Отынның сипаттамасы

Отын	Күл , %	Жылу өткізгіштігі, кДж/кг
Ағаш	0,7-2,0	18 800
Торф	До 10	23 400
Тас көмір	>10	21 000-29 000
Мұнай	0,2-0,3	41 000-46 000
Табиғи газ	нет	35 000-37 700

Металлургиялық кокстің құрамы төмендегідей, %:

С_n Л А S

86-88 0,8-1,5 9-12 0,5-2,0

мұндағы С_n – ұшпайтын көміртегі; Л – ұшқыш заттар; А - күл; S - күкірт.

Жану жылуы -34,20,87=30 МДж/кг коксқа. Металлургияда кокстің қаттылығына көп көңіл бөледі.

Сұйық отын – мазут мұнайды крекингілеуден (айдаудан) алынған, көмірсутектердің ауыр фракцияларынан тұратын қалдық. Ол 10-11% Н, 83-85% С_n тұрады; қалғаны күл, күкірт, ылғалдылық. Мазуттың жану жылуы 40 мДЖ/кг. Мазутты қолдануда қиындық туғызатындардың бірі оны жағудың алдында тұтқырлығын төмендету үшін 70-90⁰С дейін қыздырудың қажеттілігі. Тек содан кейін ғана оның жұқа шаңданып және тиімді тез жану мүмкін.

Кесте 7.2

Газтәрізді отындардың химиялық құрамдары мен жану жылулары

Газ	Құрамы, %						МДж/м3
	Н2	СО	СН4	СnНm	СО2	N2
Домналық	2-6	23-27	-	-	16-20	50-55	3,5-4,5
Кокстық	55-60	5-6	25-26	2,5	2,5	2,5-3,5	17-18,5
Генераторлық	13-50	25-30	0,5-7,0	0,3	5-15	3-4	5-10
Табиғи	-	-	85-95	3-10	0,2-1,0	3-8	30-40

Ең қолайлы отындар газтәрізді отындар: табиғи газ, домналық және кокстық газдар мен олардың қоспалары, сондай ақ генераторлы газдар – көміртегін ауада көбінесе су қосып газдандырудан алынған өнім. Газтәрізді отындардың құрамдары 7.2 кестеде берілген.

Отынның жануы. Металлург-технологтардың қызығушылығын тудыратын жанудың келесі сипаттары болып табылады:

- 1 кг қатты немесе сұйық немесе 1 м³ газтәрізді отын жанған кезде бөлінетін жылу мөлшері;

- отынның бірлік мөлшерінің жануына кететін ауа мөлшері;

- түзілген жану өнімдерінің мөлшері;

- жану өнімдерінің температурасы.

Отын жанған кезде бөлінетін жылу оның құрамындағы жанғыш қоспалардың С, СО, Н₂, СН₄, C_nH_m, S_r ауадағы оттегімен химиялық әрекеттесуінің нәтижесінде түзіледі:

С + О₂ = СО₂ + 410 МДж/кмоль, немесе 410:12 = 34,2 МДж/кг С;

С + 0,5О₂ = СО + 124 МДж/кмоль, немесе 10,33 МДж/кг С;

СО + 0,5О₂ = СО₂ + 285 МДж/кмоль, немесе 285:22,4 = 12,72 МДж/м³ СО;

Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О + 242 МДж/кмоль, немесе 10,80 МДж/м³ Н₂;

СН₄ + 2О₂= СО₂ + 2Н₂О + 800 МДж/кмоль немесе 800:22,4-35,71 МДж/м³ СН₄;

S + О₂= SО₂ + 289 МДж/кмоль, немесе 289:32 = 9,03 МДж/кг S.

Түсті металдардың кендерін өңдеу кезінде жанғыш компоненттер металдардың сульфидтері болып табылады, мысалы пирит:

3FeS₂ + 8О₂ = Fe₃O₄ + 6SO₂ + 2620 мДж/кмоль Fe₃O₄ немесе 2620:(6-32) - 13,65 мДж/кг S,

немесе күкіртті темір: 3FeS + 5O₂= Fe₃O₄ + 3SO₂+ 1722 мДж/кмоль немесе 17,94 мДж/кг S.

Отынның бірлік мөлшерін жаққан кезде бөлінген жылу мөлшері отынның жану жылуы деп аталады. Техникалық есептерде төменгі жұмысшы немесе пайдалы жану жылуын қолданады, ол жанудың соңында су бу (немесе конденсат) күйінде қалу шартында есептеледі. Отынның жану жылуын жанғыш компоненттердің жану жылуының қосындысы түрінде де есептеуге болады.Есептеу үшін газтәрізді отындарда келесі формуланы қолданамыз:

=358СН₄+636С₂Н₆+913С₃Н₈+1185С₄Н₁₀+128СО+108Н₂, кДж/нм³г (7.1)

Әртүрлі отындарды қолдантын пештердің жылу техникалық көрсеткіштерін салыстыру үшін шартты отын деп аталатын отынды қолданады. Оның жану жылуы 29,3 мДЖ/кг. С, СО, Н₂, СН₄ жану реакциялары аяқталған болғандықтан, теориялық ауаның шығыны стехиометриялық қатынаспен жүргізіледі.

Тәжірибеде ауаны артық мөлшерде алады. Оның себептері:

• отынның жануын толық жүргізу (ауамен араластырудың жақсы жүрмеуінен отын әр кезде де жанбай қалып қояды);

• өте жоғары жану температурасын азайту үшін;

• қыздырылған газдың құрамында оттегінің мөлшерін жоғарылату, ол келесі технологиялық процеске қажет болады.

Сандық жануға ауа артығы ауаның артықтық коэффициентімен (δ) сипатталады, теориялық қажеттіге отын бірліктері өртеуге арналған ауа нақты шығынының көңіл бөлу.

Жану теориялық температурасы деп газтәрізді отындарды жылуды жоғалтпай қыздыруға кететін температураны айтады.

(7.2)

Бұдан, жанудың теориялық температурасы:

(7.3)

Жылуалмасу түрлері. Жылуалмасудың принципиалдық үш түрі бар: жылуөткізгіштік, сәулелену және конвекция.

Жылуөткізгіштік – заттардың әртүрлі температурамен жанасуы кезінде жылудың берілуі. Металдарда жылуды беру электрондардың қозғалысы (диффузия) есебінен жүреді. Металл еместерде жылу амплитудасы үлкн молекулалардан көрші амплитудасы кіші молекулаларға ауытқу арқылы беріледі. Газдарда жылу берілу атомдар мен кинетикалық энергиясының шамасы әртүрлі молекулалардың диффузиясы әсерінен жүреді. Жылуөткізгіштік арқылы берілетін жылулық ағынның шамасы Фурье заңымен анықталады , мұндағы λ- жылуөткізгіштік коэффициенті; дененің температуралық градиенті (1 м (см) қашықтықтағы температуралардың айырмасы); F – жылулық ағын бағытына перпендикуляр бағытталған жылуалмастыру беті; τ - уақыт.

Жылуөткізгіштіктің эмпирикалық коэффициенті λ заттардың жылулықфизикалық сипаттамасының бірі болып табылады және оның құрылымымен анықталады. λ сандық мәндері әртүрлі материалдарда кең ауқымда өзгереді, Вт/(м∙К), 20°С кезінде:

ауа 0,025

су 0,54

құрылыс материалдары 2-15

жылу өткізбейтін материалдар 0,15-0,40

металдар 10-500.

Көптеген материалдардың жылуөткізгіштік коэффициенттері температура жоғарылаған сайын өседі. Кендік материалдардың Жылу өткізгіштігі температураны 20-дан 1000⁰С-ға дейін көтергенде 1,5-2,0 есеге өзгереді.Металлургиялық жылутехникасында процестің әртүрлі жылулық сипаттарын есептеуге арналған әдістемелер өңделген: берілген температураға дейін денені қыздыру уақытын есептеу, қатты дененің қимасы бойымен температуралардың таралуы, пеш қабырғаларына жылудың жоғалуын есептеу және т.б.

Жылуөткізгіштік бойынша жылуалмастыру процестерінің құймаларды, металдық бұйымдарды қысым және термоөңдеуде, ұнтақты металлургиядағы үлгілерді күйдіруде, коксты пештерде көмірлі шихтаны қыздыруда және т.б. маңызы өте зор.

Жылулық сәулелену. Ол электромагниттік толқынның көмегінен сәулеленетін дененің ішкі энергиясының таралу процесі. Сәулелену арқылы жылу беру көрінетін спектрдің толқындарымен де (0,4-0,8 мкм) және көрінбейтін – инфрақызыл толқындармен (0,8-30мкм) де жүре береді. Жылуөткізгіштік пен конвекциядан айырмашылығы вакуум арқылы да жүре береді. Сәулелік жылуалмастыруда энергия түрінің қосарлы қайта туындауы жүреді: жылулық→сәулелік→жылулық.

Сәулелік жылуалмасудың күшеюін анықтайтын басты параметр дене бетінің температурасы (Т) – Стефан-Больцман заңына сәйкес:

Е = К₀ ∙ Т⁴, Вт/м², (7.4)

мұндағы К₀ – абсолюттік қара дененің сәулелену константасы.

«Қара дене» дегеніміз өзіне түскен сәулені толығымен жұтып, шағылдырмайтын беті бар дене. Табиғатта абсолютті қара денелер балмайды (максималды қаралығы бар дене күйе (сажа) – 0,90-0,95) – барлық денелер «сұр денелер» болып есептеледі. Сонымен, сәулелік жылуалмасудың тиімділігін анықтайтын екінші фактор қыздырылатын дененің беттік күйі болып саналады.

Қыздырылған денеден (Т₁) суық денеге (Т₂) сәулелену арқылы берілген жылу мөлшері келесі формуламен өлшенеді: (7.5)

мұндағы С₀ – абсолютті қара дененің сәулелену коэффициенті; φ - бұрыштық коэффици­ент;  - дененің қаралық дәрежесі. Кейбір материалдардың қаралық дәрежелері  7.3 кестеде келтірілген.

Кесте 7.3

Материал	t,°C	ε
Алюминий - тотыққан	200-600	0,11-0,19
- жылтыраған		0,04-0,06
Кірпіш - қызыл	20	0,93
- отқатөзімді	20	0,6-0,8
Болат	200-600	0,8

Қара немесе сұйық және газ арасындағы сәулелік жылуалмасуды есептегенде газдың да қаралық дәрежесін ескерген жөн. Көптеген екі атомды симметриялық молекулалар мөлдір болып келеді, олардың _г ≈ 0. Біршама қаралық үшатомды газдарда және СО₂ , Н₂О газдарында байқалады.

Сәулелік жылуалмасу шағылдырғыш (мартен), түтікшелі пештердемаңызды орын алады. Вакуумдық пештердегі жылу берудің жалғыз әдісі осы болып табылады.

Конвективті жылуалмасу - қозғалатын газ (немесе сұйықтық) арқылы кеңістікте жылу беру. Жылуалмасудың бұл әдісінде берілген аймақта қатты дененің уақыт өткен сайын газ ағынының (сұйықтықтың) жаңа көлемімен жанасу кезінде қатты денеге жылу беруі немесе оның жылуын алуы жүреді. Өндірістік жабдықтардың көбісінде конвекция газдың мәжбүрлі қозғалысымен – қысымдарының ерекшелігі әсерінен жүруі болады.

Қатты дене бетінің F белгілі τ уақыт ішінде жылуды беруі немесе алуы Ньютон-Рихман заңымен анықталады: Q =α ∙ (t_г – t_п) ∙ F ∙ τ, Дж, (7.6),

мұндағы t_г және t_п – газ және дене бетінің сәйкесінше температуралары; α – жылуберу коэффициенті, Вт/(м²∙К).

Бұл формуламен есептеулер жүргізген кезде α мәнін табу қиындықтар туғызады. Ол бірнеше факторларға тәуелді: газ қасиетіне (жылусыйымдылығы, жылуөткізгіштігі, тұтқырлығы, тығыздығы), газ қозғалысының жылдамдығы мен режиміне, қаты дененің бетінің түріне және т.б. Тәжірибелік есептерді орындау үшін эксперименттік және шексіз мәндер комплексінің өзара байланысын – критерийлерді қолданамыз. Конвективті жылуалмасудың басты критерийі Нуссельт критерийі болып есептеледі:

(7.7)

мұндағы d – қатты беттің өлшемін – канал немесе кесек диаметрін анықтайтын шама.

Нуссельт критерийі Рейнольдс критерийімен байланысты анықталады:

(7.8)

мұндағы w және ν - газдың қозғалу жылдамдығы және кинематикалық тұтқырлығы, ол Прандтль критерийімен анықталады:

мұндағы g - ауырлық күшін жылдамдату, ρ - газ тығыздығы с, - газдың меншікті жылу сыйымдылығы. Сонымен кейбір жағдайда Nu= 0,023 Re^0,8 ∙ Pr^0,4; бұдан

Конвекция қабатты процестерде: шахталық пештерде, агломерация немесе түйіршік күйдіруде елеулі үлесін қосады.

Металлургиялық процестің (пештің) жылулық тепе-теңдігі (баланс). Металлургиялық пештерді жобалаған кезде және процестерді өңдегенде ең маңызды құрал жылулық тепе-теңдік болып табылады. Оның көмегімен қажетті отын мен ауаның мөлшерін таба аламыз. Жұмыс істейтін пештердің жылулық тепе-теңдігін талдау нәтижесінде балқытуды ары қарай жетілдіру жолдарын, сонымен бірге ең алдымен жылудың (отынның) меншікті шығынын азайту бойынша жүргізілетін шараларды анықтайды.

Жылулық тепе-теңдік келесі атаулардан тұрады:

кіріс бөлімі 1. отынмен енгізілетін жылу. 2. ауамен енгізілетін жылу. 3.шихталық материалдармен енгізілетін жылу. 4. отын жануының жылуы. 5.басқа экзотермикалық процестердің жылуы: - күкірттің және басқа элементтердің тотығуы, - шлактүзілу және т.б.

шығыс бөлімі 6. газбен шыққан жылу. 7. металмен шыққан жылу. 8. шлакпен шыққан жылу. 9.эндотермикалық процестер жылуы: - карбонаттардың диссоциациясы, - тотықтардың диссоциациясы, - металл және шлак балқуына кететін жылу. 10.сумен суытуға және сыртқы кеңістіктің сәулеленуіне кететін жылу.

Периодты жұмыс істейтін пештерде шығыс бөлігіндегі статьяларға отта төзімді футировкаға сіңірілетін жылуды да қосу керек. Жылулық тепе-теңдіктің теңдеуінен:

q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ = q₆ + q₇ + q₈ + q₉ + q₁₀

отынның қажетті шығынын табуға болады, егер баланстың қалған статьялары есептелген болса:

q₄ = (q₆ + q₇ + q₈ + q₉ + q₁₀) – (q₁ + q₂ + q₃ + q₅) (7.11)

Үздіксіз жұмыс істейтін пештер үшін балансты уақыт бірлігіне – сағатта, тәулікке санайды. Периодыт жұмыс істейтін пештерге балансты бір циклге санайды, кейде өнімнің бірлігіне де санайды.

Отқа төзімді материалдар. Металургиялық пештердің міндетті элементі ішкі кеңістікті қаптайтын отқа төзімді материалдар болып табылады. Олар пештегі жылу мөлшерін берілген температурада ұстауға мүмкіндік береді. Металургиялық пештердің жұмыс мерзімін ұзарту үшін отқа төзімділер қажетті қаттылықта, жоғары температурамен газдық фаза және балқымалардың химиялық әсеріне төзімді болуы керек. Бұдан басқа сыртқа жылуды шығармауы қажет.

Отқа төзімді маттериалдарға басты талап олардың жоғары температураға төзімділігі яғни температура кезіндегі құрылыс күшін ұстап тұруы. Сан бойынша бұл қасиет материалдың температура кезінде жұмсарып деформаиямен ұшырау мен сипатталады.

Отқа төзімділерді таңдау кезінде оның жұмыс кезіндегі механикалық қаттлығы, термиялық тұрақтылығы көлемдік кеңею коэффициенті, борпылдақтығы, оттегіне химиялық инерттілгі, көмірқышқылына төзімділігі, сұық шлактырмен тұзды балқымаларды төзімділігі, жылу өткізгіштгі және электрөткізгішітігі ескеріледі. Ең тиімді отқа төзімділер арзан тотықтардан тұрады және қышқылды, негізді, амфотерлі жағдайда төзімді болады.

Отқа төзімділерді өндіруге қажетті шикізат ретінде тотықтар, силикаттар, карбиттер, және басқа да қосылыстар алынады: Al₂O₃- 2050, SiO₂- 1713, CaO- 2580, MgO- 2800, Cr₂O₃- 2275, ZrO₂- 3500, HfC- 3900, TiB₂- 2980, нитриттер және силийциттер, кокс және графит жатады (кесте 7.4).

Отқа төзімді материалдарды кластарға бөлу: отқа төзімділігіне қарай үш топқа бөлінеді:

Орташа төзімді............................... 1580-1770°С

Жоғары төзімді............................... 1770-2000°С

Өте жоғары төзімді..........................свыше 2000°С.

1580 °С-ғы материалдар кірпіш, әртүрлі өлшемдегі фасондар кейде ұнтақ түрінде шығарылады. Бұлар беріліген температурада қатты күйінде қалу керек.

Шамотты бұйымдар отқа төзімді балшықтан жасалады, құрамы каолинит Al₂O₃ ·2SiO₂ ·2H₂О.

Кесте 7.4

Жоғары отқа төзімді материалдар

Минерал	Tпл °С	Минерал	Tпл °С
Si О2 - кварц	1713	Сг203	2330
MgO·Cr2O3-шпинель	1780	MgO·Cr2O3- магнезиохромит	2400
FeO·Сг2О3 - хромит	1780	СаО	2625
3Al2O3·2SiO2 - муллит	1870	ВеО	2610
2MgO·SiO2 - форстерит	1890	SiC - карборунд	2700
А12О3 - корунд	2050	ZrO2	2715
2CaO·SiO2(α)	2130	MgO-периклаз	2825
MgO·А2Оз -шпинель	2135	ThO2	3050

Көміртегі 3500 °С-ға дейін қатты күйінде болады.

Басқа алюмосиликаттар жоғары сазбалшықты немесе табиғи силикаттардан: кианит және андолузиттен жасалады. Құрамында сазбалшықтың көп болуы химиялық тұратқылығын арттыралы.

Династы кірпішті 95% крменземнен тұратын квартиттерден әктасты сүт қоса отырып престеп жасайды. Динас термиялық тұратқтылығ аз болса да жұмысшы күйінде қаттылығ жоғары.

Магнезитті (пириклазды) кірпіштер 80-85% магний тотығынан тұрады. Ол негіздік шлактарға тұрақты және тығыз жылуға төзімді бірақ қымбат.

Доломитті кірпіштер магнезиттен арзан бірақ отқа төзімділігі аз, хроммагнезиттегілер бейтарап ортаға төзімді, карборунт қатты отқа төзімділіг жоғары, бейтарап, бірақ тотырғыш ортада аз төзімді.

Балқыту өнімдері. Тотықты кендердің балқытудан кейінді алынатын өнімі сұйық метал, шлак, газ, немесе штейн, шлак, газ – бұл сульфитті кендерден алынады.

Балқытылған металдың қасиеті көптеген металдардың тығыздығы жоғары болады да шлактан жеңіл бөлінеді.

Сұйық металдар жылу және электрөткізгіштері жоғары болады.

Қара металдар құрамында қоспалр көп болады.

Кесте 7.5