Предмет высокотемпературных теплотехнологических установок

Прямой коксовый газ направляется на очистку, после чего обработанный коксовый газ направляется в газосборник.

Побочные продукты коксования, добываемые из прямого коксового газа, являются ценным химическим сырьем, которое используется в различных отраслях промышленности.

Очищенный коксовый газ - высококалорийное топливо с теплотворной способностью 17-18,5 Мдж/м³. Этот газ имеет следующий средний состав: , , , , до , до 4% С_nH_m.

Для уменьшения балластных и вредных примесей угли, перед коксованием, обогащают на специальных обогатительных фабриках, с целью уменьшения зольности до 7-8%.

При коксовании одной тонны коксующихся углей в среднем получают 700-750 кг кокса, 300-320 мі прямого коксового газа, до 35 кг смол, до 11 кг бензолов, до 3 кг сульфата аммония и т. д.

Сера и зола углей остается в коксе, несколько ухудшая его качество. Теплотворная способность кокса 31-33 Мдж/м³. Кокс, по сравнению с углями, имеет большую механическую прочность, и высокую пористость, что обеспечивает большую реакционную способность при восстановительных процессах в доменной печи.

Принцип действия коксовой печи

Шихта, состоящая из смеси углей, с помощью углезагрузочного вагона подается в камеру коксования через верхние загрузочные окна.

Время коксования 14-16 часов. Выдача кокса производится по циклическому графику.

Кокс выгружается из печи со средней температурой около 1000?С и при контакте с воздухом начинается процесс горения. Для уменьшения температуры кокса после выгрузки из печи (тушения кокса) ниже 250?С, когда исключается самовозгорание, применяют два способа тушения:

- мокрое тушение, когда вагон с раскаленным коксом подается в тушильную башню, где расположена оросительная система, отстойники и вытяжная труба. Вода подается на поверхность раскаленного кокса, вызывая на его поверхности явление теплового удара. Часть кокса при этом растрескивается и осыпается. Потушенный кокс выгружается, подсушивается за счет внутреннего тепла и подается на сортировку.

- при сухом способе тушения, раскаленный кокс выгружается в специальный вагон, который подается в приемный бункер установки сухого тушения кокса (УСТК). Тушение кокса производится циркулирующим инертным газом, который подается в нижнюю часть камеры тушения. Раскаленные газы с температурой до 800?С поступают в котел-утилизатор, откуда с температурой около 200?С направляются на газоочистку и снова в камеру тушения. УСТК рассчитывается на обслуживание одной коксовой батареи.

Коксовая батарея включает в себя 60-70 камер коксования. Камера коксования представляет собой узкую щель 45-55 см шириной, до 7 м высотой и до 19 м длиной.

Кладка камер коксования производится из динаса. Топливо сжигается в простенках между камерами коксования. В качестве топлива может использоваться доменный газ, коксовый газ или их смесь.

В нижней части коксовой батареи размещены регенераторы для подогрева воздуха и топлива. При использовании, в качестве топлива, коксового газа подогрев топлива не проводится. Переключение регенераторов с режима нагрева насадки в режим дутья осуществляется каждые 15-20 минут с помощью перекидных клапанов.

Шихта загружается в печь специальным вагоном через верхние люки (3-4 шт). В зависимости от конструкции отопительного простенка, коксовые печи бывают:

- с перекидными клапанами (ПК);

- с парными вертикалами (ПВР) в отопительных простенках и с рециркуляцией продуктов сгорания.

Печи с перекидными клапанами дают существенную неравномерность по высоте камеры коксования, большее время коксования и повышенный удельный расход топлива.

В печах типа ПВР, каждый отопительный простенок разделяется на парные каналы (вертикалы) с рециркуляцией продуктов сгорания через рециркуляционные окна, внизу под камерой коксования. Рециркуляция осуществляется за счет инжектирующего действия газовоздушных струй и разности плотностей продуктов сгорания в смежных вертикальных каналах. В рециркуляции принимает участие до 40% продуктов сгорания. Рециркуляция продуктов сгорания несколько снижает температуру в зоне горения, но в тоже время зона горения растягивается, что снижает неравномерность обогрева простенков по высоте до 50-70?С.

Примерный тепловой баланс коксовой печи при отоплении доменным газом приведен в таблице.

Приход	%	Расход	%
Химическое тепло топлива, Qx.т	52-53	Физическое тепло уносимое коксом, Q''м	37-38
Физическое тепло топлива, Qф.т	22-23	Физическое тепло уносимое коксовым газом Qкокс.т.	33-34
Физическое тепло воздуха, Qф.в	25-26	Потери тепла с уходящими газами, Qух.г..	21-22
Физическое тепло шихты, Q'м	1	Потери тепла через кладку, Qкл	7-8
		Прочие потери (химический недожог, механический недожог, аккумуляция тепла кладкой и т.д.) Qх.н. ,Qм.н , Qакк.	1-2

В современных коксовых печах коэффициент использования топлива составляет 80-85%. Удельный расход тепла (топлива) на коксование зависит от влажности шихты, теплового режима и типа топлива. При отоплении коксовым газом удельные затраты тепла на 12-14% ниже, чем при сжигании доменного газа.

Повышение эффективности процесса коксования.

Повышение эффективности работы коксовых печей в первую очередь связано с утилизацией тепла раскаленного кокса, в установках сухого тушения кокса (УСТК). При тушении кокса водой все тепло кокса теряется, загрязняется атмосфера, ухудшается качество кокса и до 5% его крошится и идет в отсев.

В УСТК тепло кокса утилизируется с целью получения пара энергетических параметров Р₁=40-45 бар, t₁ = 450 єC. Паропроизводительность котла утилизатора УСТК зависит от производительности коксовой батареи и достигает 20-50 т/ч.

Камера сухого тушения кокса футеруется огнеупорными материалами. Из камеры тушения газы выходят с температурой 800?С и охлаждаются в утилизаторе до 180-200?С.

Основные мероприятия по повышению эффективности работы коксовой печи:

1. Утилизация тепла прямого коксового газа, ( в настоящее время не ведется в связи с наличием в газе смолистых и особо ценных химических веществ).

2. Применение тепловой изоляции позволяет снизить потери тепла кладкой до 6-7% от общих затрат тепла. Потери тепла кладкой, как правило, не превышают 10% затрат тепла на коксование.

3. Более полное использование теплоты продуктов сгорания путем совершенствования конструкции насадки регенераторов с целью увеличения удельной поверхности нагрева.

4. Утилизация физического тепла кокса в УСТК.

5. В настоящее время прорабатывается вопрос использования способа коксования для утилизации мусора крупных городов.

Доменные печи

Предназначены для получения чугуна из шихты, путем восстановления железа из окислов. В состав шихты входит: железная и марганцовая руда, кокс, флюсы, известняк (доломит). Перед загрузкой в доменную печь шихта просеивается, с удалением мелких фракций.

Топливом для доменной плавки служит кокс, который выполняет также функции восстановителя железа из окислов и облегчает прохождение газового потока через шихту доменной печи.

Флюсом называют добавки к шихте, необходимые для понижения температуры плавления пустой породы, золы кокса и придания шлаку, требуемых технологией выплавки чугуна физико-химических свойств. В качестве флюса чаще всего используют известняк, доломит и их смесь, которые содержат оксиды кальция и магния.

Для повышения технико-экономических показателей доменной плавки исходные материалы шихты подвергают специальной подготовке. Кокс подвергают сортировке и отсеивают мелкие фракции; железную руду дробят, сортируют, обогащают и обжигают, частично удаляя пустую породу и вредные примеси. Перед обжигом в железный концентрат добавляют марганцевую руду и флюсы. После обжига получают кусковой материал агломерат или окатыши, которые также просеивают. При агломерации происходит частичное восстановление железа из окислов.

Доменный процесс представляют собой совокупность механических, физических и физико-химических процессов, протекающих в доменной печи. В результате процессов, протекающих в доменной печи, из шихты получают чугун, шлак и доменный (колошниковый) газ.

В доменных печах можно также получить ферросилиций и ферромарганец, которые используются в сталеплавильном производстве как присадки соответствующих элементов.

Рабочее пространство доменных печей круглого поперечного сечения, конусообразной формы, объемом от 1000 до 5000 м³.

Конструкция доменных печей и скорость физико-химических процессов в ней существенно зависит от работы воздухо-дутьевой системы печи. В доменную печь воздух дутья подается под избыточным давлением до 350 кПа и с температурой до 1250єС. С повышением давления дутьевого воздуха и температуры дутья повышается скорость восстановительных реакций в доменной печи и повышается ее производительность. При этом мощность паротурбинных установок привода воздуходувок может достигать 30 МВт.

Учитывая высокое избыточное давление в рабочем пространстве печи, обмуровка печи помещается в сплошной металлический кожух, состоящий из ряда цилиндрических и конических поясов с максимальной толщиной металла в зоне лещади и горна до 40 мм выполненного из малоуглеродистой или низколегированной стали.

Огнеупорная кладка уменьшает тепловые потери и предохраняет кожух от воздействия высоких температур, агрессивного воздействия продуктов плавки и двигающейся шихты. Материал кладки огнеупоров выбирается в зависимости от температурного уровня и условий эксплуатации. Верхняя часть( колошник ), зоны заплечиков, распара и шахта печи испытывают воздействие ударных нагрузок при засыпке материалов и истирающему (абразивному) износу от движущейся шихты. Эта часть печи футеруется шамотным огнеупором класса А и Б.

Зоны лещади и горна наиболее ответственные участки доменной печи.

Нижнюю часть лещади выкладывают графитизированными блоками толщиной до 1,8 м и высокоглиноземистым или магнезиальным кирпичом толщиной до 3,5 м, которые непосредственно контактирует с расплавом чугуна. Зона горна футеруется графитовыми блоками, шамотным и высокоглиноземистым огнеупором.

Наиболее теплонапряженные участки (распар, заплечики, горн) оборудованы системой испарительного охлаждения, что позволяет значительно увеличить срок службы обмуровки печи, который достигает 4-х лет непрерывной эксплуатации.

Процесс восстановления железной руды идет с постепенным переходом окислов от высших ступеней к низшим.

Fe₂O₃ Fe₃O₄ FeO Fe

В качестве восстановителя железа выступает кокс, оксид углерода СО и водород. Однако восстановленное железо частично поглощает избыточный углерод (науглераживается) и в виде чугуна стекает в горн доменной печи, где постепенно накапливается. В составе чугуна содержится до 4% углерода и 1,5-2% других примесей: кремния, серы, фосфора и т.д. . Расплавленные примеси, зола кокса вместе с флюсами, образуют жидкотекучий шлак, который скапливается в горне над поверхностью чугуна. Из горна чугун и шлак периодически выпускают через чугунные и шлаковые летки.

В процессе доменной плавки образуется значительное количество доменного (колошникового) газа, до 2500ч2800 м³ на 1 т чугуна. Состав этого газа зависит от условий плавки и дутья, но в среднем газ имеет следующий состав: 28ч32% CO; 10ч14% CO₂; 55ч59% N₂; 0,4ч0,6% CH₄; 1,5ч2,5% H₂.

Доменный газ - ценное энергетическое сырье, которое используется как топливо, в нагревательных печах, коксовых батареях, в доменных воздухонагревателях, на ТЭЦ металлургических комбинатов. Газ используется после очистки от колошниковой пыли, количество которой достигает 20ч60 г/м³газа. Пыль после прессования направляется на агломерацию, как один из компонентов агломерационной шихты. Колошниковая пыль содержит до 55% окислов железа и до 10% коксовой пыли. Колошниковую пыль используют также, как наполнитель, при получении асфальта.

Для оценки мероприятий по снижению удельного расхода кокса и повышению производительности доменных печей рассмотрим примерный тепловой баланс плавки.

Приход тепла	Расход тепла
Процесс	%	Процесс	%
Окисление: ? углерода кокса ? водорода ? природного газа	58-62	Эндотермические реакции диссоциации	60-64
	7-9
	2-3	Потери: ? с чугуном ? со шлаком ? с газом	9-10
Экзотермические реакции	5-7		8-9
			8-9
Физическое тепло воздуха дутья	20-22	В окружающую среду и с охлаждающей водой	8-12

В целом доменная печь высокотехнологичный эффективный тепловой агрегат. Потери в окружающую среду невелики. В процессе эксплуатации происходит частичное разрушение и износ огнеупоров, что приводит к увеличению потерь в окружающую среду и с охлаждающей водой.

В доменных печах получают литейный и передельный чугун.

Литейный чугун, в виде заготовок фасонного литья, отправляется в основном на машиностроительные предприятия, где в процессе переплавки его доводят до нужного химического состава и получают готовые изделия.

Передельный чугун направляется в сталеплавильные агрегаты (конвертеры, мартеновские печи) где получают готовую сталь. Требования к качеству литейного чугуна значительно выше.

Тепло передельного чугуна используется в сталеплавильном процессе, поэтому его нельзя считать потерянным в балансе металлургического комбината. При получении готовых изделий из шлака (шлаковаты, пеношлаковых и плотных литых изделий), можно считать это тепло полезно используемым. При реализации гранулированного шлака или использовании его как добавки к некоторым видам цементов, можно полностью компенсировать тепловые потери со шлаком.

В настоящее время ведутся работы по утилизации энергии колошникового газа, который выходит с температурой 250ч280єС и избыточным давлением до 0,2 МПа. Энергия газа после газоочистки может использоваться в газовой турбине.

Повышение производительности доменной печи тесно связано с методами интенсификации доменного процесса:

? совершенствование способов подготовки и улучшение качества исходных материалов, использование обогащенной руды, агломерата, высококачественных флюсов и кокса в оптимальных соотношениях;

? высокотемпературный нагрев дутья, температура которого, может достигать, 1300єС, позволяет снизить расход кокса, а следовательно и расход и температуру колошникового газа, увеличить производительность печи, уменьшается при этом несколько расход шлака, но повышается температура чугуна и шлака;

? увлажнение дутья до 35г/м³ повышает производительность на 10ч12% и снижает расход кокса и количество дутья до 6%. Это происходит за счет диссоциации водяных паров на водород и кислород в высокотемпературной зоне

Увеличение количества восстановленных газов Н₂ и СО и приводит к повышению производительности печи;

? обогащение дутья кислородом до 26% дает положительный эффект при выполнении мероприятий снижающих максимальную температуру в зоне горна (увлажнение дутья и подача природного газа);

? вдувание в горн углеводородсодержащих добавок включает: подачу природного или коксового газа до 10% от расхода кокса, вдувание угольной или коксовой пыли, а также мазута или нефти. В последние годы используется совместная подача в горн пыли и газообразного топлива, что позволяет снизить до 10% расход кокса и до 16% увеличить производительность печи. В европейских странах в высокотемпературную зону подают нефть.

Использование комбинированного дутья, увлажненного воздуха, обогащенного кислородом совместно с газообразным топливом и пылью получило наибольшее распространение на Украине и дает большой эффект. Одна доменная печь может давать более 2,5 млн. т. чугуна в год

Мартеновские печи.

История развития.

Мартеновские печи - сталеплавильные печи ванного, регенеративного типа.

Первая печь такого типа была построена П. Мартеном (Франция) в 1864 году. Идея мартеновской регенеративной печи принадлежит Ф. Сименсу (Германия).

В настоящее время новые мартеновские печи не строятся, а старые постепенно выводятся из эксплуатации. В 50-х годах XX-го столетия в мире до 80% стали выплавлялось в мартеновских печах, а в настоящее время, не более 3%. Начиная с 60-х годов ХХ века, происходит постепенное вытеснение мартеновского способа плавки, кислородно-конверторным способом, которым получают более 60% процентов мирового производства стали и электродуговым способом (более 30%).

Принцип действия

Мартеновские печи энергоемкие и имеют большие габариты (садка печи составляет 600-900т). Достоинством мартеновских печей можно считать возможность перерабатывать большое количество металлического лома и чушкового передельного чугуна на метзаводах не имеющих доменных печей и в регионах с избытком металлического лома. Но на таких заводах, как правило, печи отапливаются природным газом и мазутом, что значительно повышает себестоимость стали по сравнению с печами, садкой которых является жидкий чугун, так как современные цены на топливо очень высокие.

В мартеновских печах работающих на природном газе и мазуте - газовые регенераторы отсутствуют. При сжигании коксо-доменного газа происходит его подогрев в регенераторах (как и воздуха) до 1100-1150?С. Температура уходящих газов за регенераторами 400-800?С, поэтому для утилизации тепла уходящих газов устанавливаются котлы утилизаторы. Время плавки зависит от способа плавки и емкости печи и колеблется от 4 до 6 часов.

Способ мартеновской плавки зависит от состава шихты используемой во время процесса. Различают два основных способа выплавки стали в мартеновских печах:

1. Скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) более чем на 50%, чушкового передельного чугуна 25-45% и флюсов; данный процесс применяется на заводах, не имеющих доменных печей.

2. Скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из стального лома 40-50 %, жидкого чугуна, обогащенной железной руды и флюсов.

В зависимости от состава флюсов и материалов огнеупоров процесс плавки может быть основным или кислым.

В печах с кислой футеровкой (используется динас кварц и кварцевый песок) при плавке стали образуется кислый шлак, который почти не содержит окиси кальция, но зато имеет повышенное содержание кремнезема .

При ведении кислой мартеновской плавки затруднено удаление из расплава серы и фосфора, поэтому изначально шихта используется более чистая (цена выше) и процесс плавки длится дольше, чем при основном.

В результате плавки в кислой среде получают сталь высокого качества, которая используется при изготовлении особо ответственных изделий:

- крупных коленчатых валов;

- роторов турбин;

- стволов артиллерийских орудий;

Металл таких изделий должен иметь высокие изотропные и прочностные свойства.

Более 95% мартеновской стали получают путем основной выплавки (скрап-процесс и скрап-рудный процесс).

В качестве огнеупоров, в основном мартеновском процессе, используются магнезиальные огнеупоры (основа ), а в шлаке преобладают основные окислы , . Для этого в шихту добавляют доломит, известняк, плавиковый шпат и др., которые обеспечивают протекание окислительных реакций и удаление вредных примесей из расплава, в том числе фосфора и серы.

Загрузка шихты осуществляется через загрузочные окна, после чего в печь подается топливо и подогретый в регенераторах воздух. Шихта подогревается до температуры 800-850?С после чего в печь (в специальных миксерах) подается жидкий чугун. Количество металлического лома и чугуна может колебаться в различных диапазонах в зависимости от разновидности процесса плавки. После заливки чугуна, через свод, вводятся кислородные фурмы, через которые подается технический кислород непосредственно в расплав.

Подача кислорода резко повышает температуру расплава и ускоряет удаление из расплава углерода, серы и фосфора. В дальнейшем высокая температура плавки поддерживается за счет сжигания топлива (природный газ, коксовый и доменный газы, смеси газов, мазут) в потоке подогретого воздуха. Избыток кислорода в продуктах сгорания ускоряет процесс окисления элементов шихты, сокращает время плавки.

В завершающем периоде плавки проводят раскисление и легирование расплава, т. е. доведение расплава до заданного химического состава.

Выпуск металла из печи производят через специальные отверстия в задней стенке печи в сталеразливочный ковш, который подается к изложницам или на установку непрерывной разливки стали. Доводку стали иногда проводят в ковше, добавляя в него определенные флюсы и легирующие добавки.

Тепловой баланс мартеновской печи.

Наиболее полное представление о тепловых процессах, происходящих в печи, дает анализ теплового баланса.

В качестве примера рассмотрим тепловой баланс мартеновской печи садкой 190т.

Примерный тепловой баланс мартеновской печи работающей на коксо-доменной смеси:

Приход тепла	Расход тепла
Наименование приходных статей	величина	Наименование расходных статей	величина
	%		%
С жидким чугуном	8-10	С расплавом стали	17-18
Тепло экзотермических реакций	13-14	С расплавом шлака	3-4
Химическое тепло топлива	48-50	Эндотермические реакции в печи	12-13
Физическое тепло топлива	9-11	Потери тепла с уходящими газами	47-50
Физическое тепло воздуха	18-20	С охлаждающей водой	8-10
		Потери через кладку и излучение через окна	5-6
		Потери тепла с выбиваемыми газами	4-5

Анализируя тепловой баланс мартеновской печи необходимо отметить, что количество тепла, поступающее в печь от сжигания топлива, составляет только половину от необходимого тепла. Существенный вклад в приход тепла вносят экзотермические реакции выгорания примесей и окисления самого металла, особенно в период продувки ванны кислородом. Значительное количество тепла (до 30%) вносится с подогретыми в регенераторах газом и воздухом, остальное тепло поступает с жидкими чугунами. Тепло вносимое со скрапом и флюсами, можно не учитывать, т.к. оно составляет доли процентов, от общего количества вносимого в печь тепла.

В расходной составляющей теплового баланса- тепло теряемое с расплавом стали. Это относительно небольшая величина потерь и уменьшить эти потери невозможно. Возможна частичная утилизация тепла стали в изложницах.

Количество шлака, а соответственно и потери тепла с расплавом шлака, в мартеновских плавках, не велико, около 3%.

Значительное количество тепла отводится из печи с продуктами сгорания (до 50%), однако часть этого тепла аккумулируется кладкой регенераторов и возвращается в печь с физическим теплом воздуха и газа (до 30%).

Эндотермические реакции в печи поглощают существенное количество тепла (более 10%), это тепло расходуется на разложение железной руды, известняка, испарение влаги, диссоциацию продуктов сгорания и топлива. Эти потери неизбежны при ведении высокотемпературной плавки.

Ряд потерь существенно зависит от хода процесса плавки и срока эксплуатации печи. Это потери с охлаждающей водой, с излучением через окна, потери через кладку и потери с выбиваемыми газами.

В процессе эксплуатации печи происходит частичное разрушение кладки печи. При этом ухудшается изоляция водоохлаждаемых элементов, в стенах появляются микротрещины, что существенно увеличивает потери с охлаждающей водой и выбиваемыми газами. Утончение кладки увеличивает потери в окружающую среду, потери излучением через окна практически неизменны в процессе эксплуатации.

Однако через окна (гляделки завалочных окон) выбивается часть высокотемпературных газов. Мартеновские печи работают под небольшим избыточным давлением (максимально 40-45Па). Однако на уровне завалочных окон должна проходить нулевая линия давления. Только в этом случае потери с выбиваемыми газами будут минимальные. Уменьшение давления приводит к подсосу холодного воздуха в рабочую зону печи, понижению температуры и как следствие повышению расхода топлива.

Значительное влияние на тепловой баланс печи оказывают потери через кладку (до 10% от тепла топлива).

Повышение эффективности мартеновских печей.

Поскольку температура кладки находится на уровне начала размягчения огнеупоров, наложение тепловой изоляции отрицательно повлияет на стойкость огнеупоров и прочность печи. С учетом свойств огнеупоров необходимо внедрять мероприятия способствующие увеличению срока службы кладки и свода печи. Основным является внедрение системы испарительного охлаждения стен и свода печи. По мере разрушения кладки растут потери тепла, которые воспринимаются водоохлаждаемыми элементами, с выработкой большого количества пара. Принудительное охлаждение кладки снижает темпы её разрушения и срок службы кладки печи увеличивается в 2-2,5 раза, что существенно снижает затраты на выплавку стали.

На эффективность плавки влияет также работа регенераторов, поскольку каждые 10-15минут они переключаются из режима нагрева насадки в режим дутья. Для каждого периода работы печи есть свое оптимальное время переброски клапанов. В период завалки до 15 минут, в период плавки до 10минут.

На скорость плавки существенно влияет интенсивность кислородной продувки расплава, что позволяет сократить время плавки примерно в 2 раза. При этом следует учитывать: стоимость кислородного дутья, увеличение запыленности продуктов сгорания до 30 г/м³, увеличение угара железа в расплаве с образованием пылевидных оксидов. Мартеновская пыль содержит более 70% окислов железа.

Практика показала, что с повышением емкости печи, удельный расход тепла на тонну стали снижается

При массе 100т. q = 6,15 мДж/кг;

При массе 300т. q = 4,75 мДж/кг;

При массе 600т. q = 4,1 мДж/кг;

Коэффициент использования тепла мартеновских печей 30-34%, в зависимости от емкости печи.

КОНВЕРТЕРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Конвертерное производство - это получение стали в плавильных конвертерах, грушеобразной формы, путём продувки жидкого чугуна сжатым воздухом или кислородом. При этом в расплаве происходит интенсивное окисление более активных примесей (углерода, кремния, марганца, серы, фосфора и т.д.), и дальнейшее удаление их из расплава.

Первую конвертерную плавку в печи с кислой футеровкой провел англичанин Генри Бессемер в 1856 году, продувая расплав чугуна воздухом. Для выплавки стали таким способом требовался чугун с низким содержанием серы и фосфора, что в то время было не всегда доступно.

В 1878 году англичанин Сидни Томас, применив основную футеровку, провёл плавку стали, используя высокофосфорный чугун. При этом удаление фосфора в шлаках производилось с помощью извести.

Качество стали первых конвертерных плавок было довольно низким, и длительное время этот способ производства стали не получал широкого развития, т.к. при продувке воздухом металл насыщался азотом.

В 1936 году советский инженер Н.И.Мозговой, в Киеве, впервые в мире, применил кислородную продувку расплава чугуна. Полученная сталь была более высокого качества, при значительно меньших затратах, чем в традиционном мартеновском производстве.

Вторая мировая война и высокая энергоемкость получаемого кислорода затормозила внедрение новой технологии плавки в массовое производство. Только в середине 50-х годов ХХ столетия началось массовое строительство кислородно-конвертерных цехов.

В настоящее время в мире работает около 700 конвертеров (производительность самых мощных из них это 300 и 400 т.). Применяются они всего в 10ти странах мира, в том числе и в Украине.

В мире выплавляется за год более 1200 млн. т. стали, из них 67% конвертерным способом, более 30% электросталеплавильным и около 2-3% мартеновским.

Принцип действия.

Конвертер имеет грушевидную форму с концентрической горловиной в верхней части.

Кожух конвертера выполняется сварным из стальных листов толщиной 20-100 мм. В центральной части конвертера крепятся цапфы, соединяющиеся с устройством наклона конвертера. В период плавки конвертер вращается вокруг оси со скоростью 2-3 оборота в минуту. Внутри конвертер футеруется огнеупорной кладкой. Футеровка многослойная с толщиной кладки 700-900 мм, при использовании смолодоломитомагнезитового кирпича, смолодоломитомагнезитовой набивки и хромомагнезитового кирпича. Срок службы футеровки боковой поверхности конвертера составляет 600-1200 плавок, для днища срок службы футеровки не превышает 300-400 плавок. Для конвертеров емкостью 100 т и менее, применяются съемные днища, для конвертеров большей емкости днище наглухо приваривается. Продлению срока службы футеровки способствует торкетирование - нанесение на наружный слой кладки огнеупорной массы, особенно на днище.

Процесс получения стали в кислородном конвертере состоит из ряда последовательных операций:

– осмотр конвертера и частичное восстановление сколов футеровки (по необходимости);

– загрузка металлического лома до 30% садки, и нагрев его с помощью горелочных устройств до температуры 800°С;

– заливка жидкого чугуна;

– продувка кислородом, при этом резко растёт температура в зоне дутья (до 2000°С): идёт экзотермический процесс окисления углерода (С), кремния (Si), марганца (Mn), фосфора (P) и железа (Fe). Угар железа составляет 10-15%;

– параллельно с продувкой кислородом в печь подаётся шлакообразующая шихта и обогащённая железная руда: шлак сильно влияет на скорость окисления углерода, кремния, марганца, фосфора и удаления их из расплава;

– по достижении заданного содержания углерода в расплаве кислородное дутьё прекращают, фурму поднимают. Конвертер наклоняют для слива стали, с температурой более 1600°С, через лётку в ковш ; металл имеет повышенное содержание кислорода, поэтому в ковше производят заключительную операцию - раскисление металла путём внесения в ковш раскислителей и легирующих добавок; шлак сливается в шлаковый ковш.

Во время кислородной продувки в конвертере образуется значительное количество сильно запылённых ,горючих конвертерных газов, которые отводятся с температурой до 1600°С в котёл утилизатор (охладитель конвертерных газов), который работает с дожиганием и без дожигания конвертерного газа.

В среднем получают 80 м³ конвертерного газа на 1т. стали, при среднем его составе: СО₂ - 10%, СО - 85%, N₂ - 5% и теплотворной способности .

Определённые трудности с утилизацией тепла конвертерного газа заключаются в неравномерности его выхода и непостоянстве его химического состава. Учитывая отравляющие свойства газа СО дожигание газа производят с большим коэффициентом избытка воздуха б>2.

Анализ тепловой работы конвертера на основании теплового баланса.

Тепловой баланс кислородно-конвертерной плавки на 100 кг шихты при доле лома 20% без дожигания газа в охладителе представлен в таблице.

Приход тепла	%	Расход тепла	%
С жидким чугуном, Qм'	42-43	Со сталью, Qм''	69-70
От экзотермических реакций, Qэкз	54-55	Со шлаком, Qшл	15-16
Тепло топлива на подогрев лома, Qт	4-5	С конвертерными газами, Qух.г.	12
		Потери тепла через кладку и горловину, Qокр.ср.	2-3

Из теплового баланса следует, что основная часть тепла поступает от экзотермических реакций (54%) и с жидким чугуном (до 43%). Тепло, поступающее с холодной шихтой, в тепловом балансе не учитывается в связи с малым вкладом (менее 0,1%). Если в садке печи меняется количество металлического лома, то соответственно меняется и количество тепла, необходимого для его нагрева до 6-7%. Тепло, расходуемое на нагрев жидкой стали и шлака, считается полезным, так как оно затрачено на получение основного (стали) и сопутствующего (шлака) продуктов плавки. В тепловом балансе печи (без котла-утилизатора) полезно используемое тепло составляет до 85%, что в 2 раза выше аналогичных показателей мартеновской плавки. Около 12% физического тепла отводится вместе с конвертерными газами. Однако эти газы обладают значительным запасом химической энергии, поэтому утилизация тепла конвертерных газов имеет большое значение.

При реализации схемы с дожиганием котёл-утилизатор имеет большие размеры, однако эффективность его работы невелика в связи с существенной неравномерностью выхода этих газов в период плавки. Значительные затраты требуются также для увеличения габаритов цехов. Неравномерность выдачи пара усложняет эффективность его использования, а применение аккумуляторов пара усложняет и удорожает теплоиспользование. Поэтому в последнее время реализуют схемы утилизации газа без дожигания. Охлаждённые конвертерные газы поступают на газоочистку и подаются в газгольдер.

Конвертерные газы используют как топливо в нагревательных печах и котельных установках.

Повышение эффективности работы кислородно-конвертерных печей.

Повышения эффективности работы конвертеров можно добиться за счёт:

– уменьшения времени плавки при более эффективном использовании кислородного дутья (применение многоструйных форм, калиброванное дутьё - верхнее, боковое, нижнее); средний расход кислорода 50-55м³ на тонну чугуна;

– повышение качества шихты и увеличение доли лома в шихте до (35%);

– улучшение качества огнеупорных материалов, увеличение срока службы футеровки конвертера, то есть увеличение межремонтных сроков эксплуатации;

– частичное восстановление футеровки между плавками;

– применение системы испарительного охлаждения (СИО) боковой поверхности конвертера, что значительно увеличивает срок службы огнеупора;

– эффективное использование тепла конвертерных газов и СИО в котлах-утилизаторах, полная утилизация пыли конвертерных газов, содержащей до 70% оксидов железа.

Нагревательные печи.

Нагревательными печами обычно называют печи для нагрева металла перед последующей обработкой давлением (прокаткой, ковкой, штамповкой). При нагреве металл становится более пластичным, что значительно уменьшает энергозатраты на его деформацию. Максимальная температура нагрева ограничена, так называемой, температурой пережога, когда на границах зерен металла возникает жидкая фаза. Это приводит к уменьшению механической связи зерен и потере прочности материала. Для большинства углеродистых сталей это температуры 1330-1380?С. Рабочая температура в печи, как правило, не превышает 1400-1450?С.

Принцип действия

Перед проведением пластической деформации, большое значение имеет равномерность нагрева материала, которая зависит от разности температур поверхности и оси заготовки. Поскольку температура нагрева влияет на пластические свойства материала, то неравномерность нагрева может вызвать, в дальнейшем, неравномерную деформацию. Обычно принимают допустимый конечный перепад температур по толщине заготовки 2 ⁰С/см. Уменьшение этой разницы повышает качество проката, но увеличивает время нагрева заготовок, снижает производительность печи, и увеличивает угар металла.

Нагревательные печи делятся на:

- печи непрерывного действия (методические печи);

- печи периодического действия (нагревательные колодцы).

Для нагрева крупных заготовок весом до 35 тонн, как правило, используются нагревательные колодцы, в которых вертикально располагают 5-7 иногда до 14 слитков (садка печи). Группа нагревательных колодцев обеспечивает бесперебойную работу прокатного стана. Сталеплавильные печи выдают плавки с определенным временным интервалом. Мартеновские печи с интервалом 4-6 часов, конвертеры 1-1,5 часа. После выработки своего ресурса печи останавливают на ремонт. В этот период времени нагревательные колодцы используют, для нагрева, заготовки со складов. Такие печи выполняют роль своеобразного буфера между плавильными печами и прокатными станами, обеспечивая их непрерывную работу.

Различают режимы нагрева металла в нагревательных колодцах:

- из холодного состояния;

- из неостывшего состояния.

При нагреве холодных слитков из углеродистых и легированных сталей, первая стадия нагрева происходит при пониженной мощности и температуре печи. «Осторожный» нагрев идет до достижения на оси температуры 550?С, когда практически исчезают упругие свойства металла. В дальнейшем скорость нагрева, мощность и температуру печи увеличивают. При нагреве неостывших заготовок (горячем посаде) с температурой более 500?С, ограничений по скорости нагрева почти нет, для всех марок стали.

Время нагрева слитков зависит от температуры печи и заданной конечной неравномерности нагрева слитка, которая обычно составляет 1-2 град на 1см толщины заготовки, что удовлетворяет условиям пластической деформации. Уменьшение неравномерности нагрева слитка до 0,5град на 1см, увеличивает время нагрева до 20%, уменьшает производительность печи и самое главное увеличивает угар металла с 1-1,5% до 2,5%.

Рабочая температура в нагревательных колодцах составляет 1350-1400?С. Тепловую мощность нагревательных колодцев выбирают так, чтобы обеспечить быстрый подъем температуры кладки и поверхности слитков в начале нагрева.

На заводах с высокой культурой производства, доля нагрева неостывших заготовок достигает 90-95%. Чем выше процент горячего посада и начальная температура слитков, тем меньше время нагрева заготовок, больше производительность нагревательных колодцев и тем ниже удельный расход топлива на нагрев металла.

Каждый нагревательный колодец в отдельности называется ячейкой. Несколько ячеек составляют группу. Для группы ячеек предусмотрена одна дымовая труба и помещение для КИП.

Современные нагревательные колодцы это камерные печи периодического действия, с периодическим во времени тепловым и температурным режимами.

В процессе нагрева металла происходит его поверхностное окисление с образованием окалины. Существует два способа удаления окалины: сухой и жидкий способ.

При сухом способе окалиноудаления на подину засыпается коксик, который впитывает окалину и через 5-6 садок удаляется через специальные лючки.

При жидком шлакоудалении подину выполняют из материала не взаимодействующего с окалиной (обычно магнезит или хромомагнезит). Окалина в жидком состоянии удаляется через специальную летку.

Каждый из этих способов имеет свои недостатки.

При сухом способе окалиноудаления имеют место:

- дополнительные затраты на засыпку и удаление коксика;

- науглероживание донной части слитков;

- запыленность помещений коксовой пылью;

- наличие хранилищ коксика;

- отрицательное влияние коксовой пыли на стойкость огнеупоров кладки печи и воздухоподогревателей.

При жидком шлакоудалении:

- увеличены потери тепла с окалиной;

- необходимо вводить добавки снижающие температуру плавления окалины;

- в целом стойкость кладки и срок ее службы ниже, особенно подовой части печи.

Футеровка печи

Футеровка нагревательных колодцев, как правило, трехслойная:

- внутренний слой подовой части из магнезита или хромомагнезита; средний слой из шамота; наружный слой теплоизоляции из диатомитового кирпича;

- нижняя часть стен (внутри) до 1м высоты, футеруется магнезитом или хромомагнезитом, выше динасом; средняя часть кладки из шамота; теплоизоляция из диатомитового кирпича.

В футеровке крышек применяется шамот или коалиновый кирпич, обладающий большей огнеупорностью и стойкостью. Верхняя, съемная часть печи (крышка), в большинстве случаев - водоохлаждаемая.

Кладка регенераторов выполняется из динаса и шамота.

При использовании в кладке динаса необходимо учитывать его низкую термостойкость, поэтому нельзя допускать резкие колебания температур, особенно при нагреве холодных слитков. Температура динаса не должна опускаться ниже 1000 ⁰С.

В целом кладка регенеративных нагревательных колодцев служит до 9 месяцев, внутренний слой до трех месяцев.

В рекуперативных нагревательных колодцах срок службы кладки примерно в два раза больше.

Колодцы отапливаются смесью коксового и доменного газа с теплотворной способностью Q^н_р < 8000 Мдж/м³.

Время нагрева слитков, главный фактор влияющий на производительность печей. При нагреве слитков из холодного состояния применяется трехступенчатый режим нагрева:

1) предварительный нагрев до температуры 550?С, когда металл приобретает пластические свойства;

2) ускоренный нагрев при максимальной тепловой мощности печи до конечной температуры поверхности заготовок;

3) период выдержки со снижением тепловой мощности, когда идет выравнивание температуры по толщине заготовок, при практически постоянной температуре поверхности заготовок, процесс томления. Конечный перепад температур в конце нагрева, не должен превышать 2?С на 1 см толщины заготовки.

В настоящее время более эффективными являются рекуперативные нагревательные колодцы с одной горелкой. Регенеративные колодцы постепенно выводятся из эксплуатации, как менее эффективные.

Тепловой баланс

Примерный тепловой баланс камеры нагрева за один цикл нагрева, при работе на коксодоменной смеси и холодном посаде приведен в таблице.

Приход тепла	Расход тепла
%	%
Горение топлива	57-60	Тепло металла	29-31
Окисление железа	3-4	Тепло окалины	1-2
Физическое тепло газа	17-20	Тепловые потери рабочей камеры	8-9
Физическое тепло воздуха	16-19	Тепло с уходящими газами	53-56
		Тепло от механ. и хим. недожога	2,0
		Тепло с охлаждающей водой	3-4

Повышение эффективности.

Повышение эффективности работы нагревательных колодцев и их производительность зависит от ряда факторов:

- времени нагрева заготовок;

- выдерживания графика нагрева заготовок;

- времени перезагрузки печи;

- качества используемого топлива и формирования нужной формы факела

- полноты утилизации тепла уходящих газов.

Нагрев неостывших заготовок существенно сокращает время нагрева более чем в 2 раза и соответственно снижаются энергозатраты на нагрев и регулирование температурного режима в печи. При этом несколько увеличивается срок службы обмуровки печи, т.е. увеличивается межремонтный срок.

При точном выдерживании графика нагрева удается минимизировать угар материала и снизить возникающие термические напряжения.

Эффективность в большинстве пламенных печей сильно зависит от работы горелочных устройств, оптимального соотношения газ - воздух и особенно от температуры подогрева воздуха и низкокалорийного топлива. Высокотемпературный подогрев воздуха и топлива существенно снижает расход топлива и снижает потери печи с уходящими газами.

Толкательные методические печи.

История развития.

Толкательные методические печи предназначены для нагрева стальных заготовок прямоугольного или круглого первоначального сечения перед прокаткой. Имеет место тенденция по увеличению длины заготовок и как следствие по увеличению ширины толкательной печи, что значительно усложняет процесс её эксплуатации. В последнее время все больше внедряются современные нагревательные печи с шагающими балками, работающими в режиме методического нагрева. Однако методические печи остаются основными печами, обеспечивающими бесперебойную работу прокатного оборудования.

Технологические особенности работы методической печи

Основным признаком классификации методических печей, является число зон. Число зон сжигания топлива характеризует конструктивные особенности печи, профиль рабочего пространства и т.д. Число температурных зон характеризует режим её работы.

Различают двухзонный и трехзонный температурный режим печи. При двухзонном температурном режиме рабочее пространство печи, по длине, делиться на две характерные зоны: методическая зона - зона предварительного нагрева материала, в которой сжигание топлива не происходит, при этом значительно снижается рабочая температура (температура уходящих газов); сварочная зона - зона с наиболее высокой и маломеняющейся в пределах зоны температурой.

Сварочных зон может быть несколько, т.е. двухзонный температурный режим может быть реализован при любом числе зон сжигания топлива. В каждой сварочной зоне уровень температур практически одинаков. При высокой производительности печи и значительной толщине заготовок длина зоны нагрева увеличивается. Однако при длине сварочной зоны более 9 м, трудно обеспечить расчетное постоянство температур по длине зоны, следовательно, при большой расчетной длине сварочной зоны ее делят на 2 - 3, а то и более зон.

В сварочной и методической зонах может применяться односторонний или двухсторонний нагрев материала. Для увеличения производительности печи, уменьшения времени нагрева, и как следствие, уменьшения угара металла, в настоящее время применяется двухсторонний нагрев. При одностороннем нагреве заготовки располагаются на специальных продольных направляющих монолитного пода. Движение заготовок осуществляется навстречу газовому потоку из методической зоны в сварочную. В методической зоне идет предварительный нагрев материала до начала состояния пластичности. В сварочной зоне температура и интенсивность нагрева максимальна, следовательно влияние лучистого теплообмена на нагрев материала значительно выше чем в методической зоне.

При двухстороннем нагреве материал движется по водоохлаждаемым, глиссажным трубам навстречу газовому потоку. Глиссажные трубы поддерживаются опорными водоохлаждаемыми трубами.

В местах контакта материала с трубой, образуется зона местного недогрева заготовки. При этом разность температур по толщине заготовки в зоне контакта с трубой может достигать 300 °С. Чтобы выровнять температуру по сечению заготовки, в печи предусмотрен участок с монолитным подом длиной до 6 м. На этом участке нагрев заготовки односторонний (только сверху). Отсутствие водоохлаждаемых труб в зоне с монолитным подом, способствует быстрому выравниванию температуры по сечению. Конечный перепад температур, не должен превышать 2 °С на 1 см толщины заготовки.

Если рабочая температура в зоне с монолитным подом соответствует температуре в сварочной зоне - эта зона называется сварочной с монолитным подом. Если же температура ниже чем в сварочной зоне на 20 - 40 °С, то эта зона называется томильной, а печи с томильной зоной - трехзонными.

Снижение рабочей температуры, в томильной зоне, способствует уменьшению угара металла. В томильной зоне преобладает внутренний теплообмен, в результате уменьшается перепад температур по толщине заготовки, а температура наружной поверхности растет незначительно.

В качестве топлива в методических печах используется смесь доменного и природного или доменного и коксового газов, с теплотворной способностью . В качестве резервного топлива может применяться мазут.

Частичная утилизация тепла уходящих из печи газов с температурой 850 - 1000 °С, осуществляется в воздухоподогревателе. Подогрев воздуха до температуры 400-450 °С происходит, как правило, в металлических трубчатых U-образных рекуператорах.

Футеровку стен и свода выполняют из шамота типа А и В. В некоторых случаях свод сварочной зоны выполняют из динаса. Подовую часть печи выполняют из огнеупорного материала, не взаимодействующего с окалиной (магнезит или хромомагнезит). Для уменьшения потерь тепла с охлаждающей водой, глиссажные и опорные трубы теплоизолируют, как правило, пеношамотной полукорковой изоляцией с внутренним слоем из волокнистых термостойких материалов.

Анализ работы нагревательных печей удобно проводить на базе теплового баланса.

Приходную часть теплового баланса печи определяет тепло горения топлива до 85%, с нагретым воздухом вносится до 12% и за счет экзотермических реакций окисления металла поступает около 4% тепла. Необходимо учитывать, что тепло экзотермической реакции окисления выделяется непосредственно на поверхности нагреваемого заготовки и практически полностью поглощается материалом.

Способы повышения эффективности работы методических печей

На эффективность работы методических печей влияет: температура уходящих газов, температура подогрева воздуха подаваемого на горение, коэффициент избытка воздуха в топочном пространстве печи, потери с охлаждающей водой, потери в окружающую среду через кладку и окна, предварительный нагрев заготовок перед подачей в печь.

Коэффициент использования тепла в печах данного типа составляет

з = 0,54-0,56

После рекуператора могут устанавливать котел утилизатор, что позволяет снизить температуру уходящих газов до 200 °С. С понижением температуры уходящих из печи газов, увеличивается коэффициент использования тепла однако, при этом, уменьшается скорость нагрева материала и как следствие, уменьшается производительность печи. Удельный расход топлива, в этом случае будет увеличиваться.

Существенное влияние на экономические показатели печи оказывают: коэффициент избытка воздуха, качество смешения топлива и воздуха, выбивание продуктов сгорание через окна и неплотности печи. Все эти недостатки устраняются правильной регулировкой и настройкой горелочных и тягодутьевых устройств.

Потери тепла с охлаждающей водой в печах с двухсторонним обогревом заготовок составляют 15 - 20% и более. Переход от водяного к испарительному охлаждению позволяет существенно уменьшить эти потери (за счет уменьшения теплоперепада между трубой и печью более чем на 100 °С), уменьшить отвод тепла от заготовок к глиссажным трубам (за счет увеличения температуры поверхности глиссажных труб), увеличить производительность печи (меньше тепла отводиться к трубам, быстрее нагреваются заготовки). А также, можно полезно использовать пар системы испарительного охлаждения, особенно в сочетании с котлом утилизатором.

Установками испарительного охлаждения оборудуются вновь строящиеся и реконструируемые нагревательные печи. При испарительном охлаждении увеличивается срок службы подовых труб до 10 и более лет. Паропроизводительность систем испарительного охлаждения в крупных печах достигает 60 т/ч с давлением 1,2 - 1,5 МПа.

Существенное снижение удельных затрат тепла (до 15 %) и увеличение производительности печи можно достичь организацией предварительного струйного нагрева заготовок в специальных камерах.

Принцип нагрева состоит в том, что отходящие газы с высокой скоростью подаются на поверхность металла через специальные сопла, обеспечивая высокий коэффициент теплоотдачи. Камера предварительного нагрева может выполняться как продолжение печи со стороны загрузки материала или сбоку как пристройка. Продукты сгорания подаются в камеру высокотемпературным дымососом по специальным футерованным каналам.

Стекловаренная печь

История развития.

Наиболее древние рукотворные изделия из стекла, найдены на территории древнего Египта в районе города Фивы - датируется 35 в. до н.э., это были, как правило, украшения, но уже в 16 в. до н.э. в Месопотамии и Египте делались стеклянные вазы. Позже производство стекла освоили в Греции, Китае, Индии. Однако массовое производство стекла началось только в 13 веке в Италии и постепенно расширилось по всей Европе.

В начале XX века производство листового стекла было механизировано и автоматизировано.

Получают листовое стекло вытягиванием из печи между двух роликов и протягиванием расплавленного стекла по поверхности ванны с расплавленным оловом (флоат-метод).

...