§ 4. Охлаждение печей

Многие элементы конструкции металлургических пе­чей, работающие в зоне высоких температур, имеют спе­циальное охлаждение. Это предохраняет их от прогара, повышает стойкость кладки, поддерживает температуру в пределах не допускающих разрушение и износ материалов. В некоторых случаях охлаждение способствует созданию гарнисажа, защитного слоя стенки печи.

Охлаждающей средой может быть воздух, вода или па­роводяная смесь. Воздушное охлаждение деталей приме­няется в случае, если плотность теплового потока на стен­ку детали не превышает 2 кВт/м². Этот способ применяет­ся, например для охлаждения лещади доменной печи.

Наибольшее распространение имеют водяное проточное охлаждение и замкнутые системы испарительного охлаж­дения печей.

Водяное (проточное) охлаждение

Водяное охлаждение обеспечивает интенсивный отвод тепла от детали или элемента печи. Значение коэффициен­та теплоотдачи а зависит от плотности теплового потока, конструкции детали, температуры и скорости охлаждаю­щей воды и ряда других факторов и находится в пределах 10² – 10⁵ Вт/м²К. Детали печей не защищенные футеров­кой воспринимают тепловые потоки в среднем 200 – 800 кВт/м², а футерованные или покрытые гарнисажем от 5 до 150 кВт/м².

Особенностью водяного охлаждения является низкий допустимый уровень нагрева воды. При нагреве до 40 – 60°С из воды происходит выпадение солей, образование шлама, накипи на стенке. Средний коэффициент теплопро­водности накипи 0,3 Вт/(мК). Это приводит к росту тер­мического сопротивления стенки и повышению ее темпера­туры. Поэтому воду нагревают только до 35 – 50°С или в среднем на 10°С, что приводит к очень большим ее расхо­дам. Применение оборотного цикла и химической очистки воды хоть и удорожает систему охлаждения, но в целом оказывается целесообразным.

Из опыта известно, что средняя расходная скорость воды для предотвращения осаждения механических взвесей в детали не должна быть меньше 0,8 м/с. Другим условием при выборе скорости является создание такой циркуляции, при которой для заданной плотности теплового потока на деталь не возникало бы местное кипение.

Для выбора минимальной скорости можно использо­вать эмпирическую формулу, м/с

, (87)

где q – плотность теплового потока, кВт/м²; d_Э – эквива­лентный диаметр полости охлаждаемой детали, м.

Так для охлаждения рам и кессонов мартеновской печи минимальная скорость для предотвращения местного ки­пения равна 2 – 5 м/с, для фурм и холодильников доменной печи 0,5 – 3 м/с, для глиссажных труб методических печей 1 – 1,2 м/с. Отсюда следует, что в охлаждаемых деталях сложной конфигурации невозможно создать условия, пре­дотвращающие поверхностное кипение и образование на­кипи. Таким образом водяное охлаждение не устраняет опасности прогара в местах накипи и прорыва воды.

Начиная с 1950 г. на металлургических заводах страны стали переходить с водяного охлаждения на испаритель­ное.

Испарительное охлаждение

При испарительном охлаждении используется в основ­ном скрытая теплота парообразования, которая отводится от охлаждаемой поверхности испаряющейся водой. Коэф­фициент теплоотдачи к кипящей воде от стенки значитель­но больше, чем к холодной воде. Это и создает условие для отбора тепла от стенки в количестве необходимом для ис­парения воды, т.е. 2260 кДж/кг, что в несколько десятков раз больше, чем при водяном охлаждении.

Схема испарительного охлаждения является более про­грессивной и экономически выгодной, несмотря на дополнительные затраты на химическую очистку воды. Она по­всеместно вытесняет водяное проточное охлаждение, так как по сравнению с ним позволяет в 60 – 100 раз сократить расход воды и в 9 – 10 раз увеличить срок службы дета­лей. Схема испарительного охлаждения (ИО) также дает возможность использовать тепло получаемого пара. Для испарительного охлаждения применяют умягченную катионированную воду, при которой исключается отложение на­кипи.

Принципиальная схема контура циркуляции воды и па­роводяной смеси в установке ИО подобна схеме котла-утилизатора. В большинстве схем – циркуляция естест­венная, за счет разности плотности воды и пароводяной смеси. Принудительная, с помощью циркуляционных насо­сов, циркуляция применяется в случае резких колебаний тепловых нагрузок на охлаждаемые элементы печи или при сложной конфигурации этих элементов. При проекти­ровании и наладке схем ИО выполняются расчеты на прочность стенок охлаждаемых деталей по максимальна возможной плотности теплового потока. Расчет контура циркуляции проводят для определения расхода воды, раз­меров труб и кратности циркуляции, которые обеспечива­ют устойчивый режим работы схемы. Так как давление в контуре ИО выше 0,5МПа, расчеты выполняются в соот­ветствии с нормативными методами расчета котельных аг­регатов, а сами системы находятся под контролем службы Госгортехнадзора.

Доменные печи

Современная доменная печь теряет с охлаждающей во­дой в среднем до 120 – 170 кВт на 1 т выплавляемого чу­гуна.

Потери тепла распределяются по зонам доменной печи следующим образом: шахта, распар и заплечики 67 %, фурменная зона 28 %, горн и лещадь 5 %.

В качестве охлаждающих элементов, которые устанав­ливаются почти по всей высоте шахты печи и горна, при­меняются плитовые холодильники. В каждой такой чугун­ной плите залит змеевик из стальной трубки, для прохода охлаждающей паро-водяной смеси.

Тепловой режим работы холодильников не стабилен во времени. Он зависит от режима работы печи, периода кам­пании и места расположения холодильника. В тоже время плотность теплового потока, которую воспринимает холо­дильник, почти не зависит от объема доменной печи и составляет для плитовых конструкций в среднем 23 кВт/м². Температура внутренней рабочей поверхности холодиль­ников этой зоны колеблется от 180 до 600°С.

Для отливки плиты применяют чугун марки ЖЧХ – 0,8. В связи с этим ни один из участков холодильников не должен находиться длительное время при температуре выше 550 °С. По условию прочности давление 0,8 МПа явля­ется для них верхним пределом.

Шаг между охлаждающими трубками в плитовом холо­дильнике 200 – 250 мм, диаметр трубки 44 – 52 мм. Тол­щина плит 140 – 150 мм, высота 1 – 3 м, ширина 700 – 1500 мм. Конструкция некоторых типов холодильников дана на рис. 89.

Общий расход питательной воды на все холодильники этой зоны достигает 20 – 40 м³/ч.

Схема соединения холодильников доменной печи в кон­тур испарительного охлаждения может быть одно- или двухзонной. Однозонная схема (рис. 90) более распростра­нена. При двухзонной схеме в первую зону входят только холодильники шахты, а во вторую – холодильники фурменной зоны и горна.

П о периметру печи размещается от 2 до 6 вертикальных рядов холодильников-секций. Каждая секция может иметь свой барабан-сепаратор и работает как самостоятельный контур. Барабаны-сепараторы размещаются на расширенной колошниковой площадке над крышей поддоменника или в одной галерее с барабаном-се­паратором испарительного ох­лаждения клапанов воздухо-нагревателя (на высоте около 20 м). В конструкции фурмен­ных холодильников предусмат­ривают их работу как на испа­рительном охлаждении, так и возможность переключения их на охлаждение проточной во­дой. В большинстве случаев воздушные фурмы охлаждают­ся по схеме ИО, а шлаковые – по схеме водяного проточного охлаждения.

Закономерность повыше­ния солесодержания циркули­рующей котловой воды и влия­ние продувки на его уровень лежит в основе метода опре­деления прогара холодильни­ков. По непрерывной записи солесодержания можно за­фиксировать момент, когда произойдет снижение темпа роста солесодержания. А причиной этому является утечка воды в результате прогара.

Эксплуатация установок испарительного охлаждения и штат обслуживания находится в ведении доменного цеха. Технический контроль осуществляет служба главного энер­гетика завода.

На каждую доменную печь в смену приходится один слесарь – дежурный по системе охлаждения.

Мартеновские печи

И нтенсификация сталеплавильного производства при­вела к некоторой модернизации конструкции печей. В настоящее время часть парка мартеновских печей реконстру­ирована на двухванные агрегаты. При этом схемы охлаж­дения остаются без существенных изменений. В схемы ИО включены элементы печи, находящиеся в наиболее тяжелых температурных условиях: кессоны газовых печей, фурмы и форсунки мазутных печей, пятовые балки главно­го свода и пережимов, рамы и заслонки завалочных окон, столбики передней стенки, а также перекидные и регули­рующие устройства и другие элементы.

Температура стенки охлаждаемых стальных элементов мартеновской печи, при которой обеспечивается ее надеж­ная работа, составляет 400– 500°С. Стойкость охлаждае­мых деталей в среднем составляет 3 – 4 кампании печи по своду, т.е. 2 – 3 года.

Параметры получаемого пара зависят, как правило, от предельных давлений для конструкций охлаждаемых эле­ментов. В основном приняты давления на мартеновских схемах ИО до 1 – 4 МПа. Все охлаждаемые элементы пе­чей выполняются полой или трубчатой конструкции с тол­щиной стенки не менее 12 мм из листовой стали марки 15К. Расчеты деталей на прочность и схем охлаждения на устойчивость циркуляции ведутся с учетом воспринимае­мых максимальных плотностей теплового потока. Эта величина не зависит от садки печи и для разных деталей ко­леблется в пределах от 17 – 40 кВт/м² (с защитной футе­ровкой) до 400 – 700 кВт/м² (с оголенной поверхностью). К концу кампании, в результате разрушения футеровки, отвод тепла значительно увеличивается.

Принципиальная схема испарительного охлаждения мартеновской печи на газовом отоплении дана на рис. 91. Все схемы работают с естественной циркуляцией, что уве­личивает ее надежность и снижает стоимость. Улучшению циркуляции способствует расположение барабана-сепара­тора на высоте не менее 10 м от верха охлаждаемой дета­ли. Опыт эксплуатации показывает, что большая надеж­ность работы и удобство обслуживания имеет схема с рас­положением барабанов на крыше цеха в специальной галерее. Объем барабанов выбирают из условия создания запаса воды на случай отключения на работу в течение 1 – 2 ч.

Трубные разводки, как подъемные, так и опускные вы­полняют с промежуточными коллекторами, при условии, что объединяемые трубы немного отличаются по гидравли­ческим сопротивлением. Рекомендуемый диаметр опускных труб 50 – 70 мм, подъемных 100 – 150 мм. Размеры уточняются при гидравлическом расчете циркуляции.

Скорость циркуляции в охлаждаемых деталях должна быть не менее 0,4 – 0,8 м/с, а в опускных трубах не более 2 м/с. Рекомендуемые кратности циркуляции: для кессо­нов и фурм 40, для пятовых балок 30, для рам и заслонок завалочных окон 15. Средний показатель выработки пара в системах испарительного охлаждения мартеновских пе­чей составляет 0,2 – 0,3 т/т стали. Перспективной является схема с повышенными параметрами пара, что позволит объединить ее с котлами-утилизаторами.

Нагревательные печи

Среди большого разнообразия нагревательных печей в качестве примера рассмотрим методическую печь для на­грева металла перед сорто- или листопрокатными станами. Это крупная печь с высокотемпературными зонами, 20 – 30% тепловой мощности которых расходуется в охлаждае­мых элементах конструкции.

В схемы испарительного охлаждения включены элемен­ты: подовые продольные трубы (48% от всех потерь теп­ла), поперечные (опорные) трубы (37%), балки торцов загрузки и выгрузки, рамы, отбойники, шиберы, горелки и др. (15;%).

Плотность тепловых потоков на охлаждаемые элементы достигает 50 – 120 кВт/м².

Из охлаждаемых элементов печи основными являются подовые трубы – продольные и поперечные, которые обыч­но изготовляются из труб круглого сечения из стали марок 10 и 20. Диаметр и толщина стенок труб определяются из условий прочности при весовой нагрузке и истирании. Они зависят от геометрических размеров печи и находятся в пределах от 7610 мм до 12020 мм. Длина труб 12 – 30м.

Принципиальная схема испарительного охлаждения ме­тодической печи дана на рис. 92.

Системы испарительного охлаждения современных ме­тодических печей работают по схеме естественной цирку­ляции с избыточным давлением 1,5 – 4,5 МПа. Каждую из продольных подовых труб включают самостоятельным кон­туром, а поперечные трубы, группами по 2 – 3 трубы, сое­диненных последовательно, подключают параллельными контурами к барабану-сепаратору. Тепловая нагрузка на каждый самостоятельный контур (или группу) составляет 400 – 800 кВт. Допустимая скорость циркуляции в конту­рах методической зоны 0,8 м/с, в сварочной зоне 1,2 м/с, в опускных трубах 0,8 – 1,5 м/с, в подъемных – до 15 м/с.

Схемы испарительного охлаждения нагревательных пе­чей на повышенном давлении до 4,5 МПа целесообразно объединять в комплексные схемы с котлами-утилизатора­ми этих печей. Это может улучшить технико-экономические показатели системы охлаждения.

На экономические показатели существенно влияет сто­имость пара заводской ТЭЦ, доля которого замещается паром, вырабатываемым в системе испарительного охлаж­дения.