Металлургические печи


Ю. Л. КУРБАТОВ, А. Б. БИРЮКОВ, Ю. Е. РУБАН








                МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПЕЧИ





Учебное пособие



















Москва Вологда « Инфра-Инженерия» 2022

УДК 669.04 (075.8)
ББК 34.3
     К93


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики неравновесных процессов, метрологии и экологии ДонНУ В. В. Белоусов;
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры промышленной теплоэнергетики ДонНТУ С. В. Гридин






     Курбатов, Ю. Л.
К93 Металлургические печи : учебное пособие / Ю. Л. Курбатов, А. Б. Бирюков, Ю. Е. Рубан. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 384 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0819-6

     Изложены вопросы конструкции и тепловой работы печей по переделам металлургического производства, а также методики расчета и способы оценки эффективности работы печей. Приведены результаты оригинальных исследований по теплотехнике металлургических печей различного назначения.
     Для студентов, обучающихся по направлению «Металлургия». Может быть полезно специалистам металлургической промышленности.

                                                      УДК 669.04 (075.8)
                                                      ББК 34.3











ISBN 978-5-9729-0819-6

© Курбатов Ю. Л., Бирюков А. Б., Рубан Ю. Е., 2022
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        ВВЕДЕНИЕ


     Металлургическое производство использует большое количество разнообразных печей (коксовые батареи для получения кокса; доменные печи для получения чугуна; топливные печи с открытым подом, электродуговые печи и кислородные конверторы - для получения стали; нагревательные печи для нагрева стальных заготовок перед прокаткой; термические печи для придания металлургической продукции нужных механических свойств; печи для обжига известняка и доломита; печи для обжига огнеупоров, и др.). Не зависимо от видов печей в них происходят теплотехнические процессы: тепло-генерация, тепломассообмен, движение жидких и газовых сред. Для проектирования, строительства и эксплуатации металлургических печей необходимо знать закономерности теплотехнических процессов, методики расчета, экспериментальную информацию и многое другое. Для перехода от примитивного костра металлургии древних до современных механизированных и автоматизированных печных агрегатов потребовалось создание науки о теплотехнике печей, которая является основой необходимых знаний.
     В развитие теплотехники печей большой вклад внесли отечественные ученые. Известный русский металлург-теплотехник В. Е. Грум-Гржемайло в 1905-1906 г. впервые сформулировал основные положения гидравлической теории печей. И хотя в настоящее время многие положения этой теории утратили свое значение, появление её было прогрессивным явлением, способствующим развитию печной теплотехники, как в отечественной металлургии, так и за рубежом. Отжили также положения так называемой энергетической теории, в соответствие с которой работа печи рассматривалась, зависящей в основном от её тепловой мощности. Последние десятилетия развитие идет по пути создания высокопроизводительных механизированных и автоматизированных печей, интенсификация работы ко

3

торых обеспечивается соответствующим развитием теплообменных процессов, протекающих в рабочем пространстве печей.
     Основателем отечественной печной теплотехники является известный ученый М. А. Глинков, который в 1959 г. сформулировал современные положения теории печей. В теории было показано, что в печах основными являются процессы теплообмена. Было доказано, что процессы теплогенерации, движения газов, конструктивные особенности рабочего пространства печи должны быть подобраны таким образом, чтобы достигался наивысший (или необходимый) уровень теплоотдачи к обрабатываемому материалу.
     Развитие современной теории печей основываются на трудах отечественных ученых Д. В. Будрина, Н. Н. Доброхотова, Г. П. Иванцова, И. Г. Казанцева, Б. И. Китаева, Н. И. Кокарева, М. А. Кузьмина, И. С. Назарова, И. Д. Семикина, Н. Ю. Тайца, В. Н. Тимофеева, В. М. Кирпичева, А. А. Гухмана, Л. С. Эйгенсона, М. А. Михеева. Следует также отметить вклад в развитие теории печей зарубежных ученых В. Тринкса, М. Моугиннея, М. Готвальда, и др. Развитие теории печей продолжается усилиями учеников и последователей основателей печной науки.
     В данной книге приведены результаты оригинальных исследований авторов по теплотехнике металлургических печей различного назначения.
     Учебное пособие создано в соответствие с учебными планами направления «Металлургия» для дисциплины «Металлургические печи».
     Авторы будут признательны за все замечания и предложения по улучшению книги, которые просят направлять на кафедру «Техническая теплофизика» Донецкого национального технического университета или на e-mail: k-j-e@yandex.ru.

4

        1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

    1.1  Определение,классификация

    Металлургическая печь - это тепловой агрегат, в котором полученная каким-либо способом тепловая энергия используется для получения металлов и других материалов или для изменения их свойств.
    Металлургические печи классифицируют по разным признакам.
    1) По виду источника тепловой энергии:
    -     электрические, которые в свою очередь подразделяют по способу преобразования электрической энергии в тепловую на дуговые, индукционные, сопротивления, специальные, (диэлектрические, электроннолучевые, оптические и др.);
    -     топливные, которые в свою очередь подразделяют по виду топлива на газовые, мазутные, работающие на твердом кусковом или пылеугольном топливе.
    2) По виду внешнего теплообмена:
    -     радиационные, в которых преобладает передача тепла излучением от источника тепла к поверхности обрабатываемого материала. Это, как правило, высокотемпературные печи (>700 °C), в которых имеются достаточно большие объемы излучающего теплоносителя или излучающие поверхности, не экранированные от тепловоспринимающих поверхностей. Здесь возможны варианты равномерно-распределенного, прямого или косвенного радиационного теплообмена;
    -     конвективные, в которых преобладает конвективная передача тепла от теплоносителя к поверхности обрабатываемого материала, как правило, низкотемпературные печи (< 700 °C). Преобладающий конвективный теплообмен возможен в печах и с более высокой температурой, если объемы излучающего теплоносителя не велики, как например, при фильтрации теплоносителя через слой кусковых материалов;


5

     -     радиационно-конвективные, в которых доли конвективного и радиационного внешнего теплообмена соизмеримы.
     3) По состоянию поверхности теплообмена:
     -     пламенные печи, в которых сжигание топлива производится в виде пламени (факела), а поверхность теплообмена определена, т. е. может быть измерена или рассчитана. В таких печах, как правило, возможно визуальное наблюдение за процессом через загрузочноразгрузочные отверстия или специальные отверстия («гляделки»);
     -     слоевые печи для тепловой обработки сыпучих (кусковых, зернистых, пылевидных) материалов, поверхность теплообмена которых является величиной неопределенной. Материал более или менее равномерно распределен в газовом теплоносителе. Возможны варианты слоевых печей: с плотным фильтрующим слоем для обработки кускового материала (10-70 мм) в вертикальных шахтных печах, когда теплоноситель поднимается вверх навстречу медленно опускающейся массе материала; с кипящим слоем для обработки зернистого материала, когда зерна материала (1-10 мм) под действием струй теплоносителя и силы тяжести совершают возвратно-поступательное движение, образуя «псевдожидкость» со свойствами текучести и кипящей жидкости; со взвешенным слоем, когда пылевидный материал (менее 1 мм) увлекается теплоносителем. Наблюдение за процессом в слоевых печах невозможно или крайне затруднено.
     4) По периодичностиработы:
     -     периодического действия (камерные) печи, в которых весь процесс представляет собой цикл, состоящий из загрузки исходного материала в рабочую камеру, тепловой обработки в этой камере и выгрузки готового продукта;
     -     непрерывного действия (проходные) печи, в которых исходный материал загружается в зоне загрузки, перемещается через различные технологические и температурные зоны, где проходит тепловую обработку и выгружается в зоне выгрузки. Перемещение материала возможно на тележках, в вагонах, посредством толкания, механизмов «шагающих балок», на печном рольганге, на вращающейся подине, под действием сил тяжести, и др.

6

     5) По назначению:
     -     плавильные, в которых осуществляется получение нового материала в расплавленном виде и готовый материал выгружается в жидком виде (расплав чугуна, стали, полупродуктов, шлаков);
     -     нагревательные для нагрева металлов перед обработкой давлением (прокаткой, ковкой), в которых металл приобретает пластичность и находится в твердом состоянии в течении всего времени тепловой обработки;
     -     термические для нагрева металла в циклах термической обработки, в которых металл находится в твердом состоянии;
     -     обжиговые, в которых в результате тепловой обработки получается новый материал или изменяются свойства материала (обжиг известняка, доломита, огнеупорных материалов и др.);
     -     печи для спекания, в которых готовый материал получается в спекшемся виде (агломерационные машины, коксовые печи).


     1.2 Схематопливнойпечи.
         Назначение отдельных элементов

     Топливные печи наиболее сложные, т. к. должны быть оборудованы устройствами для подачи топлива и воздуха (или другого окислителя), для сжигания топлива, для удаления отработанных продуктов сгорания (дымовых газов), устройствами для утилизации и очистки, ит. д.
     На рисунке 1.1 показана схема простейшей топливной печи. Главным элементом печи является рабочая камера, которая является зоной технологического процесса (ЗТП), т. е. местом, где происходит процесс тепловой обработки металла (материала).

7

Рисунок 1.1 — Схема топливной печи: 1 - рабочаякамера;2 - обмуровка (футеровка); 2а - свод; 2б - стены; 2в - подина; 3 - топливосжигающее устройство; т - топливо: гв - горячий воздух; хв - холодный воздух; 4 - зона генерации тепла (факел, пламя); 5 - металл (материал), подвергаемый тепловой обработке; 6 - дымоотводящие каналы; ДГ - дымовые газы; 7 - подогреватели компонентов горения (воздуха, газового топлива) - рекуператоры и регенераторы; 8 - вентилятор; 9 - газоочистка; 10 - дымосос; 11 - дымовая труба

     Получение тепловой энергии происходит в результате сжигания топлива в зоне генерации тепла (ЗГТ). Часто ЗГТ и ЗТП объединяют в рабочей камере, но возможно также сжигание топлива в специальных топках. Рабочая камера имеет обмуровку (футеровку), отделяющую ЗГТ и ЗТП от окружающей среды, что необходимо для концентрации тепловой энергии и получения высоких температур, а также для уменьшения тепловых потерь. В рабочей камере следует выделить также части, как подина, на которой располагается обрабатываемый материал, стены, и свод - верхнее перекрытие рабочей камеры. Конструкция и футеровка частей рабочей камеры должны соответствовать условиям проведения теплового процесса по температуре, механическим нагрузкам, физико-химическим воздействиям, и т. д.
     Для обеспечения сжигания используются топливосжигающие устройства (ТСУ: горелки, форсунки). Основной функцией ТСУ является перемешивание топлива с окислителем. В качестве последнего

8

чаще всего используют воздух, предварительно подогретый в рекуператорах (регенераторах) за счет тепла дымовых газов; для получения наиболее высоких температур в печи в качестве окислителя используют воздух, обогащенный кислородом. В результате сжигания топлива образуется факел (пламя), который является зоной генерации тепла. Образующиеся при сжигании топлива дымовые газы отдают тепло в зону технологического процесса, и постоянно удаляются из рабочей камеры через дымовой тракт в атмосферу. Уходящие дымовые газы, как правило, имеют высокие температуры и теплосодержание. Тепло дымовых газов используется как вторичные энергоресурсы (ВЭР), во-первых, для подогрева компонентов горения (топлива, воздуха) и возврата части тепла в печь, и во-вторых, для получения теплоносителей в виде горячей воды или пара и последующего внешнего использования вне печи.
     В состав дымового тракта входят дымоотводящие каналы, устройства для подогрева компонентов горения, устройства для внешнего использования ВЭР (например, котлы-утилизаторы), система очистки дымовых газов от технологической пыли (газоочистка). Тяга для преодоления газодинамического сопротивления дымового тракта создается дымососом. Очищенные и охлажденные до температуры 150-200 °C дымовые газы отводятся в атмосферу через дымовую трубу, имеющую высоту, определяемую экологическими требованиями.
     Для подачи воздуха к ТСУ используют вентилятор. Воздух до подогревателя является холодным (ХВ), после - горячим (ГВ).



    Вопросы для самоконтроля к главе 1

1. Что собой представляет металлургическая печь?
2. Как делят печи по виду внешнего теплообмена?
3. Как классифицируют печи по назначению?
4. Что относится к основным элементам топливной печи?
5. Что является основной функцией ТСУ?
6. Что входит в состав дымового тракта?

9

        2. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПЕЧАХ

    2.1  Теплогенерация, получение высокотемпературного источника тепла

    Металлургические печи - это высокотемпературные печи, источником тепла в которых являются высокотемпературные продукты сгорания (дымовые газы) в топливных печах, раскаленная поверхность нагревателей в электрических печах сопротивления, и др.
    Теплогенерация в топливных печах - это преобразование химической энергии топлива в тепловую в процессе горении. Горение - это бурный, самоускоряющийся процесс окисления горючих компонентов топлива с выделением большого количества тепла (подробнее см. в [49]). Процесс горения состоит из стадий:
    -     перемешивание топлива с воздухом, обеспечивающее контакт молекул топлива и кислорода; эта стадия наиболее медленная;
    -     нагрев смеси топлива с воздухом до температуры воспламенения от внешнего источника тепла (факела, раскаленных поверхностей, запальника);
    -     химическая реакция окисления горючих компонентов топлива, которая проходит очень быстро - практически мгновенно с образованием высокотемпературных газообразных продуктов реакции (дымовых газов);
    -    непрерывное удаление дымовых газов из зоны горения.
    В теплогенерации присутствуют следующие теплотехнические процессы: газодинамические процессы перемешивания топлива с воздухом, как правило, при интенсивной турбулизации потоков; теплообменные процессы нагрева смеси путем излучения, а также конвекции при перемешивании с продуктами сгорания; химические реакции окисления, обеспечение и эффективность которых определяется расчетами необходимого количества воздуха.


10