Конспект лекций по дисциплинеМЧМ

стойки передней стенки, а также перекидные и регулирующие устройства и другие элементы. Температура внутренней стенки охлаждаемых элементов, при которой обеспечивается её надежная работа – 400–500 0С. Стойкость охлаждае-

мых деталей – 3–4 кампании печи по своду, т. е. 2–3 года.

Лекция №8 Котлы-утилизаторы металлургических печей

1.Назначение и характеристика котлов

КУ предназначен для получения бестопливного пара за счет использова-

ния тепла уходящих газов технологических агрегатов, в отличие от энергетиче-

ских котлов.

Основная задача КУ – снизить температуру выбрасываемых в атмосферу газов и тем самым повысить к. п. д. печи.

Различают КУ радиационного, радиационно-конвективного и конвектив-

ного типа.

Котлы-утилизаторы первых двух типов применяют в конверторном про-

изводстве, где охлаждение газов после конверторов с tг=1700 – 1750 0С проис-

ходит: в радиационных до 800–1200 0С, в радиационно-конвективных до 250– 400 0С.

Чаще всего используют КУ конвективного типа. Их устанавливают за мартеновскими, нагревательными, обжиговыми и др. печами. Например, темпе-

ратура газов после регенератора мартеновской печи составляет 500–700 0С, на выходе из КУ – 200–300 0С.

По компоновке поверхности нагрева и газового тракта различают газо-

трубные и водотрубные конвективные КУ. Газотрубные КУ: газ движется внут-

ри труб, образующий поверхность котла.

Водотрубные КУ. Конструкция типы, применение.

31

Конструкция КУ состоит из, трубчатых испарительных поверхностей на-

грева2, пароперегревателя 1, водяного экономайзера 3, барабана сепаратора 4,

водяного насоса 5, газохода 6.

По газоходам котла движутся уходящие газы печей, а испарительные трубчатые поверхности, выполненные из змеевиковых пакетов, размещают в га-

зоходах по пути газов. Внутри труб циркулирует пароводяная смесь.

Типы котлов: КУ–40,50, 60, 80, 100, 100Б, 125, 150. Цифра и маркировка означает мах. часовой расход дымовых газов через котел в тыс м3/ч. Допусти-

мая t0 газа на выходе 650–850 0С, параметры пара Р=1,8÷4,5 Мпа, t=365÷385 0С.

Производительность 30–41 т/ч.

Компоновка: КУ–50 – горизонтальная, КУ–100 Б – башенная, у остальных

– П–образная.

Котлы утилизаторы однооборотные. Диаметр барабана 1508 и 1518 мм,

δ=36 мм. Внутри барабана 4 имеются паросепарационные циклоны. По ходу га-

зов после последовательно расположены пароперегреватель 1, секции испари-

тельной поверхности 2 (могут быть 2–3 секции испарительной поверхности) и

водяной экономайзер 3. Все поверхности нагрева изготовляют из труб диамет-

ром 32×3 мм (сталь 20). Малый диаметр дает увеличение поверхности нагрева

32

при небольших габаритах котла. Но это и недостаток, т. к. растет сопротивление как по пароводяному, так и газовому тракту.

Циркуляция в КУ многократно–принудительная. На опускной трубе уста-

навливают циркуляционные насосы 5. Тяга обеспечивается дымососом, пре-

одолевающем сопротивление всей системы печь–котел–газоочистка. Газы в котле охлаждаются до 200 – 230 0С, при такой температуре обеспечивают нор-

мальные условия работы дымососа. В котлах КУ–80, 100, 125 и 150 предусмат-

ривает возможность подключения к ним испарительного охлаждения.

Лекция №9 Конструкция и тепловая работа доменной печи

1. Конструкция доменных печей

Доменная печь – самый крупный и сложный плавильный агрегат. Она может без перерыва работать 5–6 лет. В печь непрерывно загружают железо-

рудные материалы и кокс, подается подогретый воздух (дутье), а из печи отво-

дится доменный газ. Тепло, которое выделяется в результате горения топлива,

расходуется на нагрев и расплавление материалов шихты, и образование чугуна и шлака.

Чугун и шлак накапливается и выпускается из печи периодически через 2-

2,5 ч.

Чугун в доменной печи получается путем восстановления железа из оки-

слов железорудных материалов за счет СО от горения кокса.

Шихта доменной плавки – спекшиеся куски офлюсованного агломерата или окомкованные и обоженные окатыши.

Основной вид топлива – кокс. В целях его экономии частично применяют природный газ или мазут. Для интенсификации доменного процесса (горения топлива) применяют кислород.

33

Основные размеры доменных печей приведены в таблице №1. Важней-

шей характеристикой доменных печей является их объем. Рабочий объем печи

– это высокая шахта круглого сечения, верхняя часть которой выложена огне-

упорным материалами (Рис. 1).

Верхняя часть печи называется колошником – 1, далее следует шахта – 2.

Шахта постепенно расширяется к низу и переходит в самую широкую часть пе-

чи – распар 3. Нижняя часть печи – горн 5 соединяется с распаром через запле-

чики 4. На нижнем уровне горна на высоте 0,5–0,2 м от лещади 6 расположены отверстия для выпуска чугуна – чугунные летки (1, 2, 3, 4 в зависимости от объ-

ема печи). Между чугунной леткой и лещадью остается расстояние для предо-

хранения лещади от размывания чугуном. В средней части горна расположены отверстия для выпуска шлака – шлаковые летки (1 или 2). В верхней части гор-

на имеются отверстия для воздушных фурм.

1 – Колошник, 2 – Шахта, 3 – Распар, 4 – Заплечики, 5 – Горн, 6 – Ле-

щадь, 7 – Фундамент.

1

2

Нпол

3

4

6 5

7

34

Таблица №1 – Основные параметры доменной печи

Давление газов в доменной печи достигает 0,3–0,5 МПа (3–5 атм.), поэто-

му огнеупорная кладка печи заключена в стальную броню (кожух) толщиной

25–40 мм.

Толщина кладки в верхней части шахты 900–1000 мм, в нижней – 1300– 1500 мм. Для предотвращения перегрева и разрушения огнеупорной кладки, ее охлаждают. Для этого между металлическим кожухом и огнеупорной кладкой установлены водо – и пароохлаждаемые холодильники.

В верхней части доменной печи расположен засыпной аппарат, который состоит из большого конуса с воронкой и малого конуса.

Доменная печь стоит на массивном фундаменте из огнеупорного бетона –

7.

Воздух, вдуваемый в горн доменной печи, нагревается в воздухонагрева-

телях регенеративного типа до t=1000–1250 0С. Современная доменная печь имеет 4 отдельно расположенных воздухонагревателя, которые работают по-

очередно: три нагревателя на нагрев (насадка нагревается дымовыми газами), а

через насадку четвертого подается холодный воздух (дутье). Период дутья 0,9– 1,5 ч. Затем происходит переключение воздухонагревателей. Охлажденную на-

садку переводят на нагрев газом, а воздух подают через насадку другого возду-

хонагревателя.

Коэффициент использования полезного объема.

35

= Полезный объем, м3 К.И.П.О. Суточная выпловка чугуна, т ;

В современных печах К.И.П.О.=0,43–0,75.

2 Тепловая работа доменной печи.

tчуг=1400–1500 0С; tшл.= tчуг+20÷80 0С; tв=1000–1250 0С;

Общей особенностью работы доменных печей является то, что процессы тепло– и массообмена определяются газодинамическим режимом. Он заключа-

ется в фильтрации теплоносителя через движущийся в противопотоке слой кус-

ковых материалов весьма большой толщины (до 30м), где возникают значи-

тельные газодинамические сопротивления (до 0,15 МПа). В отличие от боль-

шинства плавильных и нагревательных печей, в доменных печах весь объем за-

полнен шихтой, и эти зоны “объединены”. При опускании в область высоких температур вещества меняют не только физические свойства, но и размеры, аг-

регатное состояние и химический состав. Поэтому теплопередача от газов к ма-

териалу имеет сложный характер. Одновременно происходит эндо– и экзотер-

мические превращения и взаимодействия в слое шихты, между ее компонента-

ми и газом.

В межкусковом пространстве энергия передается теплопроводностью

(места контактов) и конвекцией, а в высокотемпературных зонах – излучением между поверхностями обрабатываемых тел.

Общий коэффициент теплопередачи в доменной печи, комплексно отра-

жающий весь процесс, обычно устанавливается опытным путем.

Мы отметили, что в доменной печи протекают одновременно взаимосвя-

занные аэродинамические, тепловые и химические процессы.

36

Шихта при движении в печи сверху вниз претерпевает ряд изменений и превращений: дегидратацию (удаление влаги), диссоциацию, восстановление,

плавление и шлакообразование.

В разных по высоте печи зонах идут различные процессы, т. к. от зоны к зоне меняются температура, состав шихты и газов. Так, температура газа на ко-

лошнике на выходе из слоя шихты tгаз=100–250 0С, а в горне в фокусе горения tгаз=до 2000 0С.

Вдоменной печи восстановление Fe из окислов идет двумя путями:

1)косвенное – с помощью СО и Н2. Оно идет с положительными тепловым эф-

фектом.

2)прямое – твердым углеродом; протекает с большим поглощением тепла.

ВВерхней зоне в результате интенсивного теплообмена опускающаяся шихта быстро нагревается поднимающимися газами до tшл.=800–900 0С – кос-

венное восстановление.

При tшл.=900–1000 0С начинается плавление и шлакообразование.

В нижней части печи в области распара при t.>1250 0С образуется жидкий шлак (полное расплавление при t.>1300–1400 0С). В твердом состоянии остается только кокс. Его раскаленные куски, которые омываются жидким шлаком, вос-

станавливают из окислов металла железо и отдельные составляющие шихты (Si, Mn и др.). Здесь проходит прямое восстановление.

При t.=900–1150 0С идет смешанное восстановление.

Считают, что прямым путем восстанавливается 20–30% Fe, косвенным –

80–70%. Характер теплообмена между газом и кусками шихты зависит от соот-

ношения их водяных эквивалентов.

Водяным эквивалентом газа (материала Wг, Wм) называют произведение расхода газа (материала) на его (её) теплоемкость, т. е.

Wг = Gг × Сг ;

Wм = Gм × См ;

где Gг; Gм – расход газа и материала, кг/с или м3/с;

37

Сг, См – теплоемкость газа и материала, Дж/(м3×К) или Дж/(кг×К).

Общее уравнение теплового баланса можно написать следующим обра-

зом:

Gм × См × dTм = Gг × Сг × dTг

где Gг; Gм – расход газов и материалов;

Сг, См – теплоемкость газов и материалов;

dTм, dTг – изменение температуры материалов и газов, К.

Применяя водяные эквиваленты, можно записать: Wм × dTм = Wг × dTг

Изменение температур (а) и водяных чисел (d) по высоте доменной печи.

I

I

I – нижняя ступень теплообмена; II –холостая высота; III – верхняя ступень теп-

лообмена; 1 – шихта, 2 – газ.

Характер теплообмена между газом и шихтой приводит к именно такой картине распределения температуры и водяных чисел шихты и газа, который представлен на рисунке. Анализируя схему теплообмена можно сделать сле-

дующий выводы:

1) теплообмен в доменной печи происходит по всем трем схемам, смещен-

ным по высоте, каждая из которых характеризуется своим соотношением водя-

ных чисел::

верх печи Wм<Wг; середина Wм»Wг; низ печи Wм>Wг;

38

2) тепловую работу газовый поток совершает последовательно в двух ступе-

нях нагрева, которые разделены зоной умеренных температур (холостая высо-

та).

3) тепловая работа каждой ступени отличается автономностью, т. е. имеют свои автономные тепловые балансы.

Характер изменения температур для верха доменной печи является обыч-

ным для противотока, когда газы выходят из процесса теплообмена с избыточ-

ной t 0C. Для верха печи Wм<Wг и в газе всегда тепла больше, чем может при-

нять шихта проходя определенную высоту. Верх печи можно рассматривать как теплообменник, предназначенный для использования тепловой энергии газов,

уходящих из нижней ступени теплообмена.

Опускающаяся шихта нагревается в зоне умеренных температур до уров-

ня предельно возможного и не может потребить большого количества тепла.

Поэтому в колошниковом газе всегда остается избыток тепла. Даже с примене-

нием охлажденного агломерата или окатышей t0 на колошнике достигает t=100– 150 0С. В нижних частях доменной печи теплоемкость потока шихты больше теплоемкости потока газов Сш>Сг, т. е. iш>iг (при данной t0 шихта содержит больше тепла, чем газ). Поэтому шихта не может нагреваться до той температу-

ры, с которой газы из фурменных очагов устремляются вверх. Она выйдет из теплообмена с температурой ниже температуры газов. Начиная с зоны умерен-

ных t0, разность между t0 газа и шихты возрастает и достигает максимума в фурменных очагах.

39

Лекция №10 Конструкция и тепловая работа мартеновской печи

1. Общая характеристика.

Одноканальная мартеновская печь состоит: из верхнего строения – части мартеновской печи, находящиеся над рабочей площадкой, нижнего строения – части мартеновской печи, находящиеся под рабочей площадкой печи.

Верхнее строение: рабочее пространство, ограниченное подом, передней и задней стенками и сводом; в торцах рабочего пространства расположены го-

ловки печи, служащие для подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горе-

ния; головки печи соединяются при помощи вертикальных каналов с нижним строением печи.

Нижнее строение: часть вертикальных каналов под рабочей площадкой,

шлаковики, служащие для улавливания частичек пыли и шлака из продуктов горения; регенераторы с регенеративными решетками, служащими для аккуму-

ляции тепла, уносимого продуктами горения и для нагрева воздуха (или воздуха и газа); борова, служащие для отвода продуктов горения и для подвода воздуха

(или воздуха и газа); реверсивные и регулирующие клапаны и заслоны (шибе-

ры), служащие для осуществления реверсирования факела пламени.

За мартеновскими печами находятся: котлы – утилизаторы, служащие для утилизации тепла отходящих продуктов горения; газоочистки для очистки про-

дуктов горения от пыли; дымовые трубы для создания совместно с дымососами необходимого разряжения для эвакуации продуктов горения из печи и рассеи-

вания вредных выбросов.

Мартеновские печи симметричны по своей конструкции. Если левая часть печи служит для отвода продуктов горения, то правая – для подвода газа и воз-

духа. При реверсировании факела назначение левой и правой частей печи меня-

ется: левая часть служит для подвода газа и воздуха, правая – для отвода про-

40