- •1.2 Классификация огнеупоров и теплоизоляционных материалов
- •1.2.1 Классификация огнеупорных изделий
- •1.2.2 Классификация теплоизоляционных материалов
- •1.3 Теплотехнические характеристики огнеупорных и теплоизоляционных материалов
- •1.3.1 Теплотехнические характеристики огнеупорных материалов
- •1.3.2 Теплотехнические характеристики теплоизоляционных материалов
- •1.3.3 Новые материалы, которые используются в металлургических печах
- •1.4 Кладка печи. Конструкции сводов, окон и вспомогательных узлов печи, их назначение
- •Лекция 2
- •2 Теплотехнические принципы расчетов горелочных устройств
- •2.1 Принципы сжигания топлива
- •2.2 Организация процесса сжигания топлива
- •2.3 Факельное сжигание
- •2.4 Длина факела
- •2.4.1 Факторы, влияющие на длину факела. Калибр горелки. Выбор типа горелочного устройства с точки зрения нагрева
- •Лекция 3
- •2.5 Устройства для сжигания газообразного и жидкого топлива. Классификация сжигающих устройств. Устройства для сжигания топлива: горелки, форсунки
- •2.5.1 Горелки типа "труба в трубе", конструкции дМетИ, инжекционные и другие. Требования, которые предъявляются к горелкам и форсункам
- •2.5.2 Новое поколение горелок: регенеративные, рекуперативные и рекуперативно-горелочные блоки
- •3.2 Вторичные материальные и энергетические ресурсы
- •3.2.1 Классификация вторичных энергоресурсов
- •3.3 Направления снижения удельного расхода топлива в печах
- •3.3.1 Схемы использования теплоты уходящих газов в печах. Принципы утилизации теплоты
- •4 Система испарительного охлаждения печей
- •4.1 Потери теплоты в системах охлаждения
- •4.2 Водяное охлаждение
- •4.3 Испарительное охлаждение
- •Лекция 5
- •5 Рекуператоры металлургических печей
- •5.1 Схемы рекуператоров: прямоток, противоток, перекрестный ток
- •5.1.1 Теплообмен и температурные поля в рекуператорах
- •5.1.2 Схема расчета рекуператора
- •5.2 Промышленные рекуператоры. Типовые конструкции рекуператоров металлургических печей: керамический рекуператор, металлический петлевой рекуператор, блочный рекуператор и др.
- •Лекция 6
- •6 Регенераторы металлургических печей
- •6.1 Характеристики регенераторов. Схема работы регенеративной системы отопления печей. Достоинства и недостатки регенераторов
- •6.2 Конструкции регенераторов. Насадка регенераторов. Условия эксплуатации регенераторов
- •Модуль 2 Лекция 7
- •7 Основы тепловой работы печей
- •7.1 Развитие науки о печах: гидравлическая теория в.Е. Грум-Гржимайло, энергетическая теория н.Н. Доброхотова-и.Д. Семикина
- •7.2 Теплотехническое содержание понятия "промышленная печь", процессы, происходящие в печах
- •7.3 Классификация печей: по принципу теплогенерации, по технологическому назначению, по конструктивным отличиям
- •7.3.1 Классификация печей по принципу теплогенерации
- •7.3.2 Классификация печей по технологическому назначению и по режиму работы
- •7.4 Понятия о тепловой мощности печи, виды мощностей: холостого хода, усвоенная, рабочая, общая. Связь между тепловыми мощностями, особенности записи для печей непрерывного и периодического действия
- •7.4.1 Виды тепловых потерь печи. Тепловой баланс
- •7.4.2 Тепловой дефицит процесса
- •8.1.2 Расход теплоты на единицу продукции
- •8.1.3 Усвоенная тепловая мощность и кпд печи
- •8.2 Составление тепловых балансов печей, особенности записи для печей непрерывного и периодичекого действия
- •8.3 Замена в печи одного топлива другим
- •Лекция 9
- •9 Конструкции и тепловые режимы печей
- •9.1 Технологические цепочки в металлургии
- •9.2 Назначение нагревательных и термических печей. Нагревательные печи металлургии
- •9.3 Нагревательные колодцы. Режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах. Приближенные материальный и тепловой балансы нагревательных колодцев
- •9.3.1 Устройство и работа регенеративных нагревательных колодцев. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива
- •9.3.2 Устройство и работа рекуперативных нагревательных колодцев с отоплением из центра подины. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива
- •9.3.3 Устройство и работа рекуперативных нагревательных колодцев с верхней горелкой. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива
- •1 ‑ Керамический рекуператор; 2 ‑ каналы для холодного воздуха; 3 ‑ металлический рекуператор; 4 ‑ подвод компрессорного воздуха; 5 ‑ дымовое окно; 6 ‑ слитки; 7 ‑ шлаковая чаша; 8 ‑ дымовой шибер
- •Лекция 10
- •9.4 Нагревательные печи металлургии. Методические печи прокатного производства. Режимы нагрева заготовок в многозонных методических печах
- •9.4.1 Конструкции толкательных печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в толкательных печах
- •9.4.2 Конструкции печей с шагающим подом (пшп). Мероприятия по снижению расхода топлива в пшп
- •9.4.3 Конструкции печей с шагающими балками (пшб). Мероприятия по снижению расхода топлива в пшб
- •9.4.4 Конструкции кольцевых печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в кольцевых печах
- •9.4.5 Конструкции секционных печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в секционных печах
- •1 ‑ Водоохлаждаемый ролик; 2 ‑ тамбур; 3 ‑ каркас; 4 ‑ горелки; 5 ‑ заготовки; 6 ‑ воздухо- и газопроводы; 7 ‑ рекуператор; 8 ‑ сборный дымовой канал; 9 ‑ отверстие для термопары
- •Лекция 11
- •9.5 Термические печи. Характерные режимы термообработки
- •9.6 Термические печи камерного типа
- •9.6.1 Камерная печь с выкатным подом. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива
- •9.6.2 Камерная печь с неподвижным подом. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива
- •9.6.3 Колпаковая печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива
- •Лекция 12
- •9.7 Термические печи проходного типа
- •9.7.1 Конвейерная печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива
- •9.7.2 Роликовая печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива
- •9.7.3 Протяжная печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива
6.2 Конструкции регенераторов. Насадка регенераторов. Условия эксплуатации регенераторов
Наибольшее распространение получили насадки (решетки) из обыкновенного кирпича – динасового и шамотного. В зависимости от способа укладки кирпичей различают насадки типа Сименс (рис. 6.2а) и типа Каупер (рис. 6.2б). Насадка Каупера имеет только вертикальные каналы, она обладает повышенной строительной прочностью, но её удельная поверхность теплообмена, т.е. площадь соприкасающейся с газами поверхности кирпичей в м2 на 1 м3 насадки, меньше, чем у насадки Сименса. Насадка Сименса имеет вертикальные и горизонтальные каналы, её строительная прочность ниже, но конвективная теплоотдача выше. Удельная поверхность насадок Сименса и Каупера находится на уровне 15-20 м2/м3 в зависимости от размера каналов для прохода газов (ячеек).
Специальный вид насадки из фасонных огнеупорных блоков для доменных воздухонагревателей имеет удельную поверхность 35-40 м2/м3.
За последние 20 лет получили распространение малогабаритные регенераторы с шариковой насадкой. Корундовые шарики с содержанием Al2O3 = 98 % имеют высокую огнеупорность и термостойкость. Засыпка шариков диаметром 20 мм имеет удельную поверхность 200 м2/м3, т.е. на порядок выше, чем насадка из кирпичей.
а) насадка Каупера б) насадка Сименса
Рис. 6.2 – Регенеративные насадки из кирпича
Шариковые регенераторы применяют в плавильных и нагревательных печах. В нагревательных колодцах с отоплением из центра подины одного из металлургических комбинатов Украины керамические трубчатые рекуператоры были заменены компактными шариковыми регенераторами, при этом температура подогрева воздуха возросла с 600 С до 1100–1150 С, а расход топлива снизился на 30%.
Модуль 2 Лекция 7
План лекции:
Основи теплової роботи печей.
Розвиток науки про печі: гідравлічна теорія В.Е. Грум-Гржимайло, енергетична теорія Н.Н. Доброхотова - И.Д. Семикина. Теплотехнічний зміст поняття «промислова піч», процеси які відбуваються в печах. Класифікація печей: за принципом теплогенерації, по технологічному призначенню, по конструктивних ознаках. Поняття про теплову потужність печі, види потужностей: холостого ходу, засвоєна, робоча, загальна. Зв'язок між тепловими потужностями, особливості запису для печей безперервної і періодичної дії. Тепловий дефіцит процесу.
7 Основы тепловой работы печей
7.1 Развитие науки о печах: гидравлическая теория в.Е. Грум-Гржимайло, энергетическая теория н.Н. Доброхотова-и.Д. Семикина
Одной из первых теорий, объединявших представления о промышленных пламенных печах, была гидравлическая теория пламенных печей Михаила Васильевича Ломоносова, развитая профессором Владимиром Ефимовичем Грум-Гржимайло в 1909-1910 гг. в гидравлической теории расчёта пламенных печей на основе применения законов гидравлики к движению печных газов. В те времена печи работали на твердом и иногда на жидком и газообразном топливе. Преобладающим движением дымовых газов было естественное движение под действием тяги дымовой трубы. Топка отделялась от рабочего пространства печи пламенным окном. Вентиляторов обычно не было. Поэтому воздух входил в топку под действием естественной тяги. Печи, работающие на таком принципе, назывались самодувные.
Основные положения гидравлической теории расчёта пламенных печей (в кавычках выделены формулировки из книги Грум-Гржимайло В.Е. "Пламенные печи", 1932 г.):
1. Главный фактор успешной работы печи – организация движения продуктов сгорания в рабочем пространстве печи. Это положение актуально и сейчас.
2. "Движение пламени в печах подчиняется законам движения легкой жидкости в тяжелой (пламени в наружном воздухе)". Таким образом, печные газы движутся в рабочем пространстве, прижимаясь к своду. "Всякое движение всякой жидкости есть результат расхода напора", т.е. движение газов происходит под действием тяги дымовой трубы.
3. Для успешной работы печи дымовые окна для удаления дыма из рабочего пространства печи должны располагаться на уровне пода или в поду. "Отработавшие печные газы должны направляться кратчайшим путем в дымовую трубу. Под должен быть тщательно канализирован. Должно избегать мешка холодных газов на поду".
4. "Подсводовое пространство есть идеальная сожигательная камера; в интересах правильности протекания реакции горения, правильности и равномерности нагрева предметов, расположенных на поду, рекомендуется делать печи с высоким сводом". Чтобы газы успели охладиться в пределах рабочего пространства печи, т.е. успели передать как можно больше теплоты нагреваемым материалам, время пребывания газов в рабочем пространстве печи – преб – должно быть продолжительным, а скорость газов – Wд – минимальна
преб = Lпечи / Wд и Wд = vд / Fсеч, (7.1)
где Lпечи – длина печи [м]; vд – расход дыма [м3/с]; Fсеч – площадь сечения печи для прохода дыма [м2].
Гидравлическая теория предлагала следующую методику расчета печей: вводилось понятие скорости падения температуры пламени (дымовых газов) от калориметрической температуры tкал до температуры уходящих из печи газов tух за время пребывания газов в рабочем пространстве печи преб
Спад = (tкал - tух) / преб. (7.2)
Исходя из известной скорости падения температуры всегда можно найти температуру уходящих газов и рассчитать тепловой баланс печи.
Принципиально новой явилась, так называемая, общая теория печей академика Николая Николаевича Доброхотова, разработанная в 1923-27 годах. Он впервые показал, что движение газов в печах имеет турбулентный, а не ламинарный характер, в связи с чем процессы смешения газов и горения топлива протекают по законам турбулентного, а не ламинарного потока. Основные положения теории заключаются в следующем:
1. Для улучшения теплопередачи конвекцией и излучением газы должны двигаться в рабочем пространстве печи как можно ближе к поверхности нагреваемых предметов с возможно большей скоростью. Для этого печи нужно строить с небольшим поперечным сечением рабочего пространства;
2. Горение топлива при высоких температурах определяется условиями смешения его с кислородом воздуха. Химическая реакция горения протекает очень быстро и не лимитирует скорость процесса сжигания топлива;
3. Длина турбулентного факела пропорциональна диаметру топливной струи и не растет с увеличением тепловой нагрузки при постоянном соотношении топлива и воздуха;
4. Геометрический напор газов в печах мал по сравнению с кинетической энергией газов. Влиянием геометрического напора можно пренебречь, при этом можно учитывать только силы инерции и кинетическую энергию газовых потоков;
5. Тепловую мощность печи необходимо определять количеством не только подаваемого в нее топлива, но и кислорода, потребляемого печью для сжигания топлива. Недостаток подаваемого кислорода для полного горения топлива не позволяет использовать всю мощность;
6. Очень важное значение имеет выбор системы транспортировки перерабатываемых и получаемых в печи материалов, которая определяет тип печи и является главной ее особенностью.
Эта теория открыла новые направления в конструировании компактных печей с принудительным движением газов. Печи стали работать на жидком и газообразном топливе, появились вентиляторы, исчезли отдельно расположенные топки. Эта теория работала в период индустриализации страны, когда главным требованием промышленности была высокая производительность печей несмотря на повышенный расход топлива. Большинство положения общей теории Н.Н. Доброхотова действительно и по сегодняшний день.
В работу по развитию общей теории печей включились многие ученые, способствуя своими исследованиями появлению новых разделов, связанных с моделированием работы печей, созданию новых методов расчета промышленыx печей для различных технологических процессов.
Среди работ, отражающих развитие теории печей в 30-х годах, следует назвать труды профессора Иосифа Даниловича Семикина, который, опираясь на исследования, выполненные в начале 1910-х годов инженером Николаем Евгеньевичем Скаредовым, выдвинул в 1930 г. лозунг "Успех решает большая тепловая мощность". Попутно можно отметить, что научная заслуга Н.Е.Скаредова заключается в том, что он показал и доказал следующее: различие в работе одинаковых мартеновских печей определяется их разной тепловой мощностью. Впервые им установлено, что тепловая мощность является главнейшим фактором, определяющим работу всякой печи.
В 1934 г. свои взгляды на тепловую работу печей И.Д.Семикин назвал энергетической теорией печей в противовес гидравлической теории В.Е.Грум-Гржимайло. Основные положения энергетической теории:
1. Необходимо проектировать и строить печи с увеличенной тепловой мощностью. Это основное условие высокой производительности работы печи.
2. Для достижения высокой тепловой мощности необходимо увеличивать тягу печи за счет строительства высоких дымовых труб и увеличения мощности дымососов, увеличивать поверхности теплообмена теплоутилизирующих устройств для повышения температуры нагрева воздуха и др.
Реализация на практике положений энергетической теории печей, как ранее гидравлической теории, показала недостаточность одностороннего подхода к решению проблем, существующих в металлургических печах, главными из которых являются сокращение удельного расхода топлива и повышение удельной производительности.
Профессор Марк Алексеевич Глинков, использовав достижения современной науки и техники, учтя ошибки и недостатки гидравлической и энергетической теорий печей, создал в 1959-1962 годах свою, новую общую теорию печей. Основой этой теории стал основной принцип: предметом теории печей должно быть комплексное исследование трех связанных между собой процессов, происходящих в печах:
1. Сжигание топлива.
2. Движение печных газов.
3. Теплопередача от газов к нагреваемым материалам.