Скачать: teplotekhnika pdf, teplotekhnika docx
- Температурный режим печей
- Тепловой режим печей
- Коэффициент полезного теплоиспользования
- Производительность печей
- Классификация печей по виду топлив
- Классификация печей по технологическому признаку
- Радиационные режимы печей (нет)
- Конвективный режим работы печей
- Сущность тепловой работы печей
- Основные элементы печей
- Основные признаки, положенные в основу классификации огнеупорных изделий
- Классификация огнеупорных изделий по химико-минеральному составу, огнеупорности, пористости
- Классификация огнеупорных изделий по способу формирования, термической обработке, форме и размерам
- Эксплуатационные показатели огнеупорных изделий
- Характеристики и область применения динаса, шамота
- Характеристики и область применения муллита, корунда, периклаза
- Периклазхромитовые, хромитовые, смолодоломитовые огнеупоры
- Неформованные огнеупоры
- Классификация теплоизоляционных материалов
- Виды тепловой изоляции металлургических печей
- Футеровка металлургических печей. Категории кладки (нет)
- Кладка пода печей (нет)
- Кладка стен печей (нет)
- Кладка свода печей (нет)
- Принципы сжигания топлива
- Характеристики факела
- Факторы, влияющие на длину факела
- Способы сжигания топлива. Методы перемешивания топлива и окислителя (нет)
- Инжекционные горелки (нет)
- Двухпроводные горелки (нет)
- Режимы сжигания топлива в печах (нет)
1.Теплотехнические характеристики работы печи.
Работа каждой печи характеризуется рядом показателей, наиболее важными из которых являются температурный и тепловой режим, коэффициент полезного теплоиспользования и производительность.
Температура печи — важный теплотехнический показатель работы печи.
В состоянии взаимного теплообмена находятся пламя (раскаленные газы), металл, кладка, температур. Причем, температура всей печи не может определяться ни одним из этих значений температуры, а представляет собой усредненную величину.
Изменение температуры печи во времени называется температурным режимом печи.
t = f(t) – температурный режим.
Печи, температура которых не меняется со временем и является только функцией координат по длине печи называются печами постоянного действия при этом изменение температуры может иметь различный характер.
Можно представить 3 температурных режима:
| -Прямоточный (1)
-противоточный(2)
-камерный(3)
|
При (1) в топливных печах нагреваемые материалы и продукты сгорания движутся в одном направлении и поэтому холодные материалы поступают в высокотемпературную часть печи. При (2) нагреваемые материалы и продукты сгорания движутся навстречу друг другу — холодные материалы поступают в низкотемпературную часть печи. При (3) температура по длине печи постоянна. Камерный режим рассматривается и для печей периодического действия и означает примерное равенство температур в различных точках рабочего пространства в каждый момент времени. Печи с изменяющейся по длине T называются методическими.
- Тепловой режим.
Работа печи в значительной мере определяется тем, какое количество тепла поступает в нее. Количество тепла, которое подают в печь в каждый данный момент времени, называется тепловой нагрузкой. То наибольшее количество тепла, которое печь может нормально (без недожога топлива в рабочем пространстве) усвоить, называется тепловой мощностью.
Тепловой режим печи представляет собой изменение тепловой нагрузки во времени и может быть представлен графиком зависимости тепловой нагрузки от времени.
Нижняя часть характеризует расход тепла на холостой ход (Qт.н)хол т. е. в данном случае на поддержание печи при постоянной рабочей температуре. Верхняя часть—дополнительный расход тепла в связи с тем, что в печи совершается полезная работа. Площадь диаграммы между кривой тепловых нагрузок и осью абсцисс представляет полный расход тепла на всю операцию. Тепловой режим теснейшим образом связан с температурным режимом в зависимости от характера технологического процесса и условий его осуществления возможны различные сочетания температур и теплового режима.
- Практически постоянные во времени температурный и тепловой режимы (Tn(t) = const; Qтн(t) = const) — печи непрерывного действия, например методические нагревательные печи в установившемся режиме.
- Переменный температурный и постоянный во времени тепловой режимы (Тn(t) ≠ const; Qтн(t) = const), например некоторые камерные печи периодического действия.
- Переменные во времени температурный и тепловой режимы Тn(t) ≠ const; Qтн(t) ≠ const), например нагревательные колодцы для слитков.
- Практически постоянный во времени температурный и переменный тепловой режимы (Tn(t) = const; Qтн(t) ≠ const). Система автоматического управления поддерживает заданную температуру печи именно за счет изменения тепловой мощности.
- Коэффициент полезного теплоиспользования
Качество работы печи и ее совершенство как теплового агрегата характеризуется коэффициентом полезного теплоиспользования (к.п.т.) в общем виде:
Где, Qм и Qшл — тепло соответственно металла и шлака, Вт;
Qэнд и Qэкз — тепло энедотермических и экзотермических реакций, Вт;
Qт — химическое тепло топлива, Вт;
Qф — физическое тепло топлива и воздуха, отнесенное к единице количества топлива, Дж/м3, Дж/кг;
В — расход топлива, м3/с; кг/с;
Где, Qт — химическое тепло топлива, Вт;
В — расход топлива, кг/с, или м3/с;
Qнр — теплота сгорания топлива, Дж/кг, Дж/м3.
Чем выше значение к.п.т. тем лучше в тепловом отношении работает печь.
- Производительность печей.
Это важнейший показатель их работы, так как именно в производительности, сходятся все положительные и отрицательные стороны конструкции и тепловой работы печи. Производительность зависит от очень многих технологических, теплотехнических и конструктивных факторов, поэтому производительность печей различного вида будет рассматриваться в дальнейшем при описании конкретных конструкций.
Различают общую и удельную производительность. Общая характеризует размеры агрегата и измеряется в (т/ч). Удельная производительность, выражаемая в кг/(м2×ч), характеризует интенсивность работы печи и служит для оценки качества работы и сравнения печей. Удельную производительность называют напряженностью пода печи. Различают напряженность активного пода и напряженность габаритного пода.
5.Тепловая работа и конструкция промышленных печей.
Любая печь как энергетический агрегат может быть представлена общей схемой: «источник энергии» → «теплота» → «объект тепловой обработки (материалы)». В этой общей схеме должны быть звенья, соединяющие источник энергии с объектом её приложения.
В топливных печах эти звенья представлены наиболее полно. Можно выделить следующие четыре звена тепловой работы топливной печи:
1) сжигание топлива, т.е. превращение химической энергии топлива в теплоту, носителями которой являются продукты горения — дымовые или печные газы;
2) движение печных газов, с помощью которых теплота переносится во все зоны рабочего пространства, а отработанные газы уходят из печи;
3) внешний теплообмен, т.е. передача теплоты от печных газов излучением и конвекцией на поверхность нагреваемых материалов;
4) внутренний теплообмен, т.е. перенос теплоты от поверхности материалов (кусков, массивных изделий) к их середине теплопроводностью.
Независимо от назначения, печь включает в себя следующие элементы:
-рабочее пространство, которое представляет камеру той или иной формы ограждения огнеупорной футеровки.
-устройство обеспечивающее генерацию тепловой энергии
-электронагреватели
-устройство для удаления продуктов сгорания (дымовые трубы, каналы)
— устройство для использования тепла отходящих газов(утилизаторы)
-устройство загрузки и выгрузки, устройство для закрытия и открытия рабочих окон.
1) металлический каркас – устройство для фиксации элементов печи при её разогреве;
2) футеровка (огнеупорная кладка) – ограждение высокотемпературной зоны, состоящее из стен, свода и подины. Служит для отделения рабочей камеры от окружающего пространства и для уменьшения тепловых потерь. Уменьшение тепловых потерь позволяет получать высокую температуру внутри печи;
3) рабочее пространство печи – замкнутый объем, в котором располагается нагреваемый материал;
4) тепловырабатывающие устройства – устройства для подачи энергии в рабочее пространство печи и преобразования ее в теплоту. Устройства для сжигания газообразного и пылевидного твердого топлива называются горелками, для сжигания жидкого топлива – форсунками, для сжигания твердого топлива в слое –топками. Устройства для преобразования электрической энергии в теплоту называются термоэлектрическими нагревателями (ТЭНы);
5) борова (дымоходы) – дымоотводящие каналы. Служат для удаления продуктов горения из рабочего пространства печи в дымовую трубу;
6) газовоздухопроводы – трубопроводная система для подачи газа и воздуха к горелкам;
7) теплообменник – устройство для нагрева воздуха и топлива за счет теплоты, уносимой продуктами горения из рабочего пространства печи (рекуператор или регенератор), а также за счет сжигания дополнительного топлива (воздухонагреватель доменной печи). В рекуператоре дым передает теплоту воздуху (газу) через тонкую керамическую или металлическую разделительную стенку. Дым и воздух (газ) находятся в рекуператоре одновременно. В регенераторе дым и воздух (газ) движутся по одним и тем же каналам: сначала пропускают дым и теплота передается от дыма керамической насадке, а затем пропускают воздух (газ), который принимает теплоту от насадки. Нагрев воздуха (газа) в теплообменнике позволяет получить высокую температуру в рабочем пространстве печи и снизить расходы топлива;
8) дымовая труба – устройство для удаления дыма из рабочего пространства печи в атмосферу. Дымовая труба выполняет две функции: теплотехническую (создание необходимого разрежения) и экологическую (рассеивание вредных выбросов);
9) дымовой шибер – устройство с центральным элементом в виде пластины для регулирования давления дыма в рабочем пространстве печи путем перекрытия поперечного сечения борова. В период максимальной подачи топлива в печь шибер находится в верхнем крайнем положении, т.е. максимально открыт. Шибер служит также для отключения печи от дымовой трубы во время ремонтов печи;
10) дроссели и 11) задвижки – устройства для регулирования расхода газов. Дроссель – устройство для плавного регулирования расхода воздуха и газа через горелки. Задвижка – устройство для отключения газовоздухопроводов от печи на время её ремонта;
12) нагреваемый материал;
Перечисленные основные элементы присущи большинству известных печей. В отдельных печах встречаются дополнительные элементы. Например, перекидные устройства в печах регенеративного типа, транспортирующие устройства для перемещения подины в кольцевых, роликовых печах.
- Классификация печей и режимы их работы
Тепловыделение в печах представляет собой процесс преобразования какого-либо вида энергии в тепловую энергию. Источниками получения тепла являются:
-химическая энергия топлива (топливные печи);
-химическая энергия жидкого металла или шихты;
-электрическая энергия.
Преобразования химической энергии топлива в тепловую происходит в результате сгорания топлива в так называемых топливных печах. В металлургии в таких печей относятся пламенные печи и печи, работающие по шаровом режима. Рабочее пространство пламенных печей только в очень малой степени заполнены материалом, который обрабатывается, который обычно располагается на события. Основная часть рабочего пространства заполнена продуктами горения. От них в значительной степени получают тепло.
7.Слоевой режим сжигания топлива:
При обработке кускового материала чаще всего осуществляется в шахтных печах, где материал либо распределяется по всему объему и раскаленные газы проходят между его кусками, либо частицы его распределены в газообразном теплоносителе. Для слоевого режима характерны все виды теплопередачи (тепловое излучение, конвекция, теплопроводность ). Известны три вида слоевого режима: с плотным, кипящим и со взвешенным слоем.
-в печах с плотным слоем шихта, в состав которой может входить и твердое кусковое топливо, расположена плотным слоем по всему объему печи. Этот режим работы характерен для шахтных печей, широко распространенных в черной металлургии.
-в печах с кипящим слоем слой под динамическим действием газов на- ходится в разуплотненном состоянии и энергично перемешивается.
-в печах со взвешенным слоем обрабатывают материалы, доведенные до пылевидного состояния. При этом мелкие частицы материала отделены друг от друга газовой прослойкой и движутся вместе с ним.
В черной металлургии основным элементом является углерод, который выжигается из чугуна при производстве стали в конвертерах. Во всех этих агрегатах процесс теплогенерации происходит непосредственно в материале и выделяющееся тепло равномерно распределяется по всей массе обрабатываемого материала. Основой превращения электрической энергии в тепловую служит теплогенерация:
1)при прохождении электрического тока через газ;
2)при воздействии электрического тока на магнитное поле и создании вихревых токов в металле;
3)при перемагничивании и поляризации диэлектриков;
4)при прохождении электрического тока через твердое (а иногда и жидкое) тело, обладающее электропроводностью;
5)за счет кинетической энергии электронов
- Классификация печей по технологическому назначению и конструктивным признакам.
Делятся на:
-плавильные (предназначены для получения металлов из руд и переплавки металла с целью придания ему необходимых свойств. В этих печах материалы изменяют свое агрегатное состояние)
-нагревательные (применяют для нагрева материалов с целью обжига (известняка, огнеупорных материалов и др.) и сушки (литей-
ных форм, руды, песка и др.), а также для придания металлу пластических
свойств перед обработкой давлением, для термической обработки, чтобы из-
менить структуру металла. В нагревательных печах металлы и материалы не
изменяют своего агрегатного состояния.)
Внутри каждой из этих групп печи подразделяют в соответствии с теми
технологическими операциями, которые в них проводят. Так, плавильные
печи могут быть чугуноплавильные, сталеплавильные, медеплавильные и др.
Нагревательные печи могут служить для обжига огнеупорных материалов,
нагрева металла перед прокаткой и ковкой, термообработки металла. Эти
группы печей подразделяют еще и по конструктивным признакам, методам
транспортирования металла в печах, характеру продукта, подвергаемого на-
греву. Например, печи для нагрева перед прокаткой разделяют на следующие
группы:
-нагревательные колодцы, методические печи, камерные нагрева-
тельные печи и др.;
— садочные, толкательные, с вращающимся подом;
-для нагрева слитков, блюмов, труб, сутунки и др.
Топливные печи могут подразделяться по виду топлива:
-газовые
-мазутные
- Классификация режимов работы печей по теплообменному признаку
Позволяет в одной классификационной группе объединить и установить для каждой такой группы рациональные условия снижения топлива и механики газов.
2 ступени нагрева:
-внешняя (осуществляется главным образом в результате теплового излучения и конвекции)
-внутренняя (протекает главным образом за счет теплопроводности)
Радиационный режим.
Характеризуется тем,что в этом случае при нагреве преобладает влияние теплового излучения, если T и излучательная способность факела или пламени или V раскаленных газов одинаково по толщине, то можно говорить о равномерной теплоотдаче.
1) Равномерно-распределённый режим радиационного теплообмена.
Могут быть три различных случая организации радиационного режима работы печи равномерно-распределённый (при QnM=Qkn (M-металл;k-кладка)) направленный прямой (при QnM>Qkn ) и направленный косвенный (при QnM<Qkn ).
При равномерно распределённом режиме решающую роль играет величина степени черноты пламени (газов). При малых величинах E тепловой поток, приходящийся на металл и кладку, относительно невелика. Стремление увеличить тепловой поток на металл при равномерно распределённой температуре по толщине пламени приводит к необходимости увеличения величины излучательной способности пламени E Поскольку E одновременно характеризует и поглощательную способность пламени, пламя тем сильнее экранируют кладки, чем выше E и, следовательно, тем менише тепла от кладки попадает на металл.
В случае равномерно распределённого режима повышения степени черноты пламени E при Т=const всегда вызывает интенсификацию теплообмена. В практических условиях увеличить E можно 2-мя путями увеличением толщины слоя газов и повышением E путём естественной и искусственной карбюризации. Увеличения толщины газового обмена связано с увеличением высоты работы производства и поэтому во многих случаях является не целесообразным. Данный режим теплообмена наиболее целесообразно применять в печах, в которых нагревают массивные изделия. В этом случае быстрота нагрева определяется условиями внутреннего теплообмена, поэтому относительно небольшая интенсификация внешнего теплообмена не имеет лимитирующего значения.
С равномерно распределённым режимом развивают нагревательные колодцы, которые камерные печи сварочные зоны методических печей и др. В качестве топлива выбирают такие виды, которые обеспечивают хорошую светимость факела мазут, природный газ коксодоменный газ (смесь).
2) Направленный прямой режим радиационного теплообмена
Направленный прямой режим радиационного теплообмена обеспечивается созданием градиента температур по толщине пламени с приближением максимума температур к поверхности металла, т.е. когда плотность излучения газов на поверхность металла больше чем на кладку. Это достигается неравномерным распределением температуры и степени черноты в объёме газа, печи.
Если максимум температуры и степени черноты располагается непосредственно у поверхности нагрева, то прямой направленный теплообмен будет выражен наиболее ярко.
Изменение температуры и степени черноты по сечению газового слоя является важным средством для увеличения теплоотдачи на поверхность нагрева и облегчения условий службы кладки. Степень развития кладки на теплоотвод влияет меньше чем при равномерно распределённом.
Прямой направленный теплообмен создают окислением топлива в факеле. Различая один или несколько факелов в нежней части рабочего производства печи, можно получить интенсивную теплоотдачу на поверхности нагрева. Размеры факелов, определяемые размерами горелочных устройств должны быть такими, чтобы факелы, сохраняли индивидуальность по всей длине рабочего пространства печи, при характерных отличиях температурных режимов и светимости.
Направленный прямой теплообмен широко используется в плавильных печах и нагревательных печах при нагреве тонких термических и массивных изделиях, размещённых на поду печи.
Режим направленного прямого теплообмена нерационально применять в том случае, когда поверхность нагрева распределена по всему объёму печи (в нагревательных колодцах, кирпичеобжиговых печах и др.)
3) Направленный косвенный режим радиационного теплообмена.
Подобный вид теплообмена имеет место в том случае, когда тепло, выделяющееся при сгорании топлива, передается нагреваемому материалу не непосредственно от пламени, а через посредника, которым чаще всего является кладка свода печи.
Нагреваемый металл имеет сплошной спектр поглощения, поэтому надо стремиться, чтобы падающий на него тепловой поток сплошной спектр излучения. Направленный косвенный теплообмен создают размещением факелов (пламени) в верхней части рабочего права печи приближая область минимальных температур к поверхности огнеупора. При это происходит рост температуры кладки и трансформирование селективного излучение кладки.
В последнее время широкое распространение получает сводовое отопление печи, которые работают в указанном режиме теплообмена. Для достижения этой цели применяют различного рода горелки, создающих плоский разомкнутый факел (плоскопламенныегорелки) у которых возникшее пламя тонким слоем распространяется по поверхности свода, обеспечивая высокую теплоотдачу.
В печах, работающих с направленным косвенным радиационным режимом, излучение кладки на металл играет важнейшую роль, и величина степени развития кладки имеет в этом случае большее значение, чем при равномерно распределённом режиме. Данный вид телеобмена целесообразно применять, когда необходим равномерный нагрев.
Необходимо отметить, что термин “косвенный нагрев” часто применяют в несколько ином смысле, связанный с осущёствлением муфельного нагрева металла. В ряде случаев нагрев металла в термических печах должен осуществляться без малейшего окисления, которое возможно лишь в том случае, когда поверхность металла не соприкасается с продуктами сгорания топлива. Избежать этого можно, если отделить газы от металла. В этом заключается принцип муфелирования. Можно отделить газы от металла, выполнив снижение топлива в радиационных трубах. Другой метод заключается, когда металл закрывается жароупорном муфеле. И в том и другом случае будет иметь место косвенный нагрев, т.е. называется без возможности соприкосновения металла и окисляющих газов.
- Классификация огнеупоров и теплоизоляционных материалов.
Огнеупорные изделия применяют для строительства рабочего пространства и других элементов печей, работающих в условиях высоких температур и воздействия агрессивных сред – расплавов, окалины, газов. Чтобы уменьшить потери теплоты, футеровку печи по толщине делают, как правило, комбинированной: рабочий слой выполняют из огнеупорных, наружный слой – из теплоизоляционных изделий.
Применяемые в промышленности огнеупоры делят на изделия, которым при изготовлении придается определенная форма (кирпичи, фасонные изделия, крупные блоки) и неформованные материалы (бетоны, торкрет-массы, мертели).
В основу классификации огнеупорных изделий положено шесть основных признаков:
1) химико-минеральный состав,
2) огнеупорность,
3) пористость,
4) способ формования,
5) термическая обработка,
6) форма и размеры.
- По химико-минеральному составу изделия делят на следующие группы, зависящие от содержания оксидов (%), определяющих их свойства:
а) кремнеземистые: динасовые (SiO2)
б) алюмосиликатные: шамотные (Al2O3 , SiO2 )
в) глиноземистые – корундовые (А12О3 > 90%);
г) периклазохромитовые (MgO ; Сr2О3);
- По огнеупорности все огнеупоры разделяют на три группы:
а) огнеупорные (огнеупорность 1580-1770 °С);
б) высокоогнеупорные (огнеупорность 1770-2000 °С);
в) высшей огнеупорности (огнеупорность >2000 °С).
- По пористости:
а) особоплотные (с открытой пористостью до 3 %);
б) высокоплотные (3-10 %);
в) плотные (10-16 %);
г) уплотненные (16-20 %);
д) среднепористые (20-30 %);
е) повышеннопористые (30-45 %);
ж) легковесные (с общей пористостью 45-85 %);
з) ультралегковесные (с общей пористостью > 85 %).
- По способу формования:
а) пластичноформованные;
б) полусухого формования из масс малопластичных или из порошков с добавкой связующего материала, изготовленные путем механического, гидравлического или вибрационного прессования; при изготовлении крупных блоков применяется пресстрамбование;
в) плавленые литые из расплава, получаемого обычно путем электроплавки;
г) литые, изготовленные путем литья из жидкого шликера в специальные формы (пеноизделия); ‘
д) термопластичнопрессованные, изготовленные прессованием из шихты, в состав которой введены термопластичные добавки (парафин, воск и т.п.);
е) горячепрессованные;
ж) изготовленные горячим прессованием из масс, нагретых до пластичного состояния;
з) пиленые из естественных горных пород или из специально изготовленных блоков;
и) волокнистые, полученные путем расщепления расплава струей острого перегретого пара.
- По термической обработке:
а) обожженные, обжигаемые в печах в процессе изготовления изделий;
б) безобжиговые, не подвергавшиеся обжигу до употребления в кладку;
в) плавленые, подвергнутые отжигу после отливки;
г) горячепрессованные.
- По форме и размерам различают:
а) простые изделия (прямые и клиновые нормальных, малых и больших форматов);
б) фасонные – простые, сложные, особо сложные и крупноблочные (массой > 60 кг);
в) специальные – промышленного и лабораторного назначения (тигли, трубки, наконечники и т.п.).
Эксплуатационные показатели:
-термостойкость
-шлакоустойчивость
-строительная прочность
-изменение V при нагреве
Термостойкостью называют способность огнеупоров выдерживать циклическое изменение температур при нагреве и охлаждении, так называемые теплосмены. Термостойкость характеризуют числом теплосмен до потери 20% первоначальной массы огнеупора в результате образования трещин и скалывания.
Шлакоустойчивость характеризует способность огнеупора выдерживать воздействие жидкого шлака и металла, окалины, газов.
- Характеристики и области применения некоторых печных огнеупоров.
1)Динас содержит более 93% SiO2 и относится к кремнеземистым, кислым огнеупорам. Обладает высокой строительной прочностью, высокой температурой начала деформации под нагрузкой и соответственно рабочей температурой службы 1650–1700 °С. Устойчив к воздействию кислых расплавов и газовых сред, но не выдерживает контакта с основными расплавами металлов и их оксидов. Термостойкость динаса по стандартной методике не превышает 1-2 водяных теплосмен. Однако, если колебания температуры происходят в области значений выше 300 °С и особенно выше 600 °С, то термостойкость динаса исключительно высока. Динас широко применяют для изготовления высокотемпературной части насадки доменных воздухонагревателей и регенераторов нагревательных колодцев, которая не охлаждается ниже 600 °С, для кладки распорных сводов.
2) Шамот относится к алюмосиликатным огнеупорам, содержащим кроме SiO2 до 45% Al2O3. Обладает более высокой термостойкостью (10-20 водяных теплосмен), но низкой шлакоустойчивостью. Наиболее широко применяется в печестроении при температурах до 1350 °С для строительства стен, сводов, не контактирующих с оксидами металлов, для низкотемпературной части регенеративной насадки. Не выдерживает истирающего действия при высоких температурах.
3) Муллит и корунд относятся к высокоглиноземистым алюмосиликатным огнеупорам. По мере увеличения содержания Al2O3 повышается их рабочая температура службы, прочность и постоянство объема при разогреве. Термостойкость превышает 150 водяных теплосмен. Применяются вместо шамота в условиях более высоких температур: муллит – до 1650 °С, корунд – до 1800 °С. Плавленые корундовые изделия обладают высокой шлакоустойчивостью и выдерживают давление и истирающее действие металла и шихты. Применяются в установках внепечной обработки стали, в монолитных подинах методических нагревательных печей.
4) Периклаз (или магнезит) содержит не менее 85% MgO. Температура начала размягчения под нагрузкой значительно ниже огнеупорности. Максимальная рабочая температура 1700 °С. Термостойкость изделий невысока и составляет 1-2 водяных теплосмены.
Шлакоустойчивость по отношению. к основным расплавам – металлам и шлакам, богатым оксидами металлов и известью, исключительно высока. Поэтому магнезитовые кирпичи используются для кладки элементов печей черной и цветной металлургии, которые контактируют с расплавами металлов и основных шлаков. Магнезитовый порошок используют для заполнения швов при кладке подин плавильных печей.
Периклазохромитовые и хромитопериклазовые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и хромит Cr2O3. Свойства этих огнеупоров существенно отличаются от периклазовых и зависят от соотношения хромита и магнезита. Максимальная термостойкость соответствует отношению Cr2O3:MgO = 30:70. Шлакоустойчивость выше при содержании хромита 20 %. В сводах сталеплавильных печей наибольшую стойкость имеют изделия с содержанием хромита 20-30 %. Они изнашиваются из-за образования трещин и сколов, к которым приводят термические напряжения, возникающие при колебании температуры в рабочем пространстве печи.
5) Углеродистые огнеупоры изготавливаются из доступного сырья – графита, кокса – с высокой температурой плавления ³ 3500 °С. Они не смачиваются расплавами и поэтому устойчивы против них, имеют высокую термостойкость, но начинают окисляться в продуктах горения топлива при температуре ³ 600 °С. Поэтому их используют для службы в восстановительной среде: в электрических печах для производства ферросплавов, алюминия, свинца, в лещади доменных печей.
6) Неформованные огнеупоры применяют для изготовления монолитных футеровок из огнеупорного бетона и набивных масс. Огнеупорный бетон представляет собой смесь огнеупорного наполнителя с размером частиц от 0,5 до 70 мм. В качестве вяжущего используют твердеющие в холодном состоянии огнеупорные цементы (глиноземистый, магнезиальный), жидкое стекло, фосфатные связки. Добавки могут регулировать скорость схватывания и твердения, улучшать пластические свойства, уменьшать усадку. Широко распространены динасовые бетонные блоки и панели для стен нагревательных колодцев, глинистокварцитовые массы для набивной футеровки ковшей. Применяют монолитную футеровку стен и сводов нагревательных печей.
7) Смолодоломитовые безобжиговые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и СаО, а также углерод в виде смоляной связки в количестве 2-4 %. Они применяются для футеровки конвертеров. Известь СаО взаимодействует с силикатами конвертерного шлака, благодаря чему на поверхности футеровки образуется гарниссаж, препятствующий проникновению шлака в футеровку.
13.Теплоизоляционные материалы и их классификация.
Теплоизоляционные материалы делятся по ряду признаков:
1)по огнеупорности:
— огнеупорные (выдерживающие рабочую температуру 800 °С)
— неогнеупорные (могут быть использованы только при температурах ниже 800 °С)
2) по происхождению:
-естественные (диатомит, трепел и вермикулит.)
-искусственные (пористые легковесные огнеупоры и изделия из различных волокон)
3)по форме и способу применения:
-из кирпичей
-листов
-неформованных материалов (засыпки, ваты, волокон и др.).
Легковесные изделия могут изготавливаться из шамота, динаса, диатомита, высокоглиноземистого сырья и т.п. Для получения легковесных огнеупоров с высоким процентом равномерно распределенной пористости применяют три различных способа:
— выгорающих добавок;
— пеноспособ;
— химический.
- Теплотехнические характеристики теплоизоляционных материалов
Для тепловой изоляции металлургических печей применяются три вида изделий:
1) легковесные пористые огнеупорные кирпичи: шамот-легковес, динас-легковес, диатомитовый и другие;
2) теплоизоляционные засыпки;
3) изделия в виде плит, ваты, войлока, картона, изготовленные на основе керамического волокна в смеси со связующим материалом, так называемые волокнистые огнеупоры. Волокнистые огнеупоры являются относительно новыми теплоизоляционными материалами.
Легковесные огнеупорные кирпичи обладают большой пористостью и поэтому меньшей плотностью и теплопроводностью, чем обычные огнеупорные изделия. Марка кирпича: Д – динас, Ш – шамот, Л – легковес. Чем меньше плотность кирпича, тем лучше его теплоизоляционные свойства, но ниже максимальная рабочая температура.
По сравнению с обычными огнеупорами шамот-легковес и другие легковесы имеют более низкую прочность, шлакоустойчивость и термостойкость. Их можно применять не только для теплоизоляционного слоя футеровки, но и для рабочего слоя, в термических печах. Диатомитовый кирпич применяют только для наружного слоя тепловой изоляции стен и свода нагревательных печей.
В качестве засыпок используются, в основном, естественные теплоизоляционные материалы: диатомит, инфузорная земля, трепел и вермикулит. Первые три материала имеют состав SiO2×nH2O. Предельная температура до 1000 °С.
Вермикулит — это разновидность слюды, имеющая способность при нагреве значительно увеличивать свой объем. Используют вермикулит в виде засыпки или в виде плит. Применяется до температуры 700-900 °С. В обожженном виде носит название – зонолит. Предельная температура применения зонолита 1000-1100 °С.
- Принципы сжигания топлива.
Чтобы топливо и кислород вступили в реакцию, они должны быть предварительно перемешаны и смесь должна иметь температуру воспламенения. Скорость комплексного процесса определяется наиболее медленным звеном. Химические реакции, как правило, протекают с большой скоростью. Перемешивание молекул и горючего происходит медленнее, чем горение.
Имеют место два способа сжигания топлива – факельный и слоевой. По факельному способу сжигается газообразное, жидкое и пылевидное топливо. По слоевому методу сжигают твердое топливо. В большинстве печей топливо сжигается факельным способом. Слоевой способ используется в доменной и агломерационной печи, вагранках, паровых котлах небольшой мощности.
Организация процесса сжигания топлива
Факел представляет горящую струю. Проще всего под длиной факела Lфак подразумевать, расстояние от горелки, на котором практически заканчивается полное горение топлива.
Факел образуется при смешении газового и воздушного потоков. По месту встречи и характеру перемешивания потоков различают 3 метода сжигания газов:
1 метод. Газ и воздух встречаются вне горелочного устройства (в рабочем пространстве печи) и перемешиваются в рабочем пространстве печи в процессе горения. Воздух и газ могут быть нагреты до высокой температуры Длина факела зависит от многих факторов. Желательно, чтобы длина факела Lфак была меньше длины рабочего пространства печи. Этот метод используется в горелках типа «труба в трубе».
2 метод. Газ и весь воздух, необходимый для полного горения топлива, перемешиваются друг с другом до вылета в рабочее пространство печи. Это возможно, если температура образующейся смеси меньше температуры воспламенения, тогда газ не может гореть внутри горелочных устройств, если скорость распространения пламени меньше скорости истечения смеси. Длина факела весьма мала и способ называют беспламенным или бесфакельным. Этот метод используется в инжекционных и скоростных горелках.
3 метод. Предварительное перемешивание газа с частью воздуха, необходимого для полного сжигания топлива. Окончательное перемешивание смеси с остальной частью воздуха в рабочем пространстве печи в процессе горения. Регулируя процесс предварительного перемешивания можно управлять длиной факела. Этот метод используется в большинстве горелок, типа горелок нагревательных колодцев, плоскопламенных и др. Подобные горелки применяются и в кухонных плитах.
- Характеристики факела
Различают ламинарный и турбулентный факел. При ламинарном факеле контакт горючего с кислородом воздуха происходит на поверхности струи. Внутренние слои газа не соприкасаются с кислородом. Таким образом, имеет место послойное включение слоев газа в процесс горения. При турбулентном факеле внешний вид и структура факела определяется свойством турбулентной струи захватывать окружающую среду, перемешиваться с этой средой и проталкивать ее вперед. По своей структуре турбулентная струя представляет совокупность хаотично перемещающихся макрочастиц, объединенных в одно целое силами вязкости и общим направлением движения.
- Факторы, влияющие на длину факела.
Номинальная относительная длина факела – это расстояние от выходного сечения горелки, измеренное в калибрах выходного отверстия, до точки, где концентрация СО2 на оси факела составляет 95 % от max возможной при номинальной тепловой мощности и при коэффициенте расхода воздуха n = 1.
На длину факела влияют следующие основные факторы:
1) диаметр газового сопла d0;
2) теплота сгорания топлива ;
3) концентрация кислорода в воздухе;
4) скорость выхода газа из горелки;
5) скорость воздушного потока;
6) избыток воздуха, подаваемого для горения(коэффициент расхода воздуха);
7) температура газа;
8) температура воздуха;
9) соприкосновение факела с плоскостью;
10) угол встречи потоков газа и воздуха;
11) расстояние между факелами.
Рассмотрим отдельные факторы более подробно:
- Диаметр газового сопла.
— длина факела пропорциональна диаметру газового сопла
- Теплота сгорания топлива.
— чем выше теплота сгорания топлива, тем больше воздуха требуется для его сжигания, и тем больше будет длина факела.
- Концентрация О2в воздухе.
— чем больше процент О2 в воздухе, тем меньше воздуха потребуется для горения, тем легче и быстрее вовлечь в струю нужное количество О2.
- С увеличением скорости истекающего газа длина факела медленно возрастает.
- Практическое сжигание газа в печах связано с подачей вентиляторного воздуха в горелку. Воздух из воздушного кольца может истекать с различной скоростью. Общая идея процесса перемешивания газовых сред состоит в том, что количество движения двух потоков определяет течение процесса. Чем больше количества движения участвует в процессе перемешивания, тем интенсивнее происходит процесс перемешивания. С этой точки зрения, ввод дополнительного количества движения с воздухом должен привести к укорочению длины факела.
- Избыток воздуха при сохранении площади воздушного кольца в горелке может привести к некоторому сокращению длины факела из-за увеличения скорости воздуха. Дожигание «хвоста» факела идет в условиях снижающейся концентрации кислорода. Ясно, что подача воздуха с некоторым небольшим избытком совершенно необходима, чтобы наверняка исключить недожог топлива в печи.
- Подогрев газа приводит к увеличению скорости => количество движения возрастает, отчего перемешивание потоков газа и воздуха ускоряется.
- С увеличением температуры воздуха скорость воздуха увеличивается, перемешивание газа и воздуха ускоряется и длина факела уменьшается.
- При соприкосновении струи газа с плоскостью факел деформируется, он становится шире и тоньше. Струя газа, уширяясь, одновременно лишается некоторого фронта для захвата кислорода. Уширение факела способствует его укорочению, а прекращение снабжения его кислородом вызывает его удлинение. В конечном итоге, при наличии таких противоречивых факторов, длина факела существенно может и не измениться.
- При встрече потоков газа и воздуха под углом, что имеет место при практическом сжигании газа в промышленных печах, происходит явление удара, чем больше скорости потоков, тем сильнее действие удара. Удар струи о струю способствует перемешиванию газов за счет появления макротурбулентности крупных вихрей. Это ведет к укорочению факела.
- При близком расположении друг к другу факелы мешают подходу кислорода. При расширении струй они сливаются друг с другом. Если этот контакт произошел раньше, чем заканчивается горение, то дальнейшее получение кислорода затрудняется, так как факелы из отдельных превращаются в один общий. В результате слияния потоков длина общего факела резко возрастает.