Металлургическая теплотехника


МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ




                ТЕПЛОТЕХНИКА




Учебное пособие








Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК (669.04+621.7):621.43.016
ББК 31.31
     М54

Авторы:
     В. И. Лукьяненко, Г. Н. Мартыненко, А. В. Исанова,
В. В. Черниченко

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры атомных электрических станций Международного института компьютерных технологий Щитов В. В.;
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры теоретической и промышленной теплоэнергетики Воронежского государственного технического университета Бараков А. В.

М54     Металлургическая теплотехника : учебное пособие /
      [В. И. Лукьяненко и др.]. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 200 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0626-0

      Рассмотрены состав топлива и процессы, протекающие при его горении. Показано основное и вспомогательное оборудование металлургических производств, литейных и термических цехов машиностроительных заводов. Раскрыты методы утилизации теплоты и очистки дымовых газов, описано соответствующее оборудование.
      Для студентов металлургических и машиностроительных направлений подготовки.

УДК (669.04+621.7):621.43.016
ББК 31.31



ISBN 978-5-9729-0626-0 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
© Оформление.
Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ВВЕДЕНИЕ

     Производство чёрных и цветных металлов, лежащее в основе развития современной техники, связано с протеканием высокотемпературных, весьма энергоемких процессов.
     Развитие металлургии, а также различных ее переделов всегда сопряжено с совершенствованием существующих или внедрением новых теплотехнических процессов.
     При выплавке чугуна в объёме доменной печи протекают сложнейшие теплофизические процессы. К ним относятся гидродинамические и тепломассообменные процессы в слое, горение кокса и др. Совершенствование работы доменных печей всегда связано с воздействием на протекание теплофизических процессов.
     Рассмотрение условий развития процессов производства стали в конвертерах, мартеновских и электропечах убеждает, что и в этом переделе важную роль играют теплофизические процессы.
     Кислородно-конвертерный процесс основан на взаимодействии кислородной струи с расплавленным металлом — сложнейшем теплофизическом процессе, определяющем гидродинамику и тепломассоперенос в ванне расплавленного металла. Повышение производительности и качества работы мартеновских печей всегда связано с интенсификацией гидродинамических и тепломассообменных процессов.
     В электросталеплавильных печах гидродинамические и тепломассообменные процессы также являются основными.

3

♦----------------------------------------------------♦

     Важнейшая роль принадлежит теплотехническим процессам и в производстве и термической обработке проката. Качественный нагрев металла перед обработкой давлением — совершенно необходимое условие для нормальной работы прокатного и кузнечного оборудования. Термическая обработка прокатной продукции основана на соответствующих тепломассообменных процессах, осуществляемых в печах специального назначения.
     Немало подобных примеров, подтверждающих положение о том, что теплофизические процессы — стержень современной металлургии, можно было бы привести и из практики работы заводов цветной металлургии и машиностроения.
     В современном понимании печь — это тепловой агрегат, в котором происходит получение теплоты из того или иного вида энергии и передача ее материалу, подвергаемому обработке.
     Подавляющее большинство процессов, протекающих в печах, совершается при высоких температурах и связано с большими затратами тепловой энергии. Высокая энергоемкость печных процессов делает металлургическую теплотехнику ответственной за энергетические показатели работы печей, на долю которых приходится очень большая часть всей энергии, расходуемой как в нашей стране, так и в мире в целом. Поэтому сфера приложения металлургической теплотехники как науки включает в себя не только теплофизические процессы, лежащие в основе работы металлургических печных агрегатов, но и важнейшие вопросы, сопутствующие работе этих агрегатов, такие как использование вторичных энергоресурсов, охрана окружающей среды и др.
     Благодаря своей роли в современном производстве, металлургическая теплотехника уже давно выделилась в самостоятельный раздел технической физики, широко

4

♦-----------------------------------------------------♦

 использующий такие ее составные части, как теория горения, гидро- и аэродинамика, тепло- и массоперенос в твердых, жидких и газообразных средах.
     В развитие металлургической теплотехники большой вклад внесли русские и советские ученые. Известный русский металлург-теплотехник В. Е. Грум-Гржимайло в 1905-1906 гг. впервые сформулировал основные положения гидравлической теории печей. И хотя в настоящее время многие положения этой теории утратили свое значение, появление ее было прогрессивным явлением, способствующим развитию металлургической теплотехники как в нашей стране, так и за рубежом. Устарели также положения так называемой энергетической теории, в соответствии с которой работа печи рассматривалась зависящей в основном от ее тепловой мощности. Последние десятилетия развитие печей идет по пути создания высокопроизводительных механизированных и автоматизированных печных агрегатов, интенсификация работы которых обеспечивается соответствующим развитием тепломассообменных процессов, протекающих в рабочем пространстве печей.
     Многие годы над созданием общей теории печей работал М. А. Глинков, который в 1959 году сформулировал основные положения этой теории, разработанные на основе глубокого анализа энергетических процессов, протекающих в печах. М. А. Глинков доказал, что основными процессами в печах являются процессы теплоотдачи обрабатываемому материалу. Было показано, что процессы теплогенерации, движения газов, конструктивные особенности рабочего пространства печей должны быть подобраны таким образом, чтобы достигался наивысший (необходимый) уровень теплоотдачи к обрабатываемому материалу.
     Тепломассообменные процессы, протекающие в рабочем пространстве печей, сложны и многообразны, анализ

5

♦----------------------------------------------------♦

 их выполняется с использованием самого современного математического аппарата, позволяющего создавать и полезно использовать математические модели. Математические модели в металлургической теплотехнике используются с каждым годом все шире и шире. В промышленных печах физический эксперимент часто или затруднен или вообще невозможен, поэтому в этих условиях математическое моделирование оказывается очень плодотворным.
     Многие современные печные агрегаты, будучи высокомеханизированными, представляют собой по существу тепловые машины, которые при наличии адаптированных математических моделей могут быть переведены на автоматизированные системы управления с использованием ЭВМ. Уже сейчас немало таких примеров, и число их непрерывно увеличивается.
     Пути развития металлургической теплотехники достаточно многообразны. Развитие теоретических основ определяется необходимостью выделения, в соответствии с теорией М. А. Глинкова, главных теплофизических процессов в рабочем пространстве конкретных печных агрегатов, составления соответствующих этим процессам математических моделей с последующим их использованием для совершенствования печей и создания автоматических систем управления ими.
     В практическом плане совершенствование конструкций печных агрегатов и методов их эксплуатации должно происходить в направлении создания высокопроизводительных агрегатов, отвечающих требованиям современного поточного производства с непрерывным снижением энергоемкости процессов плавления и нагрева, осуществляемых в этих агрегатах.

6

ГЛАВА 1

ВИД, СОСТАВ И РАСЧЁТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА


        1.1. Вид и состав топлива

     Топливо — горючее вещество, выделяющее при сгорании значительное количество теплоты и используемое как источник получения энергии.
     Топливо по агрегатному состоянию подразделяют на твердое, жидкое и газообразное. Оно может быть естественным — используемым в том состоянии, в каком оно находится в природе, и искусственным — переработанным из естественных видов топлива.
     К твердому естественному топливу, сжигаемому в различных печах, относят дрова, торф, антрацит, бурые и каменные угли. К твердому искусственному топливу — древесный уголь, кокс, термоантрацит, брикеты и пыль из бурого и каменного углей. В качестве жидкого искусственного топлива используют мазут и различные смолы. Газообразное топливо может быть естественным (природный газ) и искусственным — газы, получаемые в доменных печах (доменный или колошниковый), в коксовых печах (коксовый) и в газогенераторах (генераторный).
     Для отопления кузнечных, прокатных и термических печей используют только газообразные и жидкие топлива.


7

♦-----------------------------------------------------♦

1.1.1. Состав жидкого топлива

     Все жидкие топлива представляют собой вещества органического происхождения. Основные составляющие элементы — углерод, водород, кислород, азот и сера, которые образуют многочисленные сложные химические соединения.
     Углерод (С) — основной носитель теплоты: при сгорании 1 кг углерода выделяется 34 000 кДж теплоты. В мазуте может содержаться до 85 % углерода, образующего соединения.
     Водород (Н) — второй наиболее важный элемент топлива: при сгорании 1 кг водорода выделяется около 125 000 кДж теплоты, т. е. почти в 4 раза больше, чем при горении углерода. В жидких топливах содержится 10 % водорода.
     Азот (N) и кислород (О) содержатся в топливе в небольших количествах (около 3 %), входят в состав сложных органических кислот и фенолов.
     Сера (S) обычно входит в состав углеводородов (до 4 % и более). При сгорании выделяется большое количество теплоты, однако сернистые соединения взаимодействуют с расплавленными или нагреваемыми металлами и ухудшают их качество. Сталь, насыщенная серой, обладает повышенной красноломкостью. Продукты горения, содержащие сернистые соединения, повышают коррозию металлических деталей печей. В состав жидкого топлива входят также влага (W) и до 0,5 % золы (А).
     Влага и зола уменьшают процентное содержание горючих составляющих топлива, что снижает его ценность.
     Состав топлива определяют техническим и элементарным анализами. Технический анализ проводят в заводских условиях, а элементарный — в специальных химических лабораториях.

8

     При техническом анализе определяют процентное содержание влаги, золы и серы в топливе. Состав органической массы топлива в основном устойчивый, поэтому тщательный контроль за элементарным составом необязателен. Для производственных целей определяют теплоту сгорания топлива и его свойства: вязкость, температуру застывания, температуру вспышки и др.
     При элементарном анализе, который проводится после технического, определяют содержание углерода, водорода, кислорода и серы в топливе. Эти элементы, взаимодействуя, образуют сложные соединения, многие из которых еще мало изучены. Поэтому условно принимается такой элементарный состав топлива, при котором каждый элемент (С, Н, О, N, S) или балластные составляющие (влага W и зола А) считаются свободными, не связанными в соединения.
     Принято считать, что углерод, водород, кислород и азот образуют главную часть топлива, которая называется органической массой (о):
Co + Ho + Oo + No = 100%
     Органическую массу топлива, содержащую серу, называют горючей массой (г):
Сг + Hг + Ог + Nг = 100%.
     Высушенное топливо не имеет влаги. Состав сухой массы (с):
Сс + Hс + Ос + Nс = 100%.
     Топливо, содержащее все составляющие, называют рабочим.
     Состав рабочего топлива:
Cp + Hp + Op + Np + Sp + Ap + Wp = 100%.

9

      В справочниках часто приводят составы сухой или органической массы, вследствие чего возникает необходимость в пересчете состава на рабочую массу. Например, при пересчете с горючей и органической массы на рабочую уравнения для определения содержания углерода имеют вид:
Cp = Сг (100 - Wp - Ap) /100;
Cp = Со (100 - Wp- Ap-Sp)/100.
      Аналогичным образом можно пересчитать и содержание остальных составляющих топлива. Видно, что при пересчете на рабочую массу уменьшается содержание всех составляющих. Наоборот, при пересчете на горючую или органическую массу содержание составляющих топлива увеличивается. Например,
Сг = 100Cp /(100- Wp - Ap);
Со = 100Cp/(100 - Wp - Ap - Sp).



1.1.2. Состав газообразного топлива

     Газообразное топливо — смесь различных газов: метана, этилена и других углеводородов, оксида углерода, двуоксида углерода или углекислого газа, азота, водорода, сероводорода, кислорода и других газов, а также водяных паров.
     Состав газообразного топлива определяют с помощью приборов, называемых газоанализаторами.
     Состав сухого топлива:
CH₄ + C₂H₄ + CO + CO₂ + + H₂ + H₂S + CₘHₙ + N₂ + O₂ + ... = 100.

10