СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ. 2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. 2. 1 Конструкции холодильников и системы охлаждения доменной печи

• Название: 2. 1 Конструкции холодильников и системы охлаждения доменной печи
• Анкор: СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
• Дата: 23.05.2023
• Размер: 2.21 Mb.
• Имя файла: 2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.docx
• Тип: Документы; #1154516

^{2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ}

2.1 Конструкции холодильников и системы охлаждения доменной печи

Охлаждение доменной печи имеет исключительно важное значение и преследует три основные цели:

• 
  предохраняет кожух печи от воздействия высоких температур;
  
• 
  способствует сохранности огнеупорной кладки печи;
  

• 
  при разгаре огнеупорной кладки печи способствует образованию гарни- сажа.
  

Холодильники, применяемые для охлаждения доменных печей, за исключением специальных (холодильники фурменных приборов и шлаковых леток), можно разделить на два вида: плитовые и коробчатые. Исследование систем охлаждения показало, что преобладающее число доменных печей в мире оборудовано коробчатыми холодильниками. Однако число печей, оснащенных плитовыми холодильниками, возрастает. Системами охлаждения с плитовыми холодильниками в Японии оборудовано более 70 % доменных печей, в США  менее 5 %, в других странах Западной Европы  более 20 %. На некоторых доменных печах в Западной Европе и в России применяют оба вида холодильников.

Коробчатые холодильники выполняются из бронзы или мягкой малоуглеродистой стали. Эти холодильники устанавливаются горизонтально в литых или сварных стальных амбразурах, закрепляемых на кожухе печи (рис. 2.1).

При вертикальной системе охлаждения применяются чугунные плитовые холодильники, конструктивно различающиеся между собой в зависимости от размещения по зонам печи. Вертикальный плитовый холодильник представляет собой чугунную плиту толщиной 120-160 мм с залитыми внутри стальными трубками диаметром 32-50 мм. Шаг между трубками делается не более 270 мм. Это связано с тем, что при большем шаге между трубками наблюдается резкое возрастание температур в средней части холодильника между трубками, что в итоге приводит к быстрому выходу холодильника из строя. Вертикальные холодильники опоясывают кладку печи, поэтому в плане они выполняются по радиусу кожуха. Холодильники могут быть прямоугольными при установке их в цилиндрической части кожуха или трапециевидной формы в конических частях кожуха. Холодильники отливаются из чугуна марок СЧ-15-32, СЧ-12-25,




Рисунок 2.1 Конструкции горизонтальных холодильников

а- гладкий плитовый; б- ребристый с залитым кирпичом; в- ребристый без залитого кирпича

Рисунок 2.2. Вертикальные плитовые холодильники
ЧЛ-3, СЧ-28. Различные виды вертикальных плитовых холодильников показаны на рисунке 2.2

В отличие от холодильников с залитыми в одной плоскости четырьмя трубками или одним змеевиком, двухрядный холодильник представляет собой утолщенную плиту тех же габаритов по высоте и ширине, с залитыми в двух плоскостях перекрещивающимися змеевиками, в которых обеспечивается

восходящее движение воды. Холодильник при необходимости может быть выполнен с опорным выступом в средней или верхней части плиты для поддержания кладки (рис. 2.3).



Рисунок 2.3 Холодильник плитовый двухрядный S-образной формой металлической части и опорным выступом
По периферии лещади и горна (в том числе в фурменной зоне) устанав- ливаются только плитовые холодильники с гладкой поверхностью для лучшего отбора тепла от кладки и уменьшения нагрева тела самого холодильника (рис. 2.4).

Конструктивно плитовые холодильники горна не отличаются от холо- дильников лещади; отличается лишь форма холодильников фурменной зоны (рис. 2.5). Сложная конфигурация холодильников связана с необходимостью установки арматуры устройства для подвода воздуха в печь.

В заплечиках для лучшего образования гарнисажа используются ребри- стые холодильники с залитым кирпичом. Прочность сцепления гарнисажа с поверхностью такого холодильника получается очень высокой, что резко сокращает случаи его схождения в зоне заплечиков. Высота ребер делается 75х230 мм, толщина ребер составляет обычно 50х60 мм. Значительно реже в этой зоне устанавливаются гладкие холодильники, которые, хотя и более рациональны с теплотехнической точки зрения, могут быстрее выходить из строя вследствие сильного абразивного действия газового потока и трения кокса, особенно при неустойчивом гарнисаже.



Рисунок 2.4. Периферийный Рисунок 2.5. Холодильник

вертикальный плитовый фурменной зоны

холодильник лещади
Для улучшения сцепления гарнисажа с поверхностью холодильника ис- пользуют холодильники, которые представляют собой чугунную плиту, в кото- рой выполнены сквозные на всю толщину горизонтальные проемы, не доходя- щие до конца боковых граней, для чего металлической части плиты придается S-образная форма. В проем заливается огнеупорный клиновидный кирпич или другой высококачественный материал - муллит, карборунд. В металлической части плиты, обрамляющей проемы, заливается один или два ряда охлаждаю- щих змеевиков, имеющих также S-образную форму. Такие холодильники име- ют ряд достоинств перед обычными конструкциями; в частности, отмечается снижение расхода кокса на 3-4 кг на тонну чугуна.

Область маратора защищают сапожковыми холодильниками с выступами для защиты опорного кольца или горизонтальными холодильниками, имеющи- ми часто самостоятельное охлаждение. Сапожковые холодильники выполняют преимущественно ребристыми, с залитым кирпичом, без него, а иногда гладкими.

Холодильники из чугуна с залитым кирпичом, показанные на рис. 2.6, служат для охлаждения как заплечиков, так и маратора. Конструкция отличает- ся простотой и минимальным количеством вырезов в кожухе.

В распаре и шахте применяют плитовые холодильники с залитым кирпи- чом и с ребрами без залитого кирпича. Холодильники верхнего ряда шахты имеют уступы величиной до 300 мм для опоры кладки неохлаждаемой части шахты. Большие абразивные воздействия на холодильники шахты должны компенсироваться оптимальным защитным слоем кирпича даже за счет некото-

рого ухудшения их теплопроводности и повышения теплового напряжения на холодильник.

Устройство выступов у холодильников (до 650 мм), устанавливаемых в средней части шахты (рис. 2.7), дает заметно лучшие результаты их эксплуата- ции, но не исключает случаев прогара и неравномерного поля охлаждения, что вызывает появление термических напряжений в кладке и нарушение ее прочно- сти.

1 - узел змеевиков; 2 – скоба; 3 - чугун СЧ15; 4 – кирпич ШПД42; 5 – картон асбестовый

Рисунок 2.6. Холодильник заплечиков и маратора
Для повышения стойкости чугунных плитовых холодильников в настоя- щее время их изготавливают из высококачественного чугуна с глобулярным графитом (ВЧ-45, ВЧ-50). Они практически полностью вытеснили плиты из низколегированного чугуна. Новые холодильные плиты имеют повышенную пластичность и прочность, а также сопротивление воздействию высоких темпе- ратур. Общим для различных типов холодильных плит из чугуна является ус- тойчивость к тепловым потокам до 60-70 кВт/м².

При более высоком уровне тепловых потоков используют медные верти- кальные холодильные плиты.

2.2 Системы охлаждения доменных печей

Охлаждение по видам теплоносителя делится на два основных способа: холодной технической (иногда химически подготовленной) и кипящей (деаэрированной) водой с использованием в качестве охлаждающего фактора скрытой теплоты парообразования, так называемое испарительное охлаждение.

Система охлаждения доменных печей должна работать бесперебойно. Поэтому электроснабжение насосной станции производится не менее чем от двух независимых источников. Насосные станции, кроме основных, должны быть оборудованы резервными насосами. Снабжение доменного цеха водой производится не менее чем по двум водоводам, уложенным в проходных тун- нелях. Каждый из водоводов рассчитывается на пропуск 100 % количества требуемой для охлаждения воды. На случай обесточивания доменного цеха устанавливаются водонапорные башни, запас воды в которых должен обеспечивать охлаждение печи до ввода в действие резервных насосов или до полной остановки печи после выпуска чугуна и шлака [4].

Водяное охлаждение печи может быть однозонным и двухзонным. В пер- вом случае вода на все холодильники подается от одной группы насосов с на- пором около 0,8 МПа (8 атм). При двухзонном охлаждении доменная печь де- лится на две зоны - верхнюю и нижнюю соответственно с напором 0,8 и 0,5 МПа. Эти зоны работают от отдельных групп насосов. В ряде случаев для доменных печей большого объема для охлаждения деталей фурменных прибо- ров давление воды повышается до 1,5 МПа. Для доменных печей, работающих на повышенном давлении газа, предпочтительной является однозонная система охлаждения.

Перед поступлением воды в цех она подвергается очистке в механизиро- ванных двухкамерных фильтрах.

Для защиты водного бассейна организуется замкнутый оборотный цикл водоснабжения, включающий оборотные циклы водоснабжения тонкой газо- очистки доменного газа, шламов стоков бункерной эстакады и системы шихтоподачи, водоснабжения установок придоменной грануляции шлака (при их наличии в цехе). Сброс воды из замкнутых оборотных циклов водоснабжения в водный бассейн не производится.

Принципиальные схемы водяного охлаждения доменной печи различных видов показаны на рис. 2.7.

Расход воды на охлаждение доменной печи исключительно высок  в пределах 1220 м³ на 1 тонну чугуна. Основными факторами, определяющими расход воды на охлаждение, являются качество воды, конструктивные особен-

ности печи, тепловые условия работы охлаждающих элементов, параметры до- менного процесса и гидравлические особенности системы охлаждения.

Качество воды характеризуется химическим составом и содержанием в ней механических примесей. Исключение выпадения механических примесей обеспечивается установкой фильтров и созданием самоочищающихся скоро- стей. Накипь образуется при выпадении химических примесей и определяется температурой нагрева воды. К химическим примесям относится бикарбонат кальция Са(НСO₃)₂ и магния Mg(HCO₃)₂, которые при нагреве разлагаются с образованием малорастворимых соединений СаСО₃ и MgCO₃, выделяющихся из раствора в виде накипи, когда их концентрация превышает растворимость этих солей при данной температуре.



Рисунок 2.7. Принципиальные схемы разомкнутого водяного (а), замкнутого водяного (б) и испарительного (в) охлаждений: 1 - водозаборный фильтр; 2 - насос; 3 - отделение водоподготовки; 4 - напорный трубопровод; 5 - холодильник водяного охлаждения; 6 - холодильник испарительного охлаждения; 7 - сливной трубопровод; 8 - градирня; 9 - бак-сепаратор; 10 - потребитель пара; 11 - питательный трубопровод; 12 - труба возврата конденсата; 13 - паровой трубопровод
В трубах холодильников выпадает в основном аморфный слой карбоната кальция, теплопроводность которого составляет 0,21,2 Вт/(м·С). В этом слу- чае при низких плотностях теплового потока (до 10 кВт/м²) температура тела холодильника повышается незначительно. При повышении значения теплового потока до 5060 кВт/м² и более температура рабочей поверхности холодильни- ка превышает предельно допустимую (600700 °С), что приводит к разруше- нию холодильника, а в зонах контакта с жидким чугуном увеличивает возмож- ность прорыва горна или лещади печи.

Важное значение имеет скорость воды в трубах холодильников. При нор- мальной работе холодильников плотность тепловых потоков не превышает 10 кВт/м², а скорость воды поддерживается на уровне 1,01,5 м/с. В этом слу- чае поверхностное кипение воды практически исключено. При плотности теп- ловых потоков, достигающих 20 кВт/м², скорость воды необходимо увеличи- вать.

При испарительном охлаждении используется скрытая теплота паро- образования для отвода тепла охлаждаемой детали (холодильника), равная 2260,9 кДж/кг. Кроме того, каждый 1 кг воды, поступивший в систему ох- лаждения с температурой 30 °С, нагреваясь до кипения, отбирает при- мерно 293 кДж. Таким образом, при испарительном охлаждении отводится

2512 кДж вместо 4245 (max) кДж/кг при водяном охлаждении, что позволяет значительно сократить расход воды.

Оба способа охлаждения (водяное и испарительное) разделяют на гори- зонтальное и вертикальное. При горизонтальном охлаждении холодильники шахты, распара, заплечиков устанавливают в массиве кладки горизонтально, а при вертикальном охлаждении – вертикально по охлаждаемой поверхности, прикрепляя холодильники к внутренней стороне кожуха печи специальными болтами. Охлаждение металлоприемника и боковой поверхности лещади осу- ществляют только вертикальными холодильниками или наружным поливом кожуха.

Преимущества горизонтальной системы охлаждения заключаются в большой поверхности охлаждения, достигающей 3 м²/м³ кладки, возможности смены холодильников в межремонтные периоды, лучшей сохранности проект- ного профиля и соотношений его размеров. Горизонтальные холодильники ох- лаждают кладку печи на большую глубину и тем самым способствуют сохран- ности огнеупорной кладки.

Недостатками горизонтальной системы охлаждения являются плохая герметичность кожуха печи и его ослабление вырезами для холодильников, от- носительная легкость прогара холодильников при обнажении их по мере износа кладки или оползания гарнисажа. При использовании несменяемых горизон- тальных холодильников кожух печи практически не ослабляется, они хорошо сопрягаются с огнеупорной кладкой, но возникают проблемы с обнаружением их прогара. Кроме того, при температурном росте кладки такие холодильники передают значительные напряжения на кожух печи.

Вертикальные плитовые холодильники устанавливаются между кожухом печи и огнеупорной кладкой и крепятся к кожуху с помощью болтов. Главное назначение таких холодильников  предохранение кожуха печи от воздействия высоких температур. Повысить стойкость кладки такие холодильники могут настолько, насколько простирается их охлаждающее действие в массив кладки. Чем выше теплопроводность огнеупорной кладки, тем в большей степени такие холодильники способствуют ее стойкости. При применении вертикальных хо- лодильников кожух печи имеет лучшую строительную прочность, поскольку не

ослаблен вырезами, высокую герметичность, но имеет меньшую площадь ох- лаждения  примерно 2 м²/м³ кладки.

Для сокращения на печи разводки линий, подводящих охлаждающую во- ду, и для лучшего ее использования холодильники, как правило, соединяются в секции. Число холодильников в секции определяется теплонапряженностью данной зоны печи и зависит также от конструкции футеровки печи.

Во всех случаях температура воды, отходящей от водоохлаждаемых эле- ментов, должна быть ниже температуры выпадения жесткости. Температурные перепады воды для отдельных охлаждаемых элементов печи и предельное зна- чение температуры воды устанавливаются технологической инструкцией для конкретных печей.

Для настоящего времени характерен переход на замкнутые системы ох- лаждения с использованием химически очищенной воды и теплообменников для охлаждения этой воды.



Рисунок 2.8 Система охлаждения химически очищенной водой по всей высоте печей

2.3 Совершенствование системы охлаждения доменных печей

Производство чугуна встречает на своем пути множество проблем, которые нуждаются в решении. Одна из них – физический износ металлоконструкций, трубопроводов, оборудования, снижение эффективности охлаждения доменной печи, что приводит к увеличению аварийных стоянок и планово-предупредительных ремонтов. Все это следствие устаревшего способа охлаждения доменной печи. На рисунке 2.1 показаны вышедшие из строя холодильники доменной печи.

Улучшение технико-экономических показателей работы печей и увеличение продолжительности их кампании невозможно без внедрения новых конструктивных решений в устройстве как самих доменных печей, так и вспомогательного оборудования. Первостепенная задача капитальных ремонтов доменных печей изменилась в сторону продления кампании. При проведении капитальных ремонтов ставится задача о продлении кампании печи до 15-20 лет.



Рисунок 2.1 – Вышедшие из строя холодильники доменной печи
В работе рассмотрены наиболее современные конструкции холодильников и способы охлаждения доменных печей, их плюсы и минусы.

Существующие виды охлаждения подразделяются на:

1. 
   охлаждение технической водой;
   
2. 
   пароиспарительное охлаждение;
   
3. 
   охлаждение химически очищенной водой.
   

Холодильники доменной печи могут быть изготовлены из чугуна (рисунок 2.2, а) или меди (рисунок 2.2, б).

Недостатки чугунных холодильников:

1. 
   зазор между залитыми трубками охлаждения и чугуном;
   
2. 
   снижение эффективности теплоотвода;
   
3. 
   низкая теплопроводность;
   
4. 
   вздутие трубопроводов холодильника при высокой интенсивности его нагрева;
   

Все вышепереисленные недостатки можно устранить путем применения холодильников из меди.

Достоинства медных холодильников:

1. 
   физические свойства меди превышают показатели теплопроводности чугуна в 7-8 раз;
   
2. 
   свойство меди, охлаждаемой реагентом, определяет интенсивный теплообмен между поверхностью холодильника и процессами, протекающими в доменной печи, сто создает условия формирования защитного слоя – «гарнисажа» на поверхности холодильников, повышает срок их службы до 15-20 лет.
   

Рисунок 2.2 – Чугунный (а) и медный (б) холодильники
Медные холодильники имеют недостаток. Система охлаждения медными холодильниками требует больше затрат на изготовление и эксплуатацию холодильников. Однако накопленный на Череповецком металлургическом комбинате опыт с применением медных холодильников показал, что повышенные затраты полностью окупаются продлением срока службы шахты и распара доменных печей.

Охлаждение технической водой (рисунок 2.3) имеет следующие недостатки:

1. 
   регулирование ее расхода практически невозможно, т.к. вода подается из водоема непрерывно в систему охлаждения с расчетом на максимальные тепловые нагрузки;
   

2. 
   высокая вероятность засорения фильтров и охладительных элементов, когда речная вода содержит много ила и речной молоди;
   
3. 
   в летний период температура воды значительно повышается, что приводит к ухудшению охлаждения элекментов доменной печи.
   

Рисунок 2.3 – Охлаждение доменной печи технической водой
При повышении температуры воды свыше 40⁰С происходит выпадение солей и забивание трубок (змеевиков) холодильников. Установлено, что слой накипи в 1 мм повышает температуру рабочей стороны холодильника на 80-100⁰С при обычных тепловых нагрузках и резко ухудшает его охлаждаемую поверхность.

Пароиспарительное охлаждение (рисунок 2.4 ) имеет следующие достоинства:

1. 
   привлекательно с точки зрения экономии энергии;
   
2. 
   требуется намного меньше воды на охлаждение доменной печи, т.к. используется внутренняя теплота парообразования.
   

Пароиспраительное охлаждение имеет следующие недостатки:

1. 
   за счет разных тепловых зон доменной печи формируется нестабильная циркуляция, тем самым создается неравномерная скорость потока водяного пара в отдельных трубках, вследствие чего происходит образование накипи, дальнейший перегрев и разрушение холодильных плит;
   
2. 
   из-за большого обема и давления пара создается высокая опасность, что регламентирует соответсвтующие требования, установленные для газоопасных мест 1-й группы «Правила эксплуатации сосудов работающих под давлением».
   

Отличительной чертой системы охлаждения химически очищенной водой в замкнутом контуре (рисунок 2.5) является установка цимркуляционных

Рисунок 2.4 – Пароиспарительное охлаждение доменной печи


Рисунок 2.5 – Схема охлаждения доменных печей химически очищенной водой в замкнутом контуре
насосов и теплообменников типа вода-вода. Такая система охлаждения может работать как в режиме охлаждения холодной химически очищенной водой, так и в резервном испарительном режиме. При этом имеются следующие преимущества:

1. 
   стабильная скорость воды во всех циркуляционных контурах (1,7-1,8 м/с);
   
2. 
   отсутствие отложений на стенках труб холодильных плит, высокая стабильность теплосъема;
   
3. 
   низкий расход химически очищенной воды;
   
4. 
   легкость обнаружения неисправного элемента и возможность контроля расходов воды как охлаждаемым сектором доменной печи (до и после холодильников), так и по каждому циркуляционному контуру при условии расходомеров на входе и на выходе из циркуляционного контура;
   
5. 
   улучшение условия образования гарнисажа на холодильных плитах.
   

Использование химически очищенной воды в системе охлаждения доменной печи увеличит срок эксплауатации холодильного оборудования, существенно сократит отложения на внутренних стенках трубок и улучшит условия обслуживания системы охлаждения. Использование медных холодильников с более высокм коэффициентом теплопередачи улучшит образование гарнисажа на внутренней поверхности печи, что способствует защите холодильника от прогара.


Рисунок 2.6 Предлагаемая система охлаждения доменной печи химически очищенной водой в замкнутом контуре
Внедрение систем охлаждения химически очищенной водой в замкнутом контуре потребуют дополнительных капитальных затрат, однако преимущества данной системы являются очевидными, при этом затраты на внедрение являются разовыми, в экономия бцдет постоянная на весь период эксплуатации. Увеличение срока эксплуатации доменной печи без замены холодильных плит до 20 лет.

Применение системы химически очищенной воды в замкнутом цикле при строительстве доменных печей повысит эффективность охлаждения печи, позволит современно обнаруживать сгоревший элемент, а также существенно увеличит срок кампании печи.

Внедрение систем охлаждения химочищенной водой (рисунок 2.6) в замкнутом контуре потребуют дополнительных капитальных затрат, однако преимущества данной системы очевидны: затраты на внедрение являются разовыми, а экономия будет постоянная на весь период эксплуатации. Увеличение срока эксплуатации доменной печи без замены холодильных плит будет доходить до 15 лет.