книги из ГПНТБ / Блинов О.М. Основы металлургической теплотехники

1)высокие огнеупорность и температура начала де­ формации под нагрузкой;

2)высокий коэффициент теплопроводности материа­ ла. Чем больше этот коэффициент, тем меньше тепловое сопротивление разделительной стены, тем интенсивнее происходит передача тепла от дыма к воздуху;

3)высокая термостойкость материала;

4)минимальная газопроницаемость материала;

5)минимальный коэффициент термического расши­ рения, уменьшающий «рост» рекуператора и нарушение его герметичности;

6)высокая стойкость при воздействии окислов желе­ за — основной составляющей шлаков и окалины;

7)низкая стоимость.

Долгое время единственным материалом для изго­ товления керамических рекуператоров служил шамот — недорогой материал, отличающийся высокой огнеупорно­ стью и термостойкостью.

Основным недостатком шамота является низкая его теплопроводность. Уменьшить тепловое сопротивление за счет сокращения толщины стенок не удавалось, так как шамоту присущи низкие механические свойства. Поэтому рекуператоры из шамота получались громоздкими и в теплотехническом отношении малоэффективными.

Сейчас при изготовлении керамических рекуператоров используют достаточно огнеупорные материалы с высо­ ким коэффициентом теплопроводности, такие, как карбо­ рундовые (SiC) и высокоглиноземистые (содержащие больше 60% А120 з) огнеупоры. Применяют также кар­ бошамотную смесь, содержащую до 35—39% карбида кремния. Конструкция керамических рекуператоров должна обеспечивать главным образом высокую интен­ сивность передачи тепла от дымовых газов и высокую герметичность рекуператора. Первое достигается выбо­ ром соответствующих материалов с низким тепловым сопротивлением; второе — сведением к минимуму верти­ кальных швов, способных к расширению, путем замены их горизонтальными. Горизонтальные швы способны са­ моуплотняться под тяжестью вышележащих частей на­ садки. Кроме того, в конструкции рекуператоров должны быть предусмотрены специальные устройства, предот­ вращающие нарушение герметичности верхней части на­ садки, которая не закрепляется жестко потому, что на­ садка керамического рекуператора, так же как и метал­

лического, «растет» при нагреве. Роль таких устройств выполняют песочные затворы. Широкое распростране­ ние получили карбошамотные трубчатые рекуператоры (рис. 68), применяемые в нагревательных колодцах, ме­ тодических печах. Основным конструктивным элементом рекуператора является восьмигранная трубка 1 длиной 300—400 мм, изготовленная из шамота и карбошамота. Насадку рекуператора собирают из таких трубок, рас­ полагая их в шахматном порядке и соединяя между со­ бой с помощью восьмигранных соединительных муфт 2 и промежуточных вставок 3 и 4. В верхней части насад­ ки предусмотрен песочный затвор 5.

Дымовые газы движутся внутри трубок сверху вниз, а воздух омывает трубки снаружи. Обычно используют многоходовую перекрестно-противоточную схему движе­ ния газов. Для осуществления такой схемы в горизон­ тальных перегородках, образованных соединительными муфтами и промежуточными вставками, вынимают не­ сколько промежуточных вставок. Скорость движения воздуха Г—2 м/с, дымовых газов 0,7—1 м/с.

Такие рекуператоры используют на печах, где темпе­ ратура уходящих дымовых газов равна 1 000—1400° С и обеспечивают подогрев воздуха до 800—900, а иногда и до 1150° С. Верхние и нижние ряды насадки собирают из карбошамотных трубок, наиболее стойких к воздей­ ствию высоких температур и значительных перепадов температуры по толщине стенки трубки (в нижней части насадки, где подается холодный воздух). Средние ряды, работающие в более легких условиях, собирают из ша­ мотных трубок. Соединительные муфты и промежуточные вставки изготавливают только из шамота.

К основным недостаткам карбошамотных трубчатых рекуператоров следует отнести ошлакование и засорение верхних рядов трубок насадки окалиной, шлаком, сажей, в результате чего некоторые трубки со временем совсем забиваются. Это приводит, во-первых, к уменьшению по­ верхности нагрева, и, во-вторых, к увеличению гидравли­ ческого сопротивления рекуператора. Другим важным недостатком такого рекуператора является его низкая герметичность. Утечка достигает иногда 40% всего по­ данного в рекуператор воздуха. Чтобы уменьшить этот недостаток, часто прибегают не к продуванию воздуха через рекуператор, а к просасыванию его, создавая раз­ режение на воздушной его стороне.

Рис. 68. Карбошамотный трубчатый рекуператор

Применяют и другие конструкции керамических ре­ куператоров, но гораздо реже.

Таким образом, сравнивая металлические и керами­ ческие рекуператоры, можно сделать следующий общий вывод. Металлические рекуператоры отличаются боль­ шими компактностью и газоплотностью, но не позволя­ ют нагревать воздух или газ до высоких температур. Ке­ рамические рекуператоры менее компактны, характери­ зуются низкой газоплотностью, что не позволяет нагревать в них газообразное топливо, но температура нагрева воздуха в них гораздо выше, чем в металли­ ческих.

3. Регенераторы

Регенератор, так же как и рекуператор, представляет собой теплообменное устройство, предназначенное для подогрева воздуха или газообразного топлива за счет тепла уходящих дымовых газов. Основной особенностью регенератора является периодичность, цикличность его работы. В рекуператоре дымовые газы и нагреваемый воздух (или газообразное топливо), отделенные друг от друга разделительными стенками, играющими роль по­ верхности теплообмена, проходят через него одновремен­ но. В регенераторе сначала нагревается дымовыми газа­ ми насадка из огнеупорного кирпича (дымовой период). После того, как температура насадки достигла опреде­ ленной величины, подачу дымовых газов через него пре­ кращают, а пропускают воздух или газообразное топли­ во, которые, нагреваясь, охлаждают насадку регенера­ тора (воздушный период). После того как насадка охладилась до заданной температуры, вследствие чего уже не может быть обеспечена заданная температура на­ грева воздуха, подачу воздуха через регенератор прекра­ щают и начинают снова пропускать горячие дымовые га­ зы, которые опять нагревают насадку. Таким образом, происходит чередование циклов нагрева и охлаждения насадки регенератора. Чтобы в печь воздух подавался непрерывно, ее оборудуют двумя регенераторами, рас­ положенными с противоположных сторон печи. Если че­ рез один из них пропускают дымовые газы и он при этом нагревается, то через противоположный пропускают в это время воздух и насадка его охлаждается. Через опреде­ ленное время цикл нагрева и охлаждения насадок ме­ няется на обратный.

Если необходимо подогревать одновременно и воз­ дух и газ, то печь оборудуют двумя парами регенерато­ ров — воздушным и газовым — как это бывает, напри­ мер, на регенеративных нагревательных колодцах или на мартеновских печах с трехканальной головкой.

Цикличность работы регенераторов приводит к тому, что темпе­ ратура подогрева воздуха меняется во времени, даже в пределах одного цикла: в начальный момент, когда воздух продувается через сильно разогретую насадку, его температура тоже высокая. По мере охлаждения насадки она все более понижается. Температура подо­ грева воздуха в начале воздушного периода может превышать тем­ пературу в конце дымового периода на 150—200 град. Поэтому необ­ ходимо устанавливать специальные автоматические системы регули­ рования, которые бы поддерживали на одном и том же уровне температуру воздуха перед входом в печь. Этот недостаток реге­ нераторов приводит к тому, что их все чаще вытесняют рекупера­ торы.

Частота перекидки клапанов (реверсирование печи) для различных печей различна, причем, если в печи не­ обходимо поддерживать температуру на более высоком уровне, то клапаны перекидывают чаще, и наоборот.

Требования, предъявляемые к материалу насадки регенераторов

Как было сказано выше, насадку регенератора наби­ рают из огнеупорного кирпича. Условия службы кирпича очень тяжелые: он то нагревается, то охлаждается, т. е. его температура все время изменяется. Следовательно, кирпич должен быть термостойким, т. е. он не должен быстро трескаться и разрушаться при воздействии пере­ менной температуры. Кроме того, в процессе работы меж­ ду поверхностью кирпича и его серединой создается раз­ ность температуры вследствие небольшого коэффициен­ та теплопроводности материала, из которого кирпич изготовлен. Чем толще кирпич, тем больше масса насад­ ки, тем больше она аккумулирует в себе тепла, тем мень­ ше изменяется температура нагрева воздуха в течение воздушного периода, тем меньшая требуется частота пе­ рекидки клапанов. При тонком кирпиче все наоборот: насадка аккумулирует тепла меньше, следовательно, остывает она быстрее, температура нагрева воздуха в на­ чале и конце воздушного периодов изменяется значи­ тельнее, чем у насадки из толстого кирпича, поэтому для

виде объемной решетки. Наиболее распространены ре­ генераторы с насадками Каупера или Сименса. Располо­ жение кирпичей насадки в виде объемной решетки поз­ воляет газам свободно омывать их, отдавая им или по­ лучая от них тепло.

На рис. 69 и 70 представлены схемы расположения кирпичей в насадках Каупера и Сименса и конструкция современного регенератора. Насадку Каупера выполня­ ют так, что кирпичи образуют длинные, не соединяющие­ ся друг с другом вертикальные каналы. Поперечное се­ чение каналов представляет собой квадрат со стороной 60, 80 или 100 мм. Такая насадка обеспечивает удельную поверхность нагрева, равную 14,7—15,2 м2/м3, хорошую устойчивость конструкции и ее применяют при выполне­ нии регенеративных насадок большой высоты (напри­

крест, образуя вертикальные каналы, соединяющиеся друг с другом по всей длине. Такое расположение кир­ пичей турбулизирует поток газа, интенсифицирует про­ цесс передачи тепла конвекцией и создает большую удельную поверхность нагрева (15,3—19,3 м2/м3). По­ перечное сечение ячейки насадки представляет квадрат со стороной 60, 80 или 100 мм. На насадку Сименса рас­ ходуют кирпича в 1,5 раза меньше, чем на насадку Кау­ пера, но первая обладает меньшей строительной устой­ чивостью.

Таким образом, преимущества на стороне насадки Сименса и ее используют везде, кроме воздухонагрева­ телей доменных печей.

Теплопередача

В регенераторах весь процесс состоит из двух этапов передачи тепла:

ному топливу (воздушный период).

Теплоотдача от дымовых газов к насадке происходит как конвекцией, так и излучением. Теплоотдача от на­ садки к воздуху осуществляется лишь конвекцией, так как воздух при таких малых толщинах его слоев прак­ тически лучепрозрачен и не поглощает лучистую энергию насадки.

С точки зрения интенсификации конвективного про­ цесса передачи тепла нужно стремиться к уменьшению размеров вертикальных каналов, что позволяет увели­ чить скорость движения газов. Однако уменьшение раз­ меров вертикальных каналов приводит к увеличению гид­ равлического сопротивления насадки, ее засоряемости и ошлаковываемости и, кроме того, ухудшает процесс пе­

В отличие от рассмотренных теплообменных устройств рекуперативного и регенеративного типа в котлах-утили­ заторах тепло дымовых газов используют не на подо­ грев воздуха или низкокалорийного газообразного топ­

кого давления. Следовательно, прямым образом уста­ новка котла-утилизатора не влияет на показатели рабо­ ты печи. Однако положительное влияние сказывается косвенным образом. Во-первых, охлаждение уходящих газов (на выходе из котла-утилизатора) составляет 230— 200° С (а иногда достигающее 170° С), увеличивает ко­ эффициент использования тепла печной установки в це­ лом до 40%; во-вторых, применение мощных дымососов для создания искусственной тяги при установке котловутилизаторов позволяет форсировать тепловую работу печи за счет лучшей организации движения газов в печи и более гибкого регулирования аэродинамики рабочего пространства печи. В конечном счете все это приводит к увеличению производительности печи, снижению удель­ ных расходов топлива, удлинению кампании печи. Кроме

вертерном). В настоящее время примерно половина всех

действующих мартеновских печей и все кислородные конвертеры оборудованы котлами-утилизаторами.

Место расположения котлов-утилизаторов

Обычно через котел-утилизатор пропускают весь объ­ ем выходящих из печи газов. Это и обусловливает его расположение на печи за регенератором (рис. 71). Такое

Рис. 71. Схема расположения котла-утилизатора за мартеновской печью:

У— мартеновская печь; 2 — регенератор; 3 —обходной газоход; 4 — шибер; 5 — котел-утилизатор; 6 — дымосос; 7 — дымовая труба; 8 — прямой газоход

расположение позволяет в случае выхода котла из строя или остановки его на ремонт использовать для эвакуации газов обходной газоход от печи к дымовой трубе. В кон­ вертерных цехах котлы-утилизаторы устанавливают над конвертерами.

Котлы-утилизаторы мартеновских печей

Для мартеновских печей с небольшой (до 90 т) сад­ кой применяют газотрубные и водотрубные котлы-ути­ лизаторы. Газотрубный котел-утилизатор (серийно вы­ пускаются типы КУ-16 и КУ-40) представляет собой теп­ лообменное устройство, состоящее из набора (пакета) дымогарных труб, через которые с помощью дымососа просасываются уходящие газы. Пакет дымогарных труб помещен в горизонтально расположенную емкость с во­ дой. При прохождении через дымогарные трубы ухо­ дящие газы отдают свое тепло воде, нагревая ее до ки­ пения. Такие котлы часто оборудуют пароперегревателя­ ми для повышения температуры получаемого пара. Их