4 Система испарительного охлаждения печей

4.1 Потери теплоты в системах охлаждения

Огнеупорная футеровка и ряд металлических деталей металлургических печей находятся в зонах высоких температур (до 1600‑1800 °С). Огнеупорная кладка (стены, под, свод и дымоходы) в среднем выдерживает температуру до 1200‑1500 °С. Значительное количество деталей конструкций изготовлены из металлов, предельная температура которых не должна превышать 400‑500 °С.

Для обеспечения надежной работы печей применяется принудительное охлаждаение элементов их конструкций. Перечислим ряд факторов, влияющих на срок службы охлаждаемых деталей: 1) тепловые нагрузки, 2) количество и 3) качество охлаждающей воды и 4) способ охлаждения.

Количество отводимой теплоты определяется тепловыми нагрузками на охлаждаемый элемент Q или удельными тепловыми нагрузками на единицу охлаждаемой поверхности (плотности теплового потока) q. Для разных печей и отдельных деталей эти показатели различны, зависят от температурного режима печей, разгара футеровки, конструкции и состояния тепловой изоляции охлаждаемых деталей и изменяются от минимальных в начале кампании печи до максимальных – в конце кампании. Средние их значения после опытного определения систематизированы в таблицы, и при необходимости их можно найти в специальной литературе.

Полная средняя тепловая нагрузка определяется по формуле

Q_cp = q_cpF, (4.1)

где Q_cp и q_ср ‑ соответственно средняя тепловая нагрузка и плотность теплового потока, Вт и Вт/м²; F ‑ тепловоспринимающая поверхность детали, м².

Размеры охлаждаемых деталей и их расположение обычно обусловлены конструкцией печи. Форма детали должна обеспечивать надежность ее охлаждения. Следует избегать острых углов и обогрева сверху, а также следует предусматривать надежную изоляцию обогреваемых поверхностей, обеспечивающую минимально возможный отвод теплоты из печи.

В тепловых балансах печей потери на охлаждение составляют 10‑20 %, а иногда и 30 % всей внесенной в печь теплоты. В черной металлургии получили распространение два способа охлаждения печей: 1) водяное и 2) испарительное.

4.2 Водяное охлаждение

Для водяного охлаждения печей используют техническую воду, расход которой на каждый крупный агрегат достигает в среднем 300‑500 т/ч. Определяется он в зависимости от максимальных тепловых нагрузок Q_max и допустимой температуры воды на выходе из охлаждаемой детали:

. (4.2)

В этой формуле М ‑ расход воды на охлаждение, кг/с; t_вых и t_вх ‑ соответственно температуры воды на входе и выходе из детали, С; с ‑ теплоемкость воды, Дж/(кгК).

Техническая вода содержит значительное количество солей, которые при нагреве выпадают в осадок, т. е. на внутренней поверхности охлаждаемых элементов откладывается накипь. Низкая теплопроводность накипи спо­собствует прогару детали. Во избежание выпадения солей температура воды на выходе из детали не должна превышать 40 °С. Обычно она на 10‑12 °С выше температуры воды, поступающей на охлаждение. Такой незначительный перепад обусловливает большой расход воды, в связи с чем пропустить ее через химическую водоочистку не представляется возможным. Соответственно значительно увеличиваются потребление электроэнергии для подачи воды и расход металла на трубопроводы и вспомогательное оборудование.

Различают прямоточную и оборотную схемы водяного охлаждения печей (рис. 4.1). Из-за низкой температуры воды на выходе использование отобранной теплоты пока не представляется возможным.

Рис. 4.1 – Схемы водяного охлаждения печей:

а ‑ прямоточное охлаждение; б ‑ оборотный цикл;

1 ‑ водоемы; 2 ‑ водозаборные устройства; 3 ‑ станции перекачки воды; 4 ‑ охлаждаемая деталь; 5 ‑ линия сброса нагретой воды; 6 ‑ насосы для перекачки нагретой и охлажденной воды; 7 ‑ охладитель (градирня)

Накипеобразующих солей при прямоточной схеме значительно меньше, поэтому надежность охлаждения повышается. Для снижения расхода воды из водоема прямоточную схему охлаждения (рис. 4.1а) заменяют оборотным циклом воды (рис. 4.1б). В этом случае вода циркулирует в системе деталь-насос-градирня-насос-деталь. Для покрытия потерь в циркуляционном контуре необходимо поступление дополнительной воды из водоема, что составляет лишь 5‑10 %.