» » Сущность работы металлургических печей
02.06.2015

Приведенный выше перечень свидетельствует, что работа металлургических печей является очень сложным комплексом разнообразных процессов, каждый из которых имеет свои закономерности, изучаемые в соответствующих самостоятельных крупных отраслях науки. По сложности и многообразию процессов металлургические печи занимают одно из первых мест среди современных машин и различных промышленных устройств.
Очевидно, что из перечисленных пяти процессов главным является технологический, представляющий основную цель работы металлургических печей. Развитие всех остальных процессов должно быть таким, чтобы технологический процесс протекал с наилучшими качественными и количественными показателями. Но в заводских печах все процессы находятся в очень тесной взаимосвязи и взаимном обусловленности, а развитие и интенсивность одного определяет развитие и интенсивность остальных. Между тем тот или иной процесс может достигнуть в своем развитии таких показателей, переход за которые без коренного изменения режима и конструкции печи вызывает нарушение ее нормальной работы. Поскольку этот процесс начинает лимитировать дальнейшее форсирование технологии, на нем сосредотачивается внимание конструкторов и эксплуатационников, стремящихся с помощью разнообразных конструктивных и режимных мероприятий преодолеть «барьер», препятствующий развитию данного процесса. В последующем лимитировать работу печи может другой процесс, определяющий на данном этапе работу печи.
Иллюстрируем вышесказанное примерами работы некоторых типов печей.
Сущность работы металлургических печей

На поперечном разрезе отражательной плавильной печи (рис. 1) показаны места протекания основных процессов. Углеродистое топливо, вдуваемое в рабочее пространство печи, сгорает, образуя большое количество нагретых до высокой температуры газов (энергетический процесс). Газы двигаются в рабочем пространстве печи (аэромеханический процесс) и отдают часть своего тепла поверхности шихты, ванны и огнеупорной кладки (теплообменный процесс). В результате получения тепла в шихте совершаются соответствующие физико-химические превращения и она плавится, давая в качестве конечных продуктов штейн и шлак (технологический процесс). Под влиянием силы тяжести расплав стекает по откосам шихты в ванну, где капельки штейна и шлака расслаиваются на два слоя (механический процесс).
Чем больше интенсифицируется горение топлива, тем больше (при неизменном содержании кислорода в воздушном дутье) образуется в печи газов и тем выше их температура. Это усиливает теплопередачу от газов и кладки к шихте и ванне, ускоряет процессы плавления и преобразования шихты и приводит к повышению производительности печи. Но процесс горения топлива в большой степени зависит от движения газов и если образующиеся газы не будут своевременно удаляться печи, то процесс горения будет затухать. Процесс горения лимитируется также теплообменом между газами, шихтой и кладкой: если форсирование горения не будет одновременно сопровождаться форсированием теплопередачи к шихте, то дополнительное тепло будет уходить с отходящими газами или чрезмерно перегревать кладку печи, вызывая ее разрушение. Горение топлива, движение газов, теплообмен, в свою очередь, могут лимитироваться скоростями физико-химических преобразований шихты, а также процессом движения и разделения штейна и шлака. Соответственно химический состав шихты, ее подготовка и теплофизические свойства оказывают огромное влияние на работу печи, так же как качество топлива и условия его сжигания. На современном этапе развития отражательных печей наиболее лимитирующим и определяющим их работу является процесс теплообмена: однако дальнейшее развитие и усовершенствование отражательных печей, например путем перехода на плавку во взвешенном состоянии, может резко уменьшить значение теплообменного процесса.
Из рассмотрения поперечного разреза шахтной печи (рис. 2) видно, что развивающиеся в ней рабочие процессы четко по зонам не разделяются, как в отражательной печи, а протекают в очень тесном переплетении, по существу почти в одной зоне. Процесс плавления и преобразования шихты в шахтной печи также зависит от количества тепла, получаемого от процесса горения топлива. В свою очередь, процесс горения зависит от количества воздуха, вдуваемого в печь, т. е. от механики газовых потоков. Аэромеханика находится в зависимости от физических свойств шихты — крупности кусков, содержания отдельных классов, формы и удельного веса кусков и т. п., лимитирующих скорость движения и распределение газовых потоков. При слишком большом количестве воздуха, подаваемом в шахтную печь, резко возрастает вынос пыли, нарушается устойчивость шихтового столба, и в нем возникают продувы и даже зависания, что нарушает нормальное движение газов и шихтовых материалов (механический процесс) и ведет к расстройству работы печей. В некоторых шахтных печах цветной металлургии физико-химический процесс преобразования шихты является одновременно и энергетическим процессом, дающим тепло в результате экзотермических реакций окисления железа и серы. На данном этапе работу шахтных печей наиболее лимитирует и определяет механика газов и шихтовых материалов, а не скорость теплообменного и технологического процессов. Улучшение качества подготовки шихты, обогащение дутья кислородом и конструктивные усовершенствования могут, однако, изменить значение отдельных процессов для работы шахтных печей и технологический процесс станет определяющим.
Сущность работы металлургических печей

Хорошим примером взаимосвязанности и обусловленности процессов в печах является работа обжиговых печей, перерабатывающих сульфидные материалы. В этих печах процесс окисления сульфидов развивается в результате интенсивного теплообмена и нагрева материала до определенной температуры, а температура в печи и теплообмен являются функцией развития процесса окисления сульфидов, являющегося одновременно технологическим и энергетическим процессом.
Таким образом, научное познание сущности работы металлургических печей связано с необходимостью изучения ряда специальных дисциплин, таких как гидроаэромеханика, теория теплообмена, теория металлургических процессов, теория горения и т. п., развитие же науки о печах и теории печей тесно связано с развитием ряда перечисленных смежных отраслей знаний.