В.№62: Устройство и принцип воздухонагревателей. Огнеупорная кладка.

Нагрев дутья в доменном производстве - один из важнейших этапов его развития, сыгравший огромную роль в снижении расхода горючего и повышении производительности доменных печей. Поиски путей повышения температуры дутья привели к созданию регенеративных воздухонагревателей доменных печей, показавших значительное преимущество по уровню достигаемого нагрева воздуха и быстро вытеснивших из практики все ранее созданные конструкции. Таким образом они стали преимущественным средством для нагрева доменного дутья до настоящего времени. Устройство и работа воздухонагревателя печи - cовершенствование его конструкции Кожух. Регенеративные воздухонагреватели доменных печей типа «Каупер» имеют металлическую оболочку с днищем, футерованную огнеупорным шамотным кирпичом, называемую кожухом. Основными требованиями, предъявляемыми к кожуху, являются максимальная плотность в швах и рассчитанная на избыточное давление до 490 кПа строительная прочность, определяемая при контрольной проверке после выкладки стен воздухонагревателя в соответствии со специальной инструкцией. В связи со значительным увеличением размеров воздухонагревателей, достигающих по высоте 50—55 м и наружному диаметру 9—13 м, кожухи изготовляют из низколегированных сталей марок 14Г2, 09Г2С, 10Г2С с толщиной листов 25—40 мм для воздухонагревателя и 20 мм для шахты горения в случае устройства ее выносной (диаметром 3—5 м). В зарубежной практике применяют также котельную сталь; при этом толщина поясов в цилиндрической части 29—40 мм (Япония), днища 51 мм на периферии и 32 мм в центре. Кожух делают сварным с применением электрошлакового метода сварки. Листам купола с увеличенной толщиной придается скорлупообразная форма. Низ кожуха закрепляется на фундаменте по всей окружности болтами (расстояние между болтами 200—300 мм). Листы, ослабленные вырезами в местах установки клапанов и люков, усиливаются накладками. Для предупреждения интеркристаллитной коррозии кожуха применяется тепловая изоляция его покрытием кислотостойкими керамическими массами или защита фольгой из специальной стали. Для осмотра, чистки и ремонта в кожухе воздухонагревателя имеются лазы снизу камеры горения и в поднасадочном пространстве. В куполе люки делают один по центру (диаметром 700—750 мм), закрывающийся специальной огнеупорной пробкой со вставленной термопарой, и один небольшой над камерой горения для пропуска троса. На этот трос подвешивается люлька во время ремонтов. Воздухонагреватель доменной печи состоит из днища 1; опорных поднасадочных колонн 3; поднасадочной решетки 4, состоящей из ряда плит с отверстиями по числу ячеек насадки; насадки 5; разграничительной стенки 6, отделяющей насадочное пространство от камеры горения; камеры горения 7; подкупольного пространства 8 с люками 9; кожуха 10 воздухонагревателя с огнеупорной кладкой 2. Камера горения имеет штуцер газовой горелки 11; поднасадочное пространство оборудовано штуцером шибера холодного дутья 12 и дымовыми клапанами. Для уменьшения внешних тепловых потерь между огнеупорной кладкой стен и кожухом помещается трепельный кирпич с засыпкой. Применяют также специальные «маты» из нетеплопроводных материалов. Насадка 5 делается обычно прямоугольной с размером отверстий 45x45 мм или из шестигранных блоков с круглыми отверстиями диаметром 36—41 мм. Очищенный доменный газ (или смесь доменного и коксового газов), подведенный к воздухонагревателю, подается в камеру горения газовой горелкой совместно с необходимым для сжигания газа воздухом, подаваемым специальной воздуходувной станцией. Продукты сгорания газа поднимаются вверх под купол воздухонагревателя, где происходит их полное сгорание и развивается максимальная температура. Далее продукты сгорания опускаются вниз через каналы насадки. Отдавая насадке свое тепло, они охлаждаются до 150—400 °С и затем отводятся через дымовые клапаны в боров к дымовой трубе. После нагрева насадки по достижении максимально допустимой температуры подкупольного пространства подача газа в камеру горения прекращается. Через поднасадочное пространство, насадку и камеру горения в обратном газу направлении подается воздух, который нагревается, проходя через горячую насадку, и затем через клапан горячего дутья направляется по воздухопроводу горячего дутья в доменную печь. После охлаждения насадки воздухонагреватель вновь переводят на режим нагрева. Непрерывность подачи дутья обеспечивается наличием блока из трех-четырех воздухонагревателей на печь, из которых попеременно два или три работают в режиме нагрева, а остальные — на дутье, в зависимости от их числа и принятой схемы работы (одиночной или попарно параллельной). Режимы нагрева и охлаждения являются основными для работы воздухонагревателя. Кроме этого, он может находиться на «тяге» или быть отключенным. При работе воздухонагревателя доменных печей на тяге во время кратковременных остановок печей доменный газ, сгорающий частично в фурменных коленах и кольцевом воздухопроводе, отводится по воздушному тракту в камеру горения одного из воздухонагревателей для полного сгорания. В проектах современных доменных печей эта операция отпадает, так как газ сжигают, помимо воздухонагревателей, на специальных свечах, устанавливаемых около печи с соответствующим «отсечением» их от горячего воздухопровода. Воздухонагреватель отключают в случае перевода в горячий резерв или ремонта печи, т. е. воздухонагреватель изолируют от газовоздухопроводов и дымового борова с трубой. Увеличение объемов доменных печей и интенсивности их работы потребовали повышения мощности воздухонагревателей. Считалось, что удельной поверхности нагрева 55—60 м2/м3 полезного объема печи достаточно для нагрева дутья до 1000 °С. Для отечественных цехов удельная поверхность нагрева составляет в среднем 63—64 м2/м3, но для печи объемом 5000, 5500 м3 она принята равной 95—100 м2/м3 полезного объема печи. Для Японии, располагающей в настоящее время максимальной тепловой мощностью воздухонагревателей, этот показатель составляет 70-73 м2/м3 полезного объема печи. В Англии и США, позднее вступивших на путь строительства доменных печей больших объемов и имеющих только отдельные воздухонагреватели с нагревом дутья >1100 °С, удельная поверхность нагрева составляет 43—44 м2/м3 полезного объема печи. Но малая удельная поверхность нагрева компенсируется применением высокоэффективных тонкостенных насадок с толщиной 25 мм различной формы, в том числе с круглыми и квадратными ячейками. Повышение температуры дутья и увеличение удельной поверхности нагрева воздухонагревателей потребовали больших мощностей газовых горелок, типа «труба в трубе», пропускная способность которых по воздуху возросла от 48—60 тыс. м3/ч (Россия и Япония), 42,5 (Англия) и 76-85 (США) до 80-120 тыс. м3/ч (Россия). В настоящее время для экономии рабочего места и сокращения тепловых потерь широкое применение находят керамические горелки с мощностью по воздуху до 200 тыс. м3/ч. Они повышают тепловую мощность воздухонагревателя на 10—15%, устанавливаются в донной части камеры горения и не имеют шибера между воздухонагревателями и горелкой. Газ поступает через низ центральной части камеры горения, а воздух по кольцеобразному каналу, находящемуся вокруг газопровода. Горелка работает бесшумно, при малых потерях давления газа. Пламя хорошо регулируется; нет пульсаций газа; обеспечивает лучший нагрев по сравнению с горелками типа «труба в трубе». Для увеличения теплотворной способности топлива (доменного газа) его обогащают коксовым, природным газами, реже конвертерным. За рубежом при недостатке газового топлива добавляется бензин (Англия) или мазут. Практикуется также подогрев воздуха горения (ФРГ). Большое значение придают автоматическому регулированию работы воздухонагревателей как в полуавтоматическом исполнении, так и полностью автоматизированными системами. В первом случае управление каждым клапаном в отдельности кнопочное или контакторное. Во втором случае импульс на перевод клапанов дает фотоэлемент, регистрирующий нагрев камеры горения, соответствующий определенным минимальной и максимальной температурам купола воздухонагревателя в газовом и воздушном периодах работы. Такая система впервые в металлургической практике была применена в 1955 г. на Кузнецком металлургическом комбинате.

Футеровка воздухонагревателей доменной печи испытывает: термические нагрузки, различные по величине и характеру в зависимости от места нахождения в воздухонагревателе. Наибольшими они бывают в кладке стен и особенно в камере горения, где наблюдаемые перепады температур максимальные; механические нагрузки под влиянием собственного веса огнеупоров. При их нагреве образуются также различные сжимающие напряжения в кладке, например в камере горения до 7,8 МП а, в насадке 83-117 кПа; воздействие пыли, которое в процессе нагрева незначительно, но резко возрастает при взятии аппарата «на тягу». Пыль и щелочные пары, диффундирующие внутрь кирпичей, способствуют фазовым превращениям, а именно образованию анортита и ганита, а в реакционной зоне — стекловидной фазы, содержащей корунд. Причинами деформации футеровки являются износ и выкрашивание кирпичей в куполе и верхней части камеры горения из-за чрезмерно высоких температур и реакций с пылью и щелочами; образование трещин вследствие разности температур с обеих сторон разделительной стенки; термические разрушения кирпичей в связи с чередованием периодов нагрева и охлаждения. Для ослабления действия указанных факторов кладку стен, купола и насадки делают с учетом условий работы огнеупоров в разных зонах по высоте воздухонагревателя.Так, для футеровки нижней части радиальных стен и нижних рядов насадки в отечественной практике применяют шамотные изделия классов А и Б или полукислые изделия класса Б. Для футеровки высокотемпературных зон используют огнеупоры высокоглиноземистые (62—65% Аl2O3) и каолиновые (не менее 42% Al2O3). Каолиновые огнеупоры можно применять в насадках, камерах горения и куполах при максимальной температуре нагрева 1280 °С, а в качестве стенового кирпича при температуре не выше 1380 °С. В современных воздухонагревателях, рассчитанных на температуру горячего дутья 1400—1500 °С (температура под куполом до 1600 °С), предусмотрено применять в верхних рядах футеровки перерожденный динас (до 30% общей высоты насадки). Для современных отечественных доменных печей объемом 3000—3200 м3 возможны следующие конструктивные решения воздухонагревателей: диаметр кожуха расширяется на участке 11 м по высоте перед куполом с целью создания лучших условий для работы в области наиболее высоких температур. Камеры горения круглая, встроенная, боковая. Толщина футеровки наружных стен и купола в один болыиемерный кирпич (450 мм). Внутренняя (разграничительная) и наружная стены камеры горения выложены таким же кирпичом в два оката. Воздухонагреватель имеет теплоизоляционную защиту из трецельного и легковесного кирпичей по одному ряду каждого. Кладка по всей высоте, кроме основания камеры горения, делается без перевязки для возможности свободного ее роста. Для большей строительной прочности стен воздухонагревателя и лучших условий его работы в области наиболее высоких температур сооружаются воздухонагреватели с «грибовидным» куполом, опирающимся на кольцевую балку и разгружающим стены воздухонагревателя от своего веса. Свободное пространство в куполе между кладкой и кожухом футеруется жаростойким торкрет-бетоном. Зазоры между изоляционным кирпичом и кожухом в основании купола и вдоль стен заполняются ватой из высокоглиноземистого волокна. Техническая характеристика воздухонагревателя: температура горячего дутья 1200 °С; избыточное давление дутья на фурмах 410 кПа; поверхность нагрева воздухонагревателя 55560 м2; поверхность нагрева на 1 м3 объема печи 69,0 м2, то же, на 1 м3 насадки 32,2 м2. Сечение камеры насадки равно 42,2, камеры горения 6,03 м2; высота насадки 40,635 м, толщина шестигранного кирпича 25 мм, диаметр ячеек (средний) 41 мм, число полных ячеек 11000. Для эффективного теплообмена в условиях повышенного нагрева дутья и надежности службы насадку выполняют в виде шестигранных блоков с круглыми дырчатыми отверстиями (рис. 5.101), расстояние между которыми 27 мм. Удельная поверхность нагрева в этом случае 32,7 против 24,9 м2/м3 полезного объема печи в квадратной насадке с размером ячеек 45x45 мм, т. е. поверхность нагрева увеличивается на 31,5%. Благодаря достигаемой более высокой регенерации тепла температура дутья повышается на 50 °С при одной и той же температуре купола. Это дает прирост производительности доменной печи около 1,0% и снижение расхода кокса на 8—10 кг/т чугуна. Блоки насадки устанавливают отдельными столбиками для предупреждения возможного их разрушения при неравномерном прогреве. Их изготовляют из материала, содержащего до 62—72% Аl2O3. Воздухонагреватели с шестигранной насадкой с применением муллитовых огнеупоров в среднетемпературной и динасовых в высокотемпературной зонах обеспечивают получение температуры под куполом до 1450 °С. В зарубежной практике высокотемпературная зона воздухонагревателей со встроенной камерой горения выкладывается динасовыми огнеупорами, остальные зоны — шамотными. Насадка выполняется также из шестигранных блоков, но в отличие от отечественной практики с перевязкой рядов и зазорами в 2 мм. В высокотемпературной зоне кожухи воздухонагревателей торкретируют изоляционным слоем толщиной 50-60 мм. Зазоры между изоляцией и основной стеной заполняют крошкой из огнеупорного материала, применяемого для футеровки этой зоны. В купольной части зазоры заполняют теплоизоляционными материалами. Конструкция воздухонагревателей с внутренней боковой камерой горения при высоких температурах дутья не обеспечивает устойчивости огнеупорной футеровки. Имеет место образование трещин в куполе, искривление разграничительной стенки между камерой горения и насадкой с возможным местным ее разрушением вследствие чего происходит так называемое короткое замыкание, т.е. преждевременный проход дымовых газов из камеры горения в камеру насадки или наоборот воздуха из насадочного пространства в камеру горения. Наблюдается также нарушение вертикальности каналов насадки, особенно в верхних ее зонах. Для увеличения полезной площади насадки, возможности увеличения тепловой мощности воздухонагревателей и предупреждения при этом различных деформаций с 1959 г. начато строительство воздухонагревателей с выносными камерами горения. Распределение огнеупоров в них по зонам аналогично аппаратам со встроенной камерой. Насадка также шестигранная, высота блоков 150 мм, в них семь отверстий диаметром 43 мм. Кожух в высокотемпературных зонах защищен изоляционным кирпичом, торкрет-слоем и асбестовой засыпкой. Камеры горения оборудованы керамическими горелками производительностью до 160 тыс. м3/ч. Общая поверхность нагрева воздухонагревателя достигает 87500 м2 с расчетом на температуру под куполом 1550 °С. Воздухонагреватели с выносной камерой горения применили впервые в СССР в 1974 г. для доменной печи 5000 м3 на заводе «Криворожсталь». Это внедрение, усложняющее сооружение и удорожающее его стоимость, имеет, однако, большой положительный эффект, значительно повышая нагрев дутья при одних и тех же размерах кожуха воздухонагревателя и при увеличении прочности его футеровки. Усложненной является конструкция общего купола, перекрывающего камеры горения и насадки и выполняемого в трех вариантах. Изучается также возможность полного исключения камер горения подобно газонагревателям, применяемым в химической промышленности. Такого типа конструкции высокотемпературных воздухонагревателей со сжиганием газа в подкупольном пространстве при помощи керамических горелок разработаны и испытываются в производственных условиях в настоящее время на наших отечественных доменных печах. В них предусматривается насадка из шестигранных блоков с круглыми ячейками диаметром до 41 мм, выполненных в зонах высоких температур из малоразрыхляющего динаса (1100— 1550 °С) и каолиновых изделий, содержащих не менее 42% Al2O3 (900—1100 °С); в зоне средних температур (700—900 °С) из шамотных огнеупоров класса А; в зоне низких температур (700 °С и менее) из шамотных огнеупоров класса Б. Нижняя часть стен камеры горения выполнена из муллито-корундовых изделий. Газовые горелки применяют керамические, с пропускной способностью по воздуху до 200 тыс. м3/ч. Имеется в виду компенсация напряжений в кожухах воздухонагревателей с помощью линзовых компенсаторов или гидравлических (механических) домкратов, установленных под камерой горения. К основным их технологическим параметрам относятся: количество нагреваемого дутья 11 тыс. м3/мин при 21% O2 в дутье и 8,1 тыс. м3/мин при 35% O2; температура дутья 1400 °С; температура продуктов сгорания под куполом 1550 °С; удельная поверхность нагрева 100 м2/м3 полезного объема печи и 32,2 м2/м3 насадки; температура отходящего дыма до 400 °С. Дымовая труба у устья имеет диаметр 5100 мм; высота трубы 80 м. Работа воздухонагревателей рассчитана на попарно параллельный и последовательный режимы. Регулирование температуры горячего дутья обеспечивается параллельно установленными клапанами дроссельного типа диаметром 1100 и 600 мм. Число дымовых клапанов и шиберов холодного дутья предусмотрено для равномерного отсоса продуктов сгорания и распределения по насадке воздуха и равно трем, как у воздухонагревателей с выносной камерой горения для печи объемом 5000 м3. Воздухонагреватель бесшахтной конструкции имеет короткофакельную горелку в куполе с размещением оборудования и рабочей площади блока воздухонагревателей на высоте более 40 м. Устройство таких воздухонагревателей возможно после окончательного решения конструкции керамических короткофакельных горелок.