Печи / Моргунов Печи литейных цехов

На рис. 1.11, в качестве примера, приведены схемы распределения температур по таблице огнеупорных оболочек трех исполнений, приведенных выше.

Рис. 1.11. Варианты исполнения огнеупорных оболочек (футеровок) печей: а – однослойной; б – двухслойной; в – трехслойной

Из представленных схем следует, что, в случае выполнения внутреннего огнеупорного слоя оболочки из одного материала для всех трех исполнений, наименьшим значением средней температуры характеризуется трехслойная оболочка (см. рис. 1.11). Однослойное исполнение конструктивно самое простое и дешевое, но ее применение приводит к повышенным тепловым потерям.

В табл. 1.3, для примера, представлены значения потерь теплоты через огнеупорные оболочки печи различного исполнения. В качестве внутреннего огнеупорного слоя во всех исполнениях служит шамотный кирпич.

41

1.7.ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕЧНЫХ ГАЗОВ

1.7.1.Роль печных газов в технологии тепловой обработки материалов

Печные газы по своей сущности и в зависимости от вида тепловой обработки в различных печах могут играть двоякую роль.

В первом случае они являются активными участниками технологического процесса тепловой обработки. Во втором случае они являются побочным продуктом процесса, часто нежелательным, приносящим тепловые, материальные, экологические и иные потери (это выброс тепловой энергии в атмосферу, взаимодействие с металлами, их окисление, насыщение газами, выброс вредных веществ в атмосферу и т.д.).

Активные печные газы в процессе тепловой обработки материала в печах выполняют, как правило, две важные функции: энергетическую и технологическую.

Энергетическая функция печных газов заключается в обеспечении переноса и передачи определенного количества теплоты материалу в рабочем пространстве печи. Для этого они должны обладать определенными массой, температурой и теплосодержанием (энтальпией). При этом приобретают большое значение такие характеристики газов, как их теплоемкость

(спр.сг.) и степень черноты (εГ). Чем выше теплоемкость печных газов, тем выше их энтальпия при заданной температуре, тем значительнее тепловой поток к материалу. Чем выше степень черноты печных газов, тем выше его «светимость» (т.е. выше тепловая излучающая способность).

Втопливных печах печные газы являются единственным теплоносителем. Они в основном определяют и обеспечивают тепловую работу печи.

Внизкотемпературных конвективных электрических печах печные газы также являются основными теплоносителями и передатчиками тепловой энергии материалу. Причем во всех конвективных печах обязательное интенсивное движение печных газов. Без движения нет конвективного теплообмена.

Технологическая функция печных газов заключается в создании определенных условий в рабочем пространстве печи, которые способствуют или определяют главную технологическую задачу тепловой обработки материала (сушку, термообработку, плавление).

Втопливных и электрических термических, а также плавильных печах печные газы играют важную металлургическую роль. Инертные газы

впечах защищают отливки или сплав от окисления. Восстановительные

43

печные газы, особенно в топливных высокотемпературных плавильных печах, способствуют восстановлению элементов сплава. В вакуумных плавильных печах обеспечивается дегазация сплава.

В сушильных печах печные газы, кроме функции теплоносителя, играют роль сушильного агента. Они забирают влагу из обрабатываемого материала и удаляют ее из печи. Поэтому к печным газам сушильных печей предъявляются дополнительные требования по их составу, влажности, равномерности распределения по рабочему пространству, скорости подачи к поверхности сушильного материала и скорости их отвода от нее.

Естественно, что для выполнения своих функций активные печные газы должны осуществлять определенное движение в рабочем пространстве печи. При этом скорость печных газов, ее векторная направленность к поверхности материала (угол атаки), характер их движения (ламинарный или турбулентный) в значительной степени определяют интенсивность теплообмена, в особенности конвективного.

Движение печных газов в рабочем пространстве печи осуществляется в основном двумя способами:

-нагнетающими устройствами (вентиляторами, избыточным давлением в газопроводах и т.п.);

-отсасывающими устройствами с созданием разряжения в рабочем пространстве (дымососами и специальными дымовыми трубами).

Состав печных газов топливных печей зависит от технологического топлива (уголь, кокс, мазут, природный газ и т.п.) Например, при сжигании топлива, содержащего углеводороды, в печных газах в основном содер-

жатся: углекислый газ (СО2); азот (N2); водяной пар (Н2О); угарный газ (СО); в небольших количествах оксиды серы и азота, а также водород (Н2)

икислород (О2). При сжигании кокса в печных газах значительно повышается содержание угарного газа, а содержание водяного пара будет незначительно. Как правило, печные газы в своем составе содержат взвешенные частицы пыли, состоящие в основном из оксидов металлов и неметаллов, а также из остатков технологического топлива.

Вэлектрических печах, где специально печная атмосфера не наводится, печные газы в основном состоят из воздушной атмосферы с содержанием в том или ином количестве тех же компонентов, что и в топливных печах.

Впечах со специальной атмосферой состав печных газов определяется вводимым в печное пространство технологическим газом (инертным, восстановительным, вакуумом и т.п.).

44

1.7.2. Печные газы – как экологически вредные выбросы в атмосферу

После выполнения своих энергетических и технологических задач отработанные печные газы выбрасываются из печей в окружающую атмосферу. Поэтому печи являются достаточно серьезными источниками вредных выбросов, загрязняющих атмосферу.

Всостав печных газов могут входить следующие экологически опасные составляющие:

- взвешенная пыль различной дисперсности, состоящая из остатков топлив, оксидов металлов и неметаллов (в т.ч. и тяжелых металлов);

- оксиды серы и азота (даже незначительная концентрация оксида азота может быть смертельно опасна для окружающей среды);

- угарный газ (СО) и углекислый газ (СО2).

Состав вредных составляющих в печных газах зависит от выполняемых печью технологических задач. Так при сушке выбрасываются продукты сгорания топлива, пары летучих составляющих материала, пылевидные включения и т.п. При нагреве отливок под термическую обработку выбрасываются в атмосферу продукты сгорания, технологические газы для регулирования атмосферы печи, оксиды металлов и т.п. При плавке сплавов выбрасываются в атмосферу продукты сгорания различных топлив, пылевидные выделения топлив, оксиды металлов, пылевидные выделения футеровки, составляющие шлака, продукты взаимодействия газа, металла, футеровки и шлака при металлургических процессах и т.д.

Общее количество газовых выбросов из печей литейных цехов может достигать 7000 м3 на одну тонну теплообрабатываемого материала. Так при производстве 1 тонны отливок из стали или чугуна может выделяться: пыли до 50 кг; оксида углерода до 250 кг; оксида серы до 2 кг; углеводородов до 2,5 кг; оксида азота до 0,5 кг и т.п.

Приведенные данные еще раз подтверждают, что печи литейных цехов являются экологически опасными объектами, как по выбросам пыли, так и по выбросам оксидов углерода, серы и азота.

Впылевидной фракции газовых выбросов из печей содержится достаточно большое количество токсичных металлов, их оксидов и других соединений. По эффекту токсичности металлы и оксиды делятся на 4 класса опасности:

1 класс – особо токсичные вещества (к ним относятся: As; Be; Cd; Hg; Sс; Pb; Zn; фосген);

2 класс – вещества повышенной токсичности (Со; Cr; Cu; Mo; Ni;

Sb; NO2);

3 класс – токсичные вещества (V; W; Mn; Cr; сернистый ангидрид);

45

4 классменее токсичные вещества (титан и его соединения).

Для обеспечения безопасной жизнедеятельности содержание токсичных веществ в окружающей среде ограничивают специальными законами и нормативными документами, в которых указываются предельно допустимые концентрации вредных веществ в окружающей среде (ПДК), а также предельно допустимое количество выбросов из определенных объектов выброса (ПДВ), устанавливаемое для конкретного района, региона и т.п.

Например, ГОСТ 12.1.005-88 устанавливает ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны. В приложении Г приведена токсилогическая характеристика основных металлов, выбрасываемых из печей, а также значения их ПДК в воздухе и воде.

В табл. 1.5 приведена технологическая характеристика основных вредных газообразных веществ, выбрасываемых печами в атмосферу и их ПДК в воздухе.

46

В воздухе промышленной зоны концентрации вредных веществ всегда выше, чем в окружающей атмосфере. Для основных газообразных вредных выбросов значения максимально допустимых концентраций в рабочей зоне представлена в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Максимально допустимые концентрации вредных веществ в промышленной зоне

Из приведенных таблиц следует, что вредные выбросы из печей должны постоянно учитываться и контролироваться.

Рассмотрим, в качестве примера, характеристики выделяемых вредных веществ плавильными агрегатами, которые отнесены к опасным агрегатам металлургического производства. Значительные выбросы вредных газов и пылевидных частиц наблюдается при использовании вагранок. Они, при работе, выбрасывают в атмосферу большое количество газов, содержащих полидисперсную пыль и такие токсичные компоненты, как оксид углерода, оксиды серы, азота, пары масел и др. Расход колошниковых газов и их параметры на выходе из слоя шихты зависят от производительности вагранки и интенсивности режима плавки. Ориентировочно удельный выход колошниковых газов составляет 1,2-1,4 т или 0,9-1,2 тыс.нм3 на одну тонну выплавляемого чугуна. Колошниковые газы коксовых вагранок характеризуются следующим химическим составом (объемн. %): СО2 –

5,2-16; СО – 5,5-24: Н2О до 1,2; SO2 – 0,025-0,5; Н2 – 0,5-0,7; О2 – 0,4-1,3. В

незначительных количествах в газах содержатся SО3 и NOх. Концентрация пыли в колошниковых газах лежит в диапазоне 3-20 г/нм3. В отдельные моменты плавки концентрация может достигать 25-40 г/нм3. Резкое увеличение концентрации пыли в газах наблюдается в моменты загрузки шихты и при проплавке, когда уровень завалки в шахте вагранки понижается. Хи-

47

мический состав ваграночной пыли зависит от состава металлозавалки, топлива, условий работы вагранки. В среднем он характеризуется следующими величинами (масс. %): С - около 50; SiO2 - 20-45; СаО - 2-12; Аl2О3 - 0,5-4,0; (FeO +Fe2O3) - 10-30; MnО - 0,5-2,5. Ваграночная пыль отличается широким спектром дисперсности, причем содержание частиц размером менее 5 мкм составляет 10-20%. Удельная масса ваграночной пыли лежит в диапазоне 2,3-3,1 г/см3. Она относится к группе неслипающихся пылей. Установлено, что наиболее опасной для организма человека является пыль с размером частиц от долей микрометра до 5 мкм, так как она проникает глубоко в легкие и находится там длительное время. В зоне завалочного устройства и в системе очистки колошниковые газы разбавляются подсасываемым воздухом. В связи с этим общий объем газовых выбросов из вагранок увеличивается в 1,5-3,5 раза (по сравнению с объемом ваграночных газов на уровне колошника).

Плавка чугуна и стали в дуговых печах сопровождается интенсив-

ным пылегазообразованием. Интенсивность пылегазообразования при плавке стали в дуговых печах зависит от ведения технологического процесса, вида шихтовых материалов, расхода электродов, состава футеровки

идругих показателей. При отсутствии системы уплотнения (герметизации) печи газы фильтруются через неплотности свода, электродные зазоры, желоб и рабочее окно. В зависимости от системы отбора газов неорганизованные выбросы могут составлять до 40% общего объема. При анализе выбросов дуговых печей следует различать первичные газы, которые образуются непосредственно в рабочем пространстве печи, и вторичные – это разбавленные подсасываемым воздухом выходящие из печи первичные газы. При этом объем вторичных газовых выбросов увеличивается в десятки раз. За счет выгорания углерода из металла, угара электродов, а также загрязнений, вносимых шихтой, образования газов при разложении флюсов

иокисления в электродуговой печи в среднем за плавку выделяется 350500 м3 первичных газов на 1 т металлозавалки. При крупной чистой шихте выбросы снижаются до 100 м3/т. Газы, образующиеся при плавке стали в

дуговых печах, состоят из оксидов углерода (СО и СО2), азота (NO и NO2), серы (SO2 и SO3). В небольших концентрациях присутствуют цианиды, фториды, пары воды и некоторые деструкции органических веществ. Основная доля указанных газов образуется в зоне горения дуги. Часть газов выделяется из расплава в период кипения и доводки металла. Установлено, что при выжигании в дуговых печах 1% металла в минуту выделяется 5 кг/мин пыли и газа на каждую тонну выплавляемого металла. В табл. 1.7 представлен усредненный химический состав первичных газов выделяемых при плавке стали в дуговых печах.

48

Концентрация пыли в первичных газах колеблется в пределах от 5- 10 г/м3 при расплавлении шихты до 20-50 г/м3 при раскислении стали и вводе известняка. Химический состав пыли отличается многокомпонентностью и значительно изменяется в зависимости от периодов плавки и марки выплавляемой стали. В табл. 1.8 приведено содержание основных компонентов пыли при плавке стали.

Таблица 1.8

Вприложении Д представлены усредненные значения вредных выбросов, отнесенных к 1 тонне выплавленного сплава, из основных типов печей при плавке стали, чугуна, алюминиевых и медных сплавов.

Всвязи со значительными выбросами вредных веществ из печей главным экологическим требованием к их конструкциям является обязательное присутствие эффективных систем очистки газовых выбросов. Также в печах необходимо применять экологически чистые виды топлив и шихтовых материалов.

49

Газовые выбросы из печей могут иметь высокую температуру (до 1000-1200 К), что также наносит значительный экологический вред окружающей среде. Известно, что при высоких температурах продукты сгорания обладают большим теплосодержанием. Значение теплосодержания продуктов сгорания зависит от содержания в них компонентов и их теплофизических свойств, в особенности от значений удельных теплоемкостей. В приложении Е, для ознакомления, представлены значения удельных теплоемкостей для основных компонентов печных газов, в зависимости от температуры продуктов сгорания.

Для снижения температуры продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу, необходимо снизить их теплосодержание (чем меньше теплосодержание продуктов сгорания, тем меньше их температура). Поэтому все высокотемпературные печи должны быть обеспечены специальными устройствами для утилизации теплоты газовых выбросов. Это, в свою очередь, повышает тепловой к.п.д. печей.

1.8.ОСНОВНЫЕ ЗОНЫ ПЕЧНОГО ПРОСТРАНСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ПЕЧЕЙ

Схематично любую печь можно представить состоящую из трех зон (см. рис. 1.12):

-зоны технологического процесса тепловой обработки, где располагается обрабатываемый материал и происходит процесс передачи ему определенного количества теплоты;

-зоны переноса теплоты, где происходит теплоперенос от источника теплогенерации к обрабатываемому материалу непосредственно или с помощью специального теплоносителя (печных газов);

-зоны теплогенерации, где происходит преобразование, в основном, электрической или химической энергии в тепловую.

Зона технологического процесса совместно с зоной переноса теплоты чаще всего оформляют рабочее пространство печи.

Размеры и конфигурация зоны технологического процесса зависят от размеров обрабатываемого материала, производительности печи и требуемой тепловоспринимающей поверхности.

Размеры зоны переноса теплоты и ее расположение зависят от режима тепловой работы печи (конвективный, радиационный, слоевой, внутренний), источника теплогенерации (топливный или электрический) и свойств теплоносителя. Так, например, в топливных печах размеры и конфигурацию зоны переноса теплоты определяют характеристики продуктов сгорания (количество, скорость, характер и направление движения).

50