5. Охлаждение печей

Многие элементы конструкции металлургических пе­чей, работающие в зоне высоких температур, имеют спе­циальное охлаждение. Это предохраняет их от прогара, повышает стойкость кладки, поддерживает температуру в пределах не допускающих разрушение и износ материалов. В некоторых случаях охлаждение способствует созданию гарнисажа, защитного слоя стенки печи.

Охлаждающей средой может быть воздух, вода или па­роводяная смесь. Воздушное охлаждение деталей приме­няется в случае, если плотность теплового потока на стен­ку детали не превышает 2 кВт/м². Этот способ применяет­ся, например для охлаждения лещади доменной печи.

Наибольшее распространение имеют водяное проточное охлаждение и замкнутые системы испарительного охлаж­дения печей.

Водяное (проточное) охлаждение

Водяное охлаждение обеспечивает интенсивный отвод тепла от детали или элемента печи. Значение коэффициен­та теплоотдачи α зависит от плотности теплового потока, конструкции детали, температуры и скорости охлаждаю­щей воды и ряда других факторов и находится в пределах 102—105 Вт/м² ∙К. Детали печей не защищенные футеров­кой воспринимают тепловые потоки в среднем 200— 800 кВт/м², а футерованные или покрытые гарнисажем от 5 до 150 кВт/м².

Особенностью водяного охлаждения является низкий допустимый уровень нагрева воды. При нагреве до 40— 60°С из воды происходит выпадение солей, образование шлама, накипи на стенке. Средний коэффициент теплопро­водности накипи 0,3 Вт/(м∙К). Это приводит к росту тер­мического сопротивления стенки и повышению ее темпера­туры. Поэтому воду нагревают только до 35—50 °С или в среднем на 10 °С, что приводит к очень большим ее расхо­дам. Применение оборотного цикла и химической очистки воды хоть и удорожает систему охлаждения, но в целом оказывается целесообразным.

Для охлаждения рам и кессонов мартеновской печи минимальная скорость для предотвращения местного ки­пения равна 2—5 м/с, для фурм и холодильников доменной печи 0,5—3 м/с, для глиссажных труб методических печей 1—1,2 м/с. Отсюда следует, что в охлаждаемых деталях сложной конфигурации невозможно создать условия, пре­дотвращающие поверхностное кипение и образование на­кипи. Таким образом водяное охлаждение не устраняет опасности прогара в местах накипи и прорыва воды.

Начиная с 1950 г. на металлургических заводах страны стали переходить с водяного охлаждения на испаритель­ное.

Испарительное охлаждение

При испарительном охлаждении используется в основном скрытая теплота парообразования, которая отводится от охлаждаемой поверхности испаряющейся водой. Коэф­фициент теплоотдачи к кипящей воде от стенки значитель­но больше, чем к холодной воде. Это и создает условие для отбора тепла от стенки в количестве необходимом для испарения воды, т. е. 2260 кДж/кг, что в несколько десятков раз больше, чем при водяном охлаждении.

Схема испарительного охлаждения является более про­грессивной и экономически выгодной, несмотря на дополнительные затраты на химическую очистку воды. Она по­всеместно вытесняет водяное проточное охлаждение, так как по сравнению с ним позволяет в 60—100 раз сократить расход воды и в 9—10 раз увеличить срок службы дета­лей. Схема испарительного охлаждения (ИО) также дает возможность использовать тепло получаемого пара. Для испарительного охлаждения применяют умягченную катионированную воду, при которой исключается отложение на­кипи.

Принципиальная схема контура циркуляции воды и па­роводяной смеси в установке ИО подобна схеме котла-утилизатора. В большинстве схем — циркуляция естест­венная, за счет разности плотности воды и пароводяной смеси. Принудительная, с помощью циркуляционных насо­сов, циркуляция применяется в случае резких колебаний тепловых нагрузок на охлаждаемые элементы печи или при сложной конфигурации этих элементов. При проекти­ровании и наладке схем ИО выполняются расчеты на прочность стенок охлаждаемых деталей по максимально возможной плотности теплового потока. Расчет контура циркуляции проводят для определения расхода воды, раз­меров труб и кратности циркуляции, которые обеспечива­ют устойчивый режим работы схемы. Так как давление в контуре ИО выше 0,5 МПа, расчеты выполняются в соот­ветствии с нормативными методами расчета котельных аг­регатов, а сами системы находятся под контролем службы Госгортехнадзора.

Охлаждение мартеновских печей

Интенсификация сталеплавильного производства при­вела к некоторой модернизации конструкции печей. В настоящее время часть парка мартеновских печей реконструирована на двухванные агрегаты. При этом схемы охлаж­дения остаются без существенных изменений. В схемы ИО включены элементы печи, находящиеся в наиболее тяжелых температурных условиях: кессоны газовых 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 мартеновской 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 предельных давлений для конструкций охлаждаемых эле­ментов. В основном приняты давления на мартеновских схемах ИО до 1—4 МПа. Все охлаждаемые элементы пе­чей выполняются полой или трубчатой конструкции с тол­щиной стенки не менее 12 мм из листовой стали марки 15К. Расчеты деталей на прочность и схем охлаждения на устойчивость. циркуляции ведутся с учетом воспринимае­мых максимальных плотностей теплового потока.