В.№51:Основные способы охлаждения. Конструкции охладительных приборов доменной печи.

Охлаждение доменных печей необходимо для сохранения футеровки и создания такой защиты кожуха от воздействия высоких температур, при которой печь могла бы работать даже при больших местных повреждениях кладки. Охлаждение доменной печи по видам теплоносителя делится на два основных способа: холодной технической водой, иногда химически очищенной и кипящей (деаэрированной) водой с использованием в качестве охлаждающего фактора скрытой теплоты парообразования. Второй способ известен под названием испарительного охлаждения. Оба способа охлаждения разделяют на горизонтальное и вертикальное. В первом случае холодильники шахты, распара, заплечиков и фурменной зоны доменной печи устанавливают в массиве кладки горизонтально, а во втором — вертикально по охлаждаемой поверхности, прикрепляя к внутренней стороне кожуха печи специальными болтами. Охлаждение металлоприемника и боковой поверхности лещади при всех условиях осуществляют только вертикальными холодильниками. Преимущества горизонтальной системы охлаждения доменной печи заключены в большей поверхности охлаждения, достигающей 3 м2/м3 кладки, возможности смены холодильников в межремонтные периоды, лучшей сохранности проектного профиля и соотношений его размеров. Недостатками горизонтальной системы охлаждения являются плохая герметичность кожуха, ослабление его вырезами для холодильников, относительная легкость прогара холодильников при обнажении их по мере износа кладки или оползания гарнисажа. При вертикальной системе охлаждения кожух доменной печи имеет лучшую по сравнению с предыдущей строительную прочность, более герметичен, не ослаблен вырезами, но имеет меньшую площадь охлаждения (2 м2/м3 кладки). При условиях работы доменных печей в форсированном режиме с высоким давлением газа на колошнике вертикальная система охлаждения имеет преимущество, так как обеспечивает более стабильную работу, чем горизонтальная. Хорошие результаты показала комбинированная вертикально-горизонтальная система (Череповецкий металлургический комбинат) с глубиной залегания горизонтальных холодильников от внутреннего очертания профиля 345 мм, т. е. в зоне непосредственного охлаждающего влияния холодильников. При этом используют преимущество горизонтального охлаждения в сочетании с вертикальным, создающим в свою очередь прочность конструкции. Некоторое ухудшение герметичности кожуха и ослабление его вырезами для амбразур горизонтальных холодильников компенсируется возможностью смены последних и тем самым поддержанием профиля печи на практически стабильном уровне. Необходимо отметить, что для успешной работы этой комбинированной системы, как и всякой другой, большое значение имеет характер движения газа, обеспечивающий преимущественный центральный поток. В зависимости от принятого способа охлаждения доменной печи теплоносителем служит вода или пароводяная смесь. Схемы охлаждения технической водой бывают прямоточными и оборотными. В оборотных схемах отработанная вода проходит через охладительные установки и используется повторно. Естественные потери при этом компенсируются добавкой свежей воды. Однако это мало влияет на эффективность использования ее охлаждающей способности; в обоих случаях она реализуется недостаточно, так как при общем невысоком нагреве воды (средний температурный перепад 7-8 °С) ряд участков и охладительных приборов находятся на индивидуальном питании. К ним относятся горновые леточные холодильники, детали фурменного и шлакового приборов, подвергающиеся особо интенсивному нагреву. В результате температурный перепад воды в холодильниках металлоприемника и лещади составляет лишь 2—4 °С, в воздушных фурмах 3,0-5,5 °С. Исключением является шлаковая фурма, на которой температурный перепад достигает 9 °С. В зонах секционного охлаждения на холодильниках распара и шахты перепад равен 6-12 °С. Самый высокий температурный перепад для фурменной зоны и заплечиков (10—12 °С) достигает при максимальном повышении температуры воды до 35-50 °С и отводе тепла до 42 кДж/кг воды. В связи с этим системы охлаждения технической воды требуют большого ее расхода, составляющего, например, для печи 2700 м3 3320 м3/ч, а с учетом всех вспомогательных объектов печи до 4600 м3/ч при водоводе среднего давления с напором 75 мм вод. ст. Все это предопределяет сооружение водоводов соответствующего диаметра, мощных водозаборных средств и оборудования для подачи. Вода подается в систему охлаждения непрерывно с расчетом на максимальные тепловые нагрузки; текущее регулирование ее расхода невозможно. В то же время недостаточно интенсивное охлаждение при резком повышении нагрева вызывает пленочное кипение воды с последующим прогаром деталей охлаждения. Возможное наличие в трубках холодильников накипи способствует прогару. Установлено, что слой накипи в 1 мм повышает температуру рабочей стороны холодильника на 80—100 °С при обычных тепловых нагрузках и резко ухудшает его охлаждающую способность. Водяное охлаждение бывает одно- и двухзонным (рис. 5.43). В первом случае вся система охлаждения питается водой от одного источника с одинаковым давлением (784-883 кПа). При двухзонном охлаждении печь по высоте делится на две части: верхнюю (шахта, включая распар) и нижнюю (заплечики, горн, лещадь). Питание водой производится от двух источников. Давление в верхней части такое же, как и при однозонном охлаждении, а в нижней 490 кПа. Охлаждение фурменных и шлаковых приборов осуществляют насосами высокого давления. При работе печи на режиме повышенного давления вследствие уменьшения разности давлений в верхней и нижней зонах печи двухзонная система охлаждения нерациональна. В настоящее время водяное охлаждение делают однозонным. При этом сокращают расходы на сооружение и эксплуатацию водоводов. Перед поступлением на печь вода проходит через сетчатые фильтры для предупреждения засорения охладительной системы особенно в весеннее время, когда загрязненность воды повышенная. Система водяного охлаждения для удаления механических осадков и накипи периодически промывается водой высокого давления (до 1,0 МПа) с добавлением 10%-ного раствора соляной кислоты. Отработанная вода от охлаждающих устройств собирается в воронки, расположенные на сливных стояках, и отводится в специальный коллектор. Для наружного охлаждения воду подают кольцевыми трубками с отверстиями, через которые омывается поверхность кожуха. Для создания равномерного омывающего слоя воды к кожуху крепят специальные козырьки. Для приблизительных расчетов расход воды при работе печи без повышенного давления на колошнике принимается равным полезному объему печи, а при повышенном давлении расход воды составляет 1,5—1,6 м3/ч на 1 м3 полезного объема печи. Начиная с 1950 г. на металлургических печах начали применять разработанную в СССР систему испарительного охлаждения, основанную на использовании скрытой теплоты парообразования. Холодная вода при этом заменяется кипящей, предварительно химически очищенной (деаэрированной). Отбор тепла от агрегата производится посредством скрытой теплоты парообразования. Система испарительного охлаждения отличается от обычной системы охлаждения технической водой возможностью саморегулирования процесса охлаждения путем стабилизации его интенсивности, так как при увеличении тепловых нагрузок увеличивается и охлаждающий поток пароводяной смеси. Схемы испарительного охлаждения выполняют с естественной и принудительной циркуляцией. Естественная циркуляция основана на разнице удельных весов воды в трубе, подающей воду из бака-сепаратора в холодильники, и пароводяной смеси в трубе, отводящей от холодильников пар в бак-сепаратор, из которого пар после отделения от воды направляется к потребителю. В большинстве случаев применяется схема с принудительной циркуляцией, так как прямоточная схема испарения воды при переменных тепловых нагрузках в условиях работы доменных печей значительно осложняется. Циркуляция воды в системе непрерывная. Уменьшение ее в баке-сепараторе в результате образования пара восполняется водой от насосной станции. Потери воды в общем балансе завода при использовании пара и возвращении конденсата составляют ~10% от обычных для водяного охлаждения. Применение химически очищенной воды для испарительного охлаждения исключает образование накипи, т. е. устраняется необходимость периодической промывки охлаждающих деталей. Повышение стойкости холодильников, утилизация тепла в виде пара и значительное сокращение расхода технической воды делают систему испарительного охлаждения более выгодной по сравнению с обычной. Экономический эффект от снижения капитальных затрат при внедрении системы испарительного охлаждения на одной доменной печи составлял 500 тыс. руб. В зарубежной практике, где снабжение металлургических предприятий водой высокого качества становится все более затруднительным и стоимость воды повышается, применение испарительного охлаждения возрастает. При этом отмечается снижение расхода воды и повышение коэффициента теплопередачи, исключение возможности коррозии внутренней поверхности охладительных устройств, увеличение срока их службы. Кроме того, замеры температуры в системе охлаждения могут использоваться в качестве информации о состоянии футеровки и изменениях профиля доменной печи. В настоящее время испарительное охлаждение распространено в ряде стран: США, Франции и особенно в ФРГ, Японии и Голландии, причем в Японии, так же как и в России, используют плитовые холодильники, а в ФРГ в заплечиках и иногда в нижней части шахты доменных печей устанавливают коробчатые холодильники горизонтального типа. Для сокращения на печи разводки линий, подводящих охладители, и для лучшего их использования холодильники, как правило, соединяются в секции. Число холодильников в секции определяется теплонапряженностью данной зоны печи и зависит также от конструкции футеровки печи. Схемы испарительного охлаждения (рис. 5.44) выполняют одно- и двухзонными. При двухзонной схеме все секции холодильников состоят из двух групп, каждая из которых объединяется в самостоятельный циркуляционный контур, соединенный независимо с барабаном-сепаратором. В первую группу входят холодильники лещади, горна, фурменной зоны и заплечиков (нижняя зона), а во вторую группу — холодильники маратора, распара и шахты (верхняя зона). В процессе эксплуатации двухзонной схемы были выявлены недостатки: ненадежность циркуляции, особенно в верхней зоне, зависящей от состояния кладки шахты, сложность коммуникаций и большое количество запорной арматуры. В связи с этим применяют систему испарительного охлаждения в однозонном исполнении, когда все холодильники данной секции объединяют по вертикали в одну общую группу от лещади до верхнего ряда холодильников шахты, обеспечивая устойчивую циркуляцию смеси по всей высоте печи. Однозонные схемы бывают различными по компоновке опускных и подъемных труб, но все они должны удовлетворять одинаковым требованиям, а именно: 1) полной надежности циркуляции при всех изменениях в режиме работы системы; 2) возможности централизованного управления; 3) возможности оперативного перевода системы на охлаждение технической водой и обратно (в период ремонтных и наладочных работ); 4) возможности быстрого обнаружения дефектных звеньев системы и их отключения; 5) удобству схемы в эксплуатации. Расход воды при работе на испарительном охлаждении складывается из количества воды, необходимого для охлаждения объектов печи, всегда работающих на водяном охлаждении, и резервного количества воды для временного перевода печи на техническую воду или питания его отдельных секций. При этом безвозвратные потери химически очищенной воды незначительны. Постоянный расход технической воды при испарительном охлаждении составляет 60—70% расхода при водяном охлаждении, поскольку отвод тепла 1 кг технической воды возрастает с 42 до 2520 кДж. Для печей полезным объемом 2700—3200 м3 расход воды составляет -1200 м3/ч. Получаемый в результате испарительного охлаждения печи пар используют для отопления служебных помещений и других производственно-бытовых нужд. От одной печи получают его 10—20 т/ч; избыточное давление 392 кПа. Несмотря на положительный эффект, испарительное охлаждение в нашей отечественной практике не получило решительного признания специалистов доменного производства. Более того, за последнее время наметился отказ от его использования в области металлоприемника и лещади. Причиной послужило мнение о недостаточной эффективности его применения в этих зонах из-за отдаленности контуров охлаждения от области высоких температур, особенно в начальный период работы печи. Испарительную систему охлаждения в настоящее время применяют преимущественно для верхнего строения печи — шахты, иногда заплечиков. Лещадь и горн так же, как и воздушные, шлаковые приборы, оборудуют водяным охлаждением. Попытки перевода воздушных фурм на испарительное охлаждение не увенчались успехом, несмотря на разработку для них специальных конструкций. Таким образом, охлаждение доменных печей в настоящее время осуществляется технической водой или в комбинации с испарительным. Контроль за работой охлаждающих устройств ведется соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой, среди которой большое распространение получили сигнализаторы прогара охладительных приборов, особенно воздушных фурм.

Конструкции охладительных приборов зависят от вертикальной или горизонтальной системы охлаждения и его способа (водяного или испарительного). Разница в первом случае связана с толщиной кладки печи, во втором — с устройством гидравлических трактов и размерами холодильников. В современной практике при вертикальной системе охлаждения применяют плитовые холодильники, конструктивно различающиеся между собой в зависимости от размещения по зонам печи. По периферии лещади и горна (в том числе фурменной зоны) устанавливают плиты только с гладкой поверхностью для лучшего отбора тепла от кладки и уменьшения нагрева тела самого холодильника. В заплечиках для лучшего образования гарнисажа используют ребристые холодильники с залитым кирпичом. Значительно реже в заплечиках применяют гладкие холодильники, которые, хотя и более рациональны с теплотехнической точки зрения, но могут быстрее выходить из строя вследствие сильного абразивного действия газового потока и трения коксом, особенно при неустойчивом гарнисаже.

Область маратора защищают сапожковыми холодильниками с выступами для защиты опорного кольца, имеющими часто самостоятельное охлаждение. Сапожковые холодильники выполняют преимущественно ребристыми с залитым кирпичом, без него и иногда гладкими. В распаре и шахте применяют плитовые холодильники с залитым кирпичом и с ребрами без залитого кирпича. Холодильники верхнего ряда шахты имеют уступы величиной до 300 мм для опоры кладки неохлаждаемой части шахты. Установка гладких холодильников не дает устойчивых положительных результатов их эксплуатации по указанной уже выше причине. Большие абразивные воздействия на холодильники шахты должны компенсироваться оптимальным защитным слоем кирпича даже при условии некоторого ухудшения их теплопроводности и повышения теплового напряжения на холодильник. Устройство выступов в средней части холодильников шириной до 650 мм с расположением их по всей охлаждаемой высоте шахты дает заметно лучшие результаты их эксплуатации, но не исключает прогаров и неравномерного поля охлаждения, что вызывает термические напряжения в кладке и нарушения ее прочности. Исходя из опыта работы с указанными типами холодильников и их конструктивных особенностей на доменных печах объемом 5000—5500 м3 установлены в области лещади, металлоприемника, фурменной зоны и распара гладкие холодильники. Для охлаждения заплечиков использованы холодильники с залитым кирпичом, причем верхний их пояс имеет утолщение для создания кольцевой опоры под кладку распара. В шахте установлены ребристые холодильники без кирпича также с опорными выступами в шахматном порядке, имеющими самостоятельное охлаждение. Верхний ряд холодильников имеет сплошной выступ по кольцу для опоры кладки шахты в ее неохлаждаемой зоне. Габариты плитовых холодильников различны и зависят от объема печи, места установки и конструкции. Примерные их размеры, мм: толщина плиты 120—160 для гладких холодильников и 200—350 для ребристых; длина колеблется в пределах 1200—3000, ширина в области лещади и металлоприемника 1075-1200, в фурменной зоне 700— 1110, в шахте от 420 для ребристых до 1100 для гладких.

Материалом для тела холодильников служит чугун марок СЧ-15-32, СЧ-12-28, СЧ-28, ЧЛ-3. Холодильники изготавливают по специально разработанной технологии, предусматривающей условия теплообмена рабочего пространства печи и холодильников, требования для предупреждения науглероживания трубок холодильников и смягчения линейных напряжений. Важным является также способ крепления холодильников к кожуху печи. Крепление не должно быть жестким во избежание образования больших термических напряжений, приводящих к поломке плит. При толстостенной кладке в заплечиках устанавливали сменяемые горизонтальные коробчатые холодильники, а в шахте - горизонтальные коробчатые, сварные или чугунные плитовые. Первые холодильники -сменяемые при условии установки их в амбразуры, вторые — несменяемые. Кроме плитовых, использовали также кронштейновые холодильники, которые, как и плитовые, отливают из чугуна марки СЧ-32, СЧ-36 и СЧ-15-32. Институтом «Черметэнергоочистка» предложены новые конструкции холодильников, проходящих в настоящее время промышленные испытания в шахтах ряда доменных печей. Примером таких холодильников является холодильная плита с 8-образной формой металлической части (рис. 5.46). Она имеет сквозные, на всю ширину горизонтальные проемы, не доходящие до конца одной из боковых граней. Проемы расширяются по направлению к кожуху и футеруются клиновым кирпичом или огнеупорной массой. В плиту заложены два ряда змеевиков, которые должны обеспечивать равномерное интенсивное охлаждение. Холодильники могут быть с опорой и без нее. Опора охлаждается самостоятельно. Существует холодильник — четырехтрубная плита унифицированных размеров. Устанавливают ее на печах 1033—5037 м3, что позволяет уменьшить количество типов холодильников. Разработан холодильник для системы интенсификации охлаждения холодной химически очищенной водой с расположением охлаждающих трубок в двух плоскостях по толщине плиты. Трубки могут быть в виде змеевиков.

По сравнению с обычными чугунными холодильниками описанные плиты из стальных толстостенных труб имеют преимущества: исключается науглероживание труб при отливке холодильников; предупреждаются разрушение от термических напряжений и рост чугуна; масса холодильников примерно в 2 раза меньше чугунных литых.