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

цессе коксования 80—85% серы из угля переходит в кокс. В домен­ ных печах сера из кокса переходит в металл. Для уменьшения содер­ жания серы в чугуне увеличивают количество шлака в печи и его основность. По пористости кокс разделяют на доменный (пористость 45—55%) и литейный (пористостью >45% ).

Важным продуктом коксования углей является ■коксовый газ. Термоантрацит представляет собой продукт термической обра­ ботки антрацита в шахтных печах водяным паром. В результате тер­ мической обработки в конечном продукте содержание серы уменьша­ ется с 1,7—2 до 0,8—1,1%; водорода с 1,2 до 0,3%; кислорода и азота — с 1,5—2,5 до 1,2—1,6%. По реакционной способности тер­ моантрацит выше антрацита. Термоантрацит применяют в литейном производстве для получения чугуна в вагранках, на что расходуется меньше топлива. При этом чугун выпускается с- более высокой тем­

пературой.

Жидкое топливо

Единственным природным жидким топливом является нефть, ко­ торая представляет собой маслянистую жидкость темно-коричневого цвета. По своему составу нефть — смесь сложных углеводородов типа С„Н2п+2 (предельные), СпЫ2п (нафтеновые), СлНгп-б (арома­ тические). В состав нефти, кроме углеводородов, входят высокомо­ лекулярные соединения — смолы.

Химический состав нефти различных месторождений почти оди­ наков.

Теплота сгорания нефти составляет 40 000—46 000 кДж/кг, или 9500—11 000 ккал/кг.

Искусственное жидкое топливо получается при крекинге нефти. Основными продуктами крекинга нефти являются; бензин, керосин, мазут.

ляется мазут. Мазут — это густая темно-бурая жидкость, составляю­ щая 40—50% продуктов перегонки нефти. Качество мазута опреде­ ляется его физико-химическими характеристиками: вязкостью, темпе­ ратурой воспламенения, температурой затвердевания, содержанием серы. Вязкость мазута определяется при 80° С. Марки мазута опре­ деляет его вязкость. Мазут бывает следующих марок: 20, 40, 60, 80, 100, 200. Цифры обозначают условную вязкость мазута. Мазут ма­ рок 100 и 200 обладает максимальной вязкостью и остается твердым при 25—30° С. По содержанию серы мазуты подразделяют на мало­ сернистые— с содержанием серы до 0,5%; сернистые — с содержа­ нием серы до 1%; высокосернистые — с содержанием серы более 1%.

требителя, лучшие условия обслуживания агрегатов, работающих на газообразном топливе, простота сжигания и легкость регулирования температуры сделали газообразное топливо основным на металлур­ гических заводах.

Высококалорийный природный газ сопутствует нефти. Он на­ много дешевле всех остальных видов топлива. Перевод промышлен­ ных печей на природный газ дал существенную экономию, выража­ ющуюся в сотнях тысяч рублей. Основным достоинством природного газа является полное отсутствие сернистых соединений. Природный

дуктом цехов металлургического завода полного цикла. Так, напри­ мер, уже известный коксовый газ получается при коксовании углей. Коксовый газ состоит в основном на 55—60% из водорода и на 20—25% из метана. Кроме горючих составляющих, в газе содержат­ ся смола, аммиак, бензольные углеводороды, пыль. Эти продукты улавливаются из газа для дальнейшей переработки на химических заводах. Теплота сгорания коксового газа 16 760—18 017 кДж/м3 (4000—4300 ккал/м3).

Доменный газ получается при производстве больших количеств чугуна. Состав и количество доменного газа зависят от марки вы­ плавляемого чугуна, расхода кокса. Как правило, на теплоту сгора­ ния газа влияет качество ведения плавки. С повышением использо­ вания кокса в печи понизилась теплота сгорания доменного газа. Со­ став доменного газа в среднем следующий: 10—15<% С02; 25—30% СО; 0,3—0,5% СН4; 2—3% Н2; 55—58% N2. Калорийность 3550— 3950 кДж/м3 (850—950 ккал/м3).

Для получения газа достаточно высокой теплоты сгорания на металлургических заводах применяют смесь коксового и доменного газов, так называемый смешанный газ.

Генераторный газ получается при полном превращении твердого топлива в горючий газ, что целесообразно в местах, где нет природ­ ного газа, а есть достаточно дешевые угли, являющиеся основным источником для производства генераторного газа. Газификация твер­ дого топлива осуществляется в газогенераторах кислородом или водя­ ным паром. Газогенератор представляет собой стальной корпус, фу­ терованный внутри огнеупорным кирпичом. Топливо загружают сверху, снизу подают кислород или водяной пар. Поступающее сни­ зу дутье проходит через слой шлака и нагревается. Затем кислород дутья начинает реагировать с раскаленным коксом по реакциям:

При этих реакциях выделяется большое количество тепла. Когда весь кислород дутья израсходован, начинаются восстановительные реакции:

Зона газогенератора, в которой протекают эти реакции, называ­ ется зоной газификации. В зависимости от состава дутья генератор­ ный газ бывает воздушный, водяной, смешанный. При продувке топ-

лива воздухом получается воздушный газ, состоящий из 35% СО65 % N2:

Q = 1047,5 — 1466,5 кДж/м3 или 250 — 350 ккал/м3.

Низкая теплота сгорания воздушного газа объясняется содержа­ нием азота. Почти 2/3 объема занимает балластный газ. При продув­ ке топлива ведяным паром получается водяной газ;

Процесс получения газа характеризуется отрицательным тепло­ вым эффектом. Поэтому слой сначала продувают воздухом до мо­

Смешанный генераторный газ получается при определенном со­ отношении подачи в реакционную зону воздуха и пара. В результа­ те этого режим работы генератора становится спокойнее. Образую­ щийся при этом смешанный газ по теплоте сгорания уступает водя­ ному, но зато значительно облегчается его получение. Газификация этого вида наиболее распространена на промышленных предприяти­ ях. Состав смешанного газа: 27,5^-30,5% СО; 13-1-14% Н2, 0,5— 2,5% СН4. Теплота сгорания его 5153,7—6285 кДж/м3, или 1230— 1500 ккал/м3.

2. Устройства для сжигания топлива

Основным топливом, применяемым на металлургиче­ ских заводах, является газ. Устройства для сжигания газообразного топлива называются горелками. К горел­ кам, работающим на различных нагревательных печах, предъявляют различные требования. Но все без исклю­ чения горелки должны обеспечивать оптимальное сжи­ гание топлива. Основное требование, предъявляемое к работе горелок, заключается в надежной работе вспо­ могательного оборудования по тщательной очистке газа и создания необходимого давления.

Принято следующее подразделение горелок по прин­ ципу действия;

1)с полным предварительным смешением газа и воз­

духа;

2)с частичным предварительным смешением газа и

воздуха; 3) с внешним смешением газа и воздуха.

К горелкам с полным предварительным смешением относятся керамические (рис. 2). Заранее подготовлен­ ная смесь газа и воздуха подается в зону горения, где,

сгорая, она почти не образует видимого факела. Та­ кие горелки называют беспламенными.

К распространенному типу горелок с полным пред­ варительным смешением относятся горелки, в которых предварительным смесителем служит инжектор. На рис. 3 показан инжекционный смеситель конструкции Стальпроекта. Инжекционные смесители выполняют двух типов:

скоростью. Необходимое ко­ личество воздуха эжектиру-

ется (подсасывается) струей газа через специальные щели. Смешение газа и воздуха происходит в смешива-

Рис. 3. Инжекционный смеситель для нескольких горелок

ющей трубе 3. Достоинством инжекционных горелок яв­ ляется легкость, с которой можно управлять тепловой нагрузкой, изменяя только расход газа, так как необ­ ходимое количество воздуха эжектируется автоматиче­

ски. Различают горелки, работающие на холодных и по­ догретых газе и воздухе.

К так называемым пламенным горелкам (с внешним смешением) относятся горелки, осуществляющие пере­

мешивание газа и воздуха в рабочем пространстве печи. Наиболее распространенным типом горелок, относящим­ ся к данному классу, являются горелки типа «труба в трубе» и турбулентные горелки конструкции Стальпроекта (рис. 5). Как видно из рис. 5, образование газо­ воздушной смеси происходит в рабочем пространстве.

Это увеличивает время про­ цесса смешения, что приво­ дит к удлинению факела. Такие горелки применяют в агрегатах, где тепловыделе­ ние из факела должно быть растянуто по длине рабоче­ го пространства. Их ис­ пользуют в основном в ме­ тодических печах, обеспечи­ вая равномерный нагрев ме­ талла. Горелки эти просты и дешевы в изготовлении.

На рис. 6 показана турбулентная горелка конструк­ ции Стальпроекта, наиболее распространенная в настоя­ щее время. Достоинством ее является тангенциальный подвод воздуха в струю газа, обеспечивающий хорошее предварительное перемешивание.

Для сжигания жидкого топлива применяют форсун­ ки. По принципу действия форсунки делят на два типа: низкого и высокого давления. Общим требованием, предъявляемым к форсункам, является хорошее распы-

ливание топлива и смешение его с воздухом, обеспече­ ние устойчивого факела заданной длины, надежность в эксплуатации, простота в изготовлении. На рис. 7 изо­ бражена форсунка низкого давления конструкции Сталь-

Рис. G. Турбулентная горелка

} Воздух

Рис. 7. Форсунка низкого давления

проекта. Давление мазута, подаваемого в форсунку, 0,5—1,5 ат. Распыление происходит вентиляторным воз­ духом, нагретым до 300° С. Не рекомендуется применять более горячий воздух, так как в результате нагрева соп­ ла может произойти разложение мазута и засорение сопла. Форсунки высокого давления конструктивно поч­

ти не отличаются от форсунок низкого давления. Рас­ пыление мазута осуществляется компрессорным возду­ хом или паром.

3. Электронагрев

Электрические печи широко распространены как наі металлургических, так и на машиностроительных заво­ дах. Только применяя электронагрев, можно получить качественные стали и сплавы, используя при этом воз­ можность создания в печи необходимой атмосферы или вакуума. Применение электронагрева при выплавке ка­ чественных сталей и сплавов значительно облегчает ве­ дение процесса, так как легко поддается автоматизации тепловой режим печи. Используя электронагрев в ма­ шиностроении, можно осуществлять поверхностную за­ калку деталей сложной формы, достичь высокой степени равномерности нагрева деталей, а также нагрева под закалку любой части детали. Кроме того, в цехах с пе­ чами электрического нагрева значительно улучшаются условия труда. Недостатком применения печей с элект­ ронагревом является относительно высокая стоимость электроэнергии.

По способу превращения электрической энергии в тепловую принято следующее подразделение печей:

1) печи сопротивления; 2) индукционные печи; 3) пе­ чи с электродуговым нагревом; 4) печи с электроннолу­ чевым нагревом; 5) плазменные печи.

Теплогенерация в нагревателях электросопротивления

Основным источником тепла в печах являются нагре­ вательные элементы. От качества нагревательных эле­ ментов, их жаростойкости (способности не окисляться при высоких температурах) и жаропрочности (способ­ ности не деформироваться при высоких температурах) зависит качество работы нагревательной печи. Извест­ но, что при прохождении тока через проводник выделя­ ется тепло Q в соответствии с законом Джоуля — Ленца:

где / — сила тока, А;

R — сопротивление, Ом; t — время, с.

Таким образом, для экономичной работы печи нагре­ ватель должен обладать большим удельным сопротив-

лением. Нагреватели для электрических печей изготов­ ляют двух видов: металлические и неметаллические.

Сплавы типа нихром хорошо работают в диапазоне температур 1100—1150° С и удовлетворяют всем требо­ ваниям, предъявляемым к работе нагревателей. В ла­ бораторных печах для получения высоких температур

форматоры, вторичная обмотка которых способна вы держивать большие токи. Недостатками графитовых на гревателей является изменение сопротивления в процес­

ленных печей изготовляют обычно из ленты или прово­ локи. На рис. 8 и 9 показаны нагреватели различных видов, способы их крепления к стенам и своду печи. Расчет нагревателей ведут, исходя из тепловой мощно­ сти печи.

Индукционный нагрев

Индукционный нагрев и расплавление металла осно­ ваны на выделении тепловой энергии в коротко замкну­