Воздухонагреватели

Воздухонагреватели для доменных печей

ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛИ, вспомогательные устройства для получения горячего дутья при выплавке чугуна в доменных печах. Открытие способа замены холодного доменного дутья горячим относится к 1828 г., когда Джемс Нейльсон патентовал применение горячего дутья к горнам и вагранкам. Аппараты для нагрева были примитивны и представляли чугунные трубы, расположенные над топками для каменного угля; через трубы шло дутье в домну. Нагревание дутья, несмотря на такую примитивность устройств, сразу дало экономию в расходе горючего в домне (домны работали на коксе). По данным профессора Окермана, для шведских древесноугольных печей при нагреве дутья даже только до 200°, экономия горючего составляла 15%. Старые данные относительно коксовых печей характеризуют производительность печи и расход кокса при холодном и при горячем дутье.

Производительность печи и расход кокса при холодном и при горячем дутье

В 1832 г. Фабер-дю-Фор на вюртембергском заводе Вассеральфинген впервые применил к отоплению воздухонагреватели колошниковые (доменные) газы, считавшиеся в то время отбросами производства, что сделало экономию от применения горячего дутья еще более значительной. После этого начался массовый переход домен на горячее дутье с одновременным совершенствованием системы воздухонагревателей и повышением температуры нагрева. При повышении температуры дутья экономия в расходе горючего возрастает, но не пропорционально повышению температуры. Исследования показали, что при температуре дутья в 200° экономия в среднем составляет до 12%, при 400° - до 17%, при 600° - до 21%, при 800° - до 24%. Дальше экономии не получается.

По Окерману, это объясняется тем, что, повышая нагрев воздуха, мы вносим в печь известное количество теплоты извне и тем сокращаем расход горючего в домне, а это сокращение вызывает в свою очередь меньшую потребность вдуваемого в единицу времени воздуха. Т. о., сокращая количество вдуваемого воздуха, убавляют и количество теплоты, приносимое им в печь; следствием этого и является нарушение пропорциональности, и экономия горючего, с возрастанием нагрева, растет все медленнее и медленнее. С другой стороны, с увеличением температуры дутья, а, следовательно, с уменьшением количества горючего, сжигаемого на единицу чугуна, уменьшается и количество газов, которые, поднимаясь кверху в домне, встречают большее количество материалов (шихты) и полнее отдают им свою теплоту, доходя до колошника вполне охлажденными («холодный колошник»). Это гл. обр. и обусловливает экономию горючего при горячем дутье. Но, продолжая дальше поднимать температуру дутья и уменьшать количество газов в домне, можно получить даже расстройство хода домны, т. к. газы, помимо передачи тепла, играют еще более важную роль - роль химического реагента (восстановителя), и реакция м. б. неполной, если реагента мало. А ход домны д. б. центром внимания в каждый данный момент.

Следует еще отметить разницу в нагреве дутья для древесноугольных печей по сравнению с коксовыми. Меньший нагрев дутья для древесноугольных печей объясняется двумя причинами: 1) древесный уголь является лучшим восстановителем, чем кокс, и при плавке на нем нет надобности в слишком высокой температуре, и 2) зола древесного угля чиста и свободна от серы, а потому нет надобности держать сильноосновные трудноплавкие шлаки, необходимые для выделения серы, что делается при плавке на коксе, зола которого всегда содержит много серы. На Урале при древесном угле переходят на домны большого тоннажа, до 100 т суточной производительности, с нагревом дутья до 500—600°. В Швеции же при таком топливе и до настоящего времени выплавляют высококачественный передельный чугун с малым содержанием кремния и марганца в домнах малого тоннажа с температурой дутья не свыше 400°, применяя первоначальный тип трубчатых воздухонагревателей (последние в других местах уже больше не применяются). Прототипом такого воздухонагревателя может служить так называемый вассеральфингенский аппарат (фиг. 1).

Вассеральфингенский аппарат

Он представляет систему лежачих зигзагообразных чугунных труб А, А1, заключенных в кирпичный корпус прямоугольного сечения. Внизу корпуса помещается топка с колосниковой решеткой К, на которой поддерживается горение на случай перерыва притока доменного газа. Под решетку поступает доменный газ из газопровода G, служащий горючим для нагрева дутья. Дутье поступает в трубы сверху через трубу Т и, пройдя путь по трубам А и А1, нагревается и выходит через трубу R к доменной печи. Продукты горения удаляются из аппарата через дымовые трубы D с клапанами С, регулирующими тягу. Воздух, необходимый для сжигания газа, поступает в аппарат через поддувало Р, топочные дверцы W и ряд окошек v; приток воздуха регулируют заслонки. Сечение труб делают овальным для увеличения поверхности нагрева каждой трубы и для уменьшения площади, на которую оседают сверху пыль и зола от сгоревшего горючего материала, чем достигается большая теплопроводность труб.

В аппаратах, составляющих разновидности только что описанного прибора, расположение труб бывает вертикальное, причем они стоят на опорах или бывают подвешены верхними концами к верхней части корпуса; в зависимости от способа укрепления и сами аппараты носят название аппаратов со стоячими трубами и аппаратов с висячими трубами. Положительная сторона этих аппаратов - сравнительная дешевизна их постройки, отрицательная же сторона - дороговизна их ремонта и ограничение степени нагрева температурой в 400°. Эта температура недостаточна при плавке на коксе. Отливка труб д. б. тщательна в смысле размеров и чистоты поверхности и требует специального чугуна, иначе трубы при нагреве скоро лопаются. Чугун должен содержать 1% Si, 0,4—0,5 % Мn, 0,4—0,5 % Р.

В 1857 г. Е. Коупер запатентовал применение принципа регенерации Сименса к нагреву дутья в аппаратах, где кирпичные насадки, заключенные в металлический кожух и периодически нагреваемые пламенем колошниковых газов, нагревают затем пропускаемое через них дутье. В этих воздухонагревателях продукты горения, омывая большую поверхность кирпичных насадок, хорошо охлаждаются; в то же время дутье, соприкасаясь с раскаленными кирпичами, нагревается до более высокой температуры, чем в чугунных трубах, а именно до 800—900°. Вследствие этого в оборудовании коксовых печей кирпичные воздухонагреватели в настоящее время совершенно вытеснили трубчатые.

До конца 80-х гг. 19 в. кроме аппарата Коупера применялся аппарат Витвеля, а также Массика и Крука, но эти воздухонагреватели были вытеснены наиболее совершенным в конструктивном отношении типом Коупера, получившим общее распространение (фиг. 2).

Аппарат Коупера

Основой конструкции этого аппарата являются две части: 1) колодец (шахта), обыкновенно овального сечения, где происходит сгорание колошникового газа, и 2) насадки, выполненные, из специальных огнеупорных кирпичей, образующих вертикальные непрерывные каналы, по которым идут сначала продукты горения сверху вниз, а потом, когда аппарат нагреется, идет дутье в обратном направлении - снизу вверх. Вся конструкция заключена в цилиндрический железный кожух и покрыта куполообразным сводом. Обычно до сих пор рассчитывали по четыре аппарата на одну домну; из них два должны находиться под газом, один под воздухом и один в запасе или, вернее, в чистке, так как газы несут много пыли и быстро засоряют насадки. При двух домнах есть уже возможность делать только семь аппаратов. Дальнейшие усовершенствования в конструкции понижают это число до пяти и даже до четырех. Усовершенствования в системе касаются: 1) размеров аппарата, связанных с увеличением нагревательной поверхности, 2) очистки газа от пыли и 3) увеличения скорости течения газов по каналам.

1) В отношении размеров - диаметр аппарата продолжает оставаться в пределах от 6 до 8 м, а высота его достигла и даже превысила 30 м. Дальнейшее увеличение нагревательной поверхности идет за счет изменений в форме и размерах кирпичей насадки. Для удобства чистки каналов от пыли, для равномерного прогрева толщи кирпича, а также для удобства изготовления и укладки кирпича, форма его постепенно изменялась (фиг. 3, А, В, С, D, Е, F).

Форма кирпича

Последняя форма F была применена в Германии к аппаратам Коупера с нагревом по системе P.S.S. Размеры каналов обычно бывают 150 х 150 мм и 180 х 180 мм, а толщина кирпича 50—80 мм.

2) Газы, идущие на нагревание коуперов, содержат от 0,1 до 1 г пыли в 1 м3, а потому аппараты засоряются и требуют чистки через каждые 5—8 недель. Опыты полутонкой очистки газа, с доведением содержания в нем пыли до 0,1—0,25 г в 1 м3 показали, что аппараты не требуют чистки в течение нескольких месяцев даже при уменьшенном сечении каналов. Очистка газа явилась лучшим способом для увеличения поверхности нагрева аппарата, так как это дало возможность значительно уменьшить размеры каналов, а, следовательно, соответственно увеличить их число. Некоторые заводы нашли выгодным применить даже тонкую очистку, т. к. при этом число потребных аппаратов при домне значительно сокращается. Так, на американском заводе Саут-Чикаго (South-Chicago) с установкой новой, более совершенной газоочистки, с содержанием пыли 0,024 г в 1 м3, оказалось возможным уменьшить размеры каналов до 9 x 9 см вместо существовавших ранее 23 х 23 см, что увеличило нагревательную поверхность аппарата в два раза.

3) Крупным прогрессом в технике нагрева дутья нужно признать ускоренный нагрев коуперов по способу Pfoser-Strack-Stamm, называемому сокращенно Р. S. S. Идея способа состоит в том, что с увеличением скорости течения горячих газов и воздуха по каналам увеличивается скорость теплопередачи: при большой скорости движение их имеет вихревой характер, а при малой скорости происходит спокойное течение, параллельными струями. Увеличение скорости движения газа достигается при помощи вентилятора; воздух для горения газа поступает из трубы холодного дутья или также от вентилятора. При подаче в аппарат большого количества газа является полная возможность сократить число аппаратов «на газе». В Нейнкирхене (Neunkirchen), где способ этот был выработан, время нагрева аппарата было сокращено с 4,5 ч. до 1,5 ч., что дало возможность вместо трех аппаратов, находившихся одновременно на газе, иметь только один. Характерными цифрами для работы воздухонагревателей системы Р. S. S. могут служить следующие: температура дутья, в среднем, лежала выше 800°; температура отходящих газов, в среднем, была равна 100°; расход газа составлял 20% всего его количества. При повреждениях газоочистителей воздухонагреватели работали часто 1—2 ч. на неочищенном газе; несмотря на это, засорения насадок не наблюдалось.

В конструкцию аппарата Коупера вносились разные изменения; для обозначения характера их к названию коупер прибавляют название автора изменений (коупер Кеннеди, коупер Беккера и др.). Аппарат коупер Кеннеди в Америке имеет круглый колодец, расположенный центрально. Известный германский доменщик инженер Беккер сделал разные размеры каналов в насадках (в середине меньшие, а по периферии большие), достигнув этим более равномерного течения газов по всему сечению аппарата. В Америке были предложены аппараты, в которых газ и продукты горения делают не двойной оборот, как в обыкновенном аппарате Коупера, а тройной и даже четверной. Новостью в насадке можно считать ячейку 23 х 13 см из волнистого кирпича толщиной 50 мм.

К существенным деталям аппарата Коупера относятся прежде всего клапаны - газовый, дымовой, для холодного дутья и для горячего дутья. Сложным, но весьма удобным и нашедшим большое распространение является клапан Бургерса (фиг. 4).

Клапан Бургерса

Газопровод t кончается кольцевым желобом h, в который входит нижним краем цилиндрическая газовая коробка g, имеющая фланец q. К фланцу прикреплены оси роликов r, которые ходят по фланцу s желоба h. Т. о. вся газовая коробка свободно вращается около вертикальной оси. Внутри коробки имеется тарелочный клапан v для закрытия газа, а ниже его - перекидной клапан f для регулирования притока газа. Коробка g имеет сбоку изогнутую трубу а с чугунным фланцем b, которым она при повороте м. б. плотно прижата с помощью шарнирных болтов к горловине аппарата, снабженной чугунным седалищем. В таком положении аппарат будет «под газом». Если надо перевести его «под воздух», то коробку отводят, а отверстие в аппарате закрывают плоским шарнирным клапаном k. Из других клапанов заслуживает внимания клапан горячего дутья, который делается в виде задвижки с водяным охлаждением.

К приборам для определения упругости и температуры дутья относятся манометры, термометры и пирометры. Упругость дутья обыкновенно выражается в см или дм. ртутного столба, хотя в Америке и в Англии до сих пор ее часто выражают и в фунтах на 1 дм2. Из пирометров наиболее распространенным является пирометр Гобсона (Hobson), вполне пригодный для практических целей. При желании получить более точные результаты измерения прибегают к пирометру Ле-Шателье.

Что касается методов расчета воздухонагревателей системы Коупера, то все они, давая лишь приблизительные результаты, требуют поправок согласно практическим данным. Главнейшие из методов были предложены профессорами Осанном (Osann), Веддингом (Wedding) и Гуглером (Gugler). К исходным данным для расчета относится величина нагревательной поверхности аппарата, приходящаяся на 1 м3 дутья в минуту, при современных условиях нагрева воздуха до 800—900°. Такой величиной Ледебур считает 8—10 м2. Гурк (Hurck) повышает эту величину до 13,5—14,5 м2. Профессор М. А. Павлов вводит в расчет температуру и предлагает считать 1 м2 поверхности нагрева на каждый м3 воздуха, вдуваемого в печь в 1 минуту для нагрева его на каждые 100°. Профессор В. Н. Липин, считая эти данные низкими, а величины Гурка слишком высокими, рекомендует на каждый м3 дутья в минуту для нагрева его на каждые 100° иметь 1,2 м2 нагревательной поверхности аппарата.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.