Конспект лекций по дисциплинеМЧМ

Министерство образования и науки Украины Донбасский Государственный Технический Университет Кафедра «Металлургия черных металлов»

КОНСПЕКТ

лекций по дисциплине: «Металлургические печи» для студентов 2-го

курса специальности «Металлургия черных металлов»

Разработал: доцент кафедры «Металлургия черных

металлов» Романчук А.Н.

Лекция №1 Классификация и режимы работы металлургических

печей

1. Классификация печей по принципу теплогенерации.

Тепловыделение в печах – процесс превращения какого-либо вида энер-

гии в тепловую энергию.

Источниками получения тепла являются:

а) химическая энергия топлива (топливные печи);

б) химическая энергия жидкого металла или шихты;

в) электрическая энергия.

Превращение химической энергии топлива в тепловую происходит в топ-

ливных печах при сжигании топлива.

В металлургии – это пламенные печи и печи работающие по слоевому режиму. В пламенных печах рабочее пространство в малой степени заполнено обрабатываемым материалом – ломом, который расположен на поду. Основная часть рабочего пространства заполнена пламенем и газами. Такие печи работа-

ют на газообразном и жидком топливе.

Печи работающие по слоевому режиму, применяют при обработке куско-

вого материала. Чаше всего это происходит в вертикальных (шахтных) печах,

где материал либо распределение по всему объему и раскаленные газы прохо-

дят между его кусками, либо частицы его распределены в газообразном тепло-

носителе.

Для слоевого режима печей характерно тесное переплетение всех трех видов теплопередачи: тепловое излучение, конвекция, теплопроводность.

Известны три разновидности печей слоевого режима: с плотным, кипя-

щим и со взвешенным слоем обрабатываемого материала.

2

В печах с плотным (фильтрующим) слоем шихта, в состав которого вхо-

дит твердое кусковое топливо, расположена плотным слоем по всему объему печи и медленно продвигается вниз. Раскаленные газы – подогревают сгорае-

мое топливо, проходят через слой между отдельными кусками шихты. Этот ре-

жим характерен для шахтных печей, например доменная печь.

В печах с кипящим слоем слой шихты под динамическим действием газов находится в разуплотненном состоянии и энергично перемешивается. В таких печах может выгорать как размельченное топливо, так и горючие компоненты шихты. Иногда вместе с воздухом подают газообразное топливо. Используют такие печи в цветной металлургии для обжига сульфидных концентратов раз-

личных металлов, для сушки и кальцинации глинозема.

В печах, работающих со взвешенным слоем, обрабатывают материалы доведенные до пылевидного состояния. Мелкие частицы материала отделены друг от друга газовой прослойкой и движутся вместе с газом. Топливо – размо-

лотое твердое топливо и газообразное топливо. Например, в цветной металлур-

гии используют тепло горения серы при плавке сульфидов цветных материалов.

Как в черной, так и в цветной металлургии используют печные агрегаты,

в которых источником тепловой энергии является процесс выгорания элементов из металла или шихты. В черной металлургии такой элемент углерод, который выжигается из чугуна, при производстве стали в конверторах.

Есть печи, которые занимают промежуточное положение между конвер-

торами топливными печами, т. е. используют химическую энергию топлива и жидкого металла – это мартеновские печи и ДСПА.

В основе работы электрических печей лежит генерация тепла за счет элек-

троэнергии.

В целом, вид процесса получения тепла, т. е. теплогенерации в решающей мере определен не только конструкцией агрегата, но и характером протекаю-

щих в его рабочем пространстве тепло-массообменных процессов.

3

2. Классификация печей по технологическим и конструкционным признакам.

По технологическому назначению печи делятся на плавильные и нагрева-

тельные.

Плавильные печи – для получения металлов из руд и переплавки металла с целью придания ему необходимых свойств. В этих печах металлы меняют свое агрегатное состояние.

Нагревательные печи применяют для нагрева материалов с целью обжига

(известняка, магнезита, огнеупорных материалов и др.) и сушки (литейных форм, руды песка), а также для нагрева металла перед прокаткой и ковкой. Зна-

чительное число нагревательных печей применяют для термической обработки с целью изменения внутреннего строения и структуры металла. Агрегатное со-

стояние материала не меняется.

Внутри каждой группы этих печи подразделяют в соответствии с опера-

циями, которые в них происходят.

Плавильные печи бывают: чугуноплавильные, сталеплавильные, медепла-

вильные и др.

Нагревательные печи могут быть для обжига огнеупорных материалов,

нагрева металла и термообработки. Их также классифицируют по конструктив-

ным признакам, методам транспортировки металла в печи, характеру продукта подвергаемого нагреву.

Нагревательные печи для нагрева перед прокаткой:

а) нагревательные колодцы, методические печи, камерные печи;

б) садочные, толкательные, с вращающимся подом;

в) для нагрева слитков, слябов, блюмсов, труб и т. д.

Топливные печи подразделяют по способу превращения электрической энергии в тепловую: дуговые, печи сопротивления и индукционные.

Современная печь представляет собой сложные тепловые агрегаты, со-

стоящие из собственно печи и вспомогательного оборудования. Собственно

4

печь включает в себя рабочее пространство и устройство для получения тепло-

вой энергии: горелки, форсунки, электроды, резисторы.

Вспомогательное оборудование – устройство для утилизации тепла отхо-

дящих дымовых газов, вентиляторы, дымососы, дымовые трубы, различные клапаны, задвижки.

Лекция №2 Теплотехнические показатели работы печей

Основные технико-экономические показатели работы печей: общая и удельная производительность, расход топлива на печь и тепла на единицу мас-

сы металла, коэффициент полезного теплоиспользования, КИТ.

Производительность различают общую и удельную.

Общая производительность печей характеризует в первую очередь размер агрегата, но еще ничего не говорит о качественном уровне его работы. Она из-

меряется в т/ч., т/сутки, млн. т./год.

Интенсивность работы печи характеризуется удельной производительно-

стью. Она измеряется в тоннах (килограммах) в час с единицы площади пода печи Н т/(м2× ч), кг/( м2× ч). Ее часто называют напряженность пода.

Применительно к нагревательным печам различают напряженность габа-

ритного Нг и активного На пода:

Hг = Р Fг

Hа = Р Fа

где Р – производительность печи, кг/ч; Fг – габаритная площадь пода, м2;

Fа – активная (занятая металлом) площадь пода, м2.

5

Так же как и производительность, общий расход топлива В (кг/ч; м3/ч) ха-

рактеризует размер агрегата, а удельный расход тепла в (кДж/т, кДж/кг) – каче-

ственный уровень его работы.

в= Мо = В×Qрн ;

РР

Частично удельный расход тепла определяют в единицах условного топ-

лива (кг у. т.). Условное топливо – топливо, теплота сгорания которого 29300

кДж/кг.

Тогда при Qнр , выраженном в кДж/кг или кДж/м3 удельный расход топли-

ва равен:

		B ×QР			в
	в'=	н		=			(кг. у. т./кг металла)
		29300×	Р		29300

где В – расход топлива (м3/ч, кг/ч);

Р – производительность, кг/ч.

Количество тепла, которое подают в печь в каждый момент времени на-

зывают тепловой нагрузкой. Наибольшее количество , которой печь может нор-

мально (без недожогов в рабочем пространстве) усвоить, называется тепловой мощностью M = B×Qнр .

Тепловой режим печи – это изменение тепловой нагрузки во времени.

Изменение температуры печи во времени называется температурным режимом печи. Тепловой и температурный режим печи могут быть представлены графи-

ками.

Качество работы печи, совершенство ее конструкции как теплового агре-

гата характеризуется коэффициентом полезного теплоиспользования (к. п. т.) и

коэффициентом использования топлива (к. и. т.).

В общем виде к. п. т. равно:

к.п.т. = Qм + Qшл. + Qэнд. − Qэзк.

Qт. + В×Qф.

где Qм – тепло металла, кДж/ч;

6

Qшл – тепло шлака, кДж/ч;

Qэнд. и Qэкз. – тепло эндотермических и экзотермических реакций, кДж/ч; Qт – химическое тепло топлива, кДж/ч;

Qф. – физическое тепло топлива, кДж/м3, кДж/кг;

В– часовой расход топлива, м3/ч.

Известно, что

Qт + В× Qф - В× Qух - Qпот. = Qм + Qшл. + Qэнд. - Qэкз.

Тогда к. п. т. может быть выражен в следующей форме:

к.п.т. = Qт + В×Qф - В×Qух - Qпот , Qт + В× Qф

где Qух – тепло уходящих газов, отнесенное к единице топлива, кДж/м3, кДж/кг. Qпот. – тепловые потери, кДж/м3, кДж/кг.

Коэффициент полезного теплоиспользования может быть записан в сле-

дующем виде:

к.п.т. = Qнр + Qф - Qух - QВпот ;

Qрн + Qф

Тепловые потери в печах зависят от факторов, связанных с конструкцией печи. Чтобы характеризовать только топливо и условия его сжигания, приме-

няют коэффициент использования топлива:

к.и.т. =	Qнр	+ Qф - Qух		;
		Qнр	+ Qф

Из последних двух выражений видно, что к. п. т. всегда меньше к. и. т.,

поэтому при проектировании стремятся, чтобы к. п. т. максимально приближал-

ся к к. и. т. Для этого необходимо добиваться снижения тепловых потерь.

Для электрических печей важны следующие показатели качества работы печи: электрический к. п. д. hэ – отношение тепловой нагрузки печи к мощности

7

(энергии), забираемой из энергосистемы; тепловой к. п. д. ηт – отношение по-

лезно используемой тепловой мощности к тепловой нагрузке печи.

Лекция№3 Тепловой баланс металлургических печей

Расчет тепловых балансов металлургических печей производят при конст-

руировании новых металлургических агрегатов. В результате подсчетов при-

ходной и расходной части теплового баланса, сравнивая их между собой (при-

равнивая), определяют расход топлива на проектируемую печь. При работе дей-

ствующих металлургических агрегатов часто происходят балансовые плавки

(нагревы) цель которых определить источника потери тепла. Тепловой баланс печи состоит из равных между собой приходной и расходной частей, каждая из которых складывается из расчета статей.

Для печей постоянного действия тепловой баланс составляют на 1 час, для печей периодического действия на 1 цикл работы.

l.Статьи приходной части теплового баланса.

1.Тепло получаемое в результате сгорания топлива:

Q x	= B × Q нр ,			Вт(ккал/ч)
где - В расход топлива, кг/ч;		м3
		ч

Qнр - теплота сгорания топлива кДж/кг; кДжм3 . 2. Тепло вносимое подогретым воздухом:

Qв =B×iB ×L0,

Вт (ккал/ч)

где iв – теплосодержание воздуха iв = св · tв, кДжм3 ; n – коэффициент расхода воздуха n = Ln/Lo

Lo – теоретически необходимое количество воздуха на сжигание n воздуха. 3. Тепло вносимое с подогретым топливом:

8

Q=B×iT

iт = ст · tт, теплосодержания топлива при определенной температуре подог-

рева.

4.Тепло экзотермических реакций.

Вэтой статье при составлении теплового баланса учитываю все химические ре-

акции идущие с положительным эффектом, кроме реакций горения топлива. (конвертера, МП, ДСА, ПСА)

В нагревательных печах учитывают тепло выделяющиеся при окислении метал-

ла. При окислении 1кг металла выделяется 5652 кДж/кг:

Qэкз = 5652× P×a,	Вт
Qэкз =1350× P×a,	ккал/ч
где Р – производительность печи, кг/ч;

а– величина угара металла, кг/кгмет

ll. Статьи расходной части теплового баланса.

1.Полезное тепло необходимое для нагрева или плавления металла:

Q1пол = GM ×iM ,	Вт (ккал/ч)
где iм = см · tм
Gм – количество расходуемого материала, кг/ч;
iм – энтальпия материала.
2. Тепло уносимое шлаками:
Q пол =	G ш × iш
где Gш – количество шлака, кг/ч
iш – энтальпия шлака..

3.Тепло эндотермических реакций ((Q3)ýíä ). Эта статья характерна для пла-

вильных

печей. Например, тепло идущие на разложение известняка.

4. Тепло уносимое уходящими газами:

9

Q6мехнеп = (0,03¸ 0,05)× B×Qнр

Q6мехнеп = (0,02¸ 0,03)× B×Qнр

Q6мехнеп = 0,01× B×Qнр

Q4ух = B ×Vух ×iух

где Vух – расход дымовых газов, м3

ч

iух – энтальпия уходящих газов, кДж м3

5. Тепло от химической неполноты сгорания топлива.

При пламенном сжигании топлива в продуктах горения обычно содержится 0,5

– 3% СО, Н2 Можно принять, что 1% СО содержит 0,5% Н2 тогда теплота сго-

рания м3 такой смеси составляет:

	Q HCO + H		= 12142 ,	кДж
		2		м3

Если в уходящих газах долю не сгоревшего СО обозначить буквой а, то потеря тепла:

Qнеп = B×V ×a×12142		Вт
5	ух
Q5неп = B×Vух ×a×2900		, ккал/ч.

6. Тепло от механической неполноты сгорания топлива.

Под механической неполнотой сгорания топлива подразумевают, различные по-

тери топлива, например, сжигание твердого топлива.

Твердое

Газообразное

Жидкого

7. Потери тепла в результате теплопроводности кладки.

Потери тепла печи через свод, стены, под печи определяется по формуле:

Q7

=

tкл

- tв

× F

кл

δ1

+

δ 2

+

1

, Вт (ккал/ч),

λ

λ

2

α

1

10