Повітронагрівачі для доменних печей
ПОВІТРЯНОГРІВАЧІ, допоміжні пристрої для отримання гарячого дуття при виплавці чавуну в доменних печах. Відкриття способу заміни холодного доменного дуття гарячим відноситься до 1828, коли Джемс Нейльсон патентував застосування гарячого дуття до горнам і вагранок. Апарати для нагрівання були примітивні і являли собою чавунні труби, розташовані над топками для кам'яного вугілля; через труби йшло дуття у домну. Нагрівання дуття, незважаючи на таку примітивність пристроїв, одразу дало економію у витраті пального в домні (домни працювали на коксі). За даними професора Окермана, для шведських деревокутових печей при нагріванні дуття навіть до 200°, економія пального становила 15%. Старі дані щодо коксових печей характеризують продуктивність печі та витрату коксу при холодному та гарячому дутті.
У 1832 р. Фабер-дю-Фор на вюртембергському заводі Вассеральфінген вперше застосував до опалення повітронагрівачі колошникові (доменні) гази, які вважалися на той час покидьками виробництва, що зробило економію від застосування гарячого дуття ще більшою. Після цього почався масовий перехід домен на гаряче дуття з одночасним удосконаленням системи повітронагрівачів та підвищенням температури нагріву. У разі підвищення температури дуття економія у витраті пального зростає, але з пропорційно підвищенню температури. Дослідження показали, що при температурі дуття в 200 ° економія в середньому становить до 12%, при 400 - до 17%, при 600 - до 21%, при 800 - до 24%. Далі економії не виходить.
За Окерманом, це пояснюється тим, що, підвищуючи нагрівання повітря, ми вносимо в піч певну кількість теплоти ззовні і тим самим скорочуємо витрату пального в домні, а це скороченнявикликає у свою чергу меншу потребу повітря, що вдується в одиницю часу. Т. о., скорочуючи кількість повітря, що вдувається, зменшують і кількість теплоти, що приноситься їм у піч; Наслідком цього є порушення пропорційності, і економія пального, зі зростанням нагріву, зростає все повільніше і повільніше. З іншого боку, зі збільшенням температури дуття, а, отже, зі зменшенням кількості пального, що спалюється на одиницю чавуну, зменшується і кількість газів, які, піднімаючись догори в домні, зустрічають більшу кількість матеріалів (шихти) і повніше віддають їм свою теплоту, доходячи до колошника цілком охолодженими («холодний колошник»). Це гол. обр. і зумовлює економію пального при гарячому дутті. Але, продовжуючи далі піднімати температуру дуття і зменшувати кількість газів у домні, можна отримати навіть розлад ходу домни, тому що гази, крім передачі тепла, відіграють ще важливішу роль - роль хімічного реагенту (відновлювача) і реакція м. б. неповної, якщо реагенту мало. А хід домни б. центром уваги кожен момент.
Він представляє систему лежачих зигзагоподібних чавунних труб А, А1, укладених у цегляний корпус прямокутного перерізу. Внизу корпусу поміщається топка з колосниковою решіткою, на якій підтримується горіння на випадок перерви припливу доменного газу. Під ґрати надходить доменний газ із газопроводу G, що є пальним для нагрівання дуття. Дуття надходить у труби зверху через трубу Т і, пройшовши шлях трубами А і А1, нагрівається і виходить через трубу R до доменної печі. Продукти горіння видаляються з апарату через димові труби D із клапанами С, що регулюють тягу. Повітря, необхідне для спалювання газу, надходить в апарат через піддувало Р, дверцята топки W і ряд віконців v; приплив повітрярегулюють заслінки. Переріз труб роблять овальним збільшення поверхні нагрівання кожної труби і зменшення площі, яку осідають зверху пил і зола від згорілого пального матеріалу, чим досягається більша теплопровідність труб.
В апаратах, що складають різновиди щойно описаного приладу, розташування труб буває вертикальне, причому вони стоять на опорах або підвішені верхніми кінцями до верхньої частини корпусу; залежно від способу зміцнення і самі апарати звуться апаратів зі стоячими трубами і апаратів з висячими трубами. Позитивна сторона цих апаратів - порівняльна дешевизна їх спорудження, негативна сторона - дорожнеча їх ремонту та обмеження ступеня нагріву температурою в 400°. Ця температура недостатня при плавці на коксі. Виливка труб буд. ретельна в сенсі розмірів та чистоти поверхні і вимагає спеціального чавуну, інакше труби при нагріванні швидко лопаються. Чавун повинен містити 1% Si, 0,4-0,5% Мn, 0,4-0,5%.
У 1857 р. Е. Коупер запатентував застосування принципу регенерації Сіменса до нагрівання дуття в апаратах, де цегляні насадки, укладені в металевий кожух і періодично нагріваються полум'ям колошникових газів, нагрівають потім дуття, що пропускається через них. У цих повітронагрівачах продукти горіння, омиваючи велику поверхню цегляних насадок, добре охолоджуються; в той же час дуття, стикаючись з розпеченою цеглою, нагрівається до вищої температури, ніж у чавунних трубах, а саме до 800-900 °. Внаслідок цього в обладнанні коксових печей цегляні повітронагрівачі в даний час повністю витіснили трубчасті.
До кінця 80-х років. 19 ст. Крім апарату Коупера застосовувався апарат Вітвеля, і навіть Масика і Крука, але ці воздухонагреватели буливитіснені найбільш досконалим у конструктивному відношенні типом Коупера, що набув загального поширення (фіг. 2).
Основою конструкції цього апарату є дві частини: 1) колодязь (шахта), звичайно овального перерізу, де відбувається згоряння колошникового газу, і 2) насадки, виконані, зі спеціальних вогнетривких цеглин, що утворюють вертикальні безперервні канали, по яких йдуть спочатку продукти горіння зверху , а потім, коли апарат нагріється, йде дуття у зворотному напрямку – знизу нагору. Вся конструкція укладена в циліндричний залізний кожух і покрита куполоподібним склепінням. Зазвичай досі розраховували по чотири апарати на одну домну; з них два повинні знаходитися під газом, один під повітрям і один у запасі або, вірніше, у чищенні, оскільки гази несуть багато пилу та швидко засмічують насадки. При двох домнах є можливість робити лише сім апаратів. Подальші вдосконалення у конструкції знижують це число до п'яти і навіть чотирьох. Удосконалення в системі стосуються: 1) розмірів апарату, пов'язаних із збільшенням нагрівальної поверхні, 2) очищення газу від пилу та 3) збільшення швидкості перебігу газів по каналах.
1) Щодо розмірів - діаметр апарату продовжує залишатися в межах від 6 до 8 м, а висота його досягла і навіть перевищила 30 м. Подальше збільшення нагрівальної поверхні відбувається за рахунок змін у формі та розмірах цегли насадки. Для зручності чищення каналів від пилу, для рівномірного прогріву товщі цегли, а також для зручності виготовлення та укладання цегли, форма його поступово змінювалася (фіг. 3, А, В, С, D, Е, F).
Остання форма F була застосована в Німеччині до апаратів Коупера з нагріванням у системі P.S.S. Розміри каналів зазвичай бувають 150 х 150 мм та 180 х 180мм, а товщина цегли 50-80 мм.
3) Великим прогресом у техніці нагрівання дуття потрібно визнати прискорене нагрівання коуперів за способом Pfoser-Strack-Stamm, званому скорочено Р. S. S. Ідея способу полягає в тому, що зі збільшенням швидкості перебігу гарячих газів і повітря по каналах збільшується швидкість теплопередачі: при великій швидкості рух їх має вихровий характер, а при малій швидкості відбувається спокійна течія, паралельними струменями. Збільшення швидкості руху газу досягається за допомогою вентилятора; повітря для горіння газу надходить із труби холодного дуття або також від вентилятора. При подачі в апарат великої кількості газу є можливість скоротити кількість апаратів «на газі». У Нейнкірхені (Neunkirchen), де спосіб цей був вироблений, час нагрівання апарату було скорочено з 4,5 ч. до 1,5 ч., що дало можливість замість трьох апаратів, що знаходилися одночасно на газі, мати тільки один. Характерними цифрами для роботи воздухонагревателей системи Р. S. S. можуть бути такі: температура дуття, в середньому, лежала вище 800 °; температура відхідних газів, в середньому, дорівнювала 100 °; витрата газу становила 20% всієї його кількості. При ушкодженнях газоочисників повітронагрівачі працювали часто 1-2 год. на неочищеному газі; незважаючи на це, забруднення насадок не спостерігалося.
До суттєвих деталей апарату Коупера належать передусім клапани - газовий, димовий, для холодного дуття та гарячого дуття. Складним, але дуже зручним і таким, що знайшов велике поширення є клапан Бургерса (фіг. 4).
Газопровід t закінчується кільцевим жолобом h, який входить нижнім краєм циліндрична газова коробка g, що має фланець q. До фланця прикріплені осі роликів r, які ходять фланцем s жолоба h. Т. о.вся газова коробка вільно обертається біля вертикальної осі. Усередині коробки є тарілковий клапан v для закриття газу, а нижче за нього - перекидний клапан f для регулювання припливу газу. Коробка g має збоку вигнуту трубуаз чавунним фланцем b, яким вона при повороті м. б. щільно притиснута за допомогою шарнірних болтів до горловини апарату, з чавунною сідницею. У такому положенні апарат буде "під газом". Якщо треба перевести його «під повітря», коробку відводять, а отвір в апараті закривають плоским шарнірним клапаном k. З інших клапанів заслуговує на увагу клапан гарячого дуття, який робиться у вигляді засувки з водяним охолодженням.
До приладів для визначення пружності та температури дуття відносяться манометри, термометри та пірометри. Гнучкість дуття зазвичай виявляється у см або дм. ртутного стовпа, хоча в Америці та в Англії досі її часто виражають і в фунтах на 1 дм2. З пірометрів найпоширенішим є пірометр Гобсона (Hobson), цілком придатний для практичних цілей. За бажання отримати більш точні результати вимірювання вдаються до пірометра Ле-Шательє.
Що стосується методів розрахунку повітронагрівачів системи Коупера, всі вони, даючи лише приблизні результати, вимагають поправок згідно з практичними даними. Найголовніші методи були запропоновані професорами Осанном (Osann), Веддингом (Wedding) і Гуглером (Gugler). До вихідних даних для розрахунку відноситься величина нагрівальної поверхні апарату, що припадає на 1 м 3 дуття за хвилину, за сучасних умов нагрівання повітря до 800-900 °. Такою величиною Ледебур вважає 8-10 м2. Гурк (Hurck) підвищує цю величину до 135-145 м 2 . Професор М. А. Павлов вводить до уваги температуру і пропонує рахувати 1 м 2 поверхні нагріву на кожен м3 повітря, що вдмухується в піч в 1 хвилину для нагрівання його на кожні 100°. Професор В. Н. Липин, вважаючи ці дані низькими, а величини Гурка занадто високими, рекомендує на кожен м 3 дуття за хвилину для нагрівання його на кожні 100° мати 1,2 м 2 нагрівальної поверхні апарату.
Джерело: Мартенс. Технічна енциклопедія. Том 4 – 1928 р.