весьма большие объем и масса регенераторов; 245 5) неудобно расположены — располагают керамические реге нераторы всегда под печами Исключение составляют только ка уперы, помещаемые около доменных печей. Однако, несмотря на очень серьезные недостатки, регенератив ные теплообменники иногда еще применяют на высокотемператур ных печах (мартеновских и доменных печах, в нагревательных ко лодцах) Это объясняется тем, что регенераторы могут работать при весьма высокой температуре дымовых газов (1500-1600 °С). При такой температуре рекуператоры работать устойчиво пока не могут. Рекуперативный принцип утилизации тепла отходящих дымо вых газов более прогрессивен и совершенен. Рекуператоры обес печивают постоянную температуру подогрева воздуха или газа и не требуют никаких перекидных устройств — это обеспечивает более ровный ход печи и большую возможность для автоматиза ции и контроля ее тепловой работы В рекуператорах отсутствует вынос газа в дымовую трубу, они меньшего объема и массы Од нако рекуператорам свойственны и некоторые недостатки, основ ными из которых являются низкая огнестойкость (металлических рекуператоров) и низкая газоплотность (керамических рекупера торов). Г/)ава 16 РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ 1. Общие сведения Регенератор,, обычно применяемый в металлургических печах, представляет собой камепу^ заполненную многооялнои оешеткой (насадкой), выложенной из огнеупорных кирпичей Сначала le рёз peienepaTop пропускают дым, а затем в оирагном направле нии — воздух или газообразное топливо В этот период регенера тивная насадка отдает воздуху (газу) ранее аккумулированное теп ло. Существует оптимальное в теплотехническом отношении время между перекидкой клапанов, т. е. между следующими друг за другом изменениями поступления газообразных сред У возду хонагревателей доменных печей длительность воздушного t^ и дымового Сд периодов связана следующим образом fn= ('д + ^п)/(« - 1). 246 (16 1) где <j, - длительность перекидки клапанов; п — число воздухо нагревателей на одну печь. Для мартеновских и нагревательных печей /д = t^, причем и в том и другом случае продолжительность периодов лежит чаще всего в пределах от 5 до 15 мин и определяется особенностями работы регенеративной насадки в целом и каждого кирпича в от дельности. В начале дымового периода температура насадки от носительно Miuia и перепад температур между дымовыми газами и кирпичами насадки значительный. Постепенно насадка нагре вается, перепад температур уменьшается и наступает такой мо мент. когда неооходима перекидка клапанов is. этому времени насадка настолько нагревается, что температура ее может нахо диться на пределе стойкости кирпича Изменение температуры подофева воздуха îtuaj вызвано постепенным охлаждением на садки в течение воздушного (газового) периода. Наиболее высо кая температура подогрева воздуха наолюдается в начале воздуш ного периода, когда температура насадки максимальна. 1реоования теплового режима печи в работе регенераторов обусловлены тем, что понижение температуры подогрева воздуха или газа приводит к снижению температуры горения и неблагоп риятно влияет на температуру в печи. Поэтому, когда необходи мо поддержать температуру в печи достаточно высокой, следует часто делать перекидку клапанов Кирпич аккумулирует тепло Дошовых газов и передает его нафеваемому воздуху, выполняя тем самым роль посредника в теп лообмене между дымом и воздухом Изме нение температуры кирпича в течение дымо вого и воздушного периодов показано на с о Q. рис 16.1, из которого видно, что в течение vl ? Q. » дымового периода температура поверхности 0) С кирпича интенсивно повышается, а темпера S , в > ?*^С2 \т тура центра сначала даже несколько понижа ется, а потом начинает расти. Это объясня ется тем, что к концу воздушного периода 4 'л температура поверхности кирпича становит Время ся ниже температуры его центра. При этом наблюдается отток тепла от середины к по Рис. 16.1. Изменение поверх верхности кирпича. D начале дымового пе температуры ности (/) и середины риода процесс передачи тепла от центра к (2) регенеративного поверхности также имеет место до тех пор, кирпича во времени 1 f /• •^ 247 пока icMnepaiypa поверхности кирпича не превзоидет leMnepaiyры его центра Количество тепла +Aq, которое кирпич аккумулируй!..в дымо вой период, равно количеству lenjia —Ад, которое кирпич ощает воздуху в воздушный период Внутренние слои кирпи 11 npeiepne Рис. 16.2. Виды регенеративной иис ШК11__ а и б - блочная ;ия доменных позлучона|реиате.1еи, и ~ Rayiicpa, д - бруоконая, t — Петерсоиа 248 - Сименса, Таблица 16.1. Харпитеристика регеиератноных насадок Тип насадки блочная рис рис 16 2, л 16 2,6 Показатели Удельная поверхнрсть нагрева, 38,1 36,8 Каупера 13,5 Си- брус- Петерменса кооая сона 13,5 MVM3 16,5 14,5 ' Объем кирпича насадки, MVM^ 0,7 0,58 0,54 ' 0,31 0,31 ' 0,35 0,43 Жииое сечение насадки, MVM^ 0,29 0,386 0,48 0,42 0,42 0,46 вают значительно меньшие температурные колебания, чем наруж ные. Поэтому масса кирпича, с точки зрения его тепло-аккумули рующей и теплоотдающей способности, работает неодинаково. К насадке предъявляют следующие требования, определяющие ее экономичность и эксплуатационные качества: — высокий общий коэффициент теплопередачи; — минимальное аэродинамическое сопротивление; Maifi^nMOJionan удь^юпал ииоБрлпич^ю НйГрСВЯ; — минимальная опасность засорения, — неооходимая строительная устойчивость Материал, из которого выполняют насад1су, долхсен характери зоваться соответствующей огнеупорностью, термостойкостью и обладать определенным сопригиилснисм дсфирмации иид нш^узкои при повышенных температурах. В мартеновских печах край не важное зна гение имеет способность кирпича насадки "вьщерживать воздействие железистых шлаков Ячейкой регенеративной насадки называется сечение, свобод ное для прохода газов (рис. 15.2). Размер ячейки определяется видом и назначением насадки. Наибольшее распространение по лучили насадки, представленные на рис. 16.2. Их сравнительные характеристики приведены в табл. 16.1. 2. Констру1Щ1111 регенераторов В настоящее время нагревательные печи с регенераторами практически не строят. Однако существует еще достаточно боль шое количество нагревательных колодцев и печей с выкатным подом, снабженных регенераторами. Регенераторы таких_пеней.выполнены однооборотными, преимущественно с насадкой Сименса 249 при размере ячейки 50x50 и 70x70 мм В peienepaTOpax naipeвательных колодцев газ и воздух подогреваются до 800-1000 °С Из динаса выполняют либо всю насадку, либо только верхние (более нагретые) ее ряды Нижние ряды в этом случае делаюi из шамота Регенераторы мартеновских печей работают в условиях высо ких TCMnepaiyp и интенсивного воздействия шлаковой пыли Тем пература дымовых газов на входе в регенератор обычно в преде лах 1500-1600 °С, температура подогрева газл и воздуха - в пре делах 1100-1250 °С Для улавливания плавильной пыли перед регенераторами предусмотрены как стационарные, 1ак и выдвиж ные шлаковики В мартеновских печах объем газовых и воздуш ных (или только воздушных при отоплении мазутом или природ ным газом) насадок должен быть в пределах 4,0-5,0 MVM^ пло щади пода печи. Для крупных мартеновских печей емкостью более 400-450 т устанавливают л вухоборотиые per енератор^! (рис 16 3, о), так как увеличение высоты насадки более 7 м сопряжено со значитель ными затратами, поскольку для мартеновских печей это связано с расположением регенераторов ниже уровня земли В однооборотных ре1енеоатррах (рис 16 3, б) верхние 20 рядов обычно вы полняют из форстерита, хорошо сопротивляющегося воздействию оксидов железа, а нижние - из шамота Первую по ходу дыма (юрячую) камеру двухоборотных регенераторов изготовляют из форстерита, вторую — из шамота В однооборотных peienepaTOрах обычно применяют насадку Сименса с ячейками размерами 150 X 150 и 180 X 180 мм В двухоборотных регенераторах^орячую камеру выкладывают по Кауперу с ячейками размерами 230 X 230 - 270 X 270 мм Вторую камеру выкдадыв^юг по Симен су с ячейками 140 х 140-f 190 х 190 мм Применение двухоборотиого регенератора позволяет повысить температуру подогрева на 50-100°С Расчет выполняют отдельно для каждой камеры Наиболее распространены доменные воздухонафеватели (аппа раты Iâynepa) с внутренней боковой камерой гооения, где сжигаегся доменный газ, продукты сгорания которого, проходя по насадке сверху вниз, нагревают ее Воздух проходит в обратном направлении Существуют и конструкции воздухонагревателей с выносной камерой горения, а также такие, в которых газ сжига ется щелевыми горелками в купольном пространстве Воздухонаг реватели с внутренней камерой горения дешеагге воздухонагрева250 телей с выносной камерой и удобнее в эксплуатации, чем воздухонафеватели со щелевыми горелками, у которых горелки и кла паны размещены на большой высоте В отечественной практике применяют воздухонагреватели с трех- и четырехъярусной насадкой (рис. 16.4). Температура дыма по мере его продвижения в насадке падает. Для поддержания теплоотдачи на должном уровне целесообразно постепенно умень шить живое сечение насадки. Поэтому в трехъярусных насадках Уровень верха листа рабочей площадки Рис. 163. Регенераторы мартеновских печей 251 ^ ^ ^ ^ ^ ^ Рис. 16.4. Доменный воздухо нагреватель с четырехъярусной насадкой / - насадка, 2 - ка мера горения, 3 — горелка 252 ячейки наибольшего размера (110 X 110 мм) и верхнем ярусе; ячей ки среднего яруса имеют размер 130x45, нижнего 45x45 мм; иногда размеры ячеек но высоте воздухонаг ревателя выполняют одинаковыми В большинстве случаев в отече ственной практике доменные воздухонафеватели сооружены с примене нием в кладке купола, верха насад ки, верха стен и камеры горения высокоглиноземистою кирпича, со держащего 45-62 % глинозема Такие воздухонафеватели обеспечивают подофев воздуха до 1150-1200 °С Для поддержания необходимой температуры фурменных зон требу ется обеспечить соответствующую генерацию тепла При применении наряду с коксом природного газа или мазута необходимо использовать воздушное дутье с более высокой температурой нагрева или дутье, обогащенное кислородом Это объясняется тем, что энтальпия про дуктов сгорания кокса выше энталь пии продуктов сгорания природного газа в 5 раз, а мазута в 1,6 раза Для достижения повышен1ЮИ температу ры воздушною дутья перспективной является конструкция воздухонафевателей с четырехъярусной насадкОи (см. рис 16 4) из специальных бло ков типа, изображенных на рис 16 2 Верхний, наиболее высокотемпера турный ярус насадки вьнюлняют из малоразрыхляюшегося динаса, вто рой ярус сверху — из каолиновою огнеупора (42 % AI2O3), остальную часть насадки - из шамота 3. Основы расчета регенераторов Расчет регенераторов поовопят на икл их оаботы. Основной целью расчета является определение оошеи поверхности нагрева (и общего объема) регенератора" 1де F — общая поверхность нагрева регенератора, м^; X — суммаоныи коэсЬФициент теплопередачи в регенераторе, кДж/(мf • К. • пеоиод)* ДГ^р - средняя разность температур, К; V — оощии ооъем регенератора, м?;/— удельная поверхность на грева насадки (на 1 М'' объема насадки) регенератора, MVM^; JQ_— количество тепла, пеоелаваемое от дыма к ВОЗДУХУ, кДж/период. Значение Q определяют из уравнения теплового баланса насадки. Суммарный коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воздуху (газу) может быть определен из выра>хения х=—• с , ', . \ — , — +— р + ал'3,6 а л 3,6 + ц>X 3,6 / J + S.pcE, 3,' 6. \f,((//1) (16.3) г где ад и Ов — соответственно коэффициенты теплоотдачи от про дуктов сгорания к поверхности кирпича регенеративной' насадки и от поверхности кирпича к воздуху (газу), ВтДм^-К); /д и /ц — длительность дымового и воздушного (газового) периодов, ч; ij/ — коэффициент, учитывающий внуфеннее тепловое сопротивление насадки при реальных циклических условиях ее работы; ^э — эф фективная полутолщина кирпича, м; X — коэффициент теплопро водности материала кирпича, Вт/(м • К); р — объемная плотность кирпича насадки, кг/м^; с — теплоемкость кирпича насадки, кДжДкГ'К); ^ - коэффициент зависящий от интенсивности из менения температуры насадки средней по массе в дымовой и воз душной периоды. Величина коэффициента \\i зависит от значения коэффициента аккумуляции тепла в кирпиче насадки 1 'l'^ " 1 + 4/3 + l/Z-Qj. ' где % = сс/^/З'э^, а /j_ = t^ +t^. 253 Величина эффективной полутолщины кирпича iSlgMOxer быть найдена из выражения Sj = v/f, где v — удельный объем насад ки, MVM-'; / — удельная поверхность нагрева насадки, MVM-' В теплотехническом отношении целесообразно, чтобы вся тол щина кирпича принимала участие в процессе аккумуляции тепла. Для достижения этого необходимо, чтобы Пк ^ '/3- При ii^ > 1/3 для всех насадок, кроме брусковой, рекомендуется принимать ц/ = = 1/3, для брусковой V = 1/4. Специальные исследования позволили установить) что для ре генераторов мартеновских и нагревательных печей коэффициент ^ может быть принят равным 10, для воздухонафевателей домен ных печей ^ < 5. Глава 17 РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ 1. Общая характеристика теплообмена о persynepaTopax Любой рекуператор представляет собой теплообменный аппа рат, работающий в условиях близких к стационарному тепловому состоянию, когда тепло постоянно передается от остывающих ды мовых газов к нагревающемуся воздуху (газу)'через разделитель ную стенку Полное количество тепла, Вт, переданного в рекуператоре, оп ределяют по уравнению Q = KhT,^F, (17.1) ще К — суммарный коэффициент теплопередачи от дыма к воз духу (газу), характеризующий общую теплопередачу в рекупера торе, ВтДм^.К); ДГрр — средняя (по всей поверхности нафева) разность температур между дымовыми газами и воздухом (га зом), К; F ~ поверхность нагрева, через которую происходит передача тепла от дымовых газов к воздуху (газу), м^. Переда ш тепла в рекуператорах осуществляется в три ступени: а) от дымовых газов к стенкам рекуперативных элементов; б) через разделительную стенку; в) от стенки к нафеваемому возду ху или газу. 254 На дымовой стороне рекуператора тепло от дымовых газов к стенке передается конвекцией и излучением. Следовательно, ко эффициент 1С11лии1дачи на дымовой стороне „ = г,К + г(ИЗЛ "д _гд "д _ где ад - коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке конвекцией, ВтДм^ • К); а^^ - коэффициент теплоотдачи от ды мовых газов к стенке излучением, ВтДм^-К). Передача тепла чеоез оазделительную стенку зависит от теп лового сопротивления-Стенки R = S/X и состояния ее поверх ности На воздушной стороне рекуператора при нагреве воздуха теп ло от стенки к воздуху передается только конвекцией, при нагре ве газа - конвекцией и излучением. Таким образом, при нагреве воздуха теплоотдача определяется локальным коэффициентом теп лоотдачи конвекцией а^ = а^; если нафевается газ, то коэффи циент теплоотдачи Ор =т aJJ + a{J3^. Все отмеченные локальные коэффициенты теплоо1дачи объе динены в суммарном коэффициенте теплопередачи, ВтДм'^ • К): К= ^ (17.2) j / а д + ^-А + 1/ав В трубчатых рекуператорах суммарный коэффициент теплопе редачи следует определять для цилиндрической стенки, ВтДм • К): К = Цг 1/а,/-1 + l A l n - ^ 1/а2Г2 (17.3) Коэффициент К называется коэффициентом теплопередачи трубы. Если же необходимо отнести количество тепла к площади внутренней или наружной поверхности трубы, то суммарные ко эффициенты теплопереда1и ВтДм^-К), можно определить сле дующим образом: ^ , = 02пг, ^7 " ^2^ =Inr-, 255 где a j , а2 "~ коэффициент теплопередачи на внутренней и на ружной сторонах трубы, Вт/(м^-К), Г] и /2 - соогветственно ра диусы внутренней и наружной поверхностей трубы, м В металлических рекуператорах, в которых юлшина стенки S мала, а Х весьма велико, можно пренебречь величиной теплового сопротивления сгенки S/X, и тогда суммарный коэффициент теп лопередачи, ВтДм^-К), можно записать в следуютем виде К= а^аЛа^ + aJ (17 4) Все локальные коэффициенты геплоотдачи, необходимые для определения величины К, можно получить на основании законов теплообмена конвекцией и изучением, рассмотренных в т 1 этой КНИ1И. Поскольку между воздушной и дымовой сторонами рекупера тора всегда есть перепад ;1авлений, наличие неплотностей в на садке {серами lecKHX peigTiepaTopoB приводит к угечке воздуха, до стигающей иногда 40-50 % Прососы резко снижают_эффе_ктивиость рекуперативных установок; чем больше прососанного воздуха, тем меньше доля тепла, полезно использованною в ке рамическом рекуператоре Ниже приведена эта зависимость Утечка, % от количества воздуха, поданного в рекуператор Температура дымовых rajon па выходе HJ рекуператора, "С Температура подогрева воздуха,"С О 25 50 660 615 570 895 820 770 Утечка воздуха влияет на величину локальных коэффициентов теплоотдачи причем воздух, попавший в дымовые газы, не толь ко снижает их температуру но и уменьн1ает процентное содер жание СО2 и HjO вследствие чего ухудшается излучательная спо собность газов Как при абсолютно газоплотном рекуператоре, так и при утеч ке локальные коэффициенты теплоотдачи изменяются по поверх ности нагрева, поэтому при расчете рекуператоров определяют от дельно величины локалы.ых коэффициентов теплоотдачи для вер ха и низа и затем уже по усредненному значению находят суммарный коэффициент теплопередачи 2. Температурное поле рекуператора В рекуператорах движение газообразной среды можег быть противоточиым, перекрестным и прямоточным График, характеризу ющий изменение температуры по поверхности нафева при про256 тивоточнои и поямоточнои схеме движения, приведен на рис. 17.1. Следует отметить, что схему движения принято рассматривать по ходу дыма. Из приведенного 1рафика видно, что при поотивоточпом дви жении конечная темпеоатуоа воздуха Гц (иначе говоря, темпера тура подофева воздуха) может йыть выше конечной температуры дымовых газов Гд, чего никогда не может быть при прямоточ ной схеме движения Вместе с тем при противотоке температура стенки оекупеоатооа может-быть значительно выше, чем при пря мотоке. поэтому оолсе эффективную противоточную схему ис пользуют в керамических и металлических рекуператорах при от носительно невысоких температурах отходящих дымовых lajuB. Прямо'ючную схему применяют для металлических рекуператоров в том случае, если температура дымовых газов настолько велика, ч т о оиапик.ас1 uiiauHUCtb н и|Н0ШеНИИ СТОЙКОСТИ м а т е р и а л а реку- перл lupa Как при противотоке, так и при прямотоке температура ды мовых газов и воздуха изменяется по поверхности нафева, что обусловливает изменение разности температур дымовых газов и воздуха Поэтому характерной является соеяняя разность темпе ратур по всей поверхности нагрева ДГ^р. Проанализируем изменение температуры газообразных сред на примере противоточного рекуператора (см рис. 17 1, а) при по стоянном (среднем) для всей поверхности нагрева суммарном ко эффициенте теплопередачи К, пренебрегая потерями тепла в ок- .X Поверхность'нафева Рис. 17.1. Изменение температуры при противоточиой (а) и прямоточной (6) схемах движения газовых сред в теплообменниках'^екуперативного'типа 9-5041 257 ружающую среду Выберем малый участок поверхности нагрева dFj^ Количество тепла, передаваемое на этом участке гюверхности, будет равно dQ= KdF^&j,- r „ ) , где Гд и Гц - температуры дымовых газов и воздуха после про хождения части поверхности. Это же количество тепла будут терять дымовые газы и приоб ретать воздух Считая по ходу более нафетои среды, получим dQ- -W^dT^; dQ= -W,dT^, где И^ = СдСРд и И^ = CgCg - произведения количества среды на ее теплоёмкость Знак «минус» показывает, что величины 7^ и Г^ убывают по ходу дымовых газов Из уравнений следует, что dT^ = -dQ/W^ и dT, = -dQ/W^ Вычтя из первою второе, получим ^ Г д - df, = ~dQ{\/W^- 1//Ж3) или d(T^ - 7;) = ^G(I7 - щУ но dQ= KdFîT^ - TJ, поэтому ^(Гд - Гз) = -KdFAT, - Т,)[щ - т!/), или После интефирования получим 1п(Гд- T,) = KdF,[^^- J ; , | + с, где Fj( — поверхность нафева, пройденная дымовыми газами до достижения температуры Гд 258 Найдем постоянную интегрирования с. Для начала ности (i^^ = 0) rri Гр lyi Н •'д •'в ~ •'д ^^^ поверх ГТ1 1^ •' в ' следовательно с = 1п(Гд' — Т^) Подставив это значение для с в предыдущую формулу, получим ^д -'в но при F^= F значение Гд - Г^ = Гд - Г^ и 1п-^^^—\ = -i:t/f; -'д -"в fe - -я;) • ("•« Чтобы найти A7J,p, входящую в уравнение (17.1), будем рас суждать следующим образом: Q = KF^T^^ или KF= Q/AT^p. Подставив значение ^ в формулу (17 6), получим ^1- . и г:- /'п: _ ','д ^ Q11 ( \ L\ 'я откуда но Q = И^д ( Г ; - Гд") и (3 = Гз (Гз'^- Гз"), следовательно е/и'д = К' - ^д и Q/K = т'в" - 7-;. Выполнив соответствующую подстановку, получим А Tgp у-:-г:-г:+г;' _(г;-г:)-^(г:-г;') In —п 1п —п— к т"-т:1г г;'-г: ^к _ II к_ „и 259 но Гд - Т" = Д7;о„ и Гд - Т^ - ДГизч , тогда лг "^'^р \7;-А7;, АГ.-дт;. 1п(л7;/д7;) 2,3 ig (Лгул?;,) ^"'-' Температура потока в любой точке поверхности naipcBa может быть получена из уравнения (17 5). ^|~'^и -А/ч (1/1(, -1/11,) р г — г г = с' (17 8) или ^д - Т; = (Гд - Гв ) f (17 9) Охлаждаясь до 7^, дымовые газы теряют 0д = И^(Гд' — Гд), а воздух приобретает Q^ = W'B(7'U^ - Тд) Из равенства Сд и Q^ получим т, = т:-^(Г^- Гд) Подставив это значение Гц в основное уравнение (17 9), по лучим ' / I - • ' д ~ 1 Г ( ^ д ~ - ' д ) + (% ~ •'в) t' • (17 10) Решая это уравнение относительно Т^, получим Wjl-'л~ ЖдГ" + WAT" - •fje"^^' ''^"^ " '^"'' W -W ^^' ^^) Из этою уравнения можно определить конечные температуры дымовых газов и воздуха Так, температу1эу Г^ можно определить, ecjHi рассмотреть температуру дыма на выходе из рекуператора, т е при Fv. = F W Т^- W Т" + W (Т"~ Т^)Р •ЛГЧ/П.-х * 260 г л W -W -1/И„) Температуру воздуха на выходе из рекуператора Гд можно оп ределить из равенства которое после подстановки значения для Т^ станет уравнением с одним неизвестным Гц. При перекрестной схеме движения среднюю разность темпе ратур обычно определяют по выражению (7.12) ДГео=/АГ, ср пр ' где ДГср „р - средняя разность температур при противотоке; / — поправочный множитель, зависящий от величин R= Г •* п 71*" ' п р = f ~ т" " п т- г функциональная зависимость/= Ф (Л и F) весьма сложна, по этому для рекуператоров ее определяют по номофамме, представ ленной на рис. 17.2, которая получена для одноходового пере крестною движения. С увеличением 'числа ходов при перекрестном противотоке разность температур ДГ^р приближается к разности температур при противотоке, причем если число противоточных ходов боль ше двух, то среднюю разность температур можно определять как для противоточного рекуператора. Величины ДГ„ и АТу, означают соответственно большую и меньшую по абсолютной величине разность температур между I азами и воздухом на в?<оде в рекуператор и на выходе из него, и И Т„ — Гц и при прят. е. разности при противотоке Т^ мотоке Т^-Т," и г ; - Г,^ Таким образом, полученные выражения при известных на чальной температуре дымовых газов (определяемой условиями работы печи) и воздуха (темпе ратуре атмосферы) позволяет найти температуру и разность температур в любой точке ре куператора, что необходимо, Рис, 17.2. Номограмма для определе например, для определения ния множителя / = Ф(Л, Р) 261 температуры стенки рекуператора Температура стенки со сюроны дымовых газов ^д ст "^ ^д ~ -^(^л - ^и)/"д > а со стороны воздуха В металлических рекуператорах вследствие большой теплопроврдносгн материала температурным перепадом по толшине cienки можно пренебречь (7), „ = Г„ „)> ^^ результате чего 3. Конструкции рекуператоров К конструкциям рекуператоров предъявляют следующие тре бования' — обеспечение максимстыюи степени утилизации тепла дымо вых газов, — дост-аточная стойкость против воздействия дымовых газов с высокой температурой, — максимальная компактность, т е высокая удельная поверх ность нафева на 1 м^ рекуперативной насадки, — наивысший суммарный коэффициент теплопередачи К, что также способствует достижению компактности рекупераюра, — наименьшее гидравлическое сопротивление; — достаточная герметичность Рекуператоры выполняют из металла и керамических матери алов Преимущества металлических рекуператоров по сравнению с керамическими — более высокий коэффициент теплопередачи и большая удельная поверхность нагрева, это обеспечивает лучшую компакт ность металлических рекуператоров и, следовательно, меньший объем при одинаковой обшей поверхности нагрева, — нет необходимости в глубоких подземных боровах, можно размещать рекуператоры над печами, — повышенная 1ерметичность 262 Сварные металлические рекуператоры можно__применять для подогпева как воздуха, так и газа. недостатком металлических рекуператоров является их малая стойкость против воздействия высоких температур. 1ч,ерамические рекуператоры оолее громоздки, характеризуют ся меньшим коэффициентом теплопередачи и меньшей удельной поверхностыо^ нафева. ини мало герметичны и совершенно не пригодны для подогрева газа. Размещают керамические рекупе раторы только под печами, они занимают много места и требу ют устройства подземных боровов Однако керамические реку ператоры могут устойчиво работать при температуре дымовых газов 1200—1350 °С, в них ооеспечивается прдопэев воздуха до 800—850"*^, что позволяет применять их на высокотемператур ных печах. Металлические рекуператоры Металл рекуператоров работает в условиях высоких темпера тур при окисляющем действии дымовых газов Стойкость метал ла определяет раоотоспосооност^ рекуператора. Для изготовления рекуператоров применяют обыкновенные углеродистые стали, а также легированные стали и чугуны Углеродистые стали могут раьотать при температуре стенки 4ьи—500 °С и обеспечивают по догрев воздуха до 250-300 °С, а серые чугуны — при температу ре стенки 500-550 "С И в том, и в другом случае температура дымовых газов на входе в рекуператор не должна превышать 700-750 °С Для увеличения стойкости рекуператоров и повышения темпе ратуры подогрева воздуха их изготрш1я?от из чугунов и сталей, легированнь1Х-в основном-хромом, кремнием.и алюминием. При менение легированных чугунов и сталей позволяет повысить тем пературу подогрева воздуха, но вместе с тем приводит к резкому увеличению стоимости рекуператоров Часто для уменьшения сггоHiviui-jM iij жа1)ииуичпи1и мсталЛа ВЫПОЛНЯЮТ только ту часть ре куператора, которая работает при наиболее высоких температу рах; остальные части изготавливают из углеродистого металла. Применяют конвективные, радиационные и комбинированные конвективно-радиационные металлические рекуператоры. Конвек тивные металлические рекуператоры могут быть игольчатые и трубчатые. В последнее время наибольшее распространение полу263 ЧИЛИ трубча1ые сварные рекуператоры, так как игольчатые не обеспечиваю! должной 1ерметичности Конвективные рекуператоры Иногда еще угютребляемые июльMaibie рекуператоры изютовляют из чу|уна типа силал Осиичнан часть игольчатых рекуператоров — игольчагая труба - иредсгавлема на рис 17.3. Иглы Moiyr быть расположены как ма внуфеннеи, так и ма наружной стороне Они позволяют увеличить действительную поверхнос1Ь нагрева и i-урбулизировать поюк газов, что приводит к увеличению коэффициента теплопередачи до 93-116,3 ВтДм^'К) при пересчете ма гладкую поверхность Обычно внутри труб пропускают воздух, а снаружи - дымо вые газы Иглы, находятиеся ма дымовой стороне рекуператоров, бысфо засоряются, поэюму использую! игол1»чатые рекуператоры с и!лами только па воздушной стороне По характеру оребреиия наружнон поверхности грубы рекуператора выпуска!01 двух типов - 17,5 и 28, что соогветствует расстоянию между иглами в миллиметрах На внутренней, возлу!имои стороне, расстояние между И1лами все!да оди!1аково и равно И мм Все трубы, как с наружными И1лами, так И без них, выпускают длиной 880; 1135, 1640 мм Весь игольчатый рекуператор собирают из отдельных труб с фланцами, соединяемых при помоши болтов Крайнюю трубу прикрепляю! к спе11Иалы!011 раме, а затем к каркасу Таким об- Рис 17 3 Груба игольчатою рекуператора 264 разом, между фланцами труб игольчатых рекуператоров есть боль шое число стыков, вслелствие чего газоплотность всего рекуператооа невысокая Если рекуператор состоит из крупных секции (по SO-100 труб в каждой), то угечка воздуха может достигать 20-30%, что необходимо учитывать при расчете рекуператора Игольчатые рекуператоры, так же как и керамические, непригод ны для нафева газообразного топлива Секция июльчатою реку ператора, через которую воздух проходит, не меняя направления движения, называется ходом. Число ходов рекуператора зависит от температуры подофева воздуха Чаще всего применяют двух ходовые рекуператоры, которые обеспечивают подофев воздуха до 300-400 °С при температуре дымовых газов 8QQ°C Скорость дви жения воздуха ооычно не превышает 10 м/с, а дымовых газов 3—14 м/с Теплопередача в игольчатых рекуператорах осуществ ляется в условиях Г1ерекрестного~тока и^-зависит в оеновном от скррости_движсния газоооразных сред. Коэффициент теплоотда чи, ВтДм-^ • К), игольчатых поверхностей может быть найден по формуле а = BwS- (17.14) Значения опытных коэффициентов В и п указаны в табл 17 1 Аэродинамическое сопротивление. Па,' внутренних поверхностей игольчатых труб можно найти' из выражения И, = ^ ^ 0 ^ > (17.15) где Wo - скорость воздуха при 273 К, Т^^р - средняя температура воздуха в трубе. К, А — коэффициент, зависящий от длины трубы. Таблица 17.1. Значения В и п для игольчатых труб Поверхность Внутренняя игольчатых труб всех типов Наружная труб с шагом, мм 17,5 28 без и п В для поверхности условной действитетыюи (без игл^ п 47,9 14,55 1,03 138 80,2 19,8 25,7 20,3 12,45 0,755 0,74 0,72 265 Трубчатые рекуператоры выполняют из цельнотянутых труб различною диаметра Конструкции их многообразны Часто при меняют рекуператоры с прямыми трубами такой конструкщп!, как показано на рис 17.4, а В этом рекуператоре воздух проходит между трубами, а дымовые lajbi — внутри труб На пути воздуха можег быть несколько поворотов, тогда рекуператор работает как многоходовый теплообменник Подобные рекупераюры обеспечива ют подогрев воздуха до 300-400 °С при температуре дымовых газов 800 °С и суммарном коэф(})ициенте тешюпередачи J7-23 Вг/(м^;К). Следует отметить, что в процессе работы (особенно разогрева) происходит термический рост рекуператора в тем большей степе ни, чем длиннее трубы Поэтому такие рекуператоры часто «подвеп]ивают», т. е закрепляют их только в верхней части Кроме рекуператоров из прямых труб, в боровах печей удобно размешать рекуператоры с петлеобразной формой труб (рис 17.4,5). Этот рекуператор можно с успехом использовать на печах небольunix размеров, в нем можно обеспечить подогрев воздуха до 400 °С при температуре дымовых газов 800-850 °С и коэффициенте теп лопередачи 23 Вт/(м^ • К). Устройство висящих труб у рекуперато ра дает возможность обойтись без применения компенсаторов термического_ расширения Радиационные рекуператоры В последние-годь все nnipe при меняют радиационные мептлические реку^пер 1торы в которых благодаря значительной толщине слоя 1азов их^епловое излучение^пушется определяюшим видом теплообмен» HI дымовой сто роне рекуператора В радиационных рекуператорах дымовые газы, нафетые до высокой температуры, проходят с миюи скоростью в каналах большою сечения Применение радиационных рекупе раторов целесообразно при температуре дымовых газов не ниже 800°С, так как до этой температуры тепловое излучение относи тельно невелико В радиационных рекуператорах воздух движется со скоростью 20-30 м/с и выше, что обеспечивает весьма высо кие коэффициенты теплоотдачи на воздушной стороне и позво ляет получать значительную тепловую нафузку поверхности пафева Однако благодаря интенсивному теплообмену от стенки к воздуху высокая тепловая нафузка не вызывае! опасною перефева материсша рекуператора Температура стенки рекуператора обычно превышает температуру воздуха на 100-150 °С В радиа ционных рекуператорах часто применяют прямоточную схему движения теплоносителей, которая вместе с интенсивным отбо266 Холодный воздух 'Рис. 17,4. Металлические трубчатые рекуператоры с прямыми (а) и ром тепла па воздушной стороне познолиет повысит ь температур ный предел применения мет.ишических радиационных рекуперато ров до 1400-1500 "С Весьма важным достоинством радиашюнпыч рекуператоров является значительно меньшая, чем у лрушч метсшлических рекуператоров, засоряемость иоьсрмш!. • - "«••^-"••а, располаыемои обычно вертик.ишно Вместе с тем ршшациониые рекупе раторы более громоздки и требуют более жапостоикич материсиюв В HacTOMUiee время чаи1е всего применяют щелевые и трубча тые рсшианпонные оекуператоры Щеле! ые рекуператоры (рис 17.5, д) выполняют из двух конUtHTpn itwKHX цши1ндров, сваренных из листов жаропрочной стш1и толиипюи 4-8 мм Диаметр дымовою Ш1линдра зависит от разме ра рекуператора и обычно изменяется в пределах от 0,7 до 1,5 м Ширина кольцевого канала для прохода воздуха равна 10-60 мм На обоих концах рекуператора выполняются кольцевые короба для подвода и отвода воздуха Воздух должен подводиться максим<ип.но равномерно, так как ш\я нормальной эксплуатации щеле вою радиационного рекуператора необходимо, чтобы вся его по верхность равномерно oxjiaxAtUiacb воздухом В противном Слу-их^ рекуператор будет коробиться и выходить из строя Для колшенсации теплового расширения цилиндров предусматривают специluibiibie устройства Снижение тепловых потерь достшается теп ловой изоляцией наружного цилиндра. Важнейшим фактором, обеспечивающим эффективную pi6oTV радиационных рекуперато ров, является развитый теплообмен на воздушной стороне, кото рый тем интенсивнее, чем вь ше скорость движения воздуха Однако обеспечение высокой скорости движения воздуха требует соо1ве1^вуюшею повышения ею дтшшния, что в свою очере:1ь предъявляет дополнительнпе требования к строительной прочно сти радиационных рекуператоров Щелевые р^щнацийнные реку ператоры достаточно устойчиво работают при давпении воздуха до 4—5 кПа, которого бывает недостаточно для обеспечения же лаемой скорости движения воздуха В случае необходимое!и по вышения давления воздуха, и следовательно, строительной проч ности ппименяют тпубчатые палиапионные пекуператоры 1руичагые радиициипмые рекуператоры бывают различных конструкции Наибольшее распространение получили так назы ваемые корзиночные рекуператоры, Ьдин из которых представ лен на рис 17 5,6 Поверхность нагрева такого рекуператора состоит из множества стальных прямых трубок неболпиого диа268 3720 Рис. 175 Радиационные рекуператоры а - щелевой, б - трубчатый корзиночнын, / - внутренний цилиндр, 2 - наруж ный цилиндр, 3 - устройство для компенсации теплового расширения цилинд ров, 4 — трубки рекуператора, 5 — кольиеиые воздушные коллекторы, 6 — защит ные своды кольцевых коллекторов ' метра, расположеьп4ых по окружности и приваренных к кольце вым коллекторам Рекуператор состоит из двух трубчатых «корзин». Воздух вхо дит сначала и нижний коллектоп нижней коозины. поступает по тг'специапьному внешнему трубопроводу_л10Л4ет£Я-В-верхнюю корзину, в которой и завершается его нафев Таким образом, по отношению к наираш1ению движения дымовых 1азов осуществ ляется поотивоточно-поямоточныи путь движения воздуха. В та ких рекуператорах при температуре дымовых газов 1300 °С воздух может подогреваться до 800-850 °С . Комбинированные рекуператоры Для повышения эффективност утилизации тепла отходящих из печей дымовых газов иногд1 бы вает целесообразно выполняты.рекупеоатоо комбиниповапным.^^состоящим из двух частей коивективнои_11 риийциолнри. «оис. 17 6). 269 Рис. 17.6. КомбинироиаипыГ! радиационно-коииективный рекуператор а - радиационная часть, б - коннектииная часть В таком рекуператоре холодный воздух поступчет в конвективный трубчатый рекуператор i затем переходит для oкoпчdтeлJьнoro на грева в радиационный рекуператор Керамические рекуператоры Работа керамического рекуператора в значительной степени за висит от того, из какого материала выполнены его элементы Ра ботая при весьма высоких температурах, материал рекуператора должен обладать достаточной огнеупорностью, хорошей термо270 стойкостью, высокой темпеоатуоои начала леФоомации при нафузке, высокой теплопроводностью, неооходимыми механически ми снпистнами. низким коэсЬсЬйпиёнтбм линейного оасшиоения и Obllb я и о 1 а 1 и ч п и k-iunrvriM IIÛIMD nujAbtiL-innn yiki-jn^jirn/iDiA LujidKOB. долгое время единетиснным материалом для изготовления ке рамических рекуператоров был шамот. Однако низкие газоплот ность и тсплопронодность шамота обуаювливают малую тепло вую эффективность и большую громоздкость рекуператоров. Стремление использовать матеоиалы с высокой огнеупорностью и теплопроводностью привело к применению и керамических ре куператорах карборундовых (SiC) и высокоглиноземистых А12Оз>60% огнеупоров, а также карбо-шамотной смеси, содер жащей 35—39% карборунда. Изделия из нее характеризуются луч шими свойствами, чем шамотные, но по теплопроводности и огнеупорности уступают карборундовым. В отечественной прак тике известны также случаи применения высокоглиноземистых огнеупоров для изготовления керамических рекуператоров, кото рые свидетельствуют о целесообразности применения подобных материалов Более широкое распространение высокоглиноземис тых материалов ограничено их высокой стоимостью. Эффективность работы керамических рекуператоров в основ ном зависит от величины суммаоного коэффициента теплопере дачи, герметичности и удельной поверхности нафева (MVM'' на садки рекуператора). Конструкция рекуператора в значительной степени влияет не только на эти основные характеристики, но и на работу рекуператора в целом Керамические рекуператоры_СОбирают из отдельных труб или блоков поэтому в насадке боль шое число^вов Герметичность рекуператоров существенно зависит от положе ния шва (вертикального или горизонтального) и длины швов, приходящихся на 1 м^ насадки. Лучшая плотность достигается при горизонгальном расположении швов, так как при этом про исходит самоуплотнение шва под действием массы вышележащих частей рекуператора. Кроме того, горизонтальные швы легче под даются уплотнению. Пои нагреве рекуперативная насадка расширяется (растет), по этому для компенсации этого_роста верхняя часть насадки не должна быть жестко связана с окружающими стенками. С этой целью предусмотрены специальные затворы (часто песочные), по зволяющие расширяться рекуперативной насадке, но перекрыва271 ющие ja3op и препятствующие yiewKC воздуха через этот зазор ил дымовую сторону Один из таких затворов, применяемый на карбо-шамотных рекуператорах, показан на рис \11,б На отече ственных предпрятиях применяют шамотные и карбо-игамотные рекуператоры Шамотный рекуператор (рис 17 7, а) собирают из фасонных кирпичей четырех марок Основной ею частыо яштяются установ ленные вертикш1ьно фасонные блоки, в результате чего образу ются горизонтальные швы Воздух движется снизу вверх по че тырем KaHiUiaM внутри блока Дымовые газы направляются между блоками, совершая петле образное движение и омывая их с двух сторон Удельная повер хность рекуператора из шамотных блоков сост"аш1яет 6,35 MVM'', масса 980 кг/м-' насадки Рекуператор такого типа обеспечивает подофев воздуха до 500-600°С при температуре дымовых laiojj 1000-1100 °С и коэффициенте теплопередачи 4,6-5,8 ВтДм^-К) Отличительная особенность шамотного рекуператора состоит в том, что возникающие на пути воздуха сопротивления невелики и поэтому для движения воздуха может быть использован его гео метрический напор Печи, оборудованные рекуператорами подоб ного типа и инжекционными горелками, ,\югут работать при отсую1вии вентиляторов В этом случае достигается меньший пере пад давлении между воздушными и дымовыми кансшами, ч\о приводит к увеличению общей юрметичпости рекуператора Во время кладки рекуператора места соединения фасон1Гых блоков и перегородок промазывают специальным раствором твер деющего на воздухе цемента, в состав которого (по массе) входи i 90% шамотного гюрошка, 10% боксита уральского, 15% (сверх 100%) растворимого стекла Карбо-шамотныи трубчатый рекуиераюр (см рис 17 7) при меняют для нагревательных колодцев, а также стекловаренных и методических печей Этот рекуператор собирают из восьмифанных фубок высотой ЗО0-400 мм, которые располаыют в шах матном порядке и соединяют между собой шамотными восьмифанньпш муфыми В верхней части рекуператора предусмотрен специсшьныи песочный затвор для создания большей ызоплотности Дымовые газы движутся внутри трубок сверху вниз, воз дух омывает керамические трубки снаружи Он движется нерпендикулярно дымовым газам и поднимается снизу вверх, причем ю\» протекания его из одною хода в другой в перегородках ус272 танавливают необходимое число промежуточных вставок, равных трем (см рис 17 7). Живое сечение рекуператора по воздуш1Юму тракту для тру бок высотой 400 мм составляет 55%, а по дымовому тракту 19%. Скорость движения воздуха при нормальных условиях равна 1—2 м/с, а дымовых газов 0,7-1 м/с Рекуператор данной конструкции используют на печах, гемпсрлтуря отходящих дымовых газов в которых 1100—1400 °С. Такая конструкция обеспечивает подофев воздуха до 800—850 °С При подобных ус;ювиях в рекуператоре достигается суммарный коэф фициент теплопередачи 8,15-10,4 ВтДм^.К) При общей массе элементов, приходящихся на 1 м-' насадки, составляющей около 550 кг, удельная поверхность нагрева на 1 м^ насадки составляет, м^" по дымовым газам 9,5; по воздуху 7,5 У рекуператора два основных недостатка - низкая герметичность и засорение (ошлакование) верхней части рекуперативных трубок Низкая герметичность карбо-шамотного рекуператора является его наибольшим недостатком, утечка иногда достигает 40 Р6 всего Рис. 17.7. Керамические рекуператоры а — из шлмотпых блокои, б — из карбо шамотных тр>6 273 воздуха, подан1Юго в рекуператор. Особыми приемами сборки ре куператора, а также аккуратной эксплуатацией можно повысить герметичность, но совершенно устранить утечку воздуха почти не возможно Ошдаковапие происходит вследствие того, что дымовые газы несут частички сажи, окадины и коксика (на нафевательных ко лодцах), которые, осаждаясь на раскаленной поверхности кера^п^ки, привариваются к ней и ;шсто полностью забивают трубки 4 Расчет рекуператоров Обычно целью р1счета является определение р13меров рекупе ратора, обеспечивающих подофев требуемого коли1еств1 воздуха (газа) до необходимой температуры В отлельных слу 11ях прихо дится решать обр 1тную зчдачу Расчет рекупер iTopoi ведут обыч но и следуюи1ем порядке 1 Составление теплового баланса Для газоплотных рекупера торов тепловой баланс составляют с учетом 10 % потерь тепла в окружающую среду, т. е. o,9K,(c;|r;; - CITI) = V^{CITI - с'^т^) (i7.i6) При сосгавлении теплового бшишса для негазоплотных реку ператоров необходимо учитывать утечку воздуха и дылшвые кана лы Это особенно важно при расчете керамических рекуперато ров Утечку воздуха целесообразно принимать в пределах от 15% (для шалютных рекуператоров методических печей) до 30% (для рекуператоров нафевательных колодцев) первоначального коли чества воздуха, поданною в рекуператор. При этом уравнение тепловою 6tuiaHca может быть представлено следующим образом 0,9Кд (сЦт-;; - clTl) = \\clTl + ^VcJl (17 17) Уравнения (17.16) и (17 17) должны быть решены относитель но температуры Гд дымовых газов, уходящих из рекуператора Парсшлельно с расчетом тепловою баланса уместно определить необходимое для последующею расчета количество тепла, Вт, пе редаваемого через поверхность нагрева рекуператора ю\я газоплотных конструкций Qt274 VAclK- clTl), (17 18) для нсгазоплотных конструкций QF= [К^-^У^ВТ^-С^Т",), (17.19) где Кд и Кд - объем дымовых газов и воздуха, MV4; AV^ — ко личество воздуха, ушедшее в дымовые каналы, м?/ч; Сд и с^ — теплоемкости дымовых газов и воздуха при соответствующих тем пературах, кДж/(м^-ч). 2 Определение средней разности температур. При этом необ димо учитывать взаимный характер движения газообразных сред, введя в необходимых случаях поправку на перекрестный ток Как уже указывалось, при Д7],/ДГ^ > 0,5 среднюю разность темпера тур теплоносителей можно определять как среднеарифметическую 3. Определение суммарного коэффициента теплопередачи К. этом целесооЬразно задаваться скоростью движения дымовых га зов и воздуха Для металличегких пею/пепятпров скорость движения дымовых газов WQ следует принимать равной 3—5 м/с, скорость воздуха 7—10 м/с. Для керамических рекуцсрашрув из-за их низкой га зоплотности скорость принимают меньшей. Так, для рекуперато ров нагревательных колодцев (при О "С) целесообразно принимать скорость воздуха 0,8-1,2, а скорость дымовых газ^в 0,5-0,8 м/с При расчете рекуператоров методических печей Wg^ = 0,7ч-1 и vVflfl = I,2-f 2 м/с. Зная скорость движения и температуры газообnîMUY гпрц^ применяя выражения, приведенные в томе 1 книги, можно определить локальные коэффициенты теплоотдачи на воз душной и дымовой сторонах 4. Определение общей поверхности нагрева и размеров рекупе тора. Для определения поверхности нагрева пользуются выра жением (17 1). Разделив общую поверхность нагрева'рекуперато ра на удельную, определенную для каждой конструкции, легко получить объем рекуператора и перейти к определению его раз меров После теплового расчета рекуператора определяют аэродина мическое сопротивление по дымовому и воздушному трактам. При расчете рекуператоров печей, работа которых характери зуется переменной во времени тепловой нагрузкой, после расчета на максимальный расход топлива необходимо провести, кроме того, проверочный расчет на наименьший расход топлива 275 l.iaea 18 ТЕПЛОСИЛОВЫЕ УСТРОЙСТВА Энер1е1Ическое хозяисию металлургическою предприятия предназначено для выработки и распределения энерти или эперюносителеи разных видов К основным эпер1етическим объектам предприятия опюсятся 1епловая электрическая станция (ТЭЦ) или паро-воздуходувная станция (ПВС), кислородный цех, теп лосиловой цех, цех тепловых и мзовых сетей и др Кроме электроэнергии на предприятии вырабатываются такие энергоносители, как пар и юрячая вода, сжатый воздух, кисло род Теплоэнергетическое оборудование или теплосиловые устрой ства, на которых нолучаю! тот или штои энергоноситель, состоит из паро1енераторов, паровых и [азовых Турбин, турбокомпрессо ров, воздуходувок и т д На производство энергоносителей затрач1шается более 13% от всей потребляемой заводом энергии К парогенераторам относятся энер1етические котельные агре гаты, расположенные на ТЭЦ, котлы-утилизаторы (КУ) и систе мы испарительно!о охлаждения (ИО), размещенные вблизи меьишуршческих печей 1. Котельные агрегаты ТЭЦ Энергетический котельный агрегат предназначен для выработ ки перефетою гюдяного пара эггергетических ггараметров, т е дав лением от 1,4 до 14 МПа с температурой 420-560 °С Рабогу ггарового котла обеспечивают системы топливопрггготошгения и тогглшюиодачи, устройства д;!я сжигаггия топлива, системг)! ггглако- и золоудсгления, химводочистки и КИП и авюмагики (рис 18.1) Воздух, необходимый для сжигания топлива, г г од огревается в воздухоподогревателе — в трубчатом или регенеративном тепло обменнике Эффективность преобразования энергии топлива в энергию пара в котле характеризует коэффициент полезного действия К п д. котельного агрегата определяют как отногиение полезно затрачеггного тепла ко всему, гзьгделешюму гтри сжигании тогглггва Для современных крупных котельнгях агрегатов кпд состав ляет 80-90% Паропроизводительность достигает 420 т/ч ггри аавлеггии 14 МПа 276 Рис. 18 1. ПрупшиписШьная схема котельной установки а — подача топлиил, б — удаление зольЛн шлака, е — XHNtir'iecKaii О'нютка, / — обмуровка котла, 2 - трубы конвективной поверхности, 3 — барабан, 4 — пароперегреватель, 5 — экранные трубы, 6 — водяной экономайзер, 7 — воздухо подогреватель, S - золоуловитель, 9 —дымосос, 10 —дымовая труба Котлы отапливают пылевидным угольным, газовым, а также жидким топливом. На ТЭЦ металлургических предприятии, как правило, отопление комбинированное, а котельные афешты обо рудованы устройствами для сжигания 2—3 видов топлива Расчет теплообмена в котельном агрегате дает возможность оп ределить величину поверхностей нафева Н, м^, при заданной паропроизводительности Д, т/ч, или наоборот, для выбранного типа котла с поверхностью нафева Н, м^, уточнить его паропроизводительность Д, т/ч В основе расчетов лежат уравнения теплового бштнса Движет1е продуктов сгорания в газоходах котельною афегата обеспечивается дымососом, установленным за золоуловителем пе ред дымовой трубой Тип золоуловителя, как правило, зависит от вида сжигаемого топлива — центробежный скруббер, батарейный циклон или электрофильтр Выбор типа и режима работы дымососа осуществляют на ос нове аэродинамического расчета котельного афегата При конст руировании или реконструкции котла выполняют также расче! и оценку надежности циркуляции Циркуляция в пароводяном кон туре котла может быть ор1анизована по естественному или при нудительному принципу. В первом случае движение внутри труб 277 вызывается разностью плот постен воды и пароводяном смеси, во вюром — напором, создаваемым циркуляционным насосом На MH0I11X ТЭЦ установлены котлы Барнаульского и TaranpoiCKOIO котельных заводов паропроизводительностью 200-400 т/ч nepei-peToio пара 2. Котлы-утилизаторы В отличие от энер1етических котельных афеытов в котлах-yuiлизаторах (КУ) вместо тепла от сжипишя топ;п1ва используется физическое тепло отходящих мзов промышленных печен Основ ная 31щача КУ — снизить температуру выбрасываемых в а1Мосферу ызов и тем самым повысить к п д печи Котел-ушлизатор (рис 18 2) состоит из трубчатых испари1е;п>ных поверхностей uaipcBa 2, пароперегревателя 1 и водяного экономайзера 3 В некоторых типах КУ для низкотемпературных ызов пароперефеватель отсутствует Для работы при высоких 1смпературах (1000—1200 °С) на входе в КУ предусматривают радиснщонную камеру, за которой размещают пароперефеватель, а Дси1ее конвективные испарительные поверхности Па металлургических предприятиях в основном применяю! уни фицированные афегаты с принудительной циркуляцией пароводя ной смеси типа КУ-125, КУ-100-1 и КУ-80-3 Первая цифра в маркировке означает максимсшьныи расход ызов через ко1ел в тыс MV'I Допустимые температуры 1аза на входе 650-850 °С, давление пара j? = 1,8-4,5 МПа, / =365-385°С Паропроизводительность дости1ает 30-41 т/ч Расчеты (тепловой, аэродинамический) котлов-угилизаторов выполняют по тем же нормам, как и энергетических котлов При этом удельные показатели от нося г не к 1 м-' или 1 кг сжи гаемою топлива, а к 1 м^ отходяптих газов, поступающих и кот ел-утилизатор Рис. 18.2. Схема KOT.i.i-jTimiuaTopd ЦП и ПИ - циркуляиионныи л пнтательнын насосы, ИО — иариапт подключения KOHTJPI испаритатьного охлаждения 278 3. Турбинные установки Паротурбинные установки Основным элементом турбинных установок является турбина — двигатель с непрерывным рабочим процессом. Энергия рабочего тела (пара, газа или воды) на лопатках рабочего колеса турбин непрерывно преобразуется в механическую. Механическая энер гия, полученная колесом, определяется разностью кинематических энергий рабочего тела на входе в канал, образованный соседними лопатками колеса турбины, и выходе из него В паровых турбинах для создания высокой скорости на входе в канал применяют со пла, в которых потенциальная энергия пара частично или полно стью преобразуется в кинетическую. Давление пара надает, ско рость растет. Из уравнения баланса энергии несложно определить зависимость скорости пара на выходе из сопла Wj, м/с (или входа на лопатку) от величины теплоперепада Н^, т.е. разности энталь пий пара Л до и после сопла* VVi = ф^2(А,-Л2,) = срШ, где ф — коэффициент скорости, учитывающий потери на трение, вихреобразование и т. п. В диафамме hS (рис. 18 3) этот процесс для одной ступени (сопло-лопатка) имеет вид отрезка 1—2а (адиабатное истечение), а с учетом потерь 1-2 В конструкциях паровых турбин применяют такие ступени, в которых процесс превращения перепада давления в скорость не заканчивается полностью в соплах, а частично продолжается и в лопаточном канале, где благодаря изменению скорости, возника ет реактивный эффект, повышающий окружную скорость колеса. От»юшение теплоперепада на лопатках Яд к теплоперепаду на всей ступени Н^ называется степенью реакции р Па ровые турбины, у которых степень реакции р каждой из CTynein.ii не Рмс. 18 3. Диаграмма hS для процесса расши рения пара в турбине 279 превосходит 0,15, называются активными, а при условии р>0,4 реактивными. Современные паровые т>рбины выполняют мноюступенчатыми и комбинированными с использованием как активных, так и реактивных ступеней Одним из основных элементов турбинных установок является конденсатор — трубчатый теплообменник, в котором за счет интенсивного охлаждении водой происходит конденс<нн1я отработавшего в турбине пара При конденсации рабо чею тела происходит уменьшение в COTIHI ТЫСЯЧ раз его объема, т е резкое падение давления Как видно из диафаммы h-S, чем ниже давление в конденса торе р2, тем больше теплоперепад, а значит, и моииюсть, разви ваемая турбиной Глубина разрежения (или вакуума в конденсаюре) определяется начальной температурой охлаждаюп:еи 1юды и кратностью охлаждения. Кратность охлаждения т - это количество охл.1ждающеГ1 воды, необходимой для ко денсащш 1 кг пара На современных стан циях т = 50-70. Как правило, охлажгииощая конденсатор вода циркулирует в замкну!ом контуре, который вюночает cncHHiUibные охладители - ф.щирни, ШИ1 брьшальные бассейны Конден сат, образующийся в межтрубном пространстве конденсатора, с помощью насосов подается в трубопровод питательной воды ко тельной установки Скрытая теплота парообразования, уносимая охлаждающей водой, теряется безвозвратно Паротурбинные или паросиловые установки, у которых весь пар проходит через конденсатор, называются конденсащюнными (рис 18 4) Они предназначены для выработки электроэнергии Их к.п д с учетом термодинамических потерь, внутренних или потерь 1гесовершенства процесса, механических потерь и потерь в электро1енераторе в современных установках достигает 29-39 % Конденсациоштые турбины устанавливают, как правило, на крупных электростанциях Они предназначены для выработки электроэнер!ии Па ТЭЦ мет<1ллургическнх предприятии наибольшее распрост ранение получили схемы с комбинированной выработкой тепло вой и элекфической энерпш и регенеративным подофевом ни1аTeJHiHOH воды На таких станциях применяют турбины с нроизводCTBciHibiMH и геплофикационными отборами пара соответственно при давлении отбора />„ = 0,60-1,30 МПа п Pj = 9-17 МПа и температуре 480-570°С Они являются приводом электро1енера280 г* -еРис. IS 4. Схема паросиловой установ ки с конденсационной турбиной / — котел, 2 — пароперегреватель, 3 — турбина, 4 — электрогенератор, 5 конденсатор пара, 6 — насос Рис. IS 5. Схема турбин с регенератив ным подогревом питательной и нагре вом сетевой воды / - подогреватель питательной воды, 2 — конденсационный насос, 3 — потре битель горячей воды, 4 — сетевой на сос, ПК — паровой котел, Т — турбина торов МОЩНОСТЬЮ 17 и 22 МВт. Производственный отбор пара час 10 используется параллельно или совместно с паром других утилизационных установок. Схема турбины с нерегулируемым отбором пара для peieneративного подофева питательной и нагрева сетевой воды дана на рис 18 5. Как показывает опыт эксплуатации, применение таких тепловых схем особенно целесообразно на станциях, где котель ные афегаты работают с высоким подофевом воздуха. Регенера тивный подофев воды позволяет уменьшить поверхность водяно го экономайзера котла и тем самым поднять температуру газов, поступающих в воздухоподофеватель Схемы с комбинированной выработкой электрической и теп ловой энергии экономически более выгодны, чем схемы с чисто конденсационными турбинами Газотурбинные установки При использовании газа в качестве рабочего тела турбинная установка приобретает ряд существенных особенностей по срав нению с паротурбинной. Теплоперепад, который используется в проточной части газовой турбины, значительно меньше, чем теп лоперепад паровой турбины, однако объемный и массовый рас ходы газа, а также уровень температур значительно выше. Это приводит к конструктивным отличиям газовых турбин. Один из типов газотурбинных установок (ГТУ), получивших распространение в народном хозяйстве как в виде стационарных, 281 так И В виде транспортных установок (например, в авиапии), имеет в своем составе, кроме собственно газовой тур бины и камеры сюрания топ;и1ва с топ ливным насосом, такой обязательный элемент как воздушный компрессор. Эффективная или полезная мощность Рис 18 6 Схема иключенил таких ГТУ определяется разностью меж ГУЬГ 11 сеть доменного ду мощностью вырабатываемой турби газ1 1 — доменная печь, ной и мощностью, потребляемой воз 2 — Г.1300ЧИСТКИ, 3 — дрос сельная группа, 4 — ГУБТ, душным компрессором и топливным на 5 — газопроиод доменного сосом. Используя регенеративный газ.1 подофев воздуха и ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением, можно достичь величины внутреннего к п д установки до 38%, т.е срав нимой с величиной к п д конденсационных паротурбинных В черной метсцтлургии успешно применяется другой тип газо вых расщирительных турбин - утилизационные бескомпрессор ные, типа ГУБТ. В них сжигания газов не производится, поэто му камера сгорания и воздушный компрессор отсутствуют ГУБТ предназначены для использования потенциальной энергии домен ного газа с параметрами р = 240-350 кПа и t = 120-140°С до давления порядка ПО кПа Схема включения ГУБТ в сеть доменного lasa дана на рис 18 6. Проточная часть турбины имеет две ступени Подвод газа осевой, через блок поворотных диафрагм, выполняющих роль ре гулирующего и отсечного устройства Отвод газа вниз, под углом через цилиндрический патрубок, и далее в сеть доменного газа На валу турбины находится электрогенератор с частотой враще ния 3000 мин"'. Освоен выпуск нескольких типоразмеров ГУБТ для установки за доменными печами различного объема, которые маркируются по предельной мощности генератора на 6, 8, 12 МВт (ГУБТ-б, ГУБТ-8 или ГУБТ-12), на расход газа соответственно 150, 260 и 360 тыс м^/ч. Себестоимость выработки электроэнер1ии в установках ГУБТ по опыту ряда заводов страны в 2-3 раза ниже стоимости 1 кВт'ч ТЭЦ Эффект от использования утилизационных турбин на доменном газе позволяет покрыть расходы на компремирование воздушного дутья доменных печей на 40 % 282 Раздел V ОХЛАЖДЕНИЕ ПЕЧЕЙ И ДЫМОВЫХ ГАЗОВ Глава 19 ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ Некоторые детали конструкции металлургических печей, нахо дящиеся в зоне высо.^их температур, для сохранения их прочно сти подвергаются охлаждению. Наибольшее распространение по лучили две схемы охлаждения, проточная схема охлаждения тех нической водой и замкнутая схема испарительного охлаждения (ИО) Вторая схема является более профессивной, и, несмотря на применение хими 1ески очищенной воды, повсеместно вытес няет водяное проточное, так как позволяет сократить расход воды в 60-100 раз и в 9-10 раз увеличивает срок службы деталей, а также дает возможность использовать тепло получаемого пара. Принципиальная схема контура циркуляции воды и пароводя ной смеси в установке ИО подобна схеме котла-утилизатора с барабаном-сепаратором (см рис 18 2). В большинстве схем цир куляция естественная, т. е. за счет разности плотности воды и пароводяной смеси. Принудительная, т. е. циркуляция с помо щью циркуляционных насосов, применяется в случае значитель ных колебаний тепловых нагрузок на охлаждаемые элементы печи или при сложной конфигурации этих элементов При проектировании и наладке схем ИО выполняют расчеты на прочность стенок охлаждаемых деталей по предельной плот ности теплового потока Расчет контура циркуляции проводят для определения расхода воды, размеров труб и кратности цир куляции, которые обеспечивают устойчивый режим работы схе мы. Расчет выполняют в соответствии с нормативными методами расчета котельных афегатов 283 Комплекс устройств, входящих в схему охл ж; е е , на зывают системой ИО. Рассмотрим особенност С1сте\ь И О до менных, мартеновских и нпфевательных печей 1. Система испарителыого охлаждения доменных печей Современная доменная печь теряет с охлаждающей водой в среднем до 120-170 кВт нл 1 т выгшавляемою чугуна Длитель ность кампа1Н1и печи составляет 5-6 лет. По величине гютери тепла распределяются по зонам печи следующим образом, %• шахта, распар и заплечики - 67; фурменная зона - 28, юрн и лещадь — 5. Каждая из зон печи работает в определенных темпе ратурных и технолотческнх условиях, вследствие чею требова ния, предъявляемые к охлаждаемым элементам в различных зо нах, различны. В качестве охлаждаемых элементов, устанавливаемых почти по всей высоте шахты, применяют плитовые холодильники В nyiynные плиты зллты стальные трубки, по которым движется паро водяная смесь ЛНСШОГИЧНО охлаждаются шлаковые и воздушные фурменные приборы, плиты чу17нных леток, а также клапана воз духонагревателей Холодильники в зоне шахты и заплечиков должны надежно предохранять кожух печи от действия высоких температур и спо собствовать сохранению прочности кладки и удержан1П0 гарнисажа Тепловой режим работы холодильников зависит от режима работы печи, периода кампании и места их расположения Од нако плотность теплового потока, которую воспринимает холо дильник, не зависит от объема доменной печи и составляет для HJHiTOBbix конструкции в среднем 23 кВт/м^ Температура рабо чей поверхности холодильников этой зоны нестабильна, колеб лется в зависимости от распределения шзовою потока от 180 до 600 «С. Для отливки применяют чугун марки ЖЧХ-0,8, в связи с чем ни один из участков хо;юдильников не должен находиться дли тельное время при температуре выше 550 °С Исходя из условии прочности давление 0,8 МПа является верхним пределом Опытом эксплуатации установлено, что шаг между охлаждаю щими трубками в холодильнике должен быть 200-250 мм, диа метр трубки 44-52 мм, толщина плит 140-150 мм, высота 1-3 м, ширина 700-1500 мм Конструкция холодильников некоторых ти пов дана ил рис 19.1 284 Рис. 19 1. Плитовые холодильники доменной печи а — зоны шахты и горна, б — зоны заплечиков Расход питательной воды на холодильники в пределах 20— 40 м-'/ч При условии питания холодильников деаэрированной хи мически очищенной водой, естественной циркуляции и нежест кого их крепления, длительность межремонтного периода домен ных печей обеспечивается в тече ние 6-7 лет Схема соединения холодиль ников в контур испарительного охлаждения может быть одно- и двухзоннои (рис. 19.2). Первая схема более распространена При двухзоннои схеме в ервую зону входят холодильник i шахть а во вторую — холодильники фурмен ной зоны и горна По периметру печи размещает ся 2-6 вертикальных рядов холо дильников — секций Каждая сек ция имеет барабан-сепаратор и может работать как самостоятель ный контур. Барабаны-сепарато Рис. 19.2 С стемы ИО до ры размещают на расширенной печи колошниковой площадке над менной / — барабан-сепаратор, 2 — паропро крышкой поддоменника или на вод, 3 — подъемная труба, 4 — ли воздухонафевателях в одной гале ния питательной воды, 5 — проду рее с барабаном-сепаратором ис- вочная линия, 6 — опускная труба 285 пари1ельно10 охлаждения юмпанов воздухонагревателя на высоте около 20 м Подъемные или опускные трубы секции могут быть объедине ны в один или два коллектора, затем каждый из коллектором од ной опускной или подъемной трубой соединяется с одним бара баном-сепаратором. Такая схема значительно уменьшает металло емкость контура, количество загюрнои арматуры при значительном удсшении барабана от холодильников, надежна в эксплуатации Конструкции фурменных холодильников для работы на испа рительном охлаждении предусматривают и возможность переклю чения их на охлаждение водой В большинстве случаев воздуш ные фурмы охлаждают по схеме ИО, а шлаковые - по схеме водяного проточного охлаждения Тепловые нагрузки на воздушные фурмы мало изменяются в течение кампании печи и зависят главным образом от температу ры дутья и расстояния от очага горения Плотности теплового потока составляют около 80 кВт/м^. При трубчатой конструкции холодильников фурм давление поддерживается на уровне 0,50,8 МПа Для защиты змеевика фурмы применяют медь, сталь, а также карборундовое покрытие Охлаждение горна и лещади защищает кожух от нафева при разогреве футеровки и подходе к периферии печи жидкого чу1уна Наибольшее применение для зашиты горна (схема испари тельного охлаждения) получили холодильники плитовои конст рукции Лещадь принято охлаждать по бокам с помощью водя ных холодильников, снизу - продувкой воздухом в каналах по фундаменту или по трубкам в чугунных плитчх Предельная тем пература бетонного фундамента 500 °С является исходным пара метром при расчете схемы охлаждения лещади Контур охлаждения горна подключается ил общий барабан-се паратор с холодильниками шахты печи Испарительное охлаждение клапанов воздухонагрев 1телей обес печивает их стойкость в течение всей кампании печи В схему ИО на 1 барабан-сепаратор включаются клапана горячего дутья, отсечные клапана горелок и дымовые клапана Наибольшие теп ловые нагрузки воспринимают клапана горячего дутья — до 200 кВт Схемы работают при давлении 0,5-0,8 МПа, выработка пара составляет 2,5-3 т/ч Закономерность повышения солесодержания котловой воды и влияние продувки на ею уровень лежит в основе метода опреде286 ления прогара холодильников При непрерывном контроле солесодержания можно зафиксировать момент снижения темпа его роста, вызванною утечкой воды в результате прогара. Эксплуатация установок испарительного охлаждения и обслу живающий их персонал находятся в ведении доменного цеха. Тех нический контроль осуществляет служба главного энергетика предприятия. Каждую доменную печь в смену обслуживает один слесарь - дежурный по системе охлаждения. 2. Система испарительного охлаждения мартеновских печей Интенсификация сталеплавильного производства привела к не которой модернизации конструкции печей. В настоящее время часть парка мартеновских печей реконструирована на двухванные афе1аты. При этом схемы охлаждения остаются без существен ных изменении. В схемы ИО включены элементы печи, находя щиеся в наиболее тяжелых температурных условиях кессонь[ га зовых печей, фурмы и форсунки мазутных печей, пятовые балки главного свода и пережимов, рамы и заслонки завалочных окон, столбики передней стенки, а также перекидные и регулирующие устройства и другие элементы. Температура стенки охлаждаемых стальных элементов марте новской печи, при которой обеспечивается ее надежная работа, составляет 400-500 °С Стойкость охлаждаемых деталей в среднем составляет 3-4 кампании печи по своду, т.е 2-3 года Параметры получаемого пара зависят, как правило, от предель ных давлений для конструкций охлаждаемых элементов В основ ном приняты давления на мартеновских схемах ИО до 1—4 МПа Все охлаждаемые элементы печей выполняются полой или труб чатой конструкции с толщиной стенки не менее 12 мм Расчеты деталей на прочность и схем охлаждения на устои»твость цирку ляции ведут с учетом воспринимаемых максимальных плотностей теплового потока Эта величина не зависит от садки печи и для разных деталей колеблется в пределах 17-40 кВт/м^ (с защитной футеровкой), до 400-700 кВт/м'^ (с оголенной поверхностью). К концу кампании в результате разрушения футеровки отвод тепла значительно увеличивается. ' Принципиальная схема системы испарительного охлаждения мартеновской печи на газовом отоплении дана на рис 19.3 Сис287 Рис. 19 ?, Схема системы ИО мартеиоискоц IILMU / - 6<ipj6ciii-ceiiapaTop, 2 — подъемная труба кессона, 3 - оп\скнои колпектор, 4— кессон, 5 - пятовые батки, б - р1мы заваючных окон, 7 - польемные трубы тема работает с естественной циркуляцией, что увеличивает ее на дежность и снижает стоимость Улучшение циркуляции способ ствует расположению барабана-сепаратора на высоте не менее 10 м от верха охлаждаемой детали Опыт эксплуатации показывает, что большая надежность работы и удобство обслуживания имеет схе ма с расположением барабанов на крыше цеха в сиеиисишнои галерее. Объем барабанов выбирают из условия создания запаса воды ihi работу в течение 1-2 ч на случаи перерыва в подаче Трубные разводки, как подъемные, так и опускные, вьиюлняют с промежуточными коллекторами, при условии, что объеди няемые трубы немного отличаются по гидравлическим сопротив лениям. Рекомендуемый диаметр опускных труб 50-70 мм, подъемных 100-150 мм Размеры уточняются при расчете цирку ляции Скорость циркуляции в охлаждаемых деътях должна быть не менее 0,4-0,8 м/с, а в опускных трубах - не более 2 м/с Реко мендуемые кратности циркуляции для кессо>юв и фурм 40, для пятовых б^ток 30, для рам и заслонок зав.иючных окон 15. Сред ний показатель выработки пара в системах испарительното ох лаждения мартеновских печей составляет 0,2-0,3 т/т сг.ши Штат обслуживания 3-4 слесаря на 4—5 печей и один мастер системы ИО Перспективной является схема с повышенными параметра ми пара, что позволит объедини!ь ее с котлами-ушлизаторами 288 3. Система испарительного охлшзденпя нагревательных печеп Среди большого разнообразия парка нагревательных печей особая роль принадлежит методическим печам для нафева ме талла перед сорто- и листопрокатными станами. Это крупные печи с высокотемпературными зонами, 20—30% тепловой мощно сти которых теряется на охлажцение элементов'конструкции печи. Распределение тепла по основным охлаждаемым элементам, %: продольные трубы — 48 от всех потерь тепла; поперечные (опор ные) трубы — 37; балки торцов зафузки и выфузки рамы от бойники, шиберы, горелки - 15. Плотность тепловых потоков на охлаждаемые элементы дости гает 50-120 кВт/м^. Величина плотности теплового потока зави сит от температуры в печи (в зоне) и состояния изоляции. Из охлаждаемых элементов печи основными являются подовые трубы — продольные и поперечные, которые обычно изготавлива ют из труб круглого сечения из стали марок 10 и 20. Диаметр и толщину стенок определяют из условий прочности при весовой нафузке и истирании; они зависят от геометрических размеров печи и находятся в пределах от 76x10 до 120x20 мм, длина 12-30 м. По условиям надехшого охла>:(дения для увеличения местной скоро сти циркуляции в трубы диаметром более 90 мм вставляют обте каемые вставки. 'Величину кольцевого канала для охлаж дающего потока (12-20 мм) определяют расчетом циркуля \ *777? ции по допустимому гидравли ческому сопротивлению и уело вию пузырькового кипения Исследования, приведенные с подовыми трубами подтвер дили что основным критерием надежности их работы являет ся скорость циркуляции кото рая должна быть в пределах 0 6-15 м/с Рис 19 4 Схема систсмь ИО нагрева Принципиальная схема сие тельной печи 1 — барабан-сепаратор, темы испарительного охлаусде 2 — подъемный коллектор, 3 — про ния нафевательнои печи дана дольные глиссажные трубы, 4 — попе речные трубы; 5 — опускной коллектор на рис 19 4 :'€^з АПППП 10 — 5041 289 Опыт промышленной эксплуатации системы ИО нафсвательных печей позволил выработать основные конструктивные положения* более надежной является естественная циркуляция; , системы могут работать с избыточным давлением 1,5-4,5 МПа; подовые трубы целесообразно выделять каждую в самостоя тельный контур; поперечные трубы допустимо разделить на группы из 2—3 труб, соединенных последовательно, а фуппы подключать параллель ными контурами к барабану-сепаратору; тепловая нагрузка на каждый самостоятельный контур (или группу) должна составлять 400—800 кВт, допустимая скорость циркуляции в контурах методической зоны 0,8 м/с, в сварочной зоне 1,2 м/с; допустимые скорости в опускных трубах 0,8-1,5 м/с, в подъем ных до 15 м/с Исходя из этих рекомендаций, с учетом величины тепловых нагрузок можно определить геометрические и режимные парамет ры контура охлаждения циркуляционные расходы, диаметры труб всех элементов циркуляционного контура. В связи с возможностью работы схем испарительного охлажде ния нагревательных печей на повышенном давлении (до 4,5 МПа) становится целесообразным объединение их в комплексные схе мы с котлами-утилизаторами этих печей. Это можег улучшить тех нико-экономические показатели системы охлаждения Шгат обслуживания на несколько печей состоит из двух чело век — слесарей в смену и одного мастера системы охлаждения. На экономические показатели существенно влияет стоимость пара заводской ТЭЦ доля которого замеш,ается паром, выраба тываемым в системе испарительного охлаждения Глава 20 ОКиА}'(ДЕНИЕ КОНВЕРТЕРНЫХ ГАЗОВ 1 Харагггеристика газов Продувка кислородом вызывает интенсивное окисление угле рода чугуна и других примесей шихты в конвертере Температура газа на выходе из горловины конвертера колеб лется в пределах 1400—1800 °С Количество газов изменяется по 290 ходу плавки и зависит от режи.ма кислородной продувки, конст рукции фурмы, типа присадок и перерабатываемых чугунов Рас ход газов определяется по количеству кислорода и скорости обе зуглероживания и составляет в среднем 60-80 м^ на 1 т садки. При выходе годного до 90 % это составляет 70-90 м^ на 1 т стали. Количество тепла, выносимого с газами в газоотводящий факт, на ходится в пределах ПОО—1250 МДж на 1 т стали. Запыленность газов очень высока и достигает 200 г/м^, причем основная доля частиц имеет размер до 1 мкм Пыль, составляющая до 1,5% от массы метсшлическои шихты конвертера, содержит 55-60% железа и может быть использована на аглофабрике. Требования зашиты окружающей среды и возможность утилизации пыли приводят к необходимости обязательной очистки газа К тому же, в образую щемся конвертерном газе содержится до 90% СО и 10% СО2, а его теплота сюрания достигает 13 МДж/м^. Таким образом, конвертерный газ является не только тепло носителем, но и топливом. В большинстве случаев оказывается целесообразным использовать не только физическое тепло газа, но и утилизировать его как химическое сырье или топливо 2 Способы отвода газов В связи с необходимостью поворота конвертера между его горловиной и пзоотводящим трпктом не может быть герметич ного соединения В этот кольцевой зазор может подсасьш 1ться воздух в количестве, зависящем от вели шны разрежения в этой зоне. При этом должен обеспечиваться отвод в охладитель (ОКГ) всех газов, выходящих из конвертера во время продувки кисло родом. Существуют два принципи \пь\\о отличных способа отвода кон вертерных газов с доступом воздуха и без доступа воздуха При отводе с доступом воздуха может быть обеспечено три режима 1) полное сжигание газа с коэффициентом расхода воз духа а > 1,0; 2) горение с недожогом, если 0,75 < а < 1 и 3) lacтичное сжигание, если 0,3 < а < 0,6. В первом и втором случаях на выходе из охладителя образуются инертные продукты сгора ния, а в третьем — в смеси с воздухом газ взрывоопасен. При отводе 1-аза из конвертера без доступа воздуха подсос на ружного воздуха настолько мал, что сгорает только тонкий пери ферийный слой струи конвертерного газа. При этом 0 < а < 0 , 1 5 ю- 291 и смесь газа взрывоопасна Способ назьшается — «отвод без дожи1аиия» Режим полного дожигания оксида у1лерода, ко1да через ьиовыи трак1 проходят продукты сюрания, как при pa6oie lonjnn»ныч котлов или котлов-угилизаюров, не вызывает затруднении в процессе работы Сложности в работе 1азоотводящего тракта конвертера возни кают при частичном дожиынии или без дожигания оксида угле рода Они характеризуются высокими требованиями 1ю обеспече нию безопасности ведения процесса, так как в газоотводящем тракте возможно образование взрывоопасной смеси ыза с возду хом С помощью уплотняющею устройства - подвижною ко;юкола (юбки) - удается умеиыпигь подсос, сократив зазор между горловиной конвертера и кессоном до 70 мм CnenHiun>Hoe peiyлируюшее устройство, включенное перед дымососом, авюматически поддерживает постоянное давление на стыке юрловина — юбка Этим удается свести к минимуму подсос и отводить конвер1ерныи газ по мере ею образования Особенностью работы мзоотводящею тракга в этих режимах иш1яется самопроизвольное образование так называемою «тампо на» (рис 20 1) В нач^ше продувки и в ее конце, К01да количе ство образующихся реакционных газов м ию, при небольшом под сосе воздуха происходит их полное или час1ИЧное сго рание Это! неюрючии ыз заполняег газовый тр.1кт и, ^ как тампон, прочищает СГ трак! от воздуха Выделяю О •X щийся конвертерный газ от о т а. делен таким образом от воз f Продолжительность-^ r/j продувки ,/ ь° 60 духа с двух сторон, Ч10 05 обеспечивает его взрывобет \^ 40 зопасность m 20 В некоторых схемах ре Rп жим без дожигания сопро О II вождается подачей в газо Рис 20 1. Схема образования ччмпоиа» и вый тракг 1П1ертпою 1аза — газовом тр1кте колвертера , технического азота, который 1 — расход raja на иыходе iii горлоиины ифает роль тампона в }1ачакониертерл, 2 - расход газон, отсиьимсмых ле и конце продувки дымососом, 3 - «тампон» 292 Тот или иной способ отвода выбирают в зависимости от при нятой схемы охлаждения и степени утилизации тепла, экономи чески целесообразной для конкретных условий завода 3. Способы п схепы охлшзденпп газов До подачи в систему газоочистки в зависимости от ее типа газы охлаждают до температуры ниже 1200 °С. Применяют спосо бы объемного и поверхностного охлаждения. Первый — за счет контакта газа с холодным воздухом или испарения распыленной воды без утилизации тепла. Второй — основан на конта1сте газа с поверхностью охлаждения типа кессона или котла охладителя, или котла-утилизатора. При этом способе достигается частичная утилизация тепла. Поверхностные охладители газов мохно классифицировать по следующим основным признакам по виду теплоносителя — водяные и паровые. К первым отно сят кессоны и трубчатые охладители, ко вторым - котлы-утили заторы или системы испарительного охлаждения, по виду преимущественного теплообмена — радиационные и радиационно-конвективные. В первых - охлаждение газов про исходит до 800-1200 °С, во вторых - до 250-400 "С; по схеме циркуляции тегшоносителя — с принудительной, ес тественной или комбинированной схемой циркуляции; по виду газохода — с одним восходящим газоходом (наклон ным или вертикальным), с П-образным газоходом и др На многих предприятиях в схемах «с доу<иганием» в качестве охладителей продуктов сгорания применяют радиационно-конвек тивные паровые котлы-утилизаторы с принудительной циркуля цией, с П-образной компоновкой газохода В схемах <без дожи гания» или «с частичным дожиганием» — радиационные паро вые, с принудительной и естественной циркуляцией, с П-образным или одиночным вертикальным газоходом В большинстве конструкции охладителей в ка lecree поверхно стей нагрева применяют трубы В радиационной части трубы, со единенные мембраной образуют сплошные мембранные трубча тые панели ' Рассмотрим особенности конструкции паровых котлов-утили заторов и водяных охладителей конвертерных газов. 293 4. Конвертерные паровые котлы-утилизаторы Схемы циркуляции Условия работы конвертерных котлов характеризуются значи тельными колебаниями тепловой нафузки. Это обусловило при менение схем с принудительной циркуляцией Принципиальная схема циркуляционного контура конвертер ного котла-утилизатора с принудительной циркуляцией дана на рис 20.2 Питательная вода / поступает в водяной экономайзер 2, а затем - в барабан-сепаратор J, где смешивается с котловой водой. Вода HJ барабана по опускным трубам 5 поступает в цир куляционные насосы б. Насосы подают воду в коллекторы экра нов и змеевиков 7, где установлены уравнительные дроссельные шайбы 8 Образующаяся в экранных трубах 9 пароводяная смесь поступает в барабан. Пар отводится в цеховой паропровод, а вода вновь поступает к насосам Однако, как показала практика, схема с принудительной цир куляцией значительно усложняет и удорожает эксплуагацию кот ла-утилизатора Расход электроэнергии на привод насосов состав ляет 4 кВт • ч на 1 т стали По мере совершенствования процесса кислородной продувки и улучшения гидродинамики фурм постепенно стали создаваться схемы котлов с комбинированной, а затем и с естественной цир куляцией Естественная циркуляция возникает под действием раз ности плотностей воды и пароводяной смеси в контуре. За рубежом естественную циркуляцию стали применять для кес сонов, представляющих две концентрические поверхности, размер охлаждаемой полости между ко торыми составляет 70-92 мм. Конструкции такого типа рабо тают при нулевом давлении в барабане-сепараторе с выбро сом пара в атмосферу. Затем было начато изготовление кот лов из мембранных труб на из быточное давление 3,2 МПа Отечественными исследовап. ,/,, м телями было установлено, что Рис. 20.2. Принципиальная схема цир'' куляционного контура конвертерного ^^ всех периодах конвертерной котла-ути^тизатора плавки при всех режимах естест- 294 венной циркуляции обеспечивается надежное охлаждение поверх ностей нагрева При дггительных простоях конвертера для стабилизации цир куляции применяют подачу насыщенного пара в трубы экранов и' конвективного пакета. Установка таких побудительных сопел делает схему комбинированной Комбинированной схема циркуляции становится и тогда, ког да нижняя радиационная часть котла-охладителя работает с при нудительной циркуляцией, а верхний стационарный газоход — с естественной Преимущество комбинированной схемы циркуляции прежде всего в исключении циркуляционных насосов и, в результате, в сокращении энергетических затрат на так называемые собствен ные нужды охладителя Конструкция теплообменных поверхностей Конструкция теплообменных поверхностей конвертерных кот лов определяется видом преимущественного теплообмена Так как на выходе из юрловины конвертера газы имеют температуру не ниже 1600°С, то эта часть котла всегда выполняется как радиа ционная, т е цилиндрическая, прямоугольная или многофанная шахта, экранированные стены которой воспринимают тепло из лучением. Охлаждение газов до температуры около 1000 °С Радиационная часть котла работает в условиях повышенной за пыленности, а значительный вынос жидких частиц в период про дувки может привести к зашлаковыванию и настылеобразованию. Поэтому в большинстве конструкций котлов радиационная часть делается из двух, отдельных секций. Первая радиационная секция, выполненная в виде гладкостенного или трубчатого кессона, под вижна и может отводиться в период перефутеровки конвертера. Как правило, кессоны имеют самостоятельный контур циркуля ции Конструкция кессона позволяет производить через него за сыпку сыпучих материалов и ввод кислородных фурм, а таюхе обеспечивает стекание шлака со стен обратно в конвертер. Угол наклона к вертикали 30-40°. Стационарную секцию радиационной части котла выполняют в виде вертикальной шахты или в виде Г- или П-образного газо хода В качестве поверхностей нагрева используют трубы малого диаметра (38 х 4 и 38 х 5 мм). В связи с этим котлы имеют ма лый водяной объем и малоинерционны в режиме значительных 295 колебании паропроизводительностй Трубы или мембранные па нели из них располагают вдоль направления движения газов В тех случаях, когда котел работает в режиме выработки пара для энергетических или технологических нужд, т е непрерывно, то в радиационной части котла размещают дополнительные устроис1ва для сжигания газообразною топлива (например, коксодоменнои смеси или природною газа) Подтопка котла действует непрерывно, но нагрузка юрелок регулируется автоматически в зависимости от выхода конвертерного газа Ралианионно-конвективпые котлы, предназначенные для рабо ты с дожиганием СО и утилизацией тепла, имеют опускной кон вективный газоход В нем размешаются испарительные и экономаизерные поверхности Haipeea По такому принципу скон струированы отечественные котлы типа ОКГ-100-2р и ОКГ-100-3, рабоиютие за конвертерами садкой 130—150 т Для конвективных поверхностей применяют трубы диаметром 25 х 3,5 и 32 х 3 мм Трубы размещают поперек потока газов в коридорном или niaxмагном порядке Температура газов перед конвективной поверхностью не пре вышает 1000-1100 °С, что обеспечивает их бесшлаковую работу Газоход конвективной части прямоугольного сечения Для очист ки поверхности нафева применяют виброочистку или импульс ную Аэродинамическое сопротивление котла составляет 2—3 кПа Газы на выходе имеют температуру около 300 °С При величине подюпки 20-30 МВт котлы вырабатывают 160-200 т/ч насыщен ного пара при давлении соответственно 2,5 и 4,6 МПа Такие котлы требуют установки 5-8 циркуляционных насосов Технико-экономические расчеты показывают, что с увеличени ем садки конвертеров до 300 т и более и интенсив}10сти продув ки кислородом до 5 MVMHH паропроизводительность коглов возрасгает до 800-900 т/ч, в результате чего возрастают капиталь ные затраты и эксплуатационные расходы В этих условиях технико-экономические показатели схем отвода газов в режиме без дожигания становятся более предпочтительными Для схем без использования гепла или с частичной его утили зацией предназначены котлы с радиационными поверхностями на грева Схемы отечественных котлов такого типа ОКГ-250 бд и ОКГ-250-2 с принудительной циркуляцией приведены на рис 20 3 Конструктивной особенностью этих котлов является отделяе мый кессон 1 кру1лого сечения Соединение со стационарным i-a296 Рис. 203. Схема котлоп-утилизаторои а - ОКГ-250 6д, б - ОКГ-250-2, 1 — кессон, 2 '- утотняюшни колпак, 3 — стационарный газоход, 4 — лннзоныл KOMncHCiTop, 5 — барабан-сепаратор зоходом 3 осуществ ляется с помощью линзового компен сатора 4 Трубы, об разующие экранную поверхность, диа метром 38 X 5 мм расположены с ш i гом 50 мм а в зоне кессона труби с приваренными между ними пластин 1ми обр иуют сплошную мембранную поверхность По высоте котлы риделяются HI 2—3 траллелы1ых контура Производительность котлов зависит от расход! кислорода на продувку Темпер 1тура пзов на выходе из тжого копп около 1000°С Поэтолу газы дшее охлаждаются впрыском воды и laзоход Аэродинамическое сопротивление радиационных коглов 200-300 Па 5. Водяное охла>1{дение конвертерных газов Поверхностное охлаждение Водяные охладители газов рщиационного типа работаю! на 1!екоторых заводах за конвертерами емкостью 80—100 т. Конструк тивно т\кие охладители состоят из кессона и сгационарнои части и предст'гвля!от собой Л или П образны!т газоход круглого сече ния экр!нированныи трубами диаметром 76 мм Кессоны работа ют с прямото !ным движением техни гескои воды и OTKpiîTbiM сли вом а в стационарной части трубчатого охладителя циркуляция воды осущест!шяется с помощью насосов Обычно подъемную и опускную lacTH охладителя подключают по воде пар,и1лельно На входе водч имеет около 100°С при давлений 1,6 МПа и нагрева ется до 180 °С и даже может достичь температуры насыщения. Пар выбрасывается в атмосферу или идет на подогрев сетевой волы Существенным недостатком этих схем является повышен297 пая коррозия экранных труб Причина зак^ночается и следующем При охла>вдении воды и контуре межлу продувками происходит снижение давления Через сбросную трубу из атмосферы подса сывается воздух, а это приводит к насын1ению воды кислородом Некоторым преимуществом обладает двухконтурная схема 1Юдяного охладителя. Водяные охладители конвертерных газов обеспечивают их ох лаждение перед газоочисткой до 750 °С Но, учитывая повсемес1Н0С офаничение водных ресурсов, низкую интенсивность тепло обмена и малую экономическую эффективность, следует водяные охладители отнести к числу Мсиюперспективных устройств Подача воды в газоход Способ обт^емною очл1Ждения ызов подачей воды в поток широко распространен тпк к ж обеспечивает быстрое с1Н1жение температуры при небольших энергетических затратах и простоте устройств Подача воды осуществляется через сопла непосред ственно в газоходы или в скрубберы, или в виде пленочного оро шения труб Вентури Установлено, что чем выше температура газов при KOTopoi производится подача воды с целью охлаждения, тем ниже от но сительные суммарные затраты Следовательно, целесообрино на чинать охлаждение в зоне более высоких температур Однако подача воды вблизи горловины конвертера усиливает настылеобразование, эрозию труб и опасна в связи с возможностью попа дания воды под металл и шлак, что приводит к взрывам Недостатком этого способа охлаждения по сравнению с охлаж дением в поверхностных теплообменниках является повышение объема влажных газов, что приводит к повышенно затрат на га зоочистку и удсшение газов Поэтому прибегают к комбинирован ному способу, сочетающему подачу воды в гаюход с поверхнос тным охлаждением 6 Исходные данные к расчету охладителей конвертерных газов Определение количества газов и воздуха Максимальное количество конвертерных .а_,ов V^^r^^ (м-^/мип можно определить но максим.и1ьной скорости обезуглероживания по формуле 298 кг,,, = /r-10(JCM)^^(7,, где Оц - количество чугуна в шихте, %; (dC/dt) — максимальная скорость выгорания углерода, %/мин; /Г = 1,86 — объем конвер терных газов при сгорании 1 кг углерода, м-'. ' Средний расход газов, м^мин, за время продувки / (мин) и выходе стали G (т): Kjp = 18,6^Cci-, где а — содержание чугуна, %; С — содержание углерода в чугу не, %, rj — выход годного, %. Обычно Fâx в 1,4-4-2,0 раза превышает средний расход V^p Количество подсасываемого воздуха в зазор ме>эду конверте ром и кессоном Vj^ (MVC) определяется по величине перепада давления мехчду окружающей'средой и газом на уровне зазора Ар по формуле /„=fleF^ ^ /р' где F — площадь зазора, а = 0,55-^0,65; е = 0,4 • Ар Расчетный состав конвертерного газа содергсит 90% СО, 10% СОз Расчет паровых котлоа-утилизаторов В расчетах паровых котлов утилизаторов конвертерных газов, которые выполняют по общепринятым нормативным методам теплового, аэродинамического и гидравлического расчета котель ных агрегатов, в качестве ориентировочных значений некоторых величин мохсно принять следующие Коэффициент загрязнения лучевоспринимающей пооврхности Степень черноты топки а, Эффективная степень черноты факела Оф Поправка к величине степени черноты топочной среды р Скорость rd30B в радиационной части охладителя w„, м/с Скорость газов в конвективной части охладителя w^, м/с 0,6 0,6 0,65 0,65 25—30 10-16 Расчет охлазхдешш впрыском воды Целью расчета является определение необходимого количества впрыскиваемой воды и объема влажных ызов. 299 Расход воды на впрыск на I м-' газа G^ определяют из уравне ния теплового баланса, кг/м^' G^ = ih - hK, где /[ = v(Cjjri), /2 = v(c^T2) - объемные энтальпии сухого кон вертерного газа соответственно на входе и на выходе из зоны охлаждения, кДж/м^; q^ — тепло, необходимое на нагрев и испа рение 1 кг воды от температуры Т^ до Т^, кДух/кг. q^ = 2480 + 1,97(7-2 - Т,) Объем влажных газов V^, м^' где VgJ^, VQ — соответственно объем влажных газов при PgJ^ и и объем сухого газа при PQ И TQ; Х — влагосодержание газов, кг/кг, X = 0,00Ы; 7?п, R^ ~ газовая постоянная соответственно водяного пара и сухого газа, 7?^ = 0,471 кДж/(кг*К); R^ = = 0,250^0,280 кДж/(кг-К) При коэффициенте расхода воздуха, равном единице, Л^ при нимает меньшее из этих значение Раздел VI ОЧИСТКА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ Глава 21 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЗООЧИСТНЫХ УСТРОЙСТВ Предельно допустимее концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосфере промышленных предприятий в виде аэрозолей и ток сичных газов регламентируются государственными стандартами и основаны на санитарно-гигиенических нормах В приземном слое атмосферы различных вредных веществ должно быть не более, ит/и\ пыли нетоксичной 15, оксида углерода 20, сернистого ангидрида 10 и оксидов азота 5 Одной из основных задач является сокращение так называе мых неорганизованных выбросов, которые поступают в атмосфе ру, минуя газоочистные аппараты. В основе' работы газоочистных аппаратов для очистки от газообразных компонентов лежат сорбционно-каталитические или химические методы, а аппаратов для улавливания аэрозолей - физико-механические. Аэрозоли принято различать трех видов пыли, дымы, туманы. Пыли — Мсшоустоичивые системы с твердыми частицами от 5 до 50 мкм и более Это частицы дисперсионного происхождения, т е образованные в результате механического дробления твердого ве щества Дымы - длительно устойчииые системы с частицами раз мером от 5 до 0,1 мкм и менее, образованными в результате воз гонки и конденсации паров. К туманам отнесены аэрозоли с жид кими частицами щирокого диапазона размеров, образованные в результате распыления или конденсации паров К металлургичес ким аэрозолям в основном следует отнести первые два. Задача пылеулавливания складывается из создания условии для укрупне ния, коагуляции частиц и осаждения в пылеулавливающем аппа рате. В практике пылеулавливания принята условная классифи301 кация методов очистки и аппаратов по природе используемых в них сил на механические и электрические. Большую фуппу пы леулавливающих аппаратов, основанных пл механических мето дах очистки, л«ожно разделить ил Д[)а вида сухие и мокрые. В мокрых используется э{1^фект смачивания частиц в результате столкновения с каплями или с пленкой введенной жидкости. К аппаратам сухою типа относятся устройства, использующие гра витационно-инерционные и фильтрационные принципы Это наиболее распространенные аппараты Рассмотрим теоретические основы работы аппаратов трех ос новных групп, сухих механических, мокрых и электрических Предварительно учтем следующие обище положения На частицу действуют поверхностные и массовые силы Одна из поверхнос тных сил - сила трения /J, на гршиие i аз-частица Сила F^ за ставляет частицу следовать по траектории, близкой траектории laзовою потока. Все другие силы стремятся изменить траекторию частицы К этим силам относятся* гравитационная F^, центробеж ная F^^, инерционная F„, электромажитная /"дм. действующая на заряд частицы, и др Кроме тою, частица участвует в процессах молекулярного взаимодействия, роль которых возрастает с умень шением ее размера К ним относятся диффузия, термо- и диффузиофорез и т п В общем случае уравнение движения частицы в векторной форме имеет вид dw _ _ _ _ т{П — = F, + F, + F,^ + / ; „ , Здесь сила инерции, стоящая в левой части, зависит от вели чины переменной во времени массы частицы т{1) и изменения вектора скорости w Обтекание частицы ином с относительной скоростью в боль шинстве ^случаев происходит в ламинарном режиме, при этом число Реинольдса Re < 1 Это дает основание считать силу тре ния по закону Стокса по формуле где ц — динамическая вязкость газа; vv^ - векгор скорости газа Для диапазона размеров частиц d = 10~'-10'"2 мкм пофешность расчета не превьшыег 10% 302 1 Сухая механическая очистка газов В схемах сухой механической очистки газов применяют оса дительные камеры инерционные пылеуловители центробежные и вихревые аппараты Осадительные камеры Осаждение пыли в газоходах и осадительных камерах проис ходит в основном под действием силы тяжести. Этому препят ствует сила сопротивления среды В начале осаждения, пока мало сопротивление, частица под действием силы тяжести начинает ускоренное движение. Рост скорости W прекращается, когда силы уравновесятся. Далее осаж дение идет равномерно с постоянной скоростью w^ Такой про цесс осаждения называется седиментацией Эту конечную уста новившуюся скорость несложно определить если выражение для силы тяжести приравнять силе Стокса -nf/^g (р - Рг) = :>nndWc, отсюда Wc = d^p - Pr)g/18p « d^Pg/l8ii = g-Cp, где Тр = d^p/l8ix — время релаксации с Через время Тр с начального момента движения частица начи нает падать со скоростью w^ Чем меньше время релаксации, тем быстрее частица приобретает установившуюся скорость Формула применима для частиц размером до 70 мкм В общем слу1ае скорость осаждения сферической частицы се чением / в результате действия внешней силы F может быть оп ределена из выражения или для силы тяжести и-с = i'^d (р - рг) g/3pr^, где коэффициент сопротивления С, зависит от режима обтекания По этой формуле можно определять скорость для частиц раз мером больше 70 мм. 303 Процесс осаждения частиц и движущемся потоке можно рас сматривать как резулыат сложения двух движении Этот прин цип лежит в основе расчета осадительных камер (рис. 21 1) На пример, время прохождения газа lepej К1меру высотой Л, ппфинои b и данной / при объемном р1сходе Q (MVC) составш, с i = hbl/Q. За это время частица, осаждаясь со скоростью w^, пройде! путь Л.,, равный и'^.г' Если Л., = И, то частицы размером d осядут в пределах камеры Минимальный размер частиц, которые ося дут в камере Зсщанных размеров, м '^mm = V l 8 Q n / ( p " Рг)яЛ/ Отсюда эффективность осадительнои камеры тем больше, чем меньше ее высота или больше площадь основания при том же i i ! объеме Эффективность осаждения или степень очистки Л = (Zi - о2>/) / <•! 1 Дг> <-2/<-1 где ?:i, Z2 ~ соответственно начальная и конечная запыленность Несмотря ил невысокую эффективность, простеицще аппара ты — пылеосадительные камеры — применяют довольно широ ко. В них осаждают крупную {d > 100 мкм) фракцию частиц с высокой плотностью Например, пыль, состоящая из оксидов железа (р = 4500 кг/м-') крупностью 100 мкм, улавливается та ким способом примерно вдвое эффективнее, чем пыль кварци тов (р = 2600 кг/м^) ыкои же крупносги К достоинствам пылеосадительных камер следует отнести про стоту конструкции низкую стоимость сооружения, низ кие потери давления по тракту Основной недоста Газ ток — большие размеры Эффект седиментации тем Бункера больше, чем меньше ско для пыли рость газа в камере Обычно расчетую среднюю скорость \ \ принимают около 1 м/с Рис. 21.1. C\e\ui осадитетьнон камеры Если в подводящем газоходе 304 рекомендуемая скорость 18—20 м/с, то отсюда поперечное сече ние камеры должно примерно в 20 раз превосходить сечение га зохода. Инерционные пъиеуловители Из вышесказанного следует, что наименьшей скоростью осажде1Н1я частиц из аэродисперсного потока будет скорость, вызван ная действием одной из внешних сил — силы тяжести. Чтобы по высить скорость и эффективность осаждения, необходимо увеличить внешнюю силу. Большей силой может быть сила инерции движущейся частицы или аналогичная ей центробежная сила. Рассмотрим действие инерционной силы в общем виде. Искриш1енис каншга или обтекание какого-либо тела — препятствия вызывают резкое изменение направления потока При этом про исходит смещение траекторий частиц относительно линий тока газа, по которым они следовали до этого возмущения (рис 21.2). Для простейшего случая движения сферической частицы мас сой т и диаметром d при выполнимости закона Стокса конечная скорость частицы w может быть определена из равенства силы инерции1 и силы сопротивления по уравнению m{dw/dt) = 3n\.id{w^ - w) или id^p/lS^)'(dw/dt) = w^ — w. Для удобства анализа приведем это уравнение к безразмер ному виду Для этого' введем относительное смещение частицы, например, по оси х для случая одномерного движения, в виде X = x/l,^ где / — характерный размер препятствий, а скорость частицы Щ = dx/dt Введя начальную скоросгь 1ютока до его возмущения препят ствием щ, выразим относительную скорость И^ = W^/WQ Время в относительных единицах будет т = iWQ/l)t. После подстановки получим уравнение движения частицы в безразмерном виде 2{d'^pwQ/\^Yil){d'^X/dx^) + {dX/d-c) - Ж^ = О 2S\k{dW/dx) + W= W^. 305 Аншипическою решения и общем виде noRa получить не уда лось, однако уравнение представляет интерес лдя ан.иииа движе ния. Множителем первою члена является безразмерный параметр Stk, характеризующий инерционность частицы или отношение инерционной силы, действующей на частицу, к силе гидравли ческого сопротивления среды Он называется критерием Стокса Stk = (f2piVo/18n/. Если частит бесконечно м^ишй массы, то Stk -> О При этом из уравнения движения получаем ^F = W^ Равенство сост 1вляющих скоростей газа и частиц означает, что » этом случае траектории пстиц совпадают с линиями тока 1аза, т.е. осаждения частиц не будет Очевидно, есть такое крити1еское значение критерия Стокса Stk^p, ниже которого частицы не будут сходить с линий тока и осаждаться на стенке канала или обтекаемом препятствии Эффективность инерционного улашншания будет велика для тех частиц, для которых Stk » Stk^В разнообразных конструкциях инерционных пылеуловителей осуществляется резкий поворот потока на угол от 90 до 180°, что вызывает инерционный эффект (рис 21 3) При этом после по- 4!h/I Газы Рис. 21.2. Схема движения частиц при обтекании потоком препятствия 1 - пиния тока газа, 2 - траектория инерционном частицы, 3 — тело-препятстиие 306 Рис. 213. Схема iniepuiiOHHoro пылеуловителя 1 — перегородки, 2 - траектория газа, 3 - отиод пыли ворота гютока стремятся создать такое изменение вектора скоро сти, чтобы восходящий поток имел скорость меньше скорости се диментации. Подобные пылеуловители устанавливают в качестве ступени грубой очистки за доменными печами. Частицы более 30 мкм улавливаются в них на 70—80% Гидравлическое сопротивление таких аппаратов до 300 Па. Одним из простейших таких уст ройств является шлаковик мартеновской печи. Инерционный приншп! осаждения действует в жалюзииных ап паратах, которые широко применяют на электростанциях для улав ливания золы котельных агрегатов и в системах промышленной вентиляции, а также в процессах фильтрации в пористых фильтрах. Циклоны Инерционный эффект многократно усилив ются при вихревом вращении газового потока который осуществляется в циклонах Циклоны — наиболее распространенные в практике пылеулашшвания аппараты С высокой эффективностью в них осаждаются частицы крупностью от 15 мкм и выше. При вращении потока на частицу действует центробежная сила ^ц, Н F^^ = inw\/r, где т — масса частицы, кг, Wj, - тангенциальная составляющая скорости потока, м/с; г — радиус вращения частицы м Движение частиц в циклоне имеет сложный характер, в связи с чем несмотря на многочисленные исследования, оно остается слабо изученным. Принципиальная схема работы циклона приведена на рис 21 4. Благодаря тангенциальному вводу, газ движется по спиральной траектории, причем во внешней спирали вниз, а по внутрен ней — вверх и удаляется'через выхлопную трубу. Частицы пыли отбрасываются к стенке, движутся по ней вниз и собираются в бункере. Если рассмотреть упрощенную схему движения, то первой сгадией обеспыливания является процесс выведения частицы из по тока на стенку циклона Конечная радиальная составляющая ско рости, которую может приобрести частица! определится из усло вия равенства центробежной силы и силы сопротивления 307 Для сферической частицы в области, где сила сопротивления определяется законом Стокса, равенство сил имеет вид nd^p (w^/r) = Зяц^н'р Отсюда конечная скорость осаждения Wp, м/с Wp = ^/2р/18ц' w^/r. Здесь введены серьезные допущения, частицы не взаимодей ствуют друг с другом, частица осаждается нл стенке при первом касании; тангенциальная составляющая скорости частицы посто янна, не зависит от положения частицы и равна скорости газа; сопротивление движению частицы в газе подчиняется закону Сто кса. В задачу расчета входит определение крити lecKoro диаметра частиц d^p, больше которого улавливание эффективно Для ориентировочных расчетов можно применять формулу Дениса: 3 ^кр = 2 -^Dlii/llHip - pr)wj[l - (D,p/D^)^] , где d^p — диаметр критический, м; Н, D^, D^ — соответственно высота циклона, его диаметр и диаметр выхлопной трубы, м, vv^p — скорость газов на входе в циююн, м/с Отсюда следует вывод, что эффективность осаждения возрас тает с уменьшением диаметра циклона Затраты энергии на очи стку газа в циклоне определяются величиной его гидрашшческого сопротивления. Многочисленные исследования различных конструкций цикло нов легли в основу нормализованного ряда циклонов, разрабо танных институтом НИИОгаз, цилиндрического и конического типов Нормативный метод расчета, разработанный для этих цик лонов, дает возможность выбрать тип и размер цикгюна, удовлет воряющий требуемой степени очистки. Сопоставление результа тов экспериментов дает удовлетворительное согласие с расчетны ми данными. .Циклоны конструкции НИИОгаза цилиндрического типа ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦН-154 хуже улавливают мелкие частицы, 308 чем циклоны конические, но обладают меньшим гидравлическим сопротивлением Они относятся к типу высокопроизводительных Как показывают расчеты, при условной скорости газа (средняя скорость на сечение аппарата) от 2,2 до 5,0 м/с в них хороню улавливаются неслипающиеся частицы размером более 5 мкм. В конических циклонах при больших потерях'давления (1,25-1,5 кПа), достигает ся высокая эффективность улавливания мелких частиц Они относятся к типу вы сокоэффективных, но малопроизводитель ных аппаратов Настицы размером более 5 км улавливаются в них при более низких условных скоростях — от 1,5 до 3,5 м/с. При больших расходах очищаемою газа, чтобы не увеличивать диаметр циклона, применяю? групповую параллельную компо новку от 2 до 8 циююнов. Как правило, фуппы имеют общий коллектор запыленно го' или фязного газа, общий сборник чис тою газа и общий пылевой бункер. Попытки снизить гидравлическое сопро тивление аппарата привели к созданию кон струкции прямоточною циклона Однако по эффективности улавливания мелких частиц он уступает обычному циклону Для повышения эффективности очистки от высокодисперснои пыли при больших расходах газа применяют батарейные цикло ны. Они состоят из корпуса, в котором объединено в группу большое число цик лонных элементов диаметром 100, 160 или 250 мм, и общего пылевого бункера Цик Рис. 21.4. Схема дви лонные элементы могут быть обычного или жения и осаждения в циклоне прямоточного типа. В большинстве конст частиц / — подводяший пат рукции применяют обычные циклонные рубок, 2 — выхлопная элементы с направляющими завихрителями труба, 3 — цилиндри ческий участок корпу типа «винт» или «розетка». Оптимальная са циклона, 4 — кони скорость газов для каждого элемента состав ческий участок, 5 — бункер пыли ляет 3,5-4,75 м/с 309 в эквивалентном по диаметру циклоне степень улашннмния пл 20-25% выше, чем в циклонном элементе Однако, в целом при сопоставлении высокоэффективною циклона с эквивалентным батарейным циклопом тон же производительности, последний имеет существенный выифыш в габаритах ^ При использовании спетишьных запштных покрытии внутрен них поверхностей батарейные циклоны успешно применяют /шя улашпшания неслипаютихся абразивных пылеи в огнеупорном и т ломерационном производствах, а также для улавливания золы ТЭЦ Расчет батарейных циклонов сводится к определению числа циклонных элементов Расчет каждого элемента выполняется ана логично расчегу одиночных циклонов К недостаткам багареииых циклонов относятся повышенная метсшлоемкость, большие по сравнению с одиночными циклоналп1 эксгшуатационные расходы и приведенные затраты 2. Очистка газов фильтрацией 13 процессе фильтрации потока газа через пористую перегород ку на ней задерживаются частицы, взвешенные и потоке Струк тура пористой перегородки может быть весьма разнообразной* тканевые материалы, волокнистые, зернистые, пористая керами ка Осаждение частиц на препятствиях — элементах слоя — явля ется результатом суммарного действия на частицу сил инерции, броуновской диффузии, электрических сил и эффекта каса1Н1я (см. рис 21 2) В зависимости от размеров частиц, скорости фильтрации, величи1П>1 и формы элементов фильтра действие одного из пере численных видов осажце1Н1я будет преобладающим Из опыта сле дует, что частицы размером от 0,1 до 0,5 мкм обладают наиболь шей проникаюшеи способностью, плохо улавливаются фильтрами Со временем на поверхности фильтрующего слоя накапливает ся слои осажденных частии, роль которою в процессе фильтра ции становится основной, эффективность очистки возрастает Но вместе с тем растет и гидравлическое сопротивление фильтрации laja При этом в зависимости от типа фильтра он должен подвер гаться полной замене или ре1енераиии, те очистке от пыли Фильтры \южно разделить на гри категории I) фильтры тонкой очистки, которые применяют для улавли вания токсичных частиц и ульгратонкои очистки воздуха для особо чистых производств Концентрация пыли па входе не бо310 лее 1 MI/M^, скорость фильтрации до 10 м/с. Это волокнистые фильтры различных конструкций; 2) фильтры для очистки воздуха приточной вентиляции, кото рые работают с концентрацией пыли на входе до 50 мг/м^ и со скоростью'фильтрации до 3 м/с, 3) промышленные фильтры, которые предназначены для тех нологической и санитарной очистки промышленных газов с на чальной запыленностью до 60 г/м^. Это в основном тканевые и зернистые фильтры. Для очистки воздуха в системах приточной и вытяжной вен тиляции применяют грубоволокнистые фильтры из стекловолок на производительностью от 200 до 1500 MVH С сопротивлением до 150 Па, а также разнообразные конструкции'кассетных и мас ляных фильтров Для очистки воздуха перед турбовоздуходувками доменных печей используют масляные самоочищающиеся'сеточ ные фильтры марки КДМ. Подача масла на сетки обеспечивает непрерывную их регенерацию. ' Тканевые фильтры — это наиболее распространенные и высо коэффективные пылеуловители Ткань служит основой для фор мирования и удержания фильтрующего пылевого слоя. В этом сосюит принципиальное отличие процесса фильтрации в тканевых фильтрах от процесса в волокнистых фильтрах. В типичных тка нях размер сквозных пор между пересекающимися нитями диа метром 300—700 мкм сосгав)1яет 100—200 мкм Эти отверстия пе рекрываются волокнами ворса, что способствует формированию фильтрующего слоя пыли Микроструктура его становится очень сложной. В таком слое роль механизма касания в суммарном эффекте существенно возрастает, Обычно применяют материалы двух типов* ткани, изготавлива емые на ткацких станках,' и войлоки. Для целей фильтрации ис пользуют хгюпчатобумажные, шерстяные, нитроновые^ лавсановые ткани и стеклоткани. Для температур 1000 °С и более есть опыт применения металлоткани Срок службы материалов' зависит от температуры газов и свойств пылей и достигает 24 месяцев Тер мостойкость стеююткани не превышает 300 °С, а синтетических — 140 °С. Аэродинамические свойства чистых тканей характеризуют ся скоростью фильтрации или величиной воздухопроницае.мости при стандартном перепаде давлений 49 Па. При обычных скоро стях фильтрации от 0,3 до 2 м/мин сопротивление применяемых чистых тканей составляет от 5 до 40 Па. 311 Тканевые фшп>тры различаются по многим признакам Основ ные из них форма фильтрующего элемента, способ регенерации, вид ткани Наиболее распространенной формой фильтрующего элемента является сшитый из ткани цилиндр — рукав Схема работы ру кавного фильтра приведена на рис. 21 5 Как правило, фильтр состоит из нескольких камер (до 10), в каждой камере от 10 до 100 рукавов Отношение диаметра рукава к его д;пн1е обычно 1 20 или 1.16. Рукава выполняют диаметром 127 или 300 мм. Запыленный поток поступает внутрь рукава При подаче laja снаружи рукав снабжается каркасом По мере накопления пыле вого слоя аэродинамическое сопротивление растет и достигает такою значения, когда необходима регенерация Регенерация производится встряхиванием рукава шш обратной продувкой,воздухом В большинстве конструкции применяется со четание обоих способов Хорошие результаты даег обратная струйная продувка, при которой вдоль рукава вверх и вниз дви жется полое кольцо. Из радиальных отверстий кольца навстречу фильтрующему газу истекают струи сжатого воздуха, которые выдувают осевшую пыль Регенерация ведется посекционно Сек ция па 20-50 с отключается от газового потока Теоретические методы расчета тканевых фильтров еще не доведены до их практическою применения и такие параметры работы фильтра, как скорость филь трации, межрегенерационныи период, эффективность очистки и другие определя ются опытным путем. Выбор типоразмера филь тра выполняется нл основа нии приближенною расчета Рис. 21.5 Схема работы pjK.iiiiioio фпитра / - трубка подачи воздух! лля ptieHLpuuni, 2 — регенерация рукава, 3 - каркас рукав i, 4 — бункер пыли, 5 — рпСомие iiVKani 312 необходимой площади фильтровальной ткани S, м^. Для этого оп ределяют обший расход запыленных газов с учетом подсосов по тракту Кр м^/мин и расхода на продувку F„, м^мин Затем в за висимости от типа ткани выбирают величину газовой нафузки или скорость фильтрации w, MV(M^ • мин). Рекомендуемые значе ния W следующие, MVCM'^ ' мин), для шерстяных и хлопчатобумаж ных тканей 0,6-1,2; для стеклянных и синтетических 0,3—1,0. Таким образом, площадь фильтрации .Уф в работающих секци ях будет равна, м^: -Уф = (К+ ЮМ а с учетом площади регенерируемой ткани Sp необходимая пло щадь фильтра составит, м^: Выбор типа ткани, способа регенерации и типа фильтра про изводится с учетом технико-экономических соображении и опы та эксплуатации аналогичных установок. На заводах цветной металлургии распространены фильтры типа РФГ и укрупненные типа УРФГ, разработанные институтом Гипроцветмет. Их применение эффективно при переработке полиме таллических руд, где пыль является ценным продуктом Степень очистки 96-§9% Из опыта эксплуатации рукавных фильтров на ряде заводов следует, что при начальной концентрации пыли 5—50 г/м-' запы ленность на выходе их составляет не более 20-50 мг/м'', что в 2-3 раза меньше допустимой концентрации пыли в выбрасывав мых газах К основным недостаткам тканевых рукавных фильтров следует отнести следующие* большие габариты, обусловленные низкими скоростями фильтрации или газовой нафузкой на ткань; офаниченная стойкостью ткани; температура очищаемых газов Зерни стые и металлокерамические фильтры, состоящие из слоя частиц сферической и другой формы, применяют для очистки газов при высоких температурах и для афессивных сред. Фильтры могут быть в виде слоя сыпучих зерен, либо в виде спеченной порис той структуры. Осаждение пыли аналогично процессу в волокнистых фильт рах. В сыпучем слое зерен частицы осаждаются во всем объеме 313 слоя в фильтрах, состоящих из прессованных мет^шлических порошков, имеет место и образование поверхностною слоя пыли, как в тканевых фильтрах Более трудный, чем для тканей, процесс peienepannn этих фильтров ограничивает их применение в промышленности при очистке болыних объемов газов 3. Мокрая очистка газов Принцип мокрой очистки газа основан на контакте запылен ною потока с жидкостью При этом в большинстве случаев, KOIда 1емпература газа и жидкости различна, пылеулашп1ванию со путствуют тепло- и массообменные процессы. Контакт газа с жидкостью способствует процессу абсорбции газовых компонен тов Таким образом, с помощью аппаратов мокрого типа решают комплексную задачу: охлаждение, пылеулавливание и в некоторои степени очистку от вредных газообразных примесей Поверхность контакта пиовото потока и жидкости и аппарате люжет быть в виде пленки жидкости, пузырьков газа, барботирующего через жидкость, и капель диспергированной жидкости Наиболее развитой является поверхность капель Осаждение частиц на пленку жидкости происходит в скруббе рах с орошаемой насадкой и в масляных самоочищающихся фильтрах КДМ Необходимый запас кинетической энерши ча стицы для осаждения ее на пленку зависит от размера частицы и yuia смачивания Здесь основную роль играют силы инерции и гравитации, те захват эффективен только для крупных частиц Аппараты такого типа имеют ограниченное применение В условиях барботажного или пенного аппарата ансщиз расче тов осаждения частиц показывает, что в пузырьках диаметром 0,2—1,0 см при скорости их подъема 0,28 м/с интенсивность инер ционною осаждения высока и на порядок выше фавитационноrOj С ростом размера частиц и с уменьшением размера пузырь ков эффективность улавливания растет. Высокодисперсная пыль улашшвается хуже Поэтому пенные аппараты не получили ши рокого распространения и металлурши Осаждение частиц на каплях происходит за счет действия мно гих сил Однако и в этом случае основная роль принадлежит инерции Инерционный эффект захвага капель частичек пыли ле жит в основе процесса кинематической коагуляции Скорость и эффективность кинематической коагуляции зависит oi относн314 тельной скорости частиц и капель — прямо пропорционально, и обратно пропорционально от отношения их размеров. Диапазон размеров улавливаемых частиц увеличивается с повышением ско рости. Коагуляция может протекать более интенсивно, если час тицы или капли несут электрический заряд. Наиболее благоприятные условия для кинематической коагу ляции протекают в горловине трубы Вентури, где относительная скорость частиц достигает 100 м/с и более. В промышленности, в частности в металлургии, широко при меняют аппараты, где осаждение частиц происходит на каплях. Распыление жидкости производят с помощью форсунок (форсу ночные скрубберы) или за счет энергии турбулентного газового потока (скрубберы Вентури). Форсуночные оросительные скрубберы (рис. 21.6) способству ют охлаждению потока и очистке от крупной пыли раз.мером более 10-15 мкм, т.е. подготовке газа к последующей тонкой очистке В верхней части скруббера размещается несколько по- А-А Рис. 21.6. Схема полого форсуночного скруббера ' Г- водяной коллектор, 2 — форсунка, 3 — гадрозатвор ' 315 ЯСОН орошения с большим числом форсунок, рас1п>1ляюии1Х воду равномерно по сечению. Газ подводи гея снизу и со скоростью 0,7-1,5 м/с поднимается вверх Расход воды (-8-10 л/м^), распо ложение форсунок и скорость газов определяют с учеюм охлаж дения ызов обычно до 40-50 "С при увлажнении до состояния насыщения и предотвращения камельною уноса Форсунки ipyбого распыливания обеспечивают оптимштьнын jvni такою про цесса диаметр капель с?^ = 0,б-1,0 мм Шлам непрерывно уд.шяетсн 113 аппарата через гидрозатиор в Kaiuui — шламопровод Расчет теплообмена в скруббере основан на уравнении тепло вого баланса и теплоотдачи от газа к воде Значительную труд ность при этом представляет нахождение объемною кооффициента 1еплоотдачи, обычно определяемого экспериментûibHO Гид равлическое сопротивление скрубберов не более 150-200 Па При тангенциальном подводе газа можно повысить э(1)фекг очистки Такие центробежные скрубберы в некоторых случаях применяю! не только как аппараты для подготовки кпа перед тонкой очис ткой, но и как самостоятельные пылеуловители Фракционным коэффициент очистки в них составляет для частиц 5, 10 и 20 мкм соответственно 80, 90, 95% Тангенщишьныи подвод газа располо жен в нижней части скруббера Орошение производится форсун кой во входном патрубке и подачей воды ил стенку в виде плен ки. Укрупненные частицы отбрасываются центробежной силой на стенку и улавливаются стекающей вниз пленкой воды Условная скорость газа на сечение аппарата принимается 4,5 м/с, cKopocib во входном патрубке 11-12 м/с, максимальный диаметр 3,3 .м, высота Я = ( 3 - 4 ) Д м. Гидравлическое сопротивление скруббера конструкции теп;ютехнического института (ВГИ) составляет 400-500 Па, а при ус тановке. гак называемой мокрой прутковой решетки во входном патрубке - до 800 Па Удельный расход воды, включая орошение решетки, j0,l л/м^ газа Скрубберы Вёнтури наиболее эффективные из всех типов мок рых пылеуловителей и наиболее распространенные в схемах про мышленных предприятии Скруббер Вентури состоит из трубы Вент-ури, в которую вводится орошающая жидкость, и специсшьного устройства для улавливания капель и BMBOiia шлама В.трубе Вентури при высокой скорости газа в горловине (100-150 м/с) происходит дробление капель жидкости и осаждение на них час тиц пыли Коагуляции подвергаются даже частицы менее 1 мкм 316 Рис, 21.7. Схема скруббера Вентури 1 — конфузор, 2 — горловина трубы, 3 — диффузор, 4 — каплеуловитель, р — даапение и трубе Вентури, w^ — скорость газа, w^ — скорость капель Очищенный газ На схеме (рис 21.7) пока зано типичное изменение скорости газа и капель по длине трубы Вентури. Отсюда видно, что причина взаимо действия фаз (дробления) и коагуляции частиц на кап лях — большая относительная скорость. Максимальное ее значение приходится на учас ток горловины трубы. Для случая распыления воды воздухом средний диаметр капель •*К' мм* d^ = 16050/Wr + 9,75 105-m''5 где щ — скорость газа относительно пыли, м/с, т — удельное орошение м^ воды на м^ газа Как показывает опыт, эффектив ность скруббера Вентури растет с увеличением количества рас пыляемой воды и критерия Стокса Stk Фракционную эффективность можно оценить с помощью эм пирической зависимости П, = 1 - ехр {-щк Stk0>5), где Stk = pwdj/iid^. — критерий Стокса; d, — диаметр частиц /-той фракции, мкм; к — коэффициент, зависящий от эффектив ной длины' и диаметра горловины /эф=/+0,5 о^^. Для 100</зф<40р м величина к = 1,25^1,56. ' Гидравлическое сопротивление скруббера Вентури складывает ся из сопротивления двух элементов: трубы Вентури и каплеуловителя Основную долю составляют потери в трубе Вентури Ар, которые учитывают потери сухой трубы Вентури и потери, обус ловленные вводом воды. Па*' ^Р = (Qc + ^ж'«Рж/Рг)(РгИ^/?). 317 где (^— коэффициент сопротивления сухой трубы, Сс - 0,12-0,30; Q^ — коэффициент, учитывающий ввод жидкости, 1^^ = 0,6-1,15. По гидравлическим характеристикам промышленные скрубберы Вентури условно делятся на высоконапорные и низконапорные. Первые применяют для улавливания высокодисперсной пыли, ич гидрашщческое сопротивление достигает 10-20 кПа, вторые — как аппараты для предварительной очистки или для улавлт?ания крупных частиц, их сопротивление не превышает 3-5 кПа Существует мною конструкций скрубберов Вентури, отличаю щихся формой сечения горловины, способом ввода жи;1Костеи, устройством регулирования сечения горловины, конструкцией каплеуловителя (рис. 21 8) Широкое распространение получают ко}1струкции у1П1фицированпою ряда скрубберов с кольцевым сечением горловины, раз работанные институтами НИИОгаз и Гипрогазоочистка Две мо дификации этою ряда охватывают производительность по газу от 2 до 500 тыс м-^/ч Для всех типоразмеров труб расход орошаю- Рис 21.8. Скрубберы Вентури с регулируемым сечением горлоиииы а — прямоугольным, б - круглым, / — подвижные створки, 2 — подиижныи шток, 3 - каплеуювитель, 4 - форсунка 318 щей жидкости постоянен для всего диапазона расходов газа и равен 0,8 л/м^. Центробежные каплеуловители при работе в оптимальном ре жиме обеспечивают содержание капель в газах на выходе ниже 75-100 мг/мЗ. Теоретический расчет мокрых пылеуловителей сложен. В прак тике пьшеулавливания при выборе типа мокрого аппарата и опре делении его эффективности пользуются более простым, так назы ваемым энергетическим методом расчета Институтом НИИОгаз разработана нормаль расчета. В основе метода лежит допущение, что эффективность аппарата при улавливании определенного вида пыли зависит только от удельного расхода энергии. В расчете применяют эмпирические величины для пыли различных произ водств' 4. Элеетрическая очистка газов Электрическую очистку, как правило, применяют в качестве вто рой, тонкой ступени очистки. Этот способ имеет более сложное конструктивное воплощение, чем способ механической очистки. Электроочистка способна работать с эффективностью 99% и д;1же 99,9%, улавливать частицы широкого диапазона размеров вшють до субмикронных при концентрации пыли на входе до 50 г/м'^ и выше. Процесс электроосаждения производится в электрофильтрах и состоит из двух стадий, зарядки и осаждения (рис 219) В больКоронирующие электроды (отрицательной полярности) Положительно -'"' ""-^ заряженные ионы ,^ . . , , щ/^ iS^S.® Частица частиц пыли yOi i \ \ ОтрицательноJP У Д ® Q ^ заряженные © © Л V ф ^ ионы ё) А ч:» А 2> А \ „ Поток газа / f ^ © " V - i ^^Траектория ! fv i \ N*. частицы I 1и 1 ; V пыли ч Осадительные электроды Рис. 21,9. Схема зарядки и осаждения частиц в поле коронного разрааа электрофильтра 319 И1инстве конструкции обе стадии совмещены в пределах системы разноименных элекфодов коронируюших и ос1Щительных Осадительные элекфоды заземлены, а на изолированные коронируюшие электроды подается погештал высокою напряжения от aiрегата питания. Конструкция электродов такова, что между ними образуется резко неоднородное электрическое ноле, что является условием образования коронно!о разряда В результате в межэлектродном пространстве обр.пуется униполярный объем ный заряд, состоящий из движущихся к осадительиому электроду ионов На поверхность частицы, поступающей в межэлектродныи нромежугок, осаждаются ионы, сообщающая ей заряд определен ной величины. Поле напряженностью Е с момента приобретет1Я частицей заряда q действует на нее с силой F, равной qE, Н После достижения частицей осааительного электрода ее заряд стекает, цепь замыкается Частица удерж1шается на электроде си лами адгезии до тех пор, пока образующийся слои осаж1;енных частиц, не достигает такого размера, ко1да его необходимо уда лять В больщинстве случаев удаление производится механичес ким встряхиванием электродов, а в мокрых электрофильтрах — периодической или непрерывной обмывкой электродов Основные типы промышленных электрофильтров - пластин чатые и трубчатые В пластинчатых система электродов схематич но представляет собой ряд коронирующих проводов между плос кими пластинами, в трубчатых — система коакси.и1ьиых цилинд ров или провод внутри цилиндра Коронный разряд возникает при достижении определенной ве личины напряженности электрического поля Этому соошетсгвует критическое напряжение, подаваемое чл электроды UQ В си стеме электродов трубчатою фильтра критическое напряжение начала коронною разряда определяется по формуле Щ= EQRI In {R2/RO, для пластинчатою фильтра Щ = E^R^\nH/d- 1п(2иЛ,/^)1, где ^Q — критическая напряженность элекфического поля, В/м, i?i, /?2 — радиус коронирующею и оса;шгельною элекфода, м, Н — межэлектродное расстояние, м, d — расстояние между сосед ними коронирующими электродами, м 320 в промышленных электрофильтрах значение критического на пряжения находится в пределах 20-40 кВ. С увеличением напря жения выше UQ соответственно растет и ток короны, интенсифи цируется процесс зарядки и осаждения частиц При величине Ц,р наступает пробой межэлектродного промежутка Наибольшая эф фективность элекфофильтра достигается при напряжении, близ ком к пробойному. Величину предельного заряда q„ (Кл), приобретаемого под воз действием поля Е частицей диаметра d^, можно рассчитать по формуле где А — коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств материала частиц Здесь Е < Е^^ Для большинства промышленных пылей зарядка происходит за 1-2 с'и не лимитирует процесс улавливания В первом приближении можно считать, что движение частицы определяется действием только двух сил. электрической и силы сопротивления среды по Стоксу. Тогда предельная скорость дрей фа частицы при условии равенства этих сил будет равна, м/с* W., = ( 9 т ^ ^ / 3 л й ^ ч ) == •^^^.Р где Q — поправка Канингема для субмикронных частиц Отсюда видно, что скорость дрейфа прямо пропорциональна квадрату средней напряженности поля и надо стремиться держать напря жение на электродах близким к пробойному. К сожалению, количественная оценка скорости дрейфа на ос нове приведенных формул имеет небольшую точность В теоре тическом расчете не может быть учтено все множество факторов, влияющих на скорость частиц Степень улавливания частиц для данной фракции пыли хоро шо аппроксимируется зависимостью, предложенной Дейчем. П, = 1 - exp(-2w^L/Wj.H), где jVj, — скорость газа в активном сечении электрофильтра, м/с; и'ц — скорость дрейфа частиц размером d^^ м/с; L — активная длина электрофильтра, м; Н - расстояние между коронирующим и осадительным электродами (для трубчатого фильтра — радиус трубчатого электрода), м. 11-5041 321 При выборе нужного типоразмера электрофидыра часто пользуются опытными данными фильтра, работающего н aniUioгичных условиях, с известной степенью улавливания, или полу ченными ил модели При выборе ан.шога учитывают характерис тики пылегазовою потока, скорость газа в активном сечении, способ встряхивания электродов, электрический режим аппарата Конструкции электрофильтров разнообразны, гак K.IK определя ются 1ехно1Ю1ическими условиями его работы. К ним относятся. состав и свойства пьип! и газов, их температура, давление и влаж ность, степень очистки, условия компоновки газового тракта и др. Все типы электро(1)Ильтров можно классифицировать по не скольким признакам' по размещению зон зарядки и осаждения — на двухзонные, 1де зарядка происходит в ионизаторе, а осаждение в осадителе, и однозонные, где совмещены зоны зарядки и осаждения Первые применяются ограниченно в основном для тонкой очистки воз духа в схемах аспирации, вторые - в большинстве отраслей про- ^ Рис. 21.10 Схема эпектрофипьтра / — корпус, 2 — rajop.icnpeaennTuibiiot.' усгроистио, 3 - ос.щительиьт лектрол 4 — короппруюший 3/itKTpofl, 5 - ^строистио апя полнее.) коронпр\Ю1П11Ч эпекгродои, 6 — 1ЮК ;пя обс1>жнвпн11я 322 мышленности для очистки газов, как технологических, так и выб расываемых в атмосферу; по направлению газового потока в активной зоне — на гори зонтальные и вертикальные; по способу удаления пыли с электродов — на сухие и мокрые; по количеству последовательно расположенных электрических полей - на одно- и многопольные; по числу параллельных секции фильтра — на односекционные и миогосекционные; по типу электродной системы - на трубчатые и пластинчатые. Кроме того, электрофильтры различной производительности отличаются друг от друга высотой электродов, длиной активного сечения полей по ходу газа, площадью активного сечения Схема электрофильтра приведена на (рис 21.10). С 1970 г. промышленностью освоен выпуск унифицированных сухих горизонтальных электрофильтров типа ЭГ трех габаритов, которые имеют высоту электродов соответственно 4; 7,5 и 12 м. Длина электрического поля — 2,5 м В зависимости от площади активного сечения бывает от двух до четырех полей. Осадительные электроды широкополосные С-образного сече ния, коронирующие — ленточно-игольчатые. Межэлектродное расстояние — 275 мм. Коронирующие электроды с шагом 180 мм объединяют в раму с автономным подвесом, системой встряхива ния и подводом высокого напряжения Типы электродов приве дены на рис 21 П. Корпуса выполняют со щелевыми и пирами дальными бункерами Рис. 21.11. Типы промышленных электродов а — коронируюшче, б — осадительные, / — круглый, 2 — штыковой, 3 — ленточно-нгольчатый, 4 — С-образные пласти ны, 5 - гладкие пластины и* 323 Электрофильтры ЭГ применяют дли очистки ызов при темпеpaiype до 250°С Допустимое дашгение внутри корпуса до 0,5 кПа или разрежение 3,5 кПа AiperaTbi питания, снабжающие электрофилыры выпрямлен ным током высокого напряжения (60-80 кВ), являются неотъем лемой частью установки. В состав афегата питания входит повысительныи трансформатор, полупроводниковый выпрямитель, реlyjiHTop напряжения и пульт управления. На один электрофильтр устанавливают обычно столько агрегатов, сколько в нем гюлей, 1 е.,каждое электрическое поле имеет самостоятельное питание Регулятор напряжения служит для поддержания ею на макси мально высоком предпробивном уровне. Пробивное напряжение, зависящее от многих факторов и прежде всего от величины и параметров пылегазового потока, колеблется в значительных пре делах Поэтому эффективность работы электрофильтра в значи тельной степени зависит от регулятора Хорошие результаты дают регуляторы, основанные на искро вом принципе, когда напряжение поддерживается на уровне ис крового разряда и не допускается развитие дугового разряда Удельный ток короны /, приходящийся-на единицу длины коронирующего электрода, определяют расчетным или эксперимен тальным путем (обычно / =0,18—0,25 мА/м). По суммарной дли не электродов, приходящейся на одно поле /, можно установить номинсшьный ток афегата питания, А / = //-ЮЗ, и выбрать агрегат питания На работу электрофильтров оказывают влияние различные (факторы Среди них скорость газов, начальная концентрация пыли, параметры газа, зафязн'ение электродов, величина удель ною электросопротивления пыли и др Оптимальная скорость газа, уста1ювленная из опыта эксплуа тации электрофильтров, для больиншства типов пылеи составля ет 0,8—1,5 м/с Она определяет время пребывания частицы в активнон зоне фильтра и имеет решающее значение для вторич1Юю уноса пыли. Электрическая прочность межэлектродного промежутка, кото рую характеризует величина пробивного напряжения, зависит от параметров и состава газа Рост плотности и снижение температу324 ры газа ведут к увеличению [/„^ и устойчивости коронного разря да. Положительное действие оказывает повышение влажности газа Существенное значение имеют характеристики дисперсной фазы: размер частиц, их удельное электрическое сопротивление (УЭС), способность к слипанию и др. По величине УЭС пыли принято делить на три группы: 1) низкоомные пыли — УЭС ниже Ю'* Ом «см. При оса>:сдении частицы пыли мгновенно отдают свой заряд и могут быть снова вынесены потоком, если их адгезионные свойства низки; 2) хорошо улавливаемые пыли с УЭС от Ю'' до ]0'° Ом-см, Скорость их разрядки такова, что способствует образованию осад ка на электродах, который при встряхивании осаждается в бункер; 3) высокоомные пыли — УЭС выше 10'°-10" Ом • см. Труд ность улавливания в электрофильтре пыли этой группы вызвана образованием так называемой «обратной» короны в микротрещи нах осахеденного слоя. Пробивное напря>:<ение, заряд частиц, а с ними и эффективность улавливания при этом резко снихсаются. Кондиционирование газа небольшими добавками водяного пара, серного ашидрида или аммиака снижает УЭС пыли и спо собствует подавлению обратной короны Для большинства пылей зависимость УЭС от температуры имеет экстремальный харак тер — максимальные значения УЭС приходятся на диапазон тем ператур 100—200 "С. Поэтому в большинстве случаев стремятся снижать температуру газов перед элеюрофильтром. Глава 22 ОЧИСТМ ГАЗОВ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА В доменном производстве осуществляется технологическая очистка доменного газа и очистка газовых выбросов в атмосферу. 1. Хара1егеристика запыленности домениого газа Доменный или колошниковый газ получается в процессе до менной плавки как газообразный продукт окислительно-восста новительной реакции. Газ содержит 30—35% горючих, состоящих в основном из СО, и имеет теплоту сгорания 3,5-ft МДж/м^. Это делает его пригодным к применению в качестве топлива. Выход газа составляет 2000—2500 м^/т чугуна. 325 Доменный I аз на выходе из печи содержит колошниковую пыль, которая состоит из частиц, образованных в результате ме ханического измельчения шихтовых материалов, и частиц возгон ного происхождения При повышенном давлении на колошнике пылевынос состашшет 15—20 г/м^, при нормальном - 50-60 v/u^ или соответственно 25-75 и 50—150 кг на 1 т чугуна По размеру пыль относится к грубодисперсным - массовое содержание частиц размером от 100 до 800 мкм составляет от 40 до 50%, а частиц размером меньше 20 мкм - до 10%. Химический состав пыли отражает состав шихты, %• 33-40 окси ды железа, 8-15 SiOj, 10-12 СаО, 4-5 MgO, 4-5 AI2O3, 30-32 С. Как химический, так и дисперсный составы пыли зависят от многих факторов* состава шихтовых материалов, режима ведения плавки, марки выплавляемого чугуна и тд 2. Методы очпстгш доменного газа В связи с требованием низкой конечной запыленности домен ный газ проходит две—три ступени очистки Обычно схема газо очистки содержит ступени грубой, полутонкой и тонкой очистки. Каждая ступень состоит из аппаратов одного-двух типов (рис 22 1). аЧ*0 ^ ^°Э fo о -© ге ^10^ Рис 22.1. Схемы очистки доменного газа а-д - варианты, 1 - радиальный пылеуловитель, 2 - форсуночный скруббер, 3 — скруббер Веитури, 4 - центробежный аппарат, 5 - мокрый электро фильтр, 6 — сухой пластинчатый электрофильтр, 7 - дроссельная группа, S — ГУБТ, 9 — доменная печь 326 Грубая очистка предназначена для улавливания наиболее крупной фракции колошниковой пыли, размером более 100 мкм. Как правило ее осуществляют в аппаратах сухой очистки — ра диальных или тангенциальных пылеуловителях. В них использу ется инерционный принцип охлаждения. В радиальном пылеуло вителе диаметром 5—8 м загрязненный газ поступает по оси ап парата сверху и удаляется после осаждения крупной пыли также через верх. Частицы выпадают за счет поворота потока на 180° и резкого снижения скорости (с 20 м/с в подводящей трубе до 0,6-1 м/с в аппарате). Инерционный эффект складывается с гра витационным Пыль из бункера удаляется при помощи шнека, сма чиваемого водой. Грубая очистка позволяет снизить запыленность доменною газа до 5-9 г/м^, при этом осаждается до 60—70% ко лошниковой пыли. В некоторых схемах газоочистки на печах, работающих без повышенного давления, в ступени грубой очистки применяют тангенциальные пылеуловители Эффективность их несколько выше, чем радиальных, но выше и потери давления. Полутонкую очистку газа в большинстве доменных газоочис ток выполняют с помощью' полых форсуночных скрубберов, низ конапорных скрубберов Вентури и дроссельной фуппы (рис. 22 2). npoizecc сопровождается коагуляцией частиц на каплях. После этой ступени очистки газ содержит не более 0,5—1 I/M^ пыли размером до 20 мкм. Доменные скрубберы имеют диаметр 6-9 м и высоту 25—35 м. Газ подводится снизу, со скоростью 1—2 м/с проходит скруббер и отводится сверху. Орошение осуществляется с помощью двух-четырех ярусов форсунок, распределенных рав номерно по сечению в верхней части скруббера. Удельный расход воды 4-6 л/м^ газа Очистка газа сопровождается его охлаждением с 250-300 до 40-50 °С и полным насыщением влагой. Уловленная пьшь в виде шлама выводится через гидрозатвор. На большинстве рабогающих печей отечественных заводов по лутонкая очистка завершается в низконапорных скрубберах Вен тури. Две-четыре параллельно включенных трубы Вентури с ин дивидуальными каплеуловителями работают с перепадом давления до 5 кПа Удельный расход воды 0,2-0,5 л/м^, скорость газа в юрловине 50-80 м/с. Ступень полутонкой очистки может состоять только из скруб беров Вентури, которые способны охладить и очистить газ до нужной концентрации перед тонкой очисткой. 327 Тонкая очистка до остаточной запыленности 5-10 мг/м^ мо жет быть осуществлена в дроссельной группе, мокром электро фильтре или скруббере Вентури с перепадом 12—15 кПа. Дроссельная группа, предназначенная в первую очередь для регулирования давления на колошнике доменной печи, устанавли- Рис. 22.2. Дроссельная группа а — поперечный pajpes, б - схема орошения, / - поворотный дроссель, 2 - водяная форсунка, 3 — водяной коллектор, 4 - электропривод дросселя 328 вается на горизонтальном участке газопровода и состоит из четы рех дроссельных клапанов, перед которыми имеется подвод воды. При подаче воды 0,4-0,6 л/м^ в дроссельной группе протекает процесс, аналогичный процессу в трубе Вентури. При перепаде давления 20-25 кПа скорость в дросселях достигает 200-250 м/с, в результате чего после каплеуловителя остаточная запыленность доменного газа не выше 2—5 мг/м^. Недостаток — высокие невос полнимые потери давления доменного газа В более экономичных схемах газоочистки с применением тур бин ГУБТ роль гидравлического сопротивления выполняет вмес то дроссельной фуппы турбина Тонкая очистка газа при этом осуществляется в электрофильтрах типа ДМ. Трубчатый, однозонный, с вертикальным ходом газа, мокрый электрофильтр обеспе чивает не только высокую степень очистки от пыли, но и осуш ку газа На случай остановки турбины предусматривается байпасная линия с дроссельной группой. По техническим условиям работы ГУБТ температура 1аза на входе не должна быть ниже 100 °С. В связи с этим газ после мокрой очистки приходится подогревать в смесительных теплообменниках. Перспективной является схе.ма сухой газоочистки, при кото рой температура газа достаточно высока В проектах этих схем, которые близки к реализации, тонкая очистка газа осуществляет ся в горизонтальных пластинчатых электро(})ильтрах, работающих при повышенных давлении и температуре, или в тканевых рукав ных фильтрах, а полутонкая — в сухих механических (центробеж ных) аппаратах Наибольшее распространение в схемах мокрой газоочистки имеет оборотная система водоснабжения. Общий расход воды на очистку доменного газа крупного металлургического предприятия составляет 10% общего водопотребления завода или около 10 тыс MVH. Вода, выходящая из аппаратов, выносит уловленную пыль и содержит растворенные газовые компоненты. Оборотный цикл' водоснабжения включает сооружения для осветления воды (ради альные отстойники, гидроциклоны), охлаждения и нейтрализации воды, насосы для перекачки воды и для переработки шлама. 3. Очистка вредных выбросов в атмосферу Причиной загрязнения гтмосферы в доменном цехе являются неорганизованные выбросы. Основные виды вредных загрязне ний - это пыль и оксид углерода, которые поступают с выброса329 ми колошниковою газа из межконуоюю пространства Выброс пыли происходит также на тракте движения сырья, в подбуикерном помещении и при движении продукюв плавки па JHITCHHOM дворе Выброс колоип1иково10 газа в атмосферу осуществляется в момент ссыпки шихты из скипа в приемную воронку колошника и выпуска газа из межконуспого пространства Выбросы пыли до стигают 4 кг/т чу1уна, а выбросы СО до 2 Ki/r чугуна Радикальным средством подавления этих выбросов яшшется подача в межконусное пространство компремирова1П10го киа с давлением больше, чем в печи (рис 22.3, а) В результате чею туда в момент открытия больидою конуса не поступае! ыз из печи, а при открытии малого конуса в атмосферу выбрасывается чистый газ Второе место по выбросам занимают аспмрационпые системы подбумкерных помещении Выброс пыли в узлах пересыпки сы пучих в вагон-весы и скип и через трубы аслирациояных систем достигает 1200 г/т чугуна, а запыленность воздуха в подбункер- Рас, 22.3. Схемы подаиления и очистки пылегазоиых выбросов домениого цеха а — подавление пылевыноса из межконусного пространства (1 малый конус, 2 — ботьшои конус, 3 — отвод газа на пиоочнстку, 4подиод компремированного газа), б ~ аспирация литейного двора (/, 7, 8 —газопроводы,2 — отсосы от леток, 3 — отсосы от рахтчных ковшей, 4 — этектрофильтр, 5 дымосос, б — дымовая труба) 330 / ,<tt il ^ II II II ном помещении доходит до 500 мг/м-'. Существенного сокраще ния выбросов можно добиться при переходе на транспортную подачу сырья, при герметизации узлов пересыпки и совершенство вании систем аспирации. Опыт показывает, что на печах объемом 2000 и 5000 м-' выбросы удается сократить до 100 г/т чугуна. Очистку воздуха аспирационных систем чаще выполняют в скруб берах, эффективность которых достигает 90-95 %. Выделение пыли и газов на литейном дворе происходит в основном вблизи леток, желобов и мест слива металла в ковши (рис. 22.3, б). Средняя концентрация пыли в воздухе вблизи же;юба в'период выпуска чугуна составляет 150-1500 мг/м^, размер частиц 15—20 мкм. Выброс, поступающий в воздушный бассейн через фонари зда ния и аспирационную систему, составляет, кг/т. пыли 0,4—0,7; оксида углерода 0,7—1,0. Объем поступающего на очистку аспирационного воздуха литейного двора крупных печен достигает 1 млн. MV'I- Очистку производят в сухих электрофильтрах. Сокращение неорганизованных выбросов можно достичь, по вышая газоплотность печи, арматуры и трубопроводов, совершен ствуя конструкции укрытий желобов и леток, схему промышлен ной вентиляции. Глава 23 ОЧИСТКА ГАЗОВ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ I. Очистка отходящих газов мартеновских и двухванных печей Характеристика запыленности отходящих газов Основная доля вредных выбросов в атмосферу поступает с отход»1Щими газами, которые состоят из продуктов сгорания топли ва, газообразных продуктов реакций, протекающих в ванне, газовыделений из нафеваемой шихты и большого количества мелко дисперсной пыли. Газовый тракт печи до газоочистки имеет достаточно большую протяженность и включает такие элементы, как вертикальные ка налы печи, шлаковик, регенераторы, боров и котел-утилизатор. В 331 связи с неплотностью стен газового тракта, который находится под разрежением, 1Ю тракту имеют место значительные подсосы. Это приводит к тому, что количество, состав, запыленность и температура газов перед газоочисткой существенно отличаются от начальных на выходе из печи В среднем на 1 т стсши считаю! величину выбросов газов равной 2800 м-' при температуре 290°С Температура пиов снижается с 600-700"С па выходе из печи до 250-300 °С перед газоочисткои Средний состав газов при подаче кислорода в факел, %. 1015 СО2, 16-17 Н2О, 6-7 02, остальное N2 Запыленность lajou изменяется по ходу плавки и резко возрастает с увеличением рас хода кислорода при продувке ванны (рис 23 1). Кроме тою, на пылеобразование заметное влияние оказывают конструкция и число кислородных фурм, температура металла, скорость выгора ния углерода и тд В период завалки и прогрева шихты запыленность 1,5—3 г/м^ Пыль крупная, образованная н результате механического и тер мического разрушения железной руды, известняка и дру1 их мате риалов Основной вынос пыли происходит в период плавления, когда идет продувка ванны кислородом. Максимальной запыленности 50 г/м-' соответствует середина периода продувки. Пыль возгон ного происхождения Цвет дыма — бурый Ниже приведен усред ненный дисперсный состав пыли PajMep частиц, мкм Содержание, % Средний медианный размер первичных «истин (/JU.MKM Основная часть >5 <.1 1-5 60 6 34 0,2-0,4 Оксиды железа В период доводки и последующей полировки, несмотря на продувку кислородом, запыленность составляет 4-8 г/м-' Удель ные выбросы пыли 5-8 кг/т а <б стсиш а Запыленность газов и дис персный состав пыли изменя ются по тракту от печи до газо- 3 с 8 -О) 1 4 а. S О о О 332 1 3 4 Время, ч 1 Рис. 23 1. Изменение запыаенности M<ipтеновских газов по периодам плавки а - завалка прогрев, б - растаачение (подача кислорода), в - доводка очистки. Больше половины всей массы пыли осаждается в шла ковике и регенераторах. На входе в газоочистку запыленность газов во время продувки кислородом составляет 3-6 г/м^ а мехсцу продувками 0,4-0,7 г/м^. Примерный химический состав пыли, соответствующий периоду продувки, %• 92 7 РезОз; 0,9 AI2O3; 1,65 СаО; 0,9 MgO; 1,1 МпО; 0,8 SiOj. Удельное электросопротивление составляет 10^—10'^ Ом • см при температуре 20—300°С, т.е. пыль по УЭС относится ко вто рой фуппе пылей, которые хорошо улавливаются в электрофиль трах. Среди других вредных примесей газы мартеновской плавки со держат 200—400 мг/м^ оксидов азота и 30-50 мг/м^ оксидов серы, выброс которых длится 10—30% времени плавки. Схемы мартеновских газоочисток Газы, отходящие от крупных печей, проходят охла>:<дение в котлах-утилизаторах типа КУ и очищаются от пыли перед выб росом в атмосферу в скрубберах Вентури или электрофильтрах (рис. 23.2). Газовый Tpaicr печи при этом является ступенью гру бой очистки. В схемах с мокрой очисткой устанавливают блоки высокона порных труб Вентури цилиндрического или прямоугольного сече ния с регулируемым сечением горловины. Плотность орошения поддерживается на уровне 1,0-1,3* л/м'', перепад давления обес печивает скорость' газа в горловине 100-120 м/с. Выбрасываемые в атмосферу газы содержат не более 100 мг/м-' пыли, что, как правило, обеспечивает'концентрацию ее в приземном слое не выше ПДК. В схемах сухой очистки в электрофильтрах УГ достигается вы сокая степень очистки газов — 98-99%. Отсутствие специального цикла оборотного водоснабжения, меньшие удельные энергозат раты на очистку, невысокие эксплуатационные расходы делают схему сухой электроочистки более предпочтительной по сравне нию с мокрой. ' ! fi . 1 2 3 5 6 Рис. 23.2. Принципиальные схемы мокрой {а) Г~П Г?\1 t^Z rs г^ ll и сухой (б) очистки мартеновских газов '^ __] | 0 | I^T! C3~w~i-1 / - печь, 2 - котел-утилизатор, 3 — скрубу4 бер Вентури, 4 — электрофильтр, 5 — дымо О сос, 6 — дымовая труба ' -щ-е-И 333 Газоочистка двухванных печей Количество отходящих газов двухванных сталеплавильных аг регатов на 1 т выплавляемой стади примерно соответствует коли честву отходящих газов мартеновского производства В связи с более высокой интенсивностью продувки кислородом содержание пыли в rajax двухванных агрегатов несколько больше, чем в от ходящих газах мартеновских печей. Присосы по тракту увеличи вают количество газов в четыре раза Это обусловлено тем, что в связи с отсутствием регенераторов, газы двухваннои печи после шлаковика при температуре 1400—1500 °С в начале охлаждаются подачей воды до 900-1000°С, а затем в борове подсосом через специальные люки холодного воздуха — до 700 °С. Majm отлича ются как химический, так и дисперсный состав пыли, в которой частиц фракции до 3 мкм более 70% В связи с эгим схемы газо вых трактов двухванных печей, как и мартеновских, выполняют со скрубберами Вентури или электрофильтрами типа УГ или ЭГ. На некоторых заводах охлаждение газов с 700 до 200-250 °С для подачи в электрофильтр производится в испарительных фор суночных скрубберах Запыленность газов перед скруббером или котлом-утилизатором 7—8 г/м^ после очистки на выходе из тру бы 90-100 мг/м^ 2. Очистка конвертерных газов Характеристика запыленности отходящих газов Состав и количество отходящих газов зависят от способа от вода (с дожиганием или без дожигания) и конструкции охладите ля газов. Удельный расход газов для различного сосгава шихты и флю сов находится в пределах 70-90 MVT стали' В зависимости от интенсивности продувки кислородом удельные выбросы состав ляют от 13 до 25 кг/т при подаче руды, а при подаче руды и лома 21—32 кг/т. Дисперсный состав пыли также зависит от интенсивности про дувки При увеличении подачи кислорода от 3 до 6 MV(T'MHH) количество крупной фракции увеличивается вдвое Способ отвода — с полным дожиганием или без дожига ния — практически не сказывается на составе пыли. Дисперсный состав пыли перед входом в газоочистку дан в табл 23 1. 334 Таблица 23.1. Дисперсный состав пыл» перед газоочпсг оГ прп полном доииглiimi газа Период продувки, мин 1-5 8-14 18-22 Содержан!^е фракций, ыкм, % (по массе) 60-250 >250 0-3 3-60 60 82 86 15 3 5,5 15 5 5 10 10 3,5 Плотность пыли около 4,0 г/см^ Основная масса пыли перед газоочисткой при полном дожигании сострит из РегОз, а при ча стичном дожигании - из FeO, Средняя концентрация пыли в конвертерных газах составляет 150—350 г/м^, При любом способе отвода и охлаждения газов газоочистка должна обеспечить очистку настолько, чтобы при выбросе газов в атмосферу в приземном слое концентрация пыли не превыша ла санитарную норму (ПДК). Содержание СО в отходящих газах при отводе их по схеме с полным дожиганием не превышает 5%, при отводе по схеме без дожигания — ' более 85% Из-за высокой вероятности образования взрывоопасных кон центраций газа около 80 % всех кислородно-конвертерных цехов оборудованы схемами мокрой газоочистки. Схемы мокрой газоочистки Основными аппаратами схем мокрой газоочистки являются скрубберы-охладители, скрубберы Вентури с различного рода се параторами капель и мокрые электрофильтры (рис. 23.3), Первой'ступенью газоочистки мокрого или сухого типа, как правило, является скрубберный охладитель — полый цилиндр с бункером внизу и (})орсунками по высоте Они широко применя ются при температуре газов перед аппаратом 600—700 °С, а в не которых случаях и 1200-1400 °С В процессе охлаждения газов од новременно идет и осаждение пыли крупной фракции. В зависимости от количества воды, идущей на охлаждение, скрубберы делятся на водяные и испарительные. Водяные скруб беры выполняются по противоточной и прямоточной схеме. Роль прямоточного скруббера иногда ифает наклонная часть газоотво335 дяшего тракта, в верхней части которого производится подача воды. Газ н вода движутся в одном направлении. Температура воды в такого рода скрубберах всегда ниже температуры газов Ин тенсивность орошения до 5-8 кг/м^ скорость газов 12—20 м/с, температура газов на выходе до 60-80 °С Рис 23,3. Схема мокрой очиаки конвертерных газов / — скруббер-охплгштель, 2 ~ блок труб Вентури, 3 - прямоточный циклон-каплеуловитель 336 в противоточных вертикальных цилиндрических скрубберах скорость газов принимают 1,5-2 м/с. В зависимости' от темпера туры газа на входе скруббер может быть футерован или нет. Например, газы после радиационного котла-охладителя могут по ступать при температуре 1100-1300°С, а это требует защиты ме талла футеровкой. Плотность орошения в водяных скрубберах достигает 15—20 кг/м^. В испарительных скрубберах количество подаваемой воды таково, что вся вода испаряется охлаждая тем самым газ до 70—250 "С. Такие аппараты часто сгавят перед высоконапорнои трубой Вен тури (80-100 кПа)' или перед сухим электрофильтром. В скрубберах Вентури с небольшим сопротивлением (~4 кПа) в результате адиабатного расширения в конфузоре капли испаря ются, при этом происходит быстрое пересыщение водяного пара, а затем в горловине и диффузоре трубы — медленная конденса ция. Пар конденсируется на частицах пыли, ускоряя их коагуля цию. Наибольший' эффект пылеулавливания достигается в тех случаях, когда на выходе из трубы Вентури температура газов близка к точке росы (70 °С). На таком принципе работает газо очистка типа Соливор (фирмы «Ирсид-Кафл»). Расчетная ско рость в горловине труб около 40 м/с. При отклонении от расчет ного режима эффект конденсации снижается. ' Высоконапорные скрубберы Вентури (8—15 кПа) в конвертер ных схемах' имеют разнообразные конструктивные решения: от батареи из нескольких десятков малых труб с диаметром горло вины 90 мм до одиночных труб большого диаметра. По условиям обслуживания схемы с одиночными трубами более удобны и на дежны В системах с регулируемым отводом газов без дожигания трубы выполняются с регулируемым сечением горловины. Неза висимо от расхода газа в таких трубах можно поддерживать по стоянную скорость в горловине. В схемах очистки газов конвертеров емкостью 300 т и выше применяются прямоугольные трубы Вентури, сечение которых ре гулируется подвижными створками. Орошение пленочное по пе риметру с подачей воды в переливные карманы и форсуночные по центру трубы (рис 23.4). В схемах мокрой газоочистки при отводе с дожиганием иногда применяют в качестве второй ступени мокрые электрофильтры. Предварительно перед электрофильтром газ охлаждается в скруб бере до температуры полного насыщения влагой 70 °С. Электро337 Рис. 23.4. Схема газоотводяшего тракта с мокрой очисткой газов конвертеров емкостью 300 т / — конвертер, 2 — котел-охладитель, 3 — орошаемый газоход, 4 - бункер ороша емого 1азохода, 5 — две трубы Вентури первой ступени, б — бункер первой сту пени, 7 - регулируемая труба Вентури второй ступени, 8 — бункер второй ступе ни, 9 — каплеуловитель, 10 — к эксгаустеру, / / — вода из оборотного цикла, 12 — гидрозатворы фильтр с трубчатыми осадительными электродами (449 труб диа метром 245 мм) при скорости газов около 2,5 м/с обеспечивает степень очистки до 99,5%. Электрофильтры такого типа нуждают ся в надежной системе обмывки электродов во избежание нарос тов пыли и связанных с этим пробоев. Необходимость создания систем очистки сточных вод мокрых газоочисток и высокие эксплуатационные затраты на очистку сти мулируют создание надежных аппаратов сухой очистки 338 Схемы сухой очистки в этих схемах используют сухие электрофильтры и тканевые рукавные фильтры. Сухие электрофильтры в схемах конвертерных газоочисток на отечественных заводах еще не применяются. Од нако в мировой практике есть полохсительныи опыт (рис. 23.5). Сухие элеюрофильтры применяют не только в схемах с полным дохсиганием, но и в схемах с частичным дожиганием (а = 0,3) или без дожигания. Перед подачей в электрофильтр газ кондици онируют подачей воды. Взрывобезопасность системы обусловлена рядом конструктив ных особенностей электрофильтра. Корпус цилиндрического сече ния диаметром 9,7 м без пылевых бункеров, что предотвращает образование застойных зон. Пыль удаляется конвейером периоди чески, меходу кислородными продувками! Снаружи фильтр покрыт теплоизоляцией, что обеспечивает стабильность температуры га зов (около 200°С). Корпус рассчитан на возможные взрывы газо вой смеси с резким возрастанием давления (около 200 кПа). Опыт промышленной эксплуагации показал, что такого уровня давле ния во время хлопков не достигается. Кроме того, на крышках корпуса предусматриваются предохранительные 1слапана на 2 кПа Три электрических поля состоят из 30 рядов С-образных осадительных и игольчатых коронирующих электродов Скорость га зов в аппарате 1 5 м/с напряжение 45—60 кВ при плотности тока Wv Fuc. 23.5. Схема очистки конвертерных газов в сухом электрофильтре / — конвертер, 2 ~ котал-охладитель, 3 — скруббер, 4 - электрофильтр, 5 — дымосос, 6 - свеча с дожигающим устройством 339 Таблица 23.2. Показатели мокрой и сухой очистки (пторап ступень) конпертерПЫХ газов Параметры Потребление электрознергии в течение плавки, кВт'Ч В том числе дымососами насосами электрофильтром установкой очистки сточных вод Расход воды в течение плавки, м-' на испарение со шламом и на продувку Потери давления, кПа Показатели очистки в сухом в скруббере ллектрофильтре Вентури 179 1158 66 20 93 — 998 93 — 67 15 1,5 19 20 18 'Емкость конвертера 200 т, продолжительность плавки 40 мин, продолжительность продувки кислородом 16 мин, расход газов 130x10* MVH 0,3—0,5 мА/м^. При входной запыленности до 100 г/м^ степень очистки - 99,9% В табл 23 2 приведены сравнительные результаты эксплуата ционных показателей мокрой и сухой очистки в электрофильтре Срок окупаемости капитальных затрат на сухую очистку 1—2 года Для очистки конвертерных газов начинают применять тканевые рукавные фильтры. Интерес к ним возник в связи с получением тканей требуемых свойств. В одном из фильтров материал ткани «тергаль» обеспечивает остаточную запыленность до 20 мг/м^ (за 50-т конвертером) при температуре до 145 "С. Система регене рации — встряхиванием. К недостаткам рукавных фильтров относятся большие габари ты, связанные с низкой удельной нагрузкой на ткань, и повы шенный расход электроэнергии на I т стали 3. Очистка газов элегаросталеплавильных печей Количество и состав газов, образующихся в процессе плавки в дуговых печах, зависят от состава шихты и количества подаваемого интенсификатора — кислорода В отходящих газах содержит ся, %: 15-25 СО; 5-11 СОг, 0,5-3,5 Нз; 3,5-10 Оз 340 Отходящие газы дуговых электропечей отводятся одним из трех способов: от четвертого отверстия в своде (три отверстия для электродов), через арку рабочего окна или от зонта, расположен ного над печью. Удельный выход газов при отсосе через четвертое отверстие в своде составляет 80-110 ьл^/т, а при отводе под зонт — 350— 450 MVT. В зависимости от способа отвода в газоотводящий тракт печи подсасывается различное количество воздуха, что влияет на со став и концентрацию пыли в газе. Устранить подсосы полностью невозможно, так как в связи с подъемом и поворотом свода и наклоном ванны, герметичность газового тракта }1арушается Кроме того, подсос воздуха необхо дим для дожигания СО Средняя концентрация пыли в газах составляет 15-30 г/м^, а удельный вынос 6,5—9,5 кг/т стали. Причем, меньшие значения соответствуют печам емкостью 100 т, большие — печи емкостью 5 т Период максимального пылевыделения длится около 30 мин Основная масса пыли (до 70%) имеет размер частиц до 3 мкм и состоит из оксидов железа (60-80%). Дисперсный состав по периодам плавки изменяется мало. Пример дисперсного состава пыли при плавке хромистых и среднеуглеродистых сплавов дан в табл. 23.3. Для пыли электросталеплавильных печей характерно высокое УЭС - до 10"' Ом-см. Кроме оксидов углерода в составе отходящих газов содержатся оксиды азота - до 300 г/т стали В связи с большой величиной подсосов по газовому тракту и под зонт, требуется увеличивать размеры газоочистки, мощность дымососов и т.д. Поэтому одной из наиболее важных задач яв ляется задача сокращения объема газов, идущих на очистку Для Таблица 23,3. Дисперсный состав пыли по периодам плапки Период плавки Расплавление Продувка Доводка Количество частиц, % (по массе), по фра!<циям, мм 0-0,7 0,7-7,0 7,0-80,0 >80,0 47,9 42,2 44,5 29,9 35,5 30,5 15,5 15,7 13,5 6,7 6,6 11,4 341 ••? r-fesfÊEETf^ Рис. 23.6, Схема очистки газов дуговой сталеплавильной печи / - лечь, 2 — дымосос, 3 — труба Вентури, 4 — каплеуловитель, 5 - рукавный фильтр, 6 — зонт этого разрабатываются узлы уплотнения электродных зазоров и рабочих окон В большинстве случаев схема газоочистки дуговых электропе чей состоит из ступени предварительного охлаждения газов и пос ледующей тонкой очистки в скруббере Вентури (рис 23 6). Сухая очистка в электрофильтрах не получила здесь распрост ранения Причина в небольших расходах и трудности улавлива ния высокоомной пыли. Однако опыт установки электрофильтра за крупной (200 т) дуговой сталеплавильной печью, показал рен табельность их применения на печах большой емкости Хорошие результаты дает вариант с комбинированной схемой газоочистки Газы от печи (от четвертого отверстия) после ох лаждения в скруббере подаются вентилятором на группу высоко напорных труб Вентури с центробежным сепаратором. Разбавлен ные газы, поступающие под зонт над печью, очищаются в ткане вом рукавном фильтре, В ^лектросталеплавильном производстве газоочистка размеша ется в отдельном помещении, что дает возможность сократить число резервных аппаратов 342 Глава 24 ОЧИСТКА ГАЗОВ ПЕЧЕЙ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ Очистке газов и, в частности, пылеулавливанию, в цветной металлургии отводится важная роль На заводах цветной метал лургии в таких процессах, как обжиг, агломерация, шахтная плав ка, конвертирование, рафинирование, процесс сопровождается об разованием значительного количества запыленных газов. Сто имость компонентов, содержащихся в пыли и газе, в 3-4 раза превышает затраты на улавливание и поэтому делает экономи чески целесообразным сооружение дорогих, но высокоэффектив ных газоочисток. Система очистки газов, отходящих от технологических агрега тов, обычно состоит из двух ступеней очистки: грубой и тонкой. Как правило, очистке газов предшествует охлахсдение в поверх ностных охладителях, котлах-утилизаторах или в орошаемых во дой аппаратах, которые также выполняют футсцию пылеуловите лей крупных частиц. Все аппараты газоочистки в производстве цветных металлов по принципу действия не отличаются от применяемых в черной металлургии и других отраслях промышленности, однако имеют ряд особенностей констру1стивного выполнения. В качестве ступени грубой очистки используют инерционные пылеуловители, скрубберы и циклоны. Для тонкой очистки — скрубберы Вентури,'* мокрые и сухие электрофильтры, рукавные фильтры При переработке сульфидных руд иногда в отходящих газах содержание сернистых соединений доходит до 4% (объемн.) и бо лее. Тогда такие газы после дополнительной очистки в электро фильтрах подаются на сернокислотное производство. При этом себестоимость серной кислоты оказывается на 30% ниже, чем при получении традиционным способом из пирита. Известно, что тех нология производства того или иного металла зависит от состава сырья. При этом существенно различаются и схемы газоочистки Примерами такого различия являются производства никеля и меди из окисленных и сульфидных руд. Рассмотрим основные особенности схем очистки газов в про изводстве ряда тяжелых цветных металлов. 343 1. Пылеулавливание в производстве свинца, цпика и олова Свинцовое производство В свинцовом производстве очистке подвергаются отходящие газы печей обжига, спекания, шахтных печей, конвертеров и т.д В процессе спекания шихты в пыль переходит до 2% свин ца. На агломашинах с дутьем сверху отходяшие газы содержат 0,5-1,5% SO2, имеют температуру 130-180°С и запыленность 1,5—2,5 г/м^ Пыль возгонного происхождения, средний размер ча стиц 0 5-1 мкм Перед выбросом в атмосферу газы проходят ipyбую очистку от пыли в циклонах, при этом их охлаждают и увлаж няют в полом скруббере и очищают в сухих электрофильтрах или рукавных фильтрах (рис 24 1) до санитарных норм (до 100 мг/м^). На агломашинах с дутьем снизу образуются так называемые богатые (5-6% SO2) и бедные (1,5-2% SO2) газы Богатые газы после очистки от пыли направляют в сернокислотное производ ство, где они проходят дополнительную очистку от тумана сер ной кислоты. В схемах с очисткой бедных газов в рукавных фильтрах тем пература газов предварительно снижается организованным подсо сом воздуха до 110-170°С Скорость фильтрации в них не пре вышает 1 м/мин. Скорость газов в электрофильтрах также неве лика и находится обычно в пределах 0,2-0,7 м/с В процессе плавки и шахтных печах в пыль переходит от 0,5 до 2% выплавляемого свинца или до 1% перерабатываемой ишхты. Отходящие газы имеют температуру 200-300 °С, запыленнос1ь до 20 г/м-'. Средний размер частиц 0,6-0,8 мкм Удельное электро сопротивление пыли ~10" Ои'см Газы выбрасывают в атмосферу. Схемы очистки могут быть основаны как на сухом, гак и на мокром принципе, так как низкое содержание SO2 в газах не вызывает опасности сернокислотной коррозии Рис, 24.1. Принципиальная схема очист ки rajOB спекагельных машин сииниового производства а - очистка в электрофильтре, б очистка в рукавном фильтре, 1 - печь, 2 - циклон, 3 - дымосос, 4 - скруббер, 5 - электрофильтр, 6 - подсос воздуха, 7 - рукавный фильтр, 8 - дымовая труба 344 D, I S 3" о ? "1 о j^ &I о U S ca 5 ^P 6^ ^ a 4-^ Наибольшее распространение имеет схема, состоящая из цик лона, ПОЛО!о испарительного скруббера и рукавного фильтра После очистки от крупной фракции пыли в циклоне газ охлаж дают до 100-П0°С в скруббере. После рукавного фильтра кон центрация пыли не превышает 20-40 мг/м-'. Мокрая схема основана на применении скруббера Вентури Концентрация пыли на выходе 100-200 мг/м-* (рис 24 2). Значительными выбросами в атмосферу отличаются шлаковозгоночные установки (ШВУ) В них перерабатывают шлаки с це лью извлечения из них олова, свинца и цинка Обычно ШВУ состоит из отражательной печи для расплавления холодных шла ков, электрокопильника для их перефева, фьюминговои печи и электроотстойника штейна Газы от всех афегатов при темпера туре 1200 °С, содержащие возгоны металлов и оксиды серы, со бирают в сборном коллекторе и подают в котел-утилизатор Пос ле охлаждения в котле до 230-250 °С, газы с концентрацией пыли 20—40 г/м^ поступают в отделение газоочистки Газы ШВУ подвергают сухой или мокрой очистке В рукавных фильтрах очищают газы до 20-40 мг/м-'. Мокрая очистка позво ляет уловить не только пыль, но и оксиды серы Уловленные возгоны перерабатывают гидрометаллуршческим путем с получе нием сульфата цинка Схема такой газоо шстки дана на рис. 24 3 Газы поступают в скруббер затем в трубу Вентури Из каплеуловителя газы посту пают в мокрый вертикальный электрофильтр, а затем вентилято ром выбрасываются в атмосферу. Скруббер с помощью двух рядов эвольвентных форсунок оро шается оборотным раствором Труба Вентури имеет диамеф гор ловины 470 мм, впрыск раствора через це[1фальную форсунку Скорость газов в горловине до 90 м/с, удельный расход жидко сти 0,5-0,7 л/м-'. Электрофильтр выполнен для работы в агрес сивных средах Электроды из свинца Осадительные — свободно подвешенные пластины толщиной 3 мм с шагом 260 мм, коронируюшие - свинцовые прутки сечением «звездочка». Осевшая пыль периодически смывается чистой водой Скорость газов око ло 1 м/с Установка обеспечивает очистку газов шлаковозюнки с запы ленностью до 12 г/М'' до остаточной запыленности 35-45 мг/м^ В газоход за электрофильтром в поток очищенного и насы щенного водяным паром газа добавляют горячие отходящие газы 346 6 7 8^ Рис 243 Принципиальная схема и компоновка оборудования газоочистки ШВУ а - принципиальная схема б- компоновка в цехе / - ШВУ, 2 - котел утили затор 3 — скруббер 4 — труба Вентури J — каплеуловитель 6 — мокрь й элек трофильтр 7 — дь мосос 8 — дымовая труба ИЗ отопительной котельной. Такая подсушка газов предупреждает конденсацию водяного пара и коррозию дымососов, газоходов и дымовой трубы Цинковое производство Наибольшее количество отходящих газов в цинковом произ водстве имеют два передела: за печами обжига цинкового кон центрата в кипящем слое (КС) - до 20 тыс. MV*' И за трубчаты ми вельцпечами переработки кека — до 10 тыс MV^. 347 Газы печей КС содержат до 9—14% SO2, л пылевынос дости гает 30-40% шихты, что соответствует концентрации пыли 60130 г/м-'. Кроме того, газ имеет высокую температуру (-850900°С) Пыль ценная, состоит из обожженного продукта и со держит 40% Zn, 4% Pb, 2% Си. Газы проходят ступенчатую очистку. ^ После первой ступени очистки от фубой пыли в инерцион ной камере, которую устанавливают в непосредственной близос ти от печи, газ охлаждают в котле-утилизаторе или в воздухоохлаждаемых стояках до 40О-5ОО°С. Здесь также осаждается значительная часть крупной пыли Следующая ступень — цикло ны Дисперсный состав пыли за циклонами характеризуется сред ним размером частиц ~3 мкм, запыленность 3—6 г/м-', темпера тура газов 350-400 °С. Для тонкой очистки применяют сухие пла стинчатые электрофильтры, способные работать при высокой температуре. При скорости газов 0,6 м/с в них обеспечивается очистка до 100-150 мг/м'' Требования поддержания высокой температуры вызваны высо кой К01щентрацией в газе SO2, что может при снижении темпе ратуры повысить вероятность сернокислотной коррозии. Очищенные в электрофильтре газы подают на производство серной кислоты контактным способом В этом отделении газы проходят дополнительную очистку от пыли, соединений мыщьяка (AS2O3) и селена (SeOj), которая заключается в промывке га зов серной кислотой а полых и насадочных скрубберах и очистке в мокрых фубчатых электрофильтрах (две ступени) Такие схемы работают надежно, с высокой эффективностью. За второй ступе нью электрофильтров газы содержат следы соединений мыщьяка и селена и до 5 мг/м'' тумана H2SO4 Газы ва;1ьцпечей, бедные по содержанию SO2, после очистки от пыли выбрасываютя в атмосферу Температура 1азов на выходе из пылевой камеры печи 500—700 °С, содержание пыли 100 г/м-', средний размер частиц -1,5 мкм. Уловленную пыль возвращают в производство, так как она содержит до 60-70% Zn. Повыщенное удельное электросопротивление пыли создает затруднения для надежной работы сухих электрофильтров В.связи с этим типовая схема газоочистки состоит из поверхностного охладите ля (кулера), совмещающего функцию аппарата грубой очистки, и рукавного фильгра При газовой нафузке 0,8-1 MV(M*MHH) рукавный фильф очищает газ до конечной конценфации пыли 348 40 мг/м^. Защита ткани от высокой температуры газов осуществ ляется организованным подсосом воздуха перед фильтром. Производство олова Обжиговое, плавильное и рафинировочное отделения выбрасы вают в атмосферу большое количество газов, которые проходят тонкую очистку от пыли. Содержание олова в пыли достигает от 20 до 60%. Высокой летучестью обладают соединения олова SnS и SnCIj. ' ' ' На выходе из плавильных печей газы имеют температуру 800— 1000°С Для снижения температуры, фубой очистки от пыли и увлажнения с целью снижения УЭС пыли газы подают в полые испарительные скрубберы. Температура газов снижается до 150— 200 °С В газах плавильных печей нет афессивных примесей. За обжиговыми печами в газах содержится до 1,5-2% SO2, в резуль тате чего необходим контроль за коррозией элементов газового тракта Тонкую очистку проводят в пластинчатых и трубчатых элект рофильтрах или в тканевых рукавных фильтрах. Мокрая очистка в скрубберах Вентурй' для газов заводов по производству олова неприменима в связи с опасностью образования мышьяковистого водорода ' ' ' При скорости газов в электрофильтрах 0,4-0,6 м/с достигается степень очистки цо 98-99% при входной запыленности 3—10 г/м^. Хорошие результаты при очистке газов рафинировочных котлов дают рукавные фильтры в которых используется двойной лавсан 2. Пылеулавливание о производстве меди п ттелп Переработка первишого медного сырья Отходящие газы сушилок медного концентрата имеют темпера туру не выше 250 °С и запыленность до 30 г/м^. Перед выбросом в атмосферу газы от каждой сушилки в количестве 20—25 тыс. MV^ очищают'в циклонах и сухом горизонтальном электрофильтре. Отходящие газы печей КС тя обжига медных концентратов аналогично газам от печей для обжига цинковых и никелевых концентратов очищают от пыли и подают в сернокислотное произволегво Газы после пылевой камеры при температуре 600—700 °С подают в воздушные охладители или котел-утилиза349 тор и в группу циклонов в результате температура снижается до 250-300 °С и улавливается пыль крупной фракции концентрация пыли с 800-900 I/M^ снижается до 10—30 г/м-' Тонкую очистку осуществляют в сухих горизонтальных электрофильтрах, где при скорости О 5-0 6 м/с достигается концентрация пыли 100 MI/M^ Газы шахтных, отражательных печей печей кислородно взве шеннои плшки (КФП) и конвертеров подают на утилизацию ок сидов серы в сернокислотный цех Принципиалшая технолош ческ1я схемч о iистки газов от пыли в качестве ступени тонкой очистки включает сухие электрофильтры Скорость 1азов в них не превышает О 6-0 7 м/с что обеспечивает высокую эффектив носггь (98-99%) Перед тонкой очисткой газы проходят охлаждение с 300-500 °С за шахтными и отражательными печами и с 900—1200 °С за кон вертерами и КФП до 250-300 °С в поверхностных охладителях (кулерах) и котлах утилизаторах Кроме тою газы увлажняют в испарительных скрубберах Уловленная пыль содержит 10-20% Си 10-20% РЬ Переработка вторичного медного сырья и медно серные производства Газы печей по переработке вторичного сырья практически нейтральны и после очистки от пыли выбрасываются в атмосфе ру Перед очисткой они охлаждаются в поверхностных охладите лях, котлах-утилизаторах или в испарительных скрубберах Одновременно в них осаждается фубая пыль Выносимая из аг регата пыль является ценным продуктом, она содержит, %. 60-65 Zn, 10-15 РЬ; 0,5-1,0 Си; до 10 Sn Тонкая очистка с вы сокой эффективностью проводится в рукавных фильтрах Ткань фильтров защищается от повышенных температур регулируемым подсосом воздуха перед аппаратом В мешочных фильтрах подсос достигает 60% от расхода газа. Электрофильтры на этих газах работают неустойчиво, так как в пыли в большом количестве содержатся оксиды цинка, повы шающие электросопротивление слоя пыли на осадительных элек тродах, что ведет к образованию обратной короны Наличие высокодисперсных возгонов цинка повышает пожароопасность осевшей на тка}1и пыли Для снижения количества металлического неокисленного цинка в газовом тракте организуЮ1 ею дожигание 350 На медно-серных заводах отходящие газы с высоким содержа нием сернистых соединений очищают от пыли в сухих электро фильтрах специальной конструкции. После каталитической очис тки от серы и обработки в орошаемых известняковых поглоти тельных башнях газы выбрасываются в атмосферу. Газы шахтных печей содержат много крупной пыли. При начальной запыленно сти до 90 г/м-' около 60% частиц крупностью 60 мкм и выше осаждаются в первой ступени - инерционных камерах Верти кальные пластинчатые электрофильтры защищены от агрессивно го действия паров элементарной серы — стены камеры кирпич ные, электроды из высокохромистои стали Очистка газов никелевых заводов Отходящие газы при переработке никелевых руд как правило, не содержат возгонов металлов и поэтому частицы пыли относи тельно крупные, не менее 40 мкм. Такие частицы легко улавли ваются в батарейных циклонах В качестве основного Пылеулавливающего аппарата в газовых трактах спекательных машин и шахтных печей применяют бата рейные циклоны Несмотря на большие выбросы, утилизация пыли (содержание Ni до 2%) и газов (содержание SO2 до 2%) не производится. Однако отходящие газы руднотермических печей при перера ботке сульфидных руд, конвертеров при продувке штейнов и осо бенно печей КС для обжига никелевого фаинштеина, содерхсат ценные компоненты. Газы руднотермических печей, содержащие 6—12% SO2, и кон вертеров, в которых содержание SO2 доходит до 5%, проходят обеспыливание в сухих электрофильтрах и используются в сер нокислотном производстве. Пыль, содержащая до 12—18% N1 и 12-15% Си, из бункеров электрофильтров возвращается в техно логический процесс. Газы печей КС практически нейтральны, но при запыленнос ти 50-60 г/м^ при среднем размере частиц 1—5 мкм, содержание никеля в пыли достигает 60—70% Это требует высокоэффектив ных пылеулавливающих аппаратов Для осаждения крупных фракций за печами КС устанавлива ют пылевые камеры и циклоны. Перед входом в электрофильтр концентрация пыли 2—15 г/м''. При скорости газов 1—1,2 м/с в электрофильтрах достигают степень их очистки 98% и выше. 351 Раздел VII ТОПЛИВНЫЕ ПЕЧИ ЧЕРНОЙ тЕП\ЛЛУРП/И/} Глава 25 ШАХТНЫЕ ПЕЧИ 1. Особенности теплообмена в слое Топливные печи широко применяются в черной металлургии. Их используют для получения чугуна из железной руды, в них выплавляют сталь, нагревают металл перед обработкой давлением и осуществляют термическую обработку. Все топливные печи чер ной металлургии могут быть подразделены на две большие фуппы слоевые и пламенные В слоевых печах с плотным (фильтрующим) слоем использу ется твердое кусковое топливо Их применяют для выплавки чу гуна из руды, расплавления металла перед литьем, обжига желез ных руд, известняка, магнезита и доломита Слоевые печи отно сятся к шахтным печам, важнейшими из которых являются доменные печи — основные афегаты любого предприятия с пол ным металлургическим циклом. В пламенных печах используют газообразное или жидкое топ ливо, которое (как говорит само название печей) сжигается с об разованием пламени (факела) в рабочем пространстве печей Фа кельный метод сжигания топлива применяется в мартеновских печах при выплавке стали, в нагревательных печах прокатных и кузнечных цехов, в печах для термической обработки стали К исследованию теплообмена в слое кусковых материалов, двигающихся навстречу потоку газов как это имеет место в шах тных печах, многие десятилетия привлечено внимание ученых и инженеров В нашей стране наиболее значительные работы в этой области выполнены в Уральском политехническом институте. Теплообмен в слое представляет собой крайне сложный слу чаи теплообмена Плотный слои образуется кусками различной 352 формы и размеров, имеющими различные теплофизические свой ства. Сложный характер движения кусков значительно затрудняет определение реальной поверхности теплообмена. Различная вели чина зазоров между кусками влияет не только на особенности омывания их газами, но делает неразделимыми процессы тепло проводности, излучения и конвекции, действующие в слое. По этому приходится применять общий коэффициент, учитывающий все три вида теплообмена* Из-за неопределенности поверхности теплообмена более удобно использовать объемный' коэффициент теплоотдачи а„ [Вт/м^ • К)]. Связь его с обычным поверхностным коэффициентом теплоотдачи а[Вт/м^'К)] выражается следующим образом: а^ = aF, где F — поверхность нагрева, заключенная в 1 м^ слоя кусковых материалов, м^. Кроме того, слой кусковых материшюв характеризуется порозностью f, которая представляет собой отношение объема пустот к полному объему слоя Для двигающегося слоя, перемещающегося вертикально сверху вниз по высоте какой-то шахты Н, использу ют'понятие объемного напряжения сечения шахты р[м^/м^'С)], показывающего, какой объем кусковых материалов перемещается через 1 М'^ сечения шахты в течение 1 ч, т. е Н = pt, где / — время полного перемещения сверху вниз, с Как уже подчеркивсшось, шихтовые материалы в слоевых пе чах обычно имеют самые разнообразные размеры и теплофизи ческие свойства. Мелкие куски, например, железорудного сы рья, обладающие относительно высокой теплопроводностью, приближаются по свойствам к термически тонким телам, а круп ным кускам агломерата и известняка присущи свойства, харак терные массивным в тепловом отношении телам. В результате этого необходимо выполнять анализ условий нафева кусков ших ты в очень широком диапазоне значении их теплового сопротив ления. Очень часто в шахтных печах нафев слоя кусков шихты происходит в условиях наличия источников (стоков) тепловой энергии В большинстве шахтных печей движение шихты и газов происходит по принципу противотока В доменной печи к тому же противоточная схема движения сред дополняется завершенностью теплообмена в результате значительной величины поверхности нафева и интенсивного охлаждения газов Рассмотрим следуя работам Б И. Китаева, ряд наиболее важ ных аспектов теплообмена в плотном слое при противотоке. 0612-5041 353 niee уравнение теплового баланса можно написать следующим образом" ^м^м^^т;,, Gf-c^dTj., (25 1) где (7^ и С?г — М1СС0ВЫИ расход соответственно н^феваемого ма териала и охлаждающихся газов, кг/ч; с^ и Ср — теплоемкость матери.и1а и шзов, кДжДкг-К); dT^^ и dT^ — изменение температу ры MaTepHiUia и газов, К Применяя водяные эквивш1енты, это выражение можно запи сать ТЧ1К И\,УТ,, = IV.dT, (25 2) Очевидно, что изменение температур dT^^ и dT^ будет зависе1ь от соотношения между величинами W^^ и 1V^. Возможны три слу чая такого соотношения, изображенные на рис. 25.1. В первом случае, когда W^. > W^ конечная температура нагре ваемого материала (обозначения ясны из рис 25.1) практически достигает начальной температуры газов Газы при любой высоте слоя не Moiyr отдать всего своего тепла нагреваемому материалу и выходят из состояния теплообмена с высокой конечной темпе ратурой, что является неизбежным При И^р = lV^^ и dTj. = dT^^ охлаждение газов на 1 °С обеспе чивае! нагрев мегалла также на 1 °С. Следовательно, на всей вы соте слоя разность температур между 7]. и Т^ будет одинаковой, что обеспечивает пря молинейный характер изменения этих темпе ратур по высоте слоя Если Wj. < И''^,, то при достаточ1|ои по верхности нагрева 1азы отдадут все свое тепло материалу (Т^~Т^), од нако этого тепла не 7 ' 7' т" т' о хватит, чтобы нагреть ' м ' г Температура материал до начальной температуры газов Рис. 25.1. Распредепение температур газа и на греваемого матери<ыа при противотоке для раз Как будет показано ных соотношений оодяпых чисел ниже, в разных частях 354 доменной печи возможны случаи, когда И^г "* ^ " ^м -^ ^г> поэтому рассмотрим подробнее теплообмен при IV^. > W^^ снача ла для случая термически тонких кусков. С этой целью выделим элементарный участок слоя, через который в единицу времени проходит объем материала К„ с поверхностью F. Количество тепла, переданное материалу, может быть записа но следующим образом. G^cJT, = aFV^{T,-TJdt, (25.3) где а — коэффициент теплоотдачи от газов к поверхности кус ков, Вт/(м2.К). При отсутствии тепловых потерь для противотока характерно, что в любом сечении по высоте слоя (см. рис. 25.1) G,cJ,- G^c^T^ = G^cX, (25.4) откуда Г,= г ; + % ^ Г „ . (25.5) Подставив выражение (25 5) в уравнение (25 3), можно полу чить после соответствующих преобразований исходное дифферен циальное уравнение ^^м + ^PVu [-^ - -^y.dt - ^ T;dt = о , (25.6) решением которого будет Из последнего выражения следует, что при / = да (высота слоя оо) темперптура кусков материала на выходе из слоя Tj до стигнет температуры газов на входе в слоя %. Если учесть, что для этого момента времени Т[ « Tj, то из выражения (25.5) мож но получить Г,'Г,[^-°-0] (25.8) Учитывая, что а,/ = aF, t = Н/р i\ G^c^ = с„Рнас(Рнас ~ "^отность иасьптого слоя) и, перейдя к безразмерной форме, можно записать следующее выражение для условии завершенною тепло обмена (Гр » Г^') при 1V^ > W^: Т —Т [^-Ш\- (-') 'г г W. ехр СмРм Т' — Т •"г ' м Приведенные выше выражения устанавливают связь между всеми основными величинами, определяющими изменение температуры матери^ша и слое и температуры газов Для случая W^ > W^ апалошчные рассуждения приводят к выражению Т' — Т = — 1 — ехр Т' — Т а, 1к Н_ Р СмР|П Уместно напомнить, что все вышеприведенные рассуждения относятся к нагреву кусков, представляюнщх собой термически тонкие тела, т. е без учета внутреннего теплообмена в кусках В действительноеги реальные куски могут не быт1> термически тон кими телами, т е не будет иметь место равенство /;i^^ = i|^ = „, где ^•к-> f\ = K ~ время прогрева кусков соответственно с реальной и с бесконечно большой теплопроводностью. Для реальных кусков можно говорить о какой-то условной величине отношения 6./''х. = 00' которое будет зависеть от критерия Bi Поскольку куски бесформенны, то для них практически невозможно определить точно величину линейного размера, входящего в критерии Bi Если с определенной степенью приближения считать, чго куски имеют форму шара, то 1 о=« = ь. 1ь|в, 1де В\ = aR/k; R — радиус шара После соответствующей подстановки в уравнение (25.7) мож но получить выражение г; 1 356 ехр (•-t) А 1 + BI которое позволяет делать необходимые расчеты нафева слоя, со стоящего из ре^шьных кусков Во все приведенные выражения, естестве1пю, входят величи ны коэффициентов теплоотдачи, которые определяют экспери ментальным путем. Большой практический интерес представляет определение гид равлического сопротивления слоя. Хаотическое распределение кусков, неопределенность сечении для прохода газов — все это делает возможным, по существу, лищь эмпирический путь иссле дования этих вопросов В результате неопределенности формы и размеров пор между кусками определения отдельных элементов местных сопротивлений выполнить невозможно, поэтому они учитываются общим коэффициентом ^ ^ ' входящим в нижепри веденную формулу для определения потерь напора в слое, Па* где AJ,j, = 44(Я/<^з^д); W^Q — скорость, отнесенная к общему се чению шахты, м/с; / - порозность слоя; р^ — плотность газов, кг/м-', Н — высота слоя, м; ^дкп ~ эквивалентный диаметр, м, £/экв ~ (0,45-0,47)V, d — средний диаметр кусков слоя, м; ^ — коэффициент сопротивления, зависящий от критерия Re и опре деляемый при турбулентном режиме при 250 < Re < 5000 по фор муле ^ = 1,56/Re0.i5. Турбулентный режим в слое наступает при низких значениях критерия Re. Это объясняется турбулизациеи потока при внезап ных расширениях и сужениях резких поворогах при прохожде нии газа через слои кусковых материалов 2. Доменные печи Устройство доменной печи Доменная печь — самый крупный и сложный плавильный аг регат, работающий без перерыва в течение 5-7 лет. В печь не прерывно зафужаются железорудные материалы и кокс, подают воздух (дутье), а из печи отводят доменный газ. Тепло, выделяе мое в результате горения топлива, расходуется на нафев и рас плавление материалов шихты и на образование чугуна и шлака. 357 Чугун и шлак накапливают в печи н выпускают периодически через 2—2,5 ч Чугун в доменной печи получают путем Bocciaiyieиия железа из оксидов железорудных матери^июв В доменной плавке применяют подготовленную шихту из спекшихся кусков офлюсованного агломерата, обожженных ока тышей и известняка. Основным видом топлива служит кокс В целях экономии дефицитного и дорогостоящего кокса применя ют частично природный газ или Мспут, а для интенсификации доменного процесса — кислород Основные размеры доменных печей приведены в табл. 25 I. Важнейшей характеристикой доменной печи является ее объем Рабочий объем печи представляет собой высокую шахту круглого сечения, внутренняя часть которой выложена огнеупорными маTcpHiUiaMH (рис 25.2). Верхняя часть печи называется колошни ком 1, далее следует шахта 2 Шахта постепенно расширяется книзу и переходит в самую широкую часть печи - распар 3 Нижняя часть печи — горн 7 — соединяется с распаром через заплечики 4 На нижнем уровне юрна на высоте 0,5-2 м от ле щади расположены отверстия для выпуска чугуна - чу17нные летки 6 (одна, две, три или четыре в зависимости от объема печи). Расстояние между чугунной леткой и лещадью оставляется для предохранения лещади от, размывания чугуном В средней части горна расположены отверстия для выпуска шлака — пшаковые летки 5 (одна или две) В верхней части горна имеются отверстия для воздушных фурм 8 Шахту и распар печи выкла дывают из шамотного кирпича высокого качества, а горн и ниж нюю часть лещади - углеродистыми блоками В верхней центрсшьной части лещади применяют высокоглиноземистые большемерные блоки Это уменьшает число швов кладки и увеличивает Табшца 25.1. Основные размеры ломенных печен Размеры печей полезным 1000 объемом, 1500 2000 25,5 2,9 14,5 7,2 14 27,8 3,2 16,3 8,6 18 Параметры Попезпля высота печи, м Высота горна, м Высота Ш.1ХТЫ, м Диаметр горна, м Число фурм 358 29,4 3,6 18,2 9,7 20 М2 3000 5000 31,2 3,9 1S.7 11,6 28 32,2 4,5 19,5 14,9 36 стойкость лещади. Для увеличения срока службы лещади приме няют воздушное охлаждение снизу. Давление газов в доменной печи достигает 0,3-0,5 МПа, по этому огнеупорная кладка печи заключена в стальную броню (ко жух) толщиной 25-40 мм. Толщина кладки в верхней части шахты 900-1000 мм, в нижней - 1300-1500 мм Чтобы предотвратить пеВерх колошникового фланца Нижнее положение большого конуса " Рис, 25.2 Доменная печь 359 pel рев и разрушение огнеупорной кладки, ее охлаждают Для это10 между металлическим кожухом и огнеупорной клсщкои установ лены водо- и пароохлаждаемые холодильники Водой охлаждают также apMaiypy фурменных приборов и шлаковых леток Футеров ка колошника с внутренней стороны защищена от ударного и ис тирающего воздействия кусков шихты металлическими п)П1тами В верхней части доменной печи расположен засыпной аппа рат, который состоит из большого конуса с воронкой и Miuioro конуса с вращающейся воронкой. Большой конус перекрывает КОЛОП1НИК и тем самым отделяет ею от наружной атмосферы Малый конус обеспечивает нужное распределение шихты по ок ружности колошника при ее загрузке в печь Доменная печь стоит на массивном фундаменте из oi неупор ною бетона На uQio опираются основные колонны печи, на ко торых лежит опорное кольцо, воспринимающее всю массу клад ки, и стальные конструкции верхней части печи. Воздух, вдуваемый в горн доменной печи, нагревают в возду хонагревателях регенеративного типа до 1000—1250 °С и выше (см гл 16) Современная доменная печь имеет четыре отдельно расположенных воздухонагревателя, которые работают поочередно насадка трех из них нафевается дымовыми газами, через четвер тую в это время подается холодный воздух (дутье) Период дутья 0,9—1,5 ч. Затем происходит переключение воздухонагревателей Охлажденную насадку переводят на нафев газом, а воздух для до менной печи подается через другую более нафетую насадку и т д Нафетыи воздух из воздухонафевателей поступает к печи по футерованным воздухопроводам, а затем через фурменные устрой ства в,печь Природный газ, мазут и кислород под давлением 1—1,2 МПа подают через те же фурменные устройства За счет кислорода воздуха в горне доменной печи происходит горение кокса и природного газа или мазута Продукты сгорания по мере прохождения вверх нафевают шихтовые материалы и вос станавливают железо, марганец и другие элементы Из печи газы выходят по газоотводам и удаляются в систему газоочистки, так как вместе с газом из печи выносится много пыли (10-20 г/м-') 4yi7H и шлак стекают в нижнюю часть печи и по мере накопле ния их выпускают через отверстия (летки) по желобам в ковши После выпуска чугуна канал чугунной летки закупоривается ог неупорной массой при помощи поршневой электрической пуш ки Шлаковая летка закупоривается специальным стогюром 360 производительность доменной печи характеризуется отноше нием ее полезного объема (в метрах кубических) к суточной вып лавке чугуна (в тоннах) и носит название коэффициента исполь зования полезного объема (к и п. о.), который в современных печах колеблется от 0,43 до 0,75 Тепловая работа доменной печи Доменную печь по высоте в условиях работы разграничивают на три зоны теплообмена (рис. 25 3). Верхняя /, в которой теп лообмен происходит в условиях, когда W^ > W^ и тепло газа используется не полностью; средняя зона //, в которой теплооб мен происходит вследствие протекающих в ней экзотермических реакций, и нижняя зона ///(при Wj. < W^), в которой наблюда ется самый интенсивный теплообмен. Эго объясняет ряд известных положений, замеченных на прак тике. Например, тепло нагретого дутья полностью используется в нижней части печи, поскольку здесь W^ < lV^^ и происходит интенсивный теплообмен, введение кислорода в дутье или умень шение удельного расхода кокса снижает температуру колошника благодаря тому, что уменьшаются количество'газов и значение W^. В шахтных печах теплопередача происходит не только конвек цией, но и излучением В верхних горизонтах, 1де преобладают относительно низкие температуры, чаще всего наблюдается кон вективная теплопередача, а в нижних горизонтах шахты возра стает доля излучения. Однако вследствие очень малого про странства между кусками конвек тивная теплоотдача сохраняет свое влияние вплоть до самых высоких температур газа В до менной печи кладка практически не участвует в теплообмене, по этому футеровка обильно охлаж дается для увеличения ее стойко сти. Работу доменной печи ха рактеризуют материальный и 1000 1500 2000 тепловой'балансы, составляемые Рис. 25.3. Изменение температуры по исходным данным и конеч газа (/) и шихты (2) по высоте до ным результатам плавки. менной печи ' 361 Физическое тепло газон используется в доме1тои печи очень хорошо, и » этом отношении доменная печь является весьма со вершенным афегатом Химически же связанное тепло углерода используется не полностью, так как в печи необходимо пощерживать восстановительную атмосферу, поскольку основное назна чение доменной печи заюпочается в восстановлении железа из его окс1щов В колошниковом газе содержа!ся горючие газы СО, Н2 и СИ4 С колошниковым газом уходит приблизительно 44% ог тепла, получаемою при сгорания кокса и природного ыза. Применение высокотемпературного дутья позволяет уменьшить расход топлива (кокса) на 10-15% В настоящее время повсеме стно частично заменяют кокс природным газом и повышают со держание кислорода в дутье, что дает возможность резко увели чить производительность доменных печей и повысить производи тельность труда обслуживающего персонала 3. Обжиговые печи В черной металлургии обжиговые шахтные печи применяют главным образом для обжига железных руд, известняка, магне зита и доломита По виду используемою топлива обжиювые шахтные печи разделяются на пересьин1ые и с выносными топ ками. Пересыпные шахтные печи применяют преимущественно для обжига тугоплавких материалов известняка, доломита и др Топ ливом служит коксовая мелочь, загружаемая в печь вместе с из вестняком В нижней части шахты устанашшвают механическое устройство для вьнрузки обожженного продукта и регулирования схода шикты Воздух подают через решетку разфузочного устрой ства. Иногда для улучшения распределения шихты на колошнике печи устанавливают засыпной аппарат с одной вращающейся во ронкой и конусом Подофен и обжиг материалов осуществляется в верхней части шахты. В нижней части обожженный материал охлаждается и одновременно подофсвается воздух Шахтные печи с выносными топками применяют для обжига сравнительно легкоплавких железных руд Нафев и обжи! мате риала осуществляется продуктами сгорания, поступающими из топок в среднюю часть шахты по специальным каналам Топки располагают около шахты, они могут иметь с ней общие стенки. В качестве топлива используют горючие 1азы любого вида, мазут и каменный уголь Нижняя часть шахгы как и в пересыпных 362 печах, служит для охлаждения обожженного материсша Для это го через нее пропускают определенное количество воздуха, кото рый нафевается и в средней части печи смешивается с продук тами сгорания, поступающими из топок Продукты сгорания, подводимые по каналам через стенки шахты, устремляются в основном по наиболее легкому пути в пе риферийных областях слоя. Чтобы прогреть центральные области слоя шихтовых материалов, шахты печей делают узкими (с вытя нутым гюперечным сечением) В некоторых печах нижнюю часть шахты перегораживают огнеупорными стенками (кернами), в ко торых предусмотрены каналы для подачи продуктов сюрания в центральные области. Схема такой печи, предназначенной для обжига сидеритов (железных руд, содержащих до 20% Fe), пред ставлена на рис. 25 4 Удельная производительность обжиговых шахтных печей око ло 0,5-1,0 тДм^'Ч) Расход условного топлива зависит от содер- Рис. 25.4. Схема шахтной печи для обжига сидеритов / — люки для загрузки шихты, 2 - газопровод для отходящих газов 3 — гребень (разбойник), направляющий руду к стенкам печи, 4 — поперечные стенки (кер ны), 5 — KdHiUiw для подвода горячих газов в слой обжигового материала, 6 — футерованный газопровод для продуктов сгорания газообразного топлива, 7 — люки для выгрузки обожженного материала 363 жания влаги и карбонатов и обжигаемом материале При обжиге известняка он составляет 180-200 кг на 1 т ютового продукта Для повышения производительности и замены кокса на газо образное топливо в зоне юрения известковых печей стали устанашжвать юризонтальные водоох;1аждаемые балки с вмонтирован ными в них или под ними газовыми горелками Куски известня ка проходят между этими балками через пламя горящего газа При установлении по высоте печи двух рядов балок в шахмаиюм по рядке достигается значительное улучшение качества обжига Г ава 26 ТЕПЛООБМЕН В ПЛАМЕННЫХ ПЕЧАХ 1. Общая характеристика Как уже отмечалось, теплообмен в пламеннь1Х печах представ ляет собой весьма сложный процесс, который складывается из теплоотдачи излучением и конвекцией. В высокотемпературных печах с рабочей температурой более 750—800 °С прербладает теп лообмен излучением, в низкотемпературных печах с рабочей тем пературой менее 400-450 °С преобладает конвекция, в промежу точной области одинаково значимую роль ифают оба вида теп лообмена В плавильных печах и печах для нафева металла перед обработкой давле}1ием преобладаюпшм видом теплообмена явля ется излучение В процессе передачи тепла излучением в рабочем пространстве таких печей участвуют практически три компонента: пламя (раскаленные газы), кладка и нафеваемый (проплавляемый) материсШ Всем им свойственны свои температуры и радиацион ные характеристики Требуемая рабочая температура в печи опре деляется ее назначением и, как указывалось выше (см гл 5), обеспечивается выбором соответствующего топлива и метода ею сжигания Радиационные характеристики компонентов теплообмена ока зывают очень серьезное влияние как на физическую сторону про цесса теплообмена в целом, так и на методы его расчега Наибо лее простым анализ и расчет процесса теплоотдачи излучением становится в том случае, когда радиационные хфактеристики компонентов теплообмена принимаются соответствующими серо му излучению (см т 1). Однако исследования последних ле! 364 показали, что ни футеровка печи, ни поверхность распла13ленного или нафеваемого металла не имеют характеристик, соответ ствующих серому излучению. В качестве примера на рис. 26.1 представлены радиационные характеристики некоторых материалов, участвующих в процессе радиационного теплообмена в рабочем пространстве промышлен ных печей. Приведенные на рис 26.1 кривые являются типичны ми, что позволяет сделать вывод о том, что подавляющая часть материалов (не говоря уже о пламени и раскаленных газах), уча ствующих в радиационном теплообмене в печах, не имеет ради ационных характеристик, соответствующих серому излучению Это обстоятельство потребовало разработки методов расчета лучистого теплообмена с учетом селективных свойств компонен тов теплообмена Однако 'уже первые шаги в этом направлении показали, что метод расчета лучистого теплообмена по селектив ной модели значительно превосходит по своей сложности анало гичный метод расчета по серой модели. В силу этого было необ ходимо установить целесообразные границы использования того и другого методов расчета. Было установлено, что ошибка, воз никающая при расчете лучистого теплообмена по серой модели, т. е без учета селективных радиационных свойств компонентов теплообмена, изменяется в достаточно широких пределах и зави сит от конструкции печи и особенностей ее тепловой работы Поэтому в настоящее время применяются как те, так и другие методы расчета Большое влияние на теплообмен в пламенных печах оказывает характер подвода топлива: торцевой, боковой или сводовый. Мно- 2 3 4 5 1 2 М 6 8 10" X, мкм X, мкм 2 3 4 5 X, мкм Рис. 26.L Изменение сггепени черноты ЕД^ ПО спектру следующих материалов а — расплавленный мартеновский шлак (период расплавления, сталь Армко), 6 — высокоглиноземистый огаеупорный материал (AI2O3 = 80%) при нафеве до 1400 К в нейтральной среде (кривая /) и на воздухе (кривая 2), в — стали при нафеве до температуры 800 °С (кривая / ) , 1100 и 1200 °С (соответственно кри вые 2 н 3) ' 365 гме I оды в методических нагревательных печах использов^июсь торцевое отопление При таком отоплеьнш cTaptUincb обеспечить равномерную теплоотдачу на мегалл по длине печи, для чего ис пользовали д1П1Ниопламен11ые юрелки. Температура 1азов (пламе ни) при этом падает по мере уд1\ления от горелки и теплоотдача на металл снижается Для поддержания температуры и теплообме на на желаемом уровне приходится делать несколько пережимов в печи Пережимы не улучшают, а скорее ухудшают тепловую работу печи, однако они яяпяются неизбежными при торцевом расположении юрелочных устройств Стремление интенсифициро вать теплообмен на нагреиаемыи металл как за счет повышения излучения кладки, так и за счет более равномерной по /ижне и ширине печи теплоотдачи на металл привело к разработке нового и весьма перспективного метода сводового отопления, получаюuiero в настоящее время все более широкое развитие, прежде все го в результате создания плоско-пламенных горелок (см гл. 6) Большое влияние на теплообмен в нагревательных пламенных печах оказывает взаимный характер движения теплоотдающих рас каленных газов (пламени) и теплопотребляющего металла Здесь возможны два случая' противоточное и прямоточное движение теплоносителей. Как следует из вышеизложенного (см 1л 17), противоток является наиболее совершенной схемой взаимного движения теплоносителей, поскольку холодный теплоноситель может нафеться до температуры, превышающей конечную темпе ратуру более нагретою теплоносителя Подобное положение при прямотоке невозможно. В силу этих причин методические нафевательные печи до последнею времени в подавляющем большин стве работ.ши по противоточнои схеме движения раскаленных га зов и нафеваемого металла Однако, в прямоточной схеме дви жения теплоносителей, в начальной ее части, где имеет место очень большой перепад температур между горячим и холодным теплоносителем, заключетл большие резервы для интенсифика ции теплообмена на поверхность нафеваемою металла Этот пе репад темперагур быстро уменьшается и делать печь, работающую целиком по принципу прямотока нецелесообразно, но создание печей со смешанным прямоточно-противоточным характером движения газов и металла представляется весьма перспективным В этом напраш1ении сделсшы уже первые пыги — в мире работа ет несколько прямоточно-противоточных печей, одна из которых будет рассмотрена ниже 366 2. Особенности лучистого теплообмена в пламенных печах Серая модель Общеизвестно, что серому излучению свойственны не только независимость степени черноты от длины волны и температуры, но и равенство интегральных и спектральных величин излучательных (степеней черноты) и поглощательных способностей тел, т. е. z = Ан г^ = ЛПрименительно к печам это значит, что степени черноты всех компонентов теплообмена в рабочем пространстве печей (кладки, металла, раскаленных газов) принимаются постоянными, не за висящими ни от длины волны, ни от температуры. К настояще му времени наиболее известным решением для расчета по серой модели теплообмена излучением в рабочем пространстве печей является формула В. Н. Тимофеева, полученная, кроме того, с рядом дополнительных упрощении нчиболее важными из кото рых являются следующие: — температуру и лучистые характеристики газов принимают неизменными по всему объему рабочего пространства; — температуру различных точек поверхности металла также принимают постоянной; — кладку по отнощению к падающему на нее лучистому пото ку принимают адиабатной, считая, что тепловой поток, передава емый от газов к кладке конвекцией, равен тепловому потоку, теряемому кладкой в окружающую среду Формулу В. Н. Тимофеева для технических расчетов обычно используют в виде Ony--Cr.A[{-^f-{-^f]. (26.1) ч где бду^, — количество тепла (Вт), получаемое металлом (резуль тирующий поток на металл), зависящее в значительной степени от величины Cj. ^ „ , которую называют приведенным коэффици ентом излучения газов и кладки на металл, причем Сг к м Вт/(м2 •К), 0) 1/ф + 1- здесь К + Ер ( 1 - ^ м )1 с, + J_ (26.2) Ф 367 в этих выражениях Е^ , Ер — степень черноты металла и дымо вых газов; ф — угловой коэффициент излучения от стенок печи нл металл Величина 1/ф = ш, входящая в выражение для Q ^ „ , харак теризует степень развития кладки Ее численное значение при близительно равно отноп1ению суммарной внутренней поверхно сти всех стенок и свода печи F^ к воспринимающей тепловое излучение поверхности металла F^, т е. 1/ф = ш = Fy^/Ff^. Роль кладки как посредника в передаче тепла теснейшим об разом связана с размерами и конструктивными формами печи Из выражения (26 2) видно, что величина Ср ^ .^^, а следователь но Цпуч и а„зл, равный а„з,, = Q ' / [ ( Г р - Т^) F\, зависят от таких величин, как степень развития юшдки, степень черноты газов, температура кладки Подобные расчеты, иллюстрирующие это влияние, были выполнены проф И. С Назаровым Результа ты этих расчетов приведены на рис 26 2, 26 3, 26 4 Очевидно, чем вьине расположен свод печи, тем больше вели чина степени развития кладки Из рис 26 2 видно, что увеличе ние степени развития кладки ш приводит к росту величины Ср ^ j^, Однако увеличение высоты свода дает эффект только в том случае, если пламя заполняет весь объем рабочего простран ства Чрезмерное увеличение высоты свода приводит к возраста4,66 0) = 10,0 - ^ 5,0-^ 3,72 ^ , — ^ ^ -— < " = > 2,79 U 1,86 и 3 2,5 2,0 1,67 1,43 0,932 7 1 1 О 0,2 0,4 1 1 0,6 0,8 Рис 26 2 Зависимость козффициенга С^ „ „ от степени черноты rajoo е^ и степени развития кладки о 368 нию тепловых потерь и излишнему расходу огнеупорных и дру гих материалов Обычно величина степени развития кладки ле жит в пределах 2-3,5. Кладка участвует в теплообмене с пламенем и металлом, по этому ее температура зависит от значения величин, определяю щих этот теплообмен. На рис. 26.3 приведены данные, получен ные для Гр = 1450 "С и Г^, = 1250°С, из которых видно, что при прочих равных условиях понижение свода (уменьшение величи ны со) влечет за собой понижение температуры кладки Как и следовало охсидать, увеличение излучательной способности пла мени приводит к увеличению температуры кладки. Понижение температуры кладки в печах, работающих по радиационному ре жиму, нецелесообразно, если только оно не диктуется стойкос тью огнеупоров. Как уже указывалось, возможны такие случаи, когда пламя (излучающие газы), характеризующееся высокой температурой и излучательной способностью, не полностью заполняет объем ра бочего пространства печи, удалено от свода и приближено к ме таллу. Такое расположение пламени соответствует прямому на правленному радиационному теплообмену' В этом случае темпе- 1450 о (0= 0 , 1 ^ ^^^^^ ^ ^ 1410 • ° ' / ^ Э 1370 1330 • 1 ///^ • ^^^\ ш \ш S 1290 1^ 1250 1 0,3 100 sllso З^юбО оо о О0.4 ^0,5 "^0,6 = 0,7 J . О 1,0 2,0 3,0 4,0 4,96 Коэффициент излучения газа й о 1,0 2,0 3,0 4,0 Коэффициент' излучения газа Рис 263. Зависимость температурь кладки от коэффициента излучения газов и степени развития кладки Рис. 264. Зависимость теплоотдачи от газов и от поверхности кладки к металлу от коэффициента излучения газов и соотноше шя величин поверхности / — область несветящихся газов // область светящихся газов /// - теплопере дача излучением от кладки 369 рагура поверхности кладки будет зависеть не от соотношения F^/F^, а от соотношения между поверхностью кладки и теплоотдаюи1еи поверхностью факела (пламени) Fy^/F^ Роль кладки как посредника в передаче тепла может быть ил люстрирована лан1П51ми, приведенными на рис 26 А w получен ными для двух случаев соотношения поверхностей ^к/^м ~ ^ф/^м ~ 2,5 (сплошные линии) и F^/Ffjf = 2,5; Рф/Р,^ я 1,7 (штриховые линии). Эти данные подтверждают отмеченный выше (см гл 2) факт, что увеличение степени черноты пламени приводит к уменьше нию доли теплоотачи от кладки в общем теплообмене и что при возникновении условий, соответствующих прямому направленно му теплообмену, роль кладки как посредника в передаче тепла становится менее значительной Селективная модель Уместно напомнить, что само понятие серою тела абстрактно — в природе таких тел нет PeaJшныe тела в отдельных случаях мо гут иметь радиационные характеристики, приближающиеся к ана логичным для серого тела, однако это бывает досгаточно редко. Поверхности и среды, участвующие в теплообмене излучением в рабочем пространстве металлургических печей, характеризуются ярко выраженными селективными свойствами (см. рис 26 1), при которых отсутствует равенство степени черноты и поглощательной способности Использование серой модели неминуемо приведет к ошибочным результатам. Необходимо в расчетах учитывать селек1ивность компонентов теплообмена, что, естественно, окажет се рьезное влияние на расчет величины результирующего потока на метшгл, усложняя расчет и делая его пракгически невозможным без использования ЭВМ. Наиболее строгим в этом случае методом является такой, при котором расчет выполняют для бесконечно малого спектрального ин1ервала АХ с последующим интегрированием по всему спектру Такой метод расчега крайне трудоемок и громоздок Поэтому чаще применяют методы квазисерой аппроксимации, при которои весь интересующий диапазон длин волн разбивают на ряд 370 интервалов конечного размера, в пределах которых все компо ненты системы принимают как серые, т. е. принимают равенство Едр^ = .4д^. Конечный результат определяется суммированием по выбранным интервалам. Этим методом с достаточной точностью может быть решена практически любая задача, однако и при этом упрощении расчет обычно получается достаточно громоздким и сложным, чем и объясняется то обстоятельство что пока получе ны результаты для относительно простых случаев. В качестве примера, характеризующего расчеты подобного рода и величины возмохсных ошибок, приведем результаты расчета лу чистого теплообмена для сечения печи, заполненного поглощательной средой — газообразными продуктами сгорания (СО2,. Н2О, N2) или продуктами сгорания, и взвешенными в них, са жистыми частицами - т. е средой, имитирующей несветящееся и светящееся пламя (табл. 26.1). Весь расчет был выполнен для спектрального диапазона от I до 9 мкм, спектральные радиаци онные характеристики газообразных продуктов сгорания и сажи стых частиц были приняты по наиболее современным данным. Стены и свод печи были взяты из шамота со своими, вполне реальными селективными свойствами В качестве нагреваемого металла была выбрана сталь Х18 спектральные характеристики которой определены достаточно надежными методами. Результаты расчетов приведенные в табл. 26.1 и многие дру гие убоадают в том, что расчет лучистого теплообмена в пла менных печах с использованием серой модели приводит к сущеТаблица 26.1, Сратштельиые результаты расчетоо рад ац о ого теплообмена по кпазпсерой и серон модели Отношение резуль тирующих потоков, • определенных по свода среды квазисерой модели, печи к полученным по серой модели Температура1, Среда, заполняющая печь Газообразные продукты сгорания Газообразные продукты сгорания и сажистые частицы К ме талла стен печи 300 950 900 1000 1,17 1500 1950 1900 2000 1,13 371 ственным ошибкам, величина которых зависит от многих факто ров, определяемых конструкцией печи и особенностями ее теп ловой работы. Здесь есть еще мною нерешенных конкретных задач; достигнутые результаты не могут быть описаны в рамках данного учебника и освещаются в специальной литературе 3. Теплообмен при торцевом отоплении Для того чтобы направить факел (пламя) вдоль печи, обычно необходимо в своде пе ш делать пережимы, освобождая простран ство для конструктивного размещения горелочных устройств (см. рис 27.12) Использование торцевою отопления обычно пре следуют цель обеспечения относительно равномерною по длине печи теплового потока на нагреваемый металл Чап^е всего при этом используют двухпроводные горелки, которые в результате плохого смешения топлива с воздухом дают растянутое, светяще еся в его начальной части, пламя. Продвигаясь вдоль печи, рас каленные газы отдают часть своего тепла металлу и кладке и теряют температуру. Для поддержания температуры печи на дос таточно высоком уровне на протяжении значительной длины печи приходится делать несколько пережимов и устанавливать несколько зон торцевых горелок Значительный практический интерес представляет вопрос о том, как изменяются тепловые потоки на металл при торцевом распо ложении горелок На рис 26.5 приведены результаты измерения q, кВт/м^ полных и радиационных падаю 400 щих на металл тепловых потоков вдоль сварочной и томильных зон, выполненных на одной из трехзонных методических печей Данные рис 26 5 указывают на весьма значительное уменьшение величины падающих на металл тепловых потоков по ходу газов Необходимо отметить, что пере жим оказывает на величину теп Рис. 26,5. Изменение величин пада ловых потоков крайне неблаюприятное влияние Все это свиде ющих тепловых потоков на металл / - полного, 2 — рааиационного тельствует в пользу широкою 372 развития сводового отопления. Вместе с тем одной из существен ных возможностей интенсификации теплообмена в методических печах, в том числе и с торцевым отоплением, является активиза ция теплообменных возможностей кладки. Выше отмечалось, что кладка играет наибольшую роль в теп лообмене в тех печах, в которых имеет место несветящийся фа кел. В современных условиях большинство нагревательных печей работает на газообразном топливе, которое чаще всего сгорает, не давая светящегося пламени. Положениями общей теории пе чей М. А. Глинкова установлено* что в таких случаях повышение степени черноты кладки повышает результирующий поток на металл. Однако большинство используемых в промышленности огнеупоров, не бывших в употреблении, имеет низкую степень черноты. Иными словами, новая футеровка печи, выполненная при ее строительстве или при ремонте, не обладает желаемыми радиационными свойствами. Это положение иллюстрируется данными приведенными на рис. 26.6 Причем поних<енная степень черноты имеет место как раз в том спеюральном интервале, в котором осуществляется в соответствии с температурным уровнем работы печей наибольшая доля теплообмена излучением. Как видно из рис 26 б, степень 14 >., мкм Рис. 26.6. Зависимость спектральной степени черноты Е^^ алюмосиликатных огне упоров от длины волны X noaie службы в томильных и сварочных зонах методи ческих печей ' / — новый огнеупор, 2~5 — соответственно после 0,5, 0,75, 1,5 и 2,5 года службы огнеупора ' " ' ' 373 черноты огнеупорной футеровки во время ее службы в печи в результате действия самых разнообразных факторов постепенно повышается, однако достигает желаемого уровня лишь после 1,5 и более лет эксплуатации Для того чтобы ликвидировать этот недосгаток, целесообразно новую кладку сразу после строитель ства или ремонта покрывать специальными обмазками, повыша ющими степень черноты до желаемого уровня. Опыт использова ния таких обмазок в промышленных печах показал их хорошую стойкость и высокую эффективность 4. Теплообмен при сводовом отоплении При рассмотрении особенностей разомкнутого факела плоско пламенных горелок (см гл. 6) отмечалось, что газовый слой, при мыкающий к керамической поверхности, в котором развиваются процессы горения, имеет весьма малую толщину (-100-150 мм) Поэтому вся печь по высоте может быть разделена на две не равновеликие части- зону горения и зону теплообмена, заполнен ную осгьшаюшими продуктами сгорания Тепло, выделяюшееся в зоне горения конвекцией и излучением, передается керамичес кой поверхности, которая обеспечивает основную часть теплово го потока на металл. Таким образом, печи такого типа работают в условиях косвенного радиационного режима теплообмена Теп ловой поток or кладки на металл частично ослабляется газами, заполняющими основной объем печи — зону теплообмена. Вслед ствие этого печи, оборудованные плоско-пламенными горелками, нецелесообразно делать высокими. Высота такой печи должна быть небольшой, достаточной лишь для гого, чтобы обеспечить необходимое выравнивание температуры. Зоны горения и тепло обмена каждая характеризуется своими температурой и степенью черноты Печи косвенного режима теплообмена, оборудованные плос ко-пламенными горелками, находят все большее распространение, так как обеспечивают весьма форсированный и равномерный нафев металла Печи имеют плоский свод и строятся обычно достаточно широкими (до 14—16 м), при небольшой высоте (-1,2-1,4 м) Такая конструкция печи при анализе теплообмена делает обоснованным допущение о теплообмене между двумя параллельными плоскостями (поверхности свода и металла), раз деленными двумя слоями газов — зонами горения и теплообмена 374 Проведенными исследованиями было получено нижеследующее уравнение для определения результирующего потока, восприня того поверхностью металла* г/ 4 4\ / 4 4\ + Erl(l ~ С г г Ж ^ г ' ! - ^ п р ^ к ) ] + «KOHB2f^r2- ^ м ) > где cffip = оо '^ ^^б.З) 4— " приведенный коэффициент излуче- ния кладки, учитывающий отклонение от коэффициента излуче ния абсолютно черного тела, вызываемое истинной степенью чер ноты кладки и долями конвективного и лучистого теплообмена в теплоотдаче к кладке, Т^ и Г„ - температура кладки и металла, К, Гр! и Гр2 ~ температура газов соответственно в зонах горе ния и теплообмена, К; Sp| и z^2 ~ степень черноты газов соответ ственно в зонах горения и теплообмена; Е^ И Е,^ — степень чер ноты кладки и металла, o.•^Q^^^2 ~ коэффициент теплоотдачи кон векцией от газов к металлу, Вт/(м^-К); QKOHB К "~ конвективный тепловой поток на кладку, Вт/м^, CTQ — коэффициент лучеиспус кания абсолютно черного тела, ВтДм^'К). Выражение (26 3) имеет четкий физический смысл. Первые два слагаемых определяют количество тепла, которое передает кладка на мег^тлл с учетом теплообмена с газообразной средой, заполня ющей зону теплообмена Газообразные продукты сгорания, име ющие температуру Г^], излучают на кладку тепловой поток, рав ный EpiaoTpi. Часть этого потока кладка отражает и посылает на металл через объем газов зоны теплообмена, пропускающая спо собность которых равна (1 — Ер2) Таким образом, третье слагае мое выражения (26 3) показывает, какое количество тепла кладка отражает на металл (как часть тепла, излучаемого газами зоны горения на кладку). Выражение (26 3) показывает, что основное количество тепла металл получает от кладки, что и соответствует, как отмечалось выше, условиям косвенного направленного теплообмена. Теплофизические процессы, протекающие около керамической поверхности при использовании плоско-пламенных горелок, очень сложны, так как включают в себя такие лок^шьные про цессы, как досмешивание топлива с окислителем и горение топ лива; передачу тепла конвекцией и излучением от раскаленных 375 газон к керамической поверхности; теплоотдачу от поверхносги кладки и лр Теснейшая взаимосвязь всех этих процессов и пре допределяет ту офомную сложность яш1епии у поверхности кл1Щки в целом, которая не позволила пока внести достаточную яс ность в их механизм. Несомненно, что дальнейшие исследования в этой области в увязке с выбором оптимш1ьных (с точки зрения характера по1Лошательиои способности металла) селективных свойств керамической поверхности сделают сводовое отопление печей еще более распространенным и эффективным 1лава 27 НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ, РАБОЫЮЩИЕ ПО РАДИАЦИОННЫМ РЕЖИМАМ 1. Общая характеристика нагревательных печей Нагревательными печами обычно называют печи, в которых осуществляется нагрев мег.шла перед обработкой даш1ением (про каткой, ковкой) Часто прокатку металла ведут последовательно на нескольких станах, что определяет и сосгав парка печей Производительносгь вновь строящихся прокатных станов не прерывно увеличивается. Поэтому общей тенденцией в развитии печей является интенсификация нафева металла (с соблюдением требований, предъявляемых к качеству нагрева), что позволяс! увеличить производительность печного агрекп-а Значительный професс в печестроении связан с механизацией и автоматизацией работы печей При современном поточном про изводстве ;ю1ичным является стремление включить печи в поточ ные линии Для эгого нужно, чтобы металл перемещался в печи с помощью таких механизмов, которые не только обеспечивают прохождение металла с цикличностью, необходимой для поточ ного производства, но и позволяют, если зто требуется, быстро опоражнива1ь печь Наиболее совершенными с этой точки зрения являются печи с ро;п1ковым подом, который представляет собой по существу продолжение ролыанга цеха Однако использование печей с роликовым гюдом пока офапичепо, в основном, вслед ствие недостаточной стойкости роликов в высокотемпературных печах при их значительной ширине Весьма распространенными и 376 перспективными являются печи с шагающим подом, которые с успехом применяют при нагреве заготовок длиной 12-14 м. В настоящее время на предприятиях черной металлургии при меняют как разливку стали в изложницы, так й непрерывную разливку стали. В первом случае печное хозяйство включает в себя печи для нагрева слитков перед прокаткой на блюмингах и слябингах, во втором — подобные печи отсутствуют Наиболее широко применяется нагрев прямоугольных загото вок, для чего используют печи периодического (садочные) и по стоянного (проходные) действия. В печах периодического дей ствия металл зафужается в полностью или частично остуженную печь и затем постепенно нафевается вместе с печью, т. е. темпе ратура печи изменяется во времени Такой метод применяют при нафеве крупных слитков, которые необходимо феть медленно во избежание возникновения чрезмерного температурного перепада Периодический режим нагрева применяется в" нагревательных колодцах-печах, в которых слиток, стоящий вертикально, нафе вается с четырех сторон Поскольку размеры слитков значитель ные (толщина -600 мм, масса -7 т), подобный нафев обеспечи вает необходимую равномерность и производительность. Следует отметить определенную тенденцию к увеличению раз веса слитков до 25—35 т, что благоприятно влияет на работу раз ливочного пролета сталеплавильных цехов и улучшает качество слитка Однако качественный нафев таких слитков перед про каткой на обжимных станах требует специальных нафевательных колодцев и специального кранового и другого оборудования. Пока еще нет конструкции нафевательного колодца, специально приспособленного для нафсва таких крупных слитков Кроме нафевательных колодцев для нафева слитков иногда применяют печи с выкатным подом, в которых можно обеспе чить постепенныи нафев металла (что очень важно при нафеве особо крупных слитков). Эти печи применяют в кузнечных це хах, где выпускают особо крупные поковки. В печах постоянного действия температура во времени остается неизменной. Вместе с тем температура таких печей по длине ра бочего пространства может изменяться в соответствии с необходи мостью создания целесообразного режима нагрева. Проходные печи постоянного действия — это наиболее распространенные нафевательные печи в черной метшщургии. Они очень многообразны как гю способу транспортировки заготовок через печь, так и по мето377 дам отопления Это толкательпые печи, печи с шагающим и роли ковым подом; с торцевым, сводовым, боковым отошшнием В та ких печах может осуществляться как постепенный (методический) режим нафева, так и весьма форсированный камерный режим. В последнее время в связи с развитием и возникновением но вых процессов прокатки предъявляются новые требования и к нлфевательным печам Широкое развитие получают процессы не прерывной прокатки, при которых заготовка подвергается нео днократному, последовательному обжатию без промежуточных иодофевов Процесс тем эффективнее, чем ддитнее прокатывае.мые заготовки Это объясняется тем, что с увеличением jvnmui заготовки сокращается количество отходов металла Длина заго товки достшает 12-15 м Однако увеличение дшины заготовки требует соответствующего увеличения ширины нагревательной печи, что вместе с необходимостью высокою нафева заготовки примерно до 1250°С создает большие трудности при эксплуата ции печи, так как при столь значительной ширине печи крайне затруднено удаление окалины Применение в этих случаях меюдических толкательиых печей с участками монолитного пода практически исключено Поэтому оптимальной конструкцией можно считать печь с шагающим подом Весьма перспективным является метод бесконечной прокатки, при котором необходимо осуществлять стыковую сварку отдельных заготовок в горячем состоянии в одну непрерывнуго полосу Такой метод прокатки позволяет повысить скорость прокатки, но требует полггои синхроггности в работе прокатггых, сварочных и печных механггзмов Во время сварки заготовка остывает, поэтому ее с са мого ггачала или надо перефевать до весьма высокой температу ры (~1300°С) или нафегзать в два этапа" первый - перед сваркоп до 1100 °С и второй — после сварки до температуры ггрокатки. В обоггх случаях для narperja перед сваркой оптимальной конструк цией является печь с шагающим подом, так как ее исггользование позво;гяет удовлетгюрителыю орг^анизовать удсигение окалины Зна чительное достоинство печей с шагающим подом состоит также в том, что они могут легко освобождаться от метгигла, что важно при ремонтах, а также могут быть использоваггы в качестве утеп ленных емкостей, где накапливается метгшл при различной скоро сти прокатки на заготовительных и сортовых станах Применение методических толкательных печей пргг бескоггечнои прокатке ограничивается трудностями, обусловлеггными уда378 лением окалины, а применение секционных печей — еще и их большой длиной После сварки целесообразно применять индукционный нагрев, однако в этом случае требуется совершенно прямая заютовка. Чем длиннее заготовка, тем более вероятна возможность ее ис кривления Это офаничивает пока увели 1ение длины заготовки свыше 12 м. При нагреве слябов, полученных методом непрерывной разлив ки, к печам предъявляется ряд дополнительных требовании, глав ными из которых являются следующие: 1) печь должна быть приспособлена для нагрева весьма длин пых слябов Известны случаи, когда длина нагреваемых слябов достигала 60 м, а длина применяемой роликовой печи 120 м; 2) машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и прокат ные станы работают в различном ритме, поэтому необходимо, чтобы в печах можно было нагревать как горячий, так и холод ный металл; 3) слябы, полученные на МНЛЗ, имеют поверхность хорошею качества nosTONiy следует стремиться к тому, чтобы сделать ми нимальным окалинообразование и устранить возможность обра зования поверхностных дефектов при транспортировании метал ла через печь; 4) при непрерывной разливке в формируемом слябе образуют ся подкорковые пузыри Для ликвидации вредного влияния внут реннего окалинообразования необходимо температуру нагрева металла повысить до 1300—1350 °С Для нафева слябов, полученных методом непрерывной разлив ки, применяют как толкательные. так и печи с механизирован ным (обычно шагающим) подом Кроме прямоугольных на заводах черной металлургии подвер гают нафеву цилиндрические заготовки, которые в дальнейшем обрабатывают на трубопрокатных и колесопрокатных станах Для нафева таких заготовок применяют печи с кольцевым подом и секционные печи В печах с кольцевым подом (их иногда назы вают карусельными) заготовка неподвижно лежит на вращающем ся (кольцевом) поду, который перемещает ее через все зоны на фева В секционных печах перемещение заготовок осуществляет ся за счет вращения роликов, расположенных между секциями. Современная печь - это автоматизированный афегат, в кото ром автоматически поддерживается заданный тепловой режим, 379 1 е заданная темпер \тура, расход топлива, соотношение топлива и воздуха, да1шеиие в печи Все нафевательные печи обесиечинают высокую температуру нлфева металла (-1200-1250 °С) и работают, как правило, в ус ловиях радиационных режимов теплообмена. Стремление повы сить интенсивность нафева мегалла или создать гак называемый скоростной нафев, когда на поверхность металла подается максимсшьно допустимый тепловой поток, приводит к неизбежному повышению температуры кладки Поддержание температуры внут ренней поверхности кладки на необходимом весьма высоком уровне требует серьезной теплоизоляции печи, делает печь край не фомоздкой и инерционной в тепловом отношении В силу этою обеспечение скоростною радиационного нафева наталки вается в подобном случае на значительные трудности. Этими причинами обьясняется тот факт, что в последнее время получа ет все большее развитие скоростной конвективный (ударный) нафев, свободный от указанных недостатков Наряду с тепловым и температурным режимами для работы печей большое значение имеет режим давления в печи. Идеаль ным был бы такой режим давления в печи, при котором холод ный воздух не попадал бы в печь, а дымовые газы не выбива лись бы из печи Если холодный воздух попадает в печь, то это приводит к излишнему расходу тепла и увеличивает угар метадла Чрезмерное выбивание дымовых ызов приводит к увеличению потерь тепла, пагубно влияет на арматуру печи и затрудняет ее обслуживание Для обеспечения оптимального режима давления в нафевательных колодцах стремятся под крышкой поддерживать небольшое избыточное давление В проходных печах на уровне нафеваемых заготовок гакже целесообразно поддерживать неболь шое избыточное давление, исключающее подсос воздуха в печь и большое выбивание дымовых 1азов Однако полностью выдержать такое давление по всей длине печи не удается 2 Печи для нагрева слитков (нагревательные колодцы) Общая характеристика Слитки металла, полученные в мартеновском, конвертерном или электросталенлавильном цехах, перед прокаткой на обжим ном сгане подвергают дополнительному нафеву Обычно толщи на их не менее 400 мм, поэтому для ускорения и повышения 380 качества нагрева целесообразно греть их с четырех сторон, рас полагая вертикально. Подобный нагрев осуществляют в нафевательных колодцах, которые обеспечивают, ускоренный и равно мерный HaipcB металла, исключающий возможность смещения усадочной раковины; удобство транспортирования, загрузки и выгрузки металла при вертикальном положении слитков. К нафевательным колодцам предъявляют следующие требова ния. 1) достаточно быстрый нафев мета;ша, обеспечивающий вы сокую производительность (общую и удельную), 2) качественный нафев металла равномерность нафева по вы соте и сечению слитков без местных оплавлений; 3) эффективная рабога воздухо- и газоподофевателеи, обеспе чение невысокого удельного расхода топлива; 4) возможность надежного автоматического регулирования теп лового режима; 5) высокие эксплуатационные качества (удобство удаления шлака, полное сжигание топлива в пределах'рабочего простран ства, достаточная герметизация рабочего пространства и теплообменных устройств, достаточная стойкость крышек и других на гревательных колодцев); 6) простота конструкции и невысокие капитальные затраты на сфоительство Каждый нагревательный колодец в отдельности называется ячейкой Несколько ячеек составляют фуппу. Для фуппы ячеек предусмофены одна дымовая труба и общее помещение для кон трольно-измерительных приборов Производительность нафевательных колодцев обычно исчисляют на фуппу в год Зная про изводительность стана и производительность одной фуппы, мож но найти необходимое число фупп нафевательных колодцев. Тепловой и температурный рехсимы Современные нафсвательные колодцы являются камерными печами периодического дей ствия с переменными во времени тепловым и температурным ре жимами. В подавляющем большинстве нафевательных колодцев нагрев металла осуществляется садками, т. е. после выдачи всех нафеваемых слитков ячейки колодцев вновь зафужают слитка ми. В результате частого открывания крыщки при выдаче и по садке слитков кладка рабочего пространства нафевательных ко лодцев охлаждается. Поэтому при работе колодцев на горячем посаде в первый момент нафева температура слитков выше тём381 Рис. 27,1. Температурный режим и тепловой ба,1анс нагревательнот колодш при нагреве слитков горяче го посада / - период нагрева, // - период томтения, / - тем пература крышки, 2 - температура отходящих продук тов сгорания, 3 - температура поверхности, слитка, 4 - температура середины слитка, а - общий расход тепла, б - потери тепла с продуктами сгорания, в — потери тепла вследствие неполноты горения топлива, г - расход трпла на нагрев мегалла, д - тепло, по глощенное кладкой, охлажденной при открывании колодца, е — потери тепла через кладку пературы поверхности кладки и основной потребитель тепла в этот период — кладка колодца На рис. 27 I показан температурный режим и приведен тепловой баланс колод ца при нагреве слитков горячего посада для различных периодов нафева Из этого Время рисунка видно, что в начальный период нагрева подают максимальное количество тепла, соответствующее тепловой мощности колодцев После того, как кладка достигнет своей рабочей температуры, начинается ин тенсивный нагрев металла Расход тепла поддерживают максимальным до тех пор, пока температура той части слитка, которая нагревается быстрее, не достигнет предельного значения Этот период называется перио дом нагрева Вслед за ним наступает период томления, в течение которого происходит постепенное уменьшение расхода тепла, так как в течение этого времени температура поверхности слитков остается постоянной и тепло расходуется только на профев слит ка по сечению В этот период температура отходящих продуктов сгорания остается приблизительно постоянной Тепловую мощность нафевательных колодцев выбирают так, чтобы обеспечить быстрый подъем температуры кладки и поверх ности слитков в начале нафева. При заниженной тепловой мощ ности период нафева затянется, а период выдержки сократится, и полный цикл нагрева будет нерационально большим При за вышенном максимальном расходе топлива период нагрева сокражтся, но увеличится неравномерность температуры по сечению слитка и период выдержки затянется. Это также вызовет чрез мерное увеличение длительности полного цикла нафева 382 Рис. 27.2, Зависимость продолжительности на грева от температуры поверхности слитков и тепловой мощности колодца '•lO На работу нагренательных колодцев очень большое влияние оказывает на чальная температура слитков. Обычно нагревательные колодцы работают на I 8,4 16,8 25,2 33,6 горячем посаде, т. е. в ячейку для с Тепловая мощность, ГДж/ч нагрева до температуры прокатки (-1200 °С) помещают еще не полнос тью остывшие после разливки слитки, температура которых 700-850 °С. Чем выше процент горячего посада и начальная тем пература слитков, тем больше производительность нафевательных колодцев и тем ниже удельный расход топлива на нагрев метсШла Процент горячего посада и начальная температура слитков завис^гг от уровня организации производства на данном предпри ятии На тех заводах, где культура производства достаточно вы сока, горячий посад достигает'95%, а начальная температура слитков перед нагревом 800-850 °С На рис 27 2 приведены данные, показывающие зависимость полной длительности нафева от температуры посада 7-т слитков и величины тепловой мощности. Из рисунка видно, что влияние тепловой мощности тем больше, чем ниже температура посада слитков, так как чем выше температура посада^ тем короче пери од нафева и ниже максимальный расход топлива Оптимальное значение тепловой мощности (по химическому теплу топлива) лежит в пределах 210-290 МДж/т садки. Рабочая температура в нафевательных колодцах 'составляет 1350-1400 °С. Для обеспечения такой рабочей температуры нуж но сжигать топливо так, чтобы калориметрическая температура горения достигала 2100-2200 °С Шлакоудаление. В процессе нафева металла происходит его окисление. Образовавшаяся окалина собирается на подине колод ца и должна быть оттуда удалена Существуют два метода удале ния окалины или, как говорят, шлакоудаления. сухое и жидкое. При сухом шлакоудалении на подину колодца насыпается мелкии коксик, который через 5-6 всадов вместе с окалиной удаля ется через специальные лючки Затем сверху при открытой крыш383 ке засыпайся и разравнивается новая порция коксика Вслед за этим метсШЛ иафевают вновь При жидком шлакоудсшении коксик на поду отсутствует, по дину выполняют из о1НС\пор}1ЫХ MaTepHtUioB, не взаимодейству ющих с окшшнои (обычно хромомагнезита), окалина в жидком состоянии ул;и1яется с пода ячейки через специальную летку Каждому из этих меюдов присущи свои недостатки и досто инства Недосппки сухою щлакоудаления 1) непроизводительные затраты времени на засыпку и удале ние коксика, 2) замедленный прогрев и нау1лероживание донной части слитка, несколько утопленной в коксик; 3) необходимость иметь в цехе хранилище дли коксика и пло хое санитарное состояние цеха (при засыпке коксика поднимает ся туча пыли), 4) крайне отрицательное штяние коксовой пыли на керамику регенераторов и рекуператоров Однако сухое шлакоудапение — это единственный метод удале ния OKiUHiHbi в таких конструкциях, где невозможно обеспечить жидкотекучесть окалины на поду ячейки Этим обстоятельством и определяется область применения метода сухою шлакоудгшения Жидкое ишакоудсшение не имеет недостатков, свойственных су хому шлакоудалению, но и оно также не лишено недостатка, зак лючающеюся в том, что при жидком шлакоудалении неравномер но изнашивается подина колодца, и слитки теряют устойчивость Причем устойчивое стекаиие шлака через летку возможно только в том случае, если на поду колодца поддерживается достаточно вы сокая температура, при которой шлак жадкотекуч Однако в неко торых цщроко применяемых конструкциях нагревательных колод цев наивысншя температура развивается в верхней части ячейки, а гемперагура на поду не все1да достаточна для того, чтобы ншак стекал должным образом При этом на поду начинают образовы ваться бу1ры окалины, для удаления которых добавляю! материа лы, снижающие температуру плавления окгшины, и интенсивно профевают пустой колодец с целью удаления скопившеюся шлака Футеровка и ее служба В нафевательных колодцах наиболее уязвимы следующие части огнеупорной футеровки I) подина и нижняя часть стен, поскольку они интенсивно со прикасаются с окалиной и слигками, 384 2) те пояса футеровки стен, на которые опираются слитки; 3) футеровка крышки, так как она подвержена действию наи более высоких температур, колебанию температур и механичес кому воздействию в связи с частым открыванием и закрыванием крышки, 4) керамика регенераторов и рекуператоров (особенно верхние ряды), которая работает в тяжелых условиях высоких температур, резкой смены температуры, воздействия газовых потоков, несуишх окалину и пыль. Подину колодцев выкладывают обычно в три слоя; внутрен ний слои из хромомагнезитового кирпича, средний — шамотный кирпич, внешний — теплоизоляционный слои из диатомового кирпича При сухом шлакоудалении уровень подины по всей пло щади колодцев одинаков, при жидком - подину выкладывают с уклоном в сторону шлаковой летки. Стены колодцев также выполняют трехслойными. Внешний слои - теплоизоляционный, затем слой шамотного кирпича. Внутренний слои в нижней части стен (приблизительно па 1 м высоты) выполняют из хромомагнезита, остальное из динаса. Интенсивнее всею стены изнашиваются на том уровне, 1де опи раются слитки В связи с этим в этом месте выполняют выступ кладки внутрь колодца, который выкладывают из динаса, хромо магнезита, каолинового кирпича Стойкость выступов из динаса наименьшая. Применяют футеровку из огнеупорных блоков. В настоящее время применяют крышки как с арочной футе ровкой, так и с подвесным сводом. И в том, и в другом случае можно применять шамотный кирпич В последнее время для фу теровки крышек все шире используют каолиновый кирпич, кото рый в футеровке крышек значительно более стоек, поскольку об ладает большой огнеупорностью и меньшей дополнительной усад кой. Насадку регенераторов нафевательных колодцев делают двуСЛ0И1ЮИ верхнюю часть из динаса, нижнюю из шамота. ' Керамические рекуператоры, применяемые в нагревательных колодцах, выполняют из восьмигранных трубок. Обычно монти руют 6-8 рядов труб, из них два верхних и нижний ряды — из карбошамотиых трубок, остальные — из шамотных. При правильно выбранных огнеупорных материалах стойкость огнеупорной футеровки зависит от ряда теплотехнических и тех нологических факторов, главными из которых являются следую13-5041 385 щие- температура в колодце, колебания температур в колодце, полнота сгорания топлива, метод шлакоудаления Чрезмерное повышение температуры в колодце приводит к сни жению стойкости как огнеупорной кладки рабочего пространства, так и насадок регенераторов и рекуператоров. Сильно ускоряют разрушение кладки колебания температуры в рабочем пространстве, связанные с открыванием и, особенно, с охлаждением колодцев перед посадкой холодных слитков Если не обеспечивается полное сгорание топлива в пределах рабочего пространства, то горение за вершается в регенераторах и рекуператорах, что приводит к их быстрому разрушению При жидком шлакоудалении кладка в це лом изнашивается быстреге, так как для обеспечения удаления шла ка в жидком виде приходится повышать температуру в колодцах. В обычных регенеративных колодцах на 6-8 слитков смену внут реннего слоя стен и подины выполняют через каждые 2,5-3 мес, а полную замену кладки - через 8-9 мес. В газовых регенераторах насадку необходимо сменять через 8 мес, а в воздушных она мо жет служить в течение 2 лет Ддя стен и подины рекуперативных колодцев смена внутреннего слоя необходима через 5-6 мес , а полная замена кладки - через 12—18 мес В рекуператорах насад ку следует сменять раз за 1,2-2 года Смена футеровки крышек осуществляется через 7-9 мес. В от дельных случаях, чаще всего в регенеративных колодцах, быстро сгорает металлическая рама крышек Регенеративные колодцы На некоторых заводах РФ работают регенеративные нагрева тельные колодцы (рис. 27.3), вмещающие по 6-8 слитков массой 6-7 т. Колодец снабжен двумя парами регенераторов, причем бли жайший к рабочему пространству регенератор обязательно газо вый Газ и .воздух подофевают примерно до 800 °С Колодец ра ботает реверсивно. Сначала топливо и воздух поступают с одной стороны и, нафеваясь в регенераторах, попадают в рабочее про странство. Образовавшиеся дымовые газы проходят через другую пару регенераторов и отдают свое тепло огнеупорной насадке Затем происходит перекидка клапанов, и весь цикл повторяется в обратном направлении. Металл нафевается до 1200-1250°С, тем пература в рабочем объеме колодца составляет 1350-1400 °С Общая тепловая мощность подобных колодцев составляет 21-23 ГДж/ч, причем на долю топлива приходится около 65%, 386 2 у //////1'/// г //Зз. Л ^ ^ S ^ z z z z ^ I t I i WWW//y'/'y'//>/^////y>//////////>/'/'/,'/>y>y>y'^y>^^^^y'^y>y>J/>^//>/>///>j>/^y'///^////>/// Рис. 27.3, Регенеративные нафевательные колодцы: / — крышка; 2 - механизм для перемещения крышки, 3 - газовый регенератор, 4 — воздушный регенератор на долю тепла подогрева воздуха и газа — примерно 35%. Нагре вательные колодцы подобного типа могут работать на чистом до менном газе и на смеси коксового и доменного газов. В регенеративных нафевательных колодцах в каждой фуппе по четыре ячейки. Большинство нафевательных колодцев рабо тает в значительной мере на слитках горячего посада При этом температура горячего посада обычно составляет около 750 °С, но иногда достигает и 850-870 *'С Удельная доля слитков горячего посада по отношению к массе всех слитков достигает 95%. Уве личение температуры и массы горячего посада — один из важ нейших резервов повышения производительности нафевательных колодцев и экономии топлива Производительность фуппы ре1енеративных колодцев рассмат риваемой конструкции при 95% горячего посада с температурой около 780 °С составляет 300 тыс. т/год, а удельный расход тепла 1150-1200 кДж/кг. При увеличении производительности существу ющих обжимных станов, оборудованных регенеративными колод цами, задача увеличения количества нафеваемого металла мох<ет быть решена двумя способами: либо достройкой недостающих фупп колодцев, либо реконструкцией существующих ячеек. 13* 387 в регенеративных колодцах горение юплина развивае|ся в ниж ней части колодца, поэтому температура около подины достаточ но высокая и надежно осу|цествляс1ся жидкое шлакоудаление. В нагревательных колодцах peiLMiepaiHBMoro типа крайне не совершенна система сжигаштя юплива, что влече! за собой су щественные недостатки 1) горение топлива практически начинается над ызовыми ре1енеративными насадками, через которые подается топливо, про текает в рабочем просфанстве и заканчивается в прожвоположных насадках Это приводи! к неравномерности нагрева садки металла, так как слитки, расположенные ближе к регенераторам, на1реваются значительно быстрее, чем слитки в средней части рабочего пространства, 2) для автомашзации теплового процесса печи необходимо правильно выбра1ь в рабочем просфанстве такую точку, по из менению температуры в которой можно строить процесс автома тизации В регенеративных колодцах надежно выбрать такую точ ку невозможно, поскольку н pejyjibTaie перекидки клапанов и плохого смешения газа и воздуха температура можс! все время изменяться но гзсеи длине рабочего объема колодца, причем воз можны н случайные колебания температур Рекуперативные колодцы Колодцы с отоплением из центра подины. Такие колодцы (рис 27.4) широко применяют для нафева слитков перед npoKaiкои на блюминге производительностью около 2,5 MJHI т/год Они достаточно надежны в jKcnjiyaTâuHM, отапливают их смешанным коксо-доменным газом с теплотой сгорания 5800-8400 кДж/м^ при помощи юрелки, расположенной в центре пода Группа состоит из двух ячеек В каждую ячейку помешается по 12-16 слитков квадратною сечении Колодцы оборудованы керамическими рекуператорами из восьмигранных карбошамотных трубок для подогрева воздуха до 800—850 °С Воздух, проидя через рекуператоры, поступает к юрелке с двух сторон по сборным каналам Газ 1юдается в юрелку по специальной трубе снизу вверх, поэтому факел направлен снизу вверх Продукты сгорания удаляю!ся из рабочего нростра!!ства через С1!ециальные окна и, проидя через рекуператор, уходят в дымовую трубу 388 Рекуперативные колодцы с отоплением из центра пода в на стоящее время работают на 90-95% горячего посада, обеспечи вая при этом производительность одной группы около 220270 тыс т/год. Удельный расход тепла на иафев металла составляег 1100-1200 кДж/кг Процесс нафева металла в этих колодцах можно автоматизировать Импульсную точку выбирают на одной из боковых стен в зоне наиболее высоких температур, т. е. не сколько выше верхней кромки слитка Тепловая мощность ко лодцев составляет 21,0-29,0 ГДж/ч. Качество нагрева мегалла' в рекуперативных колодцах с ото плением из центра пода выше, чем в ре1снеративных колодцах, но все-таки недостаточно Вследствие вертикального расгюложения факела зона наибольших температур создается в верхней части рабочего пространства, что приводит к перефеву верхней части слитка при недостаточном нафеве его ос1ювания. Перепад температур по высоте рабочего пространства достигает 100 °С и более, что вызывает неравномерность нафева слитка по высоте. Однако положительным является то, что все слитки, входящие в садку, греются почти одинаково Общая площадь рекуператора нагревательных колодцев состав ляет около 400 м^ В рекуператоре шесть рядов трубок Два ниж- Рис. 27.4. Рекуперативные колодцы с отоплением из центра пода / - горелка, 2 - рекуператор, 3 — полвод холодного воздуха, 4 — канал для подвода горячего воздуха, J — каналы для отвода дымовых газов из рабочего пространства колодца 389 них и два верхних ряда - из карбошамотмых трубок, средние ряды — из шамотных Характеристика работы рекугтератороп Гемпература дымовых газов на входе в рекуператор, °С Скорость, м/с воздуха дымовых газов 1200-1250 1,5 0,7-1 Воздух В рекуператор поступает обычно под давлением, в ре зультате чего между воздушной и дымовой сторонами рекупера тора возникает значительный перепад давлений (до 200 Па) и со здается возможность для утечки воздуха в дымовые каналы Утеч ка иногда достигает 40-50 % всего воздуха, поданного в рекуператор Низкая герметичность рекуператоров сильно влияет на работу колодцев, так как в результате утечек количество воз духа, достигшею горелки,становитсянедостаточным и, что очень важно, неопределенным. При недостатке воздуха топливо не сго рает полностью в пределах рабочего пространства и поэтому ста новится возможным его дожигание в рекуператоре, что вызывает разрушение рекуператора и дальнейшее увеличение утечек. При уменьшении количества воздуха, попадающего в ячейку, прихо дится сокращать количество подаваемого топлива, т е снижать тепловую нагрузку, а это в свою очередь приводит к снижению производительности Подача в рекуператоры воздуха в количестве, превышающем необходимое для горения, не дает желаемого результата, посколь ку увеличение количества воздуха требует соответствующего по вышения его давления Чтобы уменьшить утечку воздуха, следует стремиться к снижению гидравлического сопротивления ла воз душном пути и уменьшению неплотностей, для чего необходимо применя1Ь специальные приемы сборки рекуператора, а при эк сплуатации исключить термические удары. Во избе>хание терми ческих ударов предусматривают блокировку крышки нагреватель ного колодца и шибера, установленного в дымовом борове, кото рая обеспечивает закрытие шибера при открывании крышки колодца и препятствует попаданию холодного воздуха в трубы рекуператора Ненадежная (в смысле герметичности) работа рекуператоров наряду с высокой стоимостью сооружения является, пожалуй, самым большим недостатком этих нагревательных колодцев По390 этому предпринимают различные попытки уменьшить и стабили зировать во времени утечку воздуха, что необходимо для автома тизации теплового режима Герметичность рекуператоров зависит также от состояния дымовых каналов. Трубки засоряются части цами окалины и коксика, захватываемыми дымовыми газами. Поскольку трубка верхнего ряда рекуператора нагревается до весьма высоких температур, эти частицы прилипают к керамике, постепенно сечение для прохода дыма все больше и больше су живается. В резулыате этого возрастают сопротивление дымового тракта и утечка воздуха Особенно сильно засоряются трубки рекуператора, когда колодцы работают при сухом шлакоудалении и когда в рекуператор попадает много коксовой пыли, причем засорение трубок не только увеличивает утечку воздуха, но и ухудшает его подогрев в рекуператоре. Все это' заставило отка заться от сухого шлакоудаления Однако на колодцах с отоплением из центра пода применять жидкое шлакоудаление сложнее, чем на регенеративных колод цах. Это объясняется тем, что в регенеративных колодцах при го ризонтальном направлении факела на поду поддерх(ивается тем пература 1400—1450 "С, достаточная для получения жидкотекучести шлака. В колодцах с отоплением из центра пода в верхней части температура достигает 1370-1400 °С, а внизу 1290—1320 °С. При этой температуре шлак только размягчается; чтобы он стал жидкотекучим, необходимо внести на подину специальные раз жижающие материалы На некоторых заводах в качестве таких материалов используют шлак от сжигания твердого топлива, квар цевый песок, бои динасового кирпича Переход на жидкое шлакоудаление позволяет увеличить про изводительность ячейки и сократить расход топлива, однако при этом резко возрастает число ремонтов, а следовательно, и удель ный расход огнеупоров Колодцы при жидком шлакоудалении работают более форсированно, что увеличивает толщину окали ны и возможность оплавления слитков. Колодцы с верхним отоплением. Такие нагревательные колод цы бывают двух типов с двумя верхними горелками и с одной верхней горелкой. В последние годы строят колодцы только с одной верхней горелкой, которые удовлетворяют новым требованиям, возник шим в связи с увеличением производительности блюмингов до 6 млн. т/год и более 391 Консгрукция колодцев представлена на рис 27 5 Колодец вы тянутой формы, шириной 2,2—2,5 м В ячейку помешают в два ряда 14 ели 1 ков массой по 7-8 т Каждая фуппа колодцев вклю чает 4auie всего 2 или 4 ячейки Тепловую нагрузку в колодцах поддерживают около 38-42 ГВт; удельный расход тепла состав ляет 1300-1350 кДж/кг. Поскольку на поду эшх колодцев темпеpaiypa относительно низкая, применяют сухое шлакоудаление. Производительность колодцев на ipynny из двух ячеек несколько меньше (200-220 тыс i/год), чем колодцев с отоплением из цен тра пода Это объясняется особенностями их 1епло1юи работы Колодец отапливают газообразным топливом при различной ciencHH подофева воздуха Выходные скорости в горелке долж ны быть подобраны так, чтобы кинетической энергии струи было достаточно для проталкивания газов от горелки до дымоотборного окна по петлеобразной траек-юрии Плохое смешение топлива и воздуха приводит к тому, что наибольшая температура развива ется около стены, противоположной горелке; на этой стене и выбирают импульсную точку для автоматизации тепловою режи ма Причем раньше других нагреваются слитки, находящиеся около этой стены Котда температура в импульсттои точке достигает заданного значения, то во избежание ее дальнейшего повышения расход топлива снижается и кинетическая знергия струи топлива и воз духа уменьшается. Это приводит к тому, что тазы уже не достит-ают противоположной стенки и двигаются тто профессивно уко рачивающейся петле Таким обраюм, процесс натревания садки протекает неравно мерно, затягивается, поэтому производительность группы, состо ящей из двух ячеек таких колодцев, меньтие производительности колодцев с отоплением из центра пола Однако колодцы с од ной верхней горелкой более компактны и при одной и той же общей длине отделения нагревательных колодцев их можно ус тановить несколько больше, чем колодцев с отоплением из цен тра пола Нагревательные колодцы с одной верхттеи торелкой обеспечи вают наивысшую производительность на 1 м д/тины отделения Однако при их использовании возникают значительные трудтюсти с подогревом воздуха, которые заключатотся в том, что вслед ствие узкой, удлиненной формы рабочето пространства приходит ся и рекуттератор выполнять такой же формы При этом создает392 7500 7350 *Ac. J7.5. Нафевательный колодец с одной вер 7 - керамический рекуператор, 2 - каналы для холодного воздуха 4 — подвод компрессорного воздуха, 5 - каналы для удаления дымовых ся высокое сопротивление на пути движения воздуха, для пре одоления которого требуется весьма высокое давление. Кроме того, как было указано выше, юрелка должна создавать доста точно длинный факел, для чего также необходим определенный запас давления (500-600 Па) Необходимость значительного давления воздуха перед рекупе ратором приводит к возникновению большой утечки воздуха Вы сокой герметичности можно достичь, если применять металличес кие рекуператоры, существующие же металлические рекуперато ры не обеспечивают высокой 1емпёратуры подофева воздуха При использовании керамического рекуператора возможны два способа подачи воздуха из рекуператора к горелке 1) с помощью эксгаустера из жароупорного материала Воздух просасывается через рекуператор и возможность утечки практи чески устраняется Однако в этом случае температура подогрева воздуха Офаничивается 400-450 °С, так как при более высокой температуре существующие эксгаустеры работать не могут; 2) с помощью инжектора (см рис 27 5) Инжектирующей сре дой служит воздух высокого давления (20-40 кПа), количество которого составляет 25-30 % общего расхода и который подофевается в металлическом трубчатом рекуператоре до 250-350 °С. В этом случае температура воздуха перед горелкой составляет 650700 °С Если для инжектирования применять компрессорный воздух (5-7 % общего расхода), то температура воздуха перед го релкой составит 700-800 °С Определение количества нагревательных колодцев Продолжи тельность нафева слитков является главным фактором, от кото рою зависит производительность нагревательных колодцев При нагреве холодных слитков применяют трехступенчатый режим нафева, состоящий из периодов предварительного нагрева, уско ренного нафева и выдержки В течение периода прелварительноto нафева скорость повышения температуры металла поддержи вается таким образом, чтобы в нем не возникли чрезмерные тем пературные напряжения После достижения 500—550 °С, когда металл уже приобретает необходимые пластические свойства, на чинается период ускоренною нагрева, который заканчивается после того, как поверхность слитков достигнет конечной темпе ратуры нагрева В течение последующей выдержки пракжчески при постоянной температуре поверхности происходит выравнива ние температуры по сечению слитка 394 По условиям работы нафевательных колодцев расчет продол жительности нафева металла в них выполняют при фаничных условиях II рода, причем принимают независимость теплового потока от времени (q = const). Если обратиться к рис. 27.1, то можно видеть, что перепад температур в колодце и на поверхно сти слитка изменяется незначительно. Это обстоятельство и яв ляется принципиальной основой применения метода расчета на фева металла при q = const, поскольку тепловой поток пре};<де всего зависит от разности температур печи и металла Однако надо заметить, что строгого соблюдения условия q = const в ко лодцах, конечно, нет и расчеты выполненные этим методом, совершенно необходимо корректировать по практическим данным (табл. 27.1). Необходимо отметить, что увеличение садки металла обычно приводит к увеличению продолжительности его нафева,' поэтому существует оптимальная садка, при которой обеспечивается наи высшая производительность колодцев Средняя производительность одной фуппы колодцев при на греве одинаковых слитков, т/ч: я ^ " tn + (н + (,+ fni '^' где г^, t^^, t^, /ц, — соответственно продолжительность посадки слитков, нафсва слитков, выдерхс1си слитков и уборки шлаков, ч; п — число ячеек в одной фуппе, шт.; G — масса садки одной ячейки, т; /и - коэффициент, учитывающий простои колодцев на ремонт. Обычно простои колодцев составляют 15%, поэтому при нимают т = 0,85. Таблица 27.1. Продолжительность нагрева и пронзоодителыюсть рекуператнпных ' ' иагреоательных колодцео' с отоплением из центра подины (садка — 14 слпткоп) Параметры Стал ь среднеугл!:родистая малоуглеродистая V Температура поверхности слитков при посадке, °С Продолжительность нагрева, ч Производительность одной ячейки, т/ч 20 9-10 10,3 800 3-3,5 26,2 20 7-8,0 12,5 800 3-3,2 29,6 395 Если в колодцах нагреваю! слитки различной массы, марок стали и температуры посада, то их среднюю проинюдителыюсгь можно определи lb по формуле ^^Р а/Р, + b/Pj t с/Т'з + .. + п/Р„ ' 1де а, Ь, с, .., п — доля слитков данной массы, марки сииш и температуры посада в профамме нагревагельных колодцев, Р], Pj, Рт,, > ^и ~ производительность группы колодцев при нафеве елиIков одного типа, подсчитанная по формуле, приведенной выше. Зная lacoiyro производительность обжимною стана и среднюю часовую производительность группы колодцев, ле1ко оп|зеделить необходимое число фуппы колодцев Планировка пролетов нагревательных колодцев Рщиональная планировка - очень важная и ответственная задача При увели чении годовой производительности обжимных сганов, часовая производи 1ельность будет измеряться величиной 600 т/ч, а про ка! ка одного слитка будет занимагь около 50 с При таком гемпе прокатки все операции по подаче слитка к стану должнь! выпол!!яться за отрезок време1!и, не превышающий 50 с К Э1им опе рациям относятся следующие захват слшка краном, перенос слитка к слитковозу и установка на нем слитка, разгон и пробег сли!КОвоза, а также торможение слитковоза перед приемным ролыаигом и нерефужа на него слитка Некоторое время наиболее распространена была схема пла!!Ировки с продольным расположением нагревательных колод цев (рис 27 6) Причем !1рименя10Т один или два слитковоза (рис 27 б, а) При такой схеме время npo6eia слитковоза сосгавляс! важную часть об1дего времени, затрачиваемого на подачу ОДНО!о слшка Для уменывения э!ого времени при приблизитель но !1остояннои скорости движения слитковоза (~7 м/с) целесооб разно применять 1акие на1ревательные колодцы, которые обеспе чивают наибольшую производи [ельность на 1 м лгншы пролетка Такими конструкциями являются колодцы с одной верхней го релкой Однако применение такой схемы планировки вследствие дли тельною пути пробега слитковоза не пошоляет обеспечить сли1ками обжимные сганы производи 1едьнос1ью более 3 млн г/юд 396 Рис 27.6 Планироика iipoicT.i иагрснательных колодиен и — при продольном подаче CIIITKOD ДИ)МИ слптковозамп, б - при KOibueiiOii полаче слиткон В настоящее время для высокопроизводительных станов разрабо тана схема продольного расположения отделения нагревательных колодцев с несколькими слитковозами, движущимися по кольце вому пути (рис 27.6, о). Эта схема может обеспечить любой цикл прокатки Поскольку путь слитковоза кольцевой, то для подоб ной схемы планировки произвочительность цпфевательных колод цев в расчете на 1 м длины пролета решающего значения уже иметь не будет Выбор конструкции колодцев определяется каче ством иафена меылла и экономическими соображениями Эко номическими noKajaTCflHNni Ш1Я сравнения нафевательных колод цев различных типов ЯШЕЯЮТСЯ стоимость сооружения и эксплуа тации Сравнение раз;п1чных нафевательных колодцев по эксплуата ционным показатсля.\( приведено и ыбл. 27 2. 397 Таблица 27.2 Основные (приближенные) показатели работы нагревательных ко лодцев рязлимногн типа Пок.иатели регенера тивные Средняя производительность одной rpjnnbi, тыс т/год Число HiirpeeaeMbix салок в гол Улетьныи расход тета, кДж/кг Простои колодцев нл ремон тах, % к к.пендарному времени Удельный расход огнеупоров на 1 т всада, кг/т Inn колодпеи рекуператииные рекуперативные с центральной с одной верх горелкой ней горсткой 320 1425 1170 230 1360 1150 340 870 1320 4 35 3 77 3 98 1,81 1,85 1 27 Из приведенных данных видно, что по эксплуатационным по казателям рекуперативные колодцы с одной верхней горелкой яв ляются наиболее предпочтительными 3. Печи для нагрева блюмов и слябов Общая характеристика Блюмы и слябы перед дальнейшей прокаткой на рельсоб^шочиых, сортовых, листовых и других станах нафевают до темпера туры прокатки почти исюиочительно в цагревательных проходных печах различною типа Наряду с тепловым и температурным ре жимами определяюи;ее значение для работы этих печей имеет метод транспортирования мегалла через печь Толкательные противоточные печи широко применяются для пафева прямоуголь ной заготовки В таких печах лежащие на поду и соприкасающи еся дру1 с другом заготовки задаются и перемешаются в печи при помощи специального механизма-толкателя Выдача мет .шла из печи может быть IOJSUOBOH И боковой При торцовой выдаче функции выталкивателя вьнюлняет толкатель задавая очередную заготовку в печь, он перемешает все заготовки и выталкивает ближайшую к окну выдачи заютовку При боковой выдаче при меняют специальный выгалкшытель Преимуществом толкатель398 ных печей является то, что проталкивание — наиболее простой и дешевый метод транспортирования металла через печь Основные недостатки данного метода заключаются в следующем: 1) при перемещении заготовки трутся друг о друга и о поди ну, что ухудшает качество поверхности металла; 2) при движении заготовок образовавшаяся окалина осыпается и создается возможность дополнительного окисления; 3) осыпающаяся окалина попадает на под печи, реагирует с материалом' пода, в результате чего на подине образуются бугры, препятствующие нормальному проталкиванию металла, и возни кает проблема удаления окалины; 4) печь не может быть без специальных мер освобождена от металла в случае остановки стана, ремонта или с целью проведе ния работы по удалению окалины; 5) современные печи выполняют весьма широкими, что край не затрудняет операцию удаления окалины (осуществляемую фак тически вручную); 6) в толкательных печах без взгорбливания возможно протал кивание не более чем 200—250 квадратных заготовок, что офаничивает размеры и производительность печей. Все эти недостатки толкательных печей в условиях непрерыв но возрастающей производительности станов и увеличения дли ны заготовок до И м и более привели к необходимости создания печей с механизированным подом свободных от большинства из этих недостатков (печи с роликовым подом и с шагающим по дом или шагающими балками)'. Печи с роликовым подом представляют собой весьма совер шенную и перспективную конструкцию проходных печей с меха низированным подом. Они удачно компонуются в линиях поточ ного производства, поскольку роликовый 'под может быть про должением цехового рольганга. Их широко применяют при термической обработке металла Использование таких печей для высокотемпературного нагрева перед прокаткой несколько сдер живается недостаточной стойкостью роликов (особенно при не обходимом увеличении ширины печей) и большими потерями тепла с охлаждающей водой. ' Разделение печей на печи с шагающим подом и балками весьма условно в первом случае это печи с односторонним отоплением, во втором — с двусторонним ' 399 Печи с шаиющими подом или балками также весьма перс пективны. Они свободны от недостатков, присущих толклтельным печам В толкательных rieiax ме1алл в лучшем слу lae может на греваться с двух сторон Т01да как в пе'ч ix" с шагающим подом нагрев мет шла происходит как минимум с грех сюрон Кроме того, в печах с шагающим подом легко меня1ь режим нафева, что является большим преимуи1еством в случае частой смены сортамента нагреваемою металла Однако печи с шагающим подом сравнительно дороги, капи тальные затраты на их сооружение на 40-45% выше, чем щш толкат ельнои печи аналошчнои производительности Сравнивая их с роликовыми печами, надо отметить, что масса оборудования пе чей с шагающими балками иа 1 м^ площади 1юда на 40% больше, чем роликовых печей Затворы, применяемые на этих печах, не обеспечивают полной герметизации и в печь снизу попадает воздух Важным вопросом является выбор типа и числа печей в соот ветствии с сортаментом металла и производительностью сгана Раз меры и производителыгость толкательнои печи в значительнои~степени определяются предельным чиаюм заготовок (200-250 шт), которые проталкиваются .без взгорбливания Минимальный цикл выдачи металла из печей, обслуживающих мелкосортные станы, составляет 8—10 с Для заштовки размерами 80^80 мм, длиной 12 м в соответствии с этим циклом вьшачи п|5оизводительность печи составит (3600/10)'0,08-0,08-12-7800 = 216 i/ч Однако по условиям проталкивания печь не может обеснечи1ь такую производительность Если принять, что буде! проталкива1ься 250 заготовок, то длина печи составит 250 у 0,08 = 20 м. Актив ная площадь пода при этом будет равна 20 • 12 = 240 м^ При до стижимом напряжении активного пода 550 кгДм^'ч) производи тельность печи будет 0,55-240 = 130 т/ч Таким образом, поскольку активная длина толкательнои печи зависит от числа заготовок, которое всегда приблизительно одиj наково, и от ширины заготовки, постольку производительность толкательнои печи линейно зависит от геометрическою размера заготовки В печах с шагаюпшм подом дело выгляди! иначе Эти печи не имеют Офаничения по длине, связанною с числом нагреваемых заютовок, но минимальный цию] выдачи в них равен 15-20 с Поэтому производительность таких печей при неизме11ном цикле выдачи зависит лишь от массы нагреваемой загоювки, i е зави400 CIII кнадрагично от ее 1еометрическо10 раз../«V^ мера Сравнитслы1ые данные по производи тельности голкательных печен и печей с uiaiaioiUHMH б1шками приведены на рис 27.7, из которою видно, что если используют заготовки размерами до 80 х 80 мм, то более производительны толкательиые печи, а если заготовки крупнее, то выше производитель ность печей с шагающим подом 60 60 80 80 100 100 ^,мм Наиболее ответственной частью футеров ки проходных нагревательных печей явля Рис. 27.7. Зависимость ются участки монолитного пода, футеровка производительности на элементов шагающего пода, т. с все элемен гревательных печей от ты (|)jTepoBKH, подвергающиеся воздействию размера К заготовки / — толкательная печь, OKcUiHHbi при достаточно высокой темпера 2 - печь с шагающим туре (1200—1250 °С), при которой окалина подом может ак1Инно взаимодействовать с огне упорными матери;и1ами В силу этого верх ние слои таких участков футеровки печи обычно выполняют из хромомагнезита, магнезитохромита и талькового кирпича — матеpHiUioB, не взаимодействующих с окалиной Есть положительный опыт выполнения монолитного пода из электроплавленого корун да (93% А!20з)* к кладке пристает сравнительно небольшое ко личество окалины, а образующиеся бугры ее легко счищаются. Подину обычно выполняют трехслойной" 1) из хромомагнезита (или друюго окалиностойкого материала), 2) из шамота класса Б; 3) из диатомитового кирпича В исчах с нижним обогревом под также делают трехслойным (хромомажезит, шамот, диатомит). Своды печей выполняют арочными и подвесными В качестве огнеупорною материала чаще всего используют шамот класса А и каолиновой кирпич. Стены печей выкладывают в низкотемперагурных зонах двухслойными (из шамота класса Б и диатомита), в высокотемпературных зонах - трехслойными (из шамота клас са А WIH каолина, шамота класса Б, диатомита). Тепловой режим и отопление печей Тепловой и температурньп'! режимы проходных нагревательных печей неизменны во времени. Однако температура по длине печи люжет быть неизменна, но может и значительно меняться. 401 Режим работы печей, при котором температура в рабочем про странстве практически nensMetHia, называется камерным Если температура по длине печи переменна, то такой режим называет ся методическим Характер изменения температуры раскш1е1П1ых газов и поверхности нафеиаемого метгшла по длине печи зависит в первую очередь от характера взаимного движения газов и мет.иша, который может быть противоточным и прямоточным Пря моточный режим допустим практически только при нафеве тон ких в тепловом отношении заютовок Печи с прямоточным движеьн1ем теплоносителей встречаются пока сравнительно редко На противоточном режиме в настоящее время работает подавляющее большинство проходных нагревательных печей Остановимся подробнее_на их тепловом и температурном режимах Выше отмечаюсь, что при нагреве в металле возникают тем пературные напряжения, которые не должны превышать максимш1Ьно допустимых Температурные напряжения пропорционсшьны перепаду между температурами поверх1Юсти и центра метал ла Чем выше температура в печи, в которую попадает холодный металл, тем быстрее растет температура поверхности мет^тла. Если нагревается тело массивное в тепловом отношении, то рез кое повышение температуры поверхности может быть причиной возникновения чрезмерного температурного перепада Поэтому массивные изделия нагревают сравнительно медленно, постепен но (методически), до тех пор, пока они не приобретут необходи мых плас1ических свойств, т. е. до 500 °С Этим в основном и вызвано использоват1е методического темнерат}'рного режима работы печей (рис. 27 8) В зоне / (методи ческой) происходиг постепенный нафев мегалла; в зоне // (сва рочной) — нафев металла до тех пор, пока его поверtrc II ^и ?^ность не достигнет конеч1 1250 нЬи температуры нагрева; 1050-1100 III в зоне III (томильной) при 850-900 ^ неизменной темпер j'lype поверхности осуществляет Длина печи ся выравнивание темпера туры гю толиип1е мекшла. Рис. 27.S. 1емперат>р|1ые режимы H.irpeuaСледует одновременно с тельиых печен / — камерным, 2 — промежуточный, 3 этим заметить, что темпе методический ратура печи в месте зафуз402 ки металла существенно влияет на производительность печи. Выз вано это тем, что чем выше разница температур между печью и металлом, тем больше тепла он поглощает и тем быстрее нагре вается Поэтому нередко в существующих печах, стремясь увели чить производительность, принимают различные меры для повы шения температуры в зоне посадки металла выше 850-900 °С. Для нагрева заготовок, которые по своим размерам и свой ствам ближе к тонкому телу, чем к массивному (например, сля бы), созданы печи, работающие по режиму, занимающему про межуточное положение между камерным и методическим (см рис. 27.8). Чтобы обеспечить на большем по длине участке печи высокую температуру, выполняют две сварочных зоны, в каждой из которых происходит сжигание топлива. Назначение зоны /// при этом сохраняется При нагреве заготовок, тонких в тепловом отношении, исполь зуют камерный режим, при котором поддерживается практически одинаковая температура по всему рабочему пространству. Обес печение того или иного температурного режима работы печей до стигается выбором метода отопления и соответствующего распо ложения горелочных устройств и дымоотводящих каналов Для обеспечения камерного режима необходимо горелки (форсунки) и дымоотборные каналы равномерно распределить по длине ра бочего пространства. Методический режим нагрева металла имеет место в тех слу чаях, ко да ри встречном-движеиии металла и дымовых газов горелочные устройства располагают на одном конце рабочего пространства в зоне интенсивного нафева металла, а дымоотбор ные каналы - на другом, где металл зафужается в печь При этом дымовые газы будут постепенно остывать, отдавая тепло метшшу. температура которого будет постепенно повышаться. Выбор режима отоплени!! определяет по существу, изменение температуры по длине печи при любом методе транспортир)овки металла Нельзя утверждать, что метод транспортировки металла не оказывает влияния на интенсивность его нафева и, как след ствие, на температуру в печи. Это влияние, конечно, имеет мес то Однако выбор метода отопления оказывает решающее влия ние на температурный режим проходной нафевательной печи. В крупных проходных нафевательных печах прокатных цехов заво дов черной металлургии наибольшее распространение имеют тор цевое и сводовое отопление печей. 403 При торцовом отоплении (рис 27 9) характер изменения тем пературы но длине печи определяет число и HaJHa4eHHe ее зон. Металл поступает в зону наиболее низких температур и, продви гаясь навстречу дымовым газам, температура которых все повы шается, постепенно (методически) нагревается Методические печи по числу зон нафева метгигла Moiyr быть двух-, трех- и многозонными с односторонним и с двусторонним нафевом ме талла Рассмотрим назначение зон на примере трехзотюи печи. Методическая зона — первая (по ходу мет^шла) с изменяющей ся по длине температурой В этой зоне металл постепенно подо гревается до поступления в зону высоких температур (сварочную). Как бьию отмечено, во избежание возникновения чрезмерных термических напряжении часто необходим медленный нафев металла в интервале температур от О до 500 °С Вместе с тем 1300 1350 1250 1300 900 950 С . , . ., Топливо /Топливо j^yr^ —етапл ^т^'' ^_^ i ТГГг _ 7 ^ 1300 1350 ^ 1250 ; 12501280/300 1350 1230 1250 1050 НОС Топливо Топливо Y,<rZ. -iiiqg-' -»й т. Рис, 27,9. Температурный режим и профиль толкательных печей с ториеным ото плением й — двухзонная печь с монолитным подом 6 - трехтонная печь с монолитным подом, в - то же, с нижним обогревом, г — многозонная печь с нижним обогревом, Гп — температура печи, 7^^ „ - температура поверхности металла, Г,, „ - темпе ратура центра металла 404 методическая зона представляет собой противоточный теплоооменник Находящиеся в состоянии теплообмена дымовые газы и металл двигаются навстречу друг другу. Металл нагревается ды мовыми газами, т. е. утилизирует тепло дымовых газов, отходя щих из зоны высоких температур Общее падение температуры дымовых газов в методической зоне весьма значительно. Обычно в зоне высоких температур методических печей температура га зов держится на уровне 1300—1400 °С, в конце же методической зоны она находится в пределах 850-1100 °С. Методическая зона значительно увеличивает коэффициент использования топлива, который достигает 40-45%, тогда как в камерных нагреватель ных кузнечных печах он составляет 18—20% Зона высоких температур или сварочная — вторая по ходу ме талла В этой зоне осуществляется быстрый нагрев поверхности заготовки до конечной температуры. Температура нафева металла в методических печах обычно составляет 1150—1250 °С. Для ин тенсивного нагрева поверхности металла до этих температур в сва рочной зоне необходимо обеспечивать температуру на 150—250 °С выше, т. е. температура газов в сварочной зоне должна быть 1300-1400 °С. Томильная зона (^зона выдержки) — третья по ходу металла. Она служит д)ш 1зыравнИвания~температуры-по сечению металла. В сварочной зоне до высоких температур нафева'ется только по верхность металла В результате создается большой перепад тем ператур по сечению металла, недопустимый по технологическим требованиям Температуру, в гомильной-ЗОне поддерживают всего на 3Q-50 °С выше необходимой температуры нафева металла. Поэтому температура повепхносги металла_в томильной зоне не меняется, а происходит только выравнивание температуры по тол щине заготовки. Подобный трехступенчатый режим нафева неоил^м" случаях, когда нафевают заготовки, в которых может возникнуть значительный перепад температур по толщине (>200°С на 1 м толщины металла). Такие печи (с тремя зонами) называют трехзонными методическими печами (см. рис. 27.9, б, в). В ряде случаев при нафеве тонких заготовок нет необходимости делать выдержку для выравнивания температур по сечению, так как возникший в сварочной зоне перепад температур небольшой. То мильную зону при этом не предусматривают и применяют двухзонные печи — с методической и сварочной зонами (см. рис. 27.9, а). 405 При нагреве металла перед прокаткой на листовых и сортовых станах иногда применяют методические печи, имеющие четыре и пять зон отопления, что позволяет повысить общий температур ный уровень печи и получить большую производительность В эгом случае делают две или три сварочные зоны, в каждой из которых устанавливают горелки. Это дает возможность повышать температуру в конце (по ходу газов) методической зоны, умень шить ее длину и увеличить общую длину сварочной зоны, в ре зультате чего достигается более форсированный нагрев металла В зависимости от толщины заготовок в методических печах можно применить односторонний или двусторонний их нафев При толщине заготовок до 100 мм двусторонний нагрев не рациЬнален, так как интенсивный (ускоренный) нагрев поверхности Заготовки в сварочной зоне приведет к удлинению выдержки в toмильнoи камере Причем увеличение длительности выдержки будет больше, чем выигрыш во времени нагрева в сварочной зоне, достигнутый за счет применения нижнего обофева При од ностороннем нафеве заготовки движутся по монолитному поду (см рис. 27.9, а, 6). Для обеспечения двустороннего обофева на всю длину сварочной и методической зон делают специальную камеру со своим собственным отоплением При сводовом отоплении плоско-пламенные горелки могут рас полагаться с разным шагом и фуппируются в зоны, каждая со своим автоматическим регу/ i / / IVHIJI V лированием. Благодаря это му можно менять подводи мое количество топлива и 1400 влиять на распределение температуры по длине печи, обеспечивая необходимый peжи^л_нaгpeвa металла. На рис. 27 10 приведены гра фики изменения температу ры печи и металла, полу ченные на одной из дей 10 30 50 70 90 ствующих нагревательных Продолжительность нагрева, мин печей со сводовым отопле Рис. 27.10. Изменение температуры метал нием, обеспечивающей по ла Т*!, Т2, Tj, температуры газов^ Т^ и Т^ степенный (методический) печи по зонам I — У о процессе нагрева нафев металла при величизаготоики сечением 150 х 150 мм 406 не к и. т., лежащей в пределах -40-47 %. Следует подчеркнуть что при сводовом отоплении можно получить более равномерное распределение температуры по длине и ширине рабочего прО' странства печи и тем самым повысить интенсивность и эффек тивность нагрева металла. Толкательные противоточные (методические) печи Методические толкательные печи до самого последнего време ни удовлетворяли требованиям по производительности и удель ному расходу тепла.' В последнее время наметилась прогрёссивнсш 1СНДСПЦИИ R. увеличению длины заготовок и, как следствия, к увеличению ширины нагревательных печей, что значительно усложняет их эксплуатацию, особенно удаление окалины с пода печи. Поэтому, несмотря на то, что в прокатных цехах в насто ящее время основным типом нагревательных печей являются тол кательные методические печи, перспективы их дальнейшего рас пространения офаничены. Расширяется применение более совер шенных печей с шагающими балками, которые могут рабогать так же, как и толкательные печи, в режиме методического нафева. При ни>снем обофеве вдоль печи прокладывают специальные глиссажные (в6доохла><^аёмые) трубы по которым движется ме талл. ti3 за охлаждающего действия глиссажных труб в нижнюю часть сварочной зоны печи необходимо подавать больше тепла, чем в верхнюю Глиссажные трубы выполняют только в методической и сва рочной зонах В местах соприкосновения заготов1СИ с водоохлажЬаемыми трубами металл профевается xyj.ce и на его поверхности образуются темные пятна. Поэтому в трехзонных печах с нюхним обофевом томильная зона предназначена не только для вы равнивания температуры по толщине металла, но и для ликвида ции темных пятен на нижней поверхности заготовки, и в ней глиссажных труб нет. В двухзонных печах с нижним обогревом часть сварочной зоны выполняют без нижнего обофева для ликвидации темных пятен от охлаждающего действия глиссажных труб. В настоящее время предпринимаются попытки использования двустороннего нафева и в пределах томильной зоны. Для этого используют мощные глиссажные шины осооои конструкции. в которых отсутствует возможность охлаждения металла' снизу 407 Выбор конструкции методической печи и графика нафева за висит от толщины заготовки, пластичности металла и холодном состоянии и теплофизических свойств нафеваемого металла Ог раничение скорости нафева холодного металла в интервале тем ператур от О до 500 °С распространяется в основном па каче ственные и высоколегированные стали. Этим сталям свойствен ны относительно низкие коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, в результате чего чрезмерная скорость нафева может привести к недопустимому перепаду температур по толщине заготовки Скорость повышения температуры металла в начале его нафева в первую очередь завйситЪ^того, какова тем пература в начале методической зоны, при которой проводится посад холодного металла Выбор этой температуры, а следователь но, температурного режима печи и ее конструкции во многом зависит от того, какая начальная температура печи допустима для той или иной марки стали Существует большое число весьма ходовых марок стали (углеродистые, низколегированные, рельсо вые и др.), для которых эта температура практически неограничена. Однако для ряда других марок стали должны быть введены достаточно строгие ограничения, вплоть до того, что некоторые стали MOJXHO помещать в печь, температура которой не превышает 600-650 °С. Офаничения подобного рода достаточно четко опре делены и приведены в соответствующей справочной литературе Большое значение для работы методических печей имеет спо соб выдачи металла из печи Различают торцовую и боковую выдачи металла При торцовой выдаче необходим один толкатель, который выполняет и роль выталкивателя. Для печей с боковой выдачей устанавливают не только толкатель, но и выталкиватель, поэтому такие печи при размещении в цехе требуют больших площадей. Однако с точки зрения тепловой работы печи с боко вой выдачей имеют преимущества При торцовой выдаче через окно вьщачи, расположенное ниже уровня пода печи, происхо дит интенсивный подсос холодного воздуха Явление подсоса уси ливается инжектирующим действием юрелок, расположенных в торце томильной зоны Подсосанный в печь холодный воздух вызывает излишний расход топлива и способствует интенсивно1му зарастанию подины печи образовавшейся окалиной Методические нафевательные печи по сравнению с печами, работающими по камерному режиму, обеспечивают более высо кий к п д и более высокий к и. т. в рабочем пространстве, что 4б8 объясняется наличием методической зоны. Если в камерной печи при температуре в рабочем пространстве 1400 °С и нафеве метал ла до 1200 °С температура уходящих продуктов сгорания составля ет 1350-1400 °С, то ц методической печи при тех хсе условиях эта температура составит В50-950 °С. Поэтому'к. п. д. методических печей можег достигать 40-45% Основными статьями расходной части теплового баланса методических печей являются, %: Тепло, чатрачииаемое на нагрев металла Потери тепла с уходящими газами То же, с охлаждающей водой 30-45 45-50 10-15 Конструкцию методических печей выбираю г в зависимости от типа стана и вида топлива. Тип стана определяет производитель ность печей, толщину нагреваемой заготовки, температуру нагре ва металла и его сортамент. От вида используемого топлива за висит конструкция горело шых устройств и применение рекупе раторов В табл 27.3 приведены данные, которые позволяют ориентироваться в выборе конструкции методических печей. Как было отмечено, при горизонтальном поде квадратные за готовки без взгорбливания проталкиваются через печь, если их общее число не превыи1ает 200 Для увеличения числа заготовок, а следовательно, и для повышения производительности печи под делают наклонным на 6-8°. При этом угле наююна число заго товок, находящихся в печи, мохою увеличить до 240—250. Увели чение угла наклона недопустимо во избехсание самопроизвольно го сползания заготовок Таблица 27.3. Методические печи длл различных прокатных стапоо Характеристика печей оптимальное под число зон нагрев томления ' Тип стана Размер заготовки, мм Длина заготовки, мм Мелкосортные, проволочные 9000-12000 Односторонний Наклонный Средиесортные 60x80 80 X 80 100x100 150x150 1000-12 000 Средиесортные, крупносортные, листовые 200x200 200 х 350 350 х 350 1000-12000 Двусторонний Тоже Горизонтальный Тоже 3 S3 409 Для достижения требующейся рабочей температуры в печи не обходимо, как уже отмечалось, чтобы калориметрическая темпе ратура горения составляла 1800 "С и более Подобная калориме!рическая температура можег быть достигнута при использовании. 1) высококалорийного топлива — газа с теплотой сгорания выше 12 570 кДж/м-' или мазута. В этом случае утилизация тепла отходящих дымовых газов преследуег только одну цель - повы сить экономичность работы печи (снизить расход топлива), а для повышения калориметрической температуры подофев воздуха и газа в данном случае необязательны; 2) холодною газа, характеризуемою средней теплотой сюрания, равной 8400 кДж/м-', с подофевом воздуха до 450-500 °С и применением горелок любой конструкции - как с предваритель ным, так и с внешним смешением, 3) газа с низкой теплотой сгорания, т. е. 011 = 5000-5800 кДж/м-', вплоть до чистого доменного газа с подогревом воздуха до 500—550 "С и газа до 250-300 °С, а также обязательно с примене нием инжекционных горелок, обеспечивающих хорошее смешение топлива с воздухом при наиболее низкой величине и = 1,02-1,03. Рассмотрим одну из печей для мелкосортных станов 1рис. 27.11), созданную в Стальпроекте под руководством Б. Р. Ймёнитова Это трехзонная печь с нижним обофевом и наююнным подом. В её конструкции наиболее гармонично и раци онально воплошены все доступные возможности для максималь{10Ю увеличения калориметрической температуры горения В свое время это было нёооходимо, так как до начала широкой разра ботки месторождений природного газа на некоторых отечествен ных заводах ощущалась острая нехватка коксового газа и нужна была конструкция методической печи, работающей на_ газообраз ном топливе с низкой теплотой сгорания В этих печах примене ние инжекционных горелок на подофётом до 550 °С воздухе по зволяет наиболее рационально использовать химическое тепло топлива Воздух для горения засасывается из атмосферы через рас положенный под печью керамический рекуператор из шамотных блоков и систему воздухопроводов Аэродинамическое сопротив ление воздушного пути преодолевается 3d счет [сометрического напора подофетого воздуха, движущегося вверх через рекуператор и воздухопроводы, а также в результате инжектирующего действия горелок Поэтому утечки воздуха практически нет, а управление feплoвым режимом можно автоматизировать 410 I.:'.. '^: •>• , ^ • -TT-^/-^ V '/ 'y. '^. 'y/^, 'утт:'/. ^^т Рис 27.11, Методическая печь, отапливаемая газообразным , Подобные печи обеспечивают удельную производительность 550 кгДм^ ч) при удельном расходе тепла 2100 кДж/кг В таких печах газообразное топливо подогревают до 250-300 °С в мет in лических трубчатых рекуператорах устанавливаемых в дымовом борове последовательно за воздушным рекуператором Однако дальнейшее распросгранение этих печей о раничено так как при теплоте сгорания доменного газа 3770 кДж/м^ Г = 550°С и Tf = 550 °С калориметрическая температура горения равна при мерно 1700 "С что является самым нижним возможным преде лом. Повысить температуру подогрева i оздуха свыше 550 °С нельзя, так как возможно воспламенение смеси в корпусе горел ки. Осуществить устойчивый подогрев ыза выше 300 °С ыкже трудно, поскольку температура дымовых газов за керамическим рекуператором не превышает 550-600°С Кроме того, наметилась тенденция к уменьшению теплоты сгорания доменного газа j При использовании трехзонных методических толкательных печей на среднесортных и крупносортных станах под печи вы полняют горизонтальным, с торцовой подачей и выдачей метал ла. При этом так же, как в печи, изображенной на рис 27 11, сохраняется три зоны отопления при увеличении обшей тепло вой мощности печи в соответствии с ее производительностью У всех методических трехзонных печей весьма схожие хар IK теристики по напряженности активного пода и удельному расхо ду тепла. Лишь для печей с монолитным подом и с нижним обо гревом эти показатели изменяются (табл 27 4). Существенное увеличение производительности крупносортных и особенно листовых станов требует, естественно, увеличения про изводительности пролета нафсвательных печей Реи(ить эту задачу можно двумя способами' 1) увеличением числа печей при прежней интенсивности нагрева; 2) повышением интенсивности нагрева Таблица 27,4. Техппко-экоиомпческие показатели работы методических печей Тип печи С монолитным подом Трехзонные с нижним обогревом 412 Толщина заготовки, мм Напряжение активного пода, кг/(м^.ч) Удельный расход тепла, кДж/кг 100 200 200 450 500 500 1700-1900 2100-2500 2100-2500 Следует предпочесть второй способ, гак как при нем снюха ются затраты на строительство печей Однако, чтобы поднять ин тенсивность нагрева, необходимо повысить температуру в низко температурной зоне печи, что возможно для тех заготовок, ско рость нагоева котопых практически, неограниченна. "Именно в такил илучйил и применяют многозонные печи (рис 2/. 12), где методическая зона, по существу, отсутствует, а температурный режим печи приближается к камерному. В этих печах первая по ходу металла весьма короткая зона не может уже называться методической, так как не выполняет функции медленного, по степенного нагрева заготовки. Ее правильнее называть начальной зоной печи. Как показали исследования изменения температуры слябов в действующих печах, металл в этой зоне многозонной печи нагревается всего до 350-400 °С, тогда как в трехзонных методических печах к концу методической зоны металл достигает 750—800 °С. Это свидетельствует о том, что начальная зона мно гозонных печей имеет подчиненное значение и не ифает прак тически самостоятельной теплотехнической роли Повышение ин тенсивности нагрева, достигаемое в многозонных печах, позволя ет увеличить напряжение пода печей до 600-650 кг/(м^-ч), а производительность печей к листовым станам (слябы длиной до 12 м) довести до 200-250 т/ч Рис. 27.12. Миогозонная нагревательная печь 413 при создании методических печей важно правильно в соот ветствии с назначением каждой зоны отопления распределить топливо по зонам. Ниже приведены данные по обычно применя емому распределению топлива по зонам методических печей Зона отопления Томильная Верхняя свлрочная Томильная Верхняя сварочная Нижняя снарочная Томильная Две верхние сварочные, каждая 1-1ИЖНЯЯ сварочная Томильная Две верхние сварочные, каждая Две нижние сварочные, каждая Тепловая мощность зоны, % от обшей тепловой мощности печи 30-45 55-70 18-25 30-40 35-45 15-20 20-30 25-40 12-18 18-22 20-25 2 аоны 3 зоны 4 jOHbi 5 зон На рис 27 13 представлена методическая пафевательная печь со сводовым отоплением Нижний подогрев таких печей в на стоящее время осуществляется с использованием торцового или бокового отопления. В печи подогреваются слябы, полученные на МНЛЗ Печь работает на природном газе, обеспечивает про изводительность 150-170 т/ч при напряженности активного пода 600—650 KI/(M^ • ч) и удельном расходе топлива около 2100кДж/кг. Глиссажиые трубы, В методических печах с нижним обогре вом на каждый ряд движущихся в печи заготовок устанавливают по две-три продольные глиссажные трубы Для предохранения труб от истирающего воздействия движущегося металла к ним приваривают металлические прутки Продольные глиссажные тру бы в значительной части методической зоны опираются на про дольные огнеупорные столбики. В сварочной зоне продольные глиссажные трубы опираются на поперечные водоохлаждаемые трубы, расположенные на расстоянии 1 — 1,5 м одна от другой Концы поперечных труб выведены за пределы печи и прикреп лены к вертикальным стойкам ^ каркаса В середине поперечные глиссажные трубы опираются на вертикальную опору, выполнен ную из пары водоохлаждаемых труб, футерованных снаружи ог неупорным кирпичом Чтобы снизить охлаждающее действие Ыиссажных труб, предусматривают тепловую изоляцию, в каче414 s 3000 +7900 29800 длина печи по кладке Рис. 27.13. Методическая печь со сводовы стве которой применяют специальные огнеупорные блоки Блоки нанизывают на трубу и прикрепляют специальными металличес кими шипами (рис 27.14) Однако стойкость тепловой изоляции глиссажных 1руб все еще недостаточна Потери тепла с охлаждающей водой при использовании набив ной изоляций между шипами по сравнению с потерями при не изолированной трубе снижаются в 2—3 раза, а при навесной изо ляции из сегментов или блоков их удается снизить в 4,6-6,3 раза Промышленная проверка срока службы блочной изоляции пока зала, что для печей, отапливаемых газом, где температура под ме таллом не превышает 1375 °С, применимы набивные и сборные шамотные блоки, срок службы которых в указанных условиях со- Рис, 27.14. Изоляция подовых труб а — продольной трубы, б — стежка поперечной трубы в - продольной трубы и опорного змеевика, г - диоинои поперечной трубы, / - термоблок, 2 - набивка из жароупорного бетона, 3 - стояк поперечной трубы, 4 — фасонный кирпич 416 Рис. 27.15. Глиссажные шины для обеспе чения двустороннего нагрева в томильной зоне ' / - металлические направляющие, по ко торым скользит металл, 2 — керамический брус, 3 — металлический корпус для уста новки керамического бруса и металличес ких направляющих, 4 — водоохлаждаемые трубы, 5 — тепловая изоляция ' сгаиляет от 9 мес. (в области по вышенных температур) до двух лет (в области пониженных тем ператур) В печах, отапливаемых мазутом, где температура пол метаялом достигает 1500 °С, хоро шие результаты показали набивные блоки, изготовленные из маг незитовой (мaгнeJИToxpo^^итQBpи) массы, срок службы которых составляет более 9 мес Как отмечалось выше, в настоящее время разработаны глиссажныс шины особой "конструкций, позволяющие и в томильной зоне создать двусторонний подвод тепла к повер хности металла Подобные шины представлены на рис 27.15. На личие в конструкции керамического бруса предотвращает охлаж дающее действие воды на надеваемый металл. Угав металла и удаление окалины, В нагревательных пе fax рабогашщих с открытым плаМеНеМ, неизбежно происходит угар (окисление) металла Количество металла, перешедшего в окали ну, зависит от основных факторов, состава атмосферы, темпера туры и времени пребывания металла в печи. Чем больше содер жится окисляющих газов (О2, SO2, СО2, Н2О) в атмосфере печи, чем выше температура и больше время пребывания заготовок в печи, тем больше угар металла (обы;шо составляющий 1,5—2%), который не только вызывает экономические потери, но и серьез но усложняет эксплуатацию печей В большинстве современных методических печей есть участки, имеющие монолитный под, с материалом которого и взаимодействует окалина, образуя бугры, препятствующие нормальному проталкиванию заготовок. Поэто му необходимо стремиться и к уменьшению угара и к тому, что бы конструкция печи бьша приспособлена к надежной работе при неизбежном угаре металла Выше отмечалось, что интенсивное увеличение окисления ме талла начинается с температуры поверхности металла 850-900 °С 14 — 5041 417 Поэтому температурный режим печи следует выбирать таким об разом, чтобы время нагрева металла с 850-900 °С до температу ры прокатки (-1200 °С) было как можно короче Заготовки дол жны сравни1ельно медленно без возникновения существенного перепада температур по сечению нафеваться до 850-900 °С в зоне предварительного нагрева печи, в которой максимальная темпе ратура достигает 1000°С Затем они попадают в зону ускоренно10 нагрева с температурой 1350 °С, где как можно быстрее долж ны нафеваться до температуры прокатки Из указанного ясно, что скорость перемещения металла в пределах зон предваритель ною и ускоренного нафевов может быть неодинаковой Поэтому необходимо предусмотреть возможность перемещения металла с разной скоростью, например, использование шагающего пода| разделенного на две части Удаление окалины и шлака с пода толкательных методических печей — трудоемкая и тяжелая операция, зачастую выполняемая вручную через боковые окна Подину чистят как по ходу печи, так и в период ремонтов Для очистки по ходу печи через печь пропускают специальный фигурный сляб. В период ремонта пе ред чисткой пода печь вручную или при помощи специального приспособления освобохухают от металла В печах с нижним обофевом окалину из нижних зон периодически удаляют через бо ковые окна Толкательные пртю-противоточные печи Выше подчеркивалось, что при прямоточном движении тепло носителей, например, раскаленных газов и нафеваемого металла в начальный период нафева, вблизи зоны посада металла, воз никает очень большой перепад температур между раскаленными газами (печью) и поверхностью нафеваемого металла. Если нафевается заготовка, имеющая малую тепловую массивность, то для ускорения нафева и повышения эффективности работы печи целесо образно использовать возможности, заложенные в начальной стадии пря моточной схемы движения геплоно- 50 100 150 200 250 Площадь пода, м^ 418 Рис, 27,16. Изменение температуры металла по длине печи при противоточной (2) и прямо точной (/ ) схемах движения металла и дымо вых газов s вя X ? i } О. С «? сителеи Однако полностью прямоточной печь делать нецелесо образно, так как прямоточная схема не позволит иметь конеч ную температуру холодного теплоносителя (металла) выше конеч ной температуры более горячего теплоносителя. Применительно к условиям работы проходных на1ревательных печей это значит, что конечная температура металла будет всегда ниже температу ры отходящих из печи газов, что, конечно, неприемлемо. В этом смысле противоток всегда эффективнее. Вместе с тем, совмещая две схемы движения и обеспечивая прямоточно противоточное движение раскаленных газов и металла, можно получить суще ственное повышение э(})фективности работы печи Для иллюстрации высказанных положений на рис 27.16 при ведены кривые изменения температуры металла (К = оэ) по мере ею продвижения по поду печи производительностью 200 т/ч. Кривые показывают, что в начале периода нагрева прямоток эф фективнее, однако после определенною момента времени нафева (начиная с точки пересечения кривых а на рис. 27 16) противоточиая схема предпочтительнее. Таким образом, для эффективного нагрева тонкой в тепловом отношении заготовки целесообразно делать печь, состоящую из двух зон первой (по ходу металла) пря моточной и второй противоточиой, выполняя отбор продуктов сго рания посередине печи. Протяженность той и другой зоны может быть найдена из конкретных условий нагрева металла и работы печи в целом, как это в качестве примера сделано ud рис. 27 16 24 32 16 24 Расстояние от загрузочного окна м 32 Рис. 27.18. Изменение температуры (а) и теплового потока на поверхность метал ла (б) печи (по ходу метаала) J - трехзонная методическая печь, 2 - многозонная методическая печь, 3 - пря моточно противоточная печь 420 Одна из таких прямоточно-противоточных печей приведена на рис. 27.17. Эксплуатация такой печи позволила получить очень характерные результаты, приведенные на рис. 27.18, показываю щие, что использование прямоточно-противоточных печей — се рьезный резерв в повышении эффективности нагрева изделии с малой тепловой массивностью. Печи с шагающим подом Строительство печей с шагающим подом обходится значитель но дороже, чем толкательных печей аналогичной производи гель1ЮСГИ, однако печи с шагающим подом все шире применяют для нагрева металла перед сорговыми, толстолистовыми и другими станами Преимущества этих печей перед печами толкательного типа, обусловленные методом транспортирования металла через печь, могут быть разделены на две группы. 1) 'эксплуагациониые; 2) связанные с возможностью обеспечения значительно более высокой интенсивности нагрева металла Эксплуагационные преимущества состоят в ликвидации пробле мы уборки окалины из печй; возможности легко удалять металл из печи в слуше осгановок стана и ремонтов, возможности гиб кого регулирования скорости перемещения металла через печь, что очень важно при частом изменении сортамента металла; умень шении на 30 %'повреждений поверхности нагреваемых заготовок, значительном (до 0,3-0,5%) снижении угара металла за счс! новьпиения скорости нагрева и отсутствии осыпания окалины. Наряду с эксплуатационными преимуществами применение ша гающего пода позволяет обеспечить практически всесторонний на грев металла. Это особенно сказывается при нафеве квадратных заготовок, прокатываемых на сортовых станах, и позволяет значи тельно увеличить'интенсивность иафева металла. В печах с шага ющим подом поверхность нагрева квадратных заготовок увеличи вается вдвое в сравне1ши с толкательными печами с нижним обофевом Так, например, на одной из отечественных печей, обслу живающей мелкосортный стан и нагревающий заготовку 80 X 80 мм, продолжительность нагрева, отнесенная к толщине заютовки, составила 3-4 мин/см, тогда как в толкательных печах эта величина лежит в пределах 6-8 мин/см. Эти цифры соответствуют напряжению активного пода 1200-1500 и 800-1000 кг/(м^-ч) Тепловой и температурный резхим. У печей с шагающим по дом эти режимы неизменны во времени, так как эго проходные 421 i^^::?^^^-m£^^3iMii '4 z:\___ ' T O j O O O O O O o ' K - a МетаппД/^Л о о о о о о 'Л^-^о о о о о о о о Т ^ V777777777777777777/Q Рис. 27.19, Расположение горелок в печах с шагающим подом а — торцевое и боковое, 6 — боковое, в - боковое и сводовое печи постоянного действия Говоря о температурном режиме, следует заметить, что печи подобного типа могут работать как по камерному режиму, так и с переменной температурой по длине печи. Как уже отмечалось, температурный режим печей зависит от характера их отопления, а также от распределения горелок и дымоотводов В печах с шагающим подом применяют самое раз нообразное расположение горелок торцовое, боковое и сводовое (рис 27.19). Наиболее часто пользуются комбинированным рас положением юрелок. торцовым и боковым или боковым и сво довым. При боковом отоплении ширина печи ограничивается П —12 м При большей ширине печи возможно возникновение неравномерности нагрева по длине заготовки (сляба) При сводором отоплении заготовки феются достаточно равномерно, поэто му целесообразен такой метод отопления, когда нижний обогрев оборудован боковыми горелками, а в зонах верхнего обогрева ис пользованы сводовые горелки Продукты сгорания топлива отво дят на,стороне загрузки металла Печи с шагающим подом рабо тают обычно с переменной температурой по длине. В отличие от методических толкательных печей в печах с ша гающим подом нагрев заготовок происходит во всех зонах, но ин тенсивность ею в разных зонах может быть различной. Так, на пример, печь, нагревающая заготовки размером 80 х 80 мм даш прокатки на проволочном стане, работает при следующем темпе ратурном графике" Участок печи Начало зоны предварительного нагрева (место загрузки металла) Первая по ходу металла зона нагрева Вторая по ходу металла зона нагрева 422 Температура, "С 740-900 1000-1150 1220-1300 Печи с шагающим подом выполняют как без нижнего обо грева (рис 27.20), так и с нижним обофевом (рис 27.21). При наличии нижнего обофсва конструкции шагающего пода дела ются водоохлаждаемыми, в результате чего на нагреваемых заго товках образуются темные пятна Чтобы исключить возникнове ние темных пятен, горизонтальные трубы шагающих балок, несу щие металл, расположены не параллельно оси печи, и место контакта их со слябом при продвижении металла в печи постоян но меняется Конструкция neieu Рассмотрим под таких печей. Возмохсны следующие варианты конструктивного оформления идеи «шага ния» пода: 1) под печи может состоять из трех частей в двух ва риантах' неподвижного участка (у стен), шагающих и стационар ных балок; неподвижного участка (у стен) и двух фупп шагаю щих балок; 2) под может не иметь неподвижных участков и состоять из двух фупп шагающих балок При двух фуппах шагающих балок обеспечивается более вы сокий темп выдачи заготовок, но стоимость строительства печи возрастает. Щели между шагающими (или шагающими и стацио нарными) балками полностью перекрыты при помощи кожуха, пофуженного в водяной затвор Водяные затворы смешены от носительно щели мемоду балками, а напротив щели предусмотрен короб для гидравлического удаления окалины. Устройство водя ных затворов исключает попадание в печь воздуха из атмосферы. В печах без нижнего обофева стационарные и подвижные балки футеруют (сверху вниз) следующим образом хромитовая пластин чатая масса огнеупорный материал содержащий 35~44 % AI2O3; легковесный изоляционный бетон Части футеровки балок, при мыкающие непосредственно к щели выполняют из огнеупорного бетона, легко восполнимого при ремонтах. В некоторых случаях для футеровки балок применяют магнезитохромитовые кирпичи. Эксплуатируются печи с шагающим подом без нижнего обо фева и с нижним обофевом Обычно эти печи оборудованы двухпроводными или плоско пламенными горелками и имеют весьма большие резервы по теп ловой мощности. Напряжение активного пода в печах с шагающими подом и бал ками достигает 1300-1400 кгДм^'Ч), продолжительность пребыва ния заготовок размером 80 х 80 мм в печи составляет 23-30 мин, удельный расход тепла 1800-2000 кДж/кг. 423 Рис. 27.20. Печь с шагающим подом без нижнего обофеоа а — продольный разрез, 6 ~ поперечный -разрез, / — неподвижные балки, 2 — подвижные балки, 3 — керамические бортики 1 nnnrmil 7/////7//////////////}//)///// Рис. 27.21. Печь с шагающими балками с нижним Дымовые газы удаляются в дымосборник, расположенный у торца загрузки, а затем поступают в петлевой металлический ре куператор расположенный ниже уровня пола цеха. Температура подогрева воздуха в рекуператоре около 300 °С. Печи с роликовым подом Печи с роликовым подом весьма перспективны, гак как име ют наиболее совершенную систему транспортирования металла через печь Условия службы роликов при рабочей температуре печи около 1300-1350 °С очень тяжелые Поэтому обязательно применяют охлаждение роликов водой. Это приводит к тому, что удельный расход тепла достигает 4600-5000 кДж/кг, т. е. расход топлива по сравнению с расходом для печей с шагающим подом аналогичной производительности примерно вдвое выше. Это яв ляется большим недостатком. Печи с роликовым подом в насто ящее время широко используют при термообработке металла, поэтому подробно они будут рассмотрены ниже. Печи с роликовым подом иногда применяют также для нагре ва перед прокаткой заготовок, полученных на МНЛЗ. Так, напри мер, в одной из таких печей с водоохлаждаемыми роликами нафевали слябы толщиной 125 мм, шириной 1320 мм и длиной до 61 м Масса каждого сляба доходит до 54 т. Полезная длина печи 122 м, производительность 220 т/ч. Печь отапливали природным газом Горелки расположены равномерно по всей длине печи, осуществляется камерный режим нафева с постоянной темпера турой 1320 °С по длине печи. Продолжительность нафева сляба 36 мин, напряженность активного пода около 1350 кг/(м^-ч). Основные статьи расходной части теплового баланса имеют сле дующие удельные значения, %: Нагрев металла Потери тепла с уходящими дымовыми газами водоохлаждаемыми роликами кладко)"] и пр 18 62 16 4 Удельный расход тепла составляет 4800 1Щж/кг. При установ ке рекуператора для подофева воздуха до 400 °С он может быть снижен до 3150 кДж/кг. Таким образом, приведенные данные показывают, что печь имеет характеристики, присущие нафевательным печам, работа427 ютим no камерному режиму Однако ;ши таких печей являются очень суи1ественными потери тепла с водой, идуп1еи чл охлажде ние роликов Определение размеров числа печей и размещение их в цехе Число печей, обслуживающих данный стан, определяют, исхо дя из часовой производительности стана и максимальной произиодитсльность одною печною arpeiaTa, соответствующей juui толка1елып>1х печей допустимой длине прот^шкинания заютовок усlanoiuieHHoio размера Размеры и производительность каждого печною aiperaTa прежде всею завися! от нродолжительпос-щ на грева метсшла Известно, что камерный режим нафева или режим, при кото ром MCTtUui помешается сразу в зону печи с высокои температу рой, применяют либо в случае ишрева тонких н тепловом отноHieHHH заютовок (13г < 0,25), либо, если возникающий перепад температ>'р не огысен для качества нагрева металла При нагреве MaccHBiHjix в тепловом от1Юшении заютовок температуру в нача ле (по ходу мет.1лла) мегодическон зоны печи следует выбирать с учетом допустимой скорости нафева График нафева необходи мо составить laK, чтобы в результате расчега получилась печь с рациональной разбивкой на зоны Для этою следует пользовать ся данными, приведенными для печей соответствующих конст рукции Методы определения продолжительности нагрева мегсШла изложены в т 1 данною учебника После определения про должи i ел ьнос! и нафева можно определить размеры печи HanoMiniM, что размеры рабочего просфанства толкательных печен определяют, исходя из производительности, размера и д/итTejHiHOCTH нагрева заютонки Если Р — заданная производи 1ельносп. печи, а т - /шительносгь нагрева (ч), ю для обеспечения этой производи 1елы1ости в печи в процессе нагрева должна поСЮЯ1П10 находиться садка мет.шла, равная G = Pi Зная размеры нафеваемои ыютовки (о — ширина, м, b — толинша, м, / - iUHiiia, м), можно определить массу g одной заютовки и число заюювок, постоянно находяишхся в печи п — G/g Обычно при п < 100 шт, делают однорядную печь, длина ко торой будс! равна L = an, м Для хи5ухряднои печи L = ап/2, м Ecjni п/2 > 200, то печь выполняют трехрядной и i л 428 Ширину печи определяют суммированием длины заготовки и необходимых зазоров между заготовкой и стенами печи или между двумя заготовками. Эти зазоры обычно равны примерно 0,25 м, поэтому ширина однорядной печи будет равна 5 = / + 2'0,25 м, двухрядной 5 = 2/ + 3 • 0,25 м и т. д. Длину печи с шагающим подом следует определять с учетом зазоров между заютовками. Обычно расстояние между фанями соседних заготовок составляет 1,5-2,5 их толщины. Поэтому дли на печи в этом случае составит, м* L = an + (l,5-r2,5)Z>-(« + i). Высоту свода печей h чаще всего определяют, исходя из опыта хорошо работающих печей. Так, для трехзонных и многозонных толкательных печей и с шагающим подом расстояние от высшей точки свода до уровня пода лежит в следующих пределах, м: Начало печи (место посада металла) Высота сварочных зон верхних ннжннх Высота томильной зоны 1,2-1,5 2,2-2,6 2,4-3,0 1,5-1,7 Часто при достаточном опыте и наличии информации о хоро шо работающих печах размер площади пода печей определяют не через продолжительность нафева, а используя величину напря женности активного П0Д1 / ^ В этом случае F^ ='F/H^, м?-, а длина печи L^ = -^а/^' '"Д? ^ " ширина'печи. Размещая печи в цехе, надо прежде всего стремиться к тому, чтобы металл как можно меньше остыл при транспортировании от печи к стану Это наиболее важно для малкосортных, прово лочных и штрипсовых станов в которых нафевается сравнитель но тонкая быстро остывающая заготовка. В силу этого надо раз мещать печи по возможности ближе к стану. На характер р1сположения толкательных печей в цехе суще ственное влияние оказывает метод выдачи металла из печи. Если устанавливается одна печь то ее обычно проектируют с боковой выдачей и ставят перпендикулярно оси прокатки так, что ось окна выдачи совпадает с осью прокатки. Если устанавливаются две или более печей с боковой выдачей, то передача заготовок от печи на рольганг стана возможна только при использовании спе циального дополнительною оборудования (опрокидывающихся 429 56 7 Рис. 2722. Расположение нагревательных печей в цехе а — печи с торцевой выдачей (/ - ротьганг загрузки, 2 — толкатель, 3 — колонны здания, 4 — рольганг выдачи), б - печи непрерывного мелкосортного стана бес конечной прокатки, расположенные по обе стороны от оси стана (/ - рольганг загрузки, 2 — рольганг выдачи и возврата, J — стыкосварочные машины, 4 — колонны здания, 5 - индукционные печи, 6 - первая клеть, 7 - стан) СТОЛОВ, наклонных брусьев и др ). Кроме того, при этом возрас тает общая площадь печного нролега Поэтому перед современ ными станами чаще устанавливают печи с торцовой выдачей, располагая их перпендикулярно оси прокатки (рис 27 22, а) Для нагрева металла перед мелкосортными станами (нафеваются заготовки длиной 10-12 м) целесообразно устанавливать одну печь и как можно ближе к стану. При установке двух или более мелких печей неизбежны дополнительные перемещения заготовки на воздухе, вследствие чего она остывает. Специфические требования к р1сположению печей в цехе предъявляются при использовании метода бесконе шои прокатки, когда осуществляется сварка стыков заготовок с их последующим догревом в индукционных печах В этом случае наиболее целесо образно такое расположение печей (рис П11,б), при котором обеспечивается независимость их работы и отсутствие значитель ных перегибов заготовок перед ааном 4. Печи трубопрокатных и колесопрокатных цехов Для нагрева круглых заготовок перед обработкой на трубопро катных и колесопрока1ных станах требуются печи специальной конструкции, что объясняется формой заготовок Возможны два 430 принципа транспортирования подобных заготовок: по наклонному поду и вместе с вращающимся подом. Крупные недостатки мето дических печей с наклонным подом привели к тому, что'для на грева круглой заготовки были созданы высокомеханизированные печи с вращающимся подом и секционные скоростного нагрева В печах с вращающимся подом, кроме нагрева круглой труб кой заготовки, удобно нафевать заготовки для колесопрокатных станов Под в этих печах может быть кольцевым или так назы ваемым тарельчатым. В трубо- и колесопрокатных цехах приме няют печи с кольцевым подом. Наряду с кольцевыми печами для нафева труб и трубной заготовки применяют секционные печи. Печи с кольцевым подом. На ряде отечественных металлургичесгсих заводов 'работают печи с кольцевым подом (рис. 27.23). Заготовки, лежащие неподвижно на вращающемся поду, вмес те с подом проходят все необходимые зоны нафева и выдаются через окно вьщачи, располо>генное рядом с окном зафузки. Заг- Рис 2723 Горизонтальный разрез кольцевой печи 431 pyjKy и выдачу заготовок осуществляют одновременно двумя кра нами Угол между осями окна зафузки и окна выдачи обычно составляет 28°. Следовательно, заготовка, пройдя 332° полною оборота пода, будет нафеваться до необходимой температуры, т. е время полною оборота пода, соответствующее 332°, равно продол жительности нафева заютовки Пол движется толчками, причем при каждом толчке он поворачивается на угол, соответствующий расстоянию между двумя соседними заютовками (10-12°) Кольцевые печи могут работать на жидком и газообразном гопливах Горелки (форсунки) устанавливают во внутренних и на ружных стенах печи Применяют также и сводовое отопление таких печей Продукты сгорания можно отбирать в одном месте (у окна выдачи) и в нескольких местах Расположение горелок и дымоотводящих каналов - весьма важная характеристика коль цевых печей В зависимости от этого печь может работать по методическо му или камерному режиму При работе по методическому режиму дым отбирается через два дымоотводяших канала, расположенных один напротив друго го около окна зафузки. На подобных печах часто предусматрива ют промежуточные дымоотводящие каналы Если эти промежуточ ные дымоотборы отключены, то обеспечивается методический ре жим Если они вюпочены, то печь работает по камерному режиму Горелки (форсунки) расположены равномерно по всей окруж ности печи, но при методическом режиме работы мощность го«редок в зонах подогрева металла,, Hai рева и выдержки должна бьпь различной и обеспечивать температурный график, свой ственный этому режиму При камерном режиме мощность горе лок распределяется равномерно Методический режим обычно применяют при нафеве легированных сталей В соответствии с температурным режимом печь делят на ряд участков, к каждому возможен свой отдельный автоматически рехулируемый подвод газа и воздуха Причем для поддержания оп ределенных температурных условий на отдельных участках ис пользуют подвесные перегородки («занавески») Между подом печи и «занавеской» осгается зазор, необходимый для свободьюго перемещения заготовок Перегородки обычно устанавливают в следующих местах а) между окном зафузки и выфузки для устранения охлажда ющего влияния зафузочного участка печи на нафетые загоювки, 432 б) между нагревательной зоной и зоной выдержки для устра; нения влияния высокой температуры нагревательной зоны на температурный режим зоны выдержки; в) между нафевательной зоной и зоной подогрева металла для уменьшения теплового излучения из высокотемпературной нафе вательной зоны. При методическом режиме нагрева в кольцевых печах выпол няется следующее распределение топлива по зонам, %: на подофевательную зону приходится 25-27, на нафевательную 60-54 и на зону выдержки 15—19. В соответствии с опытом работы кольцевых печей во избе жание оплавления металла оптимальная высота расположения горелок над подом должна составлять -600 мм. С целью утили зации тепла отходящих из печи продуктов сгорания все отдель ные дымоотводящие каналы объединены в одну общую систему дымоходов, которая позволяет установить за печью рекуперато ры для гюдофева воздуха и в случае необходимости для подофсва газа. Кольцевые печи — механизированные и автоматизированные аг регаты, что позволило устранить тяхселый физический труд по кан товке металла. Применение этих печей позволяет без затруднений переходить от методического режима к камерному, и наоборот. Угар в кольцевых печах составляет 0,5—1 %, т. е. меньше, чем в печах иных конструкций. Для заготовок диаметром 110—150 мм удельная производительность печей составляет 250-350 кгДм^ • ч) при удельном расходе тепла 1670-2500 кДж/icr. Коэффициент по лезного действия кольцевых печей при максимальной производи тельности достигает 30-40%. Тепловой расчет кольцевых печей можно выполнить так же, как и расчет методических или камерных печей с учетом того, что в кольцевых печах не весь под занят металлом, а следова тельно, подина хорошо профета и активно участвует в теплооб мене, излучая тепло на лежащие заготовки. Установлено, что за готовка удовлетворительно профевается по сечению. Поэтому нафев заготовки в таких печах следует рассматривать как дву сторонний и брать в качестве расчетного размера радиус заго товки. ' * Секционные печи скоростного нагрева. Эти печи применяют в трубопрокатных цехах для нафева перед прокаткой круглой заго товки диаметром дЬ 200 мм и для термообработки (нормализа433 ции, отжи1а) труб различною диаметра. Их также используют для нагрева круглых заготовок при прокатке стальных шаров. Скоро стной нагрев металла достигается в результате применения все стороннего обогрева при условии, что температура печных газов и кладки значительно превышает конечную температуру нагрева металла Секционные печи состоят из секций, между которыми рас положены водоохлаждаемые ролики, для каждого из них предус мотрен собственный привод Ролики установлены под углом к на правлению движения, что обеспечивает вращение нагреваемых изделий. Каждая секция представляет собой хорошо зафутерованную небольшую камеру (рис. 27 24) с высокой тепловой нагруз кой Печи оипливают газообразным топливом. В каждой секции размещено 5-6 горелок Горелки установле ны тангенциально, с одной стороны - под металлом, а с другой стороны - над ним. При тангенциальном расположении горелок создается интенсивное движение газов, что приводит к значи тельному разофеву поверхности кладки и интенсификации кон вективного теплообмена Несколько секции объединены в одну тепловую зону. Тепловая нафузка в тех секциях, в которые по ступает холодный металл, все1да больше, чем в секциях после дующих зон Секционные печи работают на газе с высокой теплотой сгора ния, часто с подофевом воздуха и газа до 300-400 °С. Обычно применяют мегаллические трубчатые рекуператоры или рекупера торы типа «термоблок» с залитыми в чу17н трубками Рекупера торы могут быть установлены под секциями, а т-акже над печью При установке рекуператоров сверху каждый из них обычно об служивает одну секцию При установке внизу один рекуператор обслуживает несколько секций, составляющих одну зону. Более удобна установка рекуператоров под печью, гак как в случае вы хода одной секции печи из строя ее легче заменить другой, без дополнительных демонтажных операций. Наиболее эффективно секционные печи работаюг при темпе ратуре секции около 1450-1500 °С, при этом достигаегся сниже ние угара на 1,0-1,5%. Удельный расход тепла секционных печей довольно высок, он составляет 2500-4200 кДж/кг, однако они занимают небольшие производственные площади и легко могут быть включены в авто матизированные поточные линии. 434 '^11" •• t Ч Рис. 27.24. Секционные печи с распо ложением рекуператоров под печью (й) и над печью (6) Удельную производительность секнионных нечеи OTHOCHI не к 1 м^ ПЛОШ.ЩИ пола, а к 1 м д;нп1Ы печи, она равна, KI/(M • ч). Р = PiF, 1де Р| - удельная производит ел ьность печи, OTHeceinian ко всей тенловоспринимающеи поверхности ншреваемых изделии за вре мя т, К1/(м2'Ч), Г—тепловоснринимаюшая поверхность 1 м ;uniны заютовки, MVM Обычно скорость нафеиа в секционных печах характеризуется удельным временем профева (мин/см толшины), которое дая на1рева горячекатаных труб, холоднокатаных труб, круглой заютовкн до температуры прокатки составляет соответственно 3-4, 2 2,5 п 1,0-1,2 мин/см. Скорость прохода изделии через печь обыч но равна 4—16 м/мин Печи для отжига холоднокатаных труб обычно состоят из девяти секции и обеспечиваюг производительносгь 2,5-4 т/ч Печи для нагрева заютовок перед прокаткой шаров и труб состоят из 20—35 секции и могут обеспечивать про изводительность 20-40 т/ч Недосыток секционных печей скоростного нагрева заюиочается в возможности перефева изделии и кладки при производствен ных неполадках в поточных линиях Во избежание лою следует всеми средствами снижать аккумулирующую способность (j)yTeровки секций, чтобы в случае необходимости можно было быст ро уменьиппь расход топлива и снизить температуру до величи ны, соответствующе^r уровню холостого хода печи Глава 28 . НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ, РАБОТАЮЩИЕ ПО КОНВЕКТИВНОМУ РЕЖИМУ 1. Общие сведения Как уже 0TMe4iumcb, в печах, обеспечиваюищх naipeu MCTtUuia перед обработкой давлением, основным видом геплоотдачи явля ется излучение При этом щ\я необходимою уровня,температуры н теплоотдачи кладка печи должна имен] необходимую досыточно высокую температуру Это в полной мере отосится и к пе чам скоростного нагрева, представителями коюрых являю1ся опи436 санные выше секционные печи. В этих печах необходимо под держивать температуру внутренней поверхности кладки на мак симально допустимом по огнеупорности применяемого материала уровне, что может быть достигнуто лишь при значительной теп ловой изоляции печи. В результате таким печам свойственны два крупных недостатка- предельная температура внутренней поверх ности кладки и большая тепловая инерция, вызванная значитель ной теплоизоляцией печи Вместе с тем большой тепловой поток (свойственный скорос тному нафеву) на поверхность металла может быть создан и кон вективным путем, если раскаленные газы с большой скоростью направить на поверхность нагреваемого металла. Такой метод, по лучивший название скоростного конвективного (ударного) нафева, появился сравнительно недавно и настойчиво разрабатывает ся применительно к кузнечному и прокатному нафеву. Для его осушествления создаются специальные юрелки, внутри которых осуществляется сжигание газообразного топлива при величине ко эффициента расхода воздуха около единицы. Продукты сгорания, имеющие температуру близкую к кагюриметрической, выходят из горелки с высокой скоростью (100 м/с и более), направляются на поверхность мет^шла и обеспечивают очень высокий внешний конвективный поток Компонуя горелки соответствующим обра зом, можно создавать печи для нафева различных заготовок. Не обходимо отметить, что температура кладки в таких печах может находиться на весьма умеренном уровне, поскольку подавляющее количество тепла подается к поверхности металла конвекцией струями раскаленных продуктов сгорания Если, например, осу ществляется нафев металла до 1200 °С, то нет необходимости иметь температуру внутренней поверхности кладки выше -1250 °С. Такая температура не является предельной даже для наиболее дешевого огнеупорного материала. При использовании конвективного (ударного) нафева атакующи ми струями раскаленных газов высокий тепловой поток на повер хности пафеваемого металла достигается блаюдаря прямому удару струи газов с больиюи скоростью о поверхность металла В резуль тате достигается разрушение пограничного слоя — лимитирующе10 звена при конвективном теплооб.мене и обеспечивается высо кий коэффиццснт теплоотдачи конвекцией [-350-400 ВтДм^ • К)]. Величина коэффициента тешюотдачи конвекцией при нафеве ата кующими струями зависит от ряда факторов, к которым относят437 ся скорость lajoB, теплофизические характеристики шзов, отно сительные конструктивные размеры рабочего пространства печи и Hai реваемо! о меьшла В качестве примера подобной зависимости можно привести критериальное уравнение конвективного теплообмена, полученное для средней по поверхности нагреваемого цилиндра интенсивно сти теплообмена' Nu = 0,23 • ReM4 • PrO.25 ( - ^ j " ( ^ j , (28 1) 1де л — расстояние oi сопла горелки до поверхности заготовки, мм; CIQ — диаметр сопла юрелки, мм; D^ — диаметр камеры нафева, мм, Dj — диаметр иа1-реваемой заготовки, мм Многочисленными экспериментами установлено, что значи тельное увеличение коэффициента теплоотдачи при ударном нафеве имеет место лишь до увеличения величины скорости lajoB около, поверхности заготовки до 100—110 м/с При увеличении действительной скорости ызов выше этой величины коэффици ент теплоотдачи изменяется незначительно Большое штяние на величину коэффициента теплоотдачи ока зывает относительное расстояние X/CIQ между срезом сопла горел ки X и диаметром сопла JQ Так, изменение этой величины от 2 до 10 уменьшает величину коэффициепга теплоотдачи более чем в 1,5 раза Скоростной конвективный (ударный) нагрев обладает рядом преимуществ по сравнению с нафевом в обычных печах резко снижается обезу1лерожнвание и окисление метсшла; увеличивает ся скорость нафева, которая, однако, лимитируется внутренней задачей, в результате чего этот метод наиболее приемлем для нагрева тонких в тепловом отношении изделии Проведенные мет.шлофафические исследования образцов, подвергавшихся кон вективному (ударному) нагреву и обычному нафеву, убедительно свидетельствуют в пользу первою Все эти преимушесгва, а также Мсшые размеры возможных пе чей при их высокой производительности, малая тепловая инер ционность нечеи, большая универсадьность использования нагрева атакующими струями раскаленных тазов делают этот метод весьма перспектшзным, чем и вызвано больиюе внимание, которое уделя ется разработке этого метола нафева металла в ряде стран 438 2. Констругщпп печей Отличительной чертой печей конвективного (ударного) нафева является пассивная роль футеровки печи, теплоотдача от ко торой ифает подчиненную роль Решающую роль в теплоотдаче к нагреваемому металлу в печах подобного рода ифает передача тепла от струй раскаленных газов, истекающих из горелок соот ветствующей конструкции. Компонуя горелки тем или иным спо собом, можно создавать печи, обладающие различными конструк тивными особенностями Для создания высокотемпературного высокоскоростного пото ка продуктов сгорания, направленного на поверхность нафеваемого изделия, необходимы совершенно специфические горелки схсигание топлива в которых происходит внутри в относительно небольщом объеме. Поджигание смеси топлива и окислителя (обынно воздуха) производится при помощи специальных элект рических свечей При сжигании топлива в закрытом объеме внут ри горелки развивается высокая температура (-1700—1900 °С и более), резко увеличивается давление газов, что и обеспечивает высокую скорость газов на выходе из сопла горелок Наличие высокой температуры внутри корпуса горелки созда ет весьма значительные проблемы по обеспечению достаточной жизнеспособности горелок, особенно при их значительной теп ловой мощности. Обеспечение устойчивой работы таких горелок при необходимых фаницах регулирования делает задачу создания таких горелок достаточно сложной. В принципе для создания подобных горелок могут быть использованы два приема. 1) выполнение внутреннего объема горелки из высококаче ственных огнеупорных материалов; 2) выполнение внуфеннего объема из жаростойкой стали с ис пользованием охлаждения стенок горелки, например, воздухом, подаваемым для горения.' На рис 28.1 представлены различные консфукции горелок для печей конвективного нафева. Огнеупорную впускную насадку тоннельной горелки (рис. 28.1, а), где начинается воспламенение, и камеру сгорания выполняют из высокоглиноземистых материа лов. Скорость выхода продуктов'сгорания из сопла горелки со ставляет 100—120 м/с, кратность регулирования горелки пример но равна 1:6, что позволяет вести автоматическое управление изменением температуры. Располагая горелки в ряд с двух (или 439 четырех) tiopoii oi нагреваемой заюювки, можно скомпоновать печь конвективного скоростною нагрева Горелки с металлическим корпусом из жаросюикою металла с охлаждением воздухом, подаваемым для юрения (рис 28.1,6'), спроектированы, исходя из условия, ^что температура стенки камеры горения не должна превышай. 900-950 °С, а температура ПОДО! рева воздуха не должна превышать 600 °С Диапазон регу- J'uc. 281. lopeiKH Д1я печей коивектинного (ударного) нагрева а — туи||е;1ьн1я lopeiKa с камерой сгорания, выполненной из о|неупорных матери.ыои (/ - огнеупорный блок, 2 ~ камера сгорания, J - впускнм насадка, 4 - металтимескии впускнон бюк, 5 - тр>6а, полаюшая топливо и вошух), б - скоростная горелка с меты тческои вошухоохлаждаемои камерой сгорания (/ - камера сгорания, 2 ~ кожух, ? - смеситель, 4 - зап.ииашя свеча), в - юретка с амторскуперацией (/ - полиод воздуха, 2 - возяупиыя трубка, по которой проходит подогреваемый итдух, 3— кольцевой канал лтя удыения продуктов сго рания из печи, 4 - удаление продуктов сгорания (к дымососу), 5 - подвод газа, 6 - сопло ;шя смешения мза с подогретым воздухом, 7 - стена печи), г - высо коекоростная горелка (7 - подвод газа, 2 - Koibueuoe пространство для unon, 3 — отверстия для прохода laja в камеру С1ор<ии1я 4 - камера сгорания, 5 - коробка Djw подвода воздухi в камеру сгорания через специальные отверстия, 6 — клапан который открывается при помощи тжи, 7 - пропорииоиирование подачи воздуха и камеру сюраиия мере) кольцевую щеть и отверстия в стенках, 8 ~ сопло 9 - цилиндрическая камера д,1я установки форсунки в стучае необхо димости) 440 лирования не менее I : 4. Результаты испытания горелок подоб ного рода показали, что горелки устойчиво работают при посто янном коэффициенте расхода' воздуха, равном 1,05, скорость ис течения от 40 до 200 м/с Большой интерес представляют также горелки, представленные на рис 28.1, в, г С использованием скоростных горелок был создан ряд полу промышленных печей На рис 28 2 показана печь скоростного конвективного нагрева производительностью 500 кг/ч' с одноряд ным расположением заготовок диаметром 60-80, длиной до 120 мм По всей длине установлено десять скоростных горе лок с металлическими воздухоохлаждаемыми камерами горения (см рис 28 1) б ) по пять с каждой стороны. Расстояние между осями соседних горелок 348 мм, противоположных 174 мм. Уста новка горелок по всей длине рабочею пространства печи позво ляет изменять длину огапливаемой зоны путем включения или отключения определенного числа горелок Часть рабочего про странства с отключенными горелками служит методической зо ной Розжиг горелок производится индивидуально Каждая юрелка оборудована электрической запальной свечой Заготовки проталкиваются через печь в торец по двум парал лельным водоохлаждаемым трубам конструкция которых исклю чает возникновение темных пятен на поверхности нагреваема ме талла. Трубы опираются на водоохлаждаемые опоры. Выдача за готовок из печи производится по наклонному желобу. Рис. 28.2. Cxe.Md аитоматизированпои газовой печи скоростного кониективиого нагрева стальных заготовок 441 "^М Ш Ш ш ш шш ш ш Рис. 28.3. Проходная нагревательная лечь конв / ~ зона подогрева, / / — зона ирггенсивного нагрева / — горелочные блоки, 2 — подвод воздуха, J — подвод Разгрузочный торец печи оборудован водоохлаждаемои панелью. Отходящие газы отводятся по вертикальному каналу и дымопро воду, оборудованному эжектором, в атмосферу. Печь оснащена системой автоматическою регулирования теп лового режима. Суммарный удельный тепловой поток к поверх ности металла составляет 850 Mj[^ж/(м^ • ч), а доля тепла, переда ваемою металлу конвекцией, достигает 80-85%. Печь обладает малой тепловой инерцией, обеспечивает величину к и. т 20—25 % (без рекуператоров). Печь работает в режиме мдлоокислительиого нагрева, себестоимость нагрева }ia 30 % ниже, чем в индукцион ной установке. На рис 28.3 представлена проходная печь конвективного на грева, скоростные горелки в которой расположены только в зоне интенсивного нафева, что позволяет иметь зону подогрева и тем самым повысить величину коэффициента использования тепла Высокая интенсивность внешнего теплообмена при конвектив ном нафеве делает весьма перспективным подобный метод на фева в следующих случаях 1) при нагреве термически тонкого тела, применительно к стальным заготовкам до толщин не превышающих 70—80 мм; 2) при малоокислительном нафеве в случае использования печи конвективного нафева в паре с подофевательнои печью, в которой равномерно по сечению нафевать металл до 800—900 °С а затем в конвективной печи дофевать его до 1150—1200 °С в режиме скоростного конвективного нафева; 3) при подофеве слябов, полученных на мащинах непрерыв ного литья заготовок и охлажденных в большей мере с поверхно сти, в этом случае можно сделать процесс прокатки таких слябов значительно более эффективным, так как не надо будет нарезать коротких слябов, остужать их и нафевать вновь до ~1200°С (как это делается сейчас). ' Д^шьнейшая разработка метода конвективного нафева позво лит создать тепловые машины, оборудованные панелями, набран ными из скоростных горелок, пригодные для нафева самых раз нообразных заготовок. Одним из самых главных обстоятельств, сдерживающих пока распространение рассматриваемого метода нафева, является отсутствие надежных скоростных горелок зна чительной тепловой мощности. Не нашел пока также техничес кого решения способ утилизации тепла отходящих продуктов сго рания, имеющих весьма высокую температуру. 443 Глава 29 ТЕРМИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1. Общая характеристика В прокатных цехах предприятии lepnon металлургии термичес кой обработке подвергаются сортовой прокат, горячекатаный и холоднокатаный листы, холохгиокатаная лента, рельсы и друыя продукция. Применяемые виды термической обработки достаточ но разнообразны Наиболее распространенные виды термической обработки при ведены ниже* Обрабатываемая продукция Сортовом прокат Горячекатаный лист специальная и легироплнная сталь толщиной 4 мм и Goiee, малоуглеродистая и низколегированная сталь толщиной 50 мм Холоднокатаный лист и лента Рельсы В д те| мообработки Полный и njOTepviiiMecKiiii отжиг Нормализация или закатка с последующим отпуском Отжиг т и высокий отп>ск Низкотемпературнпй рекристаллизационныи отжиг Нормализация, изотермическая выдержка, отпуск Все виды термической обработки прока га мог>т быть разделе ны на две фуппы 1) режимы, связанные со значительными затратами времени на выдержку при определенной температуре и медленным охлаж дением (отжиг, отпуск), 2) режимы, связанные лишь с нагревом метгшла в печи до оп ределенной температуры с последующей выдачей \ы воздух (норМситзация) или в жидкие среды (закстка) Такое распределение oKiUbieaeT решающее влияние на выбор типа применяемых печей. При термической обработке прокатан ной стали применяют печи двух типов (садочные и проходные), принципиально отличающиеся друг от друга Садочные печи являются периодически действующими агрега тами с переменной во времени температурой Меъи1Л в них заг ружают на неподвижный под или на выкатную подину и в про цессе нафева он находится в неподвижном состоянии Зафузка 444 металла осуществляется обычно в полуостывшую печь, и нагрев его происходит вместе с нагревом печи Проходные печи — это агрегаты постоянного действия с по стоянной гемпературой во времени и в пределах рабочего про странства (печи камерного типа) В этих печах NtcTajm в процессе нагрева перемещается от одного конца печи к другому при по мощи специальных механизмов Преимущество садочных печей заключается в их универсаль ности, поскольку в них могут быть обеспечены любые темпера турные и тепловые режимы Однако большим недостаком садоч ных печей является то, что в них не достигается желаемая рав номерность нафева мeтûlлa и они непригодны для поточного производства. Кроме того, в садочных печах большое количество тепла тратится непроизводительно, пл периодический нагрев кладки печи. Проходные печи более совершенны, так как в них обеспечи вается непрерывность, поточность производства и однородность нафева метстла Работу этих печей можно полностью механизи ровать и автоматизировать' Непрерывность потока производства позволяет совместить термическую обработку с другими техноло гическими операциями (очисткой, резкой и др) Следует отме тить, что строительство высокомеханизированных проходных пе чей требует значительных первоначальных капитальных затрат, которые, однако, впоследствии окупаются. При осуществлении режимов термообработки, связанных с длительной выдержкой, применение проходных печси нецеле сообразно, так как для обеспечения необходимой производи тельности термическою отделения пришлось бы установить большое число крайне длинных печей Разумное исключение в данном случае составляют протяжные печи для термообработки холоднокатаной ленты, в которых применяется ускоренное ох лаждение. Большое значение при выборе конструкции термических пе чей имеет качество получаемою Л1ета;гла Например, при отжиге ленты в протяжных печах металл получается более жестким. Поэтому, несмотря на то, что протяжные печи являются более профессивными афегатами, для отжига автолисга в рулонах при ходится применять садочные печи колпакового типа Металл в них охлаждается медленнее и, имея меньшую жесткость, более пригоден для штампования 445 При нафеве металла н термических печах обязательными яв ляются равномерность и относительная невысокая скорость на грева без окисления и обезуглероживания поверхности. Для ото пления термических печей используют обычно газообразное топ ливо Чтобы обеспечить равномерность нагрева мегшша, юрелки и дымоотборы стараются разместить равномерно по длине рабо чего пространства Температура в термических печах может иревьпиать конечную температуру мегалла не более чем на 50-70 °С Особое место занимают протяжные печи л;1я нагрева тонкой лен ты, в которых создается и поддерживается очень высокая ско рость нагрева при значительном перепаде температур. Сжигание топлива в рабочем пространстве термических печей затруднено, поскольку факел, характеризуемый высокой темпера турой, может вызвать нежелательный перефев нафеваемою меТсшла, и температура рабочего пространства бывает порой недо статочна для достижения устойчивого юрения топлива По ука занным причинам топки термический печей часто размещают либо вне рабочего пространства или под иодом печи (подподовые топки), либо выносят за пределы печи (выносные топки). Применение подподовых топок гюзволяет обеспечить необходи мую для равномерного нафева циркуляцию газов На рис 29.1 предсгавлена термическая печь с подподовыми топ ками, в которых сжигают топливо Образовавшиеся дымовые газы проход:ят под подом и поступают в рабочее пространство через правый канал / В топке развивается высокая температура, необхо димая для сгорания топлива, однако рабочее пространство офаждено от воздействия излучающего высокотемпературного факела Очень важное значение имеет левый канал 2, через который в подподовую топку подсасываются более холодные дымовые газы из рабочего пространства В результате этого снижается до требу емой величины температура вновь образующихся при горении дымовых газов перед их выходом в рабочее пространство и обес печивается их циркуляция Обычно выполняют ряд подпбловых топок по длине печи с щах.матным распо;южением форсунок или горелок При этом в рабочем пространстве печи достигается развитая циркуляция га зов и обеспечивается тем самым равномерный нафев мет.111ла Наряду с подподовыми топками в термических печах применяют экранированные топки, в которых нафеваемыи металл не вос принимает прямою излучения факела 446 А-А Рис. 29.1. Термическая печь с пояподовыми топками В зависимости от величины рабочей температуры печи можно разделить на три группы: высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные. 447 Высокотемпературные печи (рабочая температура 1100-1150 °С) применяют для закалки и высокотемпературною отжиг i нержаве юших кремнистых и других легированных сталей При этом юп ливо сжигают в рабочем пространстве печи Среднетемпературные печи фаоочая гемпература 600-950 °С) используют для отжига, высокого отпуска и нормализации уг леродистых и низколегированных сталей В таких печах в зави симости от рабочей температуры сжигают топливо в ргбочем пространстве или применяюг подподовые и экранированные топки Низкотемпературные печи (рабочая температура до 600 °С) применяют для низкого и среднего отпуска В таких печах топ ливо всегда сжигают вне рабочего пространства причем часто ис пользуют рециркуляцию дымовых газов При термической обработке металла используют специальные защитные атмосферы, чтобы получить металл с чистой, пеокислеиной поверхностью (светлый отжиг) Поэтому все существую щие конструкции термических печей Moiyr быть разделены на две большие фуппы: прямого и косвенного нагрева В печах прямого нагрева металл не отделен от печных газов Такие печи применя ют в том случае, когда допустим контакт между металлом и ды мовыми газами, которые оказывают на него окисляющее дей ствие. Обычно металл (лист), нафеваемый в печах прямою нафева, проходит последующее химическое травление. В печах косвенного нафева (муфельных) нафеваемый металл отделен от печных газов Такой метод нафева применяют в тех случаях, когда недопустимо даже малейшее окисление поверхно сти металла. Различают два принципа отделения металла от печ ных газов' муфелироваиие металла и муфелирование пламени В первом случае садку металла закрывают специальным металличес ким колпаком — муфелем (съемным или стационарным) Под муфель подают специальную защитную атмосферу, препятствую щую окислению металла Тепло от печных газов передается му фелю, а от него — нагреваемому металлу Во втором случае топ ливо сжигают в радиантных трубах Продукты сгорания в рабо чее пространство печи не попадают, а пройдя по фубе, уходит в атмосферу. В этом случае печь также заполняют защитной агмосферой во избежание окисления металла Как при муфелировании металла, так и при муфелировании пламени необходима высокая степень герметизации, чтобы избежать попадания в печь атмос448 ферною воздуха Муфелирование применяется как в садочных, так и в проходных печах Печи прямого нафева обычно применяют для нормализации (закалки) и отжига сортового проката и горячекатаного листа. Печи косвенного нафсва используют для светлого отжига холод нокатаного листа, ленты и других видов проката Современное мегаллур! ическое производство является высоко механизированным и автоматизированным. В полной мере это от носится и к термическим печам, степень механизации которых не прерывно повышается. Садочные печи оборудованы выкатными подинами, специалы1ыми загрузочными машинами, кранами. Про ходные печи для транспортирования металла через печь снабжены шагающим подом, роликовым подом, специальными конвейерами. 2. Печи для термической обработки сортового проката Режимы термической обработки Наиболее распространенным видом термической обработки сортового проката является отжиг с целью проведения полной фазовой перекристаллизации, которая обеспечит получение необ ходимой твердости и оптимальной структуры, создающих наилуч шие условия для обработки стали резанием. Отжиг стали, как известно, состоит из трех этапов* нагрева до заданной температу ры, выдержки при температуре нагрева, охлаждения по тому или иному режиму. Температура нагрева зависит от состава стали и ее выбирают таким образом, чтобы она на 20-40 °С превышала положение верхней критической точки Ас^. Для сгалей наиболее распростра ненных типов применяют следующую температуру нагрева, °С: Шарикоподшипникоиая Инструментальная углеродистая Инструментальння легированная Быстрорежущая 780-820 745-820 730-880 880-900 Скорость достижения конечной температуры нафева не Офаничивается, но обычно она составляет 100°С/ч. Время выдержки выбирают таким образом, чтобы успели завершиться все те прет вращения, которые являются целью термической обработки. Стро го говоря, выдержку следует проводить после выравнивания тем пературы по толщине садки металла В садочных печах выравни15-50-41 449 вание температуры садки наступает пссле 10—12 ч с момента на чала нагрева После этою проводят выдержку в течение 2-3 ч Скорость охлаждения металла при проведении отжига лими тируется только до 550-600 °С, чтобы все превращения аустенита были закончены в перлитной области. Это охлаждение обычно осуществляется со скоростью 20-30 °С/ч Таким образом, весь цикл отжига сортового проката занимает 18-24 ч В некоторых случаях сортовой прокат подвергают нормализа ции с нафевом до температуры на 30-50 °С выше точки Ас^ с последующим охлаждением на спокойном воздухе Конструкция печей Для отжига чаще всею применяют садочные печи с выкатным подом и с загрузочной машиной (с внешней механизацией) Кро ме того, иногда используют колпаковые печи с радиационными трубами или без них с защитной атмосферой. Для нормализации применяют проходные печи с шагающим подом, конвейерные и роликовые Садочные печи. Некоторые время наиболее были распростра нены печи с выдвижным подом (рис 29 2) В эту печь металл загружают при помощи подвихсной тележки и нагревают вместе с печью. Масса садки печей с выдвижным подом изменяется в очень широких пределах и составляет около 2 т/м^ площади пода Печь обычно отапливают газообразным топливом, для этого пре дусмотрено два ряда горелок, расположенных в шахматном по рядке. Дымовые газы удаляются в боров через шесть отводящих каналов, расположенных попарно в середине н по концам печи. Специфическим недостатком печей с выкатным подом является то, что при выкатывании подины теряется тепло С целью устранения этого недостатка для отжига сортового проката применяют печи с механизированной зафузкои металла (см. рис. 29.1) Печь оборудована подподовыми топками, чаще всего ее отапливают смесью коксового и доменного газов с теп лотой сгорания 7500-8300 кДж/м^ при помощи горелок типа «труба в трубе». Характер движения газов в рабочем пространстве определяет ся наличием подподовых топок Для удаления дымовых газов из рабочего пространства печи в стенках выполнены специальные каналы Масса садки печей составляет 15-20 т. Металл зафужают в печь при помощи специальной машины 450 От5:сигу в рассматриваемых печах обычно подвергают круг лые заготовки диаметром 30-60 мм или квадратные сечением 120-180 мм. Между отдельными пакетами металла помещают специальные прокладки, что способствует циркуляции газов внут ри садки и повышает равномерность нафева. В печах с механи зированной загрузкой применяют изотермический отхсиг с нафевом до 780 °С и охлаждение до 650 °С с выдержкой при этой тем пературе. Возмохсны два метода проведения этой операции, 1. Всю операцию проводят в одной печи. Металл нафевают до 780 °С, а затем вместе с печью его охлаждают до 650 °С и вы держивают при этой температуре Для ускоренного охлаждения через горелки можно продувать воздух. 2. Операцию проводят в двух печах. Металл нафевают до 780 °С в одной печи и пересаживают для выдержки при 650 °С в другую печь В этом случае на четыре печи для нафева необхо дима одна печь для изотермической выдержки. Второй метод более рационален, поскольку нагревательная печь, а также печь для выдержки, постоянно нафеты до необхо димой температуры и периодически не охлаждаются (до 400 °С и ниже) Это положительно сказывается на работе футеровки и го- Ри^. 29.2. Термическая печь с выдвижным подом 15' 451 релок печи и снижает удельный расход тепла, который состаиляе! 3100-3800 кДж/кг Производителыюсть при вгором MCIоде также возрастает и составляе! 800-900 KI/Ч на каждую печь, югда как при работе по первому методу на печь приходи1Ся 600-700 кг/ч В садочных печах, как в печах периодическою действия, зна чительное количество тепла тратится па нафев кладки Для ТА КИХ печей характерно, чго нл нафев металла расходуется 17-18% тепла, унос с продукшми сгорания составляет 54-56 % и 1ютери кладкой обычно равны 18-19% Иначе юворя, тепло, теряемое кладкой, равновелико полезному расходу тепла Футеровку термических печей выполняют обычно двухслойной внуфеннии слои из ишмота класса Б, наружный - из [еплоизоляционного диатомового кирпича Поскольку садочные печи имеют переменный во времени тем пературный режим, тепловой расчет таких печей выполняют па весь цикл работы, а не па 1 ч, как эю делают для печей посто янного действия Садочным печам присущи следующие серьезные недостатки — непостоянный во времени температурный режим, отрица тельно сказывающийся па равномерности нагрева ме1алла, — высокий удельный расход топлива, вызванный периодичес ким нагревом кладки печи, — сложность авюматического регулирования теплового режи ма печи, — непригодность для высокопроизводительною поючно-массового производства Однако эти печи пока яаяяются наиболее приемлемыми афеraiBMH для выполнения гаких операции 1ермообработки, которые связаны со значительными выдержками и замеш1енным охлажде нием Для снижения потерь тепла, связанным с перодическим нагревом кладки, в последнее время все более широко применяЮ1 волокнис1ые О1неупорпые материалы Проходные кечи. Применение проходных печей позволяет обеспечить более совершенный метод нагрева металла Для тер мической обработки сортового проката применяют непрерывные (носшянного действия) печи прямого нагрева трех консфукций с шагающим подом, с роликовым подом и конвейерные В печах с щаиющим подом, применяемых лпи термической обработки, температура по длине печи чаще всего постоянна В печах для нормсшизапии иногда предусматривают но длине две 452 зоны: нагрева до 900 °С и охлаждения до 300-400 °С. Обычно температура печи составляет около 1000—1050 °С Металл нагре вается до 900-950 °С Печи отапливают холодным газообразным топливом Горелки расположены равномерно по всей длине, ды мовые газы удаляются из печи гюд зонт через рабочие окна и специальные, выполненные в своде, каналы. Печи с шагающим подом, предназначенные для термообработки, обеспечивают удельную производительность около 400-450 кгДм^ • ч) при удель ном расходе тепла около 2100 кДж/кг. Наиболее широкое распространение для термической обработ ки приобретают печи с роликовым подом В конвейерных печах через рабочее пространство проходит цепной конвейер, транспортирующий мегалл. Конвейерным пе чам присущи серьезные недостатки, в силу которых в черной ме таллургии эти печи применяют крайне редко. Главными недостат ками являются: — значительный вынос тепла из рабочего пространства печи элементами цепей, в результате чего увеличивается удельный рас ход тепла; — недостаточный профсв мегалла в местах соприкосновения с цепью; — недолговечность цепей Удельный расход тепла в таких печах достигает 2900-3350 кДж/кг 3. Печи для термической обработш! горячекатаных листов Реэхимы термической обработки Методом горя 1еи прокатки обычно производят листы толщи ной выше 1,5 мм. Во М1югих случаях горячекатаные листы про ходят термическую обработку. Толстые горячекатаные листы ма лоуглеродистых и низколегированных сталей подвер1ают чаще всего неполному или изотермическому отжигу, а иногда высоко му отпуску. Неполный огжиг выполняется при нагреве стали до температур, лежащих между точками Ас^ и Лс^, и преследует цель повышения вязкости стали и снижения пределов текучести и прочности Температура наименьшей устойчивости аустенита ле жит на 150-200 °С ниже равновесной точки Ас^. В практических условиях температуру выдержки металла при изотермическом от453 жиге берут на 100-150°С ниже точки Aci Время выдержки вы бирают так, чтобы обеспечить твердость продуктов изотермичес кого распада не выше необходимого значения, и обычно оно составляет 4-6 ч Кроме указанных видов термообработки, горя чекатаные листы проходят также нормализацию. Конструкции печей Для термообработки горячекатаных листов применяют садоч ные колпаковые и проходные, главным образом роликовые, печи. В колпаковых печах осуществляют чистый отхшг металла, ко торый нагревается под муфелем, но без защитной атмосферы Печи подобного типа применяют при производстве холодноката ного листа и ленты, поэтому они рассмотрены ниже В печах с роликовым подом, широко применяемых для нагре ва листов, сорта, рельсов, бунтов проволоки, металл прямо с рольганга поступает на ролики печи, вращающиеся по несколько штук от одного привода или от индивидуальных приводов. Ско рость вращения роликов может быть различной Ролики обычно 5070 3700 1250 4590 Рис, 29.3. Конструкция роликов с дисками, б — с неводоохлаждаемой бочкой, в - с водоохлаждаемым валом 454 выполняют из жаропрочной стали (например, содержащей 2030 % Ni и 20-25 % Сг) Конструкция роликов зависит от назначения и температуры рабочего пространства печи В печах для термообработки тонкого листа применяют ролики с дисками (рис 29 3) Диски распола гаемые в ш1Хматном порядке заходят друг за друга и препят ствуют попаданию листа под ролики Печи для толстого листа (рельсов сорта) с рабочей температурой 800-1000 °С оборудуют роликами с ргеводоохлаждаемои бочкой Для температуры печи 1000—1200 °С ролик выполняют с водоохлаждаемым несущим вал- Sтушшшштт^т Рис. 29,4. Печь с роликовым подом 455 ком и укрепленной на нем жаропрочной бочкой Просграпсюо между бочкой и Всшом заполняюг теплоизоляцией (пммотным или диатомитоиым порошком). Роликовые печи » зависимости ог их пачначепия делаюг раз личной ширины (рис 29 4 и 29 5) Правильный выбор пшрины роликовой печи очень важен, так как, чем шире печь, тем большую нафузку испытывают ролики В работающей печи нельзя останашшвагь враше1шя роликов во избежание их прогиба Поэтому дайна роликовых печей всегда больше суммарной длины листов, загружаемых в печь В этом случае в процессе naipeBa необходимо непрерывное вращение ро2700 / /, / // /, / / / / / - 2700 х^./у / / / / / / Рис, 29 5. Печь с рошковым полом аяя нагрсоа широких листов 456 ликов, осуществляемое перемещением листов то немного вперед, то немного назад Роликовые печи обычно отапливают различным газообразным топливом, горелки располагают в боковых стенах пе ш выше и ниже уровня роликового пода Для обеспечения более равномер ного нафева широких листов горелки устанавливают и на своде печи Производигельносгь роликовых печей колеблется от 4—5 до 40 i/ч при удельной производительности около 250 кгДм^'Ч) и удельном расходе тепла 3300—5000 кДж/кг. Роликовые печи по сравнению с конвейерными и печами с шагающим подом обладают рядом преимуществ: 1) наилучшим соответствием поточному производству, так как роликовый под может служить продолжением цехового рольганга, 2) отсутствием подсоса холодного воздуха, увеличиваюи1его окисление металла, 3) скоростью и равномерностью нагрева, которые выше, чем в печах других типов 4 Печи для теомической обоабопш холоднииатаных листов п лен1ы Режимы термической обработки Для термической обработки применяют колпаковые садочные печи и протяжные печи гюстоянного действия В колпаковых печах термообработке подвергают стопы листов или рулоны лен ты В протяжных печах происходит обработка одного слоя лен ты, что ооеспечииает оолыиую скорость и равномерность Hargeва Протяжные печи ьолсе про1рессивные агрегаты, соответству ющие требованиям современного поюшого производства Они обычно входят в состав непрерывных линии в которых наряду с термообработкой мет шла осуществляют ряд других технологичес ких операции (травление нанесение покрытии и др.) Однако несмотря на эти преимущесты, современное производство холод нокатаного листа не можег обойтись пока без колпаковых печей. Основным видом термической обработки холоднокатаною ме талла является низкотсмпеоатуоный оёкВисгаллизацишный отжиг. Режимы отжига приведены на рис. /у.о. из фафика видно, что скорость охлаждения ленты в протяжных печах по сравнению с колпаковыми очень велика. Поэтому получается более мелкозер457 30 60 90 120 Тс Рис. 29.6 Режимы рекрисгаллизационного отжига холоднокатаного металла о колпаковых (а) и протяжных (б) печах нистая структура и, как следствие, выше предел текучести и твер дость мегалла. В протяжных печах структура получается однород ной, чего нельзя сказать о металле, отожжённом в колпаковых печах. Колпаковым печам, как печам садочного типа, свойствен на неравномерность нагрева металла В результате этого у одного и того же металла, отожженного в колпаковых печах, структура и свойства могут быть различными Режим работы протяжных печей теснейшим образом связан с технологией термической обработки Температура рекристаллиза ции (близкая к Ас^) опрёдёляег Температуру нагрева металла. Скорость нафева металла обычно составляет 25-100 °С/с, чем и определяется продолжительность нафева Для завершения рекри сталлизации необходима выдержка при температуре рекристалли зации, которая должна быть не менее 25 с Скорость охлаждения ленты следует выбирать такой, чтобы из твердого раствора в феррите успевал полностью выпадать углерод и не образовывался перенасыщенный раствор При температуре около 500 °С содер жание углерода примерно такое же, как и при 20 °С, поэтому ре17лируемое охлаждение надо вести до 480-500 °С Продолжи тельность регулируемого охлаждения не должна быть менее 25 с. Дальнейшее охлаждение ниже 480-500 °С можно вести с любой скоростью, но до 120°С ленту следует охлаждать в защитной атмосфере, а ниже 120°С — обдувкой холодным воздухом Уско рение охлаждения от 500 до 120°С представляет собой значитель ный резерв увеличения производительности печи Конструкции печей Колпаковые печи. В колпаковых печах лист отжигают в паке тах, а рулоны - в стопах (при этом рулоны установлены один на другой) Для ускорения нафева используют принудительную цир458 куляцию защитной атмосферы. Мехсду рулонами предусмотрены специальные прокладки, которые позволяют защитной атмосфере циркулировать мех<ду рулонами и способствовать тем самым их прогреву в осевом направлении. Применяют многостопные и одностопные колпаковые печи. В многостопных печах один нахревательный колпак приходится на несколько стоп, которые взаимно экранируют друг друга. Это приводит к неравномерности нафева стопы и необходимости уве личения продолжительности выдержки и, следовательно, к сни жению производительности ' Более совершенны с этой точки зрения одностопные колпако вые печи, в которых рулоны профеваются равномернее Печи с муфелировапием металла. Колпаковая печь для свет лого отжига листа представлена на рис. 29.7. Она предназначена для отжига листов, уложенных в стопу. Нафев стопы листов це лесообразно вести так, чтобы тепло поступало к торцам листов, а не в поперечном направлении Мехсду листами, сложенными в стопу, находится газовая прослойка, которая снижает теплопро водность в поперечном направлении в 30-40 раз по сравнению с теплопроводностью сплошного металла. У печи два колпака: внутренний — из листового железа и наружный футерованный Рис. 29.7. Колпаковая печь для светлого отжига листов 459 колпак, па коюром и размешены юрелки Внузрепнии KojmaK — эго муфель, которым закрывают стопы, гюмешенные па непод вижный под (стенд) печи Внизу внутреннего муфеля устроен песочный затвор, обеспечивающий необходимую 1ерме1изацию Под внутренний муфель по cnenniUibHOH (рубке подается заши1пая атмосфера Весь пропесс делится на следующие стадии а) зафузка сюп метал;ш на стенд, б) уст-ановка внутреннею муфеля и продувка подмуфельною просфанства заш,игнои атмосферой для уд1и1епия воздуха, в) нафев садки до 650-750°С (с защитной атмосферой), г) охлаждение садки под внуфенним муфелем до 120°С (с за щитной атмосферой), охлаждение от 120°С на воздухе и разгруз ка стенда Выдавать метсшл на воздух с 1емперагурои вьпле 120 °С нельзя во избежание появления на поверхности мепшла ивеюв побежа лости. Продолжительность нафева садки до 650-750 °С приблизи1ельно в три раза меньше суммарного времени охлаждения се\дки до 120 °С, зафузки и разфузки металла Поэтому обычно на один наружный колпак приходится три стенда Ко1ла один стенд на ходится под наружным колпаком, второй разгружают н нагружа ют, а на третьем охлаждаю! метсшл под внутренним муфелем Колпак переносят с одного стенда на другой специальным мос товым краном Масса наружного колпака около 40 т. При переносе с одного стенда на другой внутренняя поверхHocib футеровки колпака остывает до 300-350 °С В нижней ча сти наружною колпака с двух сторон по всей его длине располо жена серия неболыпих ннжекционных юрелок, что обеспечивает торцовой подвод тепла к стопам листов Перед каждой горелкой установлена карборундовая пластина, предохраняющая внутрен ний муфель от местною перегрева У наружною колпака 1акже устроен внизу песочный затвор В качестве топлива можно ис пользовать любое газообразное топливо, чаше всего упо1ребляют смеси коксового н доменного газов с Q^ = 5800-10 000 кДж/м^ Дымовые газы отдают тегшо внуфеннему муфелю, а он в свою очередь передает тепло нагреваемому металлу Уд1и1яюг дымовые газы из рабочего пространства при гсомощи эжекюра Газ и ин жектирующий воздух подаю! через специальные гибкие шлаши Дымовые газы удаляются в дымоотводяшие 1рубопроводы, при соединенные к дымовой трубе, оборудованной дымососом 460 Ранее дымоные газы ул1и1ЯЛ11 из колпаковых печей естествен ным путем прямо и атмосферу цеха Для этою в стенках наруж ного колпака ДСЛСШИ специальные вертикальные KaHtUibi. Приме нение эжекторов позволило устранить этот недостаток, резко улучшить санитарное состояние цеха и условия труда обслужива ющего персонала Масса салки в колпаковых печах сосывляс! 80-120 т, удель ная производительность достигает 250-300 к1/(м^'Ч), а удельный расход топлива равен 1200-1400 кДж/кг Колпаковые печи с муфе;п1рованием металла также широко применяют для светлого отжига рулонов холоднокатаной ленты Обычно по иысотс печи устанашшваюг вертикально три — четы ре рулона, между которыми размещают специальные прокладки Если основной поток тепла поступает к рулону в радиальном напраш1ении, то равномерность и скорость нагрева невелики. Для ускорения нагрева создают интенсивную циркуляцию запщтною laja под муфелем, для чею служит специалтыи вентилятор Колпаковые печи для отжига рулонов ленты чаще всею одно стопные (рис 29 8, д), однако встречаются еще и трехстопные (рис 29.8, 6) В конструкциях колпаковых печей для отжига рулонов и для отжига листов мною общего Садка трехстопных колпаковых пе чей составляет 120 т Один наружный нагревательный колпак об служивает три печных стенда Отличительной особенностью этих печей является применение трех (по числу стоп) внутреггних му фелей и Псшичие вентилятора для создания циркуляции защит ной атмосферы В одностопных печах мет^тл нафеваегся равно мернее и быстрее Показатели работы одностопных и трехстоп ных колпаковых печей приведены ниже Печи одностопные Удсльныи pjcxo.aTcma, кДяч/кг Масса iiapjAnoro ктапаиа, т Произиодитетьность, т/ч обшпя на 1 стопу 1200-1400 15 Печп трехстопные с циркуляцией 1180-1300 40 1,2-2,0 1,2-2,0 3,5-3,7 1,15-1,25 Из приведе1П1ых данных видно, что производительность одно стопных колпаковых печей выше, если исходить из расчета iu\ 461 о D I' IN 5 ^^m одну стопу при втрое меньшей массе нарухного колпака, что удешевляет здание цеха В работе колпаковых печей для отхига ленты в рулонах боль шое значение имеет циркуляция защитного газ„. Если сравни вать работу колпаковой печи в отсутствие циркуляции и с цир куляцией, то при циркуляции производительность увеличивается в 2—3 раза, а удельный расход тепла на отжиг уменьшается. Цир куляция позволяет не только ускорить нагрев рулонов, но и по высить равномерность нафева садки. Циркуляцию осуществляют при помощи вентиляторов с крыльчаткой центробежного типа. Крыльчатка помещена под сто пой внутри специального направляющего аппарата. Вентилятор засасывает защитный газ из внутренней полости стопы рулонов и через направляющий аппарат подает его в щель между нарухсным и внутренним цилиндрами двойного муфеля или вдоль стен внутри одинарного муфеля Поднимаясь вдоль стен муфеля, газ нагревается и затем поступает во внутреннюю полость стопы че рез специальные кольца проложенные мехсду рулонами Проходя с большой скоростью мехду рулонами газ отдает свое тепло тор цу рулона, значительно ускоряя его нагрев Чтобы защитный газ направлялся меходу рулонами, внутреннюю полость их сверху зак рывают специальной крышкой. Обычно в качестве защитного газа применяется азот. В после днее время все чаще используют водородную защитную атмосфе ру. Водород имеет существенно большую теплопроводность, по этому при использовании его нагрев металла значительно уско ряется. Однако применение водорода в качестве защитной атмосферы требует особо тщательной герметизации печи. Для ус корения охла>:одения металла необходимо охлаждать циркулирую щую защитную атмосферу, для чего используют, устанавливаемые над печью, специальные трубчатые, водяные охладительные уста новки. Эти установки дают определенный, однако недостаточный эффект, так как охлагэдают только сравнительно небольшую часть защитной атмосферы. Последнее время для ускорения охлюэдения металла по муфелям используют душирование муфеля водой или установку поверх муфеля специального охлаждающего кол пака, создающего обдувку муфеля множеством струй холодного компрессорного воздуха ' Иногда применяют термическую обработку ленты в распушен ном состоянии, для чего рулон направляют на специальную пе463 ремотку Для того, чтобы защитный газ мог ииркулирова1ь между вигками, рулон перематываю! гак, чтобы между витками были за зоры, соизмеримые с толшинон ленты. Цикл отжига pacnyiueiHio10 рулона значительно меньше, чем для туюсмотанных рулонов Недостатком применения распущенных рулонов является го, что необходима двукратная перемотка — перед отжиюм и после него. Кроме тою, наружный диаметр распушенною рулона досшlaer 2,8—3 м, что требует увеличения габаритов печей Распуп1енные рулоны обычно устанавливают по одному, что снижает про изводительность печи на единицу площади цеха Это дает основа ние счи1ать, что применение распутенною рулона весьма перспективно для обработки ленты термохимическими способами, при котрых необходимо, чтобы газ омывал всю гюверхносгь ленты Печи с муфелировшшем пламени. Светлый отжиг металла так же осуществляют в колнаковых печах, в которых топливо сгораег внутри радиантных труб Печи с радиангными трубами применяют для светлого отжига мегалла в рулонах (рис 29 9). Эти печи отапливаю! газообраз ным топливом с теплотой сюрания не ниже 7500 кДж/м^ Тем пература Harpeisa металла 650—750 "С Масса садки зависит oi размеров печи и колеблется в пределах 20-80 т Удельная произ водительность нечеи составляв! 150-250 кг/(м^ • ч) при удельном расходе тепла 1050-1400 кДж/кг Для предотвращения окисления металла в печах применяют внутренний металлический муфель Этот муфель позволяет осу ществить циркуляцию защитной атмосферы Протяжные печи для термической и термохимической обра ботки тонкой стальной ленты и жести, иыше оыло отмечено, что ОТЖИ1 рулонов в колнаковых печах широко распространен Од нако этому методу присущи следуюише недостатки а) цикл отжи1-а длится очень долго - до нескольких дней, б) равномерн1з1и нагрев металла не обеспечивается, и) невозможно полностью механизи ровать и автоматизировать загрузку, транспортирование и уборку рулонов, г) требуются болыдие производственные площади Поэтому все шире применяют непоесывные линии с про!ЯЖными печами, которь1е используют для ооезуглероживающего от жига электротехнической стали, светлого отжига жести, светлой закалки нержавеющей 1юлосы, цинкования тонко! о листа и лу жения жести Все щире начина!от применять протяжные печи для отжига тонкою автомобильного листа 464 Протяжные печи могут быть разделены на две большие фуппы гопизонтальпые U вертикальные (башенные). Длина ленты в горизонтальных печах допускается не более 200 м, а скорость движения до I м/с, к.к как при больших значениях трудно обес печить центрирование при движении ленты через печь Произво дительность горизонтальных печей невелика и их обычно поиме- Рис. 29.9. Одностопная печь с вертикальными радиантными трубами 465 няют при небольшом объеме производства В вертикальных пе чах условия центрирования благоприятнее, поэтому длина ленты в гаких печах может достигать I км, а скорость движения дости гает 10 м/с. Такие печи распространены шире, так как при весь ма высокой производительности они занимают меньшую произ водственную площадь, Подобные печи обычно состоят из трех секций: входной, печной и выходной (рис 29 10). Входная и выходная секции отделены от печной секции пет левыми башнями, в которых накапливается запас полосы. Во входной и выходной секциях скорости синхронизируются со ско ростями движения полосы в рабочей (печной) секции Для этого устраивают специальные петлевые ямы, в которых положение свободно висящей ленты контролируется фотоэлементами Ско рость движения полосы во всех агрегатах задают в зависимости от скорости нагрева и охлаждения полосы На входном ^участке происходит сварка рулонов между собой, а также обезжиривание и очистка полосы при помощи специаль- 10 и 13 И 1212 3 4 5 6 711 13 и Рис. 29.10 Схема линии с протяжными печами а — линия дпя отжига жести с вертикальной печью, б — то же, с многоэтажной горизонтальной печью, / — разматыватель рулонов, 2 — тянушие ролики, 3 ножницы, 4 - машины для сварки концов, 5 — устройство шш очистки ленты, 6 — моющее устройство, 7 - устройство для сушки ленты, 8, 10 - петлевые баш ни, 9 - петлевая яма, 11 — устройства для натяжения ленты, 12 — регулятор на тяжения ленты, 13 - ножницы, 14 — сматыватели 466 ных шелочных ванн; на выходном участке — разрезка полосы гюсле намотки оулона требуемого размера. печная секция состоит из четырех камео" нагрева, выдержки, замедленного и быстрого охлаждения. В камере нагрева металл нагревается до конечной температуры 700—730 °С. Эту камеру в топливных печах обычно отапливают коксовым или природным газом сжигаемым в рааиантных трубах Светлый отжиг полосы проводят чаще всего в азотной защитной атмосфере (96 % N2 и 4 % Н2) Чтобы дымовые газы не попадали в печь, радиантные трубы работают под разрежением Разность между температурой в печи и конечной температурой металла около 200 "С; при этом продолжительность нагрева полосы толщиной и,2Ь мм составляет 15-20 с. Предельная температура печи 1000 °С, выше которой возможен перегрев и разрыв полосы. к.амера нагрева с радиантными трубами приведена на рис 2У.11. Камеры выдержки конст руктивно весьма схожи с камерой нафева с той лишь разницей, что в камеру выдержки поддается такое количество тепла, которо1о было бы достаточно для покрытия тепловых потерь. Кроме радиантных труб, камеры нафева и выдержки иногда оборудованы элсктронафевателями. В камере замедленного охлаждения температура металла пада ет с 700-780 до 480 °С в течение 25 с. камера ооорудована воздухоохлажлаемыми тоубами и электоонагоевателями. Скооость ох лаждения регулируют изменением расхода воздуха Электронафеватели включают при разофеве и остановках печи В камеое быстпого охлаждения металл охлаждается до задан ной температуры применяют две системы высокоскоростного ох лаждения первой ПреДУСМ01и^пп ywianuniva D i4arai..l^w иилишОГО числа водяных теплооч/ 1НЫМИ вентиляторами для ППеГПР.ЧРНМЯ ИНТКНГМВНПГП ППИЖРНИЯ ПХПЯЖПРННПГП ЧЯ111И1НП- го газа. По второй системе охлажденный в водяных холодильни ках защитный газ подается вентиляторами в вертикальные про ходы и через щелевые отверстия с большой скоростью обдувает с двух сторон движущуюся полосу. laKoe струйное охлаждение рез ко уменьшает длительность операции и позволяет сократить дли ну камеры, Непрерывные афегаты для светлого отжига жести с вертикаль ными башенными печами распространены достаточно широко. Обычно обработке подвергают полосу толщиной 0,2-0,3 мм, дви жущуюся со скоростью 150-600 м/мии. Производительность аг467 регатов колеблется в пределах 25-60 т/ч В камере нагрева обыч но предусмотрено 6—12 проходов, она вмещает 100—200 м поло сы, камера выдержки вмещает 120-170 м полосы камеры мед ленного охлаждения — около 100-130 м общая длина полосы составляет 600-1200 м При отоплении камеры нагрева коксовым газом на I т от>си гаемой полосы расходуется около 40 м-' газа и 9 кВт ч электро энер1ии Расход защитной азотной атмосферы при производитель ности агрегата 55 т/ч составляет 700-900 м^/ч В печах поддер живают давление 50—150 Па При использовании башенной печи с защитной атмосферой для светлой закалки полосы из нер}саве ющей стали толщиной от О 08 до О 3 мм полосу нафевают до 1100-1150°С температуру в печи поддерживают на 200—250°С выше коне той температуры металла Такие печи работают со скоростью движения полосы 20-30 м/мин и обеспечивают про изводительиость до 10 т/1 В качестве защитной атмосферы при меняют диссоциированный аммиак или чистый водород которые должны быть абсолютно обезвоженными Основное звено непрерывных линии для горя юго цинкования стальной полосы - ванна с расплавленным цинком через которую непрерьш(»о движется полоса металла Наибольшее распространение получил такой метод обработки, при котором в одной линии совмеп1ены отжиг полосы и нанесение цинкового покрытия. Вся непрерывная линия состоит из входной, технологической и выходной секций Во вхопной и выходной секциях находится следующее оборудование: сварочные_ машины, но>:сницы, тянущие ролики, петлевые устпоистна и др В технологической секции осуществляются три стадии обра ботки: 1) нагрев полосы в окислительной атмосфере до 465 °С для сжигания прокатной смазки и образования тонкой равномерной пленки оксидов на поверхности полосы; 2) отжиг при 830 °С или нормализация при 950 °С в восстано вительной атмосфере (75 % Н2 и 25% N2, с температурой точки росы — 65 °С). На этой стадии наряду с отжигом восстанавлива ются оксиды и образуется тонкий слои металлически чистого железа, что обеспечивает прочное сцепление цинкового покры тия с полосой; 3) охлаждение до 480-520 "С с обязательным применением за щитной атмосферы для сохранения светлой поверхности. После 469 охлаждения до этой температуры полоса поступает в ванну цин кования, не соприкасаясь с воздухом. Рабочую температуру ван ны цинкования автоматически поддерживают на уровне 450 °С На выходе из расплавленного цинка полоса проходит пассива цию в ванне с хромовым ангидридом, промасливается и поступа ет на моталки В соответствии с тремя стадиями термохимической обработки протяжная горизонтальная печь состоит из трех камер окисли тельной восстановительной и камеры охлаждения Печь обычно отапливают газообразным топливом. В окислительной камере происходит нафев в атмосфере продуктов сгорания В восстано вительной камере газ сгорает в радиантных трубах^ располагае мых поперек печи (сверху и снизу движущейся полосы) В каме ре охлаждения устанавливают охладительные трубы, через кото рые пропускают холодный воздух Восстановительную камеру и камеру охлаждения заполняют водородной защитной атмосферой, поэтому печь должна быть герметизирована На непрерывных линиях горячего цинкования обрабатывают полосу голщиной 0,3-3,5 мм и шириной 500-1500 мм Расход цинка составляет 0,2-0,35 кг/м^ поверхности полосы, толщина покрытия 0,025-0,038 мм Скорость движения полосы достигает 120 м/мин, производительность линии 10-15 т/ч Как уже отмечалось, непрерывные агрегаты применяют и для электролитического лужения жести Толщина жести, применяе мой в пищевой промышленности, 0,15-0,18 мм Такая тонкая жесть требует в процессе обработки осторожного обращения Поэтому поддерживаюшие и направляющие ролики во избежа ние чрезмерных напряжений и разрывов ленты выполняют в большинстве случаев приводными причем конструкция роликов и других элементов должна быть такой, чтобы исключить повреж дения поверхности ленты Все это удорожает и усложняет произ водство. Проводят работы по использованию для транспортиро вания ленты газовой подушки, которая образуется при пропуска нии определенного количества газа между лентой и поддерживающей поверхностью Раздел VIII ТОПЛИВНЫЕ ПЕЧИ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ Глава 30 ШАХТНЫЕ ПЕЧИ 1. Особенности тепловой работы Тепловая работа шахтных печей цветной металлургии отлича ется рядом особенностей, обус/ювленных видом протекающих в них технологических процессов Шахтные печи широко приме няют на заводах цветной металлургии для пл-гвки кусковой руды брикетов, агломерата и различных промежуточных продуктов ме таллургического производства, имеющих кускообразчую форму. Помимо этого шахтные печи используют для переплавки вторич ных металлов и катодной меди Конечным продуктом шахтной плавки в зависимости от вида технологического процесса могут быть штейн или черновой металл и шлак При шывке кусковых материалов в печь сверху загружается шихта вместе с твердым топ ливом, роль которого обычно выполняет высококачественный кокс В зависимости от вида перерабатываемого материала топлив ные шахтные печи могут иметь два принципиально различных режима работы, основанных на газогенераторном и топо IHOM процессах Печи, работающие на базе газогенераторного процес са, применяют для плавки окисленных руд и ана;югичных им по составу шихтовых материалов В них на участке сжигания топли ва, наряду с генерацией тепла, протекают процессы образования газообразной восстановительной среды, содержащей большое ко личество оксида углерода (СО). Оксид углерода, образующийся в результате газогенераторного процесса, используется при плавке как реагент для так называемого непрямого восстановления ок сидов металлов, содержаишхся в шихте Прямым восстановителем является кокс. Однако энергоз 1траты на восстановление оксидов при использовании в качестве ре471 агента кокса, отнесенные к килограмму углерода, и 2,45 paja выше, чем в случае применения оксида углерода Шахтные печи с режимом работы на базе топочиою процесса применяют для переработки сульфидных материгиюв и переплав ки вторичных металлов и катодной меди В печах для плавки сульфидов кислород дуты1 используегся при горении топлива и как реагент для окисления част сульфидов железа и элемеиырнои серы, выделившейся при термическом разложении минера лов В печи таким образом поддерживается окислите;п>ная атмос фера В шахтных печах, применяемых для переплавкп BiopH4iniix метшиюв и катодной меди, газовая фаза не являеюя реагенюм технологического процесса Для тою чтобы предотвратить yiap металла, в рабочем пространстве печи обычно подгхерживается восстановительная атмосфера Однако образование больпшх ко личеств оксида у1лерода и процессе юрения топлива являеая не желательным явлением, гак как оно сопровождается значитель ным потреблением тепла Шахтные не 1и цветной металлургии являются агрегаылш не прерывного действия с режимом работы, характеризующимся неизменностью во времени основных параметров теплового и темпер 1туриого режимов ^плавки КонкретШ)1е значения парамет ров находятся в непосредственной зависимости от вида про [ека ющего в печи технологическою процесса и состава перерабаты ваемого сырья В качестве примера рассмотрим процессы, осу ществляемые в наиболее распространенных шахшых печах, применяемых ил никеле! ых и свинцовых заводах Тепловая работа шахтных печей для плавки никельсодержап;его сырья отличается крайней сзюжностью и ее ко;тчественная оценка ^базируется ил ансшизе теплового б^шанса процесса При мерно 95-97% тепла, используемою в зоне технологическою процесса, поступает в нее при юрении твердою топлива и 3-5% в процессе шлакообразования Эта энергия распределяеюя среди продуктов плавки следующим образом примерно 40-45% расхочуется на нагрев и расплавление шихты, 12-14% — на осущеспшение эндотермических реакции и 21—22% отводится с газообразпылш продуктами сгорания юплива и техническ11ми газами floiepn тепла на нагрев воды в кессонах соскшляют 22-24% Температурный режим плавки пока еще не поддается расчету п выбирается опытным nyieM При определении ею параметров не обходимо учшывать, что протекающие в печи процессы нафева и 472 расплавления шихты сопровождаются многочисленными экзо- и эндотермическими реакциями. К экзотермическим относятся, в основном, окисление углерода и процесс шлакообразования. Эн дотермические реакции протекают в широком диапазоне темпера тур и могут быть условно разделены на три группы, к которым относятся образование газообразного реагента-восстановителя, со стоящего из оксида у1лерода: диссоциация содержащихся в шихте основных флюсов и сульфидирующих компонентов; восстановле ние оксидов и сульфидирование переходящих в штейн металлов. Газообразные продукты сгорания топлива, фильтруясь через слои шихтовых материалов, поднимаются вверх по шахте и посте пенно охлаждаю гея за счет того, что в процессе теплообмена пе редают тепло шихте и активно участвуют в эндотермических реак циях Восстановление диоксида углерода начинается сразу же пос ле выхода газов из зоны горения и продолжается до тех пор, пока они не охладятся до 700 °С Образующийся в этих условиях оксид углерода взаимодействует с оксидами содержащихся в шихте ме таллов Наиболее интенсивно протекает восстановление оксида никеля, начинающееся при 250-300 °С. Для восстановления магнетша до оксида железа, имеющего большое значение в процессах формирования шлака, необходимы температуры свыше 900 °С и ко1щентрация оксида углерода в газовой фазе не менее 23%. Тепло, полученное материалом слоя в процессе теплообмена, расходуется на нагрев и плавление шихты, а также на диссоциа цию и сульфидирование Диссоциация известняка и сульфидиру ющих реагентов типа пирита происходит при температурах свы ше 600-650 "С. Реакции сульфидирования металлов идут в широ ком интервале температур от 800 до 1300 °С. В нижней части шахты, где накапливаются жидкие продукты плавки, температурный режим определяется условиями наиболее полною разделения шлака и штейна Температура шлака, как правило, поддерживается на уровне 1400 °С, температура штейна во 'многом зависит от ею состава С уменьшением содержания серы в штейне его температура должна увеличиваться, чтобы из бежать настылеобразования, связанного с выпадением кристаллов ферроникеля. Например, при концентрации серы в штейне око ло 15% выделение кристаллов ферроникеля начинается при 1250 °С, а для штейна, содержащего 21% серы, - при 1100 °С. В шахтных печах свинцовых заводов плавят сырьевые матери алы (агломерат), содержащие свинец в форме легковосстанови473 мых оксидных соединений В результате их переработки получа ют черновой металл, в который переходят также медь, олово, висмут, золото, серебро и некоторые друше компоненты шихты Трудновосстаиовимые оксиды, например железа и цинка, соеди няясь с диоксидом кремния, переходят в шлак Помимо оксидов металлов в шихте содержится небольшое количество сульфидных соединений, которые при плавке могут образовывать самостоя тельную фазу — штейн и шпейзу. Восстановление оксида свинца начинается практически сразу после того, как шихта попадает в печь при температуре 160180 "С Интенсивность этого процесса нарастает по мере npoipeвания ШИХ1Ы, достигая максимального значения при температу рах порядка 750-1000 °С Плавление шихты начинается задолю до завершения процессов восстановления Эвтектики сплавов свинца и меди плавятся при 550 °С, смесь оксидов свинца и сурь мы - при 550 °С, ферриты свинца - при 752 °С и т д Легкоплавкая жидкая фаза образуется уже в верхних частях шахты и движется вниз гораздо быстрее, чем слои твердого мате риала На своем пути она вступает в многочисленные реакции с твердой шихтой и коксом В результате в центральной части печи слой в основном состоит из кокса и остатков нерасплавившейся шихты Между ними идет интенсивное юаимодействие, протека ющее с потреблением большого количества тепла, и поэтому тем пература на этом участке зоны технологического процесса неве лика и составляет примерно 1300-1350 °С То, что значительная часть оксидов восстанавливается непосредственно углеродом, вле чет за собой некоторый перерасход кокса В нижних частях шах1Ы, где в зону технологического процесса подается газообразный окислитель (воздух, или дутье, обогаш,енное кислородом), до 75% площади поперечного сечения печи занято коксом, свободным от шихты (коксовая постель) Температура здесь достигает 14001450 °С Жидкие продукты плавки на выходе из печи имеют су щественно более низкую температуру шлак порядка 1200 "С, штейн 1000-1050 °С 2. Констру1шия п основные показатели работы Шахтные печи, применяемые для переработки одного и тем более разных видов сырья, могут существенно отличаться друг от друга профилем и размерами шахты, чис;юм дутьевых устройств 474 (фурм) и рядом других параметров Однако для всех печей харак терен единый принцип работы, что позволяет осуществлять ком поновку афегата из практически одинаковых конструктивных элементов, к которым относятся юрн шахта колошник и шатер. В ряде случаев к печи может примыкать внешний обофеваемый отстойник (передний горн) используемый для разделения жид ких продуктов плавки. Конструкцию конкретного афегата удобнее всего рассмотреть на примере широко распространенной в промышленности шахт ной печи свинцовой плавки прямоугольной формы (рис. 30.1). Гори печи, повторяющий форму и размеры шахты на уровне фурм, сооружают из огнеупорного кирпича и устанавливают на массивном бетонном фундаменте. Изнутри горн футеруют хромомагнезитовым кирпичом, стойким по отношению к' афессивному воздействию расплавленной среды для внешней кладки стен ис пользуют шамот. Снаружи горн заключен в сварной кожух из листовой стали. Сверху на стенки юрна укладывают и привари вают к кожуху массивные металлические плиты служащие осно ванием для установки и крепления кессонов В условиях непрерывно работающей печи горн всегда запол нен расплавом Внизу на лещади, выполненной в виде обратной арки, скапливается свинец, над которым располагаются штейн и шлак. Выпуск свинца организуется непрерывно через один или (для больших печей) два сифона, примыкающих к боковой стен ке печи. Они представляют собой небольшую футерованную ог неупорным кирпичом камеру-копильник, соединенную с внутрен ним пространством горна специальным каналом. Шлак из печи выпускается периодически по мере накопления через специаль ные шпуровые отверстия в медных водоохлаждаемых кессонах, установленных в торцевой стенке горна Для больших печей при получении легкоплавких, жидкотекучих шлаков может быть орга низован непрерывный сифонный выпуск Шахта печи состоит из кессонов, представляющих собой плоские металлические коробки шириной 0,6-0,9 м и высотой 1,5-6,0 м, охлаждаемые проточной водой. В последнее время кес соны в основном оборудуют системой испарительного охлажде ния. Обычно устанавливают два ряда кессонов. Нижние или фур менные кессоны крепят друг к другу болтами и устанавливают на основании с небольшим наклоном (3-5°) к вертикальной плоскости, образуя так называемые заплечики, воспринимающие 475 Рис. 30.1. Шахтная печь свинцовой плавки / - горн, 2 - сифон для выпуска чернового свинца, 3 — фурменное устройство, 4 - коллекторы системы водяного охлауодения, 5 - шахта, 6 - колошник, 7 - шиберы загрузочные, 8 - привод подъема шиберов, 9 — шатер, 10 — каркас, / / - коллектор для подвода дутъя, 12 — фурменный кессон, 13 - сифон для выпуска шлака активное давление слоя, находящеюся в печи материала. Кессо ны торцевых стен устанавливают вертикально. Верхнюю часть второго ряда кессонов крепят с помощью домкратов, опирающих ся на специальную балку, опоясывающую печь по периметру и жестко соединенную со стоечным каркасом Для уплотнения за зоров между кессонами используют шнуровой асбест. На высоте 300 мм от нижней кромки кессонов первого ряда расположены отверстия, в которые вставляют мегаллические водоохлаждаемые фурмы, заглубляемые в рабочее пространство печи на 200-300 мм. Фурмы имеют в диаметре 100-125 мм и устанав ливаются в один, реже в два ряда. Ширину печи на уровне фурм выбирают таким образом, чтобы воздух, подаваемый в печь под давлением порядка 20 кПа, достигал центра слоя Обычно она составляет от 1,3 до 1,9 м Высота печи зависит от ее производи тельности и колеблется в пределах от 2,5 до 26 м. Колошником называется верхняя часть печи, расположенная над шахтой. Он сооружается из металлических плит, при необхо димости футеруемых огнеупорным кирпичом. Колошник служит для размещения устройств зафузки перерабатываемых материалов, которые могут быть расположены в центре или вдоль боковых стен печи Предпочтение отдается, как правило, боковой загруз ке, так как в этом случае крупные куски материала располагают ся в центре слоя, чго способствует увеличению его газопроница емости и улучшению аэродинамических характеристик печи. При боковой загрузке с одной или двух продольных стен колошника расположены несколько (3-4) загрузочных окон, оборудованных двухшиберными устройствами. Сначала открывают наружный П1ибер и в приемную камеру загружают порцию (колошу) агло мерата или кокса Затем закрывают наружный и открывают внут ренний водоохлаждаемыи шибер и материал по наклонной плос кости сползает в шахту. Шатер накрывает колошник, выполняя функции газоотводящсй и сепарационнои камеры. В куполе шатра имеются два-три отверстия, соединенные с металлическим газоходом. Внутреннюю поверх}1ость заключенного в металлический кожух шатра футеру ют 01 иеупорным кирпичом На шахтных печах, применяемых для переработки шихт с большим содержанием цинка, применяют в основном шатры, изготовленные из металлических кессонов, ох лаждаемых водой. Такая конструкция позволяет значительно об личить очистку стен от пыли и настылей. 477 Сложность тепло- и массообмениых процессов, протекающих в шахтных печах, и отсутствие надежных данных о теплофизических характеристиках перерабатываемых в них материалов в значительной степени офаничивагот возможность применения расчетных методов при оценке тепловой работы этих агрегатов В настоящее время эффективность работы шахтных печен оце нивается в основном на базе статистической обработки производ ственных данных Важнейшими показателями работы печи являются ее удельная производительность, которую рассчитывают по количеству про плавляемой в течение суток шихты, отнесенному к 1 м^ площади сечения печи в области фурм, и удельный расход топлива (кок са), определяемый в процентах от массы перерабатываемой ших ты. Широкие пределы изменения этих показателей в условиях одного технологического процесса обусловлены, как правило, различиями в химическом и фракционном сосгаве сырья, каче ством применяемого топлива и характером дутья Например, при свинцовой плавке высота слоя в зависимости от фракционною состава материала может изменяться от 2,5 до 6,0 м. Удельная производительность и расход топлива в зависимости от его хи мического состава колеблются соответственно в пределах от 35 до 100 т/м2 в сутки и от 8 до 13%. Отходящие газы шахтной печи свинцовой плавки имеют температуру порядка 250—400 °С Они содержат большое количество пыли, являющейся ценным полиметаллическим сырьем, направляемым после очистки газов в металлургическое производство Глава 31 ПЛАВИЛЬНЫЕ ПЛАМЕННЫЕ ПЕЧИ X 1. Общие сведения Плавильные пламенные печи широко применяют в цветной металлургии при производстве меди, никеля, олова и других меТ1ШЛОВ По энергетическому признаку эти агрегаты относятся к классу лечеи теплообменников с радиационным режимом тепло вой работы, благодаря чему они называются отражательными печами По назначению их делят на две большие группы печи 478 для переработки минерального сырья, основными представителя ми которых являются отражательные печи для плавки сульфид ных медных концентратов на штейн, и печи, предназначенные для рафинировочной плавки металлов Отражательная печь для плавки на штейн является универсаль ным агрегатом с продолжительностью кампании от 1—2 до 6 лет. В ней можно плавить разнообразные по составу и физическим характеристикам материалы основу которых составляет сырая (подсушенная) шихта Большая емкость печи в которой одновре менно находится около 900—1000 т расплавленною материала позволяет поддерживать стабильные теплотехнические параметры плавки при значительных колебаниях в производительности пред шествующего (подготовка шихты) и последующего (конвертиро вание штейнов) за отражательной плавкой переделов К основ ным недостаткам отражательных печей следует отнести отсутствие очистки дымовых газов от пыли и сернистого ангидрида и срав нительно высокий удельный расход топлива До настоящего времени отражательные печи остаются весьма распространенными агрегатами на медеплавильных заводах Од нако с повышением требований к комплексному использованию сырья и охране окрух<ающеи среды перспективы их дальнейшего использования существенно снизились Кроме того в отражатель ных печах практически не используют тепло, получаемое при окислении серы, выделяющееся при разложении сульфидных ми нералов. Поэтому в последнее время осуществляется постепенная замена отрахсательных печей более совершенными агрегатами для автогенной плавки медных концентратов на штейн Отражательные печи, в которых производится очистка метал лов от примесей, носят названия, отражающие сущность проте кающих в них технологических процессов Например," печи, при меняемые для получения специальных отливок — анодов, кото рые используют в последующем процессе электролитического рафинирования меди, называют анодными печами. Это малопро изводительные плавильные агрегаты периодического действия, в которых перерабатывается твердая и жидкая черновая медь, при чем жидкую черновую медь подают в печь ковшом непосред ственно из конвертера. Так называемые вайербарсовые печи от личаются от анодных только тем, что' в них перерабатываются катоды, полученные в процессе электролиза, а также отходы красной и электролитной меди 479 2. Отршгсательные печи для плавки медных концентратов на штейн Основные характеристики Конструкции печей для плавки на штейн различаются в зави симости от площади пода, состава и вида перерабатываемою сырья, способа отопления и применяемого топлива В мировой практике встречаются агрегаты с площадью пода 300-400 м^ однако наибольшее распространение получили печи, площадь пода которых порядка 200-240 м^ Основнье характерисгики офажательиых печей приведены в табл. 31.1 Отражательные печи работают в основном на гиовом, реже 1-азо-мазутном и крайне редко на пылеугольном юпливе. Для ин тенсификации процессов горения топлива на некоторых предпри ятиях используют дутье обогащенное кислородом Для большин ства печей применяют торцевую подачу топлива, на ряде агрега тов торцевую подачу комбинируют со сводовым отоплением При торцевом отоплении обычно использую! комбинированные газо мазутные юрелки, пр9изводи1ельность которых по природному газу составляет 1100-1600 м^ч, по мазуту - до 300 кг/ч Основ ное назначение мазута - повышение степени черноты газового Таблица 31.1. Техническая характеристика птрапатсльных пече пня плавк мед ных сульфидных концентратов на штейн Параметры Основные размеры печи, м длина по панне ширина по панне высота от лешали до свода Глубина ванны, м Конструкция подины Способ выпуска штейна Характеристика печей с площадью пода, м^ 182*' 190*2 225*2 240*^ 240*3 31 8 7,8 2,6 0,8 31,8 8,0 2,4 32 8 76 26 30,6 8,0 3,2 30 0 8,0 38 1,1 Маби иная Сифонный 1,0 1,0 09 Арочная Через шпур|ы *' Свод арочный из магнезитохромита *^ Свод арочный из динаса *^ Свод распорноподвесной из магнезитохромита. 480 (1^акела В тех случаях, когда нет необходимости в интенсифика ции внешнего теплообмена в рабочем пространстве отражатель ной печи, юрелки такого типа успешно работают на одном при родном газе В зависимости от производительности агрегата на печи устанашшвают от 4 до 6 горелок Такое же число горелок устанавливаю! ud печи и при пылеугольном отоплении. Пылеуюльные горелки типа «труба в трубе» работают с коэффициен том расхода воздуха порядка 1,1-1,2 и обеспечивают хорошее перемепшвание топливо-воздушной смеси При комбинированном отоплении отражательных печей на своде печи могут быть установлены плоскопламенные горелки тина ГР, работающие на природном газе с использованием хо лодного и нодогреюго до 400 °С воздуха Основными элементами отршательнои печи (рис 31 1) явля ются фу1щамент, под, стены и свод, которые в совокупности образуют рабочее пространство печи; устройства для подачи ших ты, выпуска продуктов плавки и сжигания топлива, система от вода дымовых и технологических газов, боров и дымовая труба Фундамент печи прсдставляе! собой массивну!о бетонную плиту 10ЛЩИН0И 2,5-4 м, верхняя lacri которой выполнена из жаропроч!10!о бетона В фунд1ме11те обычно имеются вентиляцион ные каналы и смотровые проходы Рабочее пространство яш!яется основной частью !!ечи, так как в нем протекает технологический процесс и развиваются высо кие температуры (1500—1650 °С) Подина (лешадь) выполняется в виде обратного свода, толщиной 1,0-1,5 м Для кислых шлаков в качестве огнеупорных материа;!ов при кладке пода и стен печи используют динас, для основных шлаков — хромом1гнезит Толщи1!а стен nd уров1!е ванны l,0-l',5 м над ванной — 0,5-0,6 м. Для теплоизоляшш стен обь !Н0 используют легковесный luaMOT Расстояние между боковыми стетми (ширина печи) в' зависимо сти 01 !чонструкции а! регата изменяется в пределах 7—11 м, меж ду торцевыми стенами (длина печи^ 28-40 м Свод 1!ечи я!5ляется наиболее ответственным элементом ее конструкции, так как от его стойкости З1висит продолжитель ность кампании печи Свод имеет толхцину 380-460 мм и выю!аД1>1вается из специалы!ого ма! незитохромитового и периклазошпинелидпого кир1шча. Как правило, используют распорно-под весные и подвесные своды У боковых стен свод опираеюя на сгсшьные пятовые балки Для 'компенсации распираю!цих усилий, 16-5041 481 32700- Рис. 31.1. Общий вид отражательной печи для плав — ванна, 2 — свод, 3 — каркас, 4 — загрузочное устройство, 5 — наклонны ' — шпур для выпуска штейна, 8 — фундамент, 9 — подина, 10 — стена создаваемых ванной расплава и сводом, стены печи заключены в каркас, состоящий из стоек, расположенных через 1,5—2 м вдоль стен, скрепленных продольными и поперечными тягами, которые позволяют компенсировать температурные расширения кладки Для загрузки шихты используют специальные отверстия, рас положенные в своде через каждые 1,0—1,2 м вдоль боковых стен печи, в которых установлены воронки с патрубками диаметром 200—250 мм. К загрузочным воронкам шихта подается ленточны ми или скребковыми транспортерами. В некоторых случаях заг рузку шихты производят с помощью шнековых питателей или забрасывателей через окна в боковых стенах печи. Загрузочные отверстия имеются по всей длине печи, но шихта подается, как правило, только в плавильную зону. Конвертерный шлак заливают в печь через окно в торцевой стенке, расположенное над горелками. Иногда для этого исполь зуют специальные отверстия в своде или окна в боковых стенах, расположенные вблизи от передней торцевой стенки печи. Для выпуска штейна применяют сифонные или специальные разбор ные металлические шпуровые устройства с керамическими или графитовыми втулками. Устройства для выпуска штейна располо жены в двух или трех местах вдоль боковой стенки печи. Шлак выпускают периодически по мере его накопления через специ альные окна, расположенные в конце печи в боковой или торце вой стенке на высоте 0,8-1,0 м от поверхности пода Отвод газов из рабочего пространства печи осуществляется че рез специальный газоход (аптейк), наклоненный к горизонталь ной плоскости под углом 7—15°. Наклоненный газоход переходит в боров, который служит для отвода продуктов сгорания топлива в котел-утилизатор и в дымовую трубу. Боров представляет собой горизонгально расположенный газоход прямоугольного сечения, внутренняя поверхность которого выложена из шамота, наруж ная - из красного кирпича Дгш утилизации тепла отходящих газов в сборном борове от ражательных печей устанавливают водотрубные котлы-утилизато ры, которые оборудованы специальными экранами, позволяющи ми эффективно бороться с заносом и ошлакованием рабочей поверхности котлов, содержащимися в газах пылью и каплями расплава. Для предотвращения сернокислотной коррозии метал лических элементов температура газов на выходе из котла долж на быть существенно выше 350 °С После котла-утилизатора уста16' 483 навливагот металлический петлевой рекуператор, позволяющий использовать тепло газов, выходящих из котла, для нагрева дуть евого воздуха Основными достоинствами отражательной плавки являю1ся от носительно небольшие требования к предварительной подгоговке шихты (влажность, повышенное содержание мелких фракции и т п.); высокая степень извлечения меди в штейн (96-98%), незна чительный унос пыли (1-1,5%); повышенная производигельность еди11ичного афегата, достигающая до 1200-1500 т в сутки по про плавляемой шихте, а также высокий коэффициенг использования топлива в печи, когорый составляет в среднем около 40-45% К недостаткам процесса следует отнести низкую степень десульфурации (получение сравнительно бедных по меди штейнов) и большой удельный расход топлива, который составляет пример но 150-200 кг у. т. на тонну шихты. Значительное количество дымовых газов на выходе из печи ограничивает возможность их очистки и использования в сернокислотном производстве из-за низкого содержания в них сернистого ангидрида (2,5 %) Тепловой и температурный резсимы работы Отражательная печь для плавки на штейн является агрегатом непрерывного действия с относительно постоянными во времени тепловым и температурным режимами работы, В ней осуществ ляется технологический процесс, состоящий из двух последова тельно протекающих операций" расплавления шихтовых материа лов и разделения полученного расплава под действием силы тя жести на штейн и шлак Для сохранения последовательности этих процессов они осуществляются в различных участках рабочего пространства печи На протяжении всей работы афегата в нем постоянно находятся твердая шихта и продукты плавки. Схема расположения материалов в печи представлена на рис 31 2 Шихтовые материалы располагаются вдоль стен с обеих сторон печи, образуя откосы, которые закрывают боковые стены почти до свода на 2/3 их длины Между откосами и в хвостовой час1И печи размешается слой расплава, который условно можно разделить на две части Верхний слой занимает шлак, нижний штейн По мере накопления их выпускают из печи При этом шлаковый расплав постепенно перемещается вдоль агрегата и непосредственно перед выпуском попадает в так называемую от стойную зону, свободную от откосов 484 Рис. 31.2. Схема расположе ния материсыси и рабочемпространстве отражательном печи для плавки на штекн ' I — длина плаиильной зоны, / — длина печи Тех1юлогическии про цесс в отражательной печи осуществляют за счет тепла, выделяемо го в пламени при юрении топлива Тепло вая энергия поступает на поверхность ванны и шихтовых откосов в основном в виде пото ка тепла излучением от факела, свода и других элементов клад ки (-90 %), а также конвекцией' от раска ленных продуктов сго рания топлива (-10%) Теплообмен излучением в плавильной зоне рабочего пространства печи рассчитывают по формулам: -(•4П-*-^о(1-в.)[(^|з)'-(4)']); < = ô{ Л', [(i^f - ( i ^ f ] + 5B(> -H,) [(i^f - -(iS))V^«('-^r)[(i^f-(-4)1b (31.1) 485 где q°, q%, q^ ~ соотиетственно плотность результирующих теп ловых потоков для тепловоспринимающих поверхностей откосов, ванны и свода (кладки), Вт/м^; Гр, Гк, Го, Гц - соответствен но^ средние температуры продуктов сгорания топлива и поверх ностей свода, откосов и ванны, К; Е^ — степень черноты 1аза, О, = 5,67 ВтДм^ • К'') - коэффициент излучения абсолютно чер ного тела; А^, В^, D^, /1ц, В^, D^, А^, В^, D^ - коэффициенты, с помощью которых учитывают оптические характеристики по верхностей откосов, ванны и свода и их взаимное расположение в рабочем пространстве печи. Для современных, отражательных печен значения этих коэффициентов равны Ад= 0,718, 5о = 0,697; Do = 0,012, А^ = 0,650; В^ = 0,593; D„ = 0,040, А^= 1,000, В^ = 0,144, D^ = 0,559 В отстойной зоне откосов нет и теплообмен излучением мо жет быгь рассчитан по формуле о" = С пр Ш-imf]- <^'^' i 1де Cj^ — приведенный коэффициент излучения в системе хазкладка—расплав Система уравнении (31 1)—(31 2) представляет собой описание так называемой «внешней» задачи В качестве независимых пере менных величин в уравнениях используются средние значения температур продуктов сгорания топлива и тепловоспринимающих поверхностей свода откосов и ванны Температура газов в печи может быть найдена при расчетах горения топлива Температуру кладки определяю! по опытным данным, для чего обычно зада ются ве;п1чинои тепловых потерь через свод (9пот)> считая, что 9и ~ ?пот Средние температуры поверхностей откосов и ванны находят при решении внутренней задачи, к которой относятся вопросы тепло- и массопереноса, протекающего внутри зоны тех нологическою процесса ^ Нагрев и расплавление шихты на откосах. В состав шихты в качестве основных компонентов входят сульфидные минералы меди и железа, а также оксиды, силикаты, карбонаты и другие породообразующие соединения. Под действием высоких темпера тур эти материалы Hai-реваются Нафев сопровождается испаре нием влат, содержащейся в шихте, разложением минералов и 486 другими физико-химическими превращениями, обусловленными принятой технологией. Когда температура на поверхности загру жаемой шихты достигает примерно 915-950 °С, начинают пла виться сульфидные соединения, образующие штейн. Наряду с плавлением сульфидов продолжается нагрев остальных материа лов и при температурах порядка 1000 °С в расплав начинают пе реходить оксиды, образующие шлак Интервал температур плав ления основных шлаков составляет 30-80 °С С увеличением сте пени кислотности шлака этот интервал растет и может достигать 250-300 °С Полного расплавления шлака на откосах, как прави ло, не происходит, так как штейн и легкоплавкие соединения шлака стекают с наклонной поверхности откосов, увлекая за со бой остальной материал В период плавления откосы покрыты тонкой пленкой расплава, температура которого постоянна во времени и зависит в основном от состава шихты Процессы, протекающие на откосах, можно условно разделить на два периода, включающие в себя нагрев поверхности загру женной шихты до температуры, при которой образующийся рас плав начинает стекать с откосов, и дальнейший нагрев шихты в сочетании с плавлением материала Длительность первого перио да определяется условиями внешней задачи, примерно одинакова для всех шихт и составляет около 1,0—1,5 мин Продолжитель ность второго периода определяется условиями внутренней зада чи Она обратно пропорциональна величине плотности теплового потока на поверхности откосов и прямо пропорциональна тол щине слоя загружаемой шихты. В условиях конкретной печи длителыюсть этого периода зависит от способа загрузки и может составлять от нескольких минут до 1—2 ч. После окончания пе риода плавления на откосы загружается новая порция шихты и процесс повторяется. Необходимо отметить, что с уменьшением интервала време ни между зафузками снижается средняя (во времени) темпера тура поверхности откосов Соответственно растут плотность ре зультирующего теплового потока на этой поверхности и ско рость плавления шихты Максимальный эффект достигается тогда, когда этот интервал сопоставим по величине с продол жительностью первого периода, т е практически при непрерыв ной зафузке. Поэтому при конструировании печи следует учи тывать, что системы непрерывной зафузки имеют несомненное преимущество. 487 Средняя по массе скорость плаш1ения матернсша (KI/C) МОЖС! бы1ь определена по формуле G"" -kq<^,FJQl, (313) 1де 2щ - теплопотребление пшхты на откосах, Дж/к1, к - коэф(11ициент, учитывающий конвективную составляющую суммарно10 1еплового потока па поверхности п1Ихтовых откосов, к= 1,1-г 1,15; Гд- поверхность откосов, м^; q°, — резз'лыирующии тепловой поток \\А единицу поверхности откоса (Дж/м^-с) Переработка материалов в шлаковой ванне В в.шну поступает расплавленный материсШ с откосов и, кроме того, обычно зали вайся конвертерный шлак, содержащий примерно 2 - 3 % меди и друшх ценных компонентов, которые при плавке переходят в штейн Посгупаюшие материалы профеваются в ванне до сред ней температуры содержащегося в ней расплава, что сопровожда й с я завершением процессов формирования шлака, а также эндон экзотермическими реакциями, характер которых обусловлен техмолотеи плавки Расходуемое на эти процессы тепло распре деляется следуюишм образом нагрев продуктов, посгупающих с откосов (Qj) 15-20%, завершение процессов плавления и обра зования вновь пос-1-упившего шлака {Q-^ 40-45%, прогрев конвер lepnoi о шлака (^з) ^ эндотермические реакции (воссгаповлемпе магнетита и т п ) (1Э4) 35-40% и потери leiuia теплопровод ностью через стены и под печи 1 % Кроме того, в ванне происходят экзотермические процессы, связанные с усвоением кре\п1езема расплавом шлака {Q^) Суммарный эффект от проте кания процессов, идущих с потреблением и выделением тепла, отнесенный к единице массы перерабатываемой шихты ( j QA, носит название теплопотребления шихты в ванне и обо- значается g,„. Процессы тепло- и массопереноса в ванне отличаются край ней сложностью вследствие сочетания конвекции и теплопроводп о с т Задачу можно существенно упростить, если учесть, чго 1емпература капель штейна, распределенных по объему шлака, равна температуре окружающею их расплава В этом случае мож но предположи1Ь, что штейн фильтруется через оиюсителыю неподвижный шлак, в ко горем тепло передается теплопроводно488 стыо, и что капли штейна практически принимают температуру шлака в любой точке ванны. С целью создания возможностей для математического описания крайне сложных тепло- и массообменных процессов, протекающих в шлаковой ванне, были приняты следующие необходимые допущения. 1. Завершение тепловой обработки материала, поступающего с откосов в ванну расплава отражательной печи, происходит в ус ловиях, когда температурный режим ванны не изменяется во времени Скорость осаждения капель штейна считается постоян ной, равной среднемассовому удельному расходу штейна nGy, где G° — скорость гюступления' материала в ванну, равная количе ству шихты проплавляемой в единицу времени на откосах и от несенная к единице поверхности ванны F^, KI/(M2.C); п — доля штейна в 1 кг шихты. Удельная теплоемкость штейна принима ется равной Сщ^. 2 Градиенты температур по длине и ширине ванны (~1,0— 1,5°С/м) незначительны по сравнению с фадиентами температур по ее глубине (-300—400 °С/м) и их значениями можно пренеб речь, считая поле температур в Baime одномерным 3 Процессы тепло- и массопереноса в ванне сопровождаются эндо- и экзотермическими реакциями, которые могут рассматри ваться как стоки и источники тепла, распределенные по глубине ванны Суммарный эффект от их воздеис1Вия равен теплопотреблению шихты в ванне G^-Z \ Qii^) dx, 1де Q,(.x) —интенсивность /=1 о ' " • процессов, идущих с потреблением тепла, отнесенная к единице массы проплавляемой шихты, Дж/кг Для аппроксимации закона распределения этой величины по глубине ванны можно восполь зоваться полиномом второй степени Q,(x) = а, + Ь,х + с,д:2, где X — координата точек на оси, нормальной к поверхности ванны. 4. Содержание штейна в шлаковой ванне невелико и поэтому предполагается, что занимаемый им объем пренебрежимо мал по сравнению с объемом ванны. Глубина ванны принимается рав1ЮИ 5, средняя температура шлака, а также температуры на верх ней (х = 0) и нижней (х = 5) границах шлаковой ванны опре деляются параметрами технологического процесса и соответствен но равны Гер ц,, То, Tg. 489 при составлении дифференциального уравнения переноса теп ла в ванне отражательной печи (с учетом принятых допущении) ее можно рассматривать в виде плоской пластины (шлака) с ко эффициентом теплонронодности, равным коэффициенту тепло проводности ишака Х,„ Плотность тепловою потока внутри ван ны в сечениях х и х + dx определится следуюии1ми уравнениями " Чх + dx ~ \ T.fir В условиях, ко1да температура по глубине ванны не меняется во времени, изменение теплового потока ил участке dx происхо дит вследствие охлаждения штейна и протекания эндо- и экзо термических процессов, интенсивносгь которых будет равна Q„{x) = G« т . е . dq^ = q^- lQ,{x)dx, q^ + ^= G^^nc^^dT+ Q^{x) или ^ + P^ +Q{x) = 0, dx^ "'^ (31.4) где P = - y - С«ис,„, и Q{x) = - у " G« Y.QM) При описании условии на границах шлаковой ванны были использованы уравнения теплового баланса шлаковой и штейновых ванн, которые имеют вид* dT -X ш d\ , ^1) ^ , \ и dl о - (7уЛс,„^Г5 = Gy 1/ J б,(л) dx; I- \ о - \ dr_ _„ + Gl"<^miTs- 9пот- СуЯСшт^ср ш = О . \=0 1де 9пот ~ плотность теплового потока на подине печи (потери тепла теплопроводноегыо через под печи), Вт/м^, Г^р щ,. - сред няя температура штейна, °С 490 Общее решение уравнения (31 4) имеет вид Т(х) = Го - Cij(e-P^-l) + Cjx + Сзл2 + С^х^. (31.5) При анализе внутренней задачи удобнее использовать частные решения уравнения (31.4), позволяющие вычислить среднюю тем пературу шлака Грр щ и температуру на границе раздела шлака и штейна Tg, влияние которых на параметры технологического процесса достаточно хорошо изучены Средняя температура шлака, вычисленная при интегрировании уравнения (31.5), определится по формуле 5 о + •§-+Т<^25+3-Сз52 + | с 4 5 ^ (31.6) После нахождения постоянных интегрирования С], Cj, С3, С4 из фаничных условий и почленного суммирования выражений (31.5) и (31.6) была получена формула для расчета температуры на границе раздела шлака и штейна* Z ^, I 2/ (x)dx-nc^^^(Tcp ш - ^cp шт) /=1 О (31.7) '^11 где к, - коэффициент, величина которого зависит от характера распределения стоков и источников тепла в ванне. В зависимос ти от вида функции Q,{x) величина к, изменяется в пределах от нуля до единицы В процессе эксплуатации печи параметры температурного ре жима ванны оказывают существенное влияние на основные техноло1ические показатели плавки. Например, величина средней температуры шлаковой ванны имеет непосредственное влияние на скорость разделения продуктов плавки. Чем она выше, тем мень ше вязкость расплавленного шлака и выше скорость осаждения штейна Однако величина средней температуры шлака офаниче491 на значениями температур на верхней и нижней фанипах И1лаковой панны Повышение темпера1уры ил ipatnnie раз;1ела шлака и штейна способствует интенсификации процессов диф(1)\зни Ш1ейна (и вместе с ним меди и друшх це1ИПэ1х компонентов) в шлак и увеличению растворимосш ипеина в шлаковом расплаве Снижение этой температуры до значении, при коюрых нач1Н1ае1 выделяться твердая фаза, ведет к образованию настылей ii.i по дине печи Поверхнос1ь Baninî находится в неиосредсп^ешюм контакте с печными газами, i е с окислите]И-.нои aiMOC(j)epon В этих условиях увеличение температуры шлака влечет м собой рост химических потерь Meriuuia Таким образом, параметры темпера1урно10 режима ванны за висят от состава перерабатываемой ншхты, индивиду.шьны ют каждой нечи и определяются опытным путем в ходе 1ехнолоп1ческих экспериментов Любое отклонение от заланных парамет ров приводи! к повышению содержания метсШла в шлаке, что изза большого выхода шлака ведет к существенным И01ерям мет.и!ла Вместе с тем повышение потерь метсШла со шлаками при прочих равных условиях свиде1ельсгв>ет о нарушении температу'рного и теплового режимов работы отражательной нечи Взаимосвязь между температурным и тепловым режимами ван ны может быть получена из уравнения (31 7), для чею л о урав нение необходимо представить в виде \-1 I ( " I о -d" ( 7 ; - Гд) + С^ Сщ^п (Гз - Гер шт) - qôT (318) или (7" = ^ I (318') Е к I 0 , ( л ) Л -Сшт( ^ч, III - ^ср шт)" I о Физический смысл полученных уравнении заиночается в сле дующем Первое cjiaiacMoe в левой части уравнения (318) - л о плотность тепловою потока, и;п1 удельная тепловая мои1Ность, 492 которая требуется для полной тепловой обработки материалов, поступающих на единицу поверхности ванны Второе и третье слагаемые представляют собой плотность суммарного теплового потока теплопроводности и конвекции, который усваивается эти ми материсшами внутри ванны. Необходимо отметить, что интен сивность переноса тепла конвекцией в ванне шлака определяется количеством и степенью перегрева получаемого штейна относи тельно средней температуры штсииовой ванны и в условиях от ражательной плавки при неизменных параметрах технологическо го процесса является постоянной величиной. Количество тепла, подводимого к продуктам плавки за счет теплопроводности, в основном определяется характером распре деления стоков и источников тепла по глубине ванны Чем бли же они расположены к поверхности ванны, тем больше тепла подводится к ним за счет теплопроводности и соответственно тем меньше величина коэффициента к, Расчетным путем значения коэффициента к^ могут быть получены только для наиболее про стых функций распределения Q/W Например, при линейном и параболическом законах распределения ОДл;), когда максимум потребления тепла находится на поверхности ванны, а на ее нижней границе потребление тепла равно нулю, величина к, бу дет соответственно равна 0,33 и 0,25 Если максиму.м и минимум теплопотребления поменять местами, то значения коэффициента А;, будут соответственно равны 0,67 и 0,75 Правая часть уравнения (31 8) представляет собой плотность суммарного теплового потока теплопроводности и конвекции, который усваивается поступившим в ванну матери^шом на фанице раздела шлака и штейна Уравнение (31 8') определяе! оптимальную с позиции техноло гии скорость поступления материалов в ванну, т. е. скорость, при которой температурное поле ванны соответствует заданному тех нологическому режиму плавки. Ее величина будет равна частно му от деления удельной тепловой мощности, подводимой к ниж ней фанице шлаковой ванны, на то количество тепла, которое необходилю для завершения процесса тепловой обработки посту пающих в ванну материалов в расчете на единицу массы про плавляемой шихты Теоретически могут существовать такие шихтовые материалы, тепловая обработка которых полностью завершается внутри ван ны шлакового расплава В этом случае скорость поступления 493 материала в ванну определяется условиями внешней задачи, так как любое количество тепла, подводимое к ее иоверхности, усва ивался продуктами планки На фаимце раздела шлака и ипеина отсутствуют процессы, протекающие с потреблением тепла, и формула (31.8) теряет спои смысл, так как ее числитель и зна менатель тождественно равны нулю В реальной практике медеп лавильных заводов сырье такото типа обычно не встречается Подтверждением этого может служить известное правило, со1ласно которому рост удельной производительности печи всегда со провождается увеличе1П1ем потерь мет^шла с отв.шьными шлака ми Объясняется это следующими причинами Удельная произво дительность отражательной печи, рассчитываемая по ко;п1честву проплавляемой шихты, фактически определяется скоростью про цессов плавления MaTepn.uia на откосах, которая прямо пропорuuoHtUibHa плотности тешювою потока на их поверхности и мо жет достшать 15—20 I/M^ U сутки в расчете ил единицу площади пода печи Скорость последующей тепловой обработки шихты в ванне, от величины которой зависит содержание мет<иша в шла ке, лимитируется условиями внутренней задачи, г е интенсив ностью процессов 1епло- и массопереноса в шлаковом расплаве, и составляет, как показывает практика, примерно 2—5 т/м^ в сутки при плавке сырой (подсушенной) ишхты За счет интенсификаиии внепшего теплообмена при o6orauieнии дутья кислородом, установки дополнительных сводовых го релок, и т П( может быть увеличена величина результирующего теплового потока на поверхность зоны технологическою процес са На откосах соответственно возрастает скорость плавления ИН1ХТЫ и вместе с ней удельная производительность печи Скоpocib тепловой обработки продуктов плавки в ванне не зависит от условии внешней задачи и поэтому увеличение плотности ре зультирующею теплового потока на ее поверхности и количества поступсиопщх в нее матери1и10в приводит к перестройке le.Mnepaтурною поля шлаковой ванны, т е к нарушению заданного тем пературного режима иланки и, как следствие, способствует росту потерь метсиша со шлаком Наиболее отчетливо это прояиляеия при резком (скачкообраз ном) повышении скорости поступления матерИсша в ванну, на пример при локсигьном <обрушении» откосов При сползании относительно большой массы непроплавленнои шихты в ванну уменьшается температура верхнею слоя шлаковою расплава, ею 494 вязкость растет, что в сочетании с обильным выделением техно логических газов приводит к образованию на поверхности ванны в том месте, где произошло «обрушение», пористого слоя («мены»), коэффициент теплопроводности которого на порядок ниже, чем у остального расплава. В результате на этом участке, согласно формуле (31.8'), резко снижается скорость тепловой обработки материала, в то время как с откосов расплавленная шихта продолжает поступать с прежней интенсивностью Поэто му снижение температуры и образование пористого слоя продол жается и вскоре этот слой «растекается» по всей поверхности ванны. В итоге, как показывает практика работы отражательных печей, температурный режим ванны становится неуправляемым и технологический процесс прекращается, так как металл практи чески полностью переходит в шлак. В тех случаях, когда при прочих равных условиях скорость поступления материала в ванну ошжается за счет уменьшения поверхности откосов или каких-либо других причин и становит ся меньше оптимальной, согласно формуле (31.7) происходит уменьшение перепада температур по глубине шлаковой ванны Это приводит к интенсификации процессов диффузии штейна в шлак и увеличению его растворимости в шлаковом расплаве, т. е. росту потерь металла со шлаком Таким образом удельная производительность печи определяет ся скоростью процессов тепло- и массопереноса в ванне и зави сит в основном от характеристики сырья (Сщ, 1^, с^^, п, к,, Сц,) и температурного режима плавки {Т^, Тсрщ, Т'ср шт> ^s)Непосредственное экспериментальное определение скорости тепловой обработки материала в ванне из-за сложности протека ющих в ней процессов пока не представляется возможным. Это создает известные трудности при адаптации расчетной модели и подборе так называемых настроечных коэффициентов, использо вание которых в формулах (31.8) и (31.8') позволило бы приме нить их для расчета конкретных параметров отражательных пе чей. Анализ этих уравнении может быть использован только для интерпретации существующих инженерных решений и обоснова ния выбора направления дальнейшего совершенствования тепло вой работы афегата. Необходимо также учитывать, что для боль шинства современных отражательных печей характерны макси мальная для каждого агрегата интенсивность внешнего теплообмена и, как следствие, повышенная удельная производи495 тельность В этих условиях поиьииешш скоросш теплопои обра ботки материсша н ванне cnoco6tiByei сокраиюнию иоюрь MCWUIла со шлаком и создас! предпосылки jvui Д1иП|Псишею 1ювып1ения произ1юдтельности печи Проведен1и>н1 анализ позволяет получить Hco6xonHNn>ie расчс!ные выражения и дать эиерютическую интерпретацию нзвестых тех110Л01ических особенностеи отражательной плавки и коисфуктнвных peniennii отдельных олемеитои печи 1 Для большинства медеплавильных заводов отражательная печь является единственным aipeiaiOM, в коюром Moryi перера батываться конвертерные ишаки 13 эшх >словиях довольно часю KOHBepiepnbHi шлак загружается в печь в твердом сосюянш! iu\ поверхность откосов вместе с шихюи Такой способ зафузки ведет к дополнительным затратам энерпп!, так как ;хля повтор ною расплавления шлака требуется значительное количеспю теп ла Тем не менее он получил широкое распространение, так как загрузка твердою конвертерного шлака на откосы способе!Byei улучшению температурною режима плавки На поверхности от косов присутствие в шихте твердою KOHBepiepnoro шлака приво дит к снижению телшературы плавления образующеюся И1лака зл счет С1Н1жения степени его кислотное!и Следствием это!0 Я!и1яе!ся у1зел!1чение плотност!! результирующею теплово!о потока i!a поверхности откосов и соот!$етственно коэффи!Н1ента ис1!ользования топлива в отражательной печи ДсШее ко1!иертерны11 шлак вместе с oc!tii!bHbiMH 1!ролуктами плавки с!екает ил !10верхность ванны, вблизи которой более интенсивно идут i!po!!ecc!)i i!0!pe6ления тепла, подводимого за счет теш!Опровод!!Ости (умены!1аегся значение коэффициента к,) В этом случае, как цоказ1>1вает анализ уравнения (31 8'), увеличивается скорость те1!Л01Ю!1 обра ботки 1!родук!ОИ плавки !! умень!1!а!отся !!0!ер!1 метсшла с отваль ными 1илаками 2. Из формулы (31 8') следует, что скорос!ь 1енло1юи обработ ки материгша в ван!1е тем вы1!!е, чем меньше потери тепла через кладку !ia уровне !1анн!>1 Поэюму при строител1>стве 0!ражатель!1ых печен всегда приме!1Я!0т под!1Н111 с повь!ше!11!ои теплоизоля!nieii, а толщи!!а стен на уровне !)анны в 3-3,5 раза боль!!1е, чем над liaiHioii 3 Глуби1!а шлаково!! ва!!11Ь! i!pii заданном те,мпера!урном ре жиме может быть 0!1реде11ена из уравнения (31 7) и рассчитьшается !10 формуле 496 5 = ^У 21 '^, I б / W ' i ^ -"Сшт(^^ср ш ~ ^ср шт) /=1 Q Из полученной зависимости следует, что глубина шлаковой ванны не может быть установлена произвольно, так как она за висит от свойств перерабатываемой шихты и состава продуктов плавки. Ее величина тем больше, чем меньше теплопотребление шихты в ванне В современных отражательных печах глубина шлаковой ванны колеблется в пределах 0,6-0,8 м ' 4 Связь между параметрами теплового и температурного ре жимов ванны шлакового расплава, расположенной между шихто выми откосами, может быть установлена с помощью уравнения теплового баланса, которое имеет вид Р " = (^9';-5'пот)^в/е^ш. (31.9) где F^ — поверхность ванны, м^; q'^^^ — плотность теплового потока теплопроводностью (потери тепла) через офаждение печи на уровне ванны, отнесенная к единице ее поверхности; G° — средняя по массе скорость переработки материала в ванне, кг/с При соответствии параметров теплового режима ванны и от косов скорости тепловой обработки шихтовых материалов на этих участках зоны технологического процесса должны быть равны между собой, т е G = С" Для выполнения этого требования необходимо, чтобы на всем протяжении зоны плавления шихты плотности результирующих тепловых потоков для поверхностей откосов и ванны оставались неизменными, т. е чтобы средняя температура продуктов сгорания топлива была одинакова на рас стоянии примерно 20-25 м от передней торцевой стенки печи. При традиционном торцевом отоплении печи выполнить это ус ловие довольно трудно и поэтому в последнее время наметилась тенденция к применению сводового отопления. Зона отстаивания продуктов плавки. Этот участок ванны рас положен в хвостовой части печи и в нем происходит завершение процессов разделения продуктов плавки. Средняя температура шлака в нем на 70-100 °С ниже, чем в зоне плавления, что спо собствует повышению извлечения меди в штейн за счет сниже ния степени растворимости штейна в шлаке При охлаждении 497 П1лака штейн выделяется из него в виде мельчайших капель, для отсшивапия которых требуется продолжительное время Так как время пребывания шлака в отстойной зоне прямо пропорционшп>но количеству содержащегося в ней материала, под нее от води 1ся обычно около одной третьей части рабочего простран ства печи 3 Печи для рафинирования меди Основные характеристики и конструкция К пламенным плавильным печам для рафинирования меди опюсягся в основном стационарные анодные и ваиербарсовые печи, которые различаются в зависимости от емкости, состава перерабатываемой шихты и применяемого топлива Техническая характеристика этих агрегатов приведена в табл 31 2 В анодных печах можно перерабатывать как первичную, так и вторичную черновую медь Первая получается из руд и концент ратов, вторая при переплавке вторичных металлов В первичной черновой меди количество примесей, к которым относятся мы шьяк, сурьма, свинец, олово, сера, железо и т п, составляет от десятых долей до одного процента; во вторичной 2-4% Загружаемый материал может подаваться в печь как в твер дом, так и в жидком состоянии Соотношение между твердой и жидкой фазами зависит от условий конкретного производства Таблица 31.2. 1ех11ическая характеристика анодных н вайербарсовых печей Характе ристика печей емкостью, т Параметры Размеры иапны, м пубина / и 11 на итрнпп Число горелочиы'К устроиств, шт Проло 1житепьность плаикп, ч Содержание твердого в загрузке, % Примечание анодные 498 350 200 150 80 50 0,94 14,6 4,5 3 0,76 13,8 4,8 2 0,75 7,9 2,7 2 24 100 12 15 0,69 16,8 2,5 2 18 90 0,46 4,8 2,7 2 16 100 18 100 Печи емкостью 3150 т анодные и ваиербарс ооые, с)стальные - Когда здфузка целиком состоит из расплавленной черновой меди для анодной плавки, используют печи типа конвертера, которые не могут быть отнесены к плавильным афегатам. В ваиербарсовых печах переплавляется катодная медь' повышенной чистоты (99,90-99,99 % Си). Однако в ней содержатся растворенные газы: оксид углерода, водород, сернистый ангидрид в количестве -80 CMVKr метсшла которые удаляются в процессе плавки Технологический процесс осуществляемый в рафинировочных печах, протекает в штыре стадии, которые включают в себя заг рузку и плавление металла, окисление содержащихся в нем неже лательных примесей кислородом воздуха, восстановление переокисленнои меди и разливку металла в изложницы К недостат кам анодных и ваиербарсовых печей можно отнести: повышенный удельный расход топлива, низкий коэффициент использования вспомогательного оборудования (механизмы для зафузки метшща и разливочные машины), обусловленный периодичностью процес са, применение ручного труда (съемка шлака, зафузка шихты и т п ) Основным направлением в совершенствовании конструкций анодных печей следует считать создание афегатов подового тина с непрерывным режимом работы. Для переплавки катодов в пос леднее время все чаще применяют шахтные печи, а также индук ционные, дуговые и вакуумные электропечи, в которых получает ся металл, обладающий высокими механическими свойствами и имеющий электропроводность на 4-5% выше обычной вайербарсовой меди Конструкция стационарной анодной печи для рафинирования меди Общий вид печи представлен на рис 313 Ее возводят на мощном фундаменте, выполненном из бетона в виде монолитной плиты с наклонной поверхностью корытообразной формы, на которой установлены опорные столбики из шамотного кирпича сечением'700 X 700 мм и высотой от 0,5 до 1,0 м. Опорные стол бики и уклон фундамента предназначены для тою, чтобы обес печить беспрепятственный сток метлпла в аварийной ситуации при его прорыве через подину, а также для создания условии эффективного охлаждения элементов металлическою каркаса печи (поперечных тяг) за счет естественной циркуляции воздуха На опорные столбики укладывают чу!унную плиту толщиной -25-50 мм, которая служит основанием подины. Под печи выполняют в виде трехслойной обратной арки, име ющей уклон в сторону летки для выпуска металла. Между чугуи499 Fuc 313 Обшип иид иподноп печи / — п о л и т , 2 — исртнкальным газоход,' 3 — сио i, 4 — K.ipKic, 5 — горелочные >строист1М, б — 3Tipyj04Hi.ie окн i НОИ плитой И подом располагается прослойка из жаропрочного бетона Нижний слои арки выкладывают из шамот HOI о кирпича Материал последующих слоев зависит от состава ванны Для кислых илнп используют линасовые огнеупоры, для основных хромомагнезитовые, магнезиюхромитовые или перйклазошпинеJHifliTbie Стены печи возводят преимущественно из хромо.ма! незитового и магнезитохрЬмитового огнеупорного кирпича Для теплоизоля ции стен используют щамот-легкоьес Свод большегрузных печей имеет распорно-подвесное или гюдвесное исполнение, обычно он изютовляется из магпезитохромитового огнеупорною кирпича и имеет толщину 380 мм В хвосювои части печи к своду примы кает вертикальный боров, который служит для отвода продуктов сюрания топлива Снаружи печь заюпочеиа в стоечный каркас подвижного типа Для придания прочности конструкции печи па уровне ванны ее нижняя часть забрана в металлический кожух, который выполня ют в двух вариантах составным из чугунных плит или цельпоснарным из листовою железа толщиной -25 мм Рафинировочные печи в основном отапливают природным га зом, реже используют ызо-мазутное отопление Устройства д;1я сжшания газа \стаиавливпют и спеинсШ.ных отверсшях, p.iciioложенных в передней торцевой стенке печи, к которой со сторо ны печи примыкает камера для предварительного сжигания юплива В отдельных случаях для отопления рафинировочных печей используют комбинированные газо-мазутпые юрелки На больптнстве заводов применяют юрелки типа «труба в фубе» 500 Шихтовые материсты и жидкая черновая медь подаются в печь через специсшьные зафузочные окна в боковой стенке печи, раз меры которых зависят от габаритов загружаемых слитков и спо соба загрузки Обычно ширина рабочих окон составляет 1,5 м, высота 1,0 м. Шлаковое окно расположено в задней торцевой стенке печи Отверстие для выпуска металла имеет форму щели, высота которой соответствует уровню ванны. Оно расположено в боковой стенке печи и заделано специальной набивочной мас сой Снаружи щель заклщываюг съемными 1угунными плитами При выпуске метсиша плиты и набивную массу из выпускной щели удаляют постепенно по мере понижения уровня ванны Внутрешше размеры щели зависят от емкости и назначения пе т Отношение длины ванны к ее ширине составляет величину по рядка 3,5-2. Для утилизации тепла отходящих газов рафинировочных пе чей используют в основно.м радиационно-конвективныс рекупе раторы, в которых осущестгшяется подогрев дутьевого воздуха до 500-550 °С независимо от периода плавки. Применение рекупе раторов позволяет на одной печи получить экономию топлива за счет нагрева дутья до 4-5 млн. м-' в год Тепловой и температурный режимы работы Расплавление зафужасмого в печь материала по существу про изводится в ванне мет^тла, которая наводится на подине печи в самом начале процесса Это необходимо для предотвращения механических повреждений подины, неизбежных при загрузке на ее поверхность крупных слитков черновой меди Поэтому в анод ных печ IX процесс н i шнается с зтливки в афегат черновой меди непосредственно из конвертеров В этом случае, когда шихта полностью состоит из твердою материала на под печи сигнала зафужают анодные OCTITKH и мелкий скрап которые образуют Baniiy, и только потом осуществляют загрузку крупногабаритных слитков черновой меди По ее окон 1ании зафуз'о'чные окн i з IKрывают и начинается nfipuecc интенсивного плавления металла В условиях анодной и ваиербарсовои плавок ванна расплава и находящиеся в ней слитки и скрап, имеющие высокую теплопро водность, представляет собой тонкое в теп;ювом отношении тело, нафев и плавление которою определяют условиями внешней за дачи, т. с интенсивностью процессов теплообмена в рабочей 501 камере печи над ванной Теплообмен излучением в печах перио дическою деисгвия рассчитывают по формулам ,^-с.Ц{-л-\' 100/ •(4)>^[(4Г-(^Г1).'"'" 'Де 9jJ, q^ — соответственно плотности результирующих тепло вых потоков для поверхностей ванны (металла) и кладки печи' 1 + (l-eJ(l-eJ-L ''Г^М А= В= М М VK [l + ( 1 - е , ) ( 1 - Е , ) ^ D= М= 1 - ( 1 - Е , ) ( 1 М -4'-i] -(l-c,)2(l-8j(I-e,)^, 1ле Т^, T^^, Т^ — соответственно средние температуры газов (пламени), поверхносгей зеркала ванны и кладки, е^, е^,, е^ — соответсгвенно степени черноты газов (пламени) поверхностей ванны и кладки, w = F^/F^ — степень развития кладки; Z^,, F^ — соответственно величины поверхностей ванны и кладки Продолжительность периода плавления металла зависит от скорости подвода тепла к поверхности ванны, необходимого для компенсации тепловых затрат на нафев и плавление шихты (бщ), величину которых рассчитывают по формуле Ош = М,[с,{Т^, - 7-,") + с^{Т1 - Т„,) + 9nJ + + М^с^{Т''^-Т1,), 502 (31 12) 1де М^, Л/^ — соответственно масса металла, зафужаемого в печь в твердом и жидком состоянии; 7^, Г^^ — соответственно темпера туры твердого и жидкого металла, буквы «н», и «к» указывают, что значения температуры берется в начальный и конечный моменты периода; с^., с^ - удельные теплоемкости соответственно твердого и жидкою металла; q^^^ ~ скрытая теплот;! плавления металла При расчете продолжительности первого периода плавки /| обычно используют уравнение теплового баланса ванны, которое имеет вид h = еш/(С9^м-9';,оЛ-«'=;оЛт). (31-13) 1дс к — коэффициент, учитывающий конвективную составля ющую плотности суммарного тепловою потока излучения и кон векции, усваиваемого ванной, к = 1,1 н-1,15; 9пот' 9т)т ~ соответ ственно плотность потока тепла, теряемого через под и стены печи на уровне ванны; F^, F^ —соответственно площади повсрхН0С1И пода и стен печи на уровне ванны Величина, стоящая в знаменателе уравнения (31 13), представ ляет собой количество тепла, которое расходуется в ванне на нафев и плавление металла в единицу времени. Продолжительность первого периода плавки при прочих равных условиях зависит от емкости печи и составляет в среднем 8—12 ч, из них 2—3 ч зани мает зафузка, 6-8 ч — процесс плавления и -0,5 ч удаление шлака Температура поверхности ванны во время расплавления черновой меди близка к ее температуре плавления и равна 1090-1100 °С В конце периода температура расплава поднима ется по 1150 °С Д^шьнеишее ее повышение иецелесоодраз}ю, так как перефетый металл может привариться к материалу изложни цы во время разливки. Средняя температура газов (пламени) в течение всего цикла поддерживается на уровне 1450—1600 °С Для сокращения продолжительности процесса плавления ис пользуются различные способы интенсификации лучистого тепjmo6MeHa в рабочей камере печи К }1им в первую очередь отно сится повыщение средней температуры газов (факела) и степени черноты поверхностей, участвующих в теплообмене Повыщение температуры продуктов сгорания топлива достига ется за счет подофева воздушного дутья до 500-550 °С и увели чения расхода топлива, который в первом периоде существенно выше (в 1,5—2,5 раза), чем в остальные периоды плавки Для 503 улучшения оптических характеристик ванны шлак, oGpajyiouniHся при окислении примесей (во вюрои период), не уд.шяют из печи, а оставляю! i\<x следующий цикл (после разливки меди он оседас! ил подине) В период плавления, после образова1П1Я ван ны, шлак предыдущей плавки всплывает на ее поверхность и удстляется только после окончания периода Таким образом, в течение всею процесса панна расплава покрыта пленкой шлака, степень черноты которого (0,5-0,6) в 3-4 раза выше степенн черно!ы распла1и]енно11 меди (0,14-0,16) При !-азо1Юм отоплении испол1>зу10т юрелки с !JiieiiniHM смешением, позволя101Ш1е 1!0лучать хорошо видимое пламя Из уравнения (31 13) следует также, что при прочих равных условиях !!родо;!Жителы10сть периода 1!лавления во многом за!!иснт от величины потерь тепла через офаждение печи на уровне ванны Поэтому при конаруироиа1НП1 печей предпочтение отдается «тепль1м» поди!1ами и тшательнон теплоизоляции стен печи на уровне ван!1ы Продолжительность второго и Tpeibeio периодов плавки зави сит от скорости протекания реакции, обусловленных Зсшаннои технолошеи В период окисления, когорыи продолжается 1,5-2,0 ч, тепло в ванну iiociynaeT в виде суммарно!о ienj!0!30io потока из лучения и KOHiiCKiHiH на ее тепл0130С1!ринима1О!цен поверхнос1и, а также за счет тепло!е!!ерации при протекайте экзо1ермических peaKiuiH окисления !1римесеи и основно!о мет .шла Эга энергия расходуется !ia KOM!ieiicaniiro потерь тепла через ограждение !ie4ii на уровне ванны и на naipeu воздуха, !шуваемо1о в ва1!ну, до средней температуры рас1тлава Температура тазов (пламени) в pa6o4ei"i камере !!еч11 поддерживается на 1аком уровне, чтобы MervUiji не нерефевался выше 1150°С Ее 15елич1шу определяют следуюптим образом Из уравнения тепловою 6aj!aHca ванн!.1 находят значение плотности результирующего тепло1Ю1о потока для поверхности ванны, ко!Орое рассчитываю! по формуле ^^л(г';;-г")-дзкз ^" = -i;^k „ /„ „ } -*- ^ " - Г-А ' ' • - TtA ' (3114) где FQ, СЦ, Г У - соответственно объем, удельная теплоемкость и начальная темпера!ура воздуха, идуще!0 на окисление !1римесен, ^экз ~ суммарный эффект экзотермических реакции, Гц - про должительность шорою периода 504 Полученное значение gj'подставляют в уравнение (31.10), ко торое решают относительно средней температуры газа в рабочем пространстве печи В третий период плавки, который продолжается 2,5—3 ч, в ванне протекают эндотермические реакции восстановления CU2O, образующегося на стадии окисления примесей В каче стве восст шовителя наибольшее распространение получил при родный газ, удельный расход которого составляет около 5,4 м^ на тонну металла Тепло, поступающее в ванну, расходуется на нафев газообразного восстановителя, протекание эндотермичес ких реакции и компенсацию потерь тепла через ограждение печи на уровне ванны. Плотность результирующего теплового потока для поверхности ванны в этот период определяют по формуле КсЛТ^-Т") ., г г\ г 5ш — :—с~1 + Q^.,. г' ''энд F F п i-,, ст -'î.T •" ^ пот "ЁП" + ^ пот "сТ > где Кр, Ср, Т. ^н — соответственно объем, удельная теплоемкость и начальная температура газообразного восстановителя, /щ — про должительность третьего периода, бэнд ~ суммарный эффект эн дотермических реакций В четвертый период происходит разливка металла, его про должительность определяется производительностью разливочной машины и составляет 5-8 ч. Ванна расплава имеет в течение всего периода постоянную температуру (-1150 °С) и тепло, по ступающее на ее поверхность, расходуется на компенсацию теп ловых потерь через офаждение печи Плотность результирующе го теплового потока для поверхности ванны определяют по формуле Г м — п и 9'w ~ ^ пот F L Г • ^ст t-T ^ о т /' I Основной задачей при организации теплового и температур ного режимов в рафинировочных печах является создание усло вии для ускоренною расплавле1шя металла в первый период про цесса и обеспечение минимальных колебаний температуры в ван не в остальные периоды плавки. 505 Глава 32 ТРУБЧАТЫЕ ВРАЩАЮЩИЕСЯ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ 1 Основные характеристики и конструкция вращающихся печен Трубчатыми вращающимися печами принято называть гехнологические агрегаты непрерывною действия с рабочим npocipanством в виде полого цилиндра, в котором вследствие небольшого наклона (-3°) иечи и вращения перерабатываемые сыпучие материсшы перемещаются вдоль печи, нафеваясь за счет тепла, выде;ппи11егося при сжигании топлива В конструк1ивном отношении 01HI оип1чаются друг от друга голько размерами корпуса и уст ройством систем зафузки и выфузки материала В названии печи обычно отражено ее назначение Так, например, раз/шчают вельцпечи, применяемые ;шя вельцеваиия кеков цинкового производ ства, печи для спекания бокситов, кальцинации 1линозема, обжи га рт-утьсодержащих матерпсиюв, а также печи для сушки различ ных промежу!очных продуктов MeriUUiypui4ecKoro произволе!ва По энергетическому признаку трубчатые вращаюпи1еся печи 01 носятся к печам-теплообменникам с переменным по длине режимом тепловой работы На участке печи, где происходит го рение топлива и температура продуктов сгорания достигает 1550—1650°С, осущес1Ш1яется радитционныи режим работы печи По мере продвижения продуктов сюрания топлива по длине печи они охлаждаются до нескольких сот градусов и режим тепловой работы печи постепенно становится конвективным Конкрепюе распределение по печи зон с конвективным и радиационным ре жимом работы ЗсП)исит от вида и параметров технологического процесса За иск/иочением получивпшх небольшое распространение пе чей щы сушки сульфидною сырья, трубчатые печи рабо1ают в режиме противотока Загружаемая в печь шихта может иметь различную степень влажное!и, вплоть до пульпы, содержащей до 40 % воды Она подается н верхн!010 (Х1Юстовую) часть печи и .ме;и1енно движется i/австречу 1азам, образующимся в рез)'льгате с!орания топлива в юлоннои части а! регата Из барабана перера батываемые продук1Ы в В1ще спека или pacK(U!enHO!0 порошко образною матери.ша поступают в сненисшьньт холодильник, а 506 газообразные продукты сгорания топлива вместе с технологичес кими газами направляются в систему пылегазоочистки. В зависи мости от вида технологического процесса для отопления трубча тых вращающихся печей могут быть использованы, природный газ, мазут и твердое топливо в виде коксовой мелочи или уголь ной пыли. В качестве сжигающих устройств в трубчатых печах обычно применяют газовые горелки типа «труба в трубе», фор сунки для сжигания малосернистого мазута или специальные пьшеугольные горелки. Основными элементами вращающейся печи (рис. 32.1) явля ются корпус (барабан), приводной механизм, опорные бандажи с роликами, а также загрузочная и разгрузочная камеры. Корпус печи представляет собой сварную металлическую тру бу диаметром до 5 м и длиной до 185 м, футерованную изнутри огнеупорным кирпичом Он опирается на специальные ролики, щирина пролета между которыми составляет для больших печей 26-28 м Для перемещения материала корпус наклонен к гори зонту под углом в 2,5—3°. Привод печи, с помощью которого она вращается с частотой около I об/мин, состоит из электродвиытеля, редуктора и зубчатой передачи Опорные бандажи кольцевой формы воспринимают на себя всю нагрузку от массы барабана, достигающую 70-80 т Для больщих печей применяют кованые бандажи прямоугольного сечения, которые надевают на корпус свободно с небольщим зазором, учитывая последующее тепловое расширение барабана. Каждый бандаж опирается на два ролика, вращающиеся вместе с банда жом во время работы печи Верхний торец печи входит в загрузочную камеру. Сухую ших ту загружают в пе 1ь с помощью шнекового питателя через патру бок, расположенный в загрузочной камере. Пульпа подается в печь через пульповую трубу ковшом-дозатором или с помощью специальной форсунки Улавливаемая пыль возвращается в бара бан печи так же, как сухая шихта Нижний торец печи входит в разгрузочную камеру. Между ней и барабаном ставится специальное кольцевое уплотнение. В пе редней стенке камеры имеются отверстия для установки горелочных устройств К ней также примыкает устье канала, по которо му готовый продукт пересыпается в холодилышк. Для предотвращения налипания влажной шихты на стенки барабана и настылеобразования в холодном конце печи устанав507 8 у/л/////X/\/V/// 9 П 10 12 13 / / / / У/ ^ / / / / / у / / у / / / // /V / V / 1 Рис. 32.1, Общий вид врапшюшеися трубча /, IS — верхняя и нижняя готовки печи, 2 — загрузочное устройство,-J — у О — подшипник, 1 — опорный ролик, «У — упорный -ролик, 9 — бандаж, /J — двигатель, J4 — упорное устройство, J6 — форсунка ливают цепные завесы. Их прикрепляют к барабану одним кон цом по всему сечению печи выбирая длину зоны таким обра зом, чтобы температура газов в ней не превышала 700 °С При отсутствии завес может быть использовано отбойное устройство, предсташипощес собой связки рельсов длиной до 12 м, прикреп ленные цепью к торцевой головке печи. Футеровка вращающихся печей работает в весьма тяжелых ус ловиях, что связано с периодическим колебанием температур на поверхности кладки, обусловленным вращением печи и переме щением находящегося в ней материсша Перепады температур на внутренней поверхности барабана при входе и выходе из-под слоя щихты составляют 150—200 °С. В зоне спекания на футеровку сильное химическое и абразивное воздействие оказывает матери ал В зоне сушки кладка подвергается значительному истиранию цепями. Основным материалом для футеровки печей i л инозем ных заводов служит шамот. Высокотемпературные зоны печи выкладывают из хромомагнезитового, магнезитового и периклазошпинелидного огнеупорного кирпича Для сохранения футеров ки при остановках печи барабан должен вращаться до ее полного охлаждения Продолжительность работы печи обычно составляет 2-4 года 2. Тепловой и температурный режимы работы вращающихся печей При нагреве нейтральных в энергетическом отношении сыпу чих .материааюв тепло в зону технологического процесса трубча тых вращающихся печей поступает за счет одновременного про текания всех трех видов теплообмена излучением от факела и раскаленной футеровки, конвекцией и теплопроводностью от поверхности кладки, по которой непрерывно перемещается пере рабатываемый материсш Помимо этого необходимо учитывать, что в шихту печей'для вельцевания кеков вводится в качестве реагента-восстановителя коксовая мелочь В результате часть ис пользуемой на ее нафев тепловой энергии генерируется непос редственно в зоне технологическою процесса во время частично го окисления углерода и образующихся в результате переработки шихты паров металлическою цинка Поступившее в слои перемещающегося по печи материала теппо распределяется в нем в основном зл счет контактной тепло проводности Однако в процессе энергичного перемешивания 509 ИН1Х1Ы, температура но слою быстро выравнивается и ею можно приня1ь тонким и тепловом отношении телом, нафев которою сопровождается мноючиспенными эндо- и экзотермическими реaKiUHiNHi Ввиду большой сложности и недостаточной изученнос ти механизма теплообмепных процессов в трубчатых печах, ана лиз их тепловой работы базируется в основном на изучении эм пирических данных и оценке тепловых б^шансов печей Температурный режим работы врашаюцшхся печей не изменя ется во времени, индивидуален для каждою вида технолошческою процесса и в значительной степени определяется хили^чесKHiM и фракционным составами перерабатываемых матерна;юв Обычно его выбирают опытным путем и организуют таким обра зом, чтобы в печи сфою соблюдался график нагрева шихты, задаваемый по технологическим данным В качестве примера может быть рассмотрен режим достаточно хорошо изученных нечеи, применяемых для спекания шихты на 1линоземных заводах. В них до температур порядка 550 °С про исходят общие для всех вращающихся печей процессы сушки и удаление шдратнои lyiaiH и далее в интервале температур 5501200°С — реакции образования растворимых соединении адюминия, свойства которых во многом зависят от температурного ре жима спекания В процессе нафева шихта проходит в печи че тыре условно выделенные температурные зоны, постепенно превращаясь в спек В первой зоне, длина которой составляет около 30 м, проис ходит нафев материала от 20 до 300 °С, сонровождаюшиися его сушкой и обезвоживанием Температура газов на этом участке печи, если ею рассматривать по ходу движения шихты, изменя ется соответственно от 200 до 700°С Дл1И1а второй зоны достиыет 15-17 м В ней матершшы нагреваются до 900 °С при пол ном разложении карбоната кальция и изменении температур то почных 1азов по длине зоны от 700 до 1400 °С Третья зона расположена в области интенсивного юрения тогшива (факе;т) Температура газов здесь максимальна и определяется величиной 1600-1650 °С Шихта в этой зоне нагревается до 1200-1250 °С и спекается В четвертой зоне происходит охлаждение спека до 1100 "С при температуре газов 1000-1550"С При неизменном во времени температурном режиме работы печи ее производительность определяется толипшои слоя и фи зико-химическими свойствами находяшеюся в ней материада В 510 среднем по отрасли она составляет величину порядка 12 т/ч опе ка при расходе 6300-7300 кДж/кг получаемого продукта. В 01личие от спекания технологические процессы, протекающие в дру гих трубчатых печах, идут без оплавления шихты. 3. Нагревательные печи В цветной металлургии нафев в топливных печах с последую щей обработкой давлением применяется в большинстве случаев для слитков и заготовок из меди, алюминия и сплавов на их основе. Чаше всего для этой цели на обрабатывающих заводах используют двухзонные методические печи с монолитным подом или с нижним обогревом, конструкция которых подробно описа ны выше в главе 27 данного учебника ' Температура нафева металла в методических печах цветной металлургии обычно не превышает 850-900''С Для нафева ме талла до этих температур в сварочной зоне необходимо поддер живать температуру порядка 1000-1050 °С Печи отапливаются обычно природным газом, который подводится к юрелкам, рас положенным в сварочной зоне. Иногда для того, чтобы рассредо точить тепловую нафузку по длине печи горелки устанавливают в шахматном порядке вдоль боковых стен печи. Сжигаьше газа осуществляется чаще всего с помощью двухпроводных горелок С целью повышения эффективности использования топлива и улучшения условий его сгорания методические печи оборудуют металлическими рекуператорами для подогрева дутья до 250— 300 °С. Напряжение активного пода при нагреве медных слитков составляет 1600 кгДм^'ч) при удельном расходе тепла 1540 кДж/кг, для алюминиевых слитков эти показатели соответственно равны 500 кгДм^-ч) и 2160 кДж/кг. Производительность методических печей для нафева цветных металлов и сплавов около 25—30 т/ч Консфукции методических печей для нагрева цветных метал лов и сплавов практически не отличаются от аналогичных печей черной металлургии (см. гл 27), поэтому остановимся только на особенностях нафева цветных металлов. Заготовки из меди, алюминия и сплавов на их основе по срав нению с черными металлами обладают исключительно высокими коэффициентами теплопроводности и относительно низкими зна чениями степени черноты нафеваемых поверхностей. Помимо этого заготовки из цветных металлов отличаются небольшими габаритами, что в сочетании с высокой теплопроводностью по511 зволяет отнести их к катеюрии тонких в iсиловом отнотемии тел. Нагрев таких заготовок может осуществляться лиипиельно более интенсивно, чем изделий из черных металлов, так как oiсутствует реальная опасность возникновения высоких термонап ряжении, вызываемых больитми перепадами температур мeжi^y поверхностью и центром нагреваемых слитков или UIPOIOBOK Вместе с гем необходимо учитывать, что цветные мекшлы отли чаются повышенной склонностью к окислению, и поэтому нельзя допускать, чтобы газовая атмосфера в печи содержала более 0,1 % кислорода Технология нагрева цветшлх метсшлов и сплавов содержит так же ряд специфических требовании. Например, при нагреве спла вов на основе алюминия отклонение oi заданною режима naipeва допускается в очень узких пределах порядка 5—10°С При нагреве заготовок из латуни и других медноцинковых сплавов должны быгь полностью исюночены местные перегревы И1-зл склонности цинка к активному «выгоранию» Недопустимо также насыщение нагреваемой меди водородом, ык как это ведет к повышению хрупкости металла вследсише так называемой «водо родной болезни» меди Невысокие конечные температуры нагрева цветных меьшлов и их сравнительно низкая помощательная способность являются основной причиной необходимости интенсификации KoimeKi ИВHOI о теплообмена в рабочем пространстве нагревательных печей Раздел IX ТОПЛИВНЫЕ ПЕЧИ ШАШШЮСТРОШЕЛЫЮМ ПРОМЫШЛЕННОСТМ Глава 33 ВАГРАНКИ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ КУЗНЕЧНЫХ ЦЕХОВ 1. Вагран1ш Вагранки предназначены для переплава доменного литейного чушковою чугуна и чугунного лома в чугунолитейных цехах. При плавке в качестве шихтовых материалов в незначительных коли чествах также применяют стальной лом и ферросплавы Топли вом чаще всего служит кокс. Флюсы (известняк, плавиковый шпат, доломит) вводят в виде добавок к шихте для образования легкоплавкого шлака Вагранка представляет собой цилиндрическую шахту, состоя щую из стального кожуха, футерованно.о внутри огнеупорным кирпичом толщиной 0,15-0,3 м и засыпкой (рис. 33 1). В верх ней части вагранки имеется загрузочное окно, через которое по даются внутрь печи шихтовые .материалы В нижней части ваг ранки расположены воздушная коробка и фурмы, через которые воздух подается в тахту вагранки от воздуходувной машины. Внизу шахта закрывается откидным днищем, на которое набива ется из огнеупорного порошка подина. Часть шахты между фур мами и подиной называется горном. Жидкий металл собирается в горне или через соединительный желоб перетекает в копильник, откуда периодически или непре рывно выпускается через отверстие (летку). Для удаления шлака в горне или копильнике делают специа;1ьную шлаковую летку. Шахта в верхней своей части (выше колошникового отверстия) 17-5041 513 Рис. 33 J. Вагранка с копилышком / — фундамент, 2 - фундаментная плита, 3 — колонны, 4 - откидное днище, 5 - по довая плита, 6 — рабочая плошадка, 7 — фурменный рукав, S — BOJAymnan ко робка, 9 - защитные сегменты колошника, 10 - загрузочное окно, / / — искрогаситель, 12 — опорное кольцо, 13 - кожух, 14 — фу теровка, 15 — переходная летка, 16 — копильник, 17 — выпускное отверсше для шла ка, 18 — выпускное отверстие для чугуна переходит в футерованную трубу, снабженную искрогасителем - уст ройством для гашения и улавлива ния мелких твердых частиц, содер жащихся в потоке газов Фурмы по высоте располагают в один, два или три ряда по окружности шахты в шахматном порядке Кожух и футе ровка вафанки опираются на подо вую плиту и четыре колонны, кото рые с помощью фундаментных плит устанавливаются на фундамент, В последнее время получают распространение вагранки более сложного профиля, в которых шах ту выполняют конусной. Наклон стен шахты обеспечивает более равномерное распределение шихты и газов по сечению вафанки В современных вагранках для увеличения срока службы футеров ки применяют наружное водяное охлаждение При этом вагранку оборудуют дополнительным кожухом (рубашкой), захватывающим область фурм и распросфаняюшимся вверх на высоту 2-2,5 м. Охлаждение осуществляется либо водяной рубашкой с подводом воды в нижнюю часть и отводом сверху, либо струйным разбрыз гиванием воды по поверхности кожуха. Применение водяного ох лаждения позволяет увеличить длительность работы вафанки без ремонта футеровки до 5-6 суток 514 Плавке в вагранке предшествуют розжиг и загрузка шихты в вагранку. Целью розжига является создание в нижней зоне печи, между подиной и плавильным поясом, очага горения в виде слоя горящего кокса, который называется холостои колошей. Над хо лостой колошей располагается в виде отдельных чередующихся слоев мегаллическая шихта и рабочая порция кокса — топливная колоша Флюс за1ружается в.месте с коксом. Плавка начинается с момента начала подачи воздуха. Воздух давлением 5—10 кПа, вдуваемый в вагранку через фурму, вызы вает интенсивное юрение топлива в пространстве, расположен ном над фурмами. В результате этого образовавшиеся продукты сгорания поднимаются вверх и, встречаясь с металлической ших той, расплавляют ее. Для более полного использования тепла по ток 1азов должен как можно равномернее проникать через слои шихты и возможно полнее отдавать свое тепло Поэтому слой материалов должен иметь хорошую проницаемость для газов Для этого требуется равномерная послойная завалка металлической шихты и вполне определенное давление дутья. В зависимости от температуры и состава газов вагранку услов но разделяют на три зоны ' Верхняя зона — зона подофева материалов В этой области все материалы находятся в твердом состоянии. Постепенно опускаясь вниз, они нагреваются до температуры 1100—1200 °С. Известняк при температуре 800-900 °С подвергается разложе нию, кокс теряет шшгу и оставшиеся летучие вещссгва Вафаночные газы в этой зоне, пройдя столб шихтовых материалов и отдав им тепло, охлаждаются до температуры 350-450 °С и на выходе из слоя шихты содержат '8—10% СО, 14—16% СО2 и пыли 8—10 кг/т Средняя зона — зона горения В верхней области этой зоны происходит плавление металлической шихты и образование шла ка, в твердом состоянии находится только кокс Капли жидкого металла и шлака, стекая вниз по кускам горящего кокса, нагре ваются до температуры 1500 °С Одновременно, проходя через окислительную зону, капли чу1-уна подвергаются воздействию га зов, причем происходит частичное окисление элементов чу1'уна (10—25%), что связано с дополнительным выделением тепла. Максимальная температура газов в этой зоне 1600 °С. Нижняя зона - горновая, расположена ниже воздушных фурм В этой зоне мстсшл несколько охлаждается и удаляется из печи. 17' 515 Для интенсификации процесса плапкп » сонременпые натранки подается подо1регыи до 500 °С воздух При юрячем ду1ье значи1ельно улучшаются показатели работы uaiранки. увеличин<1е1ся про изводительность, снижается расход кокса, повышается температура чу1упа Воздух подогревается в отделыю расположенном р.щиациопно-конвектиниом рекуператоре с самостоятельным отоплением Процесс плавки в Bai-рапке характеризуется следуюиипп! показателялп! производительность 6-7 т/ч с 1 м^ площади попе речною сечения вафанки, расход кокса 7-10% от массы 4yjy/ia и отосительно высоким тепловым к п д (40-45%). Baiранка является самым распространенным чугуноплавильHbi.M афегатом, но получить чугун для отливок высокого каче ства в вафанке не нредсгавляегся возможным из-за колебания по ходу плавки состава и темпераlypbi чугуна В чу1унолитеином произ1юдстве в настоящее время необходимо получение чугуна с высокой плотностью, проч110С1ЬЮ и пластичностью Для этою требуется подофев чугуна до 1500-1550 °С в целях возможности его леифования и людифицнрования Поэтому в чугунолитейных цехах, производящих ответственное литье, постепенно вафанки заменяются индукционными электропечами 2. Нагревательные печи кузнечных цехов Меишл перед ковкой и горячен штамповкой обычно нафевают до 1I00-I200 °С Для этою чаще всего применяют пламенные печи меюдическою и камерного типа В них нафев металла осуп(естиляется в атмосфере продуктов сгорания, оказывающих пл метсиш окислительное и обезуглероживающее действие Образовавшаяся в значительных количествах ок£ШИ}1а не позволяет получить чистые поковки и сильно увеличивает износ кузнечною оборудования В настоящее время в кузнечных цехах ппфоко применяют механи ческие прессы, которые дают возможность уменьшить припуски и тем caNHîM умепьищть затраты труда ил механическую обработку поковок, что значительно сокрашт потери металла в стружку Для пол)чения чисшвых поковок на механических прессах со вершенно необходимо нафевагь мет^шл с миним1и1ьным окисле нием Уменьшение окислении мет^шла в процессе его нафева воз можно за счет ускорения нафева, а также зл счет пафева метал ла и неокисляющен ши1 малоокнсляюшеи атмосфере В связи с Э1ИМ сфемятся применять нафевательиые печи М£июокислительиою нагрева 516 Печи с полным сжиганием топлива В кузнечных цехах нагреву подвергаются заготовки самой раз нообразной формы, причем заготовки н (феваются как целиком, так и частично (например, только их концы) В основном все заготовки MOiyr быть подразделены на следующие группы. 1) квадратного или прямоуюльного сечении, которые нагрева ются целиком и могут проталкиваться сквозь печь; 2) различной сложной формы, которые нагреваются целиком, но из-за сложности формы не могут проталкиваться по поду, 3) круглою и квадратною сечении с частичным нагревом (чаще всею их концов) В зависимости от формы заготовок для их нагрева применяют печи соответствующих конструкции Так, для нафева заготовок квадратного и прямоугольного сечений применяют толкательные методические печи с монолитным подом Нафев заготовок слож ной формы (в том числе и круглых) осуществляется в печах с дисковым вращающимся подом Концы'заготовок нафевают в щелевых печах Методические нафевательные печи кузнечных цехов принци пиально ничем не отличаются от аналогичных нечеи для прокат ного производства, описанных выше Характерным для них явля ется Нсшичие монолитного пода и небольшие размеры (рис 33.2) Методические печи кузнечных цехов работают на газообразном, а также на жидком топливе. Они обеспечивают несколько мень шую, чем у прокатных печей, удельную производительность Рис. 33 2 Толкательная кузнечная печь с боковоп выдачей 517 (250-400 кгДм^-ч)! при повьппенном удельном расходе топли ва, сосгавляющем 2,6-4 МДЖ/KI Заюювки сложной формы нафевают в не i х с дисковым вранипонщмся подом На рис 33.3 представлена одна из таких пе чей Заготовки располагают обычно на наклонных частях пода нечи, небольшая центральная часть пода печи мет^шлом не за полняется Заготовки размешают на некотором расстоянии одну от другой во избежа1П1е их сваривания Зафузку и выфузку ме талла осуществляют через рабочее окно / Вынув одну нафетую заютовку, нл ее место кладут дру1ую, холодную Время одного обороы пода должно быть равно времени иафева заготовки Печь может отапливаться не только жидким, но и газообразным топ ливом При отоплении мазутом применяют форсунки низкого давле1И1Я, при отопле1П1И газом — турбулентные или инжекционные юрелки Горелки 2 располагают тангенциально, что обеспе чивает циркуляцию газов в рабочем пространстве Дымовые газы удаляют из печи через три дымоотводящих вер тикальных каната при полющи воздушных эжекторов 3 и подают под вытяжной зонт, через который они удаляются из атмосферы UQXd Верхний слои иода печи выполнен из тшжковою кирпича, инертного по отношению к окалине Кольцевая щель межцу сте0 2340 /У\(УУ /УУ УУУ УУУ УУ/ УУУ УУУ УУУ / / / ///' / / / УУУ \УУ УУУ / / / у/У^ /У/ / / /'/ • Вода "5 Рис 33 3 Кузнечная печь с вращающимся тарельччым подом 518 нами и нращаюшимся подом печи герметизируется при помощи пщраилпческого затвора 4 Под имеет центр.шьную ось и распо ложен на трех опорных роликах 5 Вращение пода осуществляется толчками при помощи специального гидравлического цилиндра Подобные конструкции с дисковым вращающимся подом отно сятся к камерным печам постоянного действия. В них достигается удельная производительность 500-600 к1/(м2'ч) при удельном рас ходе тепла 3,8-8 МДж/кг. Нижний предел удельного расхода теп ла достигается при рекуперации тепла при высокой удельной про изводительности, к. п т печи составляет 15—20%. Для нафсва концов заготовок применяют П1елевые печи с руч ной или механизированной подачей металла, относящиеся также к типу камерных печей посто янного действия. Щелевая печь с ручной загрузкой и выгрузкой металла представле на ПА рис 33.4 Металл рас полагают на пороге рабочего окна печи Концы заготовок выдвигаются в рабочее про странство печи через щель 1, у которой для большей стой кости предусмотрена водоохлаждаемая коробка 2. Горел ки 3 расположены как в ниж ней, так и в верхней мастях рабочего пространства, что обеспечивает двусторонний нагрев металла. Печь может отапливаться жидким и газо образным топливом. Дымовые газы удаляются из рабочею пространства печи через щель 1 и дымоотводящий ка нал 4, по которому разбавлен ные подсосанным воздухом дымовые газы поступают в метсшлический рекуператор 5, !Ю;7ЖЖЖЩЖ7Ю7Ж7П;7а затем по дымовым боровам Рис. 33,4, Щелевая кузнечная печь 6 удаляются в дымовую трубу. 519 l;y^^•^'-^^:ч<^^^!T?У>^:'T.ч^-^^'.sV^ЧчЧч^^^>^S.^VчЧ\û^^УiTA^•>^v^^^ Рис 33 5. Ко11и.иер1к.я к . и е п п я пе 1Ь Для чистки и ремонта рекуператора предусмотрен съемный свод 7 Щелевая печь работает с к п т., равным 12-15%, при удельном расходе теши 3 5-10 МДЖ/KI Низкий к п т и высо кий удельный расход теплт объясняется большими потерями теп ла через неподо1рев1е\1ую lacxb заготовки и рабочее окно печи Щелевая печь с KonienepoM представлена на рис 33 5 Металл со стола зафузки 3 подхва.ывае.ся конвейером 2, транспортирует ся вдоль печи и выдается на стол 4 Для сжигания топлива ис пользуют юрелку / Дымовые газы через каналы б подаются в рекуператоры 5 и удсшяются под вытяжной зонт. Применение по добных печей обеспечивает удельную производительность, равную 400-500 кг/(м^ • ч) при удельном расходе тепла 2,5-3 МДж/кг. Печи для малоокислительпого нагрева металла М1июокислительныи нагрев металла может быть осуществлен в печах, 1де происходит неполное сжигание газообразного топли ва при большом недостатке воздуха (и = 0,5) Нагюмним, чю при сжигании \лм с недостатком воздуха окисление может идти по следующим реакциям Fe h СО2 t ; Fe + CO, Ге +H2O <г> FeO Ь Hj 520 Равновесие этих реакций возможно при определенном соотно шении СО/СОз и Нз/НзО. При температуре 1250-1300 °С эти равновесные соотношения равны СО/СОз = 3; Н2/Н2О = 1,35. Следовательно, при составе атмосферы печи, обеспечивающим ве личину этих отношений выше указанной, будет возможен безокислительныи иафев Подобная атмосфера может быть получена при п = 0,5. Температура горения при п = 0,5 будет около 1350—1400 °С, что совершенно недостаточно для нагревательных печей Необхо димая температура юрсния, равная 1900-2000 °С, может быть до стигнута двумя способами, подофевом воздуха до 800-900 °С либо обогащением воздуха кислородом. Печи малоокислитсльно10 нагрева работают при двуступенчатом сжигании п з а I сту пень — сжигание с и = 0,5 и II ступень — дожигание продуктов первичного сгорания с использованием тепла для подофева воз духа или для нафева металла при низких температурах в печи Схема одной из таких печей с регенеративным подогревом воздуха приведена на рис 33 6 В этой печи сжигание газа в рабочем пространстве ведется с « = 0,5 Температура воздуха, идущего на горение в первой стации, 1000 °С. Воздух подофевается в регенераторах с металличес кой насадкой из коротких пихромовых трубок. Обогрев регенерато ров осуществляется путем дожигания продуктов неполного сгорания, полученных в рабочем пространаве печи В целях снижения температуры в насадке регенератора дожигание ведется с w = 1 и при разбавлении холодными дымовыми газами (с температурой 200—300 °С). Пере©ооо юпочение клапанов регенераторов производится через короткие ин тервалы времени (-30 с) при помо Рис. 33.6 Схема печи малоокислительиого нагрева мет<1лл<1 с ме щи специального пульсатора. Час таллическими регенераторами тые переключения и высокая теп/ - подвод газа, 2 — регенерато ;юпроводность материала насадки ры, 3-6 — переключающие клапа ны, 7 — каналы для отводящих лают возкюжность получать регене газов и подогретою воздуха раторы компактных конструкций 9Р////////Ж т 521 Иагрен загоюнок под iiiraNmoiiKy до высоких температур воз можем н условиях сжигания при « = 0,5 при обогащении коздупиюю ду11)Я кислородом При этом объем продуктов iienojuio10 сгорания становиюя значительно ме1нлпим, чю и обуслошн!вает повьппение теорептческои температуры lopeiniH Прос1еишая схема каь5ернои печи периодического действии, 1де воздух обога щается кислородом, показана ил рнс 33 7 Значительно больший эффект дает использование гепла вто ричною сжи1а1Н1Я как для naipeiw воздуха и дополнительною KOJHPiecTBa кислорода, гак и юш предварительною подог рева злютовок Идея максимальною использования 1епла продуктов неполною сюрания находит практическое otyHiecTiwienne в схе ме, предс1аш1еннои на рис 33 8, 1де показана конструкння меюдическои толка1е;п>нои печи с торцевыми юрелками и боковом выдачей заюювок По iuinne печь разделена па три зоны. В первой зоне газ сжиыегся с недостатком возд\ха (п = 0,5). Высокая телшература до стигается за счет обогащения воздуха кислородом, а также в ре зультате рекуперативного подогрева первичного воздуха м допол нительного кислорода Далее продук1ы непо;н1ою сюрания разветвляются на два потока (вторая зона), разделяемых карбо рундовым 11олумуфе;Н)НЫм сводом Под ним продукты неполною cropainw про должают лнитться навстречу нафеваемым заютовкам, а над сводом они до жигаются с подогретым в рекупераюре воздухом В третьей зоне все продукты неполною сюрания доюрают Таким образом, в этом чает печи нафев заго товок ведется в атмосфере нродукюи волною сюрания ьоа Распределенне зон рассчитано так, чтобы метш1л нагревсшся в аьмосфере продуктов полною сюрания до 650— 700 °С (гретья зона), поп сводом - до Рис 33.7. Cxi-M.i пичи McLio 900 °С и в конечной зоне naipesa — окпсштепьного нагрет на оСоышепиом луп е от 900 до 1250-1260"С в атмосфере / — lopeiKii, 2 — nOAOiptпродуктов иепо;н1ою сюрания тая кнсторолно иоздушпая Дымовые газы ил выходе т печи смесь, J — рекуператор, / — OTUO I iipoiyKTOii сгоршпя проходя! через рекунераюр, служапнп! 522 _8 9 7ZZZZZZZZZZ '///////////УА^ Рис. 33.8. Схема толкагельной печи малоокислигелыюго нагрева / — ropeiKd, 2 — подогретая газо-иоздушная смесь, 3 — подогретын воздух для дожигания, 4-6 - первая, вторая и третья зоны горения, 7 — рекуператор, 8 — холодная кислородно-воздушная смесь, 9 — воздух для дожигания, 10 — кар борундовый полумуфельный свод для подофева воздуха и дополнительного количества кислорода, идущих к горелочным устройствам всех трех зон Печи малоокислительного нагрева могут обеспечивать к. п. т., равный 58-65%, и весьма низкий удельный расход тепла (1350— 1600 кДж/кг). Важным является вопрос о степени обогащения воздуха кислородом. Практически малоокислительный нафсв под штамповку и ковку на холодном первичном воздухе возможен при концентрации, кислорода до 36—40% Расход кислорода со ставляет 27—30 MVT нагреваемого металла. Если же предваритель но нафевать первичный воздух, то добавка кислорода может быть уменьшена Глава 34 ТЕРМИЧЕСКИЕ ПЕЧИ Термические печи цехов машиностроительной промышленнос ти отличаются большим разнообразием, соответствующим множе ству различных ввдов обрабатываемых изделий. Как и ко всяко му печному оборудованию к термическим печам машинострои тельных заводов предъявляются требования, связанные с необходимостью обеспечения' высокой производительности при требуемой степени механизации и автоматизации, низких энерго затрат и высокого качества нафева. Последнее особенно важно 523 iUiH термических печей, и которых большей частью обрабатынас!ся уже ютовая продукция Высокое качество naipeua — это прежде всею равномерный итреи по садке и геометрии изделии, который связан с равномер ным распределением телшературы по рабочему объему печи Рав номерное распределение температуры обеспечивается как равно мерным распределением иаочников тепла (особенно в электричес ких печах), ык и, в основном, интенсивным движе|Ц1ем тазов, сосиииигющих атмосферу печи С этой целью при конструирова1ши и эксплуагации термических печей принимаются специальные меры для осуществления интенсивной циркулятти и рециркуляШИ1 1азов в рабочем пространстве К этим мерам относятся такие, как TanieHHHiurbHoe расноложение юрелок, использование 1птжектруюитх струи, установка специальных вентиляторов и др 13 термических печах машиностроительных цехов обработку проходят такие изделия, как тяжелые покоцки и отливки, автомобильшие и факторные детали, режущий и мерителып>п1 iniciрумемт, 1И1ампы, рессоры и пружины, шарики, роликоподинш1Н1КИ и многое другое Вьнюлняется как термическая, так и термохимическая обрабо1ка, основными видали! которых являются отжи1, норм.шизация, зак.шка и отпуск, а также цементация, цианирование и азо тирование В настоящее время на машиностроительных заводах все более значительное распросфанеиие получаю! электрические термичес кие печи, однако при этом и топливные (чаще всего ызовые) печи пе 1еряю1 своего значения 1. Печи для тсрми1ескои обрабоиси тяжелых и крупногабаритных изделий Широкое распросфанеиие в м гшииостроительнои промышлен ное! н 1!олучил!1 рециркулящюнные топливн1>1е печи садочно!0 и проходного типа Ш1Я 1ермическои обработки !OTOBI>IX изделии Оргапиза1и1Я .\и1огократно1"| рециркуляции iTieiomeii сред!)! в ра бочем пространстве вместо проточного (KantUibHOio) их 1ече11ия !!озволяе1 достичь более IIIGKOTO управления самим процессом на грева и, как следствие, повыси1ь точность и равномерность на грева Ре1;иркуляцнонн151е то11Л11ВН!>1е нечи отличаются !1овы!!1ениои производи 1ельностыо и меньшим удельным расходом тепла, 524 более простыми и надежными системами контроля и регулирова ния тепловою и температурного режимов Многократная рецир куляция продуктов сгорания топлива увеличивает время пребыва ния их в рабочем пространстве печей, что позволяет сшЬнть уровень температуры в печи без снижения количества тепла, пе редаваемого нагреваемому металлу Кроме того, изменением объемной кратности рециркуляции и изменс]шем температуры греющих газов, вновь вводимых в печь, возможно гибко управ лять уровнем рабочей температуры печи Су1цес1вует два способа (рис 34 1) организации рециркуляции газов в печи применение специальных вентиляторов и за счет энергии топливо-воздушных струи, вытекающих из горелок (реже - форсунок). Первый сгюсоб имеет ограниченное приме нение и используется, когда температура в печи не превышает 600—700 °С При втором способе в качестве инжектирующей сре ды в печных инжекторах используется или тoпJц^вo-вoздyшнdя смесь (рис. 34 2) или вторичный воздух (рис 34.3) По конструк тивному исполнению печи бывают с вертикальным и горизон тальным расположением рабочего пространства Вертикальные термические печи предназначены для термичес кой обработки крупных, длинных, ответственных изделий, таких как оси, толсюстенные трубы, валы и т п Применяют их также для термообработки особо крупных и ответственных изделии, на пример, рабочих колес гидротурбин (диаметр 8,65 м^, масса 300 г) Топливовоздушная струя Вентилятор Рис. 34 1. Топливная печь с рециркуляцией газов с помощью вентилятора (я) и энергии топливо-воздушных струи (6) К, — П1зы, подаваемые через горелочные устройства, ^2 — газы, возвращаемые из рабочего пространства 525 Одна из конструкщп! реииркулянионнои печи иертик.шьною типа для термообработки дли1П{омерных изделии показана на рис 34 4 Внутренний диаметр рабочею пространства печи равен 1700 мм, а высота 7500 мм Печь может отап;ин)аться как жид ким, так и газообразным топливом Тепловой и тели1ературнын режимы по высоте печи и в процессе нафева контролируются и регулируются автоматически Пределы изменения тепловой иафузкп состашииог 2,2—2,5 раза Общее время процесса термообработ ки изделии сокращается примерно в два раза по сравнению с печа\т других типов без снижения качества термообработанных изделии. Поперечное сечение печей данною шпа може! иметь кру1лую или овсшьную форму Отвод дымовых П130В возможен как сверху, так и снизу печи Обычно вертикскшные печи размешают в спеиисшьных приямках, а зафузочное отверстие печи - на уровне гюла цеха или на уровне специальной рабочей площадки Загрузку и выгрузку изделии осу ществляют мостовым краном через открывающийся верх рабочей камеры Если печь предназначается для заксШки, ю закалочные баки обычно устанавливают в общем приямке с печью Размеры подобных печей изменяются в очень широких пределах диаметр рабочею пространства oi 0,6 до 3 м, а высота от 1,8 до 20 м. Пролетный (сифонный) кирпич Рис. 34.2, Печной инжектор с реimpKv тцпеи nuou топливо uojnjmны.ми струями горелок (форсунок) 7 — иижскционное ^строистио, 2 - горетка (фор(.\нка) 526 Рис. 343, Печной инжектор с реипркуляциеи rajou струями итормчиою иощуха / - топочная (.IMtpi, 2 - WHKtKimOHHOt, устроистно, 3 - патрубок лля полит вто ричного воздуха cojn<iiouieio рециркуля цию глзои, 4 - ropeiK.i Чаще всего обрабатываемые в печи изделия подвешиваются. Под веска с изделиями устанавливается над крышкой на двух подвиж ных опорах. В вертикальных печах применяют искусственную циркуляцию газов, осуществляемую за счет использования энер гии газо-воздушной или воздушной струи, подсасывающей дымо вые газы. На рис. 34.5 показана конструктивная схема поперечного сече ния рециркуляционной печи горизонтального типа В таких печах инжекционные устройства, организующие рециркуляцию продук тов сгорания топлива, располагаются попарно (снизу и сверху) на боковых стенках. Садка располагается на подине на специальных подставках. Дымовые газы удаляются из печи через ряд каналов, рассредоточенных в боковых стенках печи по ее длине. Возможна и односторонняя организация рециркуляции феющей среды (рис. 34.6). Печь предназначена для термообработки штампов и имеет площадь пода 2,5x3,0 м Инжекционные уст ройства расположены с одной стороны в нижней части печи. Сжигание топлива осуществляется в одной топке на три по длине печи инжекционных устройства, а рециркуляция газов оргаиизуА ^ Рис. 34.4. Вертикальная закалочная печь / — рабочее пространство, 2 — инжекци онные устройства, 3 — каналы для отвода дымовых газов, 4 — горелки 527 ется струями нторичного иоздуха, нытекаютими из специальных сопел Для термической обработки тяжелых и крупногабаритных из делии чаще всею применяют садочные печи с ныдвижным noziOM Печи с выл,15ижным подом бывают самых разных размеров or мелких до вметающих 300—400 т метсшла На рис 34 7 представ лена одна из таких печей В боковых стенках печи расположены топки-форк.1меры /, в которых осуществляется первая стадия сжиынии гоплива при помоши юрелок 2 с коэффипиеигом расхода воздуха 0,6—0,8 В инжекционных устройствах 4 выполняется вто рая С1.ЩИЯ сжигания за смет струи воздуха J, создающих циркуля цию При отоплении природным газом и использовании инжекЦИ01ГНЫХ юрелок 1емпература в форкамерах находится в пределах 1250—1350 °С В рабочем пространстве в зависимости от вида тер мообработки температура изменяются в пределах 600—900 °С, а ко эффициент расхода воздуха от 1,3 до 2,5. При осуществлении технолотческои выдержки равномерность температуры по садке со ставляет ±5 °С 'с=Ьл р Рис. 34.5. Конструктипная схема попереч ного сечения ropiiJOHTiibnoii рециркуля ционной печи / - пристеннын реииркУ1яиионны11 поток I.UOU, 2 — кольнеиои поток прашаюшихся nuou 528 Рис. 14.6 Реиирку1яц110ннля тер мическая печь с односторонним (НИЖНИМ) расположением инжек ционных устройств / — рабочее пространство печи, 2 — нагретемьи. идделия, 3 - каHcLT Л1Я отвода продуктов горе ния, 4 — топка для сжпмния топлива, 5 - с о т о инжектора, 6 — инжекиионное устромстио Рециркул$щионныи принцип нафева ncnojHjsyeicn и при раз работке термических печен проходного типа На рис. 34 8 пока зан поперечньш разрез печи с шагающими балками площадью пода 6,7x28 м. Рециркуляция продуктов сгорания осуществляет- ±00 ///У// WW, 6978 Рис. 34.7. Термическая рециркуляционная печь с выдвижным подом (о) и схема рециркуляции газов U ней (б) 529 fiTrrrTrrrrrt ф ф ф^ Рис. 34.8. Рециркуляционная проходная печь непрерывно ся зл счет энергии топливо-воздушных струи. Инжекционные ус тройства расположены в верхней части печи на боковых стенках. Для лучшей аэродинамики широкой печи ее свод разделен на две части пережимом, что позволяет достичь высокую равномерность нафева по длине изделий Печь по ее длине разделена на не сколько тепловых зон с целью реализации любого заданного тем пературного режима. Рециркуляционный принцип нагрева металла имеет большие потенциальные возможности и на его основе могут быть разра ботаны новые конструкции печей для нафева как изделий про стой и сложной формы, так и для садок сложной формы и раз личной степени тепловой массивности. 2. Печи для термической обрабопш автотра1сгорных деталей Наиболее распространенными печами для нормализации, от жига, нафева под закаггку, сорбитизации деталей являются про ходные печи с подподовыми топками, работающие на газообраз ном топливе. Изделия продвигаются вдоль печи на поддонах тол кателем (рис. 34 9). Кроме того, для нагрева под закалку 7825 по кладке печи Рис, 34 9. Проходная печь для нафева под закалку гусеничных звеньев 531 применяются также печи с роликовым и враиинотимся подом, ничем, по cymeciny, не отличающиеся от рассмотренных ранее Значительное место в печном хозяйстве 1ермических отделе нии автотракторных предприятии занимают печи для термохими ческой обработки цементации, циамирования, азотирования Наиболее распространенным процессом яш1яе1ся ызовая цемен тация, для которой в настоящее время применяют ино1да безму(1)ельные aiрегаты, оборудованные радиаитиыми трубами Для laзонои цемепгаи»» мелких дет.шеи часто iicnoju.iyroi шахтные и барабанные электрические печи Цианирование и азотирование авютракторных деталей осуществляется в ванных, садочных и проходных печах с электрообогревом 3. Термические печи специа;1Ы1ого назначения Как уже О1мечси10сь выше, на машиностроительных заводах множество изделии проходит самые раз^тчиые виды 1ермическои и термохимической обработки Для эюи пели преимущественно используются электрические печп самых разнообразных конструк ции и назначения Для термической обработки инструмента, пру жин, рессор, штампов, шарикоподшипников и других изделии продолжают использоваться печи, работаюии1е, в основном, пл га зообразном топливе Эксплуатируется значительное число небольПП5Х камерных (одно- и двухкамерных) печей с моиолшным по дом, печей с враи1аюии1мся подом, проходных печей с подподовыми топками, не отличающихся практически от печей, описапных выше Разнообразие обрабатываемых изделии и видон термо- и термохимической обработки порождает соотве1ствующее разнообразие печного оборудования, которое не можег быть под робно описано в рамках данною учебника Остановимся лишь на двух конструкциях, представляющих интерес и не рассмафиваемых выше На рис 34 10 изображена элеваторная терлтческая печь, пред назначенная ;уш термической обработки крупногабаритщлх изде лии или мелких дет^шеп, \CTanonjienin.ix па этажерках Элеваюрные печи обычно размепмют ju^nie пола цеха па колоннах, опи рающихся па фундамент Под этих печен подвижный, для подъема и опускания его служит специальный механизм с элек тромеханическим приводом Опущенный под печи находится на уровне пола цеха После иодт^ема иода рабочая камера печи гер532 Рис. 34.10 Элеваторная 1ермич(.ская печь / — загрузочная машина, 2 - механизм подъема пода, 3 — под, 4 - подставка, 5 — обрабатываемые изделия (или этакерка), 6 - горелка шшп Рис. 34.11. Термическая печь с пульсирующ / - механизм пульсации, 2 -зафузочно-уплотнительное устройство, 3 4 — горелка метизируется песочным или гидравлическим затвором. Газовые элеваторные печи применяют для выполнения операций термо обработки при температуре от 900 до 1100°С. Размеры печей из меряются в широких пределах: диаметр рабочего пространства от 1 до 4 м, высота от 1,5 до 6 м. Масса садки изменяется от 1,5 до 43 т, производительность от 0,1 до 2,15 т/ч С изменением размеров печи меняются общий расход топлива — природный газ (от 12 до 240 MV4) и число горелок (от 4 до 50 шт.). На рис. 34.11 представлена термическая печь с пульсирующим подом, применяемая в серийном производстве для обработки мел ких деталей. Печь оборудована пульсирующим лотком, установ ленным на свободно вращающихся катках. При каходой пульса ции, во время резкой остановки лотка,' лежащие на нем детали по инерции передвигаются вдоль печи. Температура нагрева ме талла в этих печах достигает 900 °С. Длина таких печей обычно изменяется в пределах от 2 до б м, при ширине 0,4—0,8 м и вы соте 0,4—0,65 м. Производительность (при закалке) 130—770 кг/ч, расход природного газа 15—75 и^/ч Глава 35 СУШИЛА 1. Устаноош! для cymiui сыпучих патерпалов Для сушки сыпучих материалов используются барабанные су шила, устройства для сушки в пневмопотоке и установки кипя щего слоя. Все эти устройства характеризуются непрерывным ре жимом работы. Барабанные сушила Основной частью барабанного сушила является длинный стальной цилиндр (барабан), установленный с небольшим накло ном к горизонту (рис 35.1). Барабан опирается на опорные ро лики и вращается вокруг своей оси благодаря зубчатому венцу, связанному через редуктор с электроприводом. Влажный сыпу чий материал через загрузочное устройство подается в верхнюю часть барабана и при его вращении (обычно со скоростью не сколько оборотов в минуту) постепенно перемещается к его разфузочному концу, где он покидает сушило через камеру выдачи. 535 Рис. 35 1. Барабанное сушило / - вентилятор для подачи воздуха к горелке; 2 - горелка, 3 — топочная камер камера,-6 — труба загрузочного устройства, 7 — опора барабана, 8 — барабан, о ник Л — разгрузочная камера, /2 — дымосос Для ускорения cyiuKH внутри барабана установлены стальные пла стины и виде лопастей или секторов, перемеишвающие и разрых ляющие сыпучий материал Сжигание топлива производят в отдельной топке, после чего продукты сгорания смешиваются в смесительной камере с воз духом для понижения их температуры до 800—850 °С При этой температуре сушильный aicHT поступает в бар\бан (у его загру зочного конца), покидает барабан при температуре 100—120 °С через газоотвод у разгрузочного конца и направляется в газоочи стные циклоны после чего удаляется в атмосферу с помощью дымососа Тепло к высушиваемому материалу передается 1лавным обра зом за счет конвекции и, несмотря на наличие перемешивающих лопастей, сушка происходит сравнительно медленно Удельный расход тепла на удушение 1 кг влаги из материала для барабанных сушил составляет около 4—5 МДж/кг Сушила для сушки в пневмопотоке и кипящем слое Эти сушила имеют более высокую удельную производитель ность благодаря интенсивному протеканию процессов тепло- и массообмена и более быстрому удалению влаги из высушиваемо10 материсша В установках для сушки в пневмопотоке обеспечи ваются условия существования взвешенного слоя, когда скорость потока сушильного агента превышает так называемую скорость вигания твердых частиц, в результате чего последние уносятся по током. В сушилах с кипящим слоем сыпучий материал под дина мическим воздействием потока су!дильного агента находится в разуплотненном состоянии и энергично перемешивается Этим обеспечивается как резкое увеличение удельной поверхности на грева, так и рост коэффициентов тепло и массоотдач'и. Установка для сушки в пневмопотоке Она представляет со бой вертикальную трубу, изготовленную обычно из чугуна, в нижнюю часть которой из бункера через шлюзовой питатель по дается влажный сыпучий материал (рис 35 2). Здесь частички подхватыв^иотся восходяшил« потоком горячею сушильного агента (обычно это смесь продуктов сгорания и воздуха, поступающая из топки со скоростью от 10 до 40 м/с при температуре около 700 °С), который уносит их вверх по трубе Пройдя трубу и осво бодившись от влаги, материал попадает в циклон, где он отде537 Рис. 35 2. Схема установки для сушки сыпучих материалои ц п}1евмопотоке / - топка, 2 - шлюзонои гштатель, 3 — ленточный копиеиср, 4 — загру J04JiMH бункер, 5 - иертнксиьная сушильная труба, 6 — разгрузочный циклон, 7 — циклон для очистки уходящих газов, S — вентилятор вы сокого давления Топливо f и воздух t Рис. 35.3 С5ШИЛ0 с кипящим слоем / — топка, 2 — труба для удаления продуктов сгорания при пуске и разофеве сушила, 3 - ЦИКЛ01С, 4 - дымосос, 5 - рабочая камера, 6 - решетка, 7 - смеси тельная камера, 8 — подиод холодного воздуха для разбавления продуктов сгора ния, 9 ~ загрузочное устройство, }0 — холодильник для охлаждения сухого сыпу чего матери.ша 538 ляется от газа-носителя и затем выгружается. Уходящие газы пе ред выбрасыванием в атмосферу подвергаются дополнительной очистке в циклоне с увлажнением Сушило с кипящим слоем Это сушило (рис. 35.3) представляет собой камеру, дно которой выполнено в виде решетки На ре шетку помещают слой подлежащего сушке сыпучего материала, а под решетку подводят горячий (с температурой 800-850 °С) су шильный агент из топки и из смесительной камеры с таким дав лением, чтобы частицы материала находились во взвешенном со стоянии, но не уносились бы потоком газов, как в случае сушки в пневмопотоке. Газы, проходящие через кипящий слой, быстро высушивают материал благодаря высокой интенсивности теплои массообмена Удельная производительность (отнесенная к площади решетки) сушил кипящего слоя высока и достигает 7500 кгДм^ • ч) при удельном расходе тепла на удаление I кг влаги из высушиваемого материала около 3,5—4,5 МДж/кг. Вы сушенный материал поступает из рабочей камеры в холодиль ник, где остывает до температуры -50 °С и затем выфужается из установки. Верхнюю часть рабочей камеры выполняют с не сколько большим поперечным сечением для того, чтобы снизить скорость движения сушильного агента и тем самым уменьшить вынос мелких фракции из рабочей камеры. Уходящие из каме ры газы перед выбрасыванием их в атмосферу очищаются от пыли в циклоне. Сушильные установки с кипящим слоем получили достаточно широкое распространение благодаря эффективности их работы, возможности автоматизации и простоте регулирования. Удельный расход тепла в них составляет около 2,5-3,5 МДж/кг. 2. Установки для суш1ш изделий Различные способы подвода тепла к сушимым изделиям (ли тейным формам, стержням, огнеупорным изделиям и т. д.) опре деляют особенности конструкции сушильных установок. Нафев может осуществляться либо путем генерации тепла в самом вы сушиваемом материале, либо путем передачи тепла к поверхнос ти материала извне как излучением, так и конвекцией. Наиболь шее распространение в промышленности получили сушила, в ко торых тепло к материалу передается конвекцией от продуктов сгорания, смешанных с воздухом или возвратом. 539 На конструкцию сушила ыкже оказывает шшяние масса высуп1ивае.\п,1х изделии Для сушки сравнительно мелких изделии, коюрые Moiyi быть легко перемещены через рабочую камеру су шильной >становки при noMouui разною рода конвейеров, при меняют суин1ла непрерывною действия Крупные изделия, которые нельзя непрерывно транспорт ироват1> через рабочие камеры, суш.п в установках периодическою денствия с выкатными эт:1жерками и тележками Загрузка изчелии при этом облегчается блаюдаря KpaH-6iUiKaM и мостовым кранам Особо крупные и фомоз1кие изделия, тя которых по требовался бы очень моиин>н1 механизм выдвижения тележки, сушат в ямных сугпилах со съемным сводом, а их зафузка ведет ся с помощью MOCIOBOIO крана Сушила с конвективным режимом работы Сушила периодического действия К ним относится камерное сушило с выкат НОИ тележкон (платформой) Сушило состоит нз рабочей камеры и двух топок, расположенных ниже пода камеры и соединенных с ней дымовыми каналами, ифаюшими одновре менно и роль смесительных камер (рис 35 4) Стены и свод рабо чей камеры сушила выполняют обычно из красного кирпича с наружным слоем геплоизоляцип Двери камерных сушил представ ляют собой каркас, с двух сторон обшитый листовым железом, нросгранство между листами заполнено легковесным кирпичом или пшаковои ватой Двери, как правило, открываются механизмами с электроприводом или иневмоцилиндром Тележка с установленны ми ил ней формами или крупными стержнями перемешается по уложе}1Ным на иоду сушила рельсам с помощью лебедки В топках супшла сжигают любое топливо твердое, жидкое или газообразное Cienbi топочных камер футеруют шамотом Продук ты сюрания напра11ляются из топок в дымовые кансшы, расположе1Н1ые под подом сушильной камеры вдоль продольных cTCii В этих кап^шах для снижения температуры дыма его смешивают с воздухом или с уходящими газами (возвратом) Полученная смесь (суин1льныи aicHT) пост^'пает в камеру через отверстия в сводах дымовых каналов Поднимаюпн1еся вверх потоки горячих ызов вызывают естестие1И1ую циркуляцию, снособсгвуюшую выравни ванию температуры по всему объему камеры и ускорению про цесса сушки Дымовые газы удшииотся из камеры через боров, расположенный вдоль пролольнои оси камеры 540 Рис. 35.4. Камерное сушило с выкатной тележкой / — дымовой канал, 2 — дымовой боров, 3 — короб для подачи и распределения возврата в рабочую камеру, 4 — платформа, 5 — дверь, 6 — рабочая камера, 7 — механизм подъема двери, 8 — рециркуляционный вентилятор, 9 — шибер для регулирова ния расхода возврата, 10 — трубопровод для отвода отработан ных газов, / / — отверстия в сводах дымовых каналов '/7Ур7у//Щ шШ^^ш^^ШШШШШЫ Для повышения интенсивности процессов сушки в камерных сушилах широко применяют принудительную циркуляцию продукюв сюрания Для этого часть отработанных продуктов отби рают из борова при помощи дымососа, находящегося вне суши ла, и подают в коробы, расположенные по всей длине рабочей камеры сушила (внутри ее с обеих сторон, над сводами дымовых KautUioB) Выходящие со скоростью 15-20 м/с из сопел коробов отработанные газы усиливают циркуляцию в камере сушила, ин тенсивно подсасывая свежие продукты сюрания из отверстий в сводах дымовых каналов Введение принудительной циркуляции сокращает продолжительность сушки в 1,3—1,5 раза и существен1Ю снижает расход топлива При сушке мелких изделий их размешают на металлических этажерках, вдвигаемых в рабочую камеру. Для облегчения пере мещения этажерки делают сравнительно небольшими: в сушиле, как правило, помещают 2-4 этажерки одновремещю "^ШШМ^ШШЖЖШШЖШМ^ЖШТЖ^Ш^/. Рис. 355. Переносное сушило для поиерхностной подсушки форм горячим кощхоы I — сборный воздухопровод, 2 - вентилятор, 3 — Э1ектрокалориф(.р, 4 -распре делительные воздухопроиоды с сотами 542 в камерных сушилах расход топлива на удаление 1 кг влаги из высушиваемого материала составляет 13,5—20 МДж/кг. Для поверхностной подсушки литейных форм применяют пе реносные установки, устанавливаемые над предназначенными для подсушки полуформами (рис. 35.5). Воздух, забираемый вентиля тором из окружающего пространства, направляется в калорифер, представляющий собой теплоизолированную камеру с установлен ными в ней электрическими нагревателями сопротивления. Нафеватели, обдуваемые воздухом, нафевают его до температуры 300-350 °С, после чего горячий воздух поступает в распредели тельные воздухопроводы, расположенные внизу рамы. Каждый воздухопровод имеет сопла, через которые горячий воздух с боль шой скоростью направляется на поверхность литейной формы. Сушила непрерывного действия Сушильные установки непре рывного действия представляют собой вытянутые (в sbicoiy или в длину) камеры, внутри которых с помощью конвейеров различ ных конструкций высушиваемые изделия перемещаются от загру зочного к разфузочному концу. Вертикальное конвейерное сушило (рис 35.6) выполняют в виде башни со стенами рамно-щитовой конструкции. Простран ство между внутренним и внешним стальными листами обшивки рам заполняют теплоизоляционным материалом. Внутри сушила движется вертикальный конвейер, состоящий из двух непрерыв ных роликовых цепей с подвешенными на них этажерками. На полки этажерок укладывают подвергаемые сушке изделия. Зафузка производится со стороны восходящей ветви конвейера, разфузка - с противоположной стороны, причем эти операции обычно механизированы. Топка сушила находится между двумя ветвями конвейера; ее размещают выше уровня зафузочного и разфузочного окон, что бы предотвратить выбивание горячих дымовых газов Топка рас положена внутри смесительной камеры, в которой происходит перемешивание выходящих из топки продуктов сгорания с холод ным воздухом или отработанными газами. Наружная камера од новременно ифает роль тепловой изоляции топки. Приготовлен ный таким образом'сушильный агент выходит из камеры смеше ния через отверстия в ее своде и поступает в сушильную камеру со стороны восходящей ветви конвейера. Поднявшись в верхнюю часть сушила, дымовые газы огибают перегородку, опускаются в нижнюю часть сушила, откуда дымососом часть их отводится для 543 Рис. 35 6 (кртнксшьное KOHueiiepHOt. cyuiino / — рабочее проотраистпо, 2 - привод, 3 - цепь KOiiiient-pi, 4 - персгоролка, 5 — ueavinti. кои.со, 6 — дымошт труба рециркуляции, а часть поступает в дымовую трубу Вмесю сплош ной переюродки часто используют (азонапрашипошие шиты, устаиашпцзаелп>1е над топкой Изменяя уюл наклона этих щитов, можно ynpaiuiHTb распределением газовых потоков в сушильной камере Помимо этою, дымовая труба соединена с верхней час1ью сушильной камеры четырьмя короткими трубопроводами с заслонками ил каждом из них Все Э1И средства позволяют регу лировать работу супшла и подбирать юг режим сушки, который требуется iiriH данных изделии 544 в вертикальных конвейерных сушилах с производительностью от 800 до 2500 кг/ч удельный расход тепла на удаление 1 кг вла ги составляет от 18 до 26 МДж/кг. Сушила с радиационным режимом работы В качестве источника тепла в этих сушилах используются твер дые излучатели. Ими служат либо нафеваемые продуктами сго рания газа панели или трубы, либо электрические нафеватели со противления, размещенные на щитах, из которых и собирают ра бочую камеру сушила Возможно также использование инфракрасных ламп накаливания, обеспечивающих плотность тепловою потока 0,5—0,8 Вт/м'^ Сушила с радиационным режимом работы выполняют как пе риодического действия (переносные для поверхностной подсуш ки лигейных форм), так и непрерывного действия Их обычно используют для поверхностной подсушки форм и стержней. Из делия внутри сушил непрерывного действия перемещают с помо щью ленточных транспортеров Установки для сушки в высокочастотном (микроволновом) электрическом поле Эти установки в отличие от всех рассмотренных выше сушил, представляющих собой печи-теплообменники, являются печамитеплогенераторами. Если поместить сушимый материал (являю щийся, как правило, диэлектриком) в переменное электрическое Рис, 35.7. Схема установки для сушки стержней токами высокой частоты / - транспортер, 2 - входная дверца, 8 - панели с тепловой изоляцией, 4 — нижний неподвижный электрод, J — верхний подвижный электрод, 6 — .механизм подъема электрода и подвод ТВЧ, 7 — отвод паров и газов из сушила, 8 — выход ная дверца 18 — 5041 545 поле, в нем происходит выделение тепла При этом темперагура центра тела выше температуры его поверхности, 1де тепло расхо дуется на испарение и потери в окружающую среду В этом слу чае вектор потока термовлагопроводиости имеет то же направлеinie, что и вектор клагопроводности Это способствует ускорению процесса сушки. Схематическое изображение сушила непрерывного действия ;и1я сушки в электрическом поле высокой частоты приведено на рис 35 7 Изделия с помощью транспортера перемешаю1ся от входа до выхода сушильной камеры, стены которои выполнены из металлических панелей с теплоизоляцией Над транспортером расположен один из электродов в виде метсшлическои пластины, а второй помешен под верхней ветвью транспортера Конструк ция верхнего электрода позволяет осуществлять его перемещение с тем, чтобы иметь возможность установки требуемого зазора между ним и высушиваемыми изделиями Это обеспечивает уни версальность данной установки при сушке изделии ралюю раз мера К электродам подводится ток частотой от I до 50 мГц от высокочастотною генератора Образующийся в процессе сушки водяной пар ^отсасывается вентилятором Сушила ТВЧ имеют значительные преимущества перед суши лами с внешним подводом тепла Продолжительность супгки в них сокращается благодаря упомяну! ому совпадению векторов потоков влагопроводности и термовлагопроводиости и значитель но улучшаются условия труда Однако эти установки не гюлучилп широкого распространения в промышленности из-за высокой стоимости элекфооборудования. Раздел X ПЕЧИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ С ПОЛНОЙ ИЛИ ЧАСТИЧНОЙ ТЕПЛОГЕНЕРАЦИЕЙ ЗА СЧЕТ ВЫГОРАНИЯ ПРИМЕСЕЙ МЕТАЛЛА Глава 36 ТЕПЛОТЕХНИКА СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ 1. Общая характеристика Все технологические процессы, свойственные получению ста ли, совершаются при высоких (1500 °С и более) температурах. При любых конструкциях сталеплавильных агрегатов технологи ческие процессы совершаются в сталеплавильной ванне — части печи, заполненной расплавленным металлом Для поддержания необходимой температуры сталеплавильную ванну надо снабжать тепловой энергией,' которая может поступать в ванну или извне или выделяться непосредственно в расплавленном металле.' В первом случае тепло вьщеляется вне ванны в результате сжига ния топлива или использования электрической энергии и пере дается поверхности ванны излучением и конвекцией Таким об разом работают мартеновские 'и электрические сталеплавильные печи. В другом случае тепло выделяется в самой сталеплавиль ной ванне или в результате окисления примесей, содержащихся в расплавленном чугуне, или в результате приложения электро магнитного поля (индукционные электрические печи). С исполь зованием тепловой энергии, выделяющейся при окислении при месей (главным образом углерода), работают конвертеры. Как следует из вышеизложенных (см. гл. 2) положении общей теории печей М. А Глинкова, сталеплавильные печи первой груп пы относятся к печам-теплообменникам, второй группы — к пе чам-теплогенераторам Возможны и промежуточные слу пи Так, IS' 547 при работе мартеновской печи без продувки жидкой ванны кис лородом, тепло, выделяющееся при окислении углерода, уже щpaei jaMeTHyio роль в общем тепловом балансе афегата Однако в настояшее время, с целью повышения производительности мар теновских печей находит все большее распространение продувка жидкой ванны кислородом, при которой выделение тепла в ре зультате окисления примесей чугуна наряду с теплом, поступаю щим п ванну извне, ифает решающую роль Такие печи,, в кото рых жидкая металлическая ванна получает тепло как извне, так и в результате тепло!енерации в жидком металле, занимают про межуточное положение между печами-теплообменниками и печами-тепло1енераторами. Тепловая работа мартеновских печей в офомной степеш! за висит от метода сжигания топлива, от характеристик факела (см 1л 4) Факел должен иметь необходимые температуру, теплообменные и массообменные характеристики Факел должен обла дать необходимой настильностью (соприкасаться с возможно большей частью поверхности сталеплавильной ванны), без чего невозможно обеспечить должную интенсивность передачи ванне тепла и кислорода, необходимых для осуществления техно;югических процессов сталеварения Важным моментом в работе сталеплавильных печеи-теплообменников является то, что эти печи могут переплавлять практи чески любое количество скрапа Электрические дуговые печи работают обычно на 100% лома, мартеновские печи могут, как известно, работать как скрап-процессом (100% скрапа и твердо го чугуна), так и скрап-рудным процессом, в котором наряду со скрапом используется и жидкий чугун На заводах с полным ме таллургическим циклом, обеспечивающим выплавку подавляюще го количества стали в нашей стране, мартеновские печи работа ют скрап-рудным процессом и, что очень важно, переплавляют большое количество скрапа Современная промышленность развивается очень бурными темпами, что влечет за собой стремительное изменение ее каче ственною уровня и, как следствие, частую смену устаревшею оборудования Все это порождает образование большого ко;шчества стального лома (скрапа) Было бы, конечно, неразумно по лучать стлль из жидкого чугуна, не перерабатывая накапливаю щийся стальной лом Поэтому сталеплавильные агрегаты должны обладать способнос1ью использовать и jaBiUiKy не только жидкий 548 чугун, но и скрап. Мартеновские печи, обеспечивающие питание сталеплавильной ванны теплом извне, в этом отношении практи чески ограничения не имеют. Иная картина имеет место при ра боте сталеплавильных конвертеров На тепловую работу конвертеров прежде всего большое влия ние оказывает вид используемого окислителя, которым в прин ципе могут быть или кислород воздуха или чистый кислород и которые имеют совершенно различные тепловые эквиваленты (см. т 1, гл 24). С использованием воздушного дутья работали и еще иногда работают бессемеровские и томассовские конверте ры; с использованием чистого кислорода — современные кисло родные конвертеры. И воздух, и кислород подаются в конверте ры холодными. Однако газообразные продукты плавки уходят из сталеш1авильного агрегата приблизительно при температуре ста леплавильной ванны. Таким образом азот воздушного дутья', поступив в сталеплавильную ванну холодным, уходит из ванны конвергера с температурой около 1600 °С и уносит с собой ог ромное количество тепла В мартеновских печах этого нет, так как азот воздуха, идуще10 на горение, в сталеплавильную ванну не попадает и не осту жает ее. В воздушных конвертерах унос азотом дутья большого количества тепла приводит к тому, что в сталеплавильной ванне не остается запаса тепла, которое могло бы быть израсходовано на нагрев и плавление скрапа Поэтому воздушные конвертеры работали практически только на жидком чугуне, переплавляя ничтожное количество скрапа Это обстоятельство и послужило одной из причин того, что воздушные конвертеры не получили распространения. Использование чистого кислорода в конвертер ной плавке резко изменило структуру теплового баланса и позво лило иметь избыток тепла, который можно использовать для на грева и плавления скрапа. Использование скрапа в кислородном конвертере выполняет и другую, смежную задачу, связанную с не обходимостью использования указанного избытка тепла, так как в противном случае в конвертере разовьется чрезмерная темпера тура и конвертер выйдет из строя. Однако различные способы использования чистого кислорода в конвертерах, связанные с методом подачи кислорода и конст' Напомним, что азота в воздухе в 3,76 раза больше, чем кислорода (по объему) 549 рукциеи Koiuiepiepa, породили дополнительные теплотехнические аспекты этой проблемы Углерод - как основная примесь 4yiyил — может окисляться как до СО, так и до СО2. Очевидно, что при окислении ушерода до СО2 выделяется больше тепла, чем при окислении до СО В кислородных конвертерах с верхней вертиксшьнои подачей кислорода, углерод окисляется, в основном до СО, что Ш1ечет за собой возможность использования в завсшку 20—25% скрапа — это приемлемо, но недостаточно В иных кон вертерах, где образовавшееся в ванне СО дожигается до СО2, количество скрапа в завалке может быть увеличено до 40-45% Повышение количества скрапа в завалку может быть достиг нуто также применением предварительного подофева скрапа или в самом конвертере или вне его В настоящее время наиболее распространенные кислородные конвертеры с вертикальной (сверху) подачей кислорода (ЛД-конвертеры) почти повсеместно работают с предварительным подогревом скрапа чаще всего в самом конвертере, для чею используются специальные газо-кислородные фурмы Таким образом, из вышеизложенною следует, что развитие и совершенствование стгшеплавильных афегатов связано с теплотех никой процесса, для понимания которой необходимо, прежде всего, тщательное знакомство с тепловым балансом рабочего про странства агрегага 2. Тепловой баланс рабочего пространства сталеплавильного агрегата Как справедливо отмечал в своих работах М А Пашков, ос новные различия между сталеплавильными процессами заключают ся в разной структуре теплового баланса, которая в значительной степени определяет тип и конструкцию сталеплавильною агрегата Сталеплавильные агрегаты работают в периодическом режиме, по этому тепловой баланс обычно составляется на продолжитель ность периода плавки - /, ч Уравнение теплового баланса для этих условии может быть записано следующим образом. бх т + ^ф т + п + ^С + е^кз + 0ф ск + Ьф м = а , + Qm. + ^энд 2ух пр гор ^ух пр ок ^yxNj 9пот > '•^" ' ' где Q^ J - химическое тепло топлива, кДж/период; Q^j^^ ~ физическое тепло топлива и воздуха, поданного Ш1я горения, 550 кДж/период; QQ — количество тепла, выделившееся при окисле нии углерода жидкого nyiyna, кДж/период, QJKJ ~ тепло экзотер мических реакций (кроме окисления углерода), кДж/период; бф ск "" физическое тепло скрапа, кДж/период; Q^ ^ — физичес кое тепло жидкого lyryna, кДж/период; Q^^ и Q^j, — физическое тепло металла и шлака, кДж/период; бэнд "" тепло эндотермичес ких реакций, кДж/период, Qy^ пргор~ физическое тепло уходя щих 'продуктов сгорания топлива, кДж/период; Q^^ ^^ ^^ - физи ческое и химическое тепло уходящих продуктов окисления при месей, кДж/период, QyxN ~ физическое тепло, уносимое азотом дугья, кДж/период; q^^^-ncQ виды тепловых потерь за период / ч, кДж/период Общее уравнение теплового баланса может видоизменяться в зависимости от типа сталеплавильного агрегата. Для мартеновской печи Qyx N = О и обычно Q^ ^к "^ ^• Для любого конвертера б^ т = 0; бф т + в =^ 0; '2ух пр гор =^ ОДля кислородного конвертера, кроме того, Qy^N = 0. Таким образом уравнение теплового баланса кислородного конвертера будет выглядеть следующим образом рС + Озкз + бф ск + Оф м = GM + Ошл + + бэнд *• бух пр ок + 9пот • (36.2) Следует отметить, что величина QQ может быть представлена как состоящая из двух слагаемых QQ — Qc->co "^ 2со-»со2 ^ ° " нечно, нельзя абсолютно точно утверждать, что углерод, содер жащийся в расплавленном металле, окисляется только до СО. Од нако экспериментальными работами установлено, что окисление углерода до СО носит преобладающий характер. Следовательно, Gc->CO + еС0->С02 •*• б^кз = GM + бшл +Оэнп + "*" бух пр ок "*" 5пот ~ бф ск ~ бф ч (36.3) Поскольку масса выпускаемой стали складывается практичес ки из массы скрапа и массы чугуна, постольку 0^, = Q^^, + Q^, где Qg^ - тепло, которое уносит часть выпускаемой стали, полу ченная за счет скрапа, кДж/период; Q^ — то же, за счет чугуна, кДж/период Таким образом, разница Дбск ^ бек ~ бф ск определяет коли чество тепла, пошедшее на нагрев скрапа до температуры плав551 леиия 7'^, па ею плавление и дофев рчсплаиленною скрапа до температуры выпускаемой стали TJ,^ Величина AQ^^ может быть выражена следующим образом: A0CK "" <^ск(^с2^пл ~ "^clîMH ск) "^ '^ск'Упл "^ где Gf.^r - масса скрапа, кг/период; Т^ - температура готовой citum, К, Г„д - температура плавления скрапа. К, Г„^^ ^^ - на чальная температура скрапа. К, c^j; c^j'^ с^З ~ теплоемкость скрапа соответственно при температурах Г„а,, с^., Г^^ и Т^-р, кДжДк! • К); 9^., — теплота плавления скрапа, кДж/кг Сделав преобразования, получим AQcv. ~ ^скК'^сЗ^ст ~ '^clîian ск) •*" 9пл1 Если скрап холодный (Г„_,,, ^^ = 0), то Д ^ с к = f?cK(^c3^cT + ^пл)- Тепло, уносимое шлаком, приближенно можно выразить следуюш;им равенством в котором Оц — масса чу|уна, кг/период; Q'^^ — тепло, уносимое шлаком в течение периода плавки в расчете на I кг чугуна, кДж/кг Так же как и скрап, залитый жидкий чугун необходимо догреть до Т„ На это расходуется следующее количество тепла \\п\\ AQ., = (?ч(Сч2^ст ~ '^ч1^нач ч)' 1де Г„д., ц - начальная температура чугуна, К, с^^ и с,,2 - тепло емкость чугуна соответственно при Г„^,, ,, и при Г„ Если перейти к использованию величин тепловых эквиваленюи н обозначить" А — процентное содержание выгораюп;его уг лерода в чугуне и Я, - процентное содержание каждой /-ой при меси (кроме у1лерода), содержащейся в чугуне и окислившейся в процессе плавки, то можно приближенно' написать ' Не \чтены углерод и другие примеси, содержащиеся в скрапе 552 = С^ск[(Ссз7'см - Сс1^нач ск) + 9пл] + рчС'^чг^ст ~ ^чИнач ч) ч « шл "*" Уэнд «^ух пр ок ^^6.5) 9пот' где бэквСО ~ тепловой эквив^шент окисления углерода до СО в расчете на 1 кг углерода) кДж/кг углерода; бэквСО ~ тепловой эквивалент окисления' СО в СО2 также в расчете на 1 кг углеро да, кДж/кг углерода; бэкв( ~ тепловой эквивалент каждой (кроме углерода) /-ой примеси, окисляющейся в ванне в расчете на 1 кг окисляющегося элемента, кДж/кг /-ой примеси. ' Если все члены уравнения (36 5) поделить на величину массы чугуна 'G^, то получим ' /-> А V Д сь- г ТОЮ^^эквСО "*" бэквСОз) "*" 2 ^ Тою ^^^^' ~ "GÎ-^fcS^CM ~ ~ '^с1^нач ск) "*" 9пп\ "*" (^ч2^сг ~ '^с1^нач) + б шт "*" , ^знй + »ух пр ок ^пот ,_^ ^. (Jb.b) G, откуда [ Q Q ( 2 J K B C 0 "^ бэквСОз^ "*" 2dT00^ ^экв/ ^ —- = _ „ 7' "> — Л ' — ^э"Д '^сИнач ч/ ii шт V'^c3-'cM ('^чг^ст ^Ух ПР ок "^ ?пот /7 (36 7) ''сИнач ск) "*" ?iпл Если рассматривать работу конвертера определенною размера, работающего на чугуне определенного состава и по определен ной технологии, что на практике бывает очень часто, то разность ~ бшл' изменяется мало. Кроме того, изменение энтальпии единицы массы жидкого чугуна {c^2Tcj ~ CciTjâi,) также достаточно постоянно. И наконец, если скрап приблизительно одинакового состава и имеет Г^д., ^^ = const (например, холодный), то знаменатель— LTOO"^3KBI 553 величина, меняющаяся иазначительно, и соотношение между массами скрапа и чугуна будет определяться в большой степени характером окисления уишрода, так как (Я. •'с к G f ГА Of) (^JKBCO "^ CJKHCOJ) 100 Необходимо подчеркнуть, что тепловой эквивалент Q^^ QQ существенно больше ^экнСО (приблизительно в три раза). Одна ко это не значит, что соответсгвенно может быть увеличено со отношение G^^/G,^, поскольку дожи1ание СО в СО2 производи!ся вне металлической ванны и связню с соот ветствуюншми теп ловыми потерями Обычно конвертеры с дожигшнем СО в пределах их рабочего пространства перерабатывают скрапа при близительно вдвое больше, чем конвертеры без дожигания СО Дожигание СО позволяет обеспечить передачу расплавленному металлу дополнительного количества гепла за счет повышения температуры в рабочем пространстве ^ Нсщ мет.ииюм, излучательнои способности газового объема, температуры кладки конверте ра, что обеспечивает передачу дополнительного количества тепла металлу как излучением, так и в результате контакта металла с раскаленной кладкой при вращении конвертера 3. Продувка сталеплавильной ванны кислородом Цели и назначение продувки В сталеплавильном производстве важнейшими являются про цессы удсшения примесей, в основе которых лежат реакции окис ления. Именно окисление примесей является тем процессом, ко торый в решаюп^ей степени определяет продолжительность плав ки и производительность афегата В традиционном мартеновском скрап-рудном процессе (без продувки ванны) необходимый для окисления примесей кислород поступал в расплавленный металл из атмосферы печи через шлак и из железной руды, добавляемой в ванну с целью ускорения процесса удаления примесей Процесс передачи кислорода через шлак определяется законами диффузии и осуществляется весьма медленно Значительно ускорить процес сы окисления примесей можно, обеспечив непосредственный кон такт между газообразным кислородом и расплавленным металлом, применив продувку расплавленного мегси1ла газообразным кисло554 родом Применение продувки возможно как в течение всей плав ки, так и в течение только определенного периода плавки. Кислородное дутье в течение всей плавки используется в кис лородных конвертерах, где, как указывалось выше питание афсгата теплом осуществляется за счет тепла, выделяющегося при окислении примесей. В отдельные периоды плавки кислородное дутье используется в мартеновских печах, работающих скрап-руд ным процессом, в которых основная часть тепла поступает от сжигания топлива. При использовании кислородного дутья важ нейшими являются процессы взаимодействия кислородной струи с расплавленным металлом, так как именно они определяют та кие важные параметры как давление кислорода, его расход и скорость истечения, расположение кислородной фурмы над по верхностью металла Все это, в свою очередь, определяет 1лубину проникновения кислорода в расплавленный металл, величину поверхности взаимодействия кислорода с расплавленным метал лом, развитие барботажных процессов в сталеплавильной ванне. Скорость истечения кислородной струи является важнейшим фактором процесса продувки (см т. 1, гл. 30) Увеличение ско рости истечения усиливает проникновение газовой струи в рас плавленный металл, значительно ускоряет окисление примесей Однако увеличение скорости истечения кислорода влечет за со бой повышенный угар железа и вызывает интенсивное разбрыз гивание металла и шлака, что может привести к чрезмерному износу футеровки сталеплавильного агрегата Все это требует тщательного изучения особенностей взаимо действия кислородной (газокислородной) струи с расплавленным мет^шлом Взаимодействие кислородной струи с металлом Теоретические основы взаимодействия газовой струи с жидким мет^ииюм выше были достаточно подробно рассмотрены (см. т. 1, гл. 30). Здесь кратко остановимся на тех особенностях этого вза имодействия, которые присущи взаимодействию кислородной струи с расплавленным металлом, осуществляемому в сталепла вильных процессах. Продувка кислородом в настоящее время осу ществляется как в конвертерах, так и в подовых (мартеновских и двухванных) сталеплавильных печах. В конвертерах, в зависимости от типа агрегата, продувка осу ществляется сверху перпендикулярно (чаще всего) и под углом к 555 поверхности расила1и1енного металла и ctnny, в подовых печах только вертикально сверху TaKiLM образом, наиболее распростра ненной в производстве ст.ши является верхняя продувка расплав ленного метсшла кислородом Кислородное дутье полается через специальные устройства, называемые фурмами. В кислородных конвертерах с верхним дутьем фурмы размещаю!ся над метсшлом в начсше и в конце плавки В процессе интенсивного окисления у1лерода под действием пузырей СО ванна вспенивается и сред ним, наиболее продолжительный по времегн! (приблизительно 3/4 времени плавки) период плавки фурма работает в пофуженном состоянии. При продувке KHCjmpoflOM мартеновской ванны фурмы также в некоторых случаях размещаются над металлом и шлаком, хотя в настоящее время признано наиболее целесообразным размещать фурмы на фанице щлак-мет<шл С положением фурм связана не только интенсивность окисления примесей чугуна, но и такое нежелательное явление, как разбрызшвание Разбрьшивание шла ка и металла является причиной износа, а иногда и преждевре менного выхода футеровки сталеплавильного афегата из строя Изучение взаимодействия кислородной струи с расплавленным металлом в промышленных условиях, практически, невозможно, поэтому подобные исследования выполнялись и выполняются на моделях с использованием положении теории подобия При воз действии кислородной струи, выходящей из фурмы (распо;юженной над МСТСШЛОМ) чаще всего со сверхзвуковой скоростью, в металле образуется впадина (кратер) с определенными глубшюи и диаметром, которые и определяют величину поверхности реак ционной зоны. Мпоючисленными наблюдениями установлено, что глубина и диаметр реакционной зоны зависят от величи1Ц>1 критерия Архимеда, представляющего собой соотношение инер ционных сил струи к выталкивающим (архимедовым) силам, препятствуюпщм проникновению струи в жидкость' Ai = --—тг или Агл = — т^ . 1де р, и PfO — соответственно п;ютпость ыза в месте встречи с поверхностью струи и на выходе из сопла, кг/м-', и'р и w^ — скорость струи в тех же сечениях, м/с, d^ - диаметр сопла, м; d — диаметр струи в месте всгречи с поверхностью жидкости, м, Pj^ — HJiOTHOCib жидкости, KI/M-' 556 Было получено много эмпирических уравнений, устанавлива ющих связь между глубиной реакционной зоны h и величиной критерия Архимеда при определенных значениях Я — расстояния от среза сопла до поверхности жидкости. Впервые подобное ис следование было проведено проф И. Г. Казанцевым, которьгй получил следующую зависимость: для H/dQ>0 величина И = 0,23иАгЯ. В этом выражении п — коэффициент (названный И. Г. Казанцевым коэффициентом проникновения), равный п = (pj^gA)/ (PpW^ /2) и представляющий собой отношение гидро статического давления в основании реакционной зоны к скорос тному напору струи в месте встречи струи с зеркалом жидкости. Сечение сопла, давление дутья перед соплом и скорость исте чения — величины, тесно связанные между собой (см. т. 1, гл 30). Поэтому весьма полезны выражения для определения глу бины реакционной зоны, в которые входят величина давления перед соплом и его диаметр. Подобное выражение, полученное В. И, Бабтизманским для H/CIQ > О, выглядит следующим образом: h = К — РГ где р — давление дутья перед соплом; В и К — опытные коэффи циенты. Рассмотрение полученных выражений указывает на решающее влияние на глубину реакционной зоны таких величин, как ско рость истечения (давление перед соплом), расстояния от среза сопла до поверхности жидкости, плотности жидкости. Для случая погружения фурмы' в расплавленный металл (H/CJQ = 0) получены следующие выражения: -т=т-«Агл, h -= К "^ ° показывающие, что при пофужении фурмы в ванну достигается максимальная глубина проникновения. Здесь уместно подчеркнуть зависимость глубины проникновения от диаметра сопла d^, кото рая объясняет уменьшение глубины проникновения кислородной струи при использовании многосопловых фурм, в которых диа метр каждого сопла меньше, чем у односопловой фурмы. При этом снижение величины h не уменьшает общей реакционной 557 понерхности, так как диаметр кратера у мноюсопловых фурм больше Изучение зависимости диаметра реакционной зоны D от ха рактеристик продувки также привело к эмпирическим зависимо стям TiHia Z)/t/o =/(Аго) для различных значении H/dQ>Q, позво ляющим установить влияние скорости истечения, диаметра сопла фурлп>1 и ее расположения относительно поверхности ванны на диаметр реакционной зоны В последнее время начинают применяться кислородные кон вертеры с донным дутьем В соответствии с прогрессивной тех нологией основной тлакообразуюший материал - порошкообраз ная известь — вдувается в метсШлическую ванну вместе с кисло родом. Через фурмы, расположенные в днище конвертера, вдувается таким образом двухфазная смесь, распространение которой подчиняется своим специфическим законам Глубина проникновения струи в этом случае может определяться из вы ражения Л = и'см Рсм'^ ^(Рж "~ Рем) где w^^ — скорость смеси кислорода и извести на выходе из со пла, м/с, Рр„ и Pj^ — плотность смеси и расплавленного мет<1лла, кг/м^, g — ускорение свободною падения, м/с^; d - диаметр со пла, м Перемешивание стеиеплавшьнои ванны Перемещивание сталеплавильной ванны является важнейщим теплотехническим и технологнческ.1м факторо,,!, во мноюм опре деляющим весь ход плавки Перемешивание способствует ускорению прогрева расплавлен ного металла, выравниванию его температуры; благоприятно вли яет па развитие процессов окисления примесей, так как обеспе чивает доставку кислорода в различные зоны и объемы ванны, снижает возможность возникновения выбросов в конвертерной плавке из-за неодинаковой интенсивности окисления углерода и газовыделения по ходу плавки От перемещения объемов метсшла возникают конвективные гюгоки, которые способствуют расплав лению скрапа. Не случайно, что в конвертерах с донным кисло558 родным дутьем, металлическая ванна в которых интенсивно пе ремешивается, могут расплавляться более крупные куски скрапа, чем в конвертерах ЛД, где перемешивание развито слабее. На перемешивание влияют очень многие факторы, главными из которых являются воздействие на металл газовых струи и га зовых пузырей СО и СО2, возникших при окислении углерода, содержащегося в металле Размер и количество газовых пузырей, место и ингенсивность их возникновения, траектории их движе ния в расплавленном метсшле — все это важные для теории и практики вопросы, ответы на которые носят крайне индивиду альный характер Совершенно очевидно, что анализ процесса пе ремешивания расплавленного металла под воздействием пузырей СО и СО2 не может обойтись без серьезных допущении. Если рас смотреть различные методы сталеварения, то можно сделать вы вод о том, что наиболее представительными являются два случая. 1) перемешивание осуществляется пузырями, возникающими в толще расплавленного металла за счет кислорода, продифундировавшего в металл из атмосферы печи через шлак без продувки металла кислородом. Этот простейший случай встречается в мар теновской практике непрерывно и носит название чистого кипа; 2) перемешивание возникает как под действием пузырен, так и под действием струи кислорода одновременно Этот случай ши роко представлен как в конвертерной практике, так и при про дувке мартеновской ванны кислородом. Рассмотрим подробнее перемешивание ванны под действием потока пузырей равномерно распределенных и проходящих через толщу металла. Такой поток обладает подъемной силой, под дей ствием которой возникает и поддерживается движение металла Для того чтобы определить мощность потока пузырей (мощ ность перемешивания), необходимо сделать следующие допущения: — мощность потока пузырей можно определить как простую сумму мощностей отдельных пузырей; — пузыри' не обладают начальной кинетической энергией и на чинают свое движение из состояния покоя; — влияние сил поверхностного натяжения отсутствует, — изменение объема газа в пузырях по высоте ванны —линейно. Мощность, затрачиваемая одним 'пузырем на перемешивание металла, кг • м/с М = VQPQ 273 ' " (' "^ " i r " ) • 559 Если всего образуется п пузырей в секунду и wg" ~ ^о> чо лл^' потока пузырей Ч)бш =^ ^ 0 273 ,-,„(,. ^Пр^Н^"'"' ) В этих выражениях L-Q - объем одного пузыря, м-'; VQ — объем всех пузырей, м-', PQ — атмосферное давление; р^, — плотность металла, кг/м-'; Н — путь, пройденный пузырями (глубина ван ны), м; Т — температура металла в ванне, К Рассмотрение этих выражении позволяет сделать следующие выводы — мощность потока не зависит от объема одного пузыря; — при, уменьшении глубины ванны мощность одного пузыря падает (при Я->0 и Л/->0); — чем больше емкость печи, т е чем больше глубина ванны, тем мощнее развивается процесс перемешивания., Взаимодействие Гс1зовой струи с расплавленной ванной было достаточно подробно рассмотрено выше Здесь лишь отметим, что мощность перемешивания расплавленного металла газовой стру ей может быть определена из выражения, кг-м/с Л/стр = 0'5 Рг'^осп~4~ ' где рр — плотность газового потока, кг/м^ d — диаметр струи, м; \1'орц — скорость на оси струи, м/с Совместное влияние струи и пузырей в значительной степени определяется методом подачи кислорода При верхнем дутье зна чительная часть углерода окисляется в подфурменной зоне и ве личина Н невелика При донном дутье окисление углерода про исходит в нижних горизонтах ванны, Н больше и перемешива ние интенсивнее Фурмы и их работа Фурма - очень ответственный элемент сталеплавильного агре гата Фурмы должны обеспечивать должную интенсивность окис лительных процессов, иметь необходимую стойкость и долговеч ность, не вызывать чрезмерного разбрызгивания 560 фурмы работают в крайне тяжелых температурных условиях, находясь под воздействием расплавленных металла и шлака. В таких условиях может работать только водоохлаждаемая конструк ция, да и то выполненная из металла с высоким значением ко эффициента теплопроводности. В настоящее время наконечники фурм чаще всею выполняют из .меди, что обеспечивает их удов летворительную стойкость Разбрызгивание шлака и металла при продувке ванны кисло родом обязательно сопутствующее продувке и крайне нежелатель ное явление, приводящее к износу футеровки сталеплавильного агрегата Избежать разбрызгивания, практически, невозможно, надо стараться всемерно его уменьшить Для уменьшения раз брызгивания надо поднимать фурму и уменьшать скорость исте чения кислорода, что, как ясно из вышеизложенного, влечет за собой уменьшение глубины проникновения, снижение интенсив ности окислительных процессов и, как следствие, падение про изводительности. Таким образом, при конструировании фурм приходится учи тывать весьма противоположные требования к ним и, как это часто бывает в технике, решать задачу на оптимум, не удовлетво ряющий в полной мере ни одному из предъявляемых требова ний Процесс разработки фурм требует обязательно эксперимен тальной проверки качества их работы, так как установить влия ние на характер продувки числа сопел и у1ла их наклона по отношению к вертикали возможно лишь опытным путем Теоре тически можно рассчитать лишь истечение из каждого отдельного сопла, которое в связи с необходимостью получить сверхзвуковые скорости представляет собой обышю сопло Лаваля (см т 1). Любая фурма обычно состоит из двух частей: собственно фур мы и головки или наконечника. Наконечник может меняться по мере необходимости. Фурма представляет собой иодоохлаждаемую конструкцию, в которую вмонтированы кислородопроводы. Сама фурма выполняется из стали, наконечник из меди. В нако нечнике может быть одно или несколько сопел Лаваля. Вся фур ма, но особенно наконечник, должны хорошо охлаждаться водой. На начальной стадии развития кислородно-конвертерного про изводства использовались односопловые фурмы, которые в силу ряда недостатков распространения не получили Большая масса кислорода, выходящая из одного сопла с высокой скоростью, вызывала сильные выбросы металла и шлака, давала очень боль561 июе разбрызгивание, способе!noBcUia большому yiapy желеи! и к<1К следствие, уменьшению выхода iодной ст^ши В нас1оян1ее время повсеместно (и том числе и при продувке MapienoBCKOH ванны) используют многосопловые фурмы, в коюрых обеспечивается рассредоточенное дутье, при котором через каждое сопло (при той же высокой скорости) проходит меньшая масса кислорода, что и обеспечивает более спокойный ход плав ки Мноюсопловые фурмы при некотором снижении глубины кратера обеспечивают увеличение поверхности реакционной зоны, способствуют более равномерному газовыделению из ванны, бо лее органиюванному переменпшанию метшша При этом снижа ется разбрызпшание, повышается выход годного В iiacTonniee время применяются фурмы, имеющие чаще всею от 3 до 8 со пел Наиболее распространены четырехсопловые и шестисоплоBi>ie (1)урмы Конструкции фурм мноюобразны. На рис 36 1 и 36 2 в каче стве примера приведена конструкция четырехсонловои фурмы и схема движения жидкости и газа при продувке с помощью шестисопловои фурмы Выбор числа со пел и yuia их наклона к вертикшш связан прежде всего с допустимыми размерами диаметра реакционной зоны, I е в конечном счете с раз мерами конвертера При мгшом рас стоянии между соплами и при ма лом угле (до 5-6°) наклона их осей к вертикшш индивидусишные струи сливаются, практически, в одну струю, что резко снижает эффек тивность применения многосопло вых фурм При слишком большом угле наклона сопел заметно умень шается Iдубина проникновения и увеличивается периферийное раз брызгивание на уровне установки фурмы, что способствует чрезмер ному износу футеровки Существу ют установленные ирак1икои ОП1ИМсшьные У1ЛЫ наююна к вертиксит Рис. 16 I. Четырехсотовал кис лоролисШ 4)vpMa сопел в многосопловых фурмах, в 562 малых конвертерах (до 30 т) 6°; в больших конвертерах (100 т и более) 8-10°. В каждом кислородном конвертере используется одна фурма. Иное дело в мартеновских и двухванных печах, имеющих боль шое рабочее пространство вытянутой формы. Для этих печей целесообразно использовать 2-3 фурмы. Большее количество фурм использовать нецелесообразно, так как выигрыш от их ис пользования не компенсирует дополнительные расходы на ре монт, изготовление, эксплуатацию. Для подовых сталеплавильных печей из-за уязвимости свода печи крайне важно снижение разбрызгивания металла и шлака без потерь в интенсивности окисления примесей чугуна и в пер вую очередь углерода. Целесообразно подчеркнуть еще раз, что разбрызгивание зависит от положения фурм При опускании фур мы к шлаку разбрызгивание начинает увеличиваться, достигая Рис. 36 2. Схема движения жидкости и газа при продувке с помощью ' ' шестисопловой фурмы / - фурма, 2 — шлак, 3 - промежуточный слой, 4 — металл, 5 — газ 563 максимщи.ного значения на расстоянии 200-300 мм от поверхно сти ишака. Когда сопло находится в шлаке, разбрызгивание не значительно Вблизи 1рапнцы ишак-мегалл оно вторично дости гает максимума, а затем снова убывает Однако это не значит, что сфемясь уменьшить разбызгивание целесообразно фурму как можно больше замублять в металл, поскольку скорость окисле ния углерода при чрезмерном заглублении фурмы в метсшл начи нает уменьшаться Как показали промышленные эксперименты, оптимальным яштяется небольшое (100—150 мм) заглубление фур мы в металлическую ванну Заканчивая рассмотрение вопросов, относящихся к продувке сталеплавильной ванны кислородом, следует особо отметить, что кислородное дутье вызывает интенсивное дымо- и пылеобразование, снижающее выход годного метшим (из-за угара железа) и требующее непременной очис1Ки отходящих ызов Дож1н-ание СО в К01нзертерах с верхнем ироду! кои и о тетка 01Ход>ицих из всех сталеплавильных ирептов с кислородной продувкой пзов требу ют специальных достпто шо крупных й дорогостоящих котловутилизаторов и о шстных сооружешти Римеры и стоимость очи стных сооружении тходятся в прямой 31висимости от количе ства и степени запыленности отходящих газов По этой причине ведутся работы, направленные на поиски путей снижении дымон нылеобразования Одним из таких путей яши1ется газокисло родная продувка 4. Газокислородная продувка Дымообразование (образование бурого дыма) есть результат испарения железа и его оксидов вследствие влияния весьма вы соких температур, развивающихся в локальных объемах жидкою мет^шла при использовании в качестве дутья чистою кислорода Дымообразование значительно снижает выход годного метсшла, очень серьезно засоряет отходяшие газы Снижение дымообразования может быть достигнуто добавкой к кислороду каких-;н1бо газов, уносящих из зоны реакций окисления физическое тепло и тем самым снижающих телшературу в этой зоне С целью выяс нения закономерностей этого процесса было выполнено большое число лабораюрных и теоретических (расчетных) исследовании с добавкой к кислороду нейтральных (N2, Не, Ai), восстановитель ных (СО, Н2, СН4) и окислительных газов (СО2, Н2О) Из этих газов для практическою использования наиболее пригодны водя564 ной пар и метан, так как дру1ие газы или дороги или ядовиты. Термодинамические расчеты, выполненные с целью сравнитель ного ан.ишза эффективности использования водяною пара или метана, дали результаты, представленные в табл. 36 I. Данные табл. 36 1, подтвержденные лабораторными опытами, не оставляют сомнения в предпочтительности добавок метана С прак тической точки зрения метан также является очень доступной и недорогой добавкой, поскольку природный шз на 95-98% состоит из метана Благоприятное влияние добавок метана на дымообразование объясняется тем, что при его добавке сильно увеличивается количество 1азовой фазы, уносящей значительное количесгво фи зического тепла Однако использованию добавок метана (природ ного газа) присущи следующие побочные отрицательные явления* — кислород расходуется на окисление метана, что влечс! за собой снижение скорости окисления углерода; - образование значительного количества ызовой фазы приво дит к увеличению разбрызгивания шлака и металла В силу этих причин при создании газокислородных фурм не обходимо исходить из использования минимального количества метана и предусматривать специальные меры, направленные на снижение разбрызгивания Газокислородные фурмы, в принципе, могут быть двух типов. с внешним (вне фурмы) смешением кислорода и природного газа и с внутренним смещением Фурмы с внешним смешением оказа;шсь ма;ю пригодными, так как смешение кислорода и природ ного газа было неудовлетворительным и дымообразование прак тически не уменьшалось К тому же, в таких фурмах невозможно отключать газ, что иногда бывает нужно делать в практических ус;ювиях Табгица 36.1, Состав газовой фазы и теоретическая температура при взанмодеиствни железо-углеродистого расплава (0,8 % С) с кислородом н его смесями с метаном и водяным паром Реагенты Ком поненты газовой фазы, 0 СО СОз Р^газ FeO,„ Н: HjO Кислород 12,0 26,2 8,3 78,9 18,3 42,5 8,2 1,4 4,0 0 32,0 28,2 0 Кислород + метан Кислород Ь водяной пар 0,9 2.3 0,6 19,4 16,4 Г, К 4300 3726 2882 565 фурмы с внутрен1Н1м cMeuieimем необходимо выполнять таким образом, чтобы исключить возмож ность забрызгивапия ызового или кислородною сопла Одна из таких фурм представлена на рис. 36 3 Промьниленные исследования газо кислородной продувки на маргеновских и двухванных печах раз личной емкости показали, что при этом можно снизить вынос пыли в 2-4 раза по сравнению с примене нием чистого кислорода и повы сить выход юдного приблизительно на I %. Подобное снижение дымообразования не обеспечивает дос тижения санитарных норм, но за метно улучшает санитарное состо яние цеха и снижает затраты на Рис. 363. Га юкислородп.ш фурма с lenvrpcnHiiM смешением газоочистку Вместе с гем при га зокислородной продувке несколько снижается скорость окисления углерода и производительность печи в целом, усложняется устройство и обслуживание фурм, усложняется управление плавкой Таким образом, газокислородная продувка расплавленной ван ны подовых сталеплавильных печей - процесс, таящий в себе больпше возможное! и и требующий дальнейшего изучения Кислород 5. Предварительный подогрев скрапа и его значение Необходимость использования все уве;п1ЧИваюшегося в каждой cipaiie количества скрапа требует повьпиения его доли в мет^шлнческои зашиже современных конвертеров и двухванных печей Из anajuna теплового баланса конвертера следует, что одшш из методов повышения доли скрапа является обеспечение ею предварительного иодофева Предварительный подогрев скрапа целесообразно применять и в электрических плавильных печах, что позволяег экономить дорогую элекфическую энергию В предел]>ном случае целесообразно использовать расплавленный скрап Предваригельныи подо! рев скрапа ;и1я испол1>зования ею в кислородшлх конвертерах может осуществляться как непосред566 ственно в конвертере, гак и в специальных загрузочных емкос тях Подогрев лома в конвертерах осуществляют с использовани ем газокислородных горелок, в которых чаще всего сжигается природный газ Одна из таких горелок представлена на рис. 36 4 Газ в этой горелке подается по заполненной трубками диаметром 15 мм кольцевой щели между кислородной трубой и водяной рубашкой Большая часть кислорода поступает по трем расширя ющимся соплам со сверхзвуковой скоростью, что обепечивает высокую скорость факела в месте встречи его с ломом. Осталь ной кислород подается с дозвуковой скоростью по 33 мелким отверстиям двойною диаметра, расположенным по периферии головки, что способствует стабилизации горения и уменьшению шума. Сжигание газа в чистом кислороде обеспечивает темпера туру факела, превышающую 2000 °С В этих условиях для быст рого нагрева скрапа необходимо топливо сжишть в непосред ственной близости от металла, обеспечивая тем самым высокий уровень теплоотдачи излучением и конвекцией Учитывая высо кую производительность конвертеров, подогрев скрапа должен \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\<:^:У^ X кчччччччччччччччч\\\\\\\-ч^ ^ Вода Вода ^ Газ I Кислород Рис. 364 Газокислородная горелка 567 производиться быстро, но избежание снижения общей произво дительности конвертера и цеха По этой причине газокислород ная юрелка должна иметь высокую тепловую MOiUHOCib, которая связана с временем нафева и другими необходимыми неличина ми следующим выражением' 1де /„, - время нагрева скрапа, мин, Q - физическое и хими ческое тепло, вносимое чу17ном, кДж/т, Чилр ~ к п д горелки, G^ - расход топлива, кг/мин; QP - теплот! сгорания топлива, кДж/к1, AMf.^ — увеличение расхода скрапа на плавку с подогре вом скрапа по сравнению с плавкой без нагрева скрапа, т Для подогрева лома в 130-т конвертере в течение периода вре мени, не превышающем 15 мин, что дает существенное сокраще ние расхода чугуна, газокислородная горелка должна иметь теп ловую мощность около 200 ГДж/ч При использовании горелки такой мощности на 130-т конвертере получены результаты, при веденные в табл 36 2 ^Таким образом, предварительный подогрев скрапа в самом конвертере дает весьма существенное увеличение количества скра па в завалку Обычно подогрев скрапа в конвертере производит ся до температуры, не превышающей 700-800 °С, так как при более высоких температурах развиваются процессы окисления железа Как для конвертеров, так и для электропл шильных печей предварительный подогрев скрапа может осуществляться в специТаблица 36 2. Показатели плавок в 130-т конвертере с подогревом скрапа и без него Показатели Затито чугуна, т 3 шалено лома, т Удельный р1С\оя чугуна на I т готового метал та, кг/т Продолжительность nofloipeua лома, мин Средняя температура нагреиа 'С К п д нагрева 568 Плавка с подогрецом скрапа без подогрева скрапа 97,3 43,9 104,8 36,2 791,1 8,7 610 48 852,0 - альных устройствах, одно из которых представлено на рис. 36.5. Установка состоит из футерованной загрузо шой корзины, кото рая после помещения в нее металла устанавливается на вытяж ной колодец, соединенный с дымососом и трубой, и накрывается крышкой, в которой вмонтирована горелка. Крышки с горелкой смонтированы на поворотной консоли и обслуживают поочеред но один из двух подогревательных стендов Установка отаплива ется природным газом, для сжигания которого подается воздух от вентилятора, установленного на крышке. Расход природного газа составляет 12-16 м^ на тонну садки. Температура подогрева Рис 36.5. Установки для подофеаа шихты / - устройство для подвески крышки, 2 - газовая горелка, 3 - природный газ, 4 — воздух, 5 — камера предварительного сжигания, 6 — крышка, 7 — завалочная корзина, 8 - шамотная футеровка, 9 — песочный затвор, 10 — фартук с замком, / / — канал для отходящих газов ' 569 скрапа по высоте слоя различна и максимальное ее значение достигает 1100-1200 °С в верхних слоях, а в нижней части до 400 "С Предварительный подогрев скрапа для электропечей по зволил сократить продолжительность плавления на 23-30 мин, повысить производительность печей на 15-18%, сократить рас ход электроэнер! ИИ на 78-85 кВт-ч ил тонну стали Весьма перспективным является процесс предварительного рас плавления скрапа в жидкий полупродукт в высокоэкономичиых ToiUHiBHbix печах с последующей доводкой в электропечах Рабо ты в этом направлении ведутся, однако пока промышленных печей такого типа в эксплуатации нет Глава 37 КИСЛОРОДНЫЕ КОНВЕРТЕРЫ 1. Общая характеристика Кислородные конвертеры пришли на смену воздушным кон вертерам и мартеновским печам и очень быстро получили широ кое распространение благодаря ряду технико-экономических пре имуществ, главным из которых являются высокая производитель ность по сравнению с мартеновскими печами, способность переплавлять скрап и давать сталь лучшего качества по сравне нию с воздушными конвертерами В настоящее время кислород ные конвертеры являются наиболее распространенными и перс пективными сталеплавильными афегатами в мире. Исгюльзование кислородного дутья открыло новые перспективы для развития конвертерною передела CT<UIH, так как позволило использовать для конвертирования наиболее распространенные мартеновские чугуиы с меньшим содержаттем примесей и переплавлять сталь ной скрап В настоящее время в эксплуатации находятся кислородные конвертеры с верхней, наклонной и донной продувкой ванны кислородом Наибольшее распространение получили конвертеры с верхней продувкой. Они обычно называются конвертерами ЛД по имени австрийских городов Линц и Донавиц, где они были впервые построены в 1952-1953 п В этих конвертерах, работаю щих на мартеновских Myiynax, получают cTiiab достаточно хо570 рошего качества. Они способны /1ереплаш1ять около 25 % сталь ного скрапа в металлическую завалку. Скорость выхода кислоро да из фурм в этих конвертерах в 2-2,5 раза превышает скорость звука Увеличение доли скрапа сверх -25 % невозможно, так как оксид уишрода, образующийся при окислении у1лерода, дожига ется вне предела рабочего пространства конвертера Это является существенны.м недостатком этих конвертеров, так как требует специ^шьных, весьма крупных и дорогостоящих устройств для до жигания СО и улавливания выделившегося при этом тепла Эти устройства, среди которых главным является большой котел-ути лизатор, располагаются над конвертером, что требует строитель ства специ^шьных цехов большой высоты. Это обстоятельство несколько одерживает распространение конвертеров ЛД, так как они не MOiyr быть размещены в существующих и подлежащих реконструкции мартеновских цехах Тем не менее конвертеры ЛД в настоящее время являются наиболее распространенны.мн Стремление дожечь оксид углерода в пределах рабочего про странства и получить дополнительное количество тепла, необхо димое для использования большей чем 25 % доли скрапа в металлическую завалку, послужило толчком для создания конвер тера с подачей кислорода под углом к поверхности металличес кой ванны со скоростью, не превышающей 200-250 м/с Кон вертер расположен наклонно, имеет развитую поверхность метал лической ванны и во время плавки вращается вокруг своей оси, что улучшает перемешивание металла и позволяет полезно ис пользовать тепло, аккумулированное кладкой. Все это позволило обеспечить дожигание СО в пределах рабочего пространства кон вертера и поднять долю скрапа в завалку до -45 % Впервые та кой конвертер был построен в 1956 г. в шведском юроде Домнарветс по преддюжению известного металлурга профессора Каллинга и получил название конвертера Кал-До. Распространение этих конвертеров несколько сдерживается сложностью их строи тельства и эксплуатации. Конвертер Кал-До, так же как и ЛД, работает на мартеновских чугунах и требует строительства специcUibHoio цеха, так как в существующих мартеновских цехах раз мещен быть не может. В 1966-1967 гг. за рубежом было осуществлено строительство кислородных конвертеров с донным дутьем. Необходимость со здания такого конвертера возникла, в основном, по двум причи нам Во-первых, необходимостью переработки чугунов с повы571 шейным содержанием марганца, кремния и фосфора, поскольку передел гакою nyiyna и конвертерах ЛД сопровождается выбро сами MeiiUiJia в ходе продувки и не обеспечивает должной ста бильности химическою состава ютовой ста/ш Вторая причина заключается в том, что конвертер с донной продувкой является наиболее приемлемой конструкцией, позволяющей осуществить реконструк1ино существуюитх бессемеровских и томассовских це хов, и вписывается в здание существующих мартеновских цехов Этому конвертеру свойственно наличие большою числа реакци онных зон, интенсивное окисление умерода с первых минут плавки, низкое содержание оксидов железа в шлаке. В силу спе цифики работы сг^щеплавильной ванны при донной проодвке в конвертерах подобного типа выход годного несколько выше, чем в конвертерах ЛД и KiUi-До, а запыленность отходящих газов ниже Оценивая динамику распространения конвертеров следует огмешгь, что преимуществешюе развитие получит кислородноконвертерный процесс с верхним дутьем, прирост мощностей конвертеров с донным дутьем будет значительно (на порядок) меньше и будет связан с реконструкцией существующих марте новских цехов Интересно отметить, что делаются попытки ис пользовать одновременно и верхнее и донное дутье В последнее время появилось два основных варианта такого процесса, К01да снизу подают кислород (10—12% от общего расхода) или инерт ные газы (N2 или Ai) t целью обеспечить интенсивное переме шивание 1!анны и ускорить процесс удаления примесей При этом, как и при донной продувке, снизу вместе с газами может подаваться пылевидная известь 2. Кислородные конвертеры с верхней про;(увкой Устройство кислородного KOHBcpiepa и ею размещение в цехе представлено на рис 37 1 и 37 2 Средняя часть корпуса конвер тера цилиндрической формы, стены ванны сферической формы, Д1ннце — плоское Верхняя, шлемная часть конической формы Кожух конвертера выполняют из стсшьных листов толщиной 3090 мм. В KoiHiepTcpax садкой до 150 т днище выполняют отъем ным и крепят его к корпусу болтами, что облегчает ремонтные работы При садке 250-350 т конвертер делают 1луходонным, что вызвано необходимостью создания жесткой конструкции корпуса и условиями техники безопасносги, гарантирующей oi случаев прорыва жидкою метипла 572 Корпус конвертера крепет к специально.му опорному кольцу, к которому приваривают цапфы Одна HJ цапф через зубчатую муфту соединена с механизмом поворота В конвертерах большой емкости (>250т) обе цапфы являются приводными. Конвертер цапфами опирается на подшипники установленные на станинах Механизм поворота позволяет вращать конвертер на любой угол вокруг горизонтальной оси Корпус и днище конвертера футеруют огнеупорным кирпичом Фугеровку цилиндрической части конвертера выполняют из трех слоев: внутренний (рабочий) слой толщиной 600—800 мм, промежуточный слой толщиной 50-150 мм и наружный (арма турный) слой толщиной 115-350 мм На рис. 37 3 показана фу теровка 100-т конвертера с отъемным днищем Рабочий слой вык ладывают смолодоломитомагнезнтовым кирпичом. Арматурный Ось вращения конвертера Рис 371 К^слород1ьи ко вертер с верхне продувкой емкостью 100 т / - корпус, 2 — опорный подшипник, 3 - механизм поворота 4 — днище, 5 — станина ' 573 />????^?/ Г7777Г7777Т7777777."777777777777777777777777 Рис 372 Pa3\eii; L конвертера в ехе / — ко верт р ' — фyp^ 3 к у слои примыкающий к кожуху выкла ДЫВ1ЮТ из хромом 1гнезитового кирпи ча Промежуто шыи слои заполняют смолодоломитовои или смоломагнези товои набивкой Рабочий слои днища выкладывают смолодоломитовым на ружныи — хромомагнезитовым кирпи чом общей толщиной 800-900 мм Подача кислород! в ванну конверте ра для продувки металла производится через специшьную фурму вводимую в горловину конвертера Основные разме ры конвертеров приведены в табл 37 1 Первой операцией конвертерного процесса является загрузка скрапа Ра зогретыи конвертер наклоняют на не который угол от вертикальной оси и специальным коробом совком емкое тью 8— 10 м-' 1ерез горловину загружа ют в конвертер скрап Обычно загру жают 20-25 % скрап i на плавку Если скрап не подогревают в конвертере то затем сразу же заливают жидкий чугун После этого конвертер устанавливают в вертикальное положение через горло вину в конвертер вводят кислородную фурму Рис 373 футеро кт KOJ вер тера / — кожух ', (5 — рм турнь 1 ело 3 — наб1 UK1 4 5 — ра бо ИИ ело 1 Таблица 371 Ос ов ь е размерь ко вертеров Параметры Пол)1ая высота, м Диаметр кожуха, м Диаметр горловины, м Размеры ванны, м диаметр глубина Удельный объем, MVT Основные размеры конвертеров садкой, т 200 50 100 7,9 5,2 1.6 8,7 5,7 1,7 9,7 8,3 2,6 3,6 1.1-1,2 1,0 4,0 1,5-1,6 0,8 6,5 1,6-1,8 0,72 575 Для наводки шлака н конвертер по спеписшьному желобу вво дят шлакообразующие матери.ип.1 изкесть в количестве 5 - 7 % и в небольшом количеаие железную руду и плавиковый шпш После окисления примесей чугуна и нафева мет «шла до задан1Н)1Ч величин продувку прекращают, фурму из конвертера уда ляют и с;пшают метсшл и шлак в ковши Летрующие добавки и раскислители вводят в коиш Продолжительность плавки в хороию работающих конвертерах п о ч т не зависит от их емкости и состашше! ~45 MIUI, продолжн1ельность продувки 15-25 мин Каждый конвертер в месяц дает 800-1000 плавок. Стойкость конвертера 600-800 плавок P.icход огнеупоров 3-3,5 KI/T стали Выход жидкой стали 89-91 % Количесгво шлака 10-12% Расход кислорода 50-55 м^т Про должительность продувки ванны кислородом, которая определяет производиlejibHOCTb конвертера, зависит от удельного расхода кислорода (рис 37 4). Чрезмерное увеличение удельного расхода кислорода не целесообразно, так как увеличивает разбрызгивание и ускоряе! износ футеровки конвертеров Практически интенсив ное! ь проду1!ки составляет 3,5-4 м-' О2/МИН на 1 т стали Длина нодоохлажлаемои фурмы для подачи кислорода 13-18 м Обычно бывает 4 или б сопел с диаметром каждого сопла 30-55 мм и дглом накгюна к вертикш1и 8-12° Слиш Ь28 ком низкое расположение фурмы 74 \ приводит к ее быстрому износу, по . ° \210o43 этому фурму обычно располагают на 8 4 \ 53 расстоянии 1-2 м от уровня спокой \о V45 О ной ванны, обеспечивая пл выходе 71о\ из сопла значение критерия Маха 73 X 270 о о около 2 4 ^ 8 86° Q. В месте соприкосновения струи 73 кислорода с жидкой ванной благо 1 1 1 даря высокой температуре образуют 20 30 40 10 Продолжительность ся пары металлического железа и продувки, мин оксидов, которые выносятся из ван ны конвертерными газами в виде Рис. 37,4 Зсшпсимость удельно го р,1счодл кислорода от предо i бурого дыма, т е происходи! miжительности продувки для коитенсивное пылеобразование Основ иертеро» разтпчнои емкости ной составляющей !1Ь!ли являются (цифры у точек — емкость кон вертеров, т) оксид!л железа (> 65 %) Размер!^! 576 частичек пыли очень MiUn>i около 95% пыли имеют размер час тичек не более 5 мкм, в том числе свыше 70% — не более 1 мкм Количество пыли, уносимое из конвертера газами, доходиi до 90 I/M^ 06nuie потерн лелеза с отходящими газами составляют 1,0-1,5% ' Движение метсшла в конвертере является весьма сложным, поhumo кислородной струи, ил жидкую ванну воздействуют пузыри оксида у1лерода Процесс перемешивания усложняется cui,e и тем, что шлак протсшкивается струен газа в толщу метшны и перемени1вае1ся с ним Движение ванны и вспучивание ее выделяюПИ1МСЯ оксидом ушерода приводят значительную часть жидкого расплава в состояние эмульсин, в коюрои капли Mcuunia и шла ка тесно псремеи1аны дру1 с друюм Это создает большую повер хность соприкосновения металла со и1лаком, что обеспечивает высокие скорости окисления углерода и нагрева металла При окислении углерода на 1 м^ поданного в ванну кислорода выде ляется 2 м-' СО Несмотря на то, что часть кислорода расходуется на окисление железа и СО, общее ко;п1чество газов в горловине может дости гать 5—7 MVMIIH на 1 т садки Это означает, что для 200-г кон вертера расход газа в юрловине достигает 60 000 MV'I Дожи1апие СО над ванной практически не происходит и газ, отходяпщи из конвертера, состоит из 90 % СО и 10 % СО2, а его температура в cpejHieM составляет 1700 °С Запыленность отходящих газов очень велика, поэтому газ необходимо очищать Применяемые усшновки мокрой очистки и олектрофильтры требуют предварительного охлахчения газа (соответственно до ~400 и -250 °С) Размеры устано вок iv\» доАигания, охлаждения и очистки конвертерных'газов во много раз превышают размеры самих'конвертеров (см рис. 37.2). Чаще всею ил заводах газ (СО) дожигают в камине при подаче хо;юдного воздуха, засасываемою через 3iUop между горловттой п KaNnnmM HJHI подаваемого принудительно Стенки камина пред ставляют собой поверхности котла-^тилизатора или водяные хо лодильники. Газ дополнительно охлаждают впрыскиванием воды, а затем очищают Проансшизируем укрупненный (приблизительный) тепловой ба ланс кислородного конвертера без дожигания СО и, несколько забегая вперед, с дожиганием СО. Приходная часть тепловою баланса конвертера включает в себя две приблизительно одинаковые статьи: тепло, вносимое I9-50H 577 жидким чуо'ном, и тепло экзотермических реакции Расходная часть теплового G.uianca состоит из четырех основных статей, %. Тепло жидком стати Teino ипако» Тепло уходяших продуктов репкиин окисления Потери Итою 60 10 9-10 5 85 Вот этот избыток тепла (15 %) необходимо израсходовать, ина че в конвертере разовьется чрезмерная температура Именно эюг избыток тепла и позволяет использовать в конвертере 20-25 % холодною стсшьною скрапа При дожп1-ании СО в СО2 (конвертер Кал-До) приходная часть тепловою баланса конвертера (%) вьплядит иначе, а именно Тепло, вносимое жидким чугуном Т е т о экзотермических реакции lemo от дожигания СО п COj 36 34 30 Иначе будет выглядеть и расходная часть баланса, % Тепло жилкой стати Тепло шлаков Тепло уходяших продуктов реакции окисления (включая СО2) Итого 40 10 15 65 Таким образом, дожигание СО в СО2 создает в системе избы ток тепла, равный приблизительно 35% прихода тепла, что по зволяет в этих конвертерах (Кал-До) удельный расход скрапа до вести до 40-45 %. Очевидно, что как в том, так и в другом слу чае подофев скрапа позволяет увеличить его удельный расход Естественно, что при определении теплового к п д конвертера тепло, пошедшее \\л нафев и расплавление скрапа, должно сум мироваться с количеством тепла, которое уносится той частью жидкой стали, которая получена за счет чугуна В целом следует отметить, что степень использования тепла в кислородном конвертере гораздо выше, чем в сталеплавильных афегатах подового типа К п.д (тепловой) конвертера составляет -70%, в то время как для хорошо работающих мартеновских пе чей он не более 30%, что является большим преимуществом кон578 вертерного процесса перед мартеновским. Кроме того, газы, отхо дящие из конвертера, имеют теплоту сгорания 10-11,5 МДж/м'', что используется или при дожигании газа в котлах-утилизаторах, или как топливо при отводе газов из конвертера без дожигания. 3. Кислородные конвертеры Кал-До Значительное количество химического тепла, которое содер жится в оксиде углерода, выделяющемся из ванны, можно ис пользовать в самом конвертере. Сжигание СО над ванной кон вертера ЛД, как правило, не применяют, так как вследствие ма лой площади ванны конвертер не приспособлен к функциям теплообменника. Кроме того, при сгорании СО значительно повыщается температура рабочего пространства и усиленно изнаши вается кладка. Конструкция конвертера, приспособленного к сжиганию СО (конвертера Кал-До), показана на рис 37.5. Корпус покоится на роликах, два из которых - приводные они обеспечивают враще- 5 / ^Лг^ Рис. 37,5. Кислородный конвертер Кал До / - положение при заливке чугуна, 2 — поюжение при загрузке сыпучих, 3 — подвод кислорода, 4 — подвод воды, 5 — камин, 6 — положение при выпуске стали 579 ние KOHiiepiepa noKpyi оси Ike ролики закреплены в люльке, коюрая може! поиорачпиатьси имеете с печью noKpyi lopnjoiii.UH.HOH оси В рабочем положении ось коннерюра наклонена к юризонту иод уиюм 17°, блаюдаря чему плопьшь ванны 1юлучается достаточно больиюи Клачка наноминае! фу1еронку Koinsepтерои ЛД Кислород полают через 1юдоох;мжлаемую фурму, направлен ную под yijioM к ванне Окисление примесей ванны происходит I! результате диффузии кислорода через iiuiaK Так как поверхHocib ванны больше, то тол1Ц1П1а шлака меньп1е, что способствуei досыючпо быс1рои передаче кислорода в меылл Больпюе значение ;uni ускорения окисления ванны n.Meei ыкже Bpaiueinie конвертера, усиливаюшсе iiepeMeiuHBanne метшим и ииыка 13 этих условиях нет необходимости вводить кислород со сверхзв>ковои скоростью Наоборот, ею подаЮ! так, чюбы шлак CMJHiHO НС разбрыз1ивать Обычно скорость кис;юрода на выходе из фурмы составляет 200-250 м/с Уюл наклона и рассюяпие фзр.мы 01 новерхности канны изменяют по ходу плавки Поскольку час1Ь lenjia, необходимою юи\ пропесса, поступас! к ванне при сжигании СО, конвертер K.ui-До не является чис тым теплогенератором Он одновременно служит топкой и теп лообменником Бо;н.шая роль li процессе передачи тепла к ваипе прин.щлежит кладке, вьп1олняюи1еи функции peieiiepaTopa, часть ее, находянтаяся над ванной, нафевается от ызовои среды с высокой темпера турой, а 3aieM, вступая в контакт с более холодными метсииюм и И1лаком, отдас! им свое тепло Вследствие охлаждения мет.шлом средняя темперапра мипки сохраняется пл доиустилюм уровне Все же сюикость кладки KOHBcpiepoB K.ui-До значительно ниже сюикостп юыдки конвертеров ЛД и состаш1Яет ют крупных пе чен от 50 до 150 планок Опьиы по применению обожженного ма1незиювою кирпича высокой чистоты свидетельовуют о юм, чш сшикос1Ь кладки можно значи1ельпо повысить Для сохранения кладки конвертеров KtUi-До расход кислорода в IHIX поддерживают более низким, чем в конвертерах ЛД 1,52,5 MVMIHI \и\ 1 т MCTiUiJia Позтому обимя продолжительность плавки получается большей тп aipeiaiOB емкостью 110-135 т она cocTaiuHiei 70-80 \mii Блаюдаря тому, что и ванну тепло гюступае! извне в конверlepax KiUi-До необходимо спижаИ) приход 1епла nvie.M теил01е580 нерации или увеличивать расходные статьи Для этого уменьша ют долю чугуна в шихте или увеличивают количество твердых окисли гелей Оба способа дают Кал-До-ироцессу значительные Лч0Н0лп1ческие преимущества. Первый позволяет перерабатывать большие количества относительно дешевого стального лома (до 45% вместо 25% при ЛД-процессе), второй приводит к более высокому выходу жидкою металла В от;и1Чие от конвертеров ЛД из горловины конвертера КалДо выходит газ, содержащий лишь незначительное количество СО. Так как кислород поступает преимущественно в результате диф фузии через ишак и меньше разбрызгивается ванна, потери желе за с гнллью в конвертере Кал-До составляют 11 кг ил 1 т CTajni по сравнению с 17 кг для конвертера ЛД По этим причинам раз меры установок xuiH охлаждения и очистки 1аза для конвертеров Кал-До значительно меньше и стоимость их значительно ниже. Удельная продолжительность продувки в конвертере KtUi-До с возрастанием расхода кислорода уменьшается, так же как и для конвертера ЛД Часть кислорода расходуется на дожигание СО. Выделяющееся при этом тепло в зависимости от условии юрения и теплообмена может усваиваться ва1нтои в большей или меньнгеи степени Тепло от сгорания примесей выделяется в ван не и усваивается ею полное!ью 4. Кислородные конвертеры с донной продувкой Попытки применения кислородною дутья в томассовских и бессемеровских конвертерах с донным воздушным дутьем дела лись неоднократно, но не принесли положительных результаюв, так как фугеровка днища не выдерживала тех высоких icAHiepaTj'p, которые pa3BHBiUiHCb в местах подачи кислорода в мет^тлическую ванну в результате очень интенсивною окисле1Н1я приме сей чу1уна Для предохранения кладки днища конвертера от действия вы соких температур было пре/июжено фурму выполнять в виде двух коаксиальных трубок (рис 37.6) - по центра;гьной подавался кислород, а по периферийной — какое-либо углеводородное топ ливо, чаще всего природный газ Таких фурм обычно делается 16-22, диаметр кислородного сопла фурм колеблется в пределах 28-50 мм, зазор для подачи тошн1ва зависит от вида топлива и составляет 0,5—2,0 мм Большее число более мелких фурм обес581 печивает лучшее перемеип1вание ванны и более спокойный ход плавки Струя топлива отделяет реакционную joay от днища, снижает температуру око ло днища в месте выхода кислородных струи за счет отбора тепла на нагрев топ лива, крекии! и диссоциацию состаш1яющих топлива и продуктов их окисления Охлаждающий эффек!, кроме того, обес печивается пылевидной известью, которая подается в струю кислорода Как показы вает практика, количество поданного в Рис. 37.6 Схема кисюфурмы топлива должно состаш1ять 5—7% родпого конвертера с по отношению к массе кислорода Повы лонной продункои / — корп\с конвертера, шение расхода топлива с целью увеличе 2 - фурмы ния прихода тепла и получения возмож ности увеличения удельного количества скрапа не приносит желаемою результата, так как приводит к образованию настылей на днище, повышению содержания водо рода в CTcUHI. Теплотехнические расчеты показывают, что количество тепла, выделяемое при окисле1ши составляющих топлива, очень не на много превышает количество тепла, которое расходуется на дис социацию СО2 и Н2О Однако конвертер с до}тои продувкой имеет несколько меньшие тепловые потери (по сравнению с конBepiepoM ЛД), так как отсутствуют потери тепла ил охлаждение фурм, при донной продувке приблизительно вдвое уменьшаются потери металла с дымом и, следовательно, уменьшаются потери тепла на испарение железа Приближенный состав расходной части тепловою б.шанса выглядит следующим образом, % 1е11ло стали Тепло шлака Тепло уходящих продуктов реакции Потери тепла на тгрев футеровки Гепло на расплав1емие скрапа 57 13 10,3 3 16,7 Таким образом, расходная часть теплового баланса конвертера с донной продувкой мшю чем отличается oi таковой для конвер тера ЛД, следовательно, и удельное количество проплавляемого скрапа приб)П13Ительно такое же, как в конвертере ЛД 582 Для футеровки конвертера с донной продувкой применяют, в основном, те же материалы, что и для конвертеров с верхним дутьем. Футеровка горловины и верха цилиндрической части в этих конвертерах изнашивается меньше, чем в конвертерах ЛД; в наибольшей степени изнашивается днище, которое растрескива ется из-за большого перепада температур по толщине кладки. Средняя стойкость футеровки стен составляет 1600-1700 плавок, стойкость днищ 550—700 плавок Промежуточная замена днищ — большой недостаток конвертеров с донной продувкой. На одном из зарубежных заводов, где эксплуатируются 180-т конвертеры с донной кислородной продувкой, при выполнении технологических операций, кроме защитного углеводородного газа в сочетании с кислородом, используют азот. Сначала конвертер наклоняют под завалку, в это время через фурмы с небольшой скоростью вдувается азот. Затем загружается скрап, скорость азот ного дутья увеличивается, после чего в конвертер заливается чу гун Затем конвертер переводится в вертикальное положение и производят кислородную продувку, сначала без извести, а затем с подачей извести. Перед повалкои на анализ подачу кислорода прекращают, а через фурмы с высокой скоростью подают азот При взятии пробы скорость азотного дутья значительно снижа ют. Завершение плавки производится обычным путем Продувка расплавленного мегалла несколькими струями кисло рода снизу создает ряд особенностей в работе конвертера Обес печивается большее число реакционных зон и большая 'межфаз ная поверхность контакта кислородных струй с металлом. Это по зволяет увеличить интенсивность продувки до 4—5 М'' Oj/ij' мин), повысить скорость окисления углерода Улучшается перемешива ние ванны, повышается степень использования кислорода. Улуч шение перемешивания влечет за собой возможность расплавле ния больших по массе кусков скрапа. Лучшая'гидродинамика ванны обеспечивает более ровный и спокойный ход всей плавки, практически исключает выбросы. В силу этого в конвертерах с донной продувкой можно перерабатывать чугуны с повышенным содержанием марганца и фосфора Использование конвертеров с донной продувкой кислородом из-за меньшего угара железа позволяет получить больший выход годной стали, превышающий таковой для конвертеров ЛД на 1,5-2% Плавка в 180-т конвертере с донной продувкой длится 32-39 мин, продувка 12-14 мин, т. е. производительность выше, 583 чем у конвертеров ЛД Однако необходпмос1Ь промежуточной за мены д н и т нивелирует это различие в производигельпости Конвертеры с донной продувкой MorjT размеща1ьси в реконсфунруемых MapienoBCKiix цехах При этом обеспеч1Н}ается эко номия ил зда1пи1 (с учетом ею реконструктп!), равная 20-25% стоимости новою цеха, что являйся очень существенным ОтcyiciBHC в конвертерах с донном продувкой вертиксшьно расположенноп кислородной фурмы jnponiaeT и удешеш1яет конструк ции газоочистых ^строиств / / ава 38 МАРТЕНОВСКИЕ И ДВУХВЛННЫЕ ПЕЧИ 1 Общие сведения Мартеновские не in лолюе время OCTIBUHICI ocnoi НЫМ стше плавильным афегатом блаюдаря своей унпверссшьности в отпошепки пшхты, состава готовой стали, используемого топлива Преобладающая часть тепла поступает в мартеновскую ванну из рабочего просфансгва печи в результате теплоотдачи от факела и элеменюв кладки На метшшургических комбинаых в мар1еновских печах пере плавляют обычно 50-75% жидкою чугуна и 50-25% скрапа (скрап-рудный процесс) На мет-.и1лур1 ических заводах, не имею щих доменных печен, и на машиносфоительных заводах шихта MapicHOHCKHX печей состоит практически из скрапа (скрап-про цесс), 1вердьи1 чу1-ум добавляется в юм случае, если необходимо обеспечить требуемое содержание >глерода в ютовой ст.иш MapieiiOBCKHe печи делят на сгациоцарные и качающиеся. У качаюищхси печей рабочее пространство может наклоняться в сторону разливочного пролета /шя выписка стсШИ и в сторону печною пролеы для скачивания шлака Качающиеся MapienoBcкие иечи обычно применяю! для переработки чу|унов с содержа нием,в них до 2% Р Для уд.и1ения_фос([)ора необходимо наво дить в печп болыпое количеспю 1илака и нериодически его уда лять, что и делае1ся паююнол! печи в сторону печною пролета Эп! печи удобны в pa6oie и Ю1да, ко1да необходимо выпускать MeTcUui 01дельными порция,\П1 (например, при фасонном jniTbe, 584 дуплекс-процессе и др) Однако они сложны по конструкции и требуют больших затрат при строительстве. Основное количество мартеновской CTÛHI вьн1лаш1яют в стационарных печах В зависи.\юсти от матери.ии футеровки печи разделяют на ос новные и кислые Под основных нечеи наваривают основным огнеупорным материалом — матезптом или смесью магнезита с доломитом, а ванну выкладывают магнезитовым кирпичом В последнее время начинают широко внедрять набивные подины В основных печах, которые сейчас наиболее распространены, можно перерабатывать разнообразную по составу шихту, загряз ненную вредными примесями — серой и фосфором Под и откосы кислых нечеи наваривают кварцевым песком (оксидом кремния), содержащим минимальное количество посто ронних примесей, а ванну выкладывают из динасовою кирпича Кислые печи применяют в настоящее время крайне редко для выплавки высококачественной и легированной сталей В России эксплуатируются промышленные маргсновские печи садкой до 900 т Под садкой (или емкостью) печи понимают массу чугуна и скрапа, зафужаемых в печь для одной плавки. Кислород, необходимый дгш окисления примесей, посгупает в ванну обычно из двух источников из атмосферы печи диффузи ей через шлак и из твердых окислителей (чаи1е всего железной руды), вводимых в ванну Развитие тепло-массообменных процессов в рабочем простран стве мартеновской печи определяется условиями сжигания топ лива и характеристиками факела Необходимость иметь в рабо чем пространстве печи температуру около 1750 °С требует таких условий сжигания топлива, при которых калориметрическая тем пература горения должна быть около 2500 °С Такую температуру горения невозможгг'о получггть без ггодогрева воздуха, идущего на горение, или воздуха и г^аза Из рабочего пространства печгг уносится приблизительгго 80% тепла, ггодаггггого в ггеч'ь Это тепло уносится с oтxoдящи^fи газа ми, имеющими температуру 1600-1700 °С Поэтому целесообразгго подогрев воздуха (или воздуха гг газа) проггзводить, утилизи руя тепло отходяшггх продуктов сгорания В силу этого все мар теновские печи оборудованы регенераторами, если печь работает на топливе с высокой теплотогг сгораггия (природныгг газ, мазут), то подогревается то;гько воздух, если на топливе с низкой тепло той сгорания, то подогревается гг воздух и само газообразное 585 топливо Подофев и воздуха, и глзл осущестш1яетсм до темпера туры 1050-1150 °С Таким образом, если печь отапливается смеuiannhiM 1азом (смесь доменного и коксовою газов) с низкой теплотой сгорания (до 14 000 кДж/м-'), то необходимо подогре вать как воздух, так и 1аз, для чего требуется две пары peienepaторов При отоплении печей природным газом или мазуюм тре буется только одна пара peienepaTopoB для подогрева воздуха Основным видом передачи тепла в мартеновской печи являет ся тепловое излучение (~90%), поэтому повышение температуры в рабочем пространстве, наряду с обеспечением оптимальных ра диационных характеристик факела, является весьма эффективным средством интенсификации 1еплообмена и увеличения произво дительности печей Повышение температуры офаничено 01неупорностыо футеровки печи, поэтому в отдельные периоды плав ки (доводка), ко1да температура футеровки находится ил пределе, достижение необходимого уровня теплоотдачи возможно лишь за счет повышения излучательнои способности факела Стремясь поднять производительность мартеновских печей, в течение ряда лет велись работы по использованию кислорода в факеле мартеновской печи с целью повышения температуры и окислительной способности факела Это Дсию определенные по зитивные результаты, но не решило проблему, так как возмож ное с точки зрения сжигания топлива повышение температуры серьезно офаничивалось стойкостью ошеунорных материалов фуlepoBKH В последние годы получила распространение продувка марте новской ванны кислородом, которая позволила значительно уве личить производигельность печей, Х01я и породила свои допол нительные проблемы, связанные со стойкостью футеровки рабо чего пространства и насщок регенераторов 2 Устройство мартеновских печей На рис 38 1 показана одна из конструкции стационарной мар теновской печи, отапливаемой высококалорийным топливом Печь можно условно разделить на верхнее (выше рабочей пло щадки 16) и нижнее (ниже рабочей плошадки) строения. Верх нее строение печи состоит из рабочего пространства 8, 1о;ювок б и вертикальных каншшв 4 Нижнее строение печи вкгпочает в себя peieneparopbi 2, шлаковики 3 и борова / 586 Рабочее пространство - это та часть печи, где протекают про цессы выплавки стали, сгорания топлива и передачи тепла мате риалам шихты. В передней стенке рабочего пространства предус мотрены завалочные окна 15, обрамленные с обеих сторон стол биками 14. Завсшочные окна служат для завалки шихты в печь, заливки чугуна и скачивания шлака Число окон обычно нечет ное (от 3 для малых печей до 7 для больших). В задней стенке и расположены отверстия для выпуска стали и шлака. Среднее окно предназначено также для обслуживания сталевыпускиого отверстия На некоторых печах жидкий чугун заливают через отверстие, находящееся в задней стенке рабочего пространства Стены печи наклонены для того, чтобы при заправке с них не ссыпались заправочные материалы. 10 и 12 13 14 15 Рис, 38.1 Мартеновская печь, отапливаемая высококалорийным топливом 587 Нижняя час11> рабочего простраисша, офаппчеппая пол1п1ои 10 и откосами 7 \\ 9 печи (нижней мастью передней, з.щнеи и торцевых cienoK), называется панной Ванна вмеиыс! весь жнчкии меьшл в Н1лак Верхним уровнем ванны являюкя порош — С1<ип>ные ПЛИ1Ы, образующие нижнюю часть )авалочных окон Сверху рабочее просфанство ограждено арочным сводом 13 В своде есть опшрстия, через коюрыс в печь вводят кнс;юродные фур.\н.1 12 imn продувки ванны кисчородом С торцевых сюрон к рабочему нроарансшу при\И)1каю1 ю ловкн печи Головки служа! доя подвона топлива в печь при помощи юрелок 5, смешения ею с воздухом и иодюювки к сАиьннпо, а также для от1юда из нечн нродукюв сюрання юнлива и технолошческнх мзов Поэтому требования, предт>являемые к ним, пролпюречивы С одной сюроны, коыа через юловку в печь подаю1Ся топливо и воздух ;UHI созчания бо;н.пн1х скоросген истечения газов, т е для хорошею перемешивания топлива с возчухом и получения жесткою факела, необходима не большая площадь сечения ызовых кана;юв С другой сюроны, кансшы Мсшою сече1П1я харакюризуюгся бочьпшм пшрашшческпм сопро1ИШ1ение.м в тот период, когда головка служи! ,'и1я от1юда 1азов из печи Правильны!! выбор констругсгивных размеров !оловок печи особенно усложняется ;и1я нечеи, oia!iJ!HBae.Miii\ m n кок;и1ории!П1!М Т0ПЛИ1ЮМ !!, слечонателыю, оборудованшлх !азовыми (;и1я ПОДО!рева !азообраз!!010 топлива) и B03uyi!iHij!MH (ш1я подогрева 1юзду.\а) регенераторами В э!ом с;!учае юловк!! долж1!1)1 6i5!Tb так сконструирован!!! !! и.мет1> такие раз.мер1>1 око!! iUIя !Я)1\ода 1-аза !! воздуха, чтоб!)! обеспеч1!ТЬ 1!ра!)нль!!ое расиределе!!!!е ПрО\ОДЯ!Н!1Х ЧСрСЗ !!11Х !1р0ДуК!0!$ С!0ра!!1!Я MC.K,IV 1ЮЗ'1\'!11Н1)!ми !! !-азов1)!.м!1 ре! е1!ераторам11 Печ!1, 0!апл!1ваемь!е сме!!!ан!!Ы.м газом, оборуд\101ся трехка!bU!!>!!b!Mii головка.ми Bei!T-yp!! (рис 38 2) Головк!! Ветлр!! !1.ме!0! iU!i!iiii!îi нак;!онны!! газои!.!!! кагг.иг /, ггерскргягь!!! ф\1ерован!1!>!м !13Н\ПрИ и С1!аруА1! МеТ.и1Л!1ЧеСКИМ !!OДOOVlaЖДaeM!^!M KI.CCO!!OM 2 Скорое!!. !аза пл вьгходе из кессо!!а сос1авляе1 5 0 - 55 м/с, .i скорость воздуха гга вг.гходе !1з !оловк!1 12-15 м/с Название <прехка111и1Ы1ая» ггроггсхошт ог того, ч!о !0!!;п11ю гго'июппси гго одному кансшу 4, а 1юзд\\ - гго двум чриим 3, рас1голоже!т!;1М сбоку газового кагг.ша Газ !! в о з д у х , !!ОС!у!!аЯ !13 !iepTllKtU!b!!bIX 1ча11аЛ0В !1 1!рОХОДЯ через !10стоя1!!ГО сулчагонгиеся !азо1и>!И и !!Oi4\iiiHi,iii пролегi.i, 588 Рис. 38 2. Трехкан.шьиая голонка Вентури приобретают большую скорость (кинетическую энергию), что спо собствует интенсивному перемеипшанню и бысфому сгоранию топлива с правильным напраиленисм факела Применение таких высококагюрииных топлив, как природный газ и мазут, упрощает конструкцию головки и всей печи в це лом, так как исключается потребность в perej ер iTopax juni подофева топлива Печи с такими юловкамп имеют только одну пару peienepaTopoB для подогрева воздуха Мартеновские печи, работающие на природном газе, MaJiTC или смеси мазута с природным газом, могут быть оборудованы двух или одноканальными головками. Двухканси1ьная головка Вентури отличается от трехкана;нзНои тем, что у нее отсутствует газовый вертпк<:1льный кап.ш Подогре тый воздух подается по двум нертиксшьным кансшам, а природ ный газ или мазут соответственно через горелку или форсунку, расположенные на разделительной стенке этих каналов В одноканальных головках (рис 38.3) воздух подается не по двум, а по одному вертикальному KawtUiy 1, а топливо — через юрслку пли форсунку 2 Эти головки отличаются наиболее простои конструк цией. Иногда при отоплении печен природным газом используют старые TpexKaHiUibHbie головки Как уже отмечалось, факел мартеновской печи должен обла дать достаточной светпьюстью, т е иметь хорошую излучат ельную способность Если печь отапливается мазутом, то дополни тельных мер принимать не надо, так как мазутный факел обла- 589 дает достаточной светимос тью При отоплении печей газообразным топливом обес печите должной светимости может быть достишуго двумя сгюсобами добавками мазута или смолы (искусственная карбюризация факела) или созданием таких условии рабо1ы юловки, при которых обеспечивается самокарбюризапия факела зл счет раз ложения углеводородов гоплива (см 1л 5) Вертикгшьные каналы мар теновских печей служат для соединения рабочего про странства со пшаковиками К нижнему строению печи относятся шлаковики, регене раторы, дымовые борова, пе рекидные устройства Шлако вики предназначены для очи стки газов, уходящих из рабочего пространства, от крупной пыли Очистка осно вана на том, что 1азы, попа дая в шлаковик, теряю г свою скорость вследствие резкою и внезапного расипфения ка нала Газы, движушиеся с небольшой скоростью, не Moiyr увлечь за собой круп Рис. 3S 3. Однока11<1льн 1л гоюика мдртеные частицы пыли, и после HoiiCKOii пичи дние оседают на дно шлако вика Частично очищенные газы изменяют на 90° направление своего движения и поступают в регенераторы, 1де отлают свое тепло oineynopnon насадке Объем шлаковика должен быть таким, чтобы в нем умеимпась пыль, оседающая за время межремонтного периода (2-3 мес ) 590 Проходя через регенераторы, дымовые газы охлаждаются с 1500-1600 до 800-600 °С После перекидки клапанов, когда че рез разогретую насадку регенераторов пропускается воздух или газ, тепло насадки передается им, в результате чего температура воздуха или газа поднимается до 850—1150 °С. Борова предназна чены для отвода продуктов сгорания из регенераторов и подвода к ним газа или воздуха. Переключение регенераторов с нафсва на охлаждение и наоборот осуществляется с помощью перекид ных устройств — клапанов тарельчатого и золотникового типов и шиберов Перекидка клапанов осуществляется автоматически, а в необходимых случаях вручную. Футеровка печи, особенно рабочею пространства, работает в очень тяжелых условиях Механические удары и истирание, хи мическое взаимодействие плавильной печи и шлаков, высокие температуры являются причиной использования для кладки мар теновских печей высококачественных огнеупорных материалов Чтобы предотвратить разъедание кладки основными оксидами шлака, рабочее пространство выкладывают из основных огне упоров Под печи, заднюю и переднюю стенки, а также откосы выполняют из магнезитового киргшча В качестве тепловой изо ляции служит шамотный и пеношамотный кирпич, который применяют для кладки наружных слоев Внутреннюю поверх ность пода покрывают толстым слоем магнезитовой наварки. Иногда подину печи не наваривают, а набивают магнезитовым порошком Для свода печи применяют термостойкий магнезитохромитовый кирпич. В процессе кладки свода между отдельными кирпи чами устанавливают тонкие металлические прокладки При разог реве свода эти прокладки расплавляются, и отдельные кирпичи свариваются между собой Головки и стены вертикальных каналов выкладывают из хромомагнезитового кирпича, стены шлаковиков и верхнюю часть стен регенераторов — из динасового кирпича с облицовкой хро момагнезитом. Облицовка защищает кладку от вредною воздей ствия плавильной пыли Нижнюю часть стен и большую часть насадки регенераторов выполняют из шамотного кирпича; верх ние ряды насадки регенераторов - из форстеритовых или высоко!Линоземистых огнеупоров, более устойчивых против агрессив ного действия плавильной пыли. Борова и внутреннюю часть дымовой трубы футеруют шамотным кирпичом 591 Сонременная Mapieuonckan печь обычно обор\донан.1 коиюмjqnjmjaiopo.M, полюляютим нснольюпаи. до 50% тепла ды.мот,\х 1аюи для получения пара, jciaiiouKOii ю\я очис1ки дымопыч lajoH 01 пыли, Ko.NHuieKTOM контрол11но-и)\1ери|елып)1х приборе» и приборон атоматическою упранленпя 1енлоиы.м режимом печи Печи снабжены также системой иснарительною охла/Кдения 3 1'»бота мартеновских печей Режим работы мартенонских печей досташчпо сложен, так как ил нем офажае1ся нзаимоспяЛ) 1ехноло1Ически\ и тенло1ехническпх операинп и прпемои, к числу которых относяая послечопательпост1> 1ехноло1Ическ11х операции, изменение расхоча юплпна по ходу планки, подаержание необходимых характеристик факе ла, использонание кислорода, непрерьп5ПЫ11 кон1роль зл сосюяпием футеровки печи и цр Применение кислорода/шя иродунки мар1енонскои панны пносит ряд специфических особенностей и pa6oiy печи Учиплпая эго, а ыкже ю, что п настоящее нре.ми еще передки печи, рабоlaiouuie без иродунки на1П1Ы кислородом, рассмотрим преж;1е всего тепловую работ}' мартеновской печи, работающую без при менения кислорода Тепловая работа мартеновской печи (без применения кислорода) Как и в каждой печи, осно1юи тенлонои рабопи мартеновской нечи яш1яется 1П1тенсив11ая теплопередача, напр и ленная на ю, чтобы перечагь проплавляемому Mei.uuiy паиболытю часть, по данного в рабочее ripocTiânciBO печи гепла Для шпепсификаlUHi 1е1июоб.\|ена и ускорения плавки необходимо ио/щерживать .максимсишную разность между температлрои печи и поверхнос тью твердой ПП1ХТЫ или поверхностью жм'ткои ванны (см юм 1) Очевидно также и то, что \и\ CKopocib naipena и пл.шления шн1ЯЮ1 >с]юния передачи тепла нпуфи расплаштемою матери.и1а иди нпутри жидкой ванны Г1ере;1ача тепла внугри материсиы занисит в первою очередь oi ею тенлопроиодности, которая в т е ч ё т е плавки изменяеки очень значтельно За1р)жаемыи в печь скрап можс! иметь самую различную насыпную массу и сам\ю различ ную DKHHHiUieniн>ю 1еплог1ронодность Чем крупнее к\ски скра па, 1ем быстрее он будет прогреваться и плавиться Именно по этом причине повсеместно ирименяекя пакегирование скрапа 592 в течение всею периода плавки после образования ванны расплашюнныи металл покрыт слоем шлака, представляюихсго смесь pa3JHi4Hbix оксидов Состав П1лака определяется тех110Л0!иеи плав ки Вместе с те.м HMCFHIO поверхность шлака воспринимает теп ло, излучаемое на ванну факелом и кладкой печи Шлак также, как MCTiUui, в зависимости от химическою состава и своею фи зического состояния (прежде всего пористости) может иметь ту или иную теплопроводность, которая в значительной степени будет определять характер тепловою баланса ил поиерхностн шлака и телнюратуру поверхности Тепловой бутане на поверхно сти шлака будет определяться также его радиационными характе ристиками, т. е поглошательной, излучательнои и отражательной способностями. Проведенные исследования показали, что шлак не является серым 1елом и имеет очень сложную зависимость своих радиационных характеристик от химическою состава и состояния поверхности Это очень важные, хотя и недостаточно изученные особенности мартеновской плавки, так как если пло хо прогревается шлак, то недостаточное ко;шчество тепла посту пает в металлическую ванну. Таким образом, теплообмен в рабочем пространстве мартенов ской печи крайне сложен, не поддается строгому описанию Для обеспечения высокопроизводительной и экономичной работы марте1ювскои печи необходимо знать особенности теплообмена в каждый период плавки Процесс плавки по организационно-тех нологическим и теплотехническим признакам разбивается ил сле дующие периоды заправка, завалка, профев (если печь работает па жидком чугуне, то этот период отсутствует), плавление, до водка Обычно для мартеновских печей состаш1яют тепловон график плавки, один из которых в качестве примера приведен на рис. 38 4. Как видно из фафика, по ходу плавки контролируются такие величины, как тепловая нафузка 1 температура поверхноС1И свода 2, температура поверхности шихты 4, ванны 3, рассчи тывается термический к п д . Тепловая нагрузка и температура свода — основные величины, по которым ведется плавка Рассмотрим кратко теплотехнические характеристики каждого периода плавки Период заправки печи предназначен для поддержания кладки подины печи в надлежащем состоянии В течение этого периода устраняют повреждение подины перед последующей завалкой. В 593 Заправка Завалка / Прогрев Плавление Рис 34 4 HJN енен е тето о нпфузкл / те\ ерптурь U ь 3 терм еского к п д 4 по ол не пл1вк ,Доводка, о ерч ост сиода ЭТОТ период в печи метшша пет, топливо тратится только на под держание рабочей температуры. В период заправки надо всемер но избегать охлаждения кладки печи, особено подины, поскольку это впоследс1вии приведет к удгптепию шшвки Причиной ох лаждения кладки можег быть подсос холодного воздуха, посколь ку в отдельные моменты этого периода давление в печи на уров не рабочих окон поддерживается ниже атмосферного Это делае1ся дшя того, чтобы избежать выбивание раскаленных газов и дать возможной!ь обслуживающему персон.шу выполнить необхо димые заправочные операции, Очевидно, что заправку надо про изводить как можно быстрее, для чею используют специш1ьные механизмы Тепловая нафузка в этот период на 15-20% выше тепловой нагрузки холостого хода' Период завалки — это время, необходимое для зав<и1ки твердой ШИХ1Ы в печь В 1ечение этою периода обеспечивается наивыс шая теплоотдача к unixTe, так как имеют место низкая темпера тура и большая поверхность твердой шихты, возможность про' Исшомним, что HiirpyjKOH холостого хода называется такая, при которой лтя пустой печи с закрытыми рабочими окнами обеспечивается поддержание необходимой температуры Вводимое в печь тепло компенсирует тиип. тепловые потери 594 никновения горячих rajoa в толщу шихты и, как следствие, раз витие конвективной теплоотдачи к металлу. Интенсивная тепло отдача к металлу резко снижает опасность поджога свода Темпе ратура свода в этот период понижается, так как много тепла за бирает заваленный холодный металл. Все это позволяет держать в этот период максимально возможную тепловую нафузку. Одна ко, для того, чтобы обеспечить столь блаюприятные условия для хода плавки необходимо применять определенный порядок завал ки шихты. Мета?1лическую часть шихты имеющую высокую теп лопроводность, следует загружать после сыпучих материалов — известняка и руды. ' Период прогрева необходим для тою, чтобы поднять темпера туру шихты до значения, несколько превышающего температуру плавления чугуна Если чугун заливать на непрогретую шихту, то относительно холодная шихта охладит часть его до температуры ниже температуры его плавления, что приведет к так называемо му «закозлению» шихты Образующаяся твердая корка ухудшит передачу тепла во внутренние микрообъемы шихты, что удлинит их прогрев и плавление. Не следует также допускать значительный перефев шихты, так как заливка чугуна на сильно перегретую шихту вызывает бур ную реакцию окисления примесей чугуна и может вызвать выб рос металла из печи В этот период условия теплообмена близки к условиям периода завалки, однако температура свода постепен но повышается, хотя и не достигает критического уровня По этому тепловую нафузку надо поддерживать на максимальном уровне. Период плавления металлической части шихты — время от кон ца периода се профева до полного ее расплавления. При работе на скрапе и твердом чу1-уне (скрап-процесс) плавление начина ется сразу после завалки, поэтому в начале этого периода усло вия теплообмена подобны условиям периода профева и можно держать высокие тепловые нафузки При скрап-рудном процес се (60-75 % жидкого чугуна) плавление твердой шихгы протека ет под слоем шлака в жидком чугуне. Поэтому в этом случае, как и для скрап-процесса, интенсивность теплообмена зависит главным образом от степени перемешивания ванны за счет пу зырей СО и СО2 В этот период большую роль ифает теплоотдача от факела, который должен иметь настильные свойства, что приближает мак595 симум температур к поверхности ванны и co3iiaei условия направ ленною теплообмена В этот период уже необходимо, чюбы фа кел имел высокую степень черноты и обесиемивл)! большие теп;ювые потоки на поверхность ванны Температура свода в этот период достиишт своего преде;и.ного уровня По мере роста тем пературы свода тепловая нафузка снижается Период доводки — это отрезок времени от MOMenia полного расплавле1И1я до выпуска готовой стсши В период доводки тем пература свода и температура поверхности ванны досппают максимгшьных величин Причем TCMnepaiypa юыдки свода находится на пределе ее oiнеупорности Окисление углерода значительно снижается, падает газовыделение и ослабевает перемешивание метсшла В результате значительного н непрерывно pacTynieio подъема температуры поверхности ванны постепенно уменьшай ся разность температур между температурой печи (свода, факела) и температурой поверхности ванны Все это приводит к тому, что условия теплообмена в период доводки наихудшие и тепловая наipyjKa должна снижаться до минимального уровня Однако пита ние ванны теплом необходимо, так как в этот период меылл доводят до заданного химического состава путем добавления раз личных твердых ферросплавов Чтобы способствовать питанию ванны теплом и этот период необходимо, чтобы факел имел вы сокую светимость Производительность мартеновских печей определяется несколь кими показателями юдовои (т/г), часовой (г/ч) производитель ностью и съемом стали с 1 м^ площади пода в сутки. Удельный расход тепла колеблется от -2100 МДж/т (крупные печи) до -6300 МДж/т (Miuibie печи) Годовая производительное! ь - наи более важный показатель работы печи. Она зависит от часовой производительности и дги1тельности простоев на ремонт Показ.1тели работы мартеновских печей приведены ниже Садка печн, т Производительность годоиая, тыс т часоная, т Продотжителыюсть тавки, ч 200 , 200-240 24-29 400 600 900 370 45 490 59 670 81 8-10 - - 10-112 Для сравнения отметим, что продолжительное!ь одной ттлавки 200-т кислородного конвертера составляет 45-50 мин 596 Роль и формирование факма Роль факела в работе мартеновской печи первостепенна Флкел определяет тепло-массообмеиный уровень работы печи Фа кел мартеновской печи должен удовлетворять трем основным ipeбованиям. — иметь достаточно высокую (по 1ребованиям процесса CTtUieварения) температуру; — иметь (хотя бы в период плавления и доводки) высокую излучательную способность (светилюсть), — быть настильным и име1Ь достаточную окислительную спо собность Как уже отмечсшось, температура факела определяется тешютворнои способностью топлива, степенью подофева воздуха (или воздуха и газа), величиной коэффициента ршхода воздуха По скольку эти вопросы достаточно полно рассмотрены выше (см гл. 5), остановимся несколько подробнее на значении вели чины коэффициента расхода воздуха Количество используеьюго в MapienoBCKOH печи воздуха определяется не только необходи мостью обеспечения полноты сгорания топлива, но и необходи мостью, практически на протяжении веси печи, иметь в факеле достаточное количество газов-окислителей, обеспечивающих диффузию кис;юрода в метсшлическую ванну Обычно коэффи циент расхода воздуха в мартеновской печи по;щерживается на уровне -1,2 И окислительные, и теплообмепныс функции факела lecno связаны с ею аэродинамикой, в основе которой лежит необхо димость обеспечения настильности факела при достаточно высо ких скоростях его движения. В марте1ювских печах интенсивносгь смешения топлива с воздухом, выходные скорост пото ков, настильность факела обеспечиваются конструкцией юловки печи Факел должен как можно дольше стелиться по поверхно сти ванны, закрывая большую часть ее с тем, чтобы обеспечить необходимый контакт газовой фазы с поверхностью Bainibi н максимсшьио возможный конвективный теплообмен, а ыкже приблизить максимум температур к поверхности ванны, чю' со здает блаюприятные условия /шя направленного лучистого теп лообмена. Конструирование головки мартеновской печи ответственное и тонкое дело, связанное прежде всею с правильным выбором yiлов наююна образующих головки по отношению к юризонтсшь- 597 НОИ и всртик.шыюи плоскостям (см рис 38 2) Углы ц и р опре деляют развитие факела в BepTUKiUibHon плоскости, у1лы у и Ф в юризонгсшьнои плоскости Основное влияние ил формирование факела особенно в печах, работающих на газовом топливе, оказы вает возлуп1НЫИ 1ЮТ0К, масса которою всегда существенно больше М.1ССЫ roHjniBa Поэтому углы а и р должны выбираться особенно тп1ате;п:.но Рассчитать все эти углы с приемлемой точностью пракшчески невозможно, поэтому ил помощь приходит эксперимен! Большую пользу в этом случае приносит моделирование Необходимость иметь в рабочем пространстве мартеновских печен хорошо светящийся факел ставит перед конструкниями юловок дополнительные требования по созданию бла10прия1ных условии по развитию процессов самокарбюрации газообразного TOHJHHja Излучение светящегося факела серьезно зависит от раз мера взвешенных в нем сажистых частиц Обеспечивающие вы сокую степень черноты факела кругшые частицы (150-20 мкм) состоят частично из промежуточных продуктов разложения мета на и образуются в довольно узком температурно-временном инTepBiUie В трехканальных головках путем принятия спецИсШьных конструктивно-эксплуатационных мер можно создать такие усло вия, при которых за счет самокарбюрации можно получить хоро шо светящийся факел природного газа В совреме1П1ых однокаH.uibHbix головках такие условия создать невозможно, так как в юловке развивается температура слишком высокая, а продолжи тельность пребывания ыза в головке слишком мала, чтобы мож но было получить путем самокарбюрации хорошо светящийся (1)акел В настоящее время почти повсеместно используют искус ственную карбюрпз.пщю факела газообразною топлива мазутом, расходуя при этом его в количестве 20-35% от всего расхода тепла ил печь Использование дутья, обогащенного кислородом Большое шшяние на характеристики факела и печи в целом оказьшает подача в факел газообразною кислорода, т. е исполь зование дутья, обогащенною кислородом До применения про дувки мартеновской ванны кислородом использование обогащен ною дугья было весьма результативным методом интенсифика ции 1еплоо6ме1шых и окислительных процессов в рабочем нроираистве млр1еновских печен При использовании обо1ащеи598 ного дутья преследовс1ли, в основном, три главные цели: повы шение температуры факела и печи в целом; интенсификацию окислительных и теплообменных процессов; повышение теплово10 к. п. д рабочего пространства мартеновской печи Увеличение содержания кислорода в дутье приводит к сниже нию удельного количества дымовых газов и, при прочих равных условиях, к повышению температуры сгорания топлива Исполь зуя различную степень обогащения дутья кислородом, при одном и том же топливе можно достичь весьма высоких значений темпе ратуры горения. Однако повышение температуры в мартеновских печах сдерживается стойкостью огнеупорных материалов. Поэтому применение кислорода с этой точки зрения может быть наиболее целесообразно в те периоды плавки (завалка, плавление), когда нет опасности поджога свода Подъем температуры факела в этот пе риод усилит тепловой поток на металл, ускорит его прогрев и плавление Это в свою очередь позволит ускорить эти периоды и обеспечить увеличение производительности печи Обогащенное дутье позволяет интенсифицировать окислительные процессы. В мартеновской печи главными источниками кислорода, не обходимого для окисления примесей металла, являются железная руда и раскаленные газы, расположенные над металлической ван ной Использование кислорода прежде всего способствует повы шению парциального давления кислорода в печных газах, что способствует усилению диффузии кислорода в ванну. Надо иметь также в виду, что кислород обычно вводят под факел, между факелом и шлаком, что в начале рабочего пространства создает зону со значительным повышением парциального давления. Здесь уместно заметить, что такая подача кислорода обеспечивает раз витие максимальных температур непосредственно у ванны, созда ет условия направленного теплообмена и интенсифицирует теп лоотдачу к металлу. Кроме того, вдуваемый кислород в начале ванны частично проникает в шлак, кислородная струя на неко тором участке «сдувает» шлак и толщина его уменьшается. В период «кипения» металла, когда идет интенсивное окисление углерода и ванна интенсивно барботируется, возможен также не посредственный кратковременный контакт обнажающегося метал ла с газовой фазой, обогащенной кислородом. Все это интенси фицирует окислительные процессы, что хорошо подтверждается данными, приведенными в табл. 38.1. Как видно из приведенных данных, повышение степени обогащения дутья кислородом по599 Таблица 3S 1 Влияние обогащения ДУТЬЯ кислородом на окислительные процес сы в мартеновской ванне (200-т печь, скрап-рулнын процесс) Показатели Доля чугуна о шнхтс, % Доля руды в шихте, % Средняя скорость окисления уперода, %С/ч Содержание в шлаке по р (сплавлении, % ГеО ГсгОз Осноиность шлака по распллвпении CaO/Si02 Степень обошщсния, % Oj (liOJnyX) 25 30 65,3 12,0 0,64 65,9 10,7 0,68 66,2 9,0 0,93 12,J9 5,05 2С 13,06 6,05 2,6 15,36 7,23 2,6 зволяет снизить расход руды в зав11лку и, как следствие, уменьип1ть расход тепла на ее нафев и разложение Продукты сгорания уходят из рабочего пространства мартенов ской печи с весьма высокои температурой (1600-1750 °С) Оче видно, что чем меньше количество уходящих газов, тем меньше тепла унесут они из рабочего пространства печи При эюм боль ше тепла остается в рабочем пространстве и повышается тепловон к п д рабочего пространства Снизить расход отходящих газов при постоянной тепловой нагрузке можно лии1Ь двумя способами — снизив величину коэф фициента расхода воздуха и применив обогащенное кислородом дутье Первый способ не эффеюивен, так как влечет за собой снижение полноты горения Остается только npHMeneinie обога щенного дутья Таким образом, можно сделать общий вывод о том, что при менение обогащенного дутья в мартеновских печах положительно влияет НА развитие процессов 1е11лообмена в рабочем простран стве печей и способствует повышению их производительности Однако по современным требованиям достиыемое при этом по вышение производительности является недостаточным, что и выз вало необходимость продувки мартеновской ванны кислородом Продувка ванны кислородом В процессах продувки кислородом конвертерных и мартеновс ких ванн ecib много общего Остановимся на специфических осо бенностях, характерных для применения продувки мартеновской ванны кислородом, и в первую очередь на пылеобразовании и 600 разбрызгивании. Конечно, и в конвертерах пылеобразование крайне нежелательно, так как снижает выход годного и сильно засоряет отходящие газы Но в мартеновских печах значительное пылеобразование может оказаться пагубным для регенераторов. Надо стремиться к тому, чтобы и главный свод и регенераторы ремонтировались в одно время, поскольку ремонт в разное время снижает годовую производительность печей. Разбрызгивание играет большую роль для мартеновских печей, чем для конвертеров, поскольку рабочее пространство печи пере крыто сводом, очень уязвимым для разрушающего действия брызг Проведенные исследования показывают, что продувка кисло родом очень сильно увеличивает пылеобразование в мартеновс кой печи Средняя запыленность продуктов сгорания 400-т мар теновской печи во время плавления (пробы из вертикальных ка налов) приведена ниже Средняя запыленность, г/м-' без кислорода при расходе кислорода, м^/ч 2300 4000 5600 1,1 8,2 13,0 24,5 Чтобы бороться с нылеобразовянием надо четко представлять себе причины возникновения пыли Здесь далеко не все ясно. Большинство исследователей сходятся на том, что пыль образу ется как из всплесков расплавленного металла, так и из паров железа. При продувке кислородом из ванны выделяется значи тельно большее количество газов, чем при обычном кипении, что способствует механическому отрыву и выносу из ванны частиц мет^и1ла и шлака. В реакционной зоне непосредственно под фур мой развивается очень высокая температура, что вызывает интен сивнос испарение железа Разбрызгивание металла и шлака зависит главным образом от положения фурм относительно ванны, направления и импульса кислородных струи, физических свойств шлака. При продувке без погружения фурм брызги состоят главным образом из шла ка Брызги, образующиеся в результате продувки мартеновской ванны с пофужением фурм на границу шлак-металл, представ ляют собой двухфазные образования. Установлено, что в реаль601 пых условиях печи на максимальную высот}' поднимаются брыз1и некоторою определенного размера приблизительно от I до 5 MNt диаметром. Большое влияние на разбрызгивание оказывает вязкость шлака Если ишак плохо прогрет и вязкость его велика, разбрьшивание будет значительным Наличие в шлаке кусков нерастворившихся сыпучих материалов также способствует разбрыз гиванию Таким образом, разбрызгивание главным образом зависит от положения фурмы относительно поверхности ванны и от KOHCIрукции фурм. В настоящее время по технологическим соображе ниям продувку в мартеновских печах проводят преимущественно с погружением фурм на границу шлак-мет^иш. В этом случае значительная часть газа выходит из ванны крупными порциями в зоне продувки, что способствует брызгообразованию При норм.шьном ходе плавки важнейшим методом борьбы с брызгообразоваиием является использование мноюсопловых фурм, обеспе чивающих достаточно спокойное взаимодействие газовых струи с поверхностью жидкой ванны Этим и объясняется существующая тенденция к созданию фурм имеющих б и более сопел Однако излишняя форсировка продувки ванны мартеновской печи и, связанное с ней увеличение производительности, может быть све дено на нет учащающимися при этом ремонтами 4. Двухванные печи При интенсивной продувке мартеновской ванны выделяется значительное количество СО, который трудно полностью дожечь и самом рабочем пространстве Часть несюревшею СО и боль шое количество ныли выносятся дымовыми газами из рабочего пространства печи Х1пя лучшего использования СО и частичного улашпшания пыли в самом рабочем пространстве создана двухванная сталеплавильная печь (рис 38 5). Рабочее пространство такой печи разделено перевалом на две ваш1ы Обе ванны имеют общий свод, так что продукты сюрания, образующиеся в одной ванне, проходят вторую часть рабо чею пространства Печь работает следующим образом в одной ванне (горячен) происходит плавление и доводка с интенсивной продувкой меTcUiJia кислородом, а во второй ванне (холодной) в то же время идет ишстлка и профев твердой шихты Газы из горячей части 602 печи направляются в холодную и состоят до 35 % из оксида yi лерода В холодной части печи СО догорает до СО2 и за счет выделяющегося тепла происходит нагрев твердой шихты. Недо стающее для процесса нагрева тепло восполняется подачей при родного газа через горелки, установленные в своде печи. Сгора ние природного газа и доюрание СО совершаются за счет до полнительного кислорода Когда готовую сталь из первой ванны выпускают, во вторую ванну заливают жидкий чугун. После заливки чугуна тут же на чинают продувку ванны кислородом. Заканчивается продувка за 5-7 мин до выпуска. С выпуском металла из первой ванны цикл плавки заканчивается и начинается новый. В то же время с по мощью перекидных шиберов изменяется направление движения газов Теперь бывшая холодная ванна становится горячей. Пер вую ванну заправляют и производят завалку шихты, и цикл по вторяется Двухванная печь должна работать таким образом, чтобы было равенство холодного и горячего периодов, протекающих одновре менно в разных ваннах В холодный период входит выпуск, зап равка, завалка, профев, заливка чугуна, в горячий период — плав ление и доводка Например, для печи с садкой каждой ванны 250 1 общая продолжительность плавки составляет 4 ч, каждый Рис 38 5 Двухванная печь 2 х 300 т / Bai ь печ , 2 - фурмь, 3 — шлаков к , -^ — водоохлаждпеч ь е зпсло iK , 5 — амбразуры для отбора воздуха из вертикального каггала, 6 — футерованные воздухопроводы, 7 — амбразуры в своде пени, <? — эжекторы 603 период iuinicH по 2 ч Меьшл выпускается также через кaж^п>Ie 2 ч Раскисле1П1е CTIUHI пропиюдя! в ковше MeitUUi продуваю! кислородом и каждюи ванне через две-1ри кис;тродиые (1)урмы с иптеисивиостью 20-25 MV'I "'i 1 i MeitUiла Каждая часть печи оборудована сводовыми кислородными фурма\п1 и газокислородными юрелкалп! Горелки необходимы iuiH cyuiKH и разогрева печи после ре\юнтов, а также juui подачи дополпителыюю loujniBa CoBpeMeHfff>ie двухванные печи рабоииот ил техническом кис лороде, без велшляторною воздуха, поэю.му peienepaiopbi отсут ствуют Холодная ваппа печи частично выполняет роль peienepaторов, аккумулируя тепло ызов, покидающих юрячую часть печи с температурой ~1700°С, и частично улавливает плавильную П[,гль, тем самым выполняет роль шлаковиков Тем не менее коJH14CCTB0 ныли в продуктах сюрания, покидаюпшх печь, составляс! большую величину (20-40 I/M-') Пыль состой! на 85-90% из оксидов железа Д1>1М0В!>!е газ!,!, !iOK!UWioinne рабочее !ipocipaHCTBO печи с темiiepaiypoii около 1500 °С, !iocTyiiaioT по вертиКсшьному кан.шу в uuiaKOBiiK, !5 котором охлаждаются водой до температур!.! 900— 1000 °С, а затем направляются в боров В бороне зл счет подсоса холод!10!о !юздуха происходит Д1и!11не1'1и1ее понижение их темпе ратурь! до 700°С PacnpocTpaiiei!He двухванных !!ечеи 0!!ределилось их преиму1иес!1!ами в сравне!1ии с мартеновскими печами мш1Ь!м удельii!iiM расходом огнеупоров (4—5 К1 в сравнении с 12—15 к! !ia мартеновских !!ечах), меньшим объемом ремонтов, значигельIU.IM обле1-чением условии труда ремонтных рабочих, и 3-5 раз ме1!ьшим расходом топлива, более высокой сюикостью, досги1~аю1пеи 800-1000 пла1юк Производительность двухва!П1ЫХ !!ечеи в 3—4 раза в1>!И!е, чем мартеновских, их устанавлива!от на месте сущее!ву10!цих марюновских пече!1 без реконс1рукции здания и изменения |-рузопо!оков в цехе В лвухванпых печах В171плаиляют C!.uin широкою сортаме1!т-а, в том числе низколсгированшие, не ycTy!!a!Ouuie по качеаву сталям, выплавляемым в мартепо!1ских печах К недос1а1кам существующих конструкции двухванных печей следуе! отнести Mei!b!iin!i выход !одной сыпи, пов151шенн1>1и рас ход ЖИДКО!о 4yiyiia и выбивание боль!11010 кол1!чес1ва !ехнолошческих 1азов через за1Ш10Ч11Ь!е окна в цех 604 Выбивание газов из рабочего пространства происходит через завалочные окна при поднятых заслонках и по периметру закры тых заслонок, а также через стационарные желоба для заливки чугуна Как показала практика, оптимальное с точки зрения теп ловой работы существующих двухванных печей давление под сво дом печи составляет 30-40 Па При этом нулевая линия давле ния располагается на уровне порога печи или несколько выше его При этих условиях, как показывают расчеты, через одно открытое окно выбивается 6—8 тыс м^ газа в час (запыленность 20—40 г/м^) В отдельные периоды плавки расчетное количество выбивающихся газов превышает 20 % всего количества газов, по ступающих в дымоотводяш,ий тракт, На некоторых печах вследствие недостаточной пропускной способности дымоотводящего тракта давление под сводом при интенсивной продувке повышается до 50-60 Па, что приводит к еще большему увеличению количества газов, поступающих в цех. Выбивание газов ухудшает условия труда, затрудняет обслужи вание печи, зафязняет воздушный бассейн. Часть пыли не уда ляется через фонарь здания, а циркулирует над рабочей площад кой печного пролета и попадает в разливочный пролет. Выбива ние приводит также к ухудшению тепловой работы печи, так как часть оксида углерода и физического тепла дыма не используется для нафева лома Радикальный способ устранения выбивания из печи — сниже ние давления под сводом с 30-40 до 20 Па В этом случае нуле вая линия давления располагается выше проема завалочного окна, и оно будет находиться в зоне разрежения Выбивание дыма при этом полностью исключается. Вместе с тем в печь подсасывается большое количество холодного воздуха Источниками этого воз духа являются подсосы через вертикальный канал, через который не уд1и1яются дымовые газы и на который действует тяга, созда ваемая дымовой трубой Кроме того, отрицательно сказывается эжектирующее действие воздушных завес, установленных на ам бразурах для продувочных фурм и в задней стенке для термопа ры, а также подсосы через завалочные окна печи. Вследствие большого количества подсасываемого воздуха в продувочной ка мере дожигается с большим избытком воздуха практически весь выделяющийся из ванны оксид углерода. Расчеты показывают, что подсос воздуха создает такую ситуа цию, когда тепла сжигания оксида углерода недостаточно даже 605 ivm нагрева дымовых газов до температуры, при которой они уда ляются из продувочной камеры и, следовательно, возникает дефициг тепла iu\ компенсацию потерь через кладку и очлажл.1емые элементы печи, а также на дофев дымовых ызов, который покрывается за счет тепла, выделяющеюся внутри жидкою меiiUiJia Для 280-т двухваннои печи, начиная с расхода подсосанного воздуха в количестве 20 000 MV4. потребное для компенсации де(1)ицита количества тепла возрастает с увеличением количества подсасываемою воздуха При этом все меньшая часть тепла до жигания оксида углерода используется полезно для нафева ван ны и все большее количество тепла, выделяющеюся внутри жидкон ванны, затрачивается на покрытие потерь тепла Для реше ния вопроса о необходимой степени дожигания оксида углерода в продуваемой камере и оптимальном распределен1щ тепла ок сида ушерода между двумя камерами были выполнены совмест ные расчеты уравнений газовою, материального и теплового ба лансов продувочной камеры и камеры нафева, которые показа ли, что 1) на двухванных сталеплавильных печах при существующих суммарных тепловых потерях на обе ванны и наличии более 28 % лома в шихте в продувочной камере существует дефицит тепла, эквнигшентныи 20-100% теплового эффекта сжигания оксида уг лерода, 2) количество воздуха, фактически поступающее в продувочiH)ie камеры существуюищх печей, существенно превышает необ ходимое для сжигания расчетной доли оксида углерода, что еще больше усугубляет дефицит тепла; 3) при офаничении подсоса и рациональном нафеве скрапа в двухваннои печи удельныи расход чугуна может быть уменьшен с 780—750 до 680-700 кг/т годной стали (содержание лома в шихте 38-40%) Как уже указывсиюсь, большим недостатком двухванных печей яштяется выбивание газов через окна печи Для устранения этого недостатка необходимо выполнение ряда мероприятий, из кото рых наиболее важны следующие- обеспечение на печи резерва по тяге и работа через газоочистку в течение всей кампании печи, создание конструкции дымоотводящего тракта, обеспечивающею минимальные неорганизованные подсосы, выполнение вертикаль ных каналов печи с охлаждаемыми поверхностями 606 Для офаничения подсоса воздуха через вертик^тьныи канал может быть предусмотрена установка водоохлаждаемых заслонок (см. рис 38.5, 4), перекрывающих в закрытом положении более 90% площади сечения вертикального канала. Гидравлические рас четы дымового тракта показали, что установка заслонок позволя ет сократить количество воздуха, поступающего через вертикаль ный канал в продувочную камеру, примерно вдвое Подсос воздуха в продувочную камеру уменьщается также бла годаря эжекции части воздуха (-10 000 MV^) из вертикального канала с подачей его в камеру нафева шихты мимо продувочной камеры. Воздух, имеющий температуру 700—500 °С, отсасывают через охлаждаемую амбразуру 5 в стенке вертикальною канала, соединенную с амбразурой 7 в своде печи между камерами футе рованным воздухопроводом. Эжектируемый *воздух подается в камеру нафева щихты со скоростью 100 м/с и используется для сжигания топлива или дожигания оксида углерода, поступающего из камеры продувки. Для уменьшения эжектирующего дей ствия струи воздуха в конструкции отдува предусмотрены сопла, подающие воз дух, направленный против движения по тока подсасываемого воздуха Струи из этих отверстий создают завесу на входе в амбразуру, тем самым сокращая при сос воздуха без уменьшения эффектив ности отдува. При уменьшении количества подсасы ваемого в продувочную камеру воздуха уменьшается общее количество дыма, поступающего в камеру нафева Это по зволяет оборудовать печь пережимом между ваннами с установкой с каждой стороны' эжекторов При этом возможно обеспечение независимого регулирования давления под сводом печи в каждой ка Рис. 38,6 Устройство для мере, что имеет большое значение для OTCoCci дымовых газов, вы улучшения тепловой работы печи и обес бивающихся из рабочего печи печивает хорошие условия для полного пространства / — коллектор, 2 — зонт, дожигания горючих составляющих дыма, 3 — коллектор С/катого воздухи, 4 — воздушная струя поступающих в камеру нафева. 607 Полыпие фудпосп! вызывает уплотнение проема зав.иючных окоп нрн открыюи заслонке Если окно находится под разреже нием, то через нею засасывае1ся 30 000-40 000 м-' воздуха в час Для обеспечения возможности работы печи нрн повышенном даилеппн под сводом предусмотрены уороиства, отсасываютие вы бивающийся дым (рис 38 6) со сбросом ею и борова HJHI В резерипую газоочистку Наличие резервной 1азоочистки приводи! к удорожанию строительства печи Такмлт образом, двухванмая печь имее! много эксплуапщио/!ныч и сантехнических недостатков В связи с этим и несмотря lui 10, чю ди.ухванные печи имеют значительную производи гельпост ь, их следус! рассматривать как временную, промежуточную консфукнию, соо1ветс1в\ю1цую сложному (в техническом и эко номическом 01 ношении) периоду полного перехода нашей MCKUIлурпт с мартеновскою на конвертерный способ пронзводсгна CUUHI Раздел XI ПЕЧИ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ С ПОЛНЫМ или ЧАСТИЧНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ Глава 39 ПЕЧИ ДЛЯ ОБЖИГА СУЛЬФИДНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ 1 Общая характеристика и принцип работы Печи кипящего слоя являются основными агрегатами для вы сокотемпературного обжига (окисления) полидисперсных сульфид ных концентратов, используемых в качестве сырья при производ стве цинка, меди, никеля, молибдена и ряда других металлов. Их название связано с особым аэродинамическим состоянием зоны технологического процесса, при котором перерабатываемый мате риал и газообразный окислитель образуют псевдогомогенную (внешне однородную) систему, ведущую себя подобно кипящей жидкости Процесс образования кипящего слоя происходит в пе риод пуска печи. Схема этого процесса выглядит следующим образом. В верти кально расположенную реакционную камеру печи, имеющую ци линдрическую, овальную или, что встречается крайне редко, прямоугольную форму, ограниченную снизу перфорированной по диной, в отверстиях которой установлены специальные газорасп ределительные ycTpoftcTtja (сопла), загружается сыпучий матери ал, представляющий собой окисленную шихту (огарок). Далее происходит разофев футеровки печи за счет сжигания в ее рабо чем пространстве природного газа или других видов традицион ного топлива, подаваемого в печь через специальные пусковые 20 — 5041 609 юрелки, ycTanoiuitHHbit и корпусе реакционной камеры. При дос тижении па поиерхности футеропки рабочих температур осутестнляемою и нечи гехнолошческою процесса (550~!000°С) через по липу 1! слои снизу инерх подается газообразный окислитель (дутье) Спач.ша скорости 1азл ненелики и он филыруется через неподпижныи зернистый слои гак же, как через тнердое пористое тело При постененном увеличении расхода ыза между частицаЛП1 матери^ша поянляются газовые прослойки, объем зернистою слоя растет, и наступает момент, коща масса слоя ураннонеигииае1ся силон гидравлическою давления восходящего ызового по тока В зслониях lидpoдlпâ^пlчecкoIO равновесия часпшы слоя получают возможность юаимною пульсационною перемещения, слои становится <>текучим» и BCiicT себя подобно жидкости Уве личение расхода ыза прекращается в момент появления в слое небольнн1х газовых пузырей, повышаюпшх интенсивность пере мешивания частиц После этого в слои начинают подавать, по степенно увеличивая расход, перерабатываемую ишхту Су;н.фидные соединения, содержанщеся в шихювых материа лах, ВСIзнают в активное химическое взаимодействие с кислоро дом дугья, коюрое сопровождается взаимным изменением обеих фаз Шихтовые материалы полиостью (цинковый и молибдеииговыи концентраты) или частично (медные концентраты) окисля ются и содерж шшаяся в них сера переходит в газовую фазу и виде сернистого ангидрид.1 Окисление сопровождается выделени ем значительных количеств тепловой энергии и поэтому по мере увеличения расхода ишхты пусковые горелки постенеино OTKJHOчаются и при выходе на рабочий режим техноложческии про цесс нрогекает н автогенном режиме за счет тепла экзотермичес ких реакции Одновременно с зафузкои шихты окисленный в процессе протекания химических реакши! материей! непрерывно выводится из печи и направляется ил дальнейшую переработку с целью получения из нею соответствуюп1ею MCTiUuia ПокидаюHuie печь технолотческие газы, содержащие большое количество сернистою ангидрида, после очистки их от ныли использую! ;шя производства серной кислоты Таким образом, обжиговые нечи кипяпгею слоя предсттитяют собой aiperaibi непрерынпою действия с постоянными во време ни парамеграми аэродинамическою, тепловою и температ^^рною режимов техпо;ю1ическою процесса По своим энергетическим призиаксгм 01П1 относятся к печам геплогенераторам с массооб- 610 менным режимом тепловой работы, так как образующиеся в них продукты получают тепло непосредственно в процессе его гене рации при протекании экзотермических реакции. Тепловой и тем пературные режимы работы печн определяются требованиями технологического процесса и выбираются с таким расчетом, что бы исключить возможность образования в печи жидкой фазы 2. Аэродинамический режим работы печей Зона технологического процсса в обжиговых печах представ ляет собой слой окисленного материала, в который одновременно подается сульфидный концентрат и необходимый для его окисле ния воздух или дутье, обогащенное кислородом. Восходящий по ток газа и твердые частицы непрерывно обмениваются энергией. Она расходуется на поддержание слоя в псевдоожиженном состо янии и ее затраты могут быть рассчитаны из условий равенства сил гидродинамического давления и массы материала, препятству ющего его ожижению. Из равенства этих сил следует, что Ар = 8iPr- Pr|(l -Е)ЯСЯ, (39.1) где Ар - перепад давления по высоте слоя в направлении движе ния газа. Па; р^, р- — соответственно плотности твердого мате риала и газов, кг/м^; е - относительный объем пор (пустот) или порозность слоя е = V^^^/iV^^p + ' F^) = V^^^/V^^, для непод вижного материала принимается что Е = ЕП = 0,4, И^ — объем, занимаемый твердым материалом в слое, м^, Kiop> ^л ~ соот ветственно объем пор и общий объем слоя м^; Я^^ — высота слоя м * Средняя скорость газа при которой устанавливается равенство указанных сил и слои сыпучего материала переходит в псевдоожиженное состояние, называется первой критической скоростью или скоростью начала псевдоожижения w^. Ее величина опреде ляется опытным путем. Для монодисперсного материала резуль таты многочисленных экспериментов могут быть выражены в виде формулы Re'o = Ar/(1400 + 5,22 ^/7r) (39 2) При переработке полидисперсного материала в псевдоожиженное состояние сначсша переходят мелкие, а затем более крупные 20* 611 частицы Ориепифовочиая сцепка средней скорости na4iUia псендоожижения в эюм случае также может быть произиедепа по формз'ле (39 2), если в качестве характерною размера частиц в числа Реипольдса и Архимеда использовать их эквивсшентныи средний диаметр d^, полученный на основе ашшиза данных о фанулометрическом составе шихты При обрабо1ке экспериментальных данных, полученных в ус ловиях псевдоожиженною состояния системы, вместо числа Реи польдса в качестве безразмерной скорости газовою потока удоб нее использовать число псевдоожижения W, представляющее со бой отношение средней скорости laja w^^ к скорости начата псевдоожижения {W = (Н(,р/и'о) Как показ<ин1 результаты иссле довании, при скоростях газа близких к скорости пачсша псевдо ожижения (И^« 1) интенснвноспь движения твердых частиц в слое невелика С увеличением псевдоожижеиия {Wк 1,3-2) в слое начинают появляться небольшие газовые пузыри, способствующие энершчпому перемешиванию частиц; и свободная поверхность слоя напоминает в этом случае поверхность кипящей жидкости Спокойное состояние системы продолжается до значении Wx 5 При дальнейшем увеличении скорости газа процесс спокойного псевдоожижения нарушается, появляются крупные газовые пузы ри, свободная поверхность слоя теряет резкие очертания и над ней возникаю! крупные всплески материала Если рост скорости цродолжаегся, то сначсша часть, а затем и весь матери^ш посте пенно переходят во взвешенное (псевдогазовое) состояние и вы носятся вместе с газом из слоя. Скорость ыза, при которой твердые частицы начинают покида1ь нсевчоожиженпыи слои, Н€иывае1ся скоростью витания час т и н'ц Ее значение может быть строго определено только ддя монодисперсного материала При иерерабо1ке полидисперсною сырья часпщы разных размеров имеют различные скорости вита ния. Вынос мелких частиц (пыли) в таких системах начинается значтельно раньше, чем скорость 1аза достшас! величины, cooiвеютвующеи скорости витания частиц средней крупности Прак тически пылевынос в печах кипящего слоя достигает 30-40% от массы зафужаелюю .MaTcpntUia и начинается при скоростях газа, равных скоросги витания самых мелких частиц слоя Под скорос1ЬЮ витания часшцы обычно принимается скорость, с которой она равномерно движется в неофаниченном объеме ыза Э ю состояние харак1еризуется равенством действующих пл 612 нее сил гидродинамического давления и тяжести. Условия равен ства этих сил для частиц круглой формы записываются в виде: Efgip^-p^)= C.Ilf^p,^ (39 3) где d — диаметр частиц, Сд — коэффициент лобового сопротив ления, зависящий от режима движения газа, т. е. от вели шны критерия Re. При ламинарном режиме обтекания частиц потоком газа (Re < 2) Сд = 24/Яез. При турбулентном режиме (Re^ > 500) ко эффициент лобового сопротивления не зависит от критерия Реинольдса и равен 0,44. Подставляя значения Сд в (39 3) можно получить расчетную формулу для определения скорости витания частиц, которая пос ле критериальной обработки получит вид Re^ = Аг/(18 +

Кривандин В.И. – М Металлургия

Разделы

Поддержка

Кривандин В.И. – М Металлургия

Добавить этот документ в коллекции

Добавить этот документ в сохраненные

Предложите, как улучшить StudyLib