ГлаваViii топливные печи и конвертеры,

ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

§ 1. Классификация и общая характеристика тепловой работы печей

Классификация печей

Классификация печей по принципу твплогенерации

Тепловыделение в печах представляет собой процесс пре­вращения какого-либо вида энергии 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 результате сгорания топлива в так называе­мых топливных печах. В металлургии к таким печам отно­сятся пламенные печи и печи, работающие по слоевому ре­жиму. Рабочее пространство пламенных печей только в очень малой степени заполнено обрабатываемым материа­лом, который обычно располагается на поду. Основная часть рабочего пространства заполнена пламенем и раска­ленными дымовыми газами, передающими тепло материа­лу. Подобные печи работают на газообразном и жидком топливах.

Кроме пламенных, сжигание топлива осуществляется в печах, работающих по слоевому режиму, который обычно применяют при обработке кускового материала. Чаще все­го это происходит в вертикальных (шахтных) печах, где материал либо распределяется по всему объему и раска­ленные газы проходят между его кусками, либо частицы его распределены в газообразном теплоносителе. Для слоевого режима работы печей характерно тесное переплетение всех трех видов теплопередачи (тепловое излучение, кон­векция, теплопроводность). Разделить их часто не пред­ставляется возможным.

Известны три разновидности слоевого режима: с плот­ным, кипящим и со взвешенным слоем обрабатываемого материала.

В печах с плотным (фильтрующим) слоем шихта, в со­став которой входит и твердое кусковое топливо, расположена плотным слоем по всему объему печи и медленно продвигается вниз. Раскаленные газы — продукты сгора­ния топлива проходят через слой между отдельными его кусками. Это наиболее распространенный режим работы слоевых печей. Он характерен для шахтных печей, широко распространенных в металлургии.

В печах с взвешенным слоем слой под динамическим действием газов находится в разуплотненном состоянии и энергично перемешивается.

В таких печах может выгорать как размельченное топ­ливо, так и горючие компоненты, содержащиеся в обраба­тываемой шихте. Иногда вместе с воздухом подают газооб­разное топливо. Широкое использование печи с кипящим слоем получили в цветной металлургии для обжига суль­фидных концентратов различных металлов, для сушки и кальцинации глинозема.

В печах, работающих со взвешенным слоем, обрабаты­вают материалы, доведенные до пылевидного состояния. При этом мелкие частицы материала отделены друг от друга газовой прослойкой и, будучи «взвешены», движутся вместе с ним. В качестве топлива может использоваться размолотое твердое и газообразное топливо. В печах цвет­ной металлургии широко используется тепло горения серы при плавке сульфидов цветных металлов.

Как в черной, так и в цветной металлургии широко распространены печные агрегаты, в которых источником получения тепловой энергии является процесс выгорания элементов, заключенных в обрабатываемом металле или в проплавляемой шихте. В черной металлургии таким основ­ным элементом является углерод, который выжигается из чугуна при производстве стали в конвертерах.

Во всех этих агрегатах процесс теплогенерации проис­ходит непосредственно в материале или в объеме, заполненном размельченной шихтой и поэтому органически сочетается с принятой технологией, причем выделяющееся тепло равномерно распределяется по всей массе обрабаты­ваемого материала.

Существуют и такие печи, в которых тепловыделение обусловлено и химической энергией топлива, и химической энергией жидкого металла. К таким печам, занимающим промежуточное положение между топливными печами и конвертерами, относятся мартеновские печи. В этих печах топливо сгорает над ванной металла, пламя и раскаленные газы также находятся над ванной металла, т.е. идут про­цессы, присущие пламенным печам. Вместе с тем в металли­ческой ванне происходит выгорание примесей, сопровожда­емое выделением тепла, причем очень существенным, вплоть до того, что в некоторые периоды плавки теплогенерация за счет химической энергии жидкого металла может иметь решающее значение.

В основе работы электрических печей лежит генерация тепла за счет электроэнергии. Эта теплогенерация может осуществляться различными методами, рассматриваемыми подробно ниже. Будет показано различие этих методов, что накладывает отпечаток на конструкции и работу печей, поэтому классификация электрических печей осуществля­ется в соответствии со способом теплогенерации (см. § 1, гл. IX).

Вид процесса теплогенерации, осуществляемого в печ­ном агрегате, в решающей мере определяет не только кон­струкцию печи, но и характер протекающих в ее рабочем пространстве тепломассообменных процессов.

Классификация печей по технологическим и конструктивным признакам

По технологическому назначению металлургические пе­чи делят на плавильные и нагревательные.

Плавильные печи предназначены для получения метал­лов из руд и переплавки металла с целью придания ему необходимых свойств. В плавильных печах материалы 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 и др.), а также для придания металлу пластических свойств перед обработкой давлением. Значительное число нагрева­тельных печей применяют для термической обработки, что­бы изменить внутреннее строение и структуру металла. В нагревательных печах металлы и материалы не меняют своего агрегатного состояния.

Внутри каждой из этих групп печи подразделяют в со­ответствии с теми операциями, которые в них проводят. Так, плавильные печи могут быть чугуноплавильные, ста­леплавильные, медеплавильные и др. Нагревательные печи могут служить для обжига огнеупорных материалов, нагре­ва металла перед прокаткой и ковкой, термообработки ме­талла. Эти группы печей, ограниченные определенными технологическими операциями, подразделяют еще и по конструктивным признакам, методам транспортирования ме­талла в печи, характеру продукта, подвергаемого нагреву. Например, нагревательные печи для нагрева перед прокат­кой разделяют на следующие группы: а) нагревательные колодцы, методические печи, камерные нагревательные и др.; б) садочные, толкательные, с вращающимся подом; в) для нагрева слитков, блюмов, труб, сутунки и др.

Топливные печи подразделяют по виду применяемого топлива. Так, сталеплавильные мартеновские печи могут быть газовые и мазутные.

В соответствии с методами утилизации тепла отходя­щих дымовых газов печи подразделяют на регенеративные и рекуперативные.

Электрические печи классифицируют по способу превра­щения электрической энергии в тепловую: дуговые электри­ческие печи, печи сопротивления и индукционные печи.

Современные печи представляют собой сложные тепло­вые агрегаты, состоящие из собственно печи и вспомога-тельного оборудования. Собственно печь включает в себя рабочее пространство и устройства для получения тепловой энергии: горелки, форсунки в топливных печах и электро­ды, резисторы в электрических печах. В состав вспомога­тельного оборудования входят устройства для утилизации тепла отходящих дымовых газов, вентиляторы и дымососы, дымовые трубы, различные клапаны, задвижки и др.

В рабочем пространстве печи осуществляются те техно­логическое операции, для которых предназначена печь. Все остальные элементы печи служат для обеспечения наи­более эффективного проведения главной технологической операции.

Характеристика тепловой работы печей

Теплотехнические характеристики работы печей

Работа каждой печи характеризуется рядом показате­лей, наиболее важными из которых являются температур­ный и тепловой режим, коэффициент полезного теплоис-пользования и производительность.

Температурный режим. Температура печи — важный теплотехнический показатель работы печи, хотя термин «температура печи» имеет несколько условный характер. Дело в том, что в топливных печах в состоянии взаимного теплообмена находятся пламя (раскаленные газы), металл, кладка, температура которых различная. Причем, темпера­тура всей печи не может определяться ни одним из этих значений температуры, а представляет собой какую-то осредненную величину, применительно к которой обычно и применяют термин «температура печи».

Температура зависит от ряда факторов, важнейшие из которых — температура горения топлива и характер по­требления тепла (включая тепловые потери), свойственные данной конструкции печи. Иногда для ориентировочного определения пользуются весьма приближенным соотноше­нием t_д = t_к, где t_д —действительная температура печи; t_к — калориметрическая температура горения топлива;  — пирометрический коэффициент, зависящий от конструкции печи,  = 0,650,80.

Температура печи зависит прежде всего от ее назначе­ния и может изменяться во времени и по объему печи.

Изменение температуры печи во времени называется температурным режимом печи. Обычно его представляют соответствующим графиком t = f(). Печи, температура которых не меняется со временем, называются печами постоянного действия (например, методические печи), с переменной во времени температурой — печами периодического действия (печи с выкатным подом). Изменение температу­ры по длине печи также может иметь различный характер. Нагревательные печи, в которых температура по всему объему приблизительно одинакова, называют камерными. Печи с изменяющейся по длине температурой называются; методическими.

Тепловой режим. Работа печи в значительной мере оп­ределяется тем, какое количество тепла поступает в нее. Количество тепла, которое подают в печь в каждый данный момент времени, называется тепловой нагрузкой. То наи­большее количество тепла, которое печь может нормально (без недожога топлива в рабочем пространстве) усвоить, называется тепловой мощностью.

Тепловой режим печи представляет собой изменение тепловой нагрузки во времени и может быть представлен графиком зависимости тепловой нагрузки от времени. Теп­ловой режим теснейшим образом связан с температурным режимом. Печи периодического действия, работающие с пе­ременной во времени температурой, имеют переменную во времени тепловую нагрузку, тогда как печи постоянного действия работают при неизменной тепловой нагрузке.

Качество работы печи, ее совершенство как теплового агрегата характеризуется коэффициентом полезного теплоиспользования (к.п.т.) и коэффициентом использования тепла (к.и.т.).

В общем виде к.п.т. определяют следующим образом:

.

Учитывая, что

,

к. п. т. может быть выражен в следующей форме:

, (98)

где В — расход топлива, м³/с; кг/с;

Q_т — химическое тепло топлива, Вт;

Q_м и Q_шл — тепло соответственно металла и шлака, Вт;

Q_энд и Q_экз — тепло энедотермических и экзотерми­ческих (кроме горения топлива) реак­ций, Вт;

Q_ф — физическое тепло топлива и воздуха, отнесенное к единице количества топ­лива, Дж/м³, Дж/кг;

Q_ух — тепло уходящих газов, отнесенное к единице количества топлива, Дж/м³; Дж/кг;

Q_пот — тепловые потери, Вт.

Из выражения (98) легко получить

. (99)

Если Q_ф = 0, т.е. в печь поступает только тепло топли­ва, то коэффициент полезного теплоиспользования (к.п.т.) превращается в коэффициент полезного топливоиспользования.

Естественно, что чем выше значение к.п.т. (аналогич­ного коэффициенту полезного действия для разного рода агрегатов), тем лучше в тепловом отношении работает печь. Из выражения (99) следует, что увеличение подогрева топ­лива и воздуха, а также снижение температуры уходящих дымовых газов (поскольку Q_ух = B_ух  c_ух  T_ух) и тепловых потерь благоприятно влияет на к.п.т. печи.

Тепловые потери в печах в большей мере зависят от факторов, связанных с конструкцией печи, поэтому, чтобы характеризовать только топливо и условия его сжигания, применяют коэффициент использования топлива (к.и.т.)

. (100)

Сопоставляя выражения (98) и (100), можно видеть, что к.п.т. всегда меньше к.и.т., поэтому при проектирова­нии и эксплуатации печей следует стремиться к тому, что­бы к.п.т. по своей величине максимально приближались к к.и.т., для чего необходимо добиваться снижения тепло­вых потерь.

Производительность печей — важнейший показатель их работы, так как именно в производительности, как в фоку­се, сходятся все положительные и отрицательные стороны конструкции и тепловой работы печи. В плавильных печах производительность сильно зависит от характера проплав­ляемой шихты, в нагревательных печах — от начальной температуры металла. Как в том, так и в другом случаях на производительность большое влияние оказывает температура в рабочем пространстве печи и температура отходя­щих дымовых газов, а также интенсивность и характер теплопередачи от печи к нагреваемому (проплавляемому) материалу. Все это свидетельствует о том, что производи­тельность зависит от очень многих технологических, тепло­технических и конструктивных факторов, поэтому произво­дительность печей различного вида будет рассматриваться в дальнейшем при описании конкретных конструкций.

Обычно различают общую и удельную производитель­ность. Общая производительность характеризует размеры, масштабы агрегата и измеряется в т/ч, или т/сутки. При расчетах печей используется размерность производительности, кг/ч или кг/с. Удельная производительность, выражае­мая в кг/(м²ч), или т/(м²ч), характеризует интенсивность работы печи и служит для оценки качества работы и сравнения печей. Удельную производительность часто назы­вают напряженностью пода печи. Различают напряжен­ность активного пода и напряженность габаритного пода. В первом случае производительность отнесена только к пло­щади пода, занятой металлом, во втором — ко всей площади пода печи.

Тепловой баланс и расход топлива

Как можно видеть из вышеизложенного, расход топли­ва представляет собой важную характеристику работы пе­чей. На действующей печи расход топлива определяют не­посредственным измерением, а для проектируемых печей — расчетным путем, используя тепловой баланс печи.

Тепловой баланс печи состоит из равных между собой приходной и расходной частей, каждая из которых склады­вается из ряда статей. Для печей постоянного действия теп­ловой баланс составляют на один час, для печей периоди­ческого действия — на один цикл работы.

Статьи приходной части теплового баланса

1. Тепло, получаемое в результате сгорания топлива, Вт

где В — расход топлива, кг/с, или м³/с;

Q_н^р — теплота сгорания топлива, Дж/кг, Дж/м³.

2. Тепло, вносимое подогретым воздухом, Вт

Q_в = Bс_вt_вn_в

где t_в — температура подогрева воздуха, °С;

с_в — средняя удельная теплоемкость воздуха в интервале температур от 0°С до t_в, Дж/(м³К);

п — коэффициент избытка воздуха;

_в — количество воздуха, теоретически необходимого для сжигания единицы топлива, м³/кг, м³/м³.

3. Тепло, вносимое подогретым топливом, Вт

Q_т = Bc_тt_т

где с_т — средняя удельная теплоемкость топлива в интервале температур от 0°С до t_т, Дж/(м³К);

t_т — температура подогрева топлива, °С.

4. Тепло экзотермических реакций. В этой статье при составлении теплового баланса учитывают все химические реакции, идущие с положительным тепловым эффектом, кроме реакций горения топлива. В нагревательных печах учитывают тепло, выделяющееся при окислении металла. При окислении 1 кг железа выделяется примерно 5610⁵ Дж/кг тепла, поэтому

Q_экз = 5610⁵ Pa Вт,

где Р — производительность печи, кг/с;

а — величина угара металла, кг/кг металла.

Статьи расходной части теплового баланса

1. Полезное тепло (Вт), необходимое для нагревания и плавления материалов. Если материалы поступают в печь холодными, то

,

если подогретыми, то

,

где Р — производительность печи, кг/с;

t_м.к — конечная температура нагрева металла, °С;

t_м.н — начальная температура металла, °С;

с_м — средняя удельная теплоемкость металла в интервале температур от 0°С до t_м.к, Дж/(мгК);

с'_м — средняя удельная теплоемкость металла в интервале температур от 0°С до t_м.н, Дж/(кгК).

Для плавильных печей учитывают скрытую теплоту плавления материалов.

2. Тепло, уносимое шлаками, Вт

Q_шл,2 = M_шлc_шлt_шл,

где М_шл — масса шлака в единицу времени, кг /с;

t_шл — температура шлака, °С;

с_шл — удельная теплоемкость шлака, Дж/(кгК).

3. Тепло эндотермических реакций Q₃. Эта статья ха­рактерна для плавильных печей. К ним относится, напри­мер, тепло, идущее на разложение известняка.

4. Тепло, уносимое отходящими газами, Вт

Q₄ = BV_ухc_ухt_ух,

где t_ух — температура отходящих из печи дымовых газов, °С;

с_ух — средняя удельная теплоемкость отходящих из печи газов, Дж/(м³К).

Некоторое количество дымовых газов удаляется из ра­бочего пространства печи в результате выбивания через окна, щели и др. Поэтому только с некоторым приближени­ем можно рассматривать как полное количество газов, об­разующихся при сжигании единицы массы или единицы объема топлива.

5. Тепло от химической неполноты сгорания топлива. При беспламенном сжигании потери тепла от химической неполноты сгорания практически отсутствуют. При пламен­ном сжигании в отходящих газах обычно содержится 0,5 – 3% несгоревших газов (СО и Н₂). Можно принять, что на 1% СО содержится 0,5% Н₂. Тогда теплота сгорания та­кой смеси составит около 1210⁶ Дж/м³. Если в отходящих газах долю несгоревшего СО принять равной а, то потерн тепла, Вт:

Q₅ = BV_ухa/210^-6

где V_ух — количество уходящих из печи газов, м³/кг, м³/м³.

6. Тепло от механической неполноты сгорания. Под ме­ханической неполнотой сгорания понимают различные по­тери топлива. Например, при сжигании твердого топлива потери составляют 3 – 5% , следовательно:

Вт.

В случае газообразного топлива потери тепла от утечки газа составляют 2 – 3% , тогда

Вт.

В случае жидкого топлива теряется около 1%, т.е.

Вт.

7. Потери тепла в результате теплопроводности через кладку. Потери тепла через свод, стены и под печи непре­рывного действия с установившимся режимом работы опре­деляют по уравнению, Вт

,

где t_кл — температура внутренней поверхности кладки, °С;

t_в — температура окружающего воздуха, °С;

S₁и S₂ — толщина огнеупорной кладки и изоляции, м;

₁ и ₂ — соответственно коэффициенты теплопроводности кладки и изоляции, Вт/(мК);

 — коэффициент теплоотдачи от стенки к возду­ху, равный 19,8 Вт/(м²К); 1/ соответствен­но равно 0,052 м²К/Вт;

F — поверхность кладки, м².

8. Потери тепла излучением через открытые окна печи, Вт

,

где С₀ — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, равный 5,768 Вт/(м²К⁴);

Т — средняя температура в печи, К;

F — площадь открытого окна, м²;

Ф — коэффициент диафрагмирования (см. том II настоящего издания);

 — доля времени, когда окно открыто.

9. Тепло, затраченное на нагревание тары. Если тара холодная, то количество тепла, требующееся на ее нагрев, составит, Вт

Q₉ = M_тc_тt_т,

Где М_т — масса тары в единицу времени, кг/с;

с_т — средняя удельная теплоемкость тары в интервале температур от 0°С до t_т, Дж/(кгК);

t_т — температура нагрева тары, °С.

Если тара поступает нагретой, то учитывают только тепло, затраченное на ее дальнейшее нагревание.

10. Тепло, уносимое водой, охлаждающей отдельные ча­сти печи Q₁₀.

Для определения потерь тепла на охлаждение пользуют­ся практическими данными. Обычно эти потери составляют 10 – 15% всего прихода тепла.

11. Затраты тепла на аккумуляцию его кладкой в пе­чах периодического действия, Дж/период

,

где V_кл – объем, кладки, м³;

ρ_кл – плотность кладки, кг/м³;

с_кл – теплоемкость кладки, Дж/(кгК);

– средние конечная и начальная температу­ры кладки, определяемые на основании расчета прогрева стен, °С.

В печах с выдвижным подом необходимо также учиты­вать затраты тепла на аккумуляцию огнеупором тележки. В печах периодического действия, кроме аккумуляции теп­ла кладкой, тепло теряется через стены в результате тепло­проводности. Затраты тепла на аккумуляцию его кладкой определяются для печей периодического действия, темпе­ратура которых меняется по времени. Тепловой баланс та­ких печей составляется на весь период (цикл) их работы.

12. Неучтенные потери

Q₁₂ = (0,1 – 0,15)(Q₅ + Q₆ + Q₇ + Q₈ + Q₉ + Q₁₀ + Q₁₁).

Просуммировав отдельно приходные и расходные ста­тьи теплового баланса, следует приравнять Q_приход = Q_расход и получить, таким образом, одно уравнение с од­ним неизвестным, которым является расход топлива, В.

Зная величину В, можно окончательно подсчитать все статьи приходной и расходной частей теплового баланса.

Если анализируют тепловую работу действующей печи, то составляют таблицу теплового баланса, которая позво­ляет выяснить, какая статья расходной части баланса чре­змерно высока и, следовательно, обнаружить причину неудовлетворительной работы печи.

Для сравнения качества работы отдельных печей пользуются удельными показателями расхода тепла и топлива. Удельный расход тепла показывает, какое количество теп­ла затрачивается на нагрев 1 кг металла до необходимой температуры.

Часто удельный расход топлива определяют в единицах условного топлива (у.т.). За условное топливо принимают такое, теплота сгорания которого 29300 кДж/кг. Таким об­разом, удельный расход топлива равен

кг у.т./кг металла