Высокая степень интенсификации доменного производства невозможна без повышения стабильности доменного процесса во всех его стадиях. В первую очередь это касается постоянства всех параметров дутья, поступающего в печь.

   В настоящее время актуальной стала проблема рационального использования энергоносителей в связи с их высокой стоимостью. Применительно к доменным воздухонагревателям это касается расхода природного газа, используемого в качестве топлива в горелках для нагрева насадки воздухонагревателей, а также повышение коэффициента полезного действия воздухонагревателей.

   Доменное производство требует большого расхода воздуха, примерно 2 т/т чугуна. Воздух подается воздуходувками и нагревается в воздухонагревателях регенеративного типа. Каждая доменная печь имеет 3-4 воздухонагревателя. Один из них обычно находится "на дутье", т.е. нагревает дутье, которое проходит через нагреватель, а остальные находятся "на газе", т.е. нагреваются продуктами сжигания газообразного топлива.

    Нагрев дутья оказывает существенное влияние на производительность доменных печей и удельный расход кокса. Если в прошлом максимальная температура дутья ограничивалась требованиями ровного хода доменных печей, то в настоящее время в результате применения комбинированного дутья, повышенного давления газов, офлюсованного агломерата, увеличения его доли в шихте и лучшей подготовки нет ограничений для дальнейшего повышения температуры горячего дутья.

    В различных вариантах комбинированного дутья для доменных печей (увлажненное дутье, паро-кислородо - воздушное дутье, вдувание природного, коксового газов) компоненты дутья должны быть в таких соотношениях, чтобы тепловое состояние горна поддерживалось на одном и том же уровне, обеспечивающем ровный сход шихты и максимальную производительность печи.

    Поскольку холодный природный газ, жидкое топливо, угольная пыль в пирометрическом отношении оказываются хуже, чем нагретый кокс, то дефицит тепла в горне должен покрываться за счет дополнительного нагрева дутья или применения дутья обогащенного кислородом. В конечном счете, максимально возможная экономия кокса может быть получена при наличии высокого подогрева доменного дутья.

    Необходимость нагрева воздуха до 1000-1100⁰С и более способствовала возникновению ряда проблем. Одни проблемы относятся целиком к конструкции воздухонагревательных аппаратов (увеличение поверхности нагрева воздухонагревателей, увеличение мощности газовых горелок, усиление элементов тракта подачи горячего дутья, усовершенствование средств теплотехнического контроля и автоматического регулирования теплового режима); другие к подбору режимов, обеспечивающих максимальное использование тепловой мощности воздухонагревателей.

   Для непрерывного снабжения доменной печи дутьем необходимо минимум два воздухонагревателя. Обычно для одной печи сооружают блок из трех-четырех аппаратов, которые поочередно нагревают дутье.

   Существует четыре режима дутья: последовательный, параллельный, попарно - параллельный и смешанный.

   Наиболее распространенным режимом работы воздухонагревателей в период дутья является последовательный, то есть когда воздухонагреватели поочередно, один за другим, становятся на дутье.

   Возможен смешанный режим, когда сочетаются последовательный и попарно - параллельный. При этом режиме воздухонагреватель часть периода стоит на дутье один, постоянство температуры дутья поддерживается смесителем. Часть периода воздухонагреватели работают в паре, температура дутья стабилизируется за счет перераспределения его между горячим и теплым аппаратами. Также возможен параллельный режим, когда в работе находится два воздухонагревателя, а два на нагреве.

   Однако наиболее эффективным режимом нагрева дутья, позволяющим достичь экономически выгодного уровня нагрева, считается попарно-параллельный. При этом режиме работы стабилизация температуры горячего дутья достигается смешиванием дутья, поступающего из одного (более нагретого) воздухонагревателя и из второго (менее нагретого), который при обычной (т.е. последовательной) работе воздухонагревателей следовало бы поставить на нагрев насадки.

   На рисунке 1 приведены графики работы воздухонагревателей в обычном (А) и попарно-параллельном (Б) режимах. Через горячий нагреватель проходит только часть дутья. Остальное дутье проходит через менее нагретый воздухонагреватель. По мере охлаждения воздухонагревателей расход дутья через "горячий" воздухонагреватель увеличивается, а через менее нагретый уменьшается с таким расчетом, чтобы при смешивании двух потоков дутья в доменную печь поступало дутье с постоянной температурой. К тому времени, когда почти все дутье будет нагреваться только в "горячем" воздухонагревателе, менее нагретый переводится на нагрев насадки, а воздухонагреватель, который до этого грелся, переводится на нагрев дутья. Добавка холодного дутья через смесительный клапан отпадает.

      А)обычный (последовательный) режим работы;
      Б) попарно - параллельный режим работы;
      а - период "на газе";
      б - период "на дутье".

      Рисунок 1 - Суточный график работы четырех воздухонагревателей (I-IV).

    Внедрение этого режима на ряде заводов Украины позволило бы поднять температуру нагрева дутья на 30 - 200⁰С по сравнению с последовательным режимом. Предложенный режим позволяет экономить расход кокса, что очень актуально в настоящее время, как с экологической, так и с экономической позиции.

   Мероприятия по подготовке шихты и вдувание различных реагентов в горн доменной печи наиболее эффективны при повышении нагрева доменного дутья. Так, на опытной доменной печи Горного бюро США повышение температуры дутья с 980 до 1400⁰С обеспечило повышение производительности при вдувании природного газа на 23,5%, при увлажнении дутья на 26,4 %, при вдувании природного газа и обогащении дутья кислородом на 39,2 %; удельный расход кокса при вдувании природного газа без обогащения дутья кислородом снизился на 29%.

   Для повышения нагрева дутья необходимо увеличение тепловой мощности воздухонагревателей, которая определяется их КПД и количеством сжигаемого газа. В свою очередь КПД воздухонагревателей зависит от разности температур продуктов горения под куполом и под насадкой. Температура под куполом может быть повышена при уменьшении коэффициента избытка воздуха горения, благодаря чему уменьшается унос тепла продуктами горения (если это не сопровождается недожогом топлива), а также при подогреве газа или воздуха горения путем использования части горячего дутья. Добавление к воздуху горения около половины горячего дутья позволяет повысить температуру дутья с 800 до 1200⁰С; однако расход дутья при этом повышается примерно на 15 % и соответственно должна быть увеличена производительность воздуходувной машины.

   Подогрев воздуха горения до 600⁰С в рекуператорах, обогреваемых газами, отходящими из воздухонагревателей, позволяет повысить температуру горения приблизительно на 40⁰ на каждые 100⁰ подогрева газа или воздуха.

   Повышение температуры дутья может быть достигнуто также путем сокращения периода нагрева дутья. Это, однако, связано с более частыми перекидками клапанов и увеличением относительного времени их перекидки, в течение которого приходится прекращать нагрев соответствующего воздухонагревателя. Чтобы при этом не снижалась тепловая мощность, необходимо ускорить перекидку клапанов с применением автоматизации.

   Нагрев дутья можно увеличить также при помощи подогрева холодного дутья, добавляемого к горячему дутью через специальный клапан для стабилизации его температуры. Этот способ эквивалентен увеличению поверхности нагрева воздухонагревателей.

   Также нагрев дутья можно повысить путем применения попарно-параллельной работы воздухонагревателей, при которой стабилизация температуры горячего достигается смешиванием дутья, поступающего из одного (более нагретого) воздухонагревателя и из второго (менее нагретого), который при обычной (т.е. последовательной) работе следовало бы поставить на нагрев насадки.

   Если не ставится задача повышения нагрева дутья, то попарно-параллельная работа воздухонагревателей позволяет при одном и том же весе (массе) насадки увеличить съем тепла благодаря повышению примерно вдвое перепада температуры насадки без увеличения ее максимальной температуры нагрева. При наличии четырех воздухонагревателей при попарно-параллельной работе на нагреве насадки находятся одновременно два воздухонагревателя, а при обычной (последовательной) работе - три. В соответствии с этим в первом случае необходим более интенсивный нагрев насадки примерно в полтора раза. КПД воздухонагревателей при попарно-параллельной работе повышается в среднем на 5-6 %, т.к. возрастают коэффициенты теплопередачи благодаря более интенсивному нагреву насадки и большей разнице температур греющего газа и насадки в начале ее нагрева (рисунок 2).

      Рисунок 2 - Изменение температуры дутья на выходе из четырех воздухонагревателей (Т_I-T_IV) при обычной (А) и попарно-параллельной (Б) работе.

   При такой работе воздухонагревателей необходима более высокая производительность газовых горелок и повышение напора газа и воздуха горения в связи с повышением сопротивления насадки. Однако это не вызывает затруднений, т.к. при вдувании реагентов и обогащении дутья кислородом расход дутья снижается и в мощности имеющихся воздуходувок, а также в тепловой мощности воздухонагревателей создается некоторый резерв.

   При попарно-параллельной работе частота и продолжительность переключения клапанов не изменяются, но отрицательное влияние длительности паузы на тепловую мощность воздухонагревателей увеличивается. Поэтому следует ускорять перекидку клапанов, иначе попарно-параллельная работа может оказаться неэффективной.

   Однако, как показали исследования, при длительности периодов нагрева и охлаждения насадки воздухонагревателей доменной печи объемом 2000 м³ по 4 ч количество тепла, усвоенного насадкой, осталось практически таким же, как при длительности периода нагрева 2,5 ч. Отсюда следует, что при попарно-параллельном режиме воздухонагреватели могут работать с более длинными периодами. Увеличение периода нагрева дутья позволяет уменьшить число смен давлений горячего дутья, возникающих при постановке "горячего" воздухонагревателя "на дутье".

   Такая схема работы клапанов осуществлена на Косогорском металлургическом заводе.

   Два воздухонагревателя находятся на нагреве дутья - "горячий" и "теплый" (рисунок 3), а остальные два - на нагреве насадки.

      А - термопара; б - потенциометр; в - регулятор; ИМ - исполнительный механизм; РК - регулирующий клапан; КХД - клапан холодного дутья.

      Рисунок 3 - Схема попарно-параллельной работы четырех воздухонагревателей.

   "Теплый" воздухонагреватель находится на нагреве дутья до тех пор, пока датчик температуры дутья не даст сигнал о готовности этого воздухонагревателя к переводу "на газ".

   Когда "горячий" воздухонагреватель переводится на нагрев дутья, его клапан, регулирующий расход холодного дутья, почти закрыт и большая часть дутья проходит через "теплый" воздухонагреватель (рисунок 3). По мере охлаждения "теплого" воздухонагревателя клапан "горячего" воздухонагревателя постепенно открывается. Когда этот клапан полностью открывается, клапан "теплого" воздухонагревателя автоматически начинает закрываться.

   Периоды работы воздухонагревателей "на дутье" и "на газе" равны между собой и в среднем составляют 105 мин. При переходе на попарно-параллельную работу была использована имеющаяся резервная мощность горелок.

   Перевод четырех воздухонагревателей на попарно-параллельную работу без конструктивных изменений позволяет отказаться от добавления холодного дутья для стабилизации температуры горячего дутья; повысить температуру горячего дутья, приблизив ее к температуре купола (так как ее изменение за период работы "на дутье" при той же продолжительности этого периода уменьшается на половину), увеличить период нагрева дутья, уменьшив тем самым число перекидок, и повысить стойкость футеровки трубопровода горячего дутья.

   Оборудование тракта дутья в значительной степени влияет на основные технологические параметры доменного дутья и, следовательно, на технико-экономические показатели доменной плавки.

   Тракт дутья современных доменных печей выполняет несколько функций:

   - подвод дутья к воздухонагревателям;

   - стабилизация температуры горячего дутья;

   - стабилизация влажности дутья;

   - охлаждение футеровки высоконагретых зон воздухонагревателей.

   Тракт дутья оборудован клапанами, предназначенными изменять режим работы воздухонагревателей, а также расход дутья, поступающего в печь и добавляемого к горячему дутью для стабилизации его температуры. Эти клапаны можно разделить на две группы:

   1) клапаны, имеющие при нормальной работе только крайние положения: "открыт" - "закрыт" - основной и перепускной клапаны холодного дутья, предохранительный клапан на смесительном трубопроводе и отсечные клапаны на трубопроводах, подводящих холодный воздух для охлаждения купола воздухонагревателя;

   2) клапаны, плавно изменяющие свое положение, - воздушно-разгрузочный, дроссельный смесительный, регулирующие клапаны, обеспечивающие распределение дутья между двумя воздухонагревателям при попарно-параллельной работе, а также клапаны, регулирующие расход воздуха для охлаждения купола воздухонагревателя.

   Для стабильности температуры горячего дутья, поступающего в доменную печь, решающее значение имеет работа дроссельных смесительных клапанов и их конструктивные размеры. Проходные сечения этих клапанов зависят от расхода холодного дутья, добавляемого к горячему, для стабилизации его температуры. Этот расход в свою очередь зависит от общего расхода дутья и предела практикуемого снижения температуры горячего дутья, поступающего в печь, по сравнению с максимальной температурой дутья, выходящего из воздухонагревателя. Перепад температуры дутья в начале и в конце периода работы воздухонагревателя "на дутье" составляет 150-250⁰С. Этот перепад снижается с уменьшением длительности цикла работы воздухонагревателя, веса насадки и поверхности нагрева воздухонагревателя.

   Повышение температуры горячего дутья привело к уменьшению количества холодного воздуха, проходящего через смесительный клапан. В современных условиях следует ожидать дальнейшего сокращения количества холодного воздуха, необходимого для стабилизации температуры горячего дутья, так как при работе на высоконагретом комбинированном дутье и хорошо подготовленной шихте нельзя ожидать значительного снижения температуры дутья в целях регулирования хода печи, как это практиковалось ранее.

   В результате этого типовые смесительные клапаны большого диаметра работают с очень малым углом поворота дроссельных заслонок (10-15⁰). При этом даже небольшое перемещение заслонки вызывает значительное изменение проходного сечения клапана и, следовательно, чрезмерное изменение количества холодного воздуха, поступающего в трубопровод горячего дутья. Это приводит к колебаниям температуры дутья в больших пределах, что отрицательно сказывается на ходе доменной печи и ее производительности.

   Расположение смесительного клапана за воздухонагревателями в торце трубы горячего дутья неблагоприятно сказывается на стойкости ее футеровки и клапанов горячего дутья. Вызывая значительные колебания температуры дутья.

   Расположение смесительного клапана между воздухонагревателями и печью снижает колебания температуры футеровки трубопровода горячего дутья и тепловые нагрузки на элементы клапана, повышая их стойкость. Но в этом случае из-за малого расстояния до кольцевой трубы горячее и холодное дутье смешивается плохо. Холодное дутье идет снизу, а горячее - сверху, вследствие чего температура дутья в фурмах повышается по мере удаления их от ввода дутья в кольцевую трубу. Разность температур доходит до 1500. Смешение горячего и холодного дутья улучшают, делая футеровку трубопровода горячего дутья между печью и воздухонагревателями с винтообразным гребнем или сужение Вентури.

   Часто смесительный трубопровод подключают к трубопроводу горячего дутья при помощи двух тангенциальных патрубков. Так, в США холодное дутье вводят в горячее дутье по схеме "труба в трубе". По внутренней трубе идет горячее дутье. Она имеет по окружности смесительной камеры несколько отверстий, в основном в верхней части.

   При попарно - параллельной работе воздухонагревателей температуру дутья стабилизируют, смешивая дутье, поступающее из более и менее нагретого воздухонагревателей. Pядом с отсечными клапанами холодного дутья устанавливают клапаны для регулирования расхода дутья, проходящего через воздухонагреватель. Перевод четырех воздухонагревателей на попарно-параллельную работу без конструктивных изменений позволяет отказаться от добавления холодного дутья для стабилизации температуры горячего дутья; повысить температуру горячего дутья, приблизив ее к температуре купола (так как ее изменение за период работы "на дутье" при той же продолжительности этого периода уменьшается наполовину), увеличить период нагрева дутья, повысить КПД воздухонагревателей. Поэтому при такой схеме тракта все же необходимо сохранить участок смесительного трубопровода на случай выхода из строя одного из воздухонагревателей. Обеспечение попарно-параллельной работы при наличии трех воздухонагревателей вызывает большие затруднения и не всегда дает положительный теплотехнический эффект.

   В США холодное дутье для стабилизации температуры горячего дутья подводят в некоторых случаях в штуцера клапанов горячего дутья, что снижает температуру дутья, выходящего из воздухонагревателя, до уровня заданной и устраняет ее колебания.

   На одном из заводов Венгрии осуществлена схема тракта с подводом холодного воздуха под купол воздухонагревателя через кладку купола. Воздух подается либо от вентилятора газовой горелки, либо из коллектора холодного дутья. Количество его регулируется специальным клапаном. Достоинство этой схемы заключается в снижении температуры кладки купола воздухонагревателя. Добавка холодного дутья снижает колебания тепловой нагрузки на футеровку трубопровода и клапан горячего дутья, что повышает их стойкость.

   В процессе работы воздухонагревателей в атмосферу через кирпичную дымовую трубу, высотой 50 м, осуществляется удаление продуктов сгорания - дыма, мелких частиц угля, образующихся в результате сгорания топлива и неорганической золы, образующейся из несгораемых веществ топлива, что отрицательно сказывается на состоянии окружающей среды.

   Также, необходимо учесть тот факт, что эксплуатация доменной печи с повышенной температурой дутья с теплотехнической точки зрения представляет собой снижение теплового КПД батареи воздухонагревателей из-за необходимости работы воздухонагревателей с более высокой температурой купола, повышенным числом изменений режимов, более высокой средней температурой насадки, а тем самым и с более высокой температурой отходящих продуктов сгорания (повышенные потери тепла).

   Повышение температуры дутья является важным условием снижения расхода кокса и увеличения подачи в печь заменителей (природного газа, мазута или угольной пыли).

   Высокоэффективным мероприятием является реализация предварительного подогрева воздуха и газа сгорания для отопления воздухонагревателей. Это позволит снизить потери тепла с отходящим дымом и снизить вредное воздействие на атмосферу, а также сэкономить расход газового топлива (т.к. для отопления воздухонагревателей возможно использование только доменного газа).

   Для использования тепла отходящего дыма применяются регенеративные теплообменники и рекуперативные теплообменники.

    Регенеративные теплообменники

   Эти теплообменники применяются для передачи тепловой энергии, используя аккумулирование тепла в насадке.

   В доменном производстве нашел применение регенеративный теплообменник типа Люнгстрем. Этот теплообменник устранил потребность эксплуатации воздухонагревателей с перерывами (т.е. перевод воздухонагревателей из режима в режим) таким образом, что насадка имеет форму круга. Она изготовлена из эмалированных листов и вращается. Входное круговое сечение разделено поперечной стенкой на две части. В одной из них протекают продукты сгорания, во второй воздух. Вращающиеся листы, нагретые от продуктов сгорания в одной части отдают тепло воздуху, который противотоком поступает ко второй части.

   Недостатком такого теплообменника является то, что отсутствует возможность совершенного уплотнения вращающихся и неподвижных частей, что приводит к определенным потерям продуктов сгорания, но главным образом из-за неплотности его нельзя использовать для подогрева газа.

    Рекуперативные теплообменники

   Передача тепловой энергии происходит путем прямого контакта теплоносителя (продуктов сгорания) со стеной рекуператора, от которой тепло переходит в нагреваемую среду (газ, воздух).

   Наибольшее применение нашел тип рекуператора, в котором в качестве теплоносителя применяют воду (тепловые трубы) или термомасло. В этих рекуператорах-теплообменниках в качестве теплообменной контактной поверхности применяются ребристые извне трубки, которые компенсируют неблагоприятные условия теплопередачи от газа в стены.

   Прямые рекуператоры. В них по одной стороне металлической стены (лист, трубка) протекают продукты сгорания, а по второй - газ или воздух. Однако такой тип рекуператоров не нашел широкого применения по следующим причинам: продукты сгорания из воздухонагревателей имеют относительно низкую температуру. Для используемого количества тепла требуются теплообменники с большой контактной поверхностью, что увеличивает их габариты. Также проблемой является очистка внутренних контактных поверхностей теплопередачи. Недостатком является также необходимость сведения продуктов сгорания, воздуха и газа в одно место и относительно большими трубопроводами привести к горелкам.

   Рекуператоры с теплоносителем - термомаслом. В настоящее время этот способ применяется у большинства установок во всем мире. Применение термомасла позволяет эксплуатировать безнапорную систему, т.е. безнапорный бак - расширитель, расположенный на самой высокой точке маслораспределителя.

   Оборудование состоит из комплекта теплообменников, между которыми осуществляется теплопередача путем циркуляции специального термомасла. Циркуляция масла обеспечивается насосами, расположенными в здании насосной станции и маслянными трубками. Теплообменники могут быть размещены центрально для целой батареи воздухонагревателей или отдельно для каждого воздухонагревателя.

   Рекуператоры из тепловых труб. У теплообменников из тепловых труб передача тепла осуществляется при одновременном испарении и конденсации рабочей среды в двухфазной замкнутой системе. Теплообменники, состоящие из тепловых труб можно использовать в качестве контуров с жидким теплоносителем, который, как правило, протекает между двумя теплообменниками - в одном осуществляется съем тепла от вещества более теплого, во втором тепло передается более холодной среде.

   Тепловая труба представляет элемент теплопередачи с закрытым рабочим пространством, чаще цилиндрической формы, частично заполненное подходящим рабочим теплоносителем. Этот наполнитель труб в производственных условиях является жидкостью или паром и непрерывно циркулирует между нагреваемой и охлаждаемой частями трубы. При нагреве испарительной части тепловой трубы испаряется жидкость в данной части, пар затем в осевом направлении поступает во вторую, охлаждаемую часть, где конденсирует и передает свое тепло окружающей среде. Для замыкания рабочего цикла необходимо обеспечить непрерывный возвратный поток конденсата из части конденсации в часть испарения.

   1. Колпаков С.В., Шелков Е.М., Поликовский М.В., Горшков Ю.А. Высокотемпературные доменные воздухонагреватели с насыпной насадкой из корундовых шаров // Сталь - 1992. №10 - с.11-17.

   2. Чернов Н.Н., Чечуро А.Н. Ведение доменной печи - М: Металлургия, 1987 - 138 с.

   3. Леонидов Н.К., Клягин Г.С. Повышение температуры доменного дутья путем перевода воздухонагревателей на попарно-параллельную работу // Сталь. №3 - с.204-207.

   4. Доменные воздухонагреватели/ Ф.Р. Шкляр, В.М. Малкин, С.Д. Каштанова и др.-М.: Металлургия, 1982.-176 с.

Автобиография

Перечень ссылок

Индивидуальное задание

Электронная библиотека

Результаты поиска в Internet