Конспект лекций по дисциплинеМЧМ
.pdfМинистерство образования и науки Украины Донбасский Государственный Технический Университет Кафедра «Металлургия черных металлов»
КОНСПЕКТ
лекций по дисциплине: «Металлургические печи» для студентов 2-го
курса специальности «Металлургия черных металлов»
Разработал: доцент кафедры «Металлургия черных
металлов» Романчук А.Н.
Лекция №1 Классификация и режимы работы металлургических
печей
1. Классификация печей по принципу теплогенерации.
Тепловыделение в печах – процесс превращения какого-либо вида энер-
гии в тепловую энергию.
Источниками получения тепла являются:
а) химическая энергия топлива (топливные печи);
б) химическая энергия жидкого металла или шихты;
в) электрическая энергия.
Превращение химической энергии топлива в тепловую происходит в топ-
ливных печах при сжигании топлива.
В металлургии – это пламенные печи и печи работающие по слоевому режиму. В пламенных печах рабочее пространство в малой степени заполнено обрабатываемым материалом – ломом, который расположен на поду. Основная часть рабочего пространства заполнена пламенем и газами. Такие печи работа-
ют на газообразном и жидком топливе.
Печи работающие по слоевому режиму, применяют при обработке куско-
вого материала. Чаше всего это происходит в вертикальных (шахтных) печах,
где материал либо распределение по всему объему и раскаленные газы прохо-
дят между его кусками, либо частицы его распределены в газообразном тепло-
носителе.
Для слоевого режима печей характерно тесное переплетение всех трех видов теплопередачи: тепловое излучение, конвекция, теплопроводность.
Известны три разновидности печей слоевого режима: с плотным, кипя-
щим и со взвешенным слоем обрабатываемого материала.
2
В печах с плотным (фильтрующим) слоем шихта, в состав которого вхо-
дит твердое кусковое топливо, расположена плотным слоем по всему объему печи и медленно продвигается вниз. Раскаленные газы – подогревают сгорае-
мое топливо, проходят через слой между отдельными кусками шихты. Этот ре-
жим характерен для шахтных печей, например доменная печь.
В печах с кипящим слоем слой шихты под динамическим действием газов находится в разуплотненном состоянии и энергично перемешивается. В таких печах может выгорать как размельченное топливо, так и горючие компоненты шихты. Иногда вместе с воздухом подают газообразное топливо. Используют такие печи в цветной металлургии для обжига сульфидных концентратов раз-
личных металлов, для сушки и кальцинации глинозема.
В печах, работающих со взвешенным слоем, обрабатывают материалы доведенные до пылевидного состояния. Мелкие частицы материала отделены друг от друга газовой прослойкой и движутся вместе с газом. Топливо – размо-
лотое твердое топливо и газообразное топливо. Например, в цветной металлур-
гии используют тепло горения серы при плавке сульфидов цветных материалов.
Как в черной, так и в цветной металлургии используют печные агрегаты,
в которых источником тепловой энергии является процесс выгорания элементов из металла или шихты. В черной металлургии такой элемент углерод, который выжигается из чугуна, при производстве стали в конверторах.
Есть печи, которые занимают промежуточное положение между конвер-
торами топливными печами, т. е. используют химическую энергию топлива и жидкого металла – это мартеновские печи и ДСПА.
В основе работы электрических печей лежит генерация тепла за счет элек-
троэнергии.
В целом, вид процесса получения тепла, т. е. теплогенерации в решающей мере определен не только конструкцией агрегата, но и характером протекаю-
щих в его рабочем пространстве тепло-массообменных процессов.
3
2. Классификация печей по технологическим и конструкционным признакам.
По технологическому назначению печи делятся на плавильные и нагрева-
тельные.
Плавильные печи – для получения металлов из руд и переплавки металла с целью придания ему необходимых свойств. В этих печах металлы меняют свое агрегатное состояние.
Нагревательные печи применяют для нагрева материалов с целью обжига
(известняка, магнезита, огнеупорных материалов и др.) и сушки (литейных форм, руды песка), а также для нагрева металла перед прокаткой и ковкой. Зна-
чительное число нагревательных печей применяют для термической обработки с целью изменения внутреннего строения и структуры металла. Агрегатное со-
стояние материала не меняется.
Внутри каждой группы этих печи подразделяют в соответствии с опера-
циями, которые в них происходят.
Плавильные печи бывают: чугуноплавильные, сталеплавильные, медепла-
вильные и др.
Нагревательные печи могут быть для обжига огнеупорных материалов,
нагрева металла и термообработки. Их также классифицируют по конструктив-
ным признакам, методам транспортировки металла в печи, характеру продукта подвергаемого нагреву.
Нагревательные печи для нагрева перед прокаткой:
а) нагревательные колодцы, методические печи, камерные печи;
б) садочные, толкательные, с вращающимся подом;
в) для нагрева слитков, слябов, блюмсов, труб и т. д.
Топливные печи подразделяют по способу превращения электрической энергии в тепловую: дуговые, печи сопротивления и индукционные.
Современная печь представляет собой сложные тепловые агрегаты, со-
стоящие из собственно печи и вспомогательного оборудования. Собственно
4
печь включает в себя рабочее пространство и устройство для получения тепло-
вой энергии: горелки, форсунки, электроды, резисторы.
Вспомогательное оборудование – устройство для утилизации тепла отхо-
дящих дымовых газов, вентиляторы, дымососы, дымовые трубы, различные клапаны, задвижки.
Лекция №2 Теплотехнические показатели работы печей
Основные технико-экономические показатели работы печей: общая и удельная производительность, расход топлива на печь и тепла на единицу мас-
сы металла, коэффициент полезного теплоиспользования, КИТ.
Производительность различают общую и удельную.
Общая производительность печей характеризует в первую очередь размер агрегата, но еще ничего не говорит о качественном уровне его работы. Она из-
меряется в т/ч., т/сутки, млн. т./год.
Интенсивность работы печи характеризуется удельной производительно-
стью. Она измеряется в тоннах (килограммах) в час с единицы площади пода печи Н т/(м2× ч), кг/( м2× ч). Ее часто называют напряженность пода.
Применительно к нагревательным печам различают напряженность габа-
ритного Нг и активного На пода:
Hг = Р Fг
Hа = Р Fа
где Р – производительность печи, кг/ч; Fг – габаритная площадь пода, м2;
Fа – активная (занятая металлом) площадь пода, м2.
5
Так же как и производительность, общий расход топлива В (кг/ч; м3/ч) ха-
рактеризует размер агрегата, а удельный расход тепла в (кДж/т, кДж/кг) – каче-
ственный уровень его работы.
в= Мо = В×Qрн ;
РР
Частично удельный расход тепла определяют в единицах условного топ-
лива (кг у. т.). Условное топливо – топливо, теплота сгорания которого 29300
кДж/кг.
Тогда при Qнр , выраженном в кДж/кг или кДж/м3 удельный расход топли-
ва равен:
|
B ×QР |
|
|
в |
|
||
в'= |
н |
|
= |
|
|
(кг. у. т./кг металла) |
|
29300× |
Р |
29300 |
|||||
|
|
|
где В – расход топлива (м3/ч, кг/ч);
Р – производительность, кг/ч.
Количество тепла, которое подают в печь в каждый момент времени на-
зывают тепловой нагрузкой. Наибольшее количество , которой печь может нор-
мально (без недожогов в рабочем пространстве) усвоить, называется тепловой мощностью M = B×Qнр .
Тепловой режим печи – это изменение тепловой нагрузки во времени.
Изменение температуры печи во времени называется температурным режимом печи. Тепловой и температурный режим печи могут быть представлены графи-
ками.
Качество работы печи, совершенство ее конструкции как теплового агре-
гата характеризуется коэффициентом полезного теплоиспользования (к. п. т.) и
коэффициентом использования топлива (к. и. т.).
В общем виде к. п. т. равно:
к.п.т. = Qм + Qшл. + Qэнд. − Qэзк.
Qт. + В×Qф.
где Qм – тепло металла, кДж/ч;
6
Qшл – тепло шлака, кДж/ч;
Qэнд. и Qэкз. – тепло эндотермических и экзотермических реакций, кДж/ч; Qт – химическое тепло топлива, кДж/ч;
Qф. – физическое тепло топлива, кДж/м3, кДж/кг;
В– часовой расход топлива, м3/ч.
Известно, что
Qт + В× Qф - В× Qух - Qпот. = Qм + Qшл. + Qэнд. - Qэкз.
Тогда к. п. т. может быть выражен в следующей форме:
к.п.т. = Qт + В×Qф - В×Qух - Qпот , Qт + В× Qф
где Qух – тепло уходящих газов, отнесенное к единице топлива, кДж/м3, кДж/кг. Qпот. – тепловые потери, кДж/м3, кДж/кг.
Коэффициент полезного теплоиспользования может быть записан в сле-
дующем виде:
к.п.т. = Qнр + Qф - Qух - QВпот ;
Qрн + Qф
Тепловые потери в печах зависят от факторов, связанных с конструкцией печи. Чтобы характеризовать только топливо и условия его сжигания, приме-
няют коэффициент использования топлива:
к.и.т. = |
Qнр |
+ Qф - Qух |
; |
|
|
Qнр |
+ Qф |
||
|
|
|
Из последних двух выражений видно, что к. п. т. всегда меньше к. и. т.,
поэтому при проектировании стремятся, чтобы к. п. т. максимально приближал-
ся к к. и. т. Для этого необходимо добиваться снижения тепловых потерь.
Для электрических печей важны следующие показатели качества работы печи: электрический к. п. д. hэ – отношение тепловой нагрузки печи к мощности
7
(энергии), забираемой из энергосистемы; тепловой к. п. д. ηт – отношение по-
лезно используемой тепловой мощности к тепловой нагрузке печи.
Лекция№3 Тепловой баланс металлургических печей
Расчет тепловых балансов металлургических печей производят при конст-
руировании новых металлургических агрегатов. В результате подсчетов при-
ходной и расходной части теплового баланса, сравнивая их между собой (при-
равнивая), определяют расход топлива на проектируемую печь. При работе дей-
ствующих металлургических агрегатов часто происходят балансовые плавки
(нагревы) цель которых определить источника потери тепла. Тепловой баланс печи состоит из равных между собой приходной и расходной частей, каждая из которых складывается из расчета статей.
Для печей постоянного действия тепловой баланс составляют на 1 час, для печей периодического действия на 1 цикл работы.
l.Статьи приходной части теплового баланса.
1.Тепло получаемое в результате сгорания топлива:
Q x |
= B × Q нр , |
Вт(ккал/ч) |
||
где - В расход топлива, кг/ч; |
|
м3 |
|
|
|
ч |
|
||
|
|
|
Qнр - теплота сгорания топлива кДж/кг; кДжм3 . 2. Тепло вносимое подогретым воздухом:
Qв =B×iB ×L0, |
Вт (ккал/ч) |
где iв – теплосодержание воздуха iв = св · tв, кДжм3 ; n – коэффициент расхода воздуха n = Ln/Lo
Lo – теоретически необходимое количество воздуха на сжигание n воздуха. 3. Тепло вносимое с подогретым топливом:
8
Q=B×iT
iт = ст · tт, теплосодержания топлива при определенной температуре подог-
рева.
4.Тепло экзотермических реакций.
Вэтой статье при составлении теплового баланса учитываю все химические ре-
акции идущие с положительным эффектом, кроме реакций горения топлива. (конвертера, МП, ДСА, ПСА)
В нагревательных печах учитывают тепло выделяющиеся при окислении метал-
ла. При окислении 1кг металла выделяется 5652 кДж/кг:
Qэкз = 5652× P×a, |
Вт |
Qэкз =1350× P×a, |
ккал/ч |
где Р – производительность печи, кг/ч; |
|
а– величина угара металла, кг/кгмет
ll. Статьи расходной части теплового баланса.
1.Полезное тепло необходимое для нагрева или плавления металла:
Q1пол = GM ×iM , |
Вт (ккал/ч) |
где iм = см · tм |
|
Gм – количество расходуемого материала, кг/ч; |
|
iм – энтальпия материала. |
|
2. Тепло уносимое шлаками: |
|
Q пол = |
G ш × iш |
где Gш – количество шлака, кг/ч |
|
iш – энтальпия шлака.. |
|
3.Тепло эндотермических реакций ((Q3)ýíä ). Эта статья характерна для пла-
вильных
печей. Например, тепло идущие на разложение известняка.
4. Тепло уносимое уходящими газами:
9
Q4ух = B ×Vух ×iух
где Vух – расход дымовых газов, м3
ч
iух – энтальпия уходящих газов, кДж м3
5. Тепло от химической неполноты сгорания топлива.
При пламенном сжигании топлива в продуктах горения обычно содержится 0,5
– 3% СО, Н2 Можно принять, что 1% СО содержит 0,5% Н2 тогда теплота сго-
рания м3 такой смеси составляет:
Q HCO + H |
|
= 12142 , |
кДж |
|
2 |
м3 |
|||
|
|
Если в уходящих газах долю не сгоревшего СО обозначить буквой а, то потеря тепла:
Qнеп = B×V ×a×12142 |
Вт |
|
5 |
ух |
|
Q5неп = B×Vух ×a×2900 |
, ккал/ч. |
6. Тепло от механической неполноты сгорания топлива.
Под механической неполнотой сгорания топлива подразумевают, различные по-
тери топлива, например, сжигание твердого топлива.
Твердое
Газообразное
Жидкого
7. Потери тепла в результате теплопроводности кладки.
Потери тепла печи через свод, стены, под печи определяется по формуле:
Q7 |
= |
|
|
tкл |
- tв |
|
|
|
× F |
|
||
кл |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
δ1 |
+ |
δ 2 |
+ |
|
1 |
|
|
, Вт (ккал/ч), |
|
|
|
|
λ |
|
λ |
2 |
|
α |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
10