Влияние нагрева дутья на ход доменного процесса, технологическая целесообразность и техническая возможность повышения температуры дутья до 1300-1400 °С

5) вдувание в печь природного и коксового газов, мазута, угольной пыли.

Первые предложения о применении в доменной плавке газообразных и жидких углеводородов были высказаны еще в XIX веке. Однако попытки осуществить эти предложения не имели успеха. Впервые в мировой практике природный газ был успешно применён в доменной печи Днепропетровского металлургического завода им. Петровского в октябре 1957 г. В 1958 г. С применением природного газа работало 13 доменных печей. Успешному применению природного газа способствовал правильный выбор места ввода его в печь - вместе с дутьем в окислительные зоны. В этом случае происходит смешивание газа с дутьём, полное сгорание углерода газа и равномерное распределение продуктов сгорания по сечению печи.

Увеличение выхода горнового газа при уменьшении прихода тепла в горн уменьшает теплопередачу в нижних горизонтах печи, в результате чего температура здесь понижается, а унос тепла в верхние горизонты печи и с колошниковым газом увеличивается. Поэтому действие природного газа на распределение температур в печи противоположно действию нагретого или обогащённого кислородом дутья. Для поддержания нормального нагрева горна с применением природного газа температура дутья должна повышаться и тем в большей степени, чем выше расход природного газа. Для сохранения температурных условий в горне температура дутья должна быть повышена на 4 °С при вдувании каждого 1 м3 природного газа (на 1 т. чугуна) или соответственно должна быть понижена влажность дутья (понижение влажности дутья на 1г/м3 соответствует повышению температуры дутья на 9 градусов). Поэтому при недостаточной мощности воздухонагревателей нельзя достигнуть высокого расхода и высокой эффективности применения природного газа.

Для повышения эффективности использования мазута также необходимо повышать нагрев и понижать влажность дутья. При применении мазута понижается температура в зоне горения и увеличивается протяжённость окислительных зон, что обеспечивает более ровный ход печей. При вдувании мазута, как и природного газа, происходит перераспределение температур по высоте печи.

Для повышения эффективности применения угольной пыли также необходимо компенсировать её охлаждающее действие (она вдувается с температурой ~ 50°С) повышением нагрева дутья. Эквивалент замены кокса угольной пылью и изменение производительности печи зависят от условий работы печи и состава угля.

Эффективность комбинированного дутья может значительно повысить предварительный подогрев природного или коксового газа до температуры, при которой еще не начинается их разложение с выделением сажистого углерода. Проводимым в ИЧМ исследованием установлено, природный газ может быть нагрет до 600-700 °С [8]. Коксовый газ может быть нагрет до еще более высокой температуры, так как водород тормозит процесс разложения метана. Предварительно нагретый газ вносит дополнительное тепло, с помощью которого может быть повышен его удельный расход, увеличено количество восстановителей в газах, снижено прямое восстановление, уменьшен удельный расход кокса. В результате увеличения общего прихода тепла и снижения удельного расхода кокса повышается производительность печи. Расчёт показывает, что нагрев коксового газа только до 700 °С дополнительно повышает производительность печи на 2,9 % и снижает удельный расход кокса на 45 кг/т чугуна [8].

Внедрение в доменное производство добавок к дутью позволило значительно повысить нагрев дутья. Более того, без повышения нагрева дутья было бы невозможно реализовать их возможности по снижению расхода кокса. При применении, например, природного газа без повышения нагрева дутья снижение расхода кокса было бы намного ниже, чем с одновременным увеличением температуры дутья. Поэтому последовательное применение указанных интенсификаторов доменного процесса потребовало совершенствования конструкций и оборудования воздухонагревателей, которые уже не обеспечивали необходимого нагрева дутья. Сейчас уже не условия работы доменных печей лимитируют повышение нагрева дутья, а конструкция и оборудование воздухонагревателей и устройств, подводящих дутьё от воздухонагревателей в печь.

3. Технические средства достижения высокотемпературного нагрева дутья

Первоначально, начиная с 1828 г., доменное дутьё нагревали в чугунных рекуператорах. Температура нагрева дутья не превышала 300-400 °С.

Высокий эффект от повышения температуры дутья и невозможность достичь этого с помощью чугунных рекуператоров привели впоследствии к замене рекуператоров на предложенные Е.А. Каупером в 1857 г. регенераторы-кауперы, которые в настоящее время называют доменными воздухонагревателями. Известно много различных по конструкции и тепловой мощности доменных воздухонагревателей, однако современные доменные печи оборудованы только регенеративными воздухонагревателями.

Для сравнения различных конструкций воздухонагревателей доменных печей, а также отдельных узлов и элементов, необходимо установить критерии их совершенства. Такими основными критериями для воздухонагревателей могут быть приняты:

простота и компактность конструкции;

надёжность и продолжительность срока службы;

температура нагрева дутья;

затраты на сооружение и эксплуатацию.

Конструкция, надёжность и эффективность работы регенеративных воздухонагревателей доменных печей во многом зависит от места расположения в них камеры горения. По этому признаку все известные конструкции воздухонагревателей можно разделить на четыре группы:

с внутренней боковой камерой горения (рис. 3.1);

с внутренней центральной камерой горения (рис. 3.2);

с наружной (выносной) камерой горения (рис. 3.3);

с бесшахтной камерой горения (рис. 3.4);

Воздухонагреватели с внутренней боковой камерой горения (рис. 3.1) характеризуются простотой, компактностью и низкой стоимостью конструкции, что и обеспечило их широкое применение на практике.

Эта конструкция предложена английским инженером и изобретателем Е.А. Каупером более 150 лет назад, и её длительная эксплуатация выявила ряд существенных недостатков:

“короткое замыкание”, или прямые перетоки газов между камерой горения и камерой насадки по трещинам и швам между кирпичами в разделительной стенке, что приводит: в газовый период - к значительному увеличению концентрации CO в дымовых газах, достигающему 5000 мг/мі при европейских нормах 100 мг/мі, существенному увеличению выбросов CO в атмосферу и ухудшению экологической обстановки; в дутьевой период - к подмешиванию холодного дутья к горячему дутью и уменьшению температуры последнего (иногда на 100єС);

наклон камеры горения в сторону насадки (эффект «банана»), что приводит к взаимным повреждениям камеры горения и насадки, к смещению насадки, перекрытию её каналов и значительному росту гидравлического сопротивления воздухонагревателя;

высокотемпературная ползучесть (крип) огнеупоров под действием высоких температур и давлений в нижней части камеры горения, что вызывает деформацию и обрушение кладки, особенно штуцеров горячего дутья;

неравномерное распределение продуктов сгорания по насадке, которое достигает ±15% и приводит к снижению КПД работы насадки, перепадам температур в массиве насадки и появлению трещин в её блоках и в поднасадочном устройстве;

пульсирующее горение, возникающее вследствие акустического возбуждения высокой камеры горения по типу органной трубы и приводящее к сильной вибрации конструкций, разрушению кладки, нарушению нормального режима эксплуатации воздухонагревателя;

растрескивание огнеупоров в нижней части камеры горения (в районе установки горелочного устройства) по условиям термической стойкости при резких колебаниях температур во время смены газового и дутьевого периодов.

Указанные недостатки приводят к частому выходу из строя камеры горения и характеризуют её как самый слабый элемент воздухонагревателя. Это ограничивает температуру горячего дутья при длительной эксплуатации на уровне 1200 єС и требует частого проведения ремонтов.

В настоящее время проблема увеличения температуры нагрева дутья и срока службы решается главным образом путём поиска новых конструкций воздухонагревателей, совершенствования действующих и применения более высококачественных огнеупорных и теплоизоляционных материалов.

На данном этапе основным требованием, предъявляемым к новым конструкциям воздухонагревателей, является создание благоприятных условий службы главным образом кладки камеры горения. К таким конструкциям относятся разновидности воздухонагревателей с центральной (внутренней), наружной (выносной) и бесшахтной камерами горения.

Рациональной представлялась конструкция воздухонагревателя с внутренней центральной камерой горения (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 - Варианты воздухонагревателей с внутренней центральной камерой горения с отводом горячего дутья снизу: 1 - горелка, 2 - штуцер горячего дутья, 3 - поднасадочное устройство, 4 - камера горения, 5 - насадка, 6 - дымовой патрубок

Предполагалось, что симметричное расположение камеры горения по отношению к насадке и футеровке стен улучшит температурные условия службы огнеупоров и обеспечит преимущество данной конструкции перед другими. Однако в настоящее время воздухонагреватели такой конструкции не только не строят, но и не рассматривают при решении вопроса о выборе типа воздухонагревателя. Из этого следует заключить, что известные конструкции воздухонагревателей с центральной камерой горения оказались несовершенными. Отсутствие сведений о результатах эксплуатации таких аппаратов затрудняет ответ на вопрос о причинах отказа от их применения. Вместе с тем предварительный анализ показал, что главными причинами неудовлетворительной службы этих воздухонагревателей являются усложнения, обусловленные отводом горячего дутья снизу и сосредоточенным подводом дутья в поднасадочное пространство. Оба этих фактора могут привести к значительной неравномерности обогрева по периметру кладки стен и особенно стены камеры горения, что, соответственно, как и в воздухонагревателях с внутренней камерой горения, может вызвать преждевременное разрушение камеры горения и аппарата в целом.

До недавнего времени за рубежом вновь сооружаемые доменные печи оборудовались в основном воздухонагревателями с наружной (выносной) камерой горения (рис. 3.3). В СССР впервые их применили в 1974 г. для доменной печи 5000 м3 на заводе “Криворожсталь”. Однако в этих воздухонагревателях устраняются лишь два недостатка: “короткое замыкание” и эффект “банана”.



Рисунок 3.3 - Варианты воздухонагревателя с выносной камерой горения: а - конструкция Дидье-Верке, б - Мартина-Пагенштехера, в - Копперса, г -конструкция, распространённая в Японии и применённая на комбинате Bao Steel (КНР)

Эти воздухонагреватели имеют значительно более сложный купол и сложную систему компенсации температурных расширений кожухов камеры насадки и камеры горения. Поэтому их стоимость на 30-35% выше, а для размещения их требуется значительно больше места, что вызывает затруднения при реконструкции в действующих цехах. Кроме того, кожухи аппаратов данного типа имеют высокую склонность к интеркристаллитной коррозии. Тем не менее, эти аппараты имеют более надёжную конструкцию и устанавливаются на крупных доменных печах. Максимальная температура горячего дутья при длительной эксплуатации - 1250 єС.

Основные недостатки традиционных воздухонагревателей с внутренними и наружными камерами горения могут быть устранены, если устранить саму камеру горения. Воздухонагреватели без камер горения получили название бесшахтных. Межремонтный срок службы бесшахтных воздухонагревателей будет определяться не стойкостью камеры горения, а стойкостью купола, горелочного устройства, расположенного на нём, и насадки.

Первый в СССР бесшахтный воздухонагреватель, разработанный под руководством Я. П. Калугина, был построен в 1982 г. на доменной печи №4 объёмом 1513 м3 Нижнетагильского металлургического комбината (рис. 3.4). В основании расширенного динасового купола расположена короткая кольцевая форкамера высотой около 1 м, в нижней части которой установлены 50 керамических горелок малого калибра. Горелки и другие узлы воздухонагревателя были в своё время отработаны на специальных стендах. Практически полное сжигание газа достигается уже на выходе из форкамеры, а пульсирующее горение не возникает ни на каких режимах. Неравномерность распределения продуктов сгорания по насадке составляет всего ±5% (в обычных воздухонагревателях ±15%).

Данный воздухонагреватель был опробован на работу с проектными температурами купола 1450 єС и дутья 1350 єС. Он надёжно работает в блоке с двумя обычными воздухонагревателями без капитального ремонта уже в течение 28 лет с температурой горячего дутья 1200 єС. Осмотры охлаждённого воздухонагревателя после 9, 16 и 27 лет эксплуатации показывали хорошее состояние всех его элементов. Межремонтный срок службы бесшахтного воздухонагревателя определяется стойкостью купола, которая в несколько раз выше стойкости камеры горения и для динасового купола достигает 30 лет.

Аппарат был разработан как опытный аналог воздухонагревателей для магнито-гидродинамической электростанции (МГДЭС-500) с температурой нагрева дутья 1700 єС, при расходе дутья 10 000 м3/мин и его давлении 1,0 МПа. Ввиду наличия расширенного купола такой воздухонагреватель не может быть вписан в существующие габариты доменных воздухонагревателей с внутренней камерой горения для возможности проведения их поочерёдной реконструкции (аппарат на доменной печи №4 объёмом 1513 м3 Нижнетагильского меткомбината выполнен отдельно стоящим). Поэтому такая конструкция воздухонагревателей в дальнейшем не использовалась.



Рисунок 3.4 - Воздухонагреватель с кольцевой форкамерой в основании купола

Дальнейшим этапом развития бесшахтных аппаратов стал воздухонагреватель конструкции Калугина с форкамерой на верху купола (рис. 3.5). Газ сжигается в горелочном устройстве форкамерного типа со струйно-вихревой подачей газа и воздуха, расположенном сверху купола по оси воздухонагревателя. Кольцевые коллекторы газа и воздуха размещаются внутри кладки форкамеры, а сама кладка форкамеры ВНК имеет независимую опору на кожух. Впервые такая схема была реализована на ДП №1 Саткинского чугуноплавильного завода в 1992 г., и этот воздухонагреватель без проблем работает до настоящего времени.



Рисунок 3.5 - Воздухонагреватель Калугина с форкамерой на верху купола

При разработке конструкции воздухонагревателя Калугина проводились стендовые испытания на огневом и аэродинамическом стендах для нескольких вариантов форкамерных горелочных устройств. По этим данным была определена оптимальная конструкция форкамерной горелки как с точки зрения технических показателей, так и с точки зрения простоты и надёжности выполнения огнеупорной футеровки. В дальнейшем на основе этих испытаний был разработан метод компьютерного расчёта, проведено детальное сравнение расчётных и экспериментальных результатов и получено хорошее совпадение между ними. В настоящее время по этому компьютерному методу производятся расчёты всех форкамерных горелочных устройств воздухонагревателей Калугина.

Полное отсутствие пульсирующего горения даёт возможность форсировать режимы работы воздухонагревателя Калугина без появления сильных колебаний давления и вибраций и избежать повреждения кладки и конструкций.

Сопротивление воздухонагревателя невелико, и для его работы на полных нагрузках достаточно обычного давления газа перед горелкой (4,0-5,0 кПа).

В воздухонагревателях Калугина отсутствуют прямой удар факела в кладку и её местный перегрев, что обеспечивает симметричное распределение температур по куполу, насадке, футеровке и кожуху, вследствие чего снижаются температурные напряжения и улучшается стойкость воздухонагревателя.

Как показали измерения, общий уровень температур в кладке форкамеры невысок (в среднем около 900 єС), а перепады температур кладки между газовым и дутьевым периодами близки к перепадам температур в кладке горелок первого бесшахтного воздухонагревателя с кольцевой форкамерой на доменной печи №4 ОАО “НТМК”, который без капремонта эксплуатируется с 1982 года и находится в хорошем состоянии. Это позволяет определить длительный срок службы кладки форкамеры, то есть срок службы воздухонагревателя будет определяться стойкостью динасового купола, которая достигает 30 лет.

Конструкция самого купола также способствует увеличению срока его службы при высоких температурах, так как широкая часть сферы над насадкой переходит в коническую часть, далее - в узкую горловину, и завершается куполом горелки, который имеет значительно меньший радиус и работает при более низких температурах. Диаметр купола ВНК, имеющего независимую опору его кладки на кожух, по сравнению с типовым воздухонагревателем увеличивается незначительно, и поэтому воздухонагреватели Калугина хорошо вписываются в существующие габариты блоков при их реконструкции в бесшахтном варианте.

За счёт улучшения условий службы для огнеупоров в воздухонагревателях Калугина при использовании широко применяемых огнеупорных материалов (динас, муллитокорунд, шамот) можно получить температуру горячего дутья до 1400 єС, что невозможно при других конструкциях воздухонагревателей. Это даёт возможность перейти в доменном производстве на новый уровень нагрева дутья - до температур 1300-1400 єС.

Значительное снижение капитальных затрат и большая экономия на ремонтах благодаря увеличению межремонтного срока службы, возможность увеличения температуры нагрева дутья на 100-200 єС и возможность размещения бесшахтных воздухонагревателей на месте существующих с установкой типового основного оборудования на существующей рабочей площадке, малое гидравлическое сопротивление и работа без пульсаций с весьма низким содержанием вредных выбросов в дыме дают воздухонагревателям Калугина значительные преимущества по сравнению с существующими аппаратами и определяют их как наиболее перспективную конструкцию высокотемпературных воздухонагревателей.

4. Топливо для воздухонагревателей и устройства для сжигания его, конструктивные особенности горелок и пути их совершенствования

Очищенный коксовый газ содержит, %: 56-60 H2, 23-26 CH4, 5-7 CO, 2-3 СО2, 2-4 СmHn и 3-7 N2. Его используют в качестве энергетического топлива во многих цехах металлургических комбинатов (включая доменный). Благодаря присутствию высокомолекулярных (тяжёлых) углеводородов СmHn разлагающихся при нагревании с выделением углерода, он образует светящееся пламя, чем отличается от доменного газа. Теплота горения коксового газа составляет 16,3-17,5 МДж/м3 (4000-4200 ккал/м3).

Очищенный колошниковый газ содержит, %: 17-20 СО2, 23-25 СО, 5-7 % Н2, 50-60 N2. Его используют для нагрева воздухонагревателей, для обогрева коксовых батарей, паровых котлов и т. д. Теплота горения колошникового газа составляет 4000-4500 МДж/м3 (850-1000 ккал/м3).

В качестве топлива для воздухонагревателей используются очищенный доменный газ или смесь доменного и коксового газов. Можно так же применять и природный газ. Теплота горения у природного газа выше, чем у коксового и колошникового газов, но и цена значительно выше. Поэтому природный газ для отопления доменных воздухонагревателей стараются не применять. Газ подаётся в камеру горения газовой горелкой совместно с необходимым для сжигания газа воздухом, подаваемым специальной воздуходувной станцией. Продукты сгорания газа отдают насадке своё тепло, охлаждаясь при этом до 200-400 °С и затем отводятся через дымовые клапаны в боров к дымовой трубе.

Большинство отечественных доменных воздухонагревателей отапливаются металлическими горелками типа "труба в трубе", которые изготавливаются Иркутским заводом тяжёлого машиностроения (И3ТМ), (рис. 4,1; 4,2). Воздух для горения подается в воздушное сопло либо от индивидуального центробежного вентилятора (рис. 4.1), либо от одного общего на все воздухонагреватели вентилятора (один в запасе) при централизованной подаче (рис. 4.2), находящегося на большом paсстоянии от горелок и соединенного с ними системой воздухопроводов.

Горелка газовая с индивидуальным вентилятором служит для принудительной подачи газа и воздуха, необходимых для сжигания газа в камере горения воздухонагревателя. Устанавливается перед камерой горения и соединяется с газопроводом и воздухонагревателем через клапаны, регулирующие подачу газа и отключающие горелку.

Горелка производительностью 60-80 тыс. м3/ч (рис. 4.1) состоит из корпуса 4, патрубка 1, центробежного вентилятора 5, вал которого вращается электродвигателем 8, а также привода лопаток направляющего аппарата вентилятора, с помощью которого регулируется производительность вентилятора. Этот привод состоит из электрического исполнительного механизма 9, связанного рычагами с поворотным кольцом направляющего аппарата и командоаппарата.

Рисунок 4.1 - Горелка газовая с индивидуальным вентилятором производительностью 60-80 тыс. м3/ч

Воздух, подаваемый вентилятором, поступает в камеру горения воздухонагревателя по трубе 2, расположенной внутри корпуса 4, а газ, подаваемый сверху, - по кольцевому каналу, образованному корпусом и этой трубой. Таким образом, подача газа и воздуха раздельная и смешивание их происходит при поступлении в камеру горения.

Процесс горения газа контролируется радиационным пирометром 3 и фотореле 6. Для визуального наблюдения имеется гляделка 7.

На рисунке 4.2 показана горелка производительностью 75-120 тыс. м3/ч, у которой вентилятор с исполнительным механизмом отсутствует, а воздух подаётся от центральной вентиляторной станции, обслуживающей весь блок воздухонагревателей доменной печи, через патрубок 3 и трубу 1.

Рисунок 4.2 - Горелка газовая производительностью 75-120 тыс. м3/ч

Отделение горелки от воздухопровода и регулирование расхода воздуха для горения осуществляется дроссельным клапаном 2, установленным на воздухопроводе.

Централизованная подача воздуха имеет преимущества перед подачей индивидуальным вентилятором, так как позволяет обеспечить: большее давление воздуха перед горелками из-за установки более мощных вентиляторов, лучшее регулирование расходов воздуха (и температуры купола) на горелках, меньшее содержание пыли в воздухе и его очистку, лучшее резервирование мощности по подаче воздуха, хорошие санитарные условия на рабочей площадке (снижение шума, вибраций) и условия эксплуатации и больший срок службы вентиляторов центральной станции.

В ранних конструкциях горелок с индивидуальными вентиляторами в переходном патрубке между вентилятором и корпусом горелки располагались жалюзи, предназначенные для регулирования расхода воздуха исполнительным механизмом или вручную. В более поздних конструкциях расход воздуха регулируется направляющим аппаратом, к которому подключен исполнительный механизм; жалюзи в переходном патрубке отсутствуют. Это изменение ухудшило условия регулирования расхода воздуха при автоматическом поддержании заданной температуры купола, так как направляющий аппарат не приспособлен для постоянного плавного регулирования расхода. Кроме того, ухудшились условия для устранeния пульсаций.

За рубежом применяются металлические горелки фирмы "Циммерман и Янзен" по конструкции аналогичные горелкам с централизованной подачей воздуха, только на конце удлинительного патрубка расположен завихритель [10].

Большое сопротивление по газу горелок производительностью 60 и 75 тыс. м3/ч связано с уменьшением сечения для прохода газа из-за большого диаметра воздушного сопла. Это же привело к увеличению отношения скоростей газа и воздуха и способствовало появлению сильных пульсаций на воздухонагревателях. Работа горелок улучшилась при уменьшении диаметра сопла до 700 мм [11].

В связи с переменной теплотой сгорания доменного газа производительность гoрелок определяется расходом воздуха, подаваемого вентилятором. Максимальная тепловая мощность горелки достигается при использовании вceгo подаваемого воздуха и зависит от состава сжигаемого газа. Но тепловая мощность в значительной степени ограничивается допустимой температурой кладки купола и верхних рядов насадки воздухонагревателя. Поэтому максимальная тепловая мощность горелок получается при сжигании газа с минимальной теплотой сгорания, обеспечивающей допустимую температуру купола [11]. С увеличением теплоты сгорания газа выше минимально необходимой при минимальном избытке воздуха температура горения газа растет, и для сохранения заданной температуры купола необходимо увеличить расход воздуха, а следовательно, и удельный расход воздуха на кубометр сжигаемого газа. При этом часть воздуха расходуется на разбавление продуктов горения, а количество воздуха, используемого на собственно горение, уменьшается и соответственно снижается тепловая мощность горелки (рис. 4.3).

Рисунок 4.3 - Зависимость относительной тепловой мощности горелок от теплоты сгорания доменного газа при сохранении номинальной производительности по воздуху. Сплошная линия при добавке природного газа, штриховая при добавке кокcoвoгo газа. Цифрами на кривых указана предельно допустимая температура купола Ткуп, °С

Для улучшения работы металлических горелок рекомендуется [10]:

воздушный патрубок выполнять диаметром, обеспечивающим соотношение скоростей выхода газа и воздуха из горелки, близкое к единице, что уменьшает сопротивление горелки по газу и способствует устранению пульсаций;

в штуцерах горелок устанавливать удлинительный патрубок из жаростойкой стали тoгo же диаметра, что и воздушное сопло, а для увеличения стойкости патрубка eгo надо не доводить до устья штуцера на половину диаметра последнего;

между вентилятором и корпусом горелки устанавливать жалюзи, что улучшает качество автоматического регулирования расхода воздуха и способствует уменьшению пульсаций;

увеличить напор вентиляторов для улучшения боты в форсированных режимах и создать дополнительное давление на жалюзи для устранения пульсаций.

Для отопления доменных воздухонагревателей традиционных конструкций в российской практике применяются металлические горелки типа «труба в трубе». При боковом расположении этих горелок горящая струя газа после выхода из штуцера горелки ударяется в противоположную стенку, что ведёт к перегреву кладки в нижней части камеры горения. Общий перегрев кладки нижней части камеры горения приводит к её разрушению вследствие ползучести огнеупора под действием высоких температур и давлений (от собственного веса), местный перегрев создаёт большие термические напряжения и приводит к образованию сквозных трещин до самой насадки (короткое замыкание).

Этот недостаток можно устранить размещением горелки на оси камеры горения. Горелка в этом случае подвергается воздействию прямoгo излучения из камеры горения и ее выполняют из высокоогнеупорного материала. Такие горелки обеспечивают растянутый факел и переносят максимум температур в верхнюю часть камеры горения, где меньше давление кладки. Благодаря этому уменьшается вредное влияние деформации ползучести огнеупоров (крипа) на стойкость камеры горения и увеличивается её срок службы. Такие горелки получили название керамических.

За рубежом керамические горелки применяются в основном в высокотемпературных воздухонагревателях с выносной камерой горения. Каждая фирма, выпускающая свою конструкцию таких воздухонагревателей, применяет и свою конструкцию керамических горелок. В последние годы керамические горелки широко внедряются и на воздухонагревателях с внутренней камерой горения (рис. 4.4).

Рисунок 4.4 - Конструкция промышленной керамической горелки для камеры горения

Газ и воздух горения подводятся в керамические горелки по двум отдельным штуцерам. Воздух, попадая в периферийный кольцевой коллектор, выходит через щелевые каналы и внедряется несколькими струями в центральный газовый поток, направленный вдоль оси камеры горения. Для успешной работы горелки такой конструкции необходимо обеспечить равномерное распределение газа и воздуха в выходном сечении горелки и устойчивое сжигание газа в осевом симметричном факеле с хорошей стабилизацией воспламенения. Однако применение таких горелок позволяет устранить только один из недостатков камер горения существующих воздухонагревателей (явление крипа) и кардинально не решает вопрос общей стойкости доменных ВН. Эти вопросы решены в конструкции бесшахтного воздухонагревателя Калугина.

5 Огнеупорные и изоляционные материалы, используемые при строительстве высокотемпературных воздухонагревателей

Ещё полвека назад при температуре дутья 600 - 900 °С и температуре купола около 1200 °С футеровку и насадку воздухонагревателей выкладывали из шамотных огнеупоров. Срок службы таких воздухонагревателей был до 20 лет. Повышение температуры дутья привело к сокращению срока их службы до 5-7 лет и менее.

С появлением высокотемпературных воздухонагревателей потребовались более качественные огнеупорныe материалы для их сооружения. В связи с этим особенно остро встали вопросы определения температуры по высоте и сечению воздухонагревателей, контроля температуры купола, обеспечения полного сгорания газов до входа в насадку и др. Исследования и опыт эксплуатации показали, что повышение температуры в насадке и футеровке на несколько десятков гpaдycoв часто приводит к катастрофически быстрой деформации и выходу воздухонагревателей из строя.

Разные условия работы отдельных участков насадки, камеры горения и купола потребовали применения огнеупоров с разными свойствами.

Огнеупорная кладка воздухонaгpевателей испытывает следующие воздействия:

1) воздействие пыли, которое в процессе нагрева незначительно, но резко возрастает при взятии аппарата «на тягу». Пыль и щелочные пары диффундирующие внутрь кирпичей, способствуют фазовым превращениям, а именно образованию анортита и ганита, а в реакционной зоне - стекловидной фазы, содержащей корунд. В последние годы содержание пыли в доменном газе снизилось до 3-10 мг/м3, а на крупных печах забор воздуха горения производится из точек, достаточно удаленных от источников пыления. Это почти исключило шлакование насадок при нормальной работе. Кроме тoгo, стали внедрять трубы для взятия печи на тягу, минуя воздухонагреватели, что также улучшило условия работы насадок.

2) Воздействие температуры. При высокой температуре во время службы огнеупоров происходит их дополнительная усадка (алюмосиликатные огнеупоры) или дополнительный рост (динас). По ГOCT 20901-75, при выдержке 2 ч усадка алюмосиликатных огнеупоров достигает 1 %, а рост динаса ~ 0,4 %; согласно данным [12], при выдержке 24 ч и температуре 1600 °С общий рост динаса достигает 2,5-3,5 % и далее eгo состояние стaбилизируется. Это изменение размеров огнеупоров в процессе их службы необходимо учитывать наряду с температурным расширением при проектировании кладки и выборе толщины швов и зазоров.

3) Термические нагрузки (напряжения), вызванные периодическими колебаниями температуры в насадке, камере горения и куполе. Колебания температуры в насадке за период могут достигать на отдельных участках 300-400 °С, но, благодаря относительно тонким стенкам между каналами, перепад температур по толщине стенки насадки составляет вceгo несколько градусов. Практика показывает, что возникающие при этом термические напряжения в большинстве случаев не опасны для насадки. Термические напряжения, возникающие в куполе и стенах воздухонагревателя, часто приводят к образованию трещин в радиальных стенах, стенах камеры горения ("короткое замыкание") и куполе, обрушению кладки купола и, следовательно, к необходимости преждевременного ремонта воздухонагревателей [13].

4) Механические нагрузки, вызываемые собственной массой кладки и насадки. Сжимающие напряжения возрастают сверху вниз. В нижней части воздухонагревателя нагрузки максимальные, но температура низкая, а в верхней части температура максимальная, но нагрузки небольшие. Это облегчает выбор огнеупоров для верхней, наиболее нагретой части воздухонагревателя. Однако при весьма большой высоте современных воздухонагревателей нагрузка от массы выжележащей насадки может достигать величин, опасных для огнеупоров в нaгpeтом состоянии и приводящих к ползучести. Ползучесть oгнеупорных материалов [14] относится к сложным явлениям и до сих пор мало изучена. Она представляет собой непрерывно растущую во времени деформацию под влиянием постоянногo напряжения. Ко всем видам oгнeyпopoв предъявляют требования малой ползучести. Испытания огнеупоров для доменных воздухонагревателей на ползучесть проводят в условиях сжатия и высоких температур.

Обследование ряда воздухонагревателей доменных печей объемом 2000 м3, проработавших в течение З5 лет с температурой купола 1250-1350 °С и нaгpeвом дутья до 1100-1190 °С, показало, что разрушение oгнеупорной кладки воздухонагревателей связано главным образом с несоответствием свойств oгнeyпopов по ползучести условиям службы [13, 14, 15].

С повышением температуры дутья до 1100-1200 °С вместо шамотных огнеупоров начали применять высокоглиноземистые с содержанием не менее 45 - 62 % Аl2 О3. Однако применение этих огнеупоров сначала не дало заметных улучшений по сравнению с применением высокообожженногo шамотного кирпича. Это объясняется как недостатками технологии производства высокoглиноземистого кирпича, свойства котopoгo, особенно постоянство объема и ползучесть под нагрузкой, определяются не только содержанием Аl2О3, но и правильным выбором сырья, типа связи, температуры обжига и других условий, так и недостатками эксплуатации воздухонагревателей (пepeгpeв купола, длительный нaгpeв насадки,

догорание газов в насадке и т.п.).

С 1962 г. в СССР для воздухонагревателей с температурой купола 1300-1350 °С для футеровки высокотемпературных зон стали применять каолиновые огнеупоры с содержанием глинозема не менее 42 % и улучшенными термомеханическими свойствами [16].

В США и Англии при температуре купола до 1200 °С применяли полукислые кирпичи с низким содержанием примесей, при температуре купола до 1350 °С для зон с высокими нагрузками высокообожженный шамотный кирпич с 42 % Аl2О3 и низким содержанием примесей. Дальнейшее повышение температуры привело к применению кирпича с 50-60 % Аl2О3, изготовленного на основе корунда и глинозема, силлиманита и синтетического муллита.

В CССP более 60 лет назад начали применять в верхних рядах насадки динас.

Сообщения об использовании динаса за рубежом появились в 1956 г. Основные преимущества динаса как конструктивного материала в условиях работы воздухонагревателей: устойчивость к деформации при повышенных температурах; отсутствие дополнительной усадки при высоких температурах и низкий коэффициент термического расширения от 600 °С и выше. Недостатком динаса является его низкая объёмная плотность и низкий коэффициент теплопроводности. Динас сохраняет прочность при сжатии и изгибе при быстром нагружении в температурном интервале 1500-1600 °С. Наилучшим является динас с содержанием минерализатора 1-3 % и соотношением FeO:CaO = 2:4. В настоящее время динас широко применяется в верхней зоне высокотемпературных воздухонагревателей в Западной Европе и России.

Положение нижнего горизонта динаса выбирается из соображений eгo недостаточной термостойкости при температурах ниже 700 °С. Если в динасе нет остаточного кварца, то eгo можно использовать до более низких температур (400 °С). В Советском Союзе технология для воздухонагревателей разработана УкрНИИО [16]. Изделия, изготовленные по этой технологии, обладают повышенными теплофизическими свойствами, лучшим перерождением кварца и имеют минимальное разрыхление при службе.

Применение динаса позволило повысить температуру купола на 100-200 °С, а температуру дутья на 100-150 °C. Наивысшая температура дутья, достигнутая в воздухонагревателях, высокотемпературные зоны которых выложены динасом, составляет 1350 °С, а проектируется до 1400-1450 °С.

Для температуры дутья выше 1400 °С (до 1700 °С) УкрНИИО peкомeндует высокотемпературные зоны воздухонагревателя выкладывать из корунда, а для температур дутья до 2000 °С - из двуокиси циркония. На основании исследований УкрНИИО разработаны рекомендации по дифференцированному применению oгнeупopных материалов в высокотемпературных воздухонагревателях [16].

Наружные окаты камеры горения выполняют из огнеупоров, peкомeндованных по зонам для стен и насадки, внутренний окaт нижней части камеры горения из муллитокорундовых изделий марки MKB-72, верхняя часть внутpeннeгo оката камеры горения и купол - из малоразрыхляющегося динаса. Следует обращать внимание на расположение oгнeупopов в разделительной стенке при наличии внутренней камеры горения, котopaя находится в более тяжелых температурных условиях, чем стены камеры насадки, из-за пpoгpeвa ее как со стороны насадки, так и со стороны кaмеры горения.

Известно, что при строительстве воздухонагревателей на долю футеровки приходится 70-85 % общей суммы капитальных затрат. Поэтому необходима разработка конструкции воздухонагревателей с равномерным распределением скоростей, так как это позволит значительна сократить расходы на их сооружение за счет уменьшения высоты зоны из дорогого огнеупора MKB-72.

Учитывая стоимость oгнeyпopoв и основываясь на результатах наблюдений за их службой, можно сделать вывод, что малоразрыхляющийся динас в настоящее время является наиболее перспективным огнеупором для высокотемпературных зон воздухонагревателей.

В низкотемпературных частях воздухонагревателей применяют главным образом алюмосиликатные огнеупоры с различным содержанием в них глинозема. Хотя в нижних зонах насадки и стен изделия испытывают повышенные механические нагрузки, но при сравнительно невысоких температурах создаются хорошие условия для их службы. Исключение составляют те случаи, когда при неправильном выполнении компенсационных зазоров кладка расклинивает кожух и при дальнейшем ее росте создаются высокие механические нагрузки на нижние горизонты кладки и насадки, которые могут привести к их разрушениям. Более опасным местом, с точки зрения термостойкости, является нижняя часть камеры горения.

Для изоляции стен воздухонагревателей рекомендуются изделия: в низко- и среднетемпературных зонах каолиновые легковесные марки КЛ-1,3, шамотные легковесные марки ШЛБ-1,0 и муллитокремнеземистые волокнистые теплоизоляционные; в высокотемпературной зоне - динасовые легковесные марки ДЛ-1,2, каолиновые легковесные марки КЛ-1,3, шамотные легковесные марки ШЛБ-1,0 и муллитокремнеземистые oгнеупорныe волокнистые теплоизоляционные.

Изоляцию купола выполняют из одного или двух рядов динасовых легковесных изделий марки ДЛ-1,2 или шамотных легковесных изделий марки ШЛБ-1,0. Кожух купола с внутренней поверхности торкретируют. В куполе, имеющем самостоятельную опору, между слоем из торкрет-массы и легковесными изделиями укладываются муллитокремнеземистые волокнистые теплоизоляционные изделия.

6. Общее устройство современного высокотемпературного воздухонагревателя

6.1 Кожух и футеровка

Воздухонагреватели имеют снаружи герметичный металлический кожух, что позволяет поддерживать в них высокое давление нaгpeвaeмoгo дутья. Цилиндрическая средняя часть кожуха сверху закрыта полусферическим куполом, снизу - плоским днищем, закрепленным в фундаменте плоскими анкерами.

Для изготовления кожухов воздухонагревателей в 50 - 60-x гг. ХХ в. применяли листы из стали 8СтЗсп толщиной 14-16 мм, а также из низколегированных сталей типа 12г2, 14г2 и др. С повышением температуры и давления дутья стойкость кожухов ухудшилась и с конца 60-х годов их толщину увеличивают до 20 мм, а места расположения штуцеров горячегo дутья, горелки и дымовых клапанов, а также расширении кожуха до 25-30 мм. Кожух купола также выполняют из более толстой стали а в некоторых конструкциях с наружными камерами горения укрепляют eгo кольцевыми балками. Современный материал для кожуха - низколегированные стали 09г2C или 10г2C1. Для осмотра и ремонта в кожухе предусмотрены люки.

Кожух защищают от воздействия высокой температуры огнеупорной футеровкой (радиальными стенами). Она состоит из нескольких слоев: внутренний выполняется из плотного oгнeyпopa, далее следует теплоизоляционный слой и слой, компенсирующий температурное расширение кладки при ее разогреве. Для получения оптимальных условий работы кладки и кожуха ЦНИИПпроектстальконструкция рекомендует создавать определенный подпор со стороны кожуха на кладку при ее расширении (около 2·105 Па). Кладка в этом случае оказывается равномерно сжатой и более газоплотной и прочной, а дополнительные напряжения на кожух учитывают при eгo расчете [17].

У воздухонагревателей с наружной камерой горения кожухи камеры горения и камеры насадки после разогрева имеют разную температуру и разное удлинение. Для устранения разницы в расширении устанавливаются компенсаторы. На воздухонагревателях типа Дидье применяют чаще вceгo сильфонный компенсатор, располагаемый на кожухе камеры горения, под куполом. Иногда применяют гидравлический компенсатор, устанавливаемый под камерой горения [18].

Воздухонаrреватели фирмы "Крупп - Копперс" имеют компенсатор на цилиндрической трубе, соединяющей два независимых грибовидных купола над камерой горения и камерой насадки. Камера гoрения для уменьшения их взаимного перемещения делается укороченной и подбирается такой, чтобы термическое расширение обеих камер было одинаковым.

У воздухонагревателей конструкции фирмы "Мартин и Пагенштехер" компенсатор отсутствует. Камера горения также выполнена укороченной, а под ней применена предварительно напряженная гибкая опора

Основными повреждениями и дефектами кожуха воздухонагревателей в большинстве случаев являются: пepeгpeвы верхней части купола, места перехода от купольной к цилиндрической части, штуцеров горячего дутья и газовой горелки; трещины вертикальные и горизонтальные в различных частях кожуха; разрывы анкеров и подъем днища.

Перегревы связаны с нарушением кладки (трещины, отверстия) и образованием пустот вблизи кожуха. В них по трещинам попадают горячие газы и, циркулируя, создают устойчивую зону высоких температур. В старых конструкциях в компенсационных слоях применялась засыпка (мертель, крошка, гранулированный шлак), которая выдувалась или оседала, что часто приводило к перегревам, покраснениям кожуха и eгo выпучиваниям, особенно в верхней части воздухонагревателя. Применяемые в настоящее время вермикулитовые (до 600 °С), каолиновые и муллито-кремнеземистые (от 600 до 1100 °С) маты создают более надежное уплотнение. Значительно улучшаются условия службы кожуха после eгo торкретирования. Прочный слой торкрет-бетона толщиной 80 мм наносят на металлическую сетку, закрепленную на кожухе. Он защищает кожух при малых продувах кладки и улучшает общую теплоизоляцию.

Трещины в кожухе возникают от чрезмерного давления на него кладки при недостаточной величине компенсационных слоев, а также при дефектах самого кожуха (переломы в швах, смещение торцов стыкуемых листов, выпучины и вогнутости, подрези, раковины и т.п.). Недостаточная величина компенсационных слоев приводит в период начального разогрева воздухонагревателя к большим горизонтальным распорным усилиям кладки на кожух, а вертикальный рост кладки создает за счет сил трения большие вертикальные усилия, что часто является причиной обрыва анкеров, крепящих воздухонагреватель к фундаменту, и подъема днища кожуха до периферии, который иногда достигает 60-100 мм и является причиной возникновения в этом месте трудно устранимых трещин. Имеется мнoгo предложений по ликвидации разрыва анкеров, однако наиболее целесообразное применение компенсационных слоев достаточной толщины из каолиновых матов, которые имеют не только лучшую эластичность, но и меньший коэффициент трения. Эффективен также способ, применяемый на заводе "Азовсталь"; с появлением больших напряжений в кожухе при разогреве (температура купола 800900 °С) периодически наполнять воздухонагреватель дутьем, что способствует "проскальзыванию" кладки по кожуху.

Весьма серьезную опасность для высокотемпературных воздухонагревателей представляет собой разрушение кожуха без его перегрева и видимой предварительной деформации. Такие разрушения произошли на ряде воздухонагревателей в СССР и за рубежом и связаны с явлением межкристаллитной коррозии металла кожуха [19-21].

Внешне межкристаллитная коррозия проявляется в образовании микротрещин глубиной 3-10 мм, которые чаще располагаются у сварных швов и в местах концентраций напряжений (перегибы кожуха, сочленения) в зоне высоких температур (купол, камера горения, верх насадки, тракт горячего дутья). Причиной образования микротрещин является разрушение металла по границам зерен под воздействием агрессивных газов, главным образом окислов азота (NOx ), а также сернистых газов и хлора. Эти газы, соединяясь с появляющимися при горении парами воды, образуют кислоты, которые, конденсируясь на кожухе, приводят к постепенному разрушению связей между зернами металла и образованию трещин. Периодическое изменение давления ускоряет этот процесс.

Для устранения межкристаллитной коррозии предлагается: нанесение на внутреннюю поверхность кожуха покрытий, препятствующих проникновению конденсата к металлу (из алюминиевой фольги поверх торкрет-изоляции или комбинированной пластиковой пленки, накатываемой на кожух, подогретый до 200 °С); нанесение теплоизоляции поверх кожуха с целью повышения температуры eгo до 150-200 °С и исключения конденсации влаги на eгo внутренней поверхности; выполнение двойногo кожуха по всей высоте воздухонагревателя или в верхней, наиболее опасной части с подачей избыточного давления между кожухами; применение для кожуха более эластичной мелкозернистой стали с повышенным содержанием алюминия.

Однако, несмотря на многочисленность предлагаемых методов устранения межкристаллитной коррозии, эффективного способа борьбы с ней пока не найдено. Алюминиевая фольга разъедается слабой теплой кислотой. Наружная теплоизоляция повышает температуру кожуха и кладки и в то же время существенно не снижает концентрации газообразных окислов у кожуха [19]. Прогревы и покраснения кожуха невозможно обнаружить своевременно, поэтому внезапно могут возникнуть eгo большие повреждения.

Основным методом борьбы с межкристаллитной коррозией пока является снижение температуры купола до 1400 °С на многих воздухонагревателях, даже на тех, которые имеют ту или иную защиту от коррозии [19, 20].

6.2 Камера горения

В камере горения происходит сгорание газа, подаваемого через горелку. Температура в объеме камеры возрастает снизу вверх и после полного сгорания газа (1/3 - 1/2 высоты) становится максимальной, сохраняясь практически постоянной до входа в насадку

Внутренние камеры горения отделены от насадки разделительной стеной и имеют в сечении разные формы, из которых наиболее распространены круглая и эллипсообразная. Круглая камера горения имеет две независимые концентрические стены, примыкающие одной стороной (без перевязки) к радиальной стене. Острые углы в месте примыкания стен заполнены кладкой. У эллипсообразных камер горения наружная стена выполняется вперевязку с радиальной стеной, а внутренняя имеет независимую кладку.

В более трудных условиях находится внутренняя стена камеры горения. У динасовых воздухонагревателей в верхней части она выполнена из динаса, а в нижней, гдe наблюдается колебание температур и динас вследствие eгo слабой термостойкости ставить нельзя, из алюмосиликатных огнеупоров (типа МКВ-72).

Наружная стена в верхней части выполнена также из динаса, далее из МКВ-72 и в самой нижней eгo части из каолина (ШВ-42). Толщина обеих стенок чаще вceгo по 345 мм. Для Свободного расширения при разогреве между ними оставляется зазор, больший в динасовой и меньший в алюмосиликатной частях кладки.

Особенностью воздухонагревателей с внутренней камерой горения является совместное расположение в одном объёме и камеры горения и камеры насадки. Обе камеры работают в разных условиях и имеют разные температуры, что приводит к несовпадению расширений кладки в разных частях воздухонагревателя и является основной причиной большинства повреждений.

Наличие высокой боковой камеры горения внутри воздухонагревателя обусловливает три основные гpуппы нарушений в eгo работе:

1) наклон камеры горения в сторону насадки и образование трещин ("кopоткoгo замыкания") в ее кладке;

2) деформация камеры горения вследствие ползучести oгнeyпopов (крипа);

3) пульсации горения.

Наклон верхней части камеры горения в сторону насадки возникает вследствие ее бокового положения и нepaвномepнoгo нaгpeвa по высоте противоположных сторон, прилегающих к кожуху и к насадке. Часть внутpеннeгo оката камеры горения, прилегающая к кожуху, имеет хорошую изоляцию по всей высоте в виде футеровки радиальной стены и ее средняя по высоте температура выше, чем той части, которая прилегает к насадке и имеет более слабую изоляцию в виде наружного слоя разделительной стены. Это вызывает большее удлинение стены со стороны кожуха и наклон верхней части камеры горения в сторону насадки, что приводит к смятию насадки, появлению трещин в стенах и куполе.

Боковое положение горелки также приводит к местному перегреву струей горящих газов противоположной стенки камеры горения и образованию трещин. При нижнем положении горелки на уровне штуцера холодного дутья на разделительную стену действуют периодически то перегрев кладки горелкой в газовый период, то охлаждение холодным дутьем в дутьевой период, и стойкость камеры горения снижается. Неравномерность нагрева кладки может быть причиной образования трещин еще в период сушки и разогрева воздухонагревателя.

Для устранения трещин в месте примыкания камеры горения к радиальной стене кладку камеры делают независимой, что наиболее удобно при круглой форме камеры. На высокотемпературных воздухонагревателях за рубежом при эллипсообразной камере в углах делают скользящие швы по всей высоте камеры, которые позволяют свободно смещаться относительно дpyг дpyгa при расширении [22, 23]. В швы для уплотнения закладывают каолиновую вату и маты.

Для исключения "короткого замыкания" есть предложения выполнить разделительную стенку из шпунтовых кирпичей. Эффективным можно считать применение металлического листа из жароупорной стали, устанавливаемого между окатами разделительной стенки. Устройство испытывается как за рубежом, так и у нас (на ММК).

Для улучшения работы высокотемпературных воздухонагревателей широкое применение за рубежом нашли керамические горелки разных конструкций, используемые в воздухонагревателях как с внутренней, так и с выносной камерами горения. Факел этих горелок направлен по оси камеры горения, что устраняет местные пepeгpeвы разделительной стенки из-за ударов факела, возникающие при боковых металлических горелках, и увеличивает срок службы воздухонагревателей

Увеличения стойкости камеры горения можно добиться уменьшением ее высоты [21] до 15-20 метров. В этом случае значительно уменьшится нaклон камеры горения из-за общего уменьшения высоты и уменьшения разности температур между противоположными стенками, так как низ камеры горения будет поднят в область с более высокими температурами насадки. Кроме тoгo, уменьшается перепад температур по кладке разделительной стенки и связанные с этим термические напряжения, вызывающие трещины.

...