печи. ПЕЧИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. Печи черной металлургии 41. Технологические цепочки в металлургии
 Скачать 2.15 Mb.
|
|
4 1. Технологические цепочки в металлургии Промышленная печь – устройство для тепловой обработки материа- лов. Для лучшего запоминания особенностей тех или иных печей жела- тельно уяснить место этих печей в основных технологических цепочках металлургических предприятий. Основная, но не самая совершенная тех- нологическая цепочка металлургического предприятия, представлена на рис. 1.1. На этом рисунке прямоугольниками обозначены основные типы (группы) печей, а овалами и кружочками – название используемого или об- разующегося материала. Для удобства пользования на схеме не показаны некоторые шихтовые материалы, используемые в ферросплавной, агломе- рационной, доменной, литейной и сталеплавильной печах, такие как: скрап, бой шамотного кирпича, плавиковый шпат, боксит, песок, марганцевая ру- да и некоторые другие. Эта цепочка технологии является общей (полной), но на конкретном металлургическом предприятии могут отсутствовать отдельные типы пе- чей. Чаще всего отсутствуют печи для подготовки сырья. Так, коксовая печь обычно принадлежит коксохимическому заводу, а ферросплавная печь – ферросплавному заводу. Попутно отметим, что печи для подготовки сы- рья связаны с обработкой пылевидных материалов и поэтому являются са- мыми неблагополучными с экологической точки зрения. Технологическая цепочка постоянно совершенствуется с целью ис- ключения из неё комплекса коксовых и доменных печей. Это происходит на базе так называемой бескоксовой металлургии или технологии прямого получения железа (металлизованного сырья). Бескоксовая металлургия подразумевает включение в технологическую цепочку печи металлизации сырья. Структурно эта печь, можно сказать, замещает доменную печь (рис. 1.2). Кроме того, с введением установок непрерывного литья заготовок, из технологической схемы удаляется нагревательный колодец. Роль методи- ческой печи, как основного элемента схемы, падает до уровня вспомога- тельной подогревательной печи. Современные заводы в мире создаются на основе схемы, подобной той, которая представлена на рис. 1.2. Металл, по- лученный по этой схеме, более качественный и немного дешевле. Качество выше из-за отсутствия кокса, вносящего в сталь серу и фосфор. Дешевизна достигается за счёт исключения из технологической цепочки отдельных структурных элементов. Возникает вопрос: для чего изучать печи традиционной схемы, если эти схемы мало перспективны в техническом плане? Во-первых, в мире ещё достаточно много печей, работающих по традиционной схеме. Во-вто- 5 рых, существует множество мини-заводов, не имеющих возможности орга- низовать полную технологическую цепочку и использующих под свои кон- кретные цели элементы традиционной схемы. Исходя из современной технологической цепочки, можно перечислить продукты промежуточной обработки, являющиеся товаром на металлурги- ческом рынке: известняк, концентрат железа и руда, бентонит, окатыши, металлизованные окатыши, концентраты ферросплавного производства Уголь Коксовая печь Обжиговая печь Обжиговая печь Бентонит Концентрат Fe Известняк ( И-к) И-к Известь ( И-ь) Окатыши Коксик ( К-к) Кокс ( К-с) Руда ( Р-а) Концентрат Агломерационная печь Ферросплавная печь К-к Fe И-ь И-к К-к И-ь Ферросплав Агломерат Доменная печь Р-а К-с И-к Литейная печь ( вагранка) Сталеплавильная печь ( мартеновская, конвертер или электродуговая) Передельный чугун Литейный чугун И-ь Лом Лом И-к К-с Термическая печь Методическая печь Нагревательный колодец Готовое изделие Прокат Чугунное литье Заготовка Слиток Рис. 1.1. Традиционная технологическая цепочка металлургического комбината 6 (концентрат хрома, марганца и т.д.), ферросплавы (феррохром, ферромар- ганец и т.д.), заготовка, прокат (лист, труба, уголок, швеллер и т.д.). В долгосрочном плане известны тенденции с перемещением печей для подготовки сырья (экологически грязные производства) в беднейшие стра- ны, а электросталеплавильных, нагревательных и термических печей – в богатые, развитые страны. Обжиговая печь Обжиговая печь Бентонит Концентрат Fe Известняк (И-к) И-к Известь (И-ь) Окатыши Руда (Р-а) Концентрат Печь металлизации Ферросплавная печь И-ь Fe Ферросплав Металлизиров. продукт И-к Сталеплавильная печь (конвертер или эл.дуговая) И-ь Термическая печь Методическая печь Внепечная обработка (ковш-печь) Готовое изделие Прокат Заготовка Жидкая сталь И-к Восстановитель (уголь, газ) Очищенная сталь Машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) Проходная (подогреват.) печь Полураскат Коксик Рис. 1.2. Пример современной технологической цепочки производства стальных изделий 7 2. Печи для подготовки сырья 2.1. Коксовая печь Коксовая печь – печь для превращения каменного угля в кокс. В свою очередь, кокс – это твердый углеродистый остаток, образующийся при на- гревании различных топлив (каменного угля, торфа и т.п.) до 950-1050 °С без доступа воздуха. В черной металлургии наиболее распространен ка- менноугольный кокс, применяемый в качестве топлива в доменных печах и вагранках. Содержание углерода в коксе 96-98 %, низшая теплота сгорания около 29 МДж/кг (7000 ккал/кг), что примерно соответствует теплоте сго- рания условного топлива. Коксовая печь состоит из двух главных элементов: из камеры коксо- вания и отопительных простенков. В отопительных простенках сжигается топливо. В камере коксования находится обрабатываемый материал (уголь, кокс). Стенки камеры выполнены из огнеупорного кирпича и служат муфе- лем, предохраняющим материал от окисления. Камера коксования имеет такие ориентировочные размеры: длина 13-15 м, высота 4,2-5 м, ширина 0,4-0,45 м. Коксовые печи собирают в коксовые батареи по 40-70 штук. Общий вид коксовой батареи приведён на рис. 2.1, а поперечный разрез печей – на рис. 2.2. Загрузка угля происходит через отверстия в своде печи из погру- зочной тележки, которая перемещается сверху печей. Выдача готового кок- са – через боковые двери посредством выталкивателя. После выдачи кокс попадает в вагон, в котором выполняется мокрое или сухое тушение кокса во избежание его загорания. Температура выдачи кокса около 1000 °С. Температура дыма в обогреваемом простенке около 1300-1400 °С. Процесс коксования длится 13-16 часов. Печь отапливается обычно доменным газом или коксовым газом, вы- деляющимся в процессе коксования угля. Глубокая утилизация теплоты дымовых газов достигается в керамических регенераторах. Для справки: регенератор – теплообменник, в котором передача теп- лоты осуществляется путем поочередного соприкосновения теплоносите- лей с одними и теми же поверхностями аппарата. Во время соприкоснове- ния с "горячим" теплоносителем стенки и насадка регенератора нагревают- ся, с "холодным" – охлаждаются, нагревая его. В свою очередь, насадкой регенератора называется наполнитель камеры регенератора, служащий для аккумуляции теплоты во время нагрева и отдачи его нагреваемому воздуху или газу. Другой тип теплообменников – рекуператор – теплообменный ап- парат поверхностного типа, в котором теплота горячего теплоносителя пе- редается холодному через разделительную стенку. 8 В коксовых печах через регенератор сначала идёт дым (сверху вниз), а после срабатывания перекидных клапанов – воздух (снизу вверх). Пере- кидной клапан – устройство для изменения направления движения воздуха (газа) или продуктов горения в печах, использующих регенераторы. Чем меньше время между перекидками клапанов, тем ниже температура про- дуктов горения, отходящих из регенератора, и соответственно, ниже расход топлива на отопление печи, но, с другой стороны, при частом срабатыва- нии снижается стойкость механических перекидных устройств. Время ме- жду перекидками клапанов составляет обычно от 15 до 30 минут. Цикл по- вторяется непрерывно. Таким образом, дым нагревает стенки и насадку ре- генератора, а воздух – остужает. Топливо тоже может проходить через ре- генератор и нагреваться, – в противном случае топливо подаётся непосред- ственно в камеру горения через горелку, соединённую с газораспредели- тельным каналом. В зависимости от конструкции отопительного простенка коксовые пе- чи бывают: а) с перекидными каналами (ПК); б) с парными вертикалами в отопительных простенках и с рециркуляцией продуктов горения (ПВР). В печах с перекидными каналами (ПК) отопительные простенки раз- делены вертикальными перегородками на отдельные каналы, которые со- единены в верхней части сборным коллектором. Каждая пара простенков, Рис. 2.1. Общий вид коксовой батареи: 1 - приёмный бункер для сырого каменного угля; 2 - отделение для дробления и сме- шивания угля; 3 - распределительная башня; 4 - погрузочная тележка; 5 - камера кок- сования; 6 - коксовыталкиватель; 7 - тушильный вагон; 8 - тушильная башня; 9 - платформа для выгрузки остуженного кокса 9 находящихся по обе стороны камеры коксования, соединена несколькими перекидными каналами. Печи ПК имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение: неравномерность нагрева коксового пирога по высоте, большое гидравлическое сопротивление, недостаточная герметичность отопительной системы и повышенный расход топлива. Для уменьшения неравномерности нагрева применяют утолщение нижней части кладки ка- меры коксования. В печах типа ПВР каждый отопительный простенок разделяется на парные каналы (вертикалы) с рециркуляцией продуктов сгорания через со- единительные (рециркуляционные) окна внизу разделительных стен (см. рис. 2.2). Рециркуляция осуществляется за счет инжектирующего действия топливовоздушных струй и разности плотностей опускающихся продуктов сгорания и направленного вверх факела в смежных вертикальных каналах. В факельный процесс вовлекается до 40 % отработанных продуктов сгора- Рис. 2.2. Поперечный (А–А, Б–Б) и продольный (Г–Г) разрезы коксовой печи с парными вертикалами в отопительных простенках и с рециркуляцией продуктов горения (ПВР): ПГ - продукты горения; В - воздух; Г - доменный газ (или воздух); 1р, 2р, 3р,...10р - регенераторы; 1п, 2п, 3п, 4п - отопительные простенки; 1 - короткий косой ход; 2 - длинный косой ход; 3 - газораспределительный канал; 4 - перевальное окно; 5 - рециркуляционное окно; 6 - камера коксования; 7 - загрузоч- ное окно; 8 - отверстие для контроля горения 10 ния, в результате чего резко увеличивается равномерность нагрева по вы- соте каналов по сравнению с печами типа ПК. Так, например, перепад тем- ператур по высоте коксового пирога в печах ПВР – не более 50 °С. При коксовании одной тонны сухого каменного угля получают в среднем 750 кг кокса, 300-330 м 3 коксового газа, 35 кг смолы, 10-11 кг бен- зольных углеводородов и 3 кг аммиака в виде сульфата аммония. Ориентировочный материальный баланс коксования угля приведен в табл. 2.1. Таблица 2.1 Пример материального баланса коксования угольной шихты (кг/кг) Приход Расход Расчет сухая ших та влага ших ты ито го кокс коксовы й газ влага ших ты смола безводная пирогенетиче - ская влага сы рой бензол сера в пересч е- те на H 2 S аммиак 100 %- ный ито го На 1 кг влаж- ной шихты 0,913 0,087 1,00 0,702 0,136 0,087 0,033 0,024 0,01 0,005 0,003 1,00 На 1 кг сухо- го кокса 1,301 0,124 1,425 1,00 0,194 0,124 0,048 0,034 0,014 0,007 0,004 1,425 Ориентировочный тепловой баланс коксовой печи приведен в табл. 2.2. Данный тепловой баланс построен на основе материального ба- ланса табл. 2.1. В тепловом балансе принято: объем камеры коксования – 41,6 м 3 ; коэффициент расхода воздуха n = 1,4; оборот печи – 13 часов; ра- зовая загрузка – 31,8 тонны влажной шихты. Таблица 2.2 Пример теплового баланса коксовой печи (на 1 кг сухого кокса) Приход теплоты кг кДж % Расход теплоты кг кДж % 1. Химическая энергия топлива 3748 98,0 1. Физическая теплота, уносимая коксом при выгрузке при t = 1025 °С 1524 39,8 2. Физическая теплота загру- жаемой шихты при t = 20 °С 38 1,0 2. Физическая теплота, уносимая коксовым газом и летучими про- дуктами коксования при t = 750 °С 1302 34,1 3. Физическая теплота воздуха при t = 20 °С 33 0,9 3. Потери теплоты с уходящими продуктами сгорания (после реге- нераторов) при t = 345 °С 683 17,8 4. Физическая теплота коксово- го газа при t = 20 °С 6 0,1 4. Потери теплоты через кладку в окружающую среду 316 8,3 5. Химическая энергия реакций коксования (компенсирована эндотермическими реакциями) 0 0 Итого 3825 100 Итого 3825 100 11 В коксовых печах коэффициент использования химической энергии топлива в рабочем пространстве печи (КИТ) достигает 0,8-0,85. Удельный расход теплоты составляет 3,3-3,8 МДж/кг кокса, что соответствует 110-130 кг у.т./т шихты. Напомним, что 1 кг у.т. = 29,308 МДж. Можно рекомендовать следующие пути снижения расхода топлива на коксование: применение установок сухого тушения кокса взамен водяного тушения с использованием полученной теплоты кокса на производство горячей воды, пара, горячего воздуха. Это позволит получить, например, около 0,8-1,2 ГДж теплоты в виде пара на 1 тонну кокса при одновременном повышении качества кокса; использование теплоты газообразных продуктов коксования, имеющих температуру 600-750 °С. Пока эта теплота не используется, так как газ со- держит много смолы и применение обычных теплообменников невозмож- но; более полное использование теплоты продуктов горения путём совершен- ствования конструкции регенераторов. В частности, нужна насадка с боль- шой удельной поверхностью нагрева; оптимизация времени между кантовками (перекидками клапанов). Чем меньше время кантовки, тем меньше могут быть объём регенератора и теп- ловые потери, но вместе с этим снижается стойкость механического обору- дования; совмещение процесса термической подготовки (подогрева) шихты и сухого тушения кокса, в результате чего возможно снизить расход теплоты на кок- сование примерно на 25-30 %. 2.2. Обжиговая печь для производства извести Обжиговая печь предназначена для обжига различных материалов и изделий (известняк, магнезит, доломит, огнеупорная глина, руда, а также огнеупорный кирпич, фарфоровые изделия, краска на посуде и т.п.). Обжи- говые печи бывают шахтными, вращающимися, камерными, туннельными и др. В качестве примера рассмотрим вращающуюся трубчатую печь (рис. 2.3) для обжига известняка (СаСО 3 ) с целью получения извести (СаО). Процесс обжига состоит из двух стадий: нагрев известняка до темпе- ратуры 900 °С и далее выдержка при температуре 900-1000 °С для разло- жения известняка по формуле: СаСО 3 = СаО + СО 2 – 178,2 кДж/моль. 12 Печь состоит из следующих частей: а) загрузочной головки (загрузочное устройство + газоотводная каме- ра); б) металлического барабана, изнутри футерованного огнеупорным кирпичом; в) горячей головки (топочная камера + разгрузочная течка). Вращение барабана обеспечивается приводом, соединённым с венцо- вой шестерней барабана. Барабан опирается через свои бандажи на опор- ные ролики, которые берут на себя всю нагрузку. Диаметр барабана 2,5-3,5 м, а длина – 60-80 метров. Печь работает следующим образом. Известняк подаётся в печь из спе- циального бункера, расположенного у верхнего торца печи, далее транс- портируется через печь за счёт вращения барабана, наклоненного к гори- зонту под углом 1-2 градуса, нагреваясь при этом до 900-1000 °С. Выдача готовой извести производится из противоположного конца барабана через разгрузочную течку. Горячие дымовые газы образуются при сжигании топ- лива со стороны горячей головки и, проходя по барабану, постепенно от- дают теплоту известняку. Температура дыма примерно на 200-300 °С выше температуры нагреваемого известняка по всей длине печи. С горячей сухой известью, выгружаемой из рабочего пространства пе- чи, расходуется до 10-15 % теплоты, используемой в печи. Часть этой теп- лоты возвращается в печь с воздухом горения. Для этого под печью уста- навливается вращающийся контактный теплообменник, в котором известь остывает, а воздух, подаваемый для ее охлаждения,– нагревается. Рис. 2.3. Схема вращающейся трубчатой печи для обжига известняка: 1 - барабан; 2 - бандажи; 3 - уплотнение; 4 - топочная камера (горячая головка); 5 - топ- ливосжигающее устройство; 6 - разгрузочная течка; 7 - опорные ролики; 8 - фунда- мент; 9 - привод барабана; 10 - газоотводная камера (головка печи); 11 - загрузочное устройство; 12 - венцовая шестерня 13 Существенный недостаток свежеобожженной извести (СаО) – это не- обходимость ее немедленного использования. Даже при непродолжитель- ном хранении известь реагирует с влагой воздуха, в результате чего обра- зуется гашеная известь Са(ОН) 2 Ориентировочный материальный баланс обжига известняка приведен в табл. 2.3, а соответствующий ему тепловой баланс вращающейся печи (в комплекте с контактным теплообменником) – в табл. 2.4. Таблица 2.3 Ориентировочный материальный баланс обжига известняка Приход кг/кг шихты кг/кг из- вести Расход кг/кг шихты кг/кг из- вести 1. Известняк с гидратной влагой 0,950 1,765 1. Известь (сухая) 0,538 1,000 2. Влага 0,050 0,093 2. Диоксид углерода (СО 2 ) 0,390 0,724 3. Водяные пары 0,053 0,098 4. Пыль известняка 0,019 0,036 Итого 1,000 1,858 Итого 1,000 1,858 Таблица 2.4 Ориентировочный тепловой баланс барабанной вращающейся печи для обжига известняка (на 1 кг извести) Приход теплоты кг кДж % Расход теплоты кг кДж % 1. Химическая энергия топ- лива 4686 98,00 1. Химическая энергия эндотерми- ческих реакций (Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 ⋅2Н 2 О → Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 + 2Н 2 О; MgCO 3 → MgO + CO 2 ; CaCO 3 → CaO + CO 2 ) 2756 57,63 2. Химическая энергия экзо- термических реакций взаи- модействия СаО с Al 2 O 3 , SiO 2 и Fe 2 O 3 11 0,23 2. Физическая теплота уходящего дыма (t = 300 °С), включая водяные пары и CO 2 , образовавшиеся при эндотермических реакциях и испа- рении влаги 930 19,45 3. Физическая теплота загру- жаемой шихты при t = 20 °С 37 0,77 3. Потери теплоты через кладку стен барабана 703 14,70 4. Физическая теплота возду- ха при t = 20 °С 37 0,77 4. Теплота испарения влаги 232 4,86 5. Физическая теплота пыли, возвращаемой в печь после циклона 11 0,23 5. Физическая теплота извести (t = 100 °С) после контактного теп- лообменника для подогрева возду- ха 92 1,92 6. Физическая теплота пыли, выно- симой из печи (t = 300 °С) 69 1,44 Итого 4782 100 Итого 4782 100 14 Печи для обжига известняка потребляют очень много энергии. Расход условного топлива составляет около 90-100 кг у.т./т известняка или 160-190 кг у.т./т извести. Значительный расход топлива в обжиговой печи делает её привлека- тельной для совершенствования. Известно, что около 20-30 % всей потреб- ляемой теплоты уходит с дымовыми газами. Поэтому можно предложить варианты утилизации теплоты дымовых газов, в том числе с использовани- ем воздушных рекуператоров, некорродирующих в присутствии большого количества пылевидной извести в дыме. Но, по-видимому, самое перспек- тивное – это использование теплоты дыма для подогрева известняка перед загрузкой в печь. Для интенсификации же теплообмена в самой печи жела- тельна установка в районе загрузочной головки на внутренних стенках ба- рабана лопаток, которые бы увеличили площадь контакта пересыпающего- ся известняка. |