Глава 5. Назначение, состав и эксплуатация устройств для подачи и нагрева дутья

5.1. Воздуходувные машины

Современная доменная печь потребляет огромное количество сжато­го воздуха. Так, например, на одну печь полезным объемом 2002 м3, работа­ющую на атмосферном дутье с коэффициентом использования полезного объема 0,5 м3/(т·сут) чугуна и расходом кокса 0,5 т/т чугуна, суточный расход воздуха составляет около 6 млн. м3 или 7700 т. При обогащении ду­тья кислородом и применении природного газа расход воздуха уменьшается и колеблется в пределах от 1,7 до 2,0 м3/мин на 1 м3 полезного объема печи. Повышение давления газа на колошнике до 2 ати (200 кПа) требует увели­чения абсолютного давления дутья, подаваемого в печь до ~ 4,4-4,6 ата (440-460 кПа).

Для подачи в доменную печь воздуха и его сжатия применяют возду­ходувные машины различных типов. Наибольшее распространение получи­ли центробежные воздуходувные машины с паротурбинным приводом - паротурбовоздуходувки. Принцип действия этих машин состоит в том, что вращающиеся на валу рабочие колеса, снабженные лопатками, благодаря цен­тробежной силе перемещают засасываемый у оси воздух в направлении от оси к периферии. При этом кинетическая энергия воздуха (скорость) преоб­разуется в потенциальную (давление) на периферии. Уплотнение воздуха со­здает статический напор у периферии и разрежение на всасе у оси рабочего колеса.

В зависимости от степени сжатия воздуха центробежные машины мо­гут быть трех типов: вентиляторы, воздуходувки и компрессоры. Воздухо­дувками называются машины, сжимающие воздух до абсолютного давления ~ 2,1-5 ата (210-500 кПа). Поскольку машина с одним рабочим колесом не может обеспечить требуемого давления, то на вал воздуходувки помещают несколько колес, последовательно увеличивающих давление воздуха.

На рис. 5.1 показан разрез центробежной воздуходувной машины с односторонним засасыванием и выдачей воздуха. Жестко посаженные на вал 1 рабочие колеса образуют вращающийся ротор воздуходувки. Через патрубок 2 атмосферный воздух засасывается к оси первого рабочего коле­са 3. При вращении колеса воздух под действием центробежной силы отбра­сывается лопатками в кольцевое пространство 4, называемое диффузором. В результате уплотнения воздуха и уменьшения его скорости давление в диф­фузоре возрастает и становится больше давления на всасе у оси второго рабочего колеса. Под действием этой разности давлений воздух, изменив направление движения на 180°, из первого диффузора 4 по неподвижным каналам 5 поступает к оси второго рабочего колеса 6. Этот процесс повтор яется с увеличением давления в каждом диффузоре до тех пор, пока воздух не поступит в кольцевое пространство 7, называемое улиткой. Из улитки воз­дух по патрубку 8 подается в сборный воздухопровод.

В настоящее время изготавливают воздуходувки с двусторонним вса­сыванием и общей собирающей улиткой, располагающейся посередине ро­тора. Приводом служит паровая турбина, вал которой соединен с валом ро­тора воздуходувки. Число оборотов ротора воздуходувки 2500-3500 об/мин.

Развиваемое воздуходувкой давление воздуха и производительность зависят от числа оборотов ротора и плотности воздуха. Для каждой возду­ходувки между числом оборотов, плотностью воздуха, объемной произво­дительностью и развиваемым давлением существует определенная связь. Гра­фическое изображение этих связей называют газодинамической характерис­тикой воздуходувки.

На рис. 5.2 приведена характеристика воздуходувки типа К-5500-41-1. На осях координат отложены абсолютное давление и объемная производи­тельность. Влияние числа оборотов учитывается семейством кривых, рас­полагающихся на поле характеристики. Коэффициент полезного действия воздуходувки также зависит от режима ее работы и его изменение в виде линии наносится на характеристику.

Представленная характеристика действительна только для определен­ных условий всасывания (температура и давление воздуха), от которых зависит удельная масса воздуха. Если ус­ловия всасывания отличаются, не­обходимо пользоваться специаль­ными поправочными таблицами или шкалами.

Из характеристики видно, что при постоянном числе оборотов ротора с увеличением давления уменьшается количество подаваемо­го воздуходувкой воздуха и наобо­рот. Режим работы воздуходувки, соответствующий самому высоко­му к. п. д. при данном числе обо­ротов, считается наиболее выгод­ным.

Х арактерной особенностью центробежных воздуходувок явля­ется наличие зоны неустойчивой работы при низкой производительности и предельном для данного числа оборотов ротора давлении воздуха. Это так называемая зона помпажа - явления, при котором происходит обратный сброс дутья в атмосферу через воздуходувку под действием его собственного давления. Помпаж сопровож­дается резкими колебаниями количества и давления дутья, недопустимыми для доменной печи, паровой турбины и самой воздуходувки.

Зона помпажа распространяется влево от шрихпунктирной линии (см. рис. 5.2). Помпаж возникает при достижении критического давления дутья. Это может быть вызвано значительным понижением газопроницае­мости шихты, внезапным пережимом струи дутья, например, при переводе воздухонагревателей или при внезапном заливании части фурм чугуном и шлаком. Явление помпажа возникает и в том случае, если воздуходувная машина по своей характеристике не соответствует характеристике сети, т.е. не обеспечивает количества и давления дутья, необходимых для высоко­производительной работы доменной печи. Поэтому правильный выбор производительности и напора воздуходувок имеет большое значение. Ошибки в выборе их могут привести к тому, что воздуходувка будет либо ограничи­вать производительность печи вследствие недостатка дутья, либо будет ра­ботать на неустойчивых и не экономичных режимах со значительным сбро­сом воздуха в атмосферу.

Для правильного выбора воздуходувки следует определить потребную объемную производительность ее в зимних и летних условиях в соответ­ствии с массовым количеством воздуха, необходимым для достижения за­данной производительности, а затем по объемной производительности и тре­буемому напору подобрать воздуходувку по ее характеристике. Такой порядок выбора воздуходувки обусловлен тем, что ее массовая производительность зависит от атмосферных условий и постоянство объемной производительности еще не означает, что печь получает постоянное массовое количество воздуха. Чем выше температура воздуха и ниже атмосферное давление, тем ниже плотность воздуха и тем меньше массовая производительность при заданной объемной производительности. Так, например, массовое количество кислорода в 1 м3 засасываемого воздуходувкой воздуха изменяется на 25-30% в зависимости от атмосферных условий. Поэтому, чтобы получить требуемую доменной печью массовую производительность воздуходувки, необходимо увеличить объемную производительность в летнее время и тем больше, чем ниже атмосферное давление, и выше температура воздуха. Это обстоятельство следует учитывать не только при выборе воздуходувки, но и при эксплуатации печи.

Характеристики воздуходувных машин приведены в табл. 5.1.

Перспективным является применение в качестве привода доменных воздуходувок газовых турбин, работающих на доменном газе, смеси домен­ного газа и жидкого топлива. Газотурбинные установки не требуют соору­жения паровых котлов, а к. п. д. их по сравнению с паротурбинным приво­дом выше.