Температура чугуна, выплавляемого в вагранке, может быть повышена за счет повышения температуры столба раскаленного горящего кокса холостой колоши. Между тем поступающий в фурмы воздух способствует горению, но одновременно охлаждает кокс, уменьшая эффект от сжигания топлива. Кроме кислорода, в шахту вместе с воздухом вводится азот, которого в воздухе почти в четыре раза больше, чем кислорода. Этим, в частности, объясняются появление холодных участков у фурм, образование настылей шлака, а иногда и металла. Потери теплоты на нагревание азота, содержащегося в ваграночных газах, уменьшают температуру в столбе раскаленного кокса, что ограничивает возможность повышения температуры металла.
Если в вагранку подается подогретый воздух, то потери теплоты на нагрев азота уменьшаются, а температура раскаленного кокса возрастает. При горячем дутье процессы горения интенсифицируются, и уменьшается зона, в которой существует свободный кислород. При этом повышается температура газов (продуктов горения кокса), быстрее плавится и сильнее перегревается металл, проходя через столб раскаленного кокса с еще белее высокой температурой.
Для нагрева дутья можно использовать как ваграночные газы, так и дополнительное топливо, причем устройства для подогрева могут быть вмонтированы в шахту вагранки выше (на уровне) завалочного окна или установлены отдельно от вагранки.
В современной практике применяются следующие способы подогрева воздуха, вдуваемого в вагранки.
1. Рекуперативный подогрев дутья, подразделяющийся, в свою очередь, на группы:
Подогрев воздуха за счет физической и химической теплоты колошниковых газов в рекуператорах, устанавливаемых в трубах вагранок. Конструкция встроенного в трубу рекуператора показана на рис. 5.1. Температура воздуха на выходе из рекуператора равняется 250-300 °С, в отдельных случаях 400 °С.
Этот способ подогрева воздуха имеет следующие достоинства: простота конструкций рекуператоров и отсутствие необходимости в дополнительных площадях, что особенно важно при модернизации вагранок. К недостаткам описываемого способа следует отнести невысокую температуру подогрева дутья и трудность стабилизации температуры воздуха на заданном уровне из-за подсоса холодного воздуха через завалочное окно при загрузке шихты. Кроме того, температура подогретого воздуха непостоянна, так как зависит от режима работы вагранки и периодичности очистки поверхности труб от пыли.
Подогрев воздуха в рекуператорах, расположенных вне вагранки, с использованием физической и химической теплоты ваграночных газов.
Схема установки рекуператора и вагранки приведена на рис. 5.2. Нагрев воздуха осуществляется теплотой отходящих ваграночных газов, отсасываемых ниже загрузочного окна через заборный патрубок 2. Газы подвергаются очистке в пылеуловителе 3, дожигаются в камере 5 и попадают в рекуператор 7, где осуществляется нагрев воздуха. Установка имеет устройства 11 и 12 для периодической очистки трубок.
Основное преимущество этого способа (по сравнению со встроенными в трубу вагранки рекуператорами) заключается в возможности полного сгорания ваграночного газа, независимо от открывания и закрывания завалочного окна вагранки. Расчеты рекуперативного подогрева воздуха и практические данные показывают, что при температуре газов 400-500 °С и содержании 11-13% СО для нагрева дутья до 500 °С достаточно 40-50 % от суммы физической и химической теплоты ваграночных газов. Таким образом, этот способ без дополнительных затрат топлива дает высокий подогрев дутья.
К недостаткам можно отнести — необходимость очистки трубок конвективного рекуператора от осаждений пыли, так как в противном случае теплотехнические качества рекуператора ухудшаются, и температура подогрева воздуха резко падает. Тщательная очистка газов от пыли неизбежно связана с полной потерей физической теплоты газов. Использование непрерывной в течение плавки очистки трубок рекуператора металлической дробью усложняет конструкция подогревателя, а эффективность очистки остается невысокой. Следующим недостатком этого способа является сложность поддержания температуры нагрева дутья на заданном уровне, так как тепловой режим рекуператора связан с температурой поступающих газов и с содержанием в них CO и H2, т.е. зависит от режима плавки в вагранке. В дополнение к изложенному отметим, что использование таких рекуператоров нецелесообразно при кратковременной работе вагранок или работе с перерывами, так как воздухоподогреватели любых конструкций обладают значительной тепловой инерцией.
Подогрев воздуха в рекуператорах, расположенных вне вагранки, использующих химическую теплоту ваграночных газов и дополнительно сжигаемого топлива. Данный способ подогрева дутья не имеет недостатков, присущих предыдущему методу. Ваграночные газы перед поступлением в камеру сгорания (топку) рекуператора проходят тщательную очистку от пыли. Из-за невысокой температуры этих газов и небольшого содержания CO и H2 они представляют низкокалорийное топливо, дожигание которого требует проведения специальных мероприятий. Для этой цели применяют дополнительные горелки, работающие на природном газе. За счет тепла от сгорания природного газа создают условия для горения низкокалорийных ваграночных газов, повышают температуру дутья, обеспечивают ее стабильность и разогревают рекуператор после остановок перед пуском.
Примером использования этого метода может служить установка закрытого типа конструкции Гипростанок.
Подогрев дутья в отдельно стоящих воздухоподогревателях, отапливаемых специальным топливом, независимо от вагранки.
В качестве воздухонагревателя лучше всего использовать конструкцию комбинированного радиационно-конвективного рекуператора. Такой воздухоподогреватель состоит из двух рекуператоров — радиационного 3 и конвективного 5, расположенных рядом (рис. 5.3). Две горелки 1 для сжигания природного газа расположены в верхней части радиационного рекуператора 3. Продукты сгорания опускаются, как показано стрелками, через его шахту, опорную камеру 4 и затем переходят в трубки конвективного рекуператора 5, по которым поднимаются в верхнюю его часть, отдают теплоту трубкам и отводятся с помощью дымососа.
Воздух от вентилятора по воздуховоду холодного дутья 6 поступает в полость между трубками конвективного рекуператора 5, где температура воздуха вследствие теплопередачи конвекцией от трубок, нагретых горячими газами, повышается примерно до 200 °С. Предварительно нагретый воздух переходит в нижний коллектор (переход обозначен стрелками) радиационного рекуператора 5 и по полости между его стенками попадает в верхний коллектор. За счет лучеиспускания (радиации горячих газов) температура воздуха повышается до 450-550 °С. Из верхнего коллектора окончательно нагретый воздух через воздуховод горячего дутья 2 подается к фурменной коробке вагранки.
Горячее дутье с температурой 500 °С повышает температуру чугуна на желобе на 50 °С, что улучшает его технологические качества, а следовательно, и улучшает качество отливок. Интенсификация процессов плавки связана со значительным снижением (25-30 %) расхода кокса, соответственно сокращается содержание серы в чугуне, а также уменьшается количество пыли в отходящих газах.
К достоинствам отдельно отапливаемых воздухоподогревателей следует отнести то, что горячий воздух поступает в вагранку с первых минут ее работы и его температура не зависит от режима ваграночной плавки и ее переменных факторов, таких как расход кокса, качество шихты, количество, температура и состав ваграночных газов и т.д., что обеспечивает надежность работы ваграночной установки и облегчает ее эксплуатацию. При применении высококалорийного топлива размеры подогревателя уменьшаются и упрощается его конструкция. При этом немаловажным обстоятельством является минимальное загрязнение теплопередающих поверхностей воздухоподогревателя, так как пыль в топочных газах отсутствует, за счет этого отпадает надобность в чистке трубы и других частей воздухоподогревателя. Также упрощается система очистки ваграночных газов от пыли и оксида углерода, так как становится ненужной подготовка этих газов к дожиганию в топке для рекуператора. Кроме того, понижается расход электроэнергии на транспорт ваграночных газов.
Недостатком данного способа подогрева дутья является дополнительный расход топлива и уменьшение теплового к. п. д. ваграночной установки, так как тепло отходящих ваграночных газов не используется.
Применяемые для подогрева дутья рекуператоры и воздухоподогреватели используют теплоту отходящих газов или теплоту сжигаемого дополнительного топлива. Для ваграночного дутья чаще всего применяются металлические рекуператоры. Как рекуператоры, так и воздухоподогреватели, используемые для подогрева ваграночного дутья, подразделяются по способу передачи теплоты на конвективные, радиационные и комбинированные (радиационноконвективные).
Конвективные рекуператоры (рис. 5.4) работают, как правило, при температуре теплоносителя на входе не выше 800 °С (редко 900 °С). Воздух при этом подогревается до 300-450 °С. Дожигание СО осуществляется в специальной камере, предварительно нагретой до t > 600 °С при сжигании природного газа.
При температуре дымовых газов выше 900-1000 °С применяются радиационные рекуператоры. Большая теплостойкость этих рекуператоров позволяет им работать при температуре газов до 1300 °С и подогревать в них воздух до 500-700 °С. Высокий коэффициент теплопередачи радиационные рекуператоры имеют только при температуре газов более 800 °С. Поэтому в тех случаях, когда рационально использовать теплоноситель полнее, в большом интервале температур — от высоких (1100-1200 °С) до низких (200-300 °С), применяют комбинированные радиационно-конвективные рекуператоры. Такие рекуператоры имеют наибольший коэффициент использования теплоты, содержащейся в дымовых газах.
За рубежом чаще применяются конвективные рекуператоры с игольчатыми трубами или термоблочные, реже — радиационные рекуператоры. У нас в стране нашли применение два типа радиационных рекуператоров: щелевые и трубчатые. Первые состоят из двух концентрических цилиндров, сваренных из листов жаропрочной стали толщиной 4-8 мм. По внутреннему цилиндру проходят дымовые газы, а в кольцевом пространстве между цилиндрами — нагреваемый воздух. Эти рекуператоры устойчиво работают в том случае, если диаметр внутреннего кольца не превышает 1,5 м, а давление воздуха в кольцевом зазоре не выше 1000 мм вод. ст. (104 Па). При больших размерах рекуператоров жесткость их часто оказывается недостаточной, и при эксплуатации наблюдается деформация внутреннего цилиндра, приводящая к выходу рекуператора из строя.
Значительно большую стойкость при высоких температурах и повышенных давлениях воздуха показали трубчатые радиационные рекуператоры (рис. 5.5), состоящие из большого количества трубок малого диаметра, расположенных близко друг к другу по периметру футерованной шахты. Дымовые газы проходят по шахте и омывают трубы, по которым прогоняется воздух. Преимущества радиационных трубчатых рекуператоров: хорошая тепловая компенсация металлических труб, простота изготовления, монтажа, ремонта и обслуживания. Недостатки: высокое гидравлическое сопротивление на воздушной стороне; большие габаритные размеры рекуператора; большой объем огнеупорной кладки, повышающей инерционность рекуператоров.
Комбинированные радиационно-конвективные подогреватели, как правило, применяются для нагрева ваграночного дутья только за счет сжигания природного газа.
При подогреве дутья за счет теплоты ваграночных газов КПД вагранки увеличивается. Однако температура газов после рекуператора остается еще достаточно высокой (650 °С), и газы могут быть использованы, например, для получения горячей воды или выработки пара.
На рис. 5.6 показана вагранка, оборудованная системой очистки и дожигания ваграночных газов, рекуператором для подогрева воздуха до температуры 550 °С и установкой для выработки 13 т пара в час температурой 250 °С и давлением 1,8 МПа.
Ваграночные газы из вагранки 16 через разовый коллектор 15 вначале попадают в циклон 14, где выпадают наиболее крупные частицы пыли. В охладителе 13 поток горячих газов охлаждается струями воды. В дезинтеграторе 12 происходит интенсивное перемешивание газов с водой между вращающимися и
неподвижными дисками. Перемешивание настолько эффективно, что вся пыль, содержащаяся в ваграночных газах, смачивается и удаляется с потоком воды в отстойник. В камере 11 происходит осушка ваграночных газов, вся капельная влага выпадает, а очищенные и охлажденные ваграночные газы поступают в топку 3. Горелка 2 предназначена для первоначального разогрева топки и регулирования температуры газов около 950 °С.
Воздух вентилятором 1 подается в трубчатый рекуператор 5, работающий по схеме перекрестного противотока. В рекуператоре 5 основное количество воздуха подогревается до температуры 550 °С. Рекуператор 4, работающий по схеме перекрестного прямотока, выполняет функции экрана, он защищает основной рекуператор 5 от теплового излучения из топки 3. В первую секцию (по ходу продуктов горения) рекуператора 4 подается холодный воздух, который затем поступает во вторую секцию рекуператора 4, а затем смешивается с горячим воздухом, выходящим из рекуператора 5, и направляется по трубопроводу в воздушный коллектор 17 вагранки.
Продукты горения после рекуператоров (при открытой заслонке 10 и закрытой заслонке 9 поступают в горизонтальный канал, где расположены трубы установки 7 по выработке пара давлением 1,8 МПа, охлаждаются до температуры 170 °С и выбрасываются по трубе 6. Труба 5 предназначена для удаления продуктов горения при ремонте паровой установки.
