1.1.1.2 Плавильные печи

 

         Плавильные печи, в которых обрабатываемые материалы подвергаются термохимической переработке, сопровождаемой изменением их агрегатного состояния, по общей схеме, применяемым энергоносителям, организации теплообмена разделяются на;

Ø  шахтные печи,

Ø  ванные печи,

Ø  конвертеры,

Ø  электрические печи.

Печи первых двух групп являются топливными печами, так как источником тепла выступает химически связанная энергия топлива. В конвертерах тепловая обработка материала осуществляется за счет тепла его химических превращений без затрат топлива (за счет экзотермических реакций в материале). В электропечах источником тепла является электрическая энергия.

 

1) Шахтные плавильные печи

 

         В шахтных печах (доменные печи, вагранки) может осуществляться восстановительная (переработка окисленных руд) или окислительная (переработка сульфидных руд) плавка исходного материала (сырья, шихты).

         Шахтная печь (рисунок 1.5) представляет собой агрегат, имеющий вертикальную шахту круглой или прямоугольной формы, в которую сверху через колошник загружается обрабатываемый материал. В нижнюю часть шахты подается окислитель или восстановитель, который поднимается вверх через слой (противоток). Использование кускового исходного материала (например, кокса, агломерата) обеспечивает высокую газопроницаемость слоя и хорошие условия для протекания химических реакций.

Компонентами шихты (смесь обрабатываемых материалов) для получения чугуна являются кокс, агломерат, известняк. В качестве топлива в доменной печи используется газообразное топливо, одновременно являющееся и источником тепла и восстановителем. Восстановителями также выступают углерод кокса и окись углерода , образующаяся в доменной печи при взаимодействии углерода кокса с воздухом и кислородом руды и в результате разложения известняка :

                                     (1.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – топливо, 2 – окислитель (воздух, кислород), 3 – шихта (агломерат, руда, известняк), 4 – кокс, 5 – жидкий чугун, 6 – шлак (технологические отходы),

7 – доменный газ

 

Рисунок 1.5 – Схема доменной печи

 

Восстановительный газ, проникая в поры окускованного агломерата, отнимает у окислов железа кислород:

 

                        (1.2)

 

         Шихта по мере выгорания кокса опускается по шахте. В нижней части шахты (в зоне распара) при высоких температурах восстановленное железо вступает в реакцию с углеродом кокса, образуя цементит :

 

                                        (1.3)

 

Смесь чистого железа с цементитом называется чугуном. Углерод в чугуне придает хрупкие свойства, что ограничивает возможности применения чугуна для изготовления металлических изделий (чугун работает на сжатие, однако при растяжении и изгибе разрушается).

Жидкий чугун и расплавленные минеральные примеси (шлак) в горне накапливаются 2-4 часа, в течение которых происходит их разделение. Шлак, как более легкий компонент, в горне всплывает, а чугун концентрируется в его нижней части. Выпуск чугуна и шлака с температурой 1300°С производится раздельно.

         Газообразные продукты химических реакций с температурой 250-300°С отводятся из верхней части доменной печи. В составе отводимых газов имеются горючие компоненты (), поэтому они представляют собой газообразное топливо, которое называется доменный газ ( кДж/м). С целью интенсификации доменного процесса окислитель (воздух, технический кислород) подогревается в воздушных подогревателях (Кауперах) до температуры 1200°С за счет сжигания доменного газа.

         Технические и энергетические характеристики доменных печей:

Ø        внутренний объем 3000-5000 м;

Ø        высота 30-35 м;

Ø        диаметр горна – 12-16 м;

Ø     производительность – до 2,5-3,5 миллионов тонн в год;

Ø     расход кокса на 1 тонну чугуна – 0,45-0,5 т;

Ø     расход природного газа на 1 тонну чугуна ~ 100 м;

Ø     расход технического кислорода на 1 тонну чугуна – 70-80 м;

Ø     эффективный коэффициент полезного действия (к.п.д.) – 45-50 %.

К достоинствам доменных печей относится:

а) высокая агрегатная производительность,

б) большая длительность рабочей кампании (работа без ремонта),

         в)высокий эффективный к.п.д. (наиболее высокий среди высокотемпературных теплотехнологических установок).

         К недостаткам доменного производства следует отнести:

а) применение дефицитного и дорогого (с учетом переработки в коксовых печах),

б) необходимость комплекса предшествующих производств (аглофабрика, коксохимическое производство и т.д.),

в) энергетическое обесценивание кокса, 50 % теплоты сгорания которого преобразуется в низкокалорийный доменный газ,

г) цикличность выдачи готового продукта (выпуск чугуна каждые 2-4 часа).

         Доменные печи достигли своего предела и дальнейшее повышение производительности практически невозможно и экономически нецелесообразно, так как с увеличением объема доменной печи (увеличение габаритов) возрастают потери тепла в окружающую среду.

 

 

2) Ванные плавильные печи

 

         Ванные плавильные печи находят широкое применение для выплавки стали, переплавки чугуна, варки стекла, получения каменного литья. Наиболее широкое применение имеют реверсивно-регенеративные печи циклического действия, работающие по радиационному режиму теплообмена.

На рисунке 1.6 представлена схема мартеновской печи, предназначенной для получения стали из чугуна и металлического лома (скрапа).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – топливо, 2 – воздух, 3 – шихта (чугун, металлический лом, руда),

4 – сталь, 5 – шлак, 6 – отходящие газы

 

Рисунок 1.6 – Схема мартеновской печи

 

Необходимость мартеновского передела чугуна связана с тем, что из-за наличия в чугуне большого содержания углерода (до 3-5 %) его дальнейшая переработка невозможна (сварка, обработка на токарных станках, ковка). Для придания металлу пластических свойств (содержание углерода менее 1,7 %) из чугуна необходимо удалить излишний углерод, что и производится в мартеновском или кислородно-конвертерном переделе.

         Исходными материалами (шихтой) в мартеновском переделе являются последовательно загружаемые через завалочные окна руда, металлический лом (скрап), жидкий чугун с температурой 1200-1300°С и различные присадки, придающие получаемой стали необходимые свойства. Шихта загружается в ванну, образованную подом (подиной) и откосами.

В качестве топлива используется жидкое или газообразное топливо, подаваемое через специальную фурму, установленную в головке мартеновской печи. Воздух для сжигания топлива (также низкокалорийное газообразное топливо, например, доменный газ) предварительно подогревается до 1100-1200°С в регенераторе. Для нагрева насадки регенератора и поддержания высокого уровня подогрева воздуха каждые 3-5 минут происходит изменение направления движения газовых потоков (реверсирование). При этом изменяется и направление подачи топлива (указано пунктиром на рисунке 1.6). Нагрев насадки регенератора осуществляется за счет физического тепла отходящих из мартеновской печи продуктов сгорания топлива, имеющих температуру 1750-1800°С.

         Обрабатываемые материалы нагреваются за счет лучистого теплообмена от растянутого по всей длине ванны факела. Конечная температура стали (и шлака) перед ее выпуском из печи составляет 1600-1650°С. Дополнительным источником тепла является окись углерода, образуемая в результате соединения кислорода руды с углеродом цементита. Для ускорения процесса удаления избыточного углерода в чугуне может осуществляться кислородная или воздушная продувка ванны через специальные фурмы, в результате чего продолжительность плавки сокращается до 6-9 часов (без продувки 12-14 часов).

        

Технические и энергетические характеристики мартеновской печи:

Ø     емкость (садка) печи – до 900 тонн;

Ø     высота печи – 6-8 м, длина – 25-35 м;

Ø     длина ванны – 17-20 м, глубина – 1,2- 1,8 м;

Ø     расход топлива – 100-150 кг.у.т. на 1 тонну стали;

Ø     длительность рабочей кампании – 250-350 плавок;

Ø     годовая производительность печи – менее 0,3 млн.т./год.

К недостаткам мартеновского передела относится:

а) цикличность производства стали;

б) неудовлетворительные условия радиационного теплообмена (растянутый факел, малая разница температур между факелом и расплавленным металлом);

в) высокая температура уходящих газов после регенератора (550-600°С);

г) большие потери тепла;

д) низкая удельная производительность;

е) высокая запыленность отходящих газов (30-40 г/м).

         Для повышения длительности рабочей кампании на мартеновских печах (до 400-500 плавок) используется принудительное охлаждение наиболее теплонапряженных элементов, однако это увеличивает потери тепла в окружающую среду.

         В других типах ванных плавильных печей (например, ванные отражательные печи, прямоточные без реверсирования) в радиационном теплообмене большую роль играет развитая поверхность кладки, которая отражает лучистую энергию на поверхность обрабатываемого материала.

 

3) Кислородно-конвертерное производство

 

         Кислородно-конвертерный передел является альтернативным способом переработки чугуна в сталь. В отличие от мартеновского передела в конвертере тепловые процессы осуществляются за счет тепла экзотермических реакций и выгорания углерода при продувке жидкого чугуна кислородом высокой чистоты (содержание ).

         Схема кислородного конвертера приведена на рисунке 1.7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – шихта (жидкий чугун), 2 – технический кислород (окислитель),

3 – (руда, скрап), 4 – конвертерный газ, 5 – сталь, 6 – шлак, 7 – руда

 

Рисунок 1.7 – Схема конвертерного производства

 

Цилиндрический корпус конвертера выполняется из листовой стали (диаметр 5-7 м, высота – 7-11 м.). Внутри конвертер футеруется огнеупорной кладкой. Корпус устанавливается на опорах и с помощью электрического привода и редуктора может поворачиваться на 180 °в вертикальной плоскости (наклоняться для загрузки шихты и выгрузки стали).

Шихта загружается через горловину конвертера в следующей последовательности: сначала руда, затем скрап, после чего заливается жидкий чугун (1200-1300°С). По мере заливки чугуна конвертер выставляется вертикально и в него погружается кислородная фурма. Продолжительность загрузки шихты и слива сначала шлака, а затем стали составляет 20-30 минут, продувка стали кислородом 10-20 минут. Общая продолжительность цикла (между загрузками) составляет 0,4-0,6 часа.

Расход кислорода на 1 тонну стали составляет 80-100 м, что эквивалентно 20-25 кг.у.т. (расход электроэнергии на получение кислорода). Из чугуна при продувке выгорает примерно 35 кг углерода, в связи с чем температура металла в конвертере возрастает до 1600-1650°С. За счет тепла, выделяющегося при горении углерода, можно также расплавить примерно 20-30 % металлического скрапа.

При продувке в конвертере образуются газообразные продукты химической реакции. Состав, температура и количество этих газов, которые получили название конвертерный газ, с течением времени продувки изменяется:  до 1700-1800°С,  кДж/м. Конвертерный газ отводится через горловину и он может использоваться в качестве газообразного топлива. За счет химически связанной энергии конвертерного газа можно вырабатывать до 300 кг пара на 1 тонну чугуна. Так как в конвертерном газе содержится большое количество пыли (уноса), то перед сжиганием он должен пройти очистку. Основные трудности в использовании конвертерного газа в качестве топлива связаны с переменностью состава и теплоты сгорания, а также его выходом только в период продувки.

         К недостаткам конвертерного передела стали следует отнести:

а) цикличность процесса,

б) малая продолжительность рабочей кампании (10-12 дней, что соответствует 400-500 плавкам),

в) большой унос высокодисперсной пыли (120-150 г/м).

         Кислородно-конвертерный передел постепенно вытесняет мартеновское производство, так как агрегатная производительность конвертера емкостью 250-350 тонн составляет 1,5-3 млн. тонн в год.

 

4) Электрические печи

 

         Плавильные электропечи используются для получения специальных сталей, цветные металлов. Источником тепла в этих печах является электрическая энергия, позволяющая достичь высоких температур.

         В промышленности широко используются дуговые (рисунок 1.8) и индукционные печи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.8 – Схема дуговой электрической печи

 

         Электрическая дуга возникает между электродом и шихтой (расплавом). Температурный уровень в зоне дуги достигает 3500°С.

         Технические и энергетические характеристики электрических печей:

Ø     емкость печей – 100-200 тонн;

Ø     высота печей – 20-25 м, диаметр – 3,5-5 м, диаметр электродов – 0,5-0,7 м;

Ø     электрическая мощность – до 22 МВт;

Ø     удельный расход электроэнергии на 1 тонну стали – 600-8000 кВт-ч;

Ø     продолжительность плавки – 3-6 часов.

К преимуществам электрических путей относится:

а) точное регулирование температуры процесса;

б) концентрированное выделение тепла;

в) возможность полной автоматизации технологического процесса.

         К недостаткам электрических печей относится:

а) цикличность производства;

б) малотоннажность производства;

в) невозможность и экономическая нецелесообразность переработки рудного сырья с большим содержанием примесей;

г) нецелесообразность (с энергетической точки зрения) преобразования электрической энергии снова в тепловую.

         Последний недостаток требует отдельного комментария.

         Электротермисты (специалисты в области электротехнологии) определяют к.п.д. электрической печи следующим образом:

 

,                                  (1.4)

 

где       - тепловой к.п.д. печи,

          - электрический к.п.д. печи.

         Теплотехнологи определяют к.п.д. электрической печи с учетом к.п.д. выработки электроэнергии на электростанциях:

 

,                         (1.5)

 

где         - станционный к.п.д. (для ТЭС – 37-41 %),

          - к.п.д. электрических сетей (0,8-0,85).

         Таким образом, фактический к.п.д. электропечи равен:

 

.                                                 (1.6)

 

         Экономическая целесообразность электротермического передела по сравнению с теплотехнологическим (к.п.д. мартеновской печи равен 0,15-0,4) определяется на основе технико-экономических расчетов. Наиболее целесообразно применение электропечей для получения особо чистых и дорогостоящих материалов.