4. Тепловой баланс и затрата топлива

Как можно видеть из вышеизложенного, затрата топлива является важной характеристикой работы печей. На действующей печи затрату топлива определяют непосредственным измерением, а для проектируемых печей — расчетным путем, используя тепловой баланс печи.

Тепловой баланс печи состоит из равных между собой прибыльной и расходной частей, каждая из которых состоит из ряда пола. Для печей постоянного действия тепловой баланс составляют на один час, для печей периодического действия — на один цикл работы.

Статьи прибыльной части теплового баланса

1. Тепло, получаемое в результате того, что сгорает топлива, Вт

2. Тепло, что вносится подогретым воздухом, Вт 3. Тепло, что вносится подогретым топливом, Вт

4. Тепло экзотермических реакций.

Статьи расходной части теплового баланса

1. Полезное тепло (Вт), необходимое для нагревания и плавления материалов.

2. Тепло, что относится шлаками, Вт

3. Тепло эндотермических реакций Q3.

4. Тепло, что относится газами, которые отходят, Вт

5. Тепло от химической неполноты сгорает.

6. Тепло от механической неполноты сгорает.

7. Потери тепла в результате теплопроводности через кладку.

8. Потери тепла излучением через открытые окна Вт

9. Тепло, что затрачивает на нагревание тары.

10. Тепло, что относится водой, что охлаждает отдельные части печи.

11. Расходы тепла на аккумуляцию его кладкой в печах периодического действия, Дж/период

12. Неучтенные потери

Просуммировав отдельно прибыльные и расходные статьи теплового баланса, одержимо, таким образом, одно равнение с одним неизвестным, которой является затрата топлива, В. Зная величину В, можно окончательно подсчитать все статьи прибыльной и расходной частей теплового баланса.

Для сравнения качества работы отдельных печей пользуются удельными показателями затраты теплая и Удельная затрата тепла показывает, какое количество тепла затрачивается на нагрев 1 кг металла к температуре.

Часто удельную затрату топлива определяют у условного топлива (в. т.). За условное топливо принимают такое, теплота сгорает которого 29300 кДж/кг. Таким образом, удельная затрата топлива

ВQp/(29300Pm) кг у.т./кг металла

3. Устройство и работа доменной печи

Шихтовые материалы в доменную печь загружают сверху, снизу подают воздух для сжигания топлива. Про­дукты доменной плавки — жидкий чугун и шлак — выпускают снизу. Профиль внутреннего, плавильного про­странства доменной печи выбран таким образом, чтобы в нем происходило равномерное опускание загруженных материалов и равномерное распределение выделяющихся газов по сечению печи. Газы поднимаются снизу вверх.

Профиль печи. На рис. 77 представлен профиль со­временной доменной печи. Верхняя часть печи называ­ется колошником (от слова колоша: так называли коро­ба, в которых перевозили уголь для загрузки в печь).

1— колошник; 2 — шахта; 3 — рас­пар; 4 — заплечики; 5 — горн

Рисунок 77 - Профиль доменной печи

Чepeз колошник печи, имеющий форму цилиндра, про­изводится загрузка шихты, и отводятся газы. Ниже ко­лошника расположена шахта, представляющая собой усеченный конус, расширяющийся книзу. Такая форма шахты позволяет материалам расползаться в стороны и свободно опускаться вниз. Кроме того, расширение шах­ты устраняет уплотнение шихты. Наиболее широкая часть печи - распар — представляет собой короткий цилиндр, необходимый для создания плавного перехода от нижнего широкого основания шахты к сужающимся заплечикам — части печи, которая представляет собой усеченный конус с широкой частью вверху и узкой вни­зу. Если бы шахта непосредственно соединялась с запле­чиками, то в месте их соединения образовывался тупой угол, в котором задерживались опускающиеся сырые ма­териалы. Наличие распара сглаживает переход и устра­няет мертвое пространство. Заплечики приобрели сужа­ющуюся конусообразную форму потому, что в них происходит резкое сокращение объема загруженных матери­алов в связи с выгоранием кокса и образованием жидких продуктов плавки.

Нижняя часть печи представляет собой цилиндриче­ский горн, в котором накапливаются жидкие продукты плавки — чугун и шлак. В нижней части горна располо­жены отверстия —летки для выпуска чугуна, в верхней части горна находятся фурмы, через которые в печь по­дается воздух.

1 — летка для выпуска чугуна; 2 — фурменное устройство для подачи комбинированного дутья; 3— ци­линдрическая часть колошника с защитными плитами;

4 — большой конус колошника; 5 — малый конус колошника;

6 — устройство для вра­щения приемной воронки; 7— при­емная воронка;

8 — скип; 9—на­клонный мост; 10 — межконусное пространство;

11 — летка для вы­пуска шлака; 12 — площадка

Рисунок 78 - Устройство доменной печи

Фундамент печи. Современная печь вместе со всеми сооружениями и металлоконструкциями, футеровкой и находящимися в ней шихтовыми материалами и продук­тами плавки может иметь массу до 30 тыс. т. Эта масса должна быть равномерно передана грунту. Нижнюю часть фундамента (подошву) делают в виде восьмиуголь­ной бетонной плиты толщиной до 4 м. На подошву опи­раются колонны, поддерживающие металлические кон­струкции печи (кожух).

Верхняя часть фундамента — пень — представляет собой монолитный цилиндр из жароупорного бетона, на котором и находится горн печи.

Горн может быть разделен на три части. Нижняя, плоская часть горна — это лещадь, на которой находится жидкий чугун и шлак. Лещадь выдерживает большое давление чугуна. Она выкладывается из углеро­дистых блоков снаружи, изнутри из крупноразмерного высокоглиноземистого кирпича, содержащего более 45% Al₂О₃. Общая толщина лещади достигает 5,5 м. Лещадь находится под воздействием высоких температур и гид­ростатическим воздействием жидкого чугуна. На крупных печах лещадь полностью выкладывают из углеродистых огнеупоров.

Вторая нижняя часть горна — от лещади до леток (металлоприемник) — служит копильником для рас­плавленного чугуна и шлака. Металлоприемник выкла­дывается из углеродистых блоков на углеродистой пасте. Фурменные проемы, чугунные и шлаковые летки выкла­дываются шамотным кирпичом. Внизу кладка имеет толщину до 1500 мм, в верхней части 325 мм. Кладка лещади и металлоприемника охватывается плитовыми холодильниками, представляющими собой металличес­кие плиты с трубами, по которым циркулирует вода.

В нижней час­ти горна на расстоя­нии 600—1700 мм от лещади располагаются отверстия — летки для выпуска чугуна и шла­ка. В печах с объемом до 2000 м³ делают одно отверстие, в более крупных печах — до че­тырех. Через чугунные летки 18—20 раз в сут­ки выпускают жидкий чугун. Чугунная летка обрамляется стальной литой рамой, прикреп­ленной к кожуху печи (рис. 79).

1— футляр из огнеупорной массы; 2 — огнеупорная кладка; 3 — рама; 4 — хо­лодильник

Рисунок 79 - Устройство чугунной летки

Выше уровня чугунной летки на 1400—1800 мм рас­полагаются шлаковые летки, предназначенные для вы­пуска верхнего шлака. Шлаковые летки располагаются под углом 90° друг к другу и под углом 60° к чугунной летке. На печах среднего размера делают две, а на боль­ших печах одну летку для выпуска шлака.

Фурмы. В верхней ча­сти горна на расстоянии 2700—3500 мм от оси чу­гунной летки расположе­ны по окружности печи фурмы для подачи в печь горячего воздуха, при­родного газа, пылевид­ного или жидкого топли­ва. Число фурм зависит от размера печи и состав­ляет от 18 до 42. Воздух к печи подается в коль­цевой воздухопровод вну­тренним диаметром до 1650 мм, окружающий доменную печь. От возду­хопровода с помощью фурменных приборов ду­тье поступает в печь.

Заплечики. Кладку заплечиков выполняют в один кирпич толщиной 345 мм. Кладка охлаждается плитовыми ребристыми холодильниками. Как показывает опыт, огнеупорная кладка заплечиков подвергается интенсив­ному износу и быстро выгорает. На оголенных местах на поверхности холодильников образуется защитный слой из шлака и шихтовых материалов (гарнисаж), который и защищает холодильники от действия высокой темпе­ратуры и жидких продуктов плавки.

Распар. Стенки распара имеют значительную толщи­ну — до 690 мм, они выкладываются из шамотного кир­пича и охлаждаются мараторными холодильниками, в торцы которых залиты огнеупорные кирпичи. Кожух шах­ты опирается на массивное металлическое мараторное кольцо и передает на него давление кладки и конструк­ций верхней части печи. Кольцо опирается на колонны.

Шахта. Шахту выкладывают шамотным кирпичом. Ее толщина в нижней части зависит от способа охлаж­дения и может изменяться от 690 до 1020 мм, вверху тол­щина кладки 920 мм. Почти по всей высоте шахты на две трети от распара устанавливают холодильники в шахматном порядке. Между кожухом и кирпичной клад­кой или между кирпичами и холодильниками оставляют зазор 50—60 мм, заполненный шамото-асбестовой набив­кой для компенсации теплового расширения кладки шах­ты. Кладка шахты сильно изнашивается под влиянием потока раскаленных газов, несущего мелкие твердые ча­стицы материалов. В нижней части шахты и в распаре шамотный кирпич может разрушаться вследствие его взаимодействия со шлаком. В верхних и средних гори­зонтах шахты может происходить разрушение кладки из-за отложения сажистого углерода по реакции 2СО = С0₂ + С. Разрушению кладки способствует также отложение в швах кладки оксида цинка, образующегося вследствие окисления цинка, испаряющегося при плавке. Средняя продолжительность кампании шахты 4—5 лет. Снару­жи кладка шихты заключена в прочный кожух. С по­мощью системы брызгал кожух поливают водой, которая стекает вниз в короба, приваренные внизу шахты.

Колошник. Футеровка колошника выполняется из стальных плит, предохраняющих конструкцию печи от ударов сырых материалов, засыпаемых в печь. Между плитами и кожухом печи делают слой кладки из шамот­ного кирпича. Верхняя часть кожуха печи называется куполом. К нему крепится кольцо засыпного аппарата. Купольная часть изнутри футерована чугунными плита­ми с залитым в них кирпичом.

Кожух печи. Всю печь охватывает сварной кожух, выполненный из листов толщиной от 20 до 50 мм.

Колошниковое устройство. Основной частью устройства является засыпной аппа­рат. Он предназначен для загрузки и равномерного рас­пределения шихтовых материалов в печи. Конструкция двухконусного засыпного аппарата доменной печи пред­ставлена на рис. 80. Аппарат состоит из приемной ворон­ки, вращающегося распределителя шихты, состоящего из воронки и малого конуса, большого конуса, чаши большого конуса и газового затвора. Нижний большой конус подвешен к штанге, проходящей по оси засыпного ап­парата. Штанга прикреплена к рычагу балансира. Для открывания большого конуса плечо балансира при помо­щи штока приподнимается и конус опускается вниз. Малый конус подвешен на штанге — трубе, внутри кото­рой проходит штанга большого конуса. Это дает воз­можность малому конусу вращаться и закрываться не­зависимо от большого конуса.

Шихтовые материалы подаются на колошник печи скиповым подъемником в двух скипах (тележках) по­очередно. Материал из скипа высыпается в при­емную воронку на поверх­ность малого конуса. При опускании малого конуса ших­та просыпается вниз на по­верхность большого конуса.

1 — приемная воронка; 2 — воронка малого конуса; 3 — малый конус; 4 — большой ко­нус; 5 — чаша большого конуса; 6 — газо­вый затвор

Рисунок 80 - Конструкция засыпного аппарата доменной печи

Выпуск чугуна из крупных доменных печей происхо­дит почти непрерывно. После закрытия одной летки через 10—15 мин открывают другую летку. За один вы­пуск может выдаваться до 800 т чугуна. Для выпуска чу­гуна в летке с помощью электробуромолота просверли­вают канал диаметром 60 мм. По каналу чугун стекает в футерованный желоб и устремляется к чугуновозному ковшу. При помощи качающегося желоба поток чугуна может изменять свое направление и наполнять ковши поочередно. После выпуска чугуна летку заделывают с помощью пушки поршневого типа зарядом огнеупорной глины. Пушка на поворотном кронштейне укреплена ря­дом с леткой и для заделки подводится к каналу летки.

Чугун из доменного цеха перевозится в ковшах гру­шевидной формы емкостью 140—300 т. Изнутри ковш футеруется ша­мотным кирпичом в несколько слоев. При перевозке чугуна на длительное расстояние применяют ковши миксерного типа удлиненной цилиндрической формы ем­костью до 600 т. Жидкий чугун можно перевозить на рас­стояние до 300 км. Среднее понижение температуры жид­кого чугуна в чугуновозе составляет 5⁰С/ч. В СССР такие перевозки осуществляются между Западно-Сибир­ским и Кузнецким металлургическими комбинатами.

Шлак выпускают либо отдельно через шлаковые лет­ки, либо вместе с чугуном через чугунные летки. Шла­ковая летка имеет набор холодильников, канал летки закрывается медной водоохлаждаемой пробкой на стопо­ре. При выпуске вместе с чугуном шлак отделяется от металла в специальных разделителях — скиммерах.

Основным видом топлива в доменной печи является кокс. В качестве дополнительного топлива используется природный газ, который подается через фурмы.

Раскаленные газы, получающиеся в области фурм в результате го­рения опускающегося кокса до СО и вдуваемого природного газа до СО и Н₂, продуваются (фильтруются) через столб кусковых материа­лов под действием напора, создаваемого воздуходувками. Загружаемые через засыпной аппарат рудное сырье и кокс постепенно нагреваются и теряют влагу и летучие. При использовании флюсов и сырых руд про­исходят также процессы разложения карбонатов. Железорудное сырье восстанавливается. Высший окисел Fe₂O₃ превращается в железо последовательно через промежуточные окислы. Процесс восстановления осуществляется практически по всей высоте печи, но заканчивается выше фурм до поступления составляющих рудного сырья в зону го­рения. Восстановителями служат компоненты газа (СО и Н₂), окисляю­щиеся в процессе восстановления до СО₂ и Н₂О.

Процесс восстановления железа складывается из

FeO + СО = Fe + СО₂

⁺С + СО₂ = 2СО

FeO+ С = Fe + CO

Такой процесс требует затраты углерода и поглощает большое количество тепла.

При высоких температурах, достигаемых после расплавления и раз-составляющих рудной части шихты на металл и шлак, получают некоторое развитие эндотермические процессы прямого восстановления кремния и марганца, а также процесс науглероживания железа. Эти процессы осуществляются при стекании струй чугуна и шлака через слой кокса (коксовую постель), выполняющего роль фильтра, пропускаю­щего расплавы, и газы и преграждающего путь еще не расплавленным или полурасплавленным кускам рудных материалов.