§ 5. Движение газов в рабочем пространстве металлургических печей

Причины движения. Свободное и вынужденное движения

Важнейшими процессами, протекающими в рабочем прост­ранстве металлургических печей, являются процессы тепло­обмена. От них зависят все (или почти все) основные каче­ственные и количественные показатели работы печей. Ра­бота и конструкция печи должны выполняться так, чтобы в ее рабочем пространстве обеспечивался наиболее рацио­нальный режим теплообмена. Достижению этого должны быть подчинены такие процессы, как процессы сжигания топлива, движения газа и т. п.

Процессы движения газов теснейшим образом связаны с процессами теплообмена. От них зависят интенсивность и равномерность нагрева металла, стойкость футеровки пе­чи. Неправильная организация движения раскаленных га­зов в рабочем пространстве печи может служить причиной не только ухудшения работы печи, но и выхода ее из строя.

Движение газов в рабочем пространстве промышленных печей бывает естественное (свободное) и вынужденное. Причиной свободного движения является разность плотностей объемов газа, находящихся при разной температуре, Это «вялое» движение с малыми скоростями. Вынужден­ное (принудительное) движение происходит под действием внешних сил (струи, вентилятор). Ему присущи высокие скорости, оказывающие влияние на процессы теплообмена. При этом струи топлива и воздуха, выходящие из форсу­нок и горелок, являются в современных печах основным фактором, влияющим на характер движения газов. Это не означает, конечно, что естественное движение в печах не существует. Оно существует, но играет подчиненную роль. По мере развития печей изменялась и роль дымовой трубы. Из устройств, оказывающих большое влияние на движе­ние газов в печи и одновременно с этим предназначенных для удаления дымовых газов, современные дымовые трубы выполняют, по существу, только вторую роль. В настоящее время в ряде случаев, когда необходимо создать большое разрежение, применяют различные дымососы (прямого и непрямого действия), оставляя дымовой трубе роль кана­ла, через который удаляется дым в атмосферу в соответст­вии с санитарными нормами. Это делается в тех случаях, когда пришлось бы строить крайне дорогие чрезмерно вы­сокие дымовые трубы или когда дымовая труба вообще не приемлема.

В связи с изложенным выше прежде всего остановимся на рассмотрении струй и дымососов прямого и не прямого действия.

Струи

При отоплении современных металлургических печей жидким и газообразным топливом часто применяется так называемый факельный метод сжигания. Факелом называ­ют промышленное пламя, образованное струями топлива и воздуха. В силу этого аэродинамической основой теории факела является теория струй.

Различают струи свободные, ограниченные и частично ограниченные. К свободным относятся струи, которые ис­текают в пространство, не ограниченное стенками. Огра­ниченные струи развиваются в пространстве, стесненном стенками.

Свободные струи. Свободная струя называется затоп* ленной, если она истекает в среду с той же плотностью. Это условие выполняется в печах лишь частично, так как рабо­чий объем печи обычно заполнен раскаленными продукта­ми сгорания. Поэтому возможны такие случаи, когда среда струи имеет плотность, отличающуюся от плотности среды, в которой она распространяется. Если ось затопленной струи является продолжением оси насадка, из которого она истекает, то при неравенстве плотностей ось искривляется вверх (плотность струи меньше плотности среды) или вниз (плотность струи больше плотности среды).

Начальный участок Основной участок

Рис. 15. Схема распределения скоростей в различных сечениях свобод­ной струи

С вободная затопленная струя (рис. 15) обладает рядом характерных свойств, одним из которых является постоян­ство количества движения по длине струи, т. е. т = const. При движении турбулентной струи в результате поперечных пульсаций развивается массообмен между окружающей средой и струей. В результате этого масса струи по ее длине увеличивается. Процесс тур­булентного перемешивания, сопровождающийся увеличе­нием массы струи, требует определенных затрат энергии (окружающая среда относительно непо­движна). Поэтому кинетическая энергия и скорость струи по мере удаления от выходного сечения посте­пенно падают (рис. 16). Однако падение кинетической энергии и осевой скорости струи происходит неодинаково. Объясняется это тем, что скорость начинает уменьшаться прежде всего на периферии струи. Постепенное падение ско­рости распространяется по всей толщине струи и достигает ее оси. Поэтому в начале струи осевая скорость на опреде­ленном участке остается неизменной и равной скорости ис­течения. Этот участок называется начальным участком струи, тогда как следующая за ним вся остальная часть струи называется основным участком.

Н аряду с постоянством количества движения отличи­тельной особенностью свободной затопленной струи явля­ется также постоянство давления в ее объеме. Опыты по­казывают, что центральный угол раскрытия круглой струи может изменяться в пределах от 20 до 24°, а изменение от­носительной скорости по длине струи подобно для любых начальных скоростей и любых сопел. Таким образом, для всех этих случаев зависимость будет иметь аналогичный характер.

Здесь l — расстояние данного сече­ния от сопла струи, м; r_н — радиус сопла, м;  — скорость в данном сечении, м/с; _н — начальная скорость истече­ния, м/с; а — экспериментальная константа для круглой струи, равная 0,07—0,08.

Изменение осевой скорости ₀ круглой струи может быть определено из формулы Г.И. Абрамовича:

При установке горелок в печи с точки зрения аэродина­мики факела прежде всего представляют интерес два ос­новных вопроса: какие поперечные размеры факела на всей его длине и какая его дальнобойность? Первый вопрос ва­жен при определении расстояния между горелками, а вто­рой при определении соотношения между длиной факела и размерами рабочего пространства печи, поскольку во избе­жание преждевременного износа кладки печи факел бить в нее не должен.

Частично ограниченные струи. Струйные аппараты (ин­жекторы и эжекторы). С практической точки зрения наибо­лее важное значение имеют два случая частично ограни­ченных струй: струи, соприкасающиеся со стенками, и струйные аппараты. В некоторых, например мартеновских, печах необходимо, чтобы факел на его определенной дли­не касался поверхности расплавленного металла и шлака. В этом случае возникает вопрос о дальнобойности струи при ее соприкосновении с поверхностью (рис. 17). Опыта­ми установлено, что дальнобойность такой струи зависит от угла встречи струи и поверхности. Если струя направле­на вдоль стенки и касается поверхности (угол встречи ра­вен нулю), то такая струя более дальнобойная, чем свободная струя. Это объясняется тем, что поверхность сопри­косновения струи с атмосферой в этом случае меньше и струя затрачивает меньше энергии на захват массы из ок­ружающей среды. Если в дальнейшем увеличивать угол встречи струи и поверхности, то дальнобойность струи уменьшается и факел растекается по поверхности.

Свойство струй захватывать окружающую среду исполь­зуют в струйных аппаратах. Простейший струйный аппарат состоит из смесителя и сопла (рис. 18). Поток, выходя­щий из сопла, называется рабочим. Рабочий газ (или жид­кость), выходя из сопла с высокой скоростью, образует струю, которой стенки смесителя не позволяют захваты­вать окружающую атмосферу. Поэтому струя вовлекаете движение только среду, находящуюся перед входом в сме­ситель. Поток, вовлекаемый в смеситель, называется ин­жектируемым.

В отличие от свободной струи расход газа вдоль смеси­теля остается постоянным. Поскольку с удалением от соп­ла профиль скорости выравнивается, количество движения вдоль смесителя убывает. Но, согласно уравнению импуль­сов, это означает, что давление вдоль смесителя возрас­тает.

Название струйных аппаратов зависит от назначения. Аппараты, в которых создается высокое разрежение перед смесителем, называют эжекторами. Аппараты, в которых давлением инжектируемой среды изменяется незначитель­но, называют инжекторами.

Для расчета струйного аппарата применяют уравнение импульсов Эйлера. Проведем контур, как показано на рис. 18. С известным приближением будем считать, что скоро­сти рабочего, инжектируемого и смешанного потоков в соответствующих сечениях распределены равномерно. Сила­ми трения в смесителе пренебрегаем. Как и для свободной струи, можно принять, что Р_см = Р_и. Положим, что f_сопла + f_и = f_см. Для этих условий уравнение импульсов без уче­та потерь в струйном аппарате принимает вид

(33)

Уравнение (33) является основным для расчета струй­ных аппаратов. В зависимости от рода задачи, используя это уравнение, можно определить любую из входящих в него величин. Путем алгебраических преобразований урав­нение (33) можно представить в форме

(34)

Последнее уравнение выражает закон сохранения энер­гии, согласно которому сумма секундных кинетических энергий рабочего и инжектируемого потоков равна секунд­ной кинетической энергии смешанного потока плюс сумма секундных кинетических энергий потерянной скорости для рабочего и инжектируемого потоков, плюс секундная рабо­та проталкивания, или, как ее часто называют, работа про­тиводавления.

Важной характеристикой работы инжектора является объемная k = V_и/V_р и массовая кратность инжекции.

Чем эффективнее работает струйный аппарат, тем выше кратность инжекции.

Чтобы увеличить кратность инжекции, входную часть смесителя выполняют в виде конфузора, а выходную — в виде диффузора. Конфузор позволяет уменьшить потери при входе инжектируемой среды в смеситель. При расши­рении в диффузоре хотя и уменьшается выходная скорость _см, но значительно увеличивается выходное сечение, бла­годаря чему увеличивается V_см, что равноценно увеличению т_и и, следовательно, k.

Размеры струйного аппарата зависят от его назначения. При малом значении f_см/f_р аппараты высоконапорные. Но, создавая значительный перепад давления по длине смеси­теля, они не могут развить большую кратность инжекции. При большом значении f_см/f_р аппараты могут развивать значительную кратность инжекции и создавать относитель­но небольшой перепад давлений. Оптимальное отношение f_см/f_р , позволяющее получить максимальный перепад дав­лении при заданной кратности инжекции, можно опреде­лить с помощью рис. 19.

Остальные размеры диффузора (рис. 20) следующие:

О сновной целью расчета струй­ных аппаратов является опреде­ление скорости истечения рабо­чего газа из сопла _р. Для ус­пешной работы струйного аппа­рата эта скорость должна быть весьма большой (100 м/с и бо­лее). Обеспечение такой скорости требует весьма высокого давле­ния газа. Это обстоятельство не­сколько сдерживает практическое применение подобных устройств. Выражение для определения объема смеси может быть полу­чено из уравнения (34) и выгля­дит следующим образом, м³/с:

В этом выражении h_пот — сумма потерь напора в струй­ном аппарате:  = f_p/f_см;  = f_p/f_и; _диф = 0,8  0,85.

Ограниченные струи. Характерной особенностью огра­ниченных струй является то, что они развиваются в камере, размеры которой соизмеримы с размерами струи (рис. 21). В начале камеры струя развивается аналогично свободной струе и также вовлекает в движение окружающую среду. Но поскольку стенки камеры препятствуют свободному притоку газа из атмосферы, в области корня струи созда­ется разрежение. В конце струи, наоборот, наблюдается повышенное давление. Таким образом, ограниченная струя развивается в направлении повышения давления, что и создает возможность для возникновения циркуляционных по­токов газа в направлении от хвоста струи к ее истоку. Для характеристики интенсивности циркуляции газов введена кратность циркуляции К = т₂/т₁, где т₁ — секундный массовый расход газа в сечении І — І (см. рис. 21); т₂ — секундный массовый расход газа в сечении II — II; т₂ = т₁ + т_ц (т_ц — масса циркулирующего газа).

Вентиляторы и дымососы

В практических условиях часто встречаются случаи, когда необходимо нагнетание или отсасывание газа при по­мощи специальных устройств. К таким устройствам отно­сятся вентиляторы и дымососы.

Применение искусственной тяги бывает необходимо при больших сопротивлениях дымового тракта или при недоста­точной тяге существующей дымовой трубы. При низкой температуре дымовых газов (не более 673 — 723 К) обыч­но применяют центробежные дымососы (отсасывающие вентиляторы) прямого действия. При более высоких темпе­ратурах используют косвенную тягу, при которой струя газов (воздух, пар) эжектирует (отсасывает) отходящие газы.

В качестве дымососов прямого действия (рис.22) исполь­зуют центробежные вентиляторы, обеспечивающие подачу воздуха под давлением, превышающим 10000 Па. Вентиля­торы, выполненные из обычной углеродистой стали, могут работать при температурах, не превышающих 523 К. Вен­тиляторы специальной конструкции, выполненные из жаро­прочной стали, могут работать при температуре дыма до 673 — 723 К. Однако значительные затраты энергии и зачастую недостаточная долговечность работы ограничивают их применение. Вентиляторы выбирают по таблицам или номограммам в зависимости от расхода газов (V₀, м³/ч) и сум­марных потерь напора в сети с учетом запаса, равного 25%.

Н омограммы составлены для воздуха с температурой 293 К, поэтому при выборе вентиляторов для перемещения газа или воздуха с другой температурой заданное дав-ление необходимо пересчи­тать по формуле (Па)

Мощность на валу вен­тилятора определяется по формуле (кВт)

где  — к. п. д. вентилятора.

Мощность электродвига­теля обычно принимают на 15 % больше мощности на валу вентилятора.

В основе тяги косвенного действия (рис. 22, б) лежит принцип эжекции, сущность которого рассмотрена выше. Струйные аппараты могут быть использованы как на отсос, так и на нагнетание. Если осуществляется отсос дымовых газов, то струйный аппарат работает как дымосос косвен­ного действия.

Движение газов и рациональный режим давления в печи

В современных печах в качестве источника тепловой энергии в подавляющем большинстве случаев используется топливо или электрическая энергия. Среди топливных пе­чей наибольшее распространение получили пламенные пе­чи, в которых для сжигания газа или мазута применяется факельный (пламенный) метод. В пламенных печах харак­тер движения газов в рабочем пространстве печи тесней­шим образом связан с теплообменом, конструкцией и на­значением печи. Он определяется в основном следующими обстоятельствами: расположением горелок (форсунок) и дымоотводящих каналов; динамическим воздействием струй, создаваемых горелками и форсунками; режимом давления в печи.

Наивысшая температура в печи развивается в том мес­те, где сжигается топливо, т. е. там, где установлены горелки (форсунки). Сжигание топлива в печи может быть сконцентрировано с одной стороны печи или рассредоточе­но по всей ее длине. Расположив соответствующим образом дымоотводящие каналы, получают методический или ка­мерный режим работы печи. При методическом режиме (рис. 23, а) топливо сжигается с одной стороны печи (го­релки установлены в торце выдачи металла), а дымовые газы удаляются с другой стороны печи. Продукты сгорания, проходя по печи навстречу металлу, постепенно отдают ему часть своего тепла, а сами остывают. При этом температу­ра газов уменьшается по мере удаления их от горелок, и температурный режим печи характеризуется изменением (падением) температуры по длине печи.

При камерном режиме работы нагревательной печи тем­пература по ее длине остается практически постоянной. Для этого подвод тепла и дымоотводящие каналы надо рас­средоточить по длине (рис. 23, б). В этом случае горелки устанавливаются по всей длине печи. Перемешивание от­дельных струй, интенсивное движение газов — все это спо­собствует выравниванию температуры в рабочем объеме печи.

В обеспечении равномерности нагрева важная роль при­надлежит интенсивности движения газа, его циркуляции. Это особенно важно в средне- и низкотемпературных печах. В высокотемпературных печах (1473—1873 К) преобладает теплообмен излучением, в среднетемпературных (1073— 1473 К) излучение соизмеримо с конвекцией, в низкотемпературных (до 1073 К) преобладает конвекция. Посколь­ку теплопередача конвекцией тем больше, чем выше ско­рость движения газов, постольку интенсификация движения газов в печах последних двух групп имеет важное значение. Для обеспечения циркуляции газов используют способность газовых струй создавать разрежение у своих истоков. С ис­пользованием этой особенности работают, в частности, тер­мические печи с подподовыми топками (рис. 24). Струя, создаваемая горелкой, подсасывает продукты сгорания из рабочего объема и создает тем самым циркуляцию газов.

В некоторых случаях при светлой термообработке и тер­мохимической обработке ме­талла необходима интенсивная циркуляция специальной ат­мосферы, в которой нагревает­ся металл. Подобная циркуля­ция обеспечивается примене­нием специальных вентилято­ров, рабочее колесо которых вынесено непосредственно в печь. Интенсивная циркуляция специальной атмосферы повышает равномерность и скорость нагрева и обеспечивает увеличение производительности печи.

Однако в некоторых печах соответствующее движение газов обеспечивает не только теплотехнические, но и чис­то технологические цели. Примером может служить марте­новская печь, для работы которой большое значение имеет настильность (касание поверхности ванны) факела. При настильности интенсифицируется конвективный теплообмен и сопутствующий ему массообмен между факелом и ван­ной.

Для нормальной эксплуатации печи скорость выхода топлива и воздуха из горелки должна выбираться на осно­вании данных по струям и быть такой, чтобы пламя не би­ло в противоположную стенку. Горелки на противополож­ных стенках должны быть установлены в шахматном поряд­ке. Не следует устанавливать горелки вблизи окон печи во избежание подсоса в печь холодного воздуха. В некоторых случаях, например в торцах выдачи методических печей (рис. 23, а), подсос холодного воздуха в печь через окно выдачи (пунктирная стрелка) не только снижает температу­ру печи и вызывает перерасход топлива, но и приводит к образованию настылей окалины на поду печи, что вызыва­ет перебои в ее работе.

Давление в рабочем пространстве печи определяется в основном двумя факторами: воздействием струй и влиянием дымовой трубы (дымососа). Рациональным режимом дав­ления в рабочем пространстве печей является такой, при котором в печи поддерживается небольшое избыточное дав­ление. Это относится как к топливным, так и к электричес­ким печам. Если печи работают с муфелированием метал­ла, то под муфелем также поддерживается небольшое избы­точное давление. Все это делается для того, чтобы избежать попадания в печь холодного воздуха, который резко ухуд­шает работу печи, так как, снижая температуру, вызывает перерасход топлива, приводит в нагревательных печах к излишнему окислению металла.

Работа дымовой трубы осуществляется так, чтобы на уровне пода печи поддерживалось нулевое давление. Выше уровня пода будет избыточное давление, ниже — разреже­ние. Разрежение нужно для того, чтобы дымовые газы отса­сывались из печи через дымоотводы (борова), входное се­чение которых обычно и располагается на уровне пода печи.

В процессе эксплуатации печи необходимо иметь воз­можность влиять на давление в печи и на разрежение в ее боровах. Для этой цели используют специальное устройст­во, называемое шибером. Шибер представляет собой искус­ственное местное сопротивление, величину которого можно регулировать подъемом или опусканием шиберной заслон­ки. При стремлении понизить давление в печи шибер надо открывать, при желании повысить давление, наоборот, при­крывать.

Современные печи — это высокомеханизированные, ав­томатизированные агрегаты. Во многих печах давление в рабочем пространстве поддерживается на нужном уровне автоматически при помощи регулятора давления, который управляет механизмом подъема и опускания шибера.

Правильный выбор режима давления в печи необходим,, кроме того, как для увеличения долговечности службы ар­матуры и оборудования печи, так и для улучшения условий эксплуатации печи обслуживающим персоналом.

Иногда, стремясь избежать подсоса холодного воздуха в печь, поддерживают излишне высокое давление. Это при­водит к чрезмерному выбиванию раскаленных газов из пе­чи и, как следствие, к преждевременному выходу из строя арматуры печи и элементов ее оборудования.

Только в отдельных случаях (например, при заправке подин мартеновских печей), связанных с условиями рабо­ты обслуживающего персонала в непосредственной близо­сти от печи, целесообразно поддерживать разрежение по всей высоте печи, полностью исключающее выбивание га­зов.